CN104989465B - 一种防止汽轮机转速超调的自动变升速率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防止汽轮机转速超调的自动变升速率控制方法，步骤包括：设置汽轮机的给定升速率K；构造汽轮机的升速率自动修正系数a，并乘以给定升速率作为实际升速率设定值K_a；设置临界转速区间升速率设定值K_c；将汽轮机的转速以及实际升速率设定值K_a、临界转速区间升速率设定值K_c确定汽轮机的转速在临界转速区间外、临界转速区间内及经过临界转速区间边界时的待输出升速率；将待输出升速率进行限幅后输出至汽轮机的转速控制回路。本发明在汽轮机升速过程中转速接近目标转速时升速率设定值会自动减小，能够有效防止汽轮机发生转速超调现象，有利于汽轮机的安全稳定运行。

Description

一种防止汽轮机转速超调的自动变升速率控制方法

技术领域

本发明涉及汽轮机自动控制技术领域，具体涉及一种防止汽轮机转速超调的自动变升速率控制方法。

背景技术

汽轮机是一种大型高速旋转设备。在汽轮机升速过程中，我们希望其能够快速、稳定地达到目标转速。在汽轮机运行过程中，一方面其叶片所承受的离心力与转速的平方成正比，也就是说，即使汽轮机转速上升不大，但其叶片所承受的离心力会成几何倍数增加；如果汽轮机超速，则可能导致其叶片承受超过设计值的离心力而损坏。另一方面，由于汽轮机转子本身质量不平衡引起的汽轮机振动与质量不平衡部分所受的离心力有直接关系，这就使得随着汽轮机转速的上升，其振动也会增加，从而不利于汽轮机的安全稳定运行。因此，对汽轮机的转速必须严格控制，防止汽轮机转速超过设定值。

目前，在大多数的汽轮机升速率设定值控制回路中，其升速率通常是给定不变的，在升速过程中，当汽轮机转速接近目标转速时，如果仍按照原来设定的升速率进行升速，则极易导致汽轮机出现转速超调现象，其转速需要一段时间才能稳定下来。特别是对于给水泵汽轮机，其目标转速通常较高，可设定的升速率也较大(一般来说最大升速率可达1200r/min²)，当其转速接近目标转速时，如果升速率仍为原来设定的较高值，则更易产生转速超调，给汽轮机的安全稳定运行带来不利影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的缺陷，提供一种汽轮机升速过程中转速接近目标转速时升速率设定值会自动减小，能够有效防止汽轮机发生转速超调现象，有利于汽轮机的安全稳定运行的防止汽轮机转速超调的自动变升速率控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种防止汽轮机转速超调的自动变升速率控制方法，步骤包括：

1)设置汽轮机的给定升速率K；

2)构造汽轮机的升速率自动修正系数a，将给定升速率K乘以升速率自动修正系数a作为汽轮机的实际升速率设定值K_a；

3)设置汽轮机在过临界转速区间时的临界转速区间升速率设定值K_c；

4)根据汽轮机的转速以及所述实际升速率设定值K_a、临界转速区间升速率设定值K_c确定汽轮机的转速在临界转速区间外、临界转速区间内以及经过临界转速区间边界时的待输出升速率；

5)将所述待输出升速率通过限幅后输出至汽轮机的转速控制回路。

优选地，所述步骤2)中构造汽轮机的升速率自动修正系数a如式(1)所示；

a＝1-e^-β△ (1)

式(1)中，a表示汽轮机的升速率自动修正系数，β表示转速偏差修正系数，△表示汽轮机的目标转速和给定转速之间的转速偏差的绝对值。

优选地，所述式(1)中e^-β△的计算表达式如式(2)所示；

式(2)中，β表示转速偏差修正系数，△表示汽轮机的目标转速和给定转速之间的转速偏差的绝对值，n表示对式(1)中e^-β△进行泰勒展开的泰勒级数。

优选地，所述步骤4)中确定汽轮机的转速在临界转速区间外、临界转速区间内以及经过临界转速区间边界时的待输出升速率时，当汽轮机的转速V等于临界转速区间下限值Vlmin且汽轮机处于升速过程中或者汽轮机的转速V等于临界转速区间上限值Vlmax且汽轮机处于降速过程中时，将实际升速率设定值K_a和临界转速区间升速率设定值K_c之间的过渡升速率K_ac作为待输出升速率；当汽轮机的转速V等于临界转速区间下限值Vlmin且汽轮机处于降速过程中或者汽轮机的转速V等于临界转速区间上限值Vlmax且汽轮机处于升速过程中时，将临界转速区间升速率设定值K_c和实际升速率设定值K_a之间的过渡升速率K_ca作为待输出升速率；否则，当汽轮机的转速V位于临界转速区间外时将实际升速率设定值K_a作为待输出升速率，当汽轮机的转速V位于临界转速区间内时将临界转速区间升速率设定值K_c作为待输出升速率。

优选地，所述将实际升速率设定值K_a和临界转速区间升速率设定值K_c之间的过渡升速率K_ac作为待输出升速率时，所述过渡升速率K_ac的计算表达式如式(3)所示；所述将临界转速区间升速率设定值K_c和实际升速率设定值K_a之间的过渡升速率K_ca作为待输出升速率时，所述过渡升速率K_ca的计算表达式如式(4)所示；

K_ac＝K_a·(1-γ₁)+K_c·γ₁ (3)

式(3)中，K_ac表示实际升速率设定值K_a和临界转速区间升速率设定值K_c之间的过渡升速率，K_a表示汽轮机的实际升速率设定值，K_c表示汽轮机在过临界转速区间时的临界转速区间升速率设定值，γ₁表示实际升速率设定值K_a和临界转速区间升速率设定值K_c之间的第一预设切换系数，所述第一预设切换系数γ₁为时间相关系数且在指定时间内逐渐由0变为1；

K_ca＝K_a·(1-γ₂)+K_c·γ₂ (4)

式(4)中，K_ca表示临界转速区间升速率设定值K_c和实际升速率设定值K_a之间的过渡升速率，K_a表示汽轮机的实际升速率设定值，K_c表示汽轮机在过临界转速区间时的临界转速区间升速率设定值，γ₂表示实际升速率设定值K_a和临界转速区间升速率设定值K_c之间的第二预设切换系数，所述第二预设切换系数γ₂为时间相关系数且在指定时间内逐渐由1变为0。

优选地，所述第一预设切换系数γ的计算表达式如式(5)所示，所述第二预设切换系数γ₂的计算表达式如式(6)所示；

γ₁＝0.5(min^-1)·t (5)

γ₂＝1.0-0.5(min^-1)·t (6)

式(5)和式(6)中，γ₁表示实际升速率设定值K_a和临界转速区间升速率设定值K_c之间的第一预设切换系数，γ₂表示实际升速率设定值K_a和临界转速区间升速率设定值K_c之间的第二预设切换系数，所述第一预设切换系数γ₁和第二预设切换系数γ₂均大于等于0且小于等于1，t表示时间。

优选地，所述步骤4)中当汽轮机的类型为给水泵汽轮机且检测到其投入遥控模式时，优先将实际升速率设定值K_a和预设的遥控模式升速率设定值K_r之间的过渡升速率K_ar作为待输出升速率。

优选地，所述将实际升速率设定值K_a和预设的遥控模式升速率设定值K_r之间的过渡升速率K_ar作为待输出升速率时，所述过渡升速率K_ar的计算表达式如式(7)所示；

K_ar＝K_a·(1-δ)+K_r·δ (7)

式(7)中，K_ar表示实际升速率设定值K_a和预设的遥控模式升速率设定值K_r之间的过渡升速率，K_a表示汽轮机的实际升速率设定值，K_r表示预设的汽轮机投入遥控模式时的遥控模式升速率设定值，δ表示实际升速率设定值K_a和预设的遥控模式升速率设定值K_r之间的第三预设切换系数，所述第三预设切换系数δ为时间相关系数且在指定时间内逐渐由0变为1。

优选地，所述第三预设切换系数δ的计算表达式如式(8)所示；

δ＝0.5(min^-1)·t (8)

式(8)中，δ表示实际升速率设定值K_a和遥控模式升速率设定值K_r之间的第三预设切换系数，t表示时间。

优选地，所述步骤5)中将所述待输出升速率通过限幅后输出至汽轮机的转速控制回路的详细步骤包括：预先设置升速率高限设定值K_h和升速率低限设定值K_l，将所述待输出升速率通过升速率高限设定值K_h和升速率低限设定值K_l进行高低限幅后输出至汽轮机的转速控制回路。

本发明防止汽轮机转速超调的自动变升速率控制方法具有下述优点：本发明将给定升速率K乘升速率自动修正系数a作为汽轮机的实际升速率设定值K_a，通过将升速率自动修正系数a修正后的实际升速率设定值K_a和预设的临界转速区间升速率设定值K_c一起作为汽轮机DCS系统中升速率切换算法模块的输入，利用该切换算法模块计算待输出升速率，并将待输出升速率通过限幅后输出至汽轮机的转速控制回路，由于实际升速率设定值K_a通过升速率自动修正系数a进行修正，实际升速率设定值K_a能够根据目标转速与给定转速之间偏差的大小自动改变升速率设定值，不需要人为干预，而且当汽轮机转速接近目标转速时，升速率设定值会自动减小，可有效地防止汽轮机出现转速超调现象。

附图说明

图1为本发明实施例一的基本步骤流程示意图。

图2为本发明实施例一步骤4)的流程示意图。

图3为本发明实施例一根据转速V确定汽轮机的待输出升速率的原理图。

图4为本发明实施例二的基本步骤流程示意图。

具体实施方式

实施例一：

如图1所示，本实施例防止汽轮机转速超调的自动变升速率控制方法的步骤包括：

1)设置汽轮机的给定升速率K；

2)构造汽轮机的升速率自动修正系数a，将给定升速率K乘以升速率自动修正系数a作为汽轮机的实际升速率设定值K_a；

3)设置汽轮机在过临界转速区间时的临界转速区间升速率设定值K_c；

4)根据汽轮机的转速以及实际升速率设定值K_a、临界转速区间升速率设定值K_c确定汽轮机的转速在临界转速区间外、临界转速区间内以及经过临界转速区间边界时的待输出升速率；

5)将待输出升速率通过限幅后输出至汽轮机的转速控制回路。

本实施例中，步骤2)中构造汽轮机的升速率自动修正系数a如式(1)所示；

a＝1-e^-β△ (1)

式(1)中，a表示汽轮机的升速率自动修正系数，β表示转速偏差修正系数，△表示汽轮机的目标转速和给定转速之间的转速偏差的绝对值。本实施例中利用泰勒级数对式(1)中的e^-β△进行展开，则有式(1)中e^-β△的计算表达式如式(2)所示；

式(2)中，β表示转速偏差修正系数，△表示汽轮机的目标转速S_T和给定转速S_D之间的转速偏差的绝对值，n表示对式(1)中e^-β△进行泰勒展开的泰勒级数。一般而言，式(1)中e^-β△进行泰勒展开的泰勒级数n的取值为3。

本实施例中，步骤4)根据汽轮机的转速以及实际升速率设定值K_a、临界转速区间升速率设定值K_c确定汽轮机的转速在临界转速区间外、临界转速区间内以及经过临界转速区间边界时的待输出升速率具体是通过汽轮机的分散控制系统(Distributed ControlSystem系统，简称DCS系统)中的切换算法模块来实现的。

如图2和图3所示，步骤4)中确定汽轮机的转速在临界转速区间外、临界转速区间内以及经过临界转速区间边界时的待输出升速率时，当汽轮机的转速V等于临界转速区间下限值Vlmin且汽轮机处于升速过程中或者汽轮机的转速V等于临界转速区间上限值Vlmax且汽轮机处于降速过程中时，将实际升速率设定值K_a和临界转速区间升速率设定值K_c之间的过渡升速率K_ac作为待输出升速率；当汽轮机的转速V等于临界转速区间下限值Vlmin且汽轮机处于降速过程中或者汽轮机的转速V等于临界转速区间上限值Vlmax且汽轮机处于升速过程中时，将临界转速区间升速率设定值K_c和实际升速率设定值K_a之间的过渡升速率K_ca作为待输出升速率；否则，当汽轮机的转速V位于临界转速区间外时将实际升速率设定值K_a作为待输出升速率，当汽轮机的转速V位于临界转速区间内时将临界转速区间升速率设定值K_c作为待输出升速率。以临界转速区间为1500r/min～2000r/min为例，除上述汽轮机的转速经过临界转速区间边界时的过渡情况外，如果转速V小于1500r/min或者转速V大于2000r/min时，则待输出升速率为实际升速率设定值K_a，如果转速V为1500r/min～2000r/min之间，则待输出升速率为临界转速区间升速率设定值K_c；而上述汽轮机的转速经过临界转速区间边界时的过渡情况时，不论是升速还是降速过程中，通过过渡升速率K_ac实现实际升速率设定值K_a到临界转速区间升速率设定值K_c之间的过渡，通过过渡升速率K_ca实现临界转速区间升速率设定值K_c和实际升速率设定值K_a之间的过渡；由于实际升速率设定值K_a通过升速率自动修正系数a进行修正，实际升速率设定值K_a能够根据目标转速与给定转速之间偏差的大小自动改变升速率设定值，不需要人为干预；当汽轮机转速接近目标转速时，升速率设定值会自动减小，可有效地防止汽轮机出现转速超调现象。

本实施例中，将实际升速率设定值K_a和临界转速区间升速率设定值K_c之间的过渡升速率K_ac作为待输出升速率时，过渡升速率K_ac的计算表达式如式(3)所示；将临界转速区间升速率设定值K_c和实际升速率设定值K_a之间的过渡升速率K_ca作为待输出升速率时，过渡升速率K_ca的计算表达式如式(4)所示；

K_ac＝K_a·(1-γ₁)+K_c·γ₁ (3)

式(3)中，K_ac表示实际升速率设定值K_a和临界转速区间升速率设定值K_c之间的过渡升速率，K_a表示汽轮机的实际升速率设定值，K_c表示汽轮机在过临界转速区间时的临界转速区间升速率设定值，γ₁表示实际升速率设定值K_a和临界转速区间升速率设定值K_c之间的第一预设切换系数，第一预设切换系数γ₁为时间相关系数且在指定时间内逐渐由0变为1；

K_ca＝K_a·(1-γ₂)+K_c·γ₂ (4)

式(4)中，K_ca表示临界转速区间升速率设定值K_c和实际升速率设定值K_a之间的过渡升速率，K_a表示汽轮机的实际升速率设定值，K_c表示汽轮机在过临界转速区间时的临界转速区间升速率设定值，γ₂表示实际升速率设定值K_a和临界转速区间升速率设定值K_c之间的第二预设切换系数，第二预设切换系数γ₂为时间相关系数且在指定时间内逐渐由1变为0。

本实施例中，第一预设切换系数γ的计算表达式如式(5)所示，第二预设切换系数γ₂的计算表达式如式(6)所示；

γ₁＝0.5(min^-1)·t (5)

γ₂＝1.0-0.5(min^-1)·t (6)

式(5)和式(6)中，γ₁表示实际升速率设定值K_a和临界转速区间升速率设定值K_c之间的第一预设切换系数，γ₂表示实际升速率设定值K_a和临界转速区间升速率设定值K_c之间的第二预设切换系数，第一预设切换系数γ₁和第二预设切换系数γ₂均大于等于0且小于等于1，t表示时间。本实施例中，指定时间具体为2分钟，即当时间t从0变化到2分钟时，γ₁由0变化到1.0，γ₂则由1.0变化到0。

本实施例中，步骤5)中将待输出升速率通过限幅后输出至汽轮机的转速控制回路的详细步骤包括：预先设置升速率高限设定值K_h和升速率低限设定值K_l，将待输出升速率通过升速率高限设定值K_h和升速率低限设定值K_l进行高低限幅后输出至汽轮机的转速控制回路。

实施例二：

如图4所示，本实施例与实施例一基本相同，其不同点为本实施例中的汽轮机为给水泵汽轮机，且本实施例步骤4)中当汽轮机的类型为给水泵汽轮机且检测到其投入遥控模式时，优先将实际升速率设定值K_a和预设的遥控模式升速率设定值K_r之间的过渡升速率K_ar作为待输出升速率。

本实施例中，将实际升速率设定值K_a和预设的遥控模式升速率设定值K_r之间的过渡升速率K_ar作为待输出升速率时，过渡升速率K_ar的计算表达式如式(7)所示；

K_ar＝K_a·(1-δ)+K_r·δ (7)

式(7)中，K_ar表示实际升速率设定值K_a和预设的遥控模式升速率设定值K_r之间的过渡升速率，K_a表示汽轮机的实际升速率设定值，K_r表示预设的汽轮机投入遥控模式时的遥控模式升速率设定值，δ表示实际升速率设定值K_a和预设的遥控模式升速率设定值K_r之间的第三预设切换系数，第三预设切换系数δ为时间相关系数且在指定时间内逐渐由0变为1。

本实施例中，第三预设切换系数δ的计算表达式如式(8)所示；

δ＝0.5(min^-1)·t (8)

式(8)中，δ表示实际升速率设定值K_a和遥控模式升速率设定值K_r之间的第三预设切换系数，t表示时间。本实施例中，指定时间具体为2分钟，当时间t从0变化到2分钟时，δ由0变化到1.0。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种防止汽轮机转速超调的自动变升速率控制方法，其特征在于步骤包括：

1)设置汽轮机的给定升速率K；

2)构造汽轮机的升速率自动修正系数a，将给定升速率K乘以升速率自动修正系数a作为汽轮机的实际升速率设定值K_a；

3)设置汽轮机在过临界转速区间时的临界转速区间升速率设定值K_c；

4)根据汽轮机的转速以及所述实际升速率设定值K_a、临界转速区间升速率设定值K_c确定汽轮机的转速在临界转速区间外、临界转速区间内以及经过临界转速区间边界时的待输出升速率；

5)将所述待输出升速率通过限幅后输出至汽轮机的转速控制回路；

所述步骤2)中构造汽轮机的升速率自动修正系数a如式(1)所示；

a＝1-e^-βΔ (1)

式(1)中，a表示汽轮机的升速率自动修正系数，β表示转速偏差修正系数，△表示汽轮机的目标转速和给定转速之间的转速偏差的绝对值。

2.根据权利要求1所述的防止汽轮机转速超调的自动变升速率控制方法，其特征在于，所述式(1)中e^-β△的计算表达式如式(2)所示；

式(2)中，β表示转速偏差修正系数，△表示汽轮机的目标转速和给定转速之间的转速偏差的绝对值，n表示对式(1)中e^-β△进行泰勒展开的泰勒级数。

3.根据权利要求1或2所述的防止汽轮机转速超调的自动变升速率控制方法，其特征在于，所述步骤4)中确定汽轮机的转速在临界转速区间外、临界转速区间内以及经过临界转速区间边界时的待输出升速率时，当汽轮机的转速V等于临界转速区间下限值Vlmin且汽轮机处于升速过程中或者汽轮机的转速V等于临界转速区间上限值Vlmax且汽轮机处于降速过程中时，将实际升速率设定值K_a和临界转速区间升速率设定值K_c之间的过渡升速率K_ac作为待输出升速率；当汽轮机的转速V等于临界转速区间下限值Vlmin且汽轮机处于降速过程中或者汽轮机的转速V等于临界转速区间上限值Vlmax且汽轮机处于升速过程中时，将临界转速区间升速率设定值K_c和实际升速率设定值K_a之间的过渡升速率K_ca作为待输出升速率；否则，当汽轮机的转速V位于临界转速区间外时将实际升速率设定值K_a作为待输出升速率，当汽轮机的转速V位于临界转速区间内时将临界转速区间升速率设定值K_c作为待输出升速率。

4.根据权利要求3所述的防止汽轮机转速超调的自动变升速率控制方法，其特征在于，所述将实际升速率设定值K_a和临界转速区间升速率设定值K_c之间的过渡升速率K_ac作为待输出升速率时，所述过渡升速率K_ac的计算表达式如式(3)所示；所述将临界转速区间升速率设定值K_c和实际升速率设定值K_a之间的过渡升速率K_ca作为待输出升速率时，所述过渡升速率K_ca的计算表达式如式(4)所示；

K_ac＝K_a·(1-γ₁)+K_c·γ₁ (3)

式(3)中，K_ac表示实际升速率设定值K_a和临界转速区间升速率设定值K_c之间的过渡升速率，K_a表示汽轮机的实际升速率设定值，K_c表示汽轮机在过临界转速区间时的临界转速区间升速率设定值，γ₁表示实际升速率设定值K_a和临界转速区间升速率设定值K_c之间的第一预设切换系数，所述第一预设切换系数γ₁为时间相关系数且在指定时间内逐渐由0变为1；

K_ca＝K_a·(1-γ₂)+K_c·γ₂ (4)

式(4)中，K_ca表示临界转速区间升速率设定值K_c和实际升速率设定值K_a之间的过渡升速率，K_a表示汽轮机的实际升速率设定值，K_c表示汽轮机在过临界转速区间时的临界转速区间升速率设定值，γ₂表示实际升速率设定值K_a和临界转速区间升速率设定值K_c之间的第二预设切换系数，所述第二预设切换系数γ₂为时间相关系数且在指定时间内逐渐由1变为0。

5.根据权利要求4所述的防止汽轮机转速超调的自动变升速率控制方法，其特征在于，所述第一预设切换系数γ的计算表达式如式(5)所示，所述第二预设切换系数γ₂的计算表达式如式(6)所示；

γ₁＝0.5(min^-1)·t (5)

γ₂＝1.0-0.5(min^-1)·t (6)

式(5)和式(6)中，γ₁表示实际升速率设定值K_a和临界转速区间升速率设定值K_c之间的第一预设切换系数，γ₂表示实际升速率设定值K_a和临界转速区间升速率设定值K_c之间的第二预设切换系数，所述第一预设切换系数γ₁和第二预设切换系数γ₂均大于等于0且小于等于1，t表示时间。

6.根据权利要求1所述的防止汽轮机转速超调的自动变升速率控制方法，其特征在于，所述步骤4)中当汽轮机的类型为给水泵汽轮机且检测到其投入遥控模式时，优先将实际升速率设定值K_a和预设的遥控模式升速率设定值K_r之间的过渡升速率K_ar作为待输出升速率。

7.根据权利要求6所述的防止汽轮机转速超调的自动变升速率控制方法，其特征在于，所述将实际升速率设定值K_a和预设的遥控模式升速率设定值K_r之间的过渡升速率K_ar作为待输出升速率时，所述过渡升速率K_ar的计算表达式如式(7)所示；

K_ar＝K_a·(1-δ)+K_r·δ (7)

式(7)中，K_ar表示实际升速率设定值K_a和预设的遥控模式升速率设定值K_r之间的过渡升速率，K_a表示汽轮机的实际升速率设定值，K_r表示预设的汽轮机投入遥控模式时的遥控模式升速率设定值，δ表示实际升速率设定值K_a和预设的遥控模式升速率设定值K_r之间的第三预设切换系数，所述第三预设切换系数δ为时间相关系数且在指定时间内逐渐由0变为1。

8.根据权利要求7所述的防止汽轮机转速超调的自动变升速率控制方法，其特征在于，所述第三预设切换系数δ的计算表达式如式(8)所示；

δ＝0.5(min^-1)·t (8)

式(8)中，δ表示实际升速率设定值K_a和遥控模式升速率设定值K_r之间的第三预设切换系数，t表示时间。

9.根据权利要求8所述的防止汽轮机转速超调的自动变升速率控制方法，其特征在于，所述步骤5)中将所述待输出升速率通过限幅后输出至汽轮机的转速控制回路的详细步骤包括：预先设置升速率高限设定值K_h和升速率低限设定值K_l，将所述待输出升速率通过升速率高限设定值K_h和升速率低限设定值K_l进行高低限幅后输出至汽轮机的转速控制回路。