CN1959067A - 汽轮机的调速控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种汽轮机的速度控制系统，包括：转速感受机构、中间放大机构、同步器、启动装置、油动机、配汽机构；所述转速感受机构接收汽轮机转子的转速信号并将其转变成一次控制信号；所述中间放大器对转速感受机构发出的一次控制信号作功率放大；所述油动机按中间放大器的控制信号产生带动配汽机构动作的驱动力，并达到预定的开度位置；所述配汽机构将油动机的行程转变为各调节汽门的开度，使汽轮机的进汽量与油动机行程间校正到近似线性关系；所述同步器作用于中间放大器，产生控制油动机行程的控制信号，单机运行时改变汽轮机的转速，并网运行时改变机组的功率；所述启动装置在机组启动时用于冲转、并提升转速至同步器动作转速。

Description

汽轮机的调速控制系统

技术领域

本发明属于汽轮机控制领域，特别涉及一种汽轮机的速度控制系统。

背景技术

汽轮机调速控制系统的任务是：正常运行时，通过改变汽轮机的进汽量，使汽轮机的功率输出满足外界的负荷要求，且使调节后的转速偏差在允许的范围内；在危急事故工况下，快速关闭调节汽门或主汽门，使机组维持空转或快速停机。靠汽轮机的自调节运行，一定会引起汽轮机转速很大的波动，无法满足运行的要求。这样就必须有调速系统，利用汽轮机转速变化的信号对其进行调节。

由于汽轮机的蒸汽压力很高，开启主汽门和调节汽门需要很大的驱动力。为满足电网一次调频要求，必须要求调节汽门的驱动机构有较好的响应灵敏性和较快的响应速度。特别是在机组甩负荷等危急工况下，要求主汽门和调节汽门能在极短的时间内全行程关闭。因此，对汽轮机调节汽门和主汽门的驱动机构提出惯性小、驱动功率大的特殊要求。目前，电磁驱动机构尚不能满足这一特殊要求，故汽轮机调节保护系统总是以油动机(即液压伺服马达)为调节汽门和主汽门的执行机构。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用汽轮机转速的变化信号对其进行调节，正常运行时，使汽轮机的功率输出满足外界的负荷要求，且使调节后的转速偏差在允许的范围内；在危急事故工况下，快速关闭调节汽门或主汽门，使机组维持空转或快速停机的汽轮机的调速控制系统。

本发明的技术解决方案可依如下方式实现：

汽轮机的调速控制系统，它包括：转速感受机构、中间放大机构、同步器、启动装置、油动机、配汽机构；所述转速感受机构接收汽轮机转子的转速信号并将其转变成一次控制信号；所述中间放大器对转速感受机构发出的一次控制信号作功率放大，并按调节目标作控制运算；所述油动机按中间放大器的控制信号产生带动配汽机构动作的驱动力，并达到预定的开度位置；所述配汽机构将油动机的行程转变为各调节汽门的开度，使汽轮机的进汽量与油动机行程间校正到近似线性关系；所述同步器作用于中间放大器，产生控制油动机行程的控制信号，单机运行时改变汽轮机的转速，并网运行时改变机组的功率；所述启动装置在机组启动时用于冲转、并提升转速至同步器动作转速。

作为一种优选方案，本发明还配有保护系统；所述保护系统采用机械液压调节、模拟电液调节或数字电液调节模式。

本发明所述机械液压调节系统包括：调速器、配于调速器下部的滑环、同步器、油动机、配汽机构。

本发明所述模拟电液调节系统包括：主控部分、PID、功率放大器、电液转换器、中间放大器、油动机、压缩机；所述主控部分的信号输出端依次经PID、功率放大器、电液转换器及中间放大器接油动机的输入端；所述油动机的工作端接汽轮机的工作端。

本发明所述数字电液控制系统包括：电子控制器、操作系统、执行机构、保护系统和供油系统。

本发明驱动机构有较好的响应灵敏性和较快的响应速度。在正常运行时，通过改变汽轮机的进汽量，使汽轮机的功率输出满足外界的负荷要求，且使调节后的转速偏差在允许的范围内；在危急事故工况下，快速关闭调节汽门或主汽门，使机组维持空转或快速停机。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明汽轮机调节保护系统原理框图；

图2为本发明械液压调节系统整体结构示意图；

图3为本发明模拟电液调节系统原理框图。

具体实施方式

如图所示，汽轮机的调速控制系统，它包括：转速感受机构、中间放大机构、同步器、启动装置、油动机、配汽机构；所述转速感受机构接收汽轮机转子的转速信号并将其转变成一次控制信号；所述中间放大器对转速感受机构发出的一次控制信号作功率放大，并按调节目标作控制运算；所述油动机按中间放大器的控制信号产生带动配汽机构动作的驱动力，并达到预定的开度位置；所述配汽机构将油动机的行程转变为各调节汽门的开度，使汽轮机的进汽量与油动机行程间校正到近似线性关系；所述同步器作用于中间放大器，产生控制油动机行程的控制信号，单机运行时改变汽轮机的转速，并网运行时改变机组的功率；所述启动装置在机组启动时用于冲转、并提升转速至同步器动作转速。上述系统还配有保护系统；所述保护系统采用机械液压调节、模拟电液调节或数字电液调节模式。所述机械液压调节系统包括：调速器、配于调速器下部的滑环、同步器、油动机、配汽机构。所述模拟电液调节系统包括：主控部分、PID、功率放大器、电液转换器、中间放大器、油动机、压缩机；所述主控部分的信号输出端依次经PID、功率放大器、电液转换器及中间放大器接油动机的输入端；所述油动机的工作端接汽轮机的工作端。所述数字电液控制系统包括：电子控制器、操作系统、执行机构、保护系统和供油系统。

汽轮机调节系统的原理性构成如附图一所示。转速感受机构是将转子的转速信号转变成一次控制信号；中间放大器对一次控制信号作功率放大，并按调节目标作控制运算，产生油动机的控制信号；油动机是一种液压位置伺服马达，按中间放大器的控制信号产生带动配汽机构动作的驱动力，并达到预定的开度位置；配汽机构是将油动机的行程转变为各调节汽门的开度，通过配汽机构的非线性传递特性，汽轮机的进汽量与油动机行程间校正到近似线性关系；同步器作用于中间放大器，产生控制油动机行程的控制信号，单机运行时改变汽轮机的转速，并网运行时改变机组的功率；启动装置在机组启动时用于冲转、并提升转速至同步器动作转速。

由于汽轮机的蒸汽压力很高，开启主汽门和调节汽门需要很大的驱动力。为满足电网一次调频要求，必须要求调节汽门的驱动机构有较好的响应灵敏性和较快的响应速度。特别是在机组甩负荷等危急工况下，要求主汽门和调节汽门能在极短的时间内全行程关闭。因此，对汽轮机调节汽门和主汽门的驱动机构提出惯性小、驱动功率大的特殊要求。目前，电磁驱动机构尚不能满足这一特殊要求，故汽轮机调节保护系统总是以油动机(即液压伺服马达)为调节汽门和主汽门的执行机构。

汽轮机的调节保护系统根据其转速感受机构及中间放大器的结构不同，可分为机械液压调节、模拟电液调节和数字电液调节三种型式。

1、机械液压调节系统

机械液压调节系统是由杠杆、曲柄等机械机构作信号放大和液压流量控制阀作功率放大，其原理性系统如附图二所示。飞锤感受转速的变化，并转变为滑环的位移；断流式错油门控制油动机活塞腔室的进、排油，当错油门滑阀偏离居中位置时，分别开启油动机活塞上、下腔室的进、排油口，使油动机活塞带动调节汽门开启或关闭；在油动机活塞移动时，又带动杠杆运动，使错油门滑阀向着居中位置移动。当油动机活塞的位移复现调速器滑环位移的变化规律时，错油门滑阀回到居中位置，调节过程结束。随着机组容量的增大，开启调节汽门驱动力要求的提高，特别是中间再热机组高压调节汽门动态校正要求的提出，机械液压调节的机械结构和液压控制回路变得十分复杂。机械传动机构旷动间隙的存在，液压控制部件易受油液污染的影响，使调节品质和运行稳定、可靠性不很理想。因机组的功率信号无法由机械或液压机构来感受，故机械液压调节系统仅能起到调速系统的作用。另一方面，配汽机构采用较为固定的机械机构，无法实现喷嘴、节流等多种运行方式的灵活切换。

2、模拟电液调节系统

模拟电液调节系统是基于模拟电路的连续控制调节系统，它将电子技术与液压控制技术有机地结合在一起，综合了电子元件检测灵敏、精度高、线性好、迟缓小、传输速度快、调整方便、能实现复杂调节规律，以及液压元件驱动功率大、惯性小的优点。检测、运算采用电子元件，执行机构为液压部件，两者中介的核心部件是电液伺服阀(俗称电液转换器)。汽轮机的转速和功率经传感器或变送器转变为电信号，经电子线路放大、运算，产生油动机行程的控制信号，输到PID(比例、积分和微分)凋节回路，然后经模拟电路功率放大作用于电液转换器，产生控制油动机行程的液压信号，经中间放大后使油动机按调节指令动作。

模拟电液调节系统原理性框图如附图三所示，系统中设有转速调节回路、功率调节回路和功-频调节回路，在机组单机运行时控制转速；并网非调频工况时调节机组功率；并网调频运行时实现功-频调节，克服″内扰″和再热器中间容积时滞效应的影响。功率设定可远方遥控设置，便于电网自动发电控制(AGC)。蒸汽压力输入可实现机炉协调控制。模拟电液调节系统的控制功能和调节品质较机械液压调节系统有了很大的提高，改善了调节系统的甩负荷动态特性，增强了机组运行的安全性。

3、数字电液控制系统

数字电液控制系统(Digital Electro-Hydraulic Control System，简称DEH)是以计算机替代模拟电液调节系统中控制运算的模拟电路，发挥计算机控制运算、逻辑判断与处理能力强及软件组态灵活、方便的优势，将汽轮机运行的状态监测、顺序控制、调节和保护融为一体。特别是液压系统采用高压抗燃油(三芳基磷酸脂)后，简化了液压控制回路，提高了油动机的推动力。调节汽门由各自油动机驱动，可使机组实现喷嘴、节流等多种运行方式灵活切换，增强了机组运行控制的灵活性。由于数字电液调节系统的硬件采用模块化结构，系统扩展灵活，维修调试方便，冗余控制、多层保护和自检、自诊断功能使调节品质、运行可靠性和机组的安全性均较模拟电液调节系统有了很大提高。数字电液控制系统是由电子控制器、操作系统、执行机构、保护系统和供油系统组成，它实现的主要功能是：

(1)汽轮机自动程序控制(ATC)。通过监测高、中压汽缸温度和蒸汽温度，计算出转子热应力。在汽轮机允许的应力范围内，以最大的速率、最短的时间实现机组由盘车、冲转、升速、并网到带负荷的全自动程序化操作。

(2)汽轮机功率的自动调节。汽轮机功率的自动调节设有操作员自动、远方控制和电厂计算机控制三种模式。根据电网的要求，可选择调频运行方式或基本负荷运行方式。在机组冷、热态启动中，能自动地根据启动状态控制调节汽门的开度。

(3)汽轮机的自动保护。设有三层超速保护，即超速保护控制(OPC)、危急遮断控制(ETS)和机械超速保护与手动遮断脱扣。超速保护控制是当机组转速超过103％n₀时，OPC电磁阀动作，快速关闭高、中压调节汽门；ETS是当机组转速达到110％n₀时，自动停机遮断(AST)电磁阀动作，快速关闭主汽门和调节汽门。此外，当出现低润滑油压、推力轴承磨损、低真空、高压排汽温度高等危急事故时，ETS通过AST电磁阀使机组快速停机；机械超速保护是当机组转速升高至112％n₀时动作，关闭主汽门和调节汽门。

(4)机组和DEH系统状态监测。监视和显示机组及DEH系统的重要参数、运行曲线、历史趋势和故障，以及指示操作按钮的状态。TSCS调速控制系统描述及功能：

1.转速控制系统的组成

TSCS调速控制系统具有两个独立的控制通道，控制回路。这两个回路的输出与另一个通道-----阀位限制器进行信号低选(LSS)。LSS的输出将直接设定执行机构驱动器的输出。除了这两个通道外，转速/负荷回路还能受控于另一个控制回路，即串级控制回路。串级控制回路“串接”在转速回路中，因此串级控制回路的输出能直接改变转速控制回路的给定值。另外，辅助控制回路可作为控制通道也可作为限制通道。所有这三个PID控制回路都可以选择模拟输入信号来远程调整它们的给定值。

调速系统的附加功能包括频率控制，同步负荷分配(采用DCLS)，避开临界转速，暖机/额定转速控制和顺序自动起动。

2.转速控制

转速控制回路接受来自电磁式传感器或非接触式转速探头的转速信号。转速PID控制放大器将该信号与转速给定值相比较并给执行机构发出输出信号(通过信号低选总线)。

转速回路的给定值可以通过上位机输入，远程触点输入。此外，也能够将模拟输入用于远程调整转速给定值。

远程转速给定值

其中一个4-20mA输入能组态用于控制转速给定值。一般一个外部过程控制器与这个输入相连接，用于调整转速或负荷控制相关过程的运行。

远程转速给定值输入将直接作用于调速系统的转速给定值。远程输入信号改变转速给定值的最大速率是可编程的。当投入远程给定值时，转速给定值以很慢的速率变化直到两个设定值一致。此时，将允许转速给定值以最大速率变化。

3.辅助控制

辅助控制通道能用来控制或者限制一个参数。辅助PID控制回路能用来控制或限制机组的负荷/功率，电厂的输入/输出值，进口压力，排汽压力，温度或其它与负荷直接相关的过程参数。

辅助输入是一个4-20mA的电流信号。辅助PID控制放大器将这个输入信号与给定值相比较，并产生一个控制输出信号至LSS(信号低选总线)。LSS总线将最小的信号送至执行机构驱动器回路。

远程辅助给定值

其中一个4-20mA的输入用于过程调整辅助给定值。远程辅助给定值输入直接作用于辅助给定值。远程输入信号改变辅助给定值的最大速率是可编程的。当投入远程给定值时，辅助给定值以很慢的速率变化直到两个给定值一致。此时，将允许给定值以最大速率变化。

4.负荷分配输入

TSCS调速系统能利用一个模拟输入接受来数字式同步器和负荷控制器的负荷分配信号。这个和负荷控制器相连的信号允许调速系统与任何其它使用负荷控制器的系统进行同步负荷分配。TSCS调速系统的内部“和接点”将这个信号与转速/负荷基准相加。除了负荷分配外，TSCS的负荷控制器输入还能用于使机组与工厂电网外部电网的同步。

5.串级控制

串级控制能被组态用于控制与转速或负荷有关或受其影响的任何系统过程。通常，该控制回路用于控制进汽或排汽压力。

串级控制是一个PID控制回路，它将4-20mA的过程信号与串级给定值相比较。PID控制回路调整转速控制回路的给定值直到过程信号与给定值达到一致。

6.远程串级给定值

其中一个4-20mA的输入能被组态成用于远程调整串级给定值。远程串级给定值输入直接作用于调速系统的串级给定值。远程输入信号改变串级给定值的最大速率是可编程的且能在运行方式中加以改变。当投入远程给定值时，串级给定值以很慢的速率变化直至两个给定值达到一致，此时，允许给定值以最大速率变化。能够根据需要通过键盘，远程触点输入或通信线路投入和退出远程串级功能。

7.阀位限制器

阀位限制器限制了执行机构的输出信号或阀门斩位置，有助于起动和停机。阀位控制器的输出与转速/负荷和辅助控制通道的输出为信号低选。要求最小阀位的控制或限制器通道控制了阀门的位置。于是，阀位限制器就限制了最大阀门位置。能通过键盘，外部触点调整阀位限制。

阀位限制器还能用于系统的动态故障查寻。如果认为是TSCS调速系统引起系统不稳定，调整阀位限制器以手动控制阀门的位置。当以这种方式使用阀位限制器必须注意，不得让系统达到危险的运行点。

8.起动特性

TSCS调速系统提供了三种不同起动方式的选择：自动，半自动和手动起动。组态时必须选择这三种起动方式的一种，以便使从停机状态达到最低转速控制。组态的起动方式和调速系统最低控制转速将取决于工厂的起动程序和制造厂的建议。

如果设置了暖机转速(暖机/额定或顺序自动起动方式)，TSCS调速系统将提供自动转速控制并避开临界转速。可以通过TSCS调速系统的键盘，远程触点输入。此外，也能组态一个“允许起动”触点输入。例如，若跳闸节流或截止阀没有关闭阻止起动。

9.暖机/额定

暖机/额定功能使操作人员能以组态的速率在设置的暖机转速和额定转速之间改变转速。暖机/额定功能还能组态成仅作为自动升至额定转速功能。

10.自动起动

顺序自动起动功能使操作人员能从设定的低暖机转速起动并停留在该转速下直至设定的暖机时间结束，然后升至设定的高暖机转速并停留直至设定主高暖机时间结束，最后升至设定的额定转速给定值。在暖机转速下的停留时间和加速率取决于是“热态起动”还是“冷态起动”。“热态”和“冷态”由的停机时间来确定。当处于热态和冷态条件之间时，调速系统使用热态和冷态数据点的内插值来确定合适的起动速率和停留时间。

如果必要，能通过编程和采用顺序自动起动的暂停/继续指令来终止和继续顺序自动起动程序。可以通过TSCS调速系统的键盘，远程触点输入来选择暂停或继续。此外，顺序自动起动能够组态成自动暂停在每个暖机给定值处。

11.避开临界转速

由于过分振动或其它原因，要求避开某些转速或转速范围(或者尽可能快地通过)。在编程组态时可以选择两个临界转速避开带。这两个转速带可以小于调节器下限转速的任意转速范围。必须对暖机/额定或顺序自动起动功能进行组态以执行临界转速避开功能。在临界转速范围内，TSCS调速系统以设定的临界转速率改变转速给定值并不允许转速给定值停留在临界转速避开带内。如果在加速通过临界转速避开带时出现强烈的运动，选择降转速给定值指令将使机组转速回复到该转速避开带的下限处。

12.超速保护功能

超速保护功能用三个独立的转速传感器防止蒸汽轮机、燃汽轮机或其他类型的原动机超速。该系统可以取代机械超速保护装置，特别是在高速＞10000rpm应用场合，因为机械超速保护装置在高速情况下往往表现得不可靠。系统采用的是三选二停机方式，确保不会因三个单元其中的一个发生瞬时故障造成误停机。每个单元与其他两个单元除选项继电器输出连接外，其他都是完全隔离的。为了进一步防止误停机发生每个速度感应单元所用的电源也是独立的。

由于系统不存在机械运动件，因而不会像机械超速保护装置那样出现与主机运转工况有关的机械磨损、磁化温度或其他运转温度等问题。

系统可以长时间的连续保持设定的停机速度值不变。

当发生超速停机时，系统可记录、显示原动机所达到的峰值转速。

13、调速系统的迟缓率

机械液压型调速器最好的迟缓率ε＝0.3～0.4％，采用电液压式数字型调速器灵敏度很高，迟缓率(人工死区)可以调节到接近于零。

14、速画面的常规设计

附图8内容仅仅作为基本的参考，根据实际情况我们可以提供更为详尽的内容可控制功能。

15、调速控制系统工艺描述：

本项目上所用机组为加氢裂化装置循环氢压缩机，加氢处理装置循环氢压缩机，加氢精制装置循环氢压缩机。这三台机组从汽轮机调速控制原理的角度来看，是相同模式的。在系统流程图上反映出的初步调速方案见附图9。

16、每个调速控制实现所需要的I/O数量：

输入量：转速输入               AI       4点

其中三个用于超速保护，一个用于转速调节

        辅助输入               AI       1点

        远程辅助给定值         AI       1点

        串级输入               AI       1点

        远程串级给定值         AI       1点

        负荷输入               AI       1点

        远程转速给定值         AI       1点

        停机                   DI       1点

        复位                   DI       1点

        升转速给定值           DI       1点

        降转速给定值           DI       1点

        其它开关量输入         DI       16点

根据现场的实际情况编程组态。

输出量：执行机构控制信号      AO      2点

        停机指示              DO      1点

        报警指示              DO      1点

        其它开关量输入        DO      6点

根据现场的实际情况编程组态。

因此，本项目实际汽轮机调速需要点数总计：AI 10点，AO 2点，DI 20点，DO 8点。

除上面硬件点数的要求外，DCS/ESD的软件方面要求具有数学运算、PID、折线函数、计时器、计数器等基本编程组态功能。在此不一一累述。

Claims (5)

1、汽轮机的调速控制系统，其特征在于，包括：转速感受机构、中间放大机构、同步器、启动装置、油动机、配汽机构；所述转速感受机构接收汽轮机转子的转速信号并将其转变成一次控制信号；所述中间放大器对转速感受机构发出的一次控制信号作功率放大，并按调节目标作控制运算；所述油动机按中间放大器的控制信号产生带动配汽机构动作的驱动力，并达到预定的开度位置；所述配汽机构将油动机的行程转变为各调节汽门的开度，使汽轮机的进汽量与油动机行程间校正到近似线性关系；所述同步器作用于中间放大器，产生控制油动机行程的控制信号，单机运行时改变汽轮机的转速，并网运行时改变机组的功率；所述启动装置在机组启动时用于冲转、并提升转速至同步器动作转速。

2、根据权利要求1所述的汽轮机的调速控制系统，其特征在于：还配有保护系统；所述保护系统采用机械液压调节、模拟电液调节或数字电液调节模式。

3、根据权利要求1或2所述的汽轮机的调速控制系统，其特征在于：所述机械液压调节系统包括：调速器、配于调速器下部的滑环、同步器、油动机、配汽机构。

4、根据权利要求1或2所述的汽轮机的调速控制系统，其特征在于：所述模拟电液调节系统包括：主控部分、PID、功率放大器、电液转换器、中间放大器、油动机、压缩机；所述主控部分的信号输出端依次经PID、功率放大器、电液转换器及中间放大器接油动机的输入端；所述油动机的工作端接汽轮机的工作端。

5、根据权利要求1或2所述的汽轮机的调速控制系统，其特征在于：所述数字电液控制系统包括：电子控制器、操作系统、执行机构、保护系统和供油系统。

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