汽轮机调节保护系统的任务和系统基本组成研究

2022-09-12

1 汽轮机调节保护系统的任务

汽轮机是发电厂的原动机, 驱动同步发电机旋转产生电能, 向电网输送符合数量和供电品质 (电压与频率) 要求的电力。由同步发电机的运行特性己知, 发电机的端电压决定于无功功率, 而无功功率决定于发电机的励磁;电网的频率 (或称周波) 决定于有功功率, 即决定于原动机的驱动功率。因此, 电网的电压调节归发电机的励磁系统, 频率调节归汽轮机的功率控制系统。这样, 机组并网运行时, 根据转速偏差改变调节汽门的开度, 调节汽轮机的进汽量及焓降, 改变发电机的有功功率, 满足外界电负荷的变化要求。由于汽轮机调节系统是以机组转速为调节对象, 故习惯上将汽轮机调节系统称为调速系统。

汽轮机调节系统是根据电网的频率偏差自动调节功率输出的, 故在供电的量与质的方面存在着矛盾;因为满足负荷数量要求后, 并不能保持电网频率不变。目前, 电网是通过一、二次调频实现供电的频率品质要求的。对短周期、小幅度的负荷变化由电网负荷频率特性产生频率偏差信号, 网中的各台机组根据调节系统的特性分担这部分负荷变化, 这一调节过程称为一次调频。对幅度变化较大而速度变化较慢的负荷, 则由电网的自动频率控制 (AFC) 装置来分配调频机组的负荷, 这一调节过程称为二次调频。

然而, 纯粹的调速系统是难以满足优良的供电品质要求的。因为在机组运行中, 即使汽轮机的调节汽门开度保持不变, 锅炉燃料品质不一致也会引起燃烧工况波动, 导致汽轮机的进汽参数和功率输出改变, 进而使电网频率发生变化, 供电品质下降。这种由机组内部因素造成机组有功功率及电网频率波动的扰动称之为“内扰”。为抵御机组“内扰”的影响, 在汽轮机调节系统中还必须引入功率控制信号, 在发生“内扰”时, 使机组的功率输出维持在外界要求的水平上。这种既调节转速, 又调节功率的调节系统称之为功 (率) 频 (率) 调节系统。

汽轮机是高温、高压、大功率高速旋转机械, 转子的惯性相对于汽轮机的驱动力矩很小。机组运行中一旦突然从电网中解列甩去全部电负荷, 汽轮机巨大的驱动力矩作用在转子上, 使转速快速飞升。如不及时、快速、可靠地切除汽轮机的蒸汽供给, 就会使转速超过安全许可的极限转速, 酿成毁机恶性事故。为保障汽轮机各种事故工况下的安全, 除要求调节系统快速响应和动作外, 还设置保护系统, 并在调节汽门前设置主汽门。在事故危急工况下, 保护系统快速动作, 使主汽门和调节汽门同时快速关闭, 可靠地切断汽轮机的蒸汽供给, 使机组快速停机。

综合上述, 汽轮机调节保护系统的任务是: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。

2 中间再热汽轮机调节保护系统的特点

再热器的蒸汽管、传热管及联箱等是个很大的蒸汽容积空间, 其间贮存的蒸汽量决定于再热器蒸汽的温度和压力在非设计工况下, 中、低压缸的功率与再热器的蒸汽压力呈一定的比例关系, 这样对应于不同的机组功率, 贮存于再热器中的蒸汽量是不等的。在机组功率变化过程中, 因再热器内蒸汽压力变化导致贮汽量的改变, 产生的蒸汽吸蓄或泄放效应, 使中低压缸的功率变化滞后于高压缸。

在机组功率增大时, 增大高压缸的进汽量, 高压缸的功率输出近似于阶跃增大, 并且因再热器的压力较低, 高压缸的功率还有一定的过增量。同时, 高压缸的排汽进入再热器内时, 部分增大的蒸汽里滞留在再热器中, 以提升再热器的蒸汽压力, 使中低压缸的功率缓慢增大。只有当再热器的蒸汽压力达到新工况稳定状态时, 才能使高压缸的排汽量与中压缸的进汽量相等。相反, 在机组功率下降时, 高压缸进汽量减少, 使再热器蒸汽压力下降, 再热器泄放出部分贮汽, 使得中压缸的进汽量大于高压缸。

3 数字电液控制系统的基本组成

汽轮机调节系统的原理性构成如图2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做功率放大, 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。下面主要介绍数字电液控制系统。

数字电液控制系统 (Digital ElectroHydraulic 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。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) 。 (2) 汽轮机功率的自动调节。 (3) 汽轮机的自动保护。 (4) 机组和DEH系统状态监测。

摘要：本文深度探讨了汽轮机调节保护系统的任务和系统基本组成, 全文基于笔者多年的工作经验和读硕士期间阅读的大量相关文献, 首先阐述了汽轮机调节保护系统的任务, 而后分析了中间再热汽轮机调节保护系统的特点, 最后研究了数字电液控制系统的基本组成, 相信对从事相关研究的同行有着重要的参考价值和借鉴意义。

关键词：汽轮机,调节保护,系统组成