汽輪機(jī)控制系統(tǒng)研究

王洪巖(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東火電工程總公司,廣東廣州 510735)

汽輪機(jī)控制系統(tǒng)研究

王洪巖(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東火電工程總公司,廣東廣州 510735)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展,對(duì)電力的要求也越來(lái)越高,如何提升機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)安全與可用率、合理降低運(yùn)轉(zhuǎn)與維護(hù)成本。將是每一個(gè)電廠管理者,必需面對(duì)的重要課題,降低發(fā)電成本的因素很多,其中影響最大的主要因素是機(jī)組可用率、運(yùn)轉(zhuǎn)維護(hù)費(fèi)用。這兩大因素,又取于機(jī)組的零故障、無(wú)缺點(diǎn),所以身為電廠的維修人員,更應(yīng)該不斷發(fā)覺,發(fā)電機(jī)組之故障因子,不斷地持續(xù)改善,預(yù)防于未然、全面掌控更新設(shè)備接口,加強(qiáng)對(duì)設(shè)備異狀自行分析能力,提升自主營(yíng)運(yùn)及維修之能力,達(dá)成永續(xù)經(jīng)營(yíng)之目標(biāo)。

汽輪機(jī) 控制系統(tǒng) 研究

1 前言

火力發(fā)電是一種自動(dòng)化連續(xù)性流程,設(shè)備規(guī)模龐大且復(fù)雜。它是很多次系統(tǒng)組合而成,包含鍋爐飼水系統(tǒng)、鍋爐蒸汽系統(tǒng)、鍋爐燃料系統(tǒng)、汽輪機(jī)系統(tǒng)、變電系統(tǒng)等等次系統(tǒng)。若其中一次系統(tǒng)發(fā)生故障,就會(huì)影響整個(gè)發(fā)電流程,甚至造成機(jī)組停機(jī)或發(fā)生工安事故。所以改善和維修這個(gè)復(fù)雜系統(tǒng),更顯重要。服務(wù)的部門正好是維護(hù)汽輪機(jī)系統(tǒng)的單位。汽輪機(jī)在整個(gè)系統(tǒng),占舉足輕重的地位。主要是它昂貴及單一性,無(wú)備用模塊,又因設(shè)備本身是經(jīng)由各系統(tǒng)領(lǐng)域?qū)I(yè)人員設(shè)計(jì),各次系統(tǒng)相互間接口的主觀設(shè)計(jì),較少考慮到設(shè)備老化或維修需求。

在過(guò)去幾年中電子產(chǎn)品變化淘汰急速,許多零組件已停產(chǎn),造成維修上的困擾,當(dāng)要以替代組件更新時(shí),必須考慮機(jī)械系統(tǒng)與控制系統(tǒng)相互接口間的關(guān)連性,方 能保證更新后的 穏定性及可靠度。

2 研究現(xiàn)狀

一般研究機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)行為的學(xué)者,大多著重于機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析與機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),較少注意于機(jī)構(gòu)之動(dòng)態(tài)響應(yīng)；傳統(tǒng)上對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的分析,均假設(shè)其為剛體且運(yùn)轉(zhuǎn)速度不宜過(guò)高,以避免系統(tǒng)徒增負(fù)荷(如側(cè)向應(yīng)力)、疲勞破壞和噪音,因而大大限制了運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)之機(jī)械利益。所以,在運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)研究的領(lǐng)域中,往往考慮機(jī)構(gòu)的作用力、位移、速度、加速度和機(jī)械利益等等,在有限的空間范圍中求解。有關(guān)機(jī)構(gòu)機(jī)動(dòng)與動(dòng)力學(xué)的研究情況敘述如下。

Viscomi和Aryem研究滑塊曲柄機(jī)構(gòu)中彈性連桿的振動(dòng)彎曲響應(yīng),發(fā)現(xiàn)它由系統(tǒng)的長(zhǎng)度、質(zhì)量、阻尼、活塞外力及頻率等五個(gè)無(wú)因次參數(shù)來(lái)影響其響應(yīng)的大小。同時(shí)發(fā)現(xiàn)對(duì)于滑塊曲柄機(jī)構(gòu)連桿承受軸向負(fù)荷,會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的橫向振動(dòng)。而其軸向負(fù)荷的來(lái)源包括:(1)科氏分量的加速場(chǎng)；(2)活塞的慣量及作用在活塞的外力,及橫向振動(dòng)引發(fā)的非線性慣量。

Lowen和Jaudrasits研究一等速四連桿運(yùn)動(dòng)鏈,將曲柄及連桿視為剛性,且包含有端點(diǎn)質(zhì)量的配重游戲桿。他們獲得三項(xiàng)重要結(jié)論:(1)描述復(fù)雜游戲桿響應(yīng)至少需要三個(gè)模式形狀；(2)在運(yùn)轉(zhuǎn)的速度范圍內(nèi), 理論及實(shí)驗(yàn)均有顯示出不 穏定性情況；(3)當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)速是自然頻率的1/N倍時(shí)則第N階簡(jiǎn)諧振幅會(huì)被放大。

欲提高機(jī)構(gòu)的高準(zhǔn)確性效率,需要在動(dòng)態(tài)負(fù)荷情況下考慮機(jī)構(gòu)組件的彈性變形。在高速操作下的滑塊曲柄機(jī)構(gòu),彈性連桿的縱向及橫向振動(dòng)為一組非線性聯(lián) 立偏微分方程式,利用Kantorovich法和權(quán)余值法將它們化為常微分方程式,再以連續(xù)性的多項(xiàng)式方法和數(shù)值法解之。

圖1 汽輪機(jī)控制閥上滑塊曲柄機(jī)構(gòu)

3 汽輪機(jī)控制系統(tǒng)數(shù)值模型

在做機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析時(shí),首先從機(jī)構(gòu)的幾何關(guān)系中,求出此機(jī)構(gòu)的幾何拘束條件,并以獨(dú)立完整拘束方程式表示成:

其中Q=[q1,q2,q3,．．．,qn]為此機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的廣義坐標(biāo),q1,q2,q3,．．．,qn為機(jī)構(gòu)系統(tǒng)中選用的獨(dú)立變數(shù)。對(duì)于一個(gè)自由度的系統(tǒng),其系統(tǒng)獨(dú)立變數(shù)若是有n個(gè),則此機(jī)構(gòu)系統(tǒng)就有n個(gè)條拘束方程式的局限。將方程式(1)分別對(duì)時(shí)間微分一次與兩次,可得到機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的速度與加速度拘束方程式為:

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)與運(yùn)動(dòng)分析

汽輪機(jī)控制閥機(jī)構(gòu)實(shí)體所示,其骨架中可得知其由兩組曲柄滑塊機(jī)構(gòu)所構(gòu)成,其中一組為連桿O1B、BA和滑塊A所構(gòu)成的,而另一組則是為連桿GO2、EG和滑塊E所構(gòu)成的。透過(guò)CF桿連結(jié)成雙滑塊曲柄機(jī)構(gòu)。我們把汽輪機(jī)控制閥機(jī)構(gòu)模型拆成上下兩組塊曲雙滑柄機(jī)構(gòu)。

由圖1所示兩個(gè)獨(dú)立的廣義坐標(biāo),但有一條幾何拘束方程式的局限,因此可知此滑塊曲柄機(jī)構(gòu)為一個(gè)自由度的系統(tǒng)。滑塊A的位置關(guān)系式為: YA=R1sin θ1-L2sin(2π-β2)=R1sinθ1+L2sinβ2(4)另一限制條件為: L2cos(2 π-β2)+R1cosθ1=x(5)由此得: β2= 2π -cos-1(6)將(6)代入方程式(4)中,當(dāng)有兩個(gè)獨(dú)立的廣義坐標(biāo),也有一條幾何拘束方程式的局限,因此知此滑塊曲柄機(jī)構(gòu)為一個(gè)自由度的系統(tǒng)。

3.2 幾何方程式

透過(guò)古柏方程式: DOF =3( L- 1)-2J (7)可求得雙滑塊曲柄機(jī)構(gòu)分別為1個(gè)自由度的系統(tǒng),其中L=4,J=4。我們選用θ1、θ3、β2與β4四個(gè)坐標(biāo)來(lái)描述此機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。此外,由方程式(5)式,可以得知雙滑塊在X方向上的位置關(guān)系方程式,也可以將其表示為兩個(gè)獨(dú)立的完整拘束方程式。其中Q為代表θ1、θ3和β2、β4的廣義坐標(biāo)向量。我們也可由此知道,此機(jī)構(gòu)系統(tǒng)非一個(gè)自由度的系統(tǒng),所以需再找到另外關(guān)系條件。

4 結(jié)語(yǔ)

本論文的目的在于提出,電火力發(fā)電廠大型汽輪機(jī),蒸汽控制閥機(jī)構(gòu)之運(yùn)動(dòng)分析與系統(tǒng)鑒別的程序與流程。以復(fù)合式再熱閥為一研究對(duì)象,首先,對(duì)于此一復(fù)合式再熱閥機(jī)構(gòu)系統(tǒng),先對(duì)該系統(tǒng)訂出有效及正確的坐標(biāo)自由物體圖,可以從四個(gè)狀態(tài)變數(shù)(角度變化)來(lái)描述該機(jī)構(gòu)系統(tǒng),有正確的坐標(biāo)及狀態(tài)變數(shù)描述該系統(tǒng)之后,再建立閥桿機(jī)構(gòu)系統(tǒng)之?dāng)?shù)學(xué)模型,作幾何方程式的推導(dǎo),并將推導(dǎo)的結(jié)果帶入以牛頓法為基礎(chǔ)之幾何方程式,再利用數(shù)值分析模擬機(jī)構(gòu)之運(yùn)動(dòng)。

[1]張磊,彭德振主編.大型火力發(fā)電機(jī)組集控運(yùn)行[M].中國(guó)電力出版社,2006.