汽輪機(jī)升速控制系統(tǒng)分析

潘靜暉

摘要：本文從以下兩方面分析了汽輪機(jī)升速控制系統(tǒng)：轉(zhuǎn)速信號(hào)的采集處理和目標(biāo)轉(zhuǎn)速，使汽輪機(jī)升速控制技術(shù)更完善。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)；升速；控制

汽輪機(jī)控制的最重要的一點(diǎn)即是轉(zhuǎn)速控制，由于機(jī)組系統(tǒng)復(fù)雜，轉(zhuǎn)速控制的穩(wěn)定與否直接影響到整個(gè)汽輪發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定性，上個(gè)世紀(jì)汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速控制基本上都是由液壓調(diào)速系統(tǒng)構(gòu)成的，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在機(jī)組投運(yùn)前的調(diào)試難度相當(dāng)大，而且其運(yùn)行的可靠性比較底，維護(hù)也十分的不方便。目前調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段，不論是控制精度、自動(dòng)化程度、維護(hù)方便程度都到了一個(gè)相當(dāng)?shù)母叨?。?dāng)然在轉(zhuǎn)速控制方面，目前也有多種不同的方式，通常轉(zhuǎn)速閉還控制

是一種常用的控制方式，此種方式的優(yōu)點(diǎn)在于無(wú)論機(jī)組運(yùn)行工況怎么變化，最終控制系統(tǒng)都將能把機(jī)組轉(zhuǎn)速控制在我們的目標(biāo)轉(zhuǎn)速值上，其控制精度在千分之一以內(nèi)，按照國(guó)內(nèi)網(wǎng)頻50Hz計(jì)算，汽輪機(jī)的并網(wǎng)轉(zhuǎn)速也就是我們控制的目標(biāo)轉(zhuǎn)速為3000r/min，實(shí)際上在機(jī)組參數(shù)穩(wěn)定后，我們的控制系統(tǒng)基本上可以把轉(zhuǎn)速控制在3000r/min±2r/min以內(nèi)。目前我們國(guó)內(nèi)600MW等級(jí)以下的機(jī)組基本上都采用該控制方式。實(shí)踐證明該種控制方式是切實(shí)可行的。作為1000MW等級(jí)的機(jī)組，我們?nèi)匀豢梢钥紤]采用這樣的控制方式，雖然如此，該方式也有其不利的地方，汽輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速雖然得到了有效的控制，但是汽輪機(jī)升速的加速過(guò)程無(wú)法得到有效的控制，汽輪機(jī)的運(yùn)行必須是平穩(wěn)的，不允許較大的波動(dòng)，雖然我們?cè)谵D(zhuǎn)速閉還控制中做了相應(yīng)的處理，但是卻沒(méi)有從根本上解決問(wèn)題，當(dāng)然這與系統(tǒng)本身的特性有很大的關(guān)系，最主要的是實(shí)際加速度的測(cè)量比較困難，目前我們采用的基本上都是軟件測(cè)量法，即兩個(gè)測(cè)量周期的差值進(jìn)行計(jì)算得出，該方法測(cè)得的加速度準(zhǔn)確與否主要取決于控制器本身的性能及信號(hào)采集系統(tǒng)的可靠性和快速性，目前我們常規(guī)控制系統(tǒng)的控制周期一般的都是100ms，只有日立的控制系統(tǒng)的控制周期在30 ms以內(nèi)，因此，我們?cè)?000MW等級(jí)的汽輪機(jī)控制系統(tǒng)選用了日立的系統(tǒng)，采用該系統(tǒng)，結(jié)合該系統(tǒng)的性能，我們?cè)谶@轉(zhuǎn)速閉還控制的基礎(chǔ)上增加了加速度控制，該控制方式的優(yōu)點(diǎn)在于我們不僅僅只控制汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速，我們把汽輪機(jī)的加速度也同時(shí)進(jìn)行了控制，使得機(jī)組的加速過(guò)程得到了有效的控制。鑒于加速度采集的難度，在升速初期，我們直接采用了加速度控制，只有在實(shí)際轉(zhuǎn)速接近目標(biāo)轉(zhuǎn)速時(shí)，我們才切換到采用轉(zhuǎn)速閉還控制。

1.轉(zhuǎn)速信號(hào)的采集處理

對(duì)于轉(zhuǎn)速信號(hào)的采集，為了信號(hào)的準(zhǔn)確可靠，我們采用三冗余的模式，現(xiàn)場(chǎng)采用三個(gè)轉(zhuǎn)速探頭進(jìn)行信號(hào)采集。通常在機(jī)組的前箱部分有一個(gè)與轉(zhuǎn)子連接在一起的測(cè)速齒盤，相應(yīng)的設(shè)計(jì)有安裝轉(zhuǎn)速探頭的測(cè)速支架，測(cè)速支架的作用即是固定轉(zhuǎn)速探頭。在安裝時(shí)一般都要求轉(zhuǎn)速探頭的端部距離測(cè)速齒盤齒頂?shù)木嚯x為0.8～1.2mm，如果距離過(guò)大，則感應(yīng)電勢(shì)越小，其抗干擾的能力也就越低，如果距離太小，探頭端部容易與測(cè)速齒盤齒頂產(chǎn)生摩擦碰撞，使得測(cè)速元件損壞，因無(wú)

法采集轉(zhuǎn)速信號(hào)而造成重大事故。轉(zhuǎn)速探頭的種類也比較多，但是在汽輪機(jī)控制上目前采用兩種探頭，一種是電渦流探頭，一種是磁阻式探頭，通常我們的轉(zhuǎn)速處理模件在轉(zhuǎn)速輸入時(shí)都有一定的門檻電壓值，而在低轉(zhuǎn)速時(shí)探頭感應(yīng)的電壓值是相當(dāng)?shù)偷?，因此一般在低轉(zhuǎn)速時(shí)我們的轉(zhuǎn)速模件通常很難檢測(cè)到轉(zhuǎn)速。相比之下電渦流探頭由于增加了一級(jí)前置放大，其輸出的感應(yīng)電壓經(jīng)過(guò)放大后再進(jìn)入轉(zhuǎn)速處理模件，因此采用電渦流探頭我們可以檢測(cè)到很低的轉(zhuǎn)速值，其性能更高，

但是價(jià)格也比較高。在大功率汽輪機(jī)的控制中，我們首選的是電渦流探頭，該探頭可以檢測(cè)到盤車轉(zhuǎn)速，通常盤車轉(zhuǎn)速小于 4 r/min。而 1000MW 機(jī)組的盤車轉(zhuǎn)速為 2.5 r/min，而磁阻式探頭一般要 30 r/min 以上才能檢測(cè)到。

當(dāng)齒盤隨主軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，探頭的鐵芯與齒盤之間的間隙便不斷的變化，每經(jīng)過(guò)一齒，氣隙磁阻變化一次，磁路的磁通量也隨之變化，套在鐵芯上的線圈就感應(yīng)出一個(gè)交變波形電勢(shì)，此感應(yīng)電勢(shì)即為測(cè)速探頭的輸出信號(hào)。

設(shè)齒盤齒數(shù)為 z，汽輪機(jī)軸的轉(zhuǎn)速為 n，則輸出信號(hào)的頻率為：

（1-1）

當(dāng)齒數(shù)一定時(shí)，頻率 f 與汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速 n 成正比。因此，只要測(cè)得頻率 f，就可以計(jì)算得出被測(cè)轉(zhuǎn)速 n。

對(duì)于轉(zhuǎn)速信號(hào)這種汽輪機(jī)控制中非常重要的信號(hào)，我們都設(shè)計(jì)為三重冗余的模式。

轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)入控制系統(tǒng)后，需要進(jìn)行邏輯三取二處理，同時(shí)進(jìn)行信號(hào)質(zhì)量的檢測(cè)，最后輸出實(shí)際的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速同時(shí)給出轉(zhuǎn)速信號(hào)質(zhì)量的狀態(tài)。

2.目標(biāo)轉(zhuǎn)速

機(jī)組各項(xiàng)啟動(dòng)條件都具備以后，汽輪機(jī)可以進(jìn)行升速，在機(jī)組掛閘后，運(yùn)行人員可以通過(guò)控制系統(tǒng)的操作員站 CRT 上的按鈕設(shè)置目標(biāo)轉(zhuǎn)速，根據(jù)機(jī)組本身的特性，該目標(biāo)轉(zhuǎn)速有 200、700、1500、3000 四檔。1000MW 機(jī)組通常設(shè)定的這四檔目標(biāo)值與其機(jī)組的順利完成沖轉(zhuǎn)有密切關(guān)系。

第一檔 200r/min 是摩擦檢查轉(zhuǎn)速，該目標(biāo)轉(zhuǎn)速值的設(shè)定是為了在機(jī)組低速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)子葉片與汽缸之間的摩擦檢查。由于設(shè)計(jì)的汽輪機(jī)汽缸與轉(zhuǎn)子葉片的間隙非常小，同時(shí)新建的機(jī)組都是在現(xiàn)場(chǎng)完成安裝的，為了保證機(jī)組的安裝和設(shè)計(jì)都沒(méi)有問(wèn)題，在汽輪機(jī)安裝蓋缸以后，必須進(jìn)行缸體與轉(zhuǎn)子葉片等之間的摩擦檢查。轉(zhuǎn)子在蒸汽進(jìn)入汽缸后低速轉(zhuǎn)動(dòng)，一方面可以較好的檢查摩擦，另一方面，即使真的存在摩擦，在低速轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下能有效的降低由于摩擦帶來(lái)的設(shè)備損失?？刂葡到y(tǒng)在這里的作用是控制汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到 200r/min 后，由運(yùn)行人員發(fā)出指令全關(guān)機(jī)組的所有調(diào)節(jié)汽閥，同時(shí)在汽輪機(jī)平臺(tái)上采用設(shè)備及人員監(jiān)聽的方式確認(rèn)機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)無(wú)摩擦現(xiàn)象，如果有摩擦，必須馬上停機(jī)檢查，如果確認(rèn)沒(méi)有摩擦現(xiàn)象，則機(jī)組可以繼續(xù)升速。

第二檔 700r/min 和第三檔 1500r/min 是低速暖機(jī)和中速暖機(jī)轉(zhuǎn)速點(diǎn)。汽輪機(jī)從總體上可以分成兩大部分，其一是汽缸，其二是轉(zhuǎn)子，在沖轉(zhuǎn)過(guò)程中，隨著蒸汽進(jìn)入汽缸，汽缸、轉(zhuǎn)子等由于受到熱交換，會(huì)逐漸受熱膨脹，根據(jù)熱力學(xué)理論可知，受熱汽缸和轉(zhuǎn)子都會(huì)膨脹，由于其結(jié)構(gòu)不同，各自的膨脹量也是不同的，由此就產(chǎn)生了汽缸的熱膨脹量，轉(zhuǎn)子的軸向位移量，同時(shí)由于受熱各自的材料還受到熱應(yīng)力的作用。機(jī)組沖轉(zhuǎn)后，各個(gè)部件就形成了相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使得軸系上產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)過(guò)大的話會(huì)損壞汽輪機(jī)設(shè)備，為了減小這些負(fù)面的影響，其中的一個(gè)辦法是在升速過(guò)程中盡量使機(jī)組受熱均勻，讓蒸汽的熱沖擊減小到最低，我們?cè)O(shè)計(jì)了低速暖機(jī)點(diǎn)和中速暖機(jī)點(diǎn)。當(dāng)汽輪機(jī)升速到該暖機(jī)點(diǎn)后，機(jī)組維持在該點(diǎn)平衡，隨著時(shí)間的推移，機(jī)組各部分相對(duì)暖透，應(yīng)力降到最低，汽缸也膨脹開。在這種情況下，我們才能進(jìn)一步往下一個(gè)目標(biāo)轉(zhuǎn)速?zèng)_轉(zhuǎn)。

第四檔 3000r/min 是汽輪機(jī)的額定轉(zhuǎn)速目標(biāo)。由于我國(guó)的供電均為 50Hz，其對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速即為 3000r/min，因此汽輪機(jī)均需要升速到該轉(zhuǎn)速值。

升速過(guò)程必須根據(jù)機(jī)組的實(shí)際情況選擇合適的目標(biāo)轉(zhuǎn)速值。例如在新機(jī)組第一次啟動(dòng)時(shí)，上述幾個(gè)目標(biāo)轉(zhuǎn)速值必須一步一步的進(jìn)行，而且在到達(dá)目標(biāo)值后也需要根據(jù)機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)及汽缸的金屬溫度變化情況進(jìn)行暖機(jī)。

3.結(jié)束語(yǔ)

汽輪機(jī)升速控制系統(tǒng)是一個(gè)重要的研究課題，它直接關(guān)系到機(jī)組的整體性能和效率的提高，計(jì)算機(jī)技術(shù)在電廠中的廣泛應(yīng)用，使汽輪機(jī)升速控制系統(tǒng)技術(shù)變得更為完善，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速、功率、汽壓等最終目標(biāo)的控制，為汽輪機(jī)閥門管理精度的提高打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。