汽輪機(jī)調(diào)節(jié)原理分析

劉康寧（杭州和利時自動化有限公司，浙江 杭州 310018）

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汽輪機(jī)調(diào)節(jié)原理分析

劉康寧（杭州和利時自動化有限公司，浙江 杭州 310018）

汽輪機(jī)機(jī)械液壓式調(diào)節(jié)系統(tǒng)在并網(wǎng)前后均為單純的轉(zhuǎn)速比例調(diào)節(jié)。汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)DEH在并網(wǎng)前為轉(zhuǎn)速PID無差調(diào)節(jié)，并網(wǎng)后可根據(jù)需要選擇功控、壓控、閥控及CCS協(xié)調(diào)等多種控制方式，以滿足不同運(yùn)行工況需要。經(jīng)仿真計算及實踐經(jīng)驗得知，為了提高轉(zhuǎn)速動態(tài)調(diào)節(jié)品質(zhì)，要求輸入輸出信號的延遲時間短，油動機(jī)動態(tài)響應(yīng)迅速且關(guān)閉時間短。

DEH；汽輪機(jī)；控制系統(tǒng)

1　DEH控制系統(tǒng)概述

1.1汽輪發(fā)電機(jī)組控制對象

鍋爐產(chǎn)生的過熱蒸汽經(jīng)高壓主汽閥、高壓調(diào)節(jié)閥節(jié)流后進(jìn)入汽缸膨脹做功，使汽輪機(jī)葉片得到旋轉(zhuǎn)機(jī)械功率。葉片帶動汽輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。發(fā)電機(jī)切割磁力線產(chǎn)生的電能經(jīng)電網(wǎng)輸送給電力用戶使用。如圖1所示。

圖1　DEH控制系統(tǒng)示意圖

在機(jī)組正常運(yùn)行期間，通常幾臺發(fā)電機(jī)接入當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)并列運(yùn)行，向當(dāng)?shù)赜秒娫O(shè)備供電。大部分機(jī)組與遠(yuǎn)方國家電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，以提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性、可靠性。

在此汽輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子可看作是剛性的。蒸汽膨脹做功產(chǎn)生的機(jī)械功率NT與發(fā)電機(jī)電磁功率NG（有功功率）和損耗功率NTW之差對機(jī)組轉(zhuǎn)子做功，使轉(zhuǎn)子動能增加?？傻棉D(zhuǎn)子運(yùn)動方程式（1）。

式中：JT為轉(zhuǎn)動慣量；ωT為角速度。

機(jī)械功率與汽輪機(jī)進(jìn)汽質(zhì)量流量及進(jìn)出蒸汽焓降成正比。發(fā)電機(jī)電磁功率與功角（電樞感應(yīng)電動勢與母線電壓的夾角）的正弦成正比。損耗功率與摩擦、鼓風(fēng)等因素有關(guān)。

對式（1）作歸一化處理后，得轉(zhuǎn)子時間常數(shù)Ta，由式（2）給出。

式中：ωe為額定角速度；NGe為額定功率。

汽輪機(jī)的機(jī)械功率與進(jìn)入汽缸的蒸汽質(zhì)量流量成正比。進(jìn)汽流量由式（3）給出[1]，因此通過改變調(diào)節(jié)閥開度即可控制機(jī)組功率。

其中：Pg為調(diào)節(jié)閥前蒸汽壓力； Tg為調(diào)節(jié)閥前的蒸汽溫度；Vg為調(diào)節(jié)閥的有效開度；Kg為流量系數(shù)。

在汽輪機(jī)暖機(jī)、升速啟動階段，汽輪機(jī)需要的蒸汽流量很少。需要開啟旁路系統(tǒng)保證鍋爐的最小蒸汽流量，以維持鍋爐各系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。利用旁路系統(tǒng)的壓力反饋控制，維持蒸汽壓力穩(wěn)定。蒸汽溫度必須與汽輪機(jī)金屬溫度相匹配，以降低啟動過程中的熱應(yīng)力。

在機(jī)組正常運(yùn)行期間，旁路閥全關(guān)避免能量損失。機(jī)組發(fā)電功率需要及時跟隨電網(wǎng)用電負(fù)荷變化，以維持供電頻率穩(wěn)定。同時汽輪機(jī)的耗汽量也會隨之變化。為了維持蒸汽壓力穩(wěn)定，蒸汽的蒸發(fā)量也必須跟隨變化。

在某些特殊工況下（如甩負(fù)荷等），必須迅速關(guān)小進(jìn)汽閥門，防止汽輪機(jī)超速。必要時需迅速全開旁路閥、鍋爐PCV閥全開、甚至打開鍋爐安全閥，以防止鍋爐超壓。

鍋爐燃燒、吸熱、蒸發(fā)過程是一個大慣性、大滯后環(huán)節(jié)，汽機(jī)突然增加的耗汽量，只能靠鍋爐蒸汽、金屬中的蓄能提供短時支撐，此時蒸汽壓力、溫度會很快下降。鍋爐控制系統(tǒng)應(yīng)迅速增加燃料量及給水量，使蒸發(fā)量及時滿足汽輪機(jī)的需要。為了維持汽水系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，必須設(shè)法限制汽機(jī)的突增負(fù)荷量。

1.2DEH控制策略

DEH控制器采集汽輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速、功率、壓力信號，作為調(diào)節(jié)系統(tǒng)的反饋量，與控制器生成的轉(zhuǎn)速給定、功率給定、壓力給定信號進(jìn)行比較，經(jīng)調(diào)節(jié)器、保護(hù)限制、閥門管理及伺服控制運(yùn)算后，調(diào)整調(diào)節(jié)閥開度，使被控參數(shù)跟隨給定值變化，以滿足機(jī)組啟動、運(yùn)行要求。在緊急工況下，保護(hù)打閘邏輯迅速關(guān)閉主汽閥、調(diào)節(jié)閥，以保證機(jī)組設(shè)備安全。

在啟動升速階段，油開關(guān)斷開，DEH控制系統(tǒng)進(jìn)入脫網(wǎng)狀態(tài)。DEH采用轉(zhuǎn)速PID算法調(diào)整調(diào)節(jié)閥開度?？刂七M(jìn)入汽缸的蒸汽產(chǎn)生的機(jī)械功率，克服汽輪機(jī)的損耗功率，將機(jī)組轉(zhuǎn)速提升到同步轉(zhuǎn)速。

同期并網(wǎng)后，油開關(guān)合閘，DEH控制系統(tǒng)進(jìn)入并網(wǎng)狀態(tài)。DEH可采用多種控制方式（功控、壓控、閥控、協(xié)調(diào)等）調(diào)整調(diào)節(jié)閥開度。按電網(wǎng)用電負(fù)荷需要調(diào)整鍋爐蒸發(fā)量及發(fā)電功率，維持供電頻率為額定值。

在機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電階段，機(jī)組轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率同步，且隨電網(wǎng)總的發(fā)電功率與用電負(fù)荷差值變化。在大電網(wǎng)中，由于單機(jī)功率占比很小，對電網(wǎng)頻率影響也很小。因此當(dāng)改變汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥開度時，發(fā)電機(jī)功率會有顯著變化，而機(jī)組轉(zhuǎn)速幾乎穩(wěn)定不變。在孤立小電網(wǎng)中，由于單機(jī)功率占比很大，對電網(wǎng)頻率影響也很大，為了維持供電頻率即機(jī)組轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，主要依靠汽機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的一次調(diào)頻和二次調(diào)頻作用，使汽輪機(jī)輸出功率及時跟隨電網(wǎng)負(fù)荷變化。

當(dāng)電網(wǎng)突然甩負(fù)荷時，需要OPC快關(guān)電磁閥及時動作，迅速關(guān)閉調(diào)節(jié)閥抑制最大飛升轉(zhuǎn)速。然后交由調(diào)節(jié)系統(tǒng)將機(jī)組轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在額定值上，盡快恢復(fù)供電。

2　汽輪機(jī)調(diào)節(jié)原理

2.1機(jī)械液壓式調(diào)節(jié)系統(tǒng)

汽輪機(jī)機(jī)械液壓式調(diào)節(jié)系統(tǒng)在啟動升速及并網(wǎng)帶負(fù)荷期間均采用轉(zhuǎn)速比例調(diào)節(jié)。同步器馬達(dá)位置作為給定轉(zhuǎn)速與調(diào)速泵感應(yīng)的轉(zhuǎn)速信號差值，經(jīng)調(diào)速器滑閥、中間滑閥放大后，控制調(diào)節(jié)閥油動機(jī)開度。調(diào)節(jié)閥有效開度與蒸汽壓力相乘得蒸汽流量，在汽缸中膨脹做功，克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。如圖2所示。

圖2　機(jī)械液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)簡化框圖

機(jī)械液壓式調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)合汽輪機(jī)被控對象，采用MATLAB仿真工具建立模型，進(jìn)行仿真計算。假設(shè)蒸汽壓力為額定值不變。設(shè)置參數(shù)：不等率δ=5%，調(diào)速器滑閥時間常數(shù)T2=0.05s，中間滑閥時間常數(shù)T3=0.05s，油動機(jī)時間常數(shù)T4=0.5、1、2s，調(diào)速泵時間常數(shù)T1=0.01s，汽缸容積時間常數(shù)Tc=0.1s，轉(zhuǎn)子時間常數(shù)Ta=8s，發(fā)動機(jī)阻尼系數(shù)CD=25，發(fā)動機(jī)功角積分時間Tr=0.0038s。在擾動很小時，滑閥、油動機(jī)等未到達(dá)限幅值，在平衡點附近仿真，可按線性系統(tǒng)模擬。升速階段油開關(guān)斷開，給定轉(zhuǎn)速在1s時階躍變化1%，機(jī)組轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線如圖3所示。最大轉(zhuǎn)速、調(diào)節(jié)時間如表1所示。

圖3　機(jī)械液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)給定轉(zhuǎn)速1%階躍曲線

表1　轉(zhuǎn)速給定階躍響應(yīng)曲線數(shù)據(jù)表

并網(wǎng)階段油開關(guān)合閘，給定轉(zhuǎn)速在1s時階躍變化0.5%，機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)曲線如圖4所示。調(diào)節(jié)時間如表2所示。

圖4　機(jī)械液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)給定轉(zhuǎn)速階躍0.5%負(fù)荷響應(yīng)曲線

表2　轉(zhuǎn)速給定階躍0.5%負(fù)荷響應(yīng)曲線數(shù)據(jù)表

在擾動較大時，滑閥、油動機(jī)會到達(dá)限幅值。在1s時油開關(guān)跳閘甩100%負(fù)荷，不同延遲時間Td=0.05~0.5s后OPC快關(guān)電磁閥動作，調(diào)節(jié)閥迅速全關(guān)。閥門后的余汽使轉(zhuǎn)速升到最大值后，轉(zhuǎn)速按惰走曲線下降。OPC電磁閥復(fù)位后，在轉(zhuǎn)速比例調(diào)節(jié)作用下，最后將轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在105%。機(jī)組轉(zhuǎn)速飛升曲線如圖5所示。最大轉(zhuǎn)速、調(diào)節(jié)時間如表3所示。

圖5　機(jī)械液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)甩100%負(fù)荷轉(zhuǎn)速飛升曲線

表3　轉(zhuǎn)速飛升曲線數(shù)據(jù)表

2.2轉(zhuǎn)速PID調(diào)節(jié)

DEH引入了發(fā)電機(jī)主油開關(guān)信號，將系統(tǒng)分為脫網(wǎng)狀態(tài)、并網(wǎng)狀態(tài)兩種。在脫網(wǎng)狀態(tài)下即啟動升速階段，采用轉(zhuǎn)速PID無差調(diào)節(jié)方式，以實現(xiàn)準(zhǔn)確控制實際轉(zhuǎn)速。如圖6所示。

發(fā)電機(jī)實際為并網(wǎng)狀態(tài)，DEH錯誤地判斷為脫網(wǎng)狀態(tài)時，在轉(zhuǎn)速PID的作用下，若電網(wǎng)頻率高于50Hz，調(diào)節(jié)閥會逐漸全關(guān)，反之全開。系統(tǒng)無法穩(wěn)定運(yùn)行。

圖6　轉(zhuǎn)速PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)簡化框圖

由于DEH為離散控制系統(tǒng)，從轉(zhuǎn)速測量、主控單元邏輯運(yùn)算到伺服控制輸出的延遲時間對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響較明顯。

轉(zhuǎn)速PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真計算。設(shè)置參數(shù)：放大倍數(shù)Kp=20，積分時間TI=10s，油動機(jī)時間常數(shù)T4=0.3s，轉(zhuǎn)速測量時間常數(shù)T1=0.01s，輸入輸出延遲時間Tτ=0.05、0.1、0.2、0.25s，汽缸容積時間常數(shù)Tc=0.1s，轉(zhuǎn)子時間常數(shù)Ta=8s。轉(zhuǎn)速給定在1s時階躍變化1%，機(jī)組轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線如圖7所示。最大轉(zhuǎn)速、調(diào)節(jié)時間如表4所示。

圖7　轉(zhuǎn)速PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)給定轉(zhuǎn)速1%階躍曲線

表4　轉(zhuǎn)速給定階躍響應(yīng)曲線數(shù)據(jù)表

在1s時油開關(guān)跳閘甩100%負(fù)荷，延遲0.2s快關(guān)電磁閥動作，OPC電磁閥及時動作，調(diào)節(jié)閥全關(guān)。OPC電磁閥復(fù)位后，在22.25秒首次達(dá)到額定值，在轉(zhuǎn)速PID調(diào)節(jié)作用下，最后將轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在額定值，以便故障恢復(fù)后再次并網(wǎng)發(fā)電。機(jī)組轉(zhuǎn)速飛升曲線如圖8所示。最大轉(zhuǎn)速、調(diào)節(jié)時間如表5所示。

圖8　DEH調(diào)節(jié)系統(tǒng)甩100%負(fù)荷轉(zhuǎn)速飛升曲線

表5　轉(zhuǎn)速給定階躍響應(yīng)曲線數(shù)據(jù)表

2.3閥控調(diào)節(jié)

在并網(wǎng)狀態(tài)下，采用轉(zhuǎn)速比例調(diào)節(jié)方式，形成機(jī)組功率隨轉(zhuǎn)速下降而增大的一次調(diào)頻靜特性，以支持各機(jī)組能并列運(yùn)行。在閥控方式下，給定轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速的差值，經(jīng)不等率放大，與給定閥位疊加后，控制油動機(jī)開度。如圖9所示。

圖9　閥控調(diào)節(jié)系統(tǒng)簡化框圖

在閥控方式下的調(diào)節(jié)特性與機(jī)械液壓系統(tǒng)相似。轉(zhuǎn)速變化一個不等率，對應(yīng)總閥位給定（流量指令）在額定壓力下的空負(fù)荷、滿負(fù)荷變化量。靜特性曲線如圖10所示。實際功率變化量不僅與轉(zhuǎn)速有關(guān)，而且與蒸汽壓力也有關(guān)。若鍋爐蓄能少，調(diào)節(jié)閥開大，蒸汽壓力降低，功率增量就小，這樣對鍋爐維持壓力穩(wěn)定是有利的。但蒸汽壓力波動會導(dǎo)致機(jī)組功率變化，不能嚴(yán)格按調(diào)度指令調(diào)整機(jī)組功率。閥控方式主要用于孤立電網(wǎng)環(huán)境。

給定閥位信號可從機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)來，以方便實現(xiàn)機(jī)爐協(xié)調(diào)控制。

圖10　閥控方式轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)靜特性圖

2.4功頻調(diào)節(jié)

在功控方式下，給定功率與實際功率的偏差，經(jīng)PID運(yùn)算后控制油動機(jī)開度。穩(wěn)態(tài)時機(jī)組功率等于給定值。為了維持電網(wǎng)頻率穩(wěn)定，在給定功率處加入了轉(zhuǎn)速偏差修正，形成功率隨轉(zhuǎn)速升高而減少的一次調(diào)頻靜特性。調(diào)節(jié)系統(tǒng)框圖如圖11所示。

圖11　功頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)簡化框圖

在孤立電網(wǎng)中負(fù)荷增加時，機(jī)組轉(zhuǎn)速會降低，應(yīng)增大調(diào)節(jié)閥開度。而功率反饋信號檢測到負(fù)荷增加時，會關(guān)小調(diào)節(jié)閥開度。為了防止功率反調(diào)，通常在功率信號回路中設(shè)置了一個時間常數(shù)為3秒的慣性環(huán)節(jié)。

給定功率信號可從機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)來，以方便實現(xiàn)爐跟機(jī)協(xié)調(diào)控制。

穩(wěn)態(tài)時，PID調(diào)節(jié)器輸入端為0。實際功率等于給定功率加一次調(diào)頻修正量（只要油動機(jī)未到限位值）。靜特性曲線如圖12所示。實際功率NT與實際轉(zhuǎn)速nT的靜態(tài)關(guān)系可用式（3）表示。

圖12　功頻調(diào)節(jié)靜特性圖

式中：NS為給定功率；nS為給定轉(zhuǎn)速。

功率變化量僅與轉(zhuǎn)速有關(guān)，與蒸汽壓力無關(guān)。若鍋爐蓄能少，調(diào)節(jié)閥開大，蒸汽壓力降低，為了保證功率增量調(diào)節(jié)閥將開得更大，這樣對鍋爐維持壓力穩(wěn)定不利。因此要求鍋爐或旁路系統(tǒng)投入壓力自動的條件下才能投入汽機(jī)功率自動。引入功率反饋后可抑制蒸汽壓力波動對機(jī)組功率的影響，可嚴(yán)格按調(diào)度指令調(diào)整機(jī)組功率。功控方式主要用于大電網(wǎng)環(huán)境。

2.5壓力調(diào)節(jié)

在壓控方式下，實際壓力與給定壓力的偏差，經(jīng)PID運(yùn)算后控制油動機(jī)開度。若主汽壓力升高，壓力反饋系統(tǒng)開大調(diào)節(jié)閥，鍋爐耗汽量增大，主汽壓力降低。穩(wěn)態(tài)時機(jī)前主汽壓力等于給定值。DEH壓控方式協(xié)助鍋爐控制系統(tǒng)維持蒸汽壓力穩(wěn)定。調(diào)節(jié)系統(tǒng)框圖如圖13所示。

圖13　主汽壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)簡化框圖

給定壓力信號可從機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)來，以方便實現(xiàn)機(jī)跟爐協(xié)調(diào)控制。

由于壓控方式?jīng)]有轉(zhuǎn)速比例調(diào)節(jié)作用，因此在孤立電網(wǎng)環(huán)境下不允許使用壓控方式。

3　汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)主回路

不同廠家，針對不同類型機(jī)組設(shè)計的汽輪機(jī)控制系統(tǒng)有很多，下面分析幾個典型系統(tǒng)。

3.1機(jī)械液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)

汽輪機(jī)機(jī)械液壓式調(diào)節(jié)系統(tǒng)利用機(jī)械液壓原理將機(jī)組轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換為油口開度信號，經(jīng)液壓滑閥放大后通過油動機(jī)、操縱座配汽機(jī)構(gòu)控制調(diào)節(jié)閥開度。以下以東汽200MW汽輪機(jī)調(diào)節(jié)保安系統(tǒng)為例，作簡要說明。

調(diào)速器滑閥將同步器馬達(dá)設(shè)置的給定信號（彈簧預(yù)緊力）與機(jī)組轉(zhuǎn)速信號（調(diào)速泵來的一次脈動油壓）的差值轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的二次脈動油排油面積。在機(jī)組正常運(yùn)行期間，二次、三次脈動油壓等于壓力油的一半。中間滑閥動反饋油口面積等于二次脈動油排油面積。若負(fù)荷減少轉(zhuǎn)速升高，二次脈動油排油口面積增大，中間滑閥向下移動。它所控制的三次脈動油排油口面積也增大，油動機(jī)滑閥也會向下移動脫離斷流位置，油動機(jī)關(guān)小調(diào)門維持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，同時反饋滑閥會增大三次脈動油進(jìn)油面積。當(dāng)進(jìn)排油面積相等，油動機(jī)滑閥回到斷流位置時，油動機(jī)停止移動。如圖14所示。

并入大電網(wǎng)后，機(jī)組轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率一致，穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速附近。通過增減同步器馬達(dá)改變彈簧預(yù)緊力，可控制油動機(jī)開度，從而調(diào)整機(jī)組功率。

剛啟動升速時，由于一次脈動油壓過低，在彈簧作用下調(diào)速器滑閥的二次脈動油排油口處于關(guān)閉狀態(tài)。需要通過逐漸關(guān)小啟動閥的二次脈動油排油口，來調(diào)整油動機(jī)開度，開環(huán)控制升速過程。當(dāng)轉(zhuǎn)速升高到一次脈動油壓克服彈簧力使調(diào)速器滑閥的二次脈動油排油口開啟時（約為2500r/min），形成轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。將啟動閥的二次脈動油排油口全關(guān)，改為操作同步器馬達(dá)將機(jī)組轉(zhuǎn)速提升到額定值。

在升速及并網(wǎng)帶負(fù)荷期間機(jī)械液壓式調(diào)節(jié)系統(tǒng)均為轉(zhuǎn)速比例調(diào)節(jié)。通過設(shè)計彈簧剛度、滑閥油口寬度以及調(diào)整反饋滑閥斜板改變轉(zhuǎn)速反饋放大倍數(shù)，可將轉(zhuǎn)速不等率調(diào)整到5%左右。即轉(zhuǎn)速變化150r/min，對應(yīng)油動機(jī)從空負(fù)荷到滿負(fù)荷行程變化。正常運(yùn)行期間啟動閥、OPC電磁閥油口全關(guān)，不起限制作用，選擇由調(diào)速器滑閥控制油動機(jī)。啟動閥或OPC電磁閥油口打開時，相當(dāng)于限制油動機(jī)開度。如圖15所示。

凸輪配汽機(jī)構(gòu)可修正閥門流量曲線，使油動機(jī)行程與閥門流量基本呈線性關(guān)系。

發(fā)生油開關(guān)跳閘甩負(fù)荷時，OPC電磁閥動作2s，油動機(jī)及調(diào)節(jié)閥迅速關(guān)閉，抑制轉(zhuǎn)速飛升量。調(diào)節(jié)系統(tǒng)恢復(fù)控制后，由于同步器馬達(dá)不會立即回到空負(fù)荷位置，機(jī)組轉(zhuǎn)速將穩(wěn)定在同步器設(shè)定的值上（如滿負(fù)荷對應(yīng)為3150r/min）。系統(tǒng)穩(wěn)定后再操作同步器將轉(zhuǎn)速調(diào)整到額定值附近。

圖14　機(jī)械液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理圖

圖15　機(jī)械液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)骨架框圖

3.2西屋引進(jìn)DEH控制系統(tǒng)

不同控制方式下共用1個設(shè)定點。在升速階段設(shè)定點為給定轉(zhuǎn)速。并網(wǎng)后，在功率控制方式下設(shè)定點為給定功率，其它方式下設(shè)定點為給定閥位。如圖16所示。

圖16　西屋DEH調(diào)節(jié)原理骨架框圖

在脫網(wǎng)狀態(tài)下，設(shè)定點（給定轉(zhuǎn)速）與實際轉(zhuǎn)速的差值，經(jīng)轉(zhuǎn)速PID運(yùn)算后改變總閥位給定值。經(jīng)閥門管理程序分配到各調(diào)節(jié)閥及高壓主汽門伺服控制回路，自動控制機(jī)組轉(zhuǎn)速。

并網(wǎng)后，在功率控制方式下，設(shè)定點（給定功率）疊加調(diào)頻折線輸出的一次調(diào)頻量后與實際功率的差值，經(jīng)功率PID運(yùn)算后改變總閥位給定值。在協(xié)調(diào)控制方式下，接受機(jī)爐協(xié)調(diào)主控制器來的CCS給定信號。還可投入調(diào)節(jié)級壓力串級調(diào)節(jié)，以改善調(diào)節(jié)品質(zhì)。沒有控制回路投入時，即為閥位控制方式。操作員修改設(shè)定點（給定閥位）即可調(diào)整機(jī)組功率或轉(zhuǎn)速。

一次調(diào)頻功率修正折線見表6，調(diào)頻死區(qū)±15r/min，死區(qū)太大，不等率5%。

表6　調(diào)頻折線

在并網(wǎng)后才投入一次調(diào)頻作用，由于大電網(wǎng)的頻率相對較穩(wěn)定，因此無法驗證一次調(diào)頻的動態(tài)特性。當(dāng)大電網(wǎng)發(fā)生故障分裂為局部孤立電網(wǎng)時，靠此一次調(diào)頻難以維持電網(wǎng)頻率穩(wěn)定。

在中排壓力（代表機(jī)組功率）≥30%期間，若油開關(guān)跳閘，則OPC電磁閥動作，使調(diào)節(jié)閥迅速關(guān)閉。7.5s后OPC電磁閥復(fù)位，由轉(zhuǎn)速PID將機(jī)組轉(zhuǎn)速維持在額定值上。

轉(zhuǎn)速≥103%時，OPC電磁閥動作，調(diào)節(jié)閥迅速關(guān)閉，轉(zhuǎn)速＜100%時，OPC電磁閥復(fù)位，油動機(jī)交由伺服閥控制。在發(fā)生遠(yuǎn)方甩負(fù)荷，而本機(jī)油開關(guān)未跳閘的情況下，由于在一次調(diào)頻作用下穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速可能超過103%，此103%OPC功能會造成系統(tǒng)振蕩。

當(dāng)中排壓力百分比與實際功率百分比的差值≥80%時，中調(diào)快關(guān)電磁閥動作0.5s，中調(diào)閥迅速關(guān)閉。10s內(nèi)禁止中調(diào)快關(guān)電磁閥再次動作。由于快關(guān)動作時，僅關(guān)閉中調(diào)閥，汽缸推力變化很大，此功能對推力瓦沖擊很大，不宜投入。

3.3和利時DEH控制系統(tǒng)

為了提高轉(zhuǎn)速動態(tài)響應(yīng)品質(zhì)，增加了一次調(diào)頻快速回路及硬件轉(zhuǎn)速微分調(diào)節(jié)，不但在并網(wǎng)期間具有一次調(diào)頻快速反饋作用，在脫網(wǎng)狀態(tài)下也有轉(zhuǎn)速快速調(diào)節(jié)作用。這樣在升速階段就可驗證一次調(diào)頻回路的動態(tài)特性。如圖17所示。

在功控方式下，給定功率疊加調(diào)頻折線1輸出的一次調(diào)頻修正值后與一階慣性后的實際功率的差值，經(jīng)功率PID運(yùn)算后改變總閥位給定值，從而調(diào)整機(jī)組功率和轉(zhuǎn)速。為了防止功率反調(diào)現(xiàn)象（即當(dāng)負(fù)荷突降時機(jī)組轉(zhuǎn)速會升高，功率反饋調(diào)節(jié)反而會開大調(diào)門），引入了功率一階慣性環(huán)節(jié)。增加了主汽壓力PID調(diào)節(jié)回路，以協(xié)助鍋爐穩(wěn)定汽壓。

一次調(diào)頻快速回路采用給定轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速的差值，經(jīng)調(diào)頻折線2輸出后修正總閥位給定，在并網(wǎng)前后均可投入。0~100%總閥位給定對應(yīng)閥門全關(guān)~全開。約72%總閥位給定值對應(yīng)空負(fù)荷~滿負(fù)荷變化量。

一次調(diào)頻功率、閥位修正折線見表7、8。調(diào)頻死區(qū)±2r/ min，不等率5%。

表7　調(diào)頻折線1

表8　調(diào)頻折線2

考慮到鍋爐蓄能有限，通常在加負(fù)荷方向設(shè)置了20%限幅。當(dāng)轉(zhuǎn)速小于2968r/min后即使鍋爐還有蓄能可用，調(diào)節(jié)也不再開大，轉(zhuǎn)速會迅速下降。在減負(fù)荷方向轉(zhuǎn)速升高可使調(diào)節(jié)閥全關(guān)。

為了縮短轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)回路延遲時間，在測速模塊與伺服模塊之間增設(shè)了一條通訊鏈路?？梢詫⑥D(zhuǎn)速偏差信號及轉(zhuǎn)速微分信號傳輸?shù)剿欧K。在伺服模塊中與閥位給定疊加，經(jīng)流量曲線修正后，控制調(diào)節(jié)閥開度。延遲時間可由200ms縮短到20ms，大大提高了一次調(diào)頻的動態(tài)性能。

在實際功率≥30%期間，油開關(guān)跳閘時，OPC電磁閥動作2s，調(diào)節(jié)閥迅速關(guān)閉，抑制轉(zhuǎn)速飛升量。油開關(guān)跳閘后，由轉(zhuǎn)速PID將機(jī)組轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在額定值。

在油開關(guān)斷開期間，轉(zhuǎn)速≥103%時，OPC電磁閥動作，調(diào)節(jié)閥迅速關(guān)閉，抑制轉(zhuǎn)速飛升量。轉(zhuǎn)速＜102%時，OPC電磁閥復(fù)位，調(diào)節(jié)系統(tǒng)恢復(fù)控制。這樣可避免遠(yuǎn)方甩負(fù)荷時，因穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速高于103%，導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩。

加速度≥10%/s且轉(zhuǎn)速≥101%時，OPC電磁閥動作，調(diào)節(jié)閥迅速關(guān)閉，抑制轉(zhuǎn)速飛升量。加速度＜0時，OPC電磁閥復(fù)位，調(diào)節(jié)系統(tǒng)恢復(fù)控制。

中排壓力百分比與實際功率百分比的差值≥80%，且實際功率變化率≤-50%/s時，中調(diào)快關(guān)電磁閥動作1s，中調(diào)門迅速關(guān)閉，以改善電網(wǎng)動態(tài)穩(wěn)定性。

圖17　和利時 DEH調(diào)節(jié)原理骨架框圖

3.4上汽引進(jìn)西門子技術(shù)超超臨界1000MW機(jī)組DEH控制系統(tǒng)

轉(zhuǎn)速功率PID、主汽壓力PID以及TAB啟動裝置經(jīng)低選后生成DEH總閥位給定值。經(jīng)閥門管理分別控制高中壓調(diào)節(jié)閥開度。見圖18西門子DEH調(diào)節(jié)原理骨架框圖。

TAB啟動裝置作為ATC自啟動程控與基本控制系統(tǒng)的重要接口，不僅限制總閥位給定值，還控制作油動機(jī)上電磁閥的狀態(tài)。在啟動沖轉(zhuǎn)前，TAB啟動裝置輸出為0，電磁閥失電，確保機(jī)組不會意外沖轉(zhuǎn)。

在啟動升速階段，調(diào)頻信號選擇給定轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速的差值，送入轉(zhuǎn)速功率PID的設(shè)定端和前饋端。采用轉(zhuǎn)速前饋，可提高轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的動態(tài)響應(yīng)性能。在自啟動程序控制下，自動完成低速暖機(jī)、快速過臨界轉(zhuǎn)速區(qū)、同期并網(wǎng)等啟動過程。

給定功率、給定壓力來自機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。并網(wǎng)后，轉(zhuǎn)速功率PID可選擇負(fù)荷調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方式。主汽壓力PID可選擇初壓、限壓方式。各控制方式間切換無擾。

給定轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速的偏差經(jīng)調(diào)頻折線1后，輸出具有±2r/ min死區(qū)，不等率為5%，限幅±10%的信號到調(diào)頻信號選擇器。實際轉(zhuǎn)速經(jīng)調(diào)頻折線2后，輸出具有±30r/min死區(qū)，不等率為5%的信號到調(diào)頻信號選擇器。在機(jī)組并網(wǎng)前，選擇無死區(qū)的轉(zhuǎn)速偏差信號，在并網(wǎng)后選擇兩調(diào)頻折線絕對值大的信號作為一次調(diào)頻量，加入調(diào)節(jié)系統(tǒng)。如圖19所示。一次調(diào)頻折線函數(shù)見表9、10。

圖18　西門子DEH調(diào)節(jié)原理骨架框圖

表9　調(diào)頻折線1

表10　調(diào)頻折線2

圖19　一次調(diào)頻功率修正折線圖

在負(fù)荷調(diào)節(jié)方式下，給定轉(zhuǎn)速設(shè)置為3000r/min。給定功率與實際功率的差值疊加一次調(diào)頻量后，送入轉(zhuǎn)速功率PID的設(shè)定端和前饋端。采用給定功率前饋，可提高功率響應(yīng)速度。功率偏置為0。主汽壓力切換為限壓方式，壓力偏置設(shè)為1MPa。主汽壓力PID輸出上限值。因此總閥位給定選擇轉(zhuǎn)速功率PID輸出值。DEH控制機(jī)組的轉(zhuǎn)速和功率。

在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方式下，給定功率設(shè)置為0，操作員修改給定轉(zhuǎn)速即可調(diào)整機(jī)組功率。DEH控制機(jī)組的轉(zhuǎn)速和功率。調(diào)頻信號選擇器輸出給定轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速的差值作為一次調(diào)頻信號，無調(diào)頻死區(qū)。在孤網(wǎng)情況下宜投入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方式。

在初壓方式下，給定壓力與實際壓力的差值，送入主汽壓力PID的設(shè)定端。壓力偏置設(shè)為0，DEH協(xié)助鍋爐控制機(jī)前主汽壓力。功率偏置設(shè)為2%，轉(zhuǎn)速功率PID輸出上限值，因此總閥位給定選擇主汽壓力PID輸出值。

在限壓方式下，若汽機(jī)加負(fù)荷耗汽量過大，主汽壓力低于給定值的1MPa以下，主汽壓力PID輸出會降低，限制調(diào)節(jié)閥開度，防止主蒸汽壓力進(jìn)一步降低，以使壓力盡快恢復(fù)。

為了防止高排溫度在非穩(wěn)定過程中（如甩負(fù)荷、啟動、停機(jī)過程）超過允許值，采用排汽溫度PID適當(dāng)調(diào)整高、中壓調(diào)節(jié)閥開度。當(dāng)計算的轉(zhuǎn)子溫度超過了可變的設(shè)定值時，排汽溫度PID輸出值增大，中調(diào)門開度降低。通過轉(zhuǎn)速功率調(diào)節(jié)回路使高壓缸流量增大。

在啟動過程中，若高壓缸內(nèi)壓力過高，對應(yīng)蒸汽飽和溫度也高，會因蒸汽凝結(jié)放熱而產(chǎn)生較大熱應(yīng)力，采用進(jìn)汽壓力PID限制高壓缸蒸汽流量。當(dāng)高壓缸進(jìn)汽壓力過高時，進(jìn)汽壓力PID輸出值減小，高調(diào)門開度降低。通過轉(zhuǎn)速功率調(diào)節(jié)回路將部分流量轉(zhuǎn)移到中壓缸。

實際功率突降，變化率小于-80%/s，或?qū)嶋H功率降低在-1~12%之間且給定實際偏差大于12%時，OPC電磁閥動作0.15s，調(diào)節(jié)閥迅速關(guān)閉。7s內(nèi)不允許電磁閥再次動作。

4　結(jié)論

經(jīng)仿真計算及實踐經(jīng)驗得知，為了提高轉(zhuǎn)速動態(tài)調(diào)節(jié)品質(zhì)，要求輸入輸出信號的延遲時間短，油動機(jī)動態(tài)響應(yīng)迅速、定位精確、剛性良好，而且關(guān)閉時間短。主要技術(shù)規(guī)范如下：

? 轉(zhuǎn)速不等率在3~6%以內(nèi)。

? 系統(tǒng)遲緩率小于0.06%。

? 從轉(zhuǎn)速信號變化到伺服油動機(jī)行程變化的延遲時間應(yīng)小于50ms。

? 伺服閥控制油動機(jī)最小全行程時間應(yīng)在1~3秒內(nèi)。

? 伺服油動機(jī)20%階躍響應(yīng)類似慣性環(huán)節(jié)，無振蕩，慣性時間小于0.3秒。

? 油動機(jī)快關(guān)時間小于0.3秒。

各家DEH控制系統(tǒng)在并網(wǎng)前均采用轉(zhuǎn)速PID控制以實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無差調(diào)節(jié)。在并網(wǎng)后通常采用具有一次調(diào)頻作用的功頻調(diào)節(jié)方式，既能滿足電網(wǎng)調(diào)頻需要，又能很好地跟蹤電網(wǎng)AGC自動發(fā)電控制信號。在機(jī)組啟動階段及鍋爐不穩(wěn)定工況下，可由DEH的壓力PID調(diào)節(jié)回路協(xié)助控制主汽壓力。在孤立電網(wǎng)環(huán)境中，應(yīng)投入閥控方式或西門子系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方式，不宜投入功頻調(diào)節(jié)方式。DEH功率反饋調(diào)節(jié)應(yīng)在鍋爐壓力自動投入的情況下才能投入，以防止壓力波動。采用西門子的限壓方式，可有效防止發(fā)生汽機(jī)調(diào)門開度過大，拖垮鍋爐的問題。

[1] 呂崇德, 任挺進(jìn), 姜學(xué)智, 程芳真. 大型火電機(jī)組系統(tǒng)仿真與建模[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2000.

The Principle Analysis of Turbine Regulation System

The mechanical hydraulic turbine regulation system is purely based on speed ratio adjustment. Turbine digital electric hydraulic control system (DEH) uses speed PID regulator when the main breaker opens. The control modes may be selected when the main breaker closes in order to meet different operating conditions required, such as power control, pressure control, valve control and CCS control. The simulation results and practical experience indicate that, in order to improve the quality of the dynamic speed regulation, it is required that the delay time between input and output signals is short, and the actuator has a quick dynamic response and short close time.

DEH; Turbine; Control system

B 文章編號：1003-0492（2016）06-0086-08 中圖分類號：TK269

劉康寧（1963-）男，四川德陽人，高級工程師，計算機(jī)應(yīng)用碩士。現(xiàn)任杭州和利時自動化有限公司副總工程師兼DEH技術(shù)總監(jiān)，從事DEH控制系統(tǒng)研究設(shè)計工作。