火电汽轮机调速系统环节分析.pdf

摘要汽轮机转速是其 日常生产运行 中的一项重要性能指标 ，它直接关系到汽轮机的安全、发 电机输 出频率以及对整个电 网供 电品质的影响 。汽轮机转速 由调速 系统 完成。调速 系统主要 由 自动化部套 、液压部套 组成 ，针 对这 2个部套 中各个环 节，本文进 行 了详细的分析 ，并提 出 了各 个环节的关键性能指标 。 关键 词 汽轮机 ； 调 速 系统 ；自动化 ；液压 ；性能指标 中图分类号 T K 2 6 3 ． 7 文献标识 码 A 文章编号 1 0 0 1 9 0 0 6 2 0 1 5 0 4 0 0 4 1 0 7 Ch a r a c t e r i s t i c An a l y s i s on S p e e d R e g u l a t i n g S y s t e m o f S t e a m T u r b i n e X U Z h a n u ，D E N G T o n g t i a n，Z HO NG J i n l i a n g，Z H A O D o n g，L I A NG H a l f Gu i z h o u El e c t r i c P o we r Te s t Re s e a r c h I n s t i t u t e ，5 5 0 0 0 2，Gu i y a n g ，Ch i n a Ab st r ac t The s t e a m t u r bi ne s p e e d i s a n i mp o r t a n t p e r f o r ma n c e o f t h e d a i l y o p e r a t i o n o f pr o d u c t i o n，i t i s d i r e c t l y r e l a t e d t o t h e s t e a m t u r b i n e s a f e t y ， t h e g e n e r a t o r o u t p u t f r e q u e n c y a n d t h e p o w e r s u p p l y q u a l i t y i n fl u e n c e ．S t e a m t u r b i n e s p e e d i s c o mp l e t e d b y t h e s p e e d c on t r o l s y s t e m，whi c h i s ma i n l y co mp o s e d o f a u t oma t i c pa r t a n d t h e h y dr a u l i c s y s t e m．I n t hi s pa pe r ， t h e t wo pa rts a r e a n a l y z e d i n d e t ai l ，a n d t he k e y pe rfo r ma nc e d a t a a r e pr o p o s e d． Ke y wo r d s s t e a m t u r b i n e ；s p e e d r e g u l a t i n g s y s t e m；a u t o ma t i c ；h y d r a u l i c ；p e rfo r ma n c e d a t a 汽轮机是一种 原动机 ，它们 的任 务是带 动各 种负荷 ，例如发 电机 、压缩 机 、车辆 等。对汽 轮 机的控制 主要 由调速系统 完成 ，调 速系统 的各 项 性能指标直接影 响到汽轮机组的运行效率 。 作 为动力源 ，汽轮机驱动负荷设 备正常运行 ， 必须提供 足够 的转矩 以满足负荷 的需要。一般说 来 ， 作用在汽轮机转子上的转矩有下面3 种①主 动转矩 一汽轮机所输 出的转矩 ；②反转矩 一 带动负荷所需要 的转 矩 ；③摩擦 转矩 7 1 F 一 由于摩 擦力所引起的反转矩 。在平衡状态下这 3种转矩之 代数和必等于零 ，即 一 L T v0 摩擦转矩通常 比较 小 ，可 以略去 不计 ，则上 式又 可 写成 lT T L 0 主动转矩 一般是蒸汽量和转速 的函数 ，在 蒸汽量不变时 ，它和转速的关系如图 1中曲线 1所 示 。随着转速的升高，主动转矩逐渐减小。 反转矩 ． 一般 是负荷的量 发 电机所供 电 的 用户的数量 和用 电量 和转速 的函数。反转 矩 和转速的关 系根 据所带负荷 的性质而不 同当负 荷为风机和水泵 等时 ，随着转速 的升高 ，反转矩 迅速增大 ，此 时可近似认为 T L n ；当负荷为 发电机而发电机供电的对象不 同时，反转矩 与 转速的关 系也不 同 ，一般情 况下反转矩 也随转速 而升高 ，但增长速 度较 风机 、水泵为低。反转矩 的变化曲线如图 1中曲线 2所示 。 曲线 1和 2的交点 A就是平衡状态下 的工作 点 ，当负荷减少 时，反转矩 的变化 曲线由 2变 到 2 ，工作点 由 A变到 B，工作转速 由 n 升高到 收稿 日期 2 0 1 4 1 2 0 2 作者简 介徐章福 1 9 8 1 _ ，男 ，2 0 0 9年毕业于华北 电力大学热能工程 专业 ，lT学硕 士，工 程师。现在 贵州 电力试 验研究 院从事 电站 汽轮 机现场调试与生 产试验工作 。 41 样 H gl B n 转 速 图 1 转矩 一 转速关 系图 ／2 。所以，当负荷变动时如果对汽轮机不加调节 ， 它们也会 在新的工况下找到新 的平衡点 ，但是其 转速的升高将是相当可观的。对于汽轮发 电机组 ， 当调 节汽 阀不动作 时 ，如果 负荷 由 1 0 0 ％ 减少到 7 5 ％ ，则工作转速大约 由 1 0 0 ％上升到 1 6 0 ％。这 样 巨大的变化 ，不仅严重地影响发 电的质量 频率 和电压 ，也为机组本身强度所不允许。 解决问题 的办法是在 改变负荷 的同时改 变机 组的进汽量 ，使得主动转矩 的特性由 1 变为 1 ， 工作点 由 B变为 C，这时工作转速将为 n 而不是 n ，即只要合理地调节进汽量就可以大大地减小转 速的变化 ，甚至使转速的变化为零。 进汽量的调节可 以由汽轮机调速系统来完成 ， 在采用汽轮机数字 电液调节 系统 以后 ，改变负荷 时的转速变化就大大地缩小 了。 随着科学技术 的不 断发展，作为发 电设 备 的 汽轮机组 ，越来 越 向大容量 、高参 数方 向发展 ， 以便获得尽量 高的热效率 ，降低制造 、安装 和运 行成本。汽轮机调 速系统也 不例外 ，由纯液压调 速系统发展为电液并存式调速 系统 ，到现在发展 为全电调调速系统 。 图 2所示 ，为当前应用广泛的汽轮机调速系统 的简化 图。该 系统 主要 由 自动化部套 测量元件 、 控制单元 、中间放大元件 和液压部套 执行机构 组 成 图 2 汽轮机数字电液控制系统图 首先 由测速传感器将机组 的转速转换 成为脉 冲电压信号 ，通过测速模件将信号转换成 为 C P U 能够识别的数字方波信号。C P U以该数据为输入 数据 ，根据预先设计的控制策 略，进行逻辑运算 ， 得出控制指令 ，传输给伺 服模 件。伺服模 件将得 到的控制指令转换 为电信号并输 出到电液转换器 伺服阀 。伺 服阀将 电信号转换成为液压动 力信 号 以驱动油动机为 主的执行机构控制 阀门 的开大 或关小 ，控制机组 的蒸汽进 汽量 ，从而控 制机组 的转速或功率 。由此可知 ，火 电汽轮机 调速 系统 的性能取决于上述各个环节器件 的特性 ，为此针 对几个重要环节进行逐一分析。 自动 化部 套 主要 由测 速 传感 器 、测 速模 件 、 处理器 、伺 服模件 、电液转换 器组成 ，下 面分 别 进行详细分析 。 3 ． 1 测速传感器 汽轮机调速系统中 ，常用磁阻式传感器测速 。 磁 阻式传感 器以 电磁感应 原理为基 础 ，当线 圈在 均恒磁场 内运动时 ，设 穿过线 圈的磁通 为 ，则 线 圈内的感应 电动势 E与磁通 变化率 d q b ／ d t 有如 下关 系 E K dq 9 d t 当感应电势 E的单位为伏特 V 、 单位为韦伯 Wb 、t 的单位为秒 s 时， 时感应电势为 1 磁 通 的 K1 ，这 E 一 2 dt 如果线圈为 Ⅳ匝，磁场强度是 曰，每匝线圈的平 均长度为 Z ，线圈相对磁场运行 的速度为 d x ／ d t ， 则整个线圈中所产生的电动势为 E 一 K d t 一 f 掌 d t一 z 3 Ⅱ u 如图 3所示 ，磁阻式测速传感器是作用旋转设 备带动被测齿轮 ，被测齿 轮的渐 开线齿切割转 速 传感器产生 的磁 场 ，从 而使测速传 感器线 圈内磁 通量发生变化 ，产生感应电动势 。 图 3测 速 不 意 图 由式 3 可得磁阻式传感器感应 电动势为 一 Ⅳ 6 一 s i n O b 4 d 式 中 为转速传感器与齿盘安装间隙， 0为转 速传感器与 被测齿相 对夹 角，z 。b 测 速齿轮齿 宽 。 测速模件 将感应 电动势放大整形 ，得到一 定 频率的方波，测量出旋转物体 的转速。其频率为 Zn ， ．． 、 一6 0 5 式中z为测速齿轮的齿数 ； n为转速，r ／ ra i n 。 下表 1为测速传感器相关 的性能指标。 表 1 磁 阻式转速传感器相关性 能指标 名称 指标 测速齿轮 渐开线齿轮 安装 间隙／ mm 0 ． 8～1 输出信号的频率范围／ H z 1 0 0～1 0 0 0 0 自身阻抗／ 1 2 2 0 0 6 0 0 1 5 ℃ 负载 电阻／ 12 不小于 1 0 0 0 输 出波形 近似正弦波 齿轮模数为 4，齿数为 6 0 ，传感器端面 输 出幅度 与齿顶间隙为 1 m m时 ，转速 3 0 0 0 r ／ m i n 时，输 出信号 1 5 V ⋯ ， 3 ． 2测 速模 件 测速模件的作用是 将测量元 件输出 的电信号 通过 A ／ D转换 成为控制 器能够 识别 的数 字信号。 测速模件先将 输入信 号进行 滤波、放 大，然后通 过施密特整形 电路 ，将 正弦波 处理成方 波 ，传人 计数单元并计算 出转 速。输入 电压大小也是决定 测速模件测速 范 围的 因素之 一，其输 入 电压 、输 入阻抗 、隔离 电压 、输入 频率 、精度 、测量周 期 决定 了测速模件性 能的好坏 ，一 般要求这些指标 不低于下表 2所列。 表 2测 速 模 件 性 能 指 标 名称 指标 输入电压 输入阻抗 隔离 电压 输入频率 精度 测量周期 0 ．I V ～3 0 VP p 1 0 0 12～l o o o 12 1 5 ℃ 5 0 0 V AC O～8 kHZ 5 0 mm，外泄漏量 q ≤0 ． 0 0 1 d m L 。 2 液压缸 的负载效率不得低于 9 0 ％。 3 液 压 缸 的缸 体 应 能 承受 其 公 称 压 力 的 1 ． 2 5～1 ． 5倍 压 力 ，不 得 有 外 泄 及 零 件 损 坏 的 现象 。 4 液压缸的装配应符合 G B ／ 1 7 9 3 5 2 0 0 5中 4 ． 4 4 ． 7的规定。装配后应能保证 液压缸运动 自 如 ，所有对外连 接螺纹 、油 口边缘 等无损 伤 ，液 压缸活塞行程长度公差应符合表 7的规定。 文章作者对火 电汽轮机调 节系统 的几个重要 环节进行 了比较详 细的分析 ，并且对各个 环节 的 关键性能指标 给出了参考数据 。随着科 学技术的 上接第 4 0页 表 7 行 程长度公差 mm 公差值 迅速发展 ，对汽轮机 自动控制 的要求 也越来越高 ， 各项参数指标也 将不断更新 ，本文 可为设计 及校 核该方面产品的技术人员提供一个参考。 参考文献 [ 1 ]倪维斗 ，徐基豫 ．自动调 节原理 与 透平机 械 自动调节 第 二 版 [ M] ．北京 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