機(jī)電工程職稱論文汽輪發(fā)電機(jī)組速度調(diào)節(jié)

　　摘要：在汽輪發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)中，機(jī)組的轉(zhuǎn)速是一個(gè)非常重要的控制變量。它不僅僅體現(xiàn)在升透過程中作為唯一的被調(diào)量，在并網(wǎng)運(yùn)行中它體現(xiàn)了機(jī)械能與電功能的平衡關(guān)系，反映了供電質(zhì)量，而且也是衡量機(jī)組安全運(yùn)行的重要指標(biāo)。大型機(jī)組常配套穩(wěn)定可靠的速度調(diào)節(jié)保護(hù)系統(tǒng)，對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行嚴(yán)密的監(jiān)視與控制。

　　關(guān)鍵詞：WoodWord505,WoodWord203,超速保護(hù),三選二邏輯

　　汽輪機(jī)是一種高溫、高壓、高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械設(shè)備，故在汽輪發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)中，機(jī)組的轉(zhuǎn)速是一個(gè)非常重要的參量。DEH對(duì)汽輪機(jī)的控制任務(wù)之一就是控制轉(zhuǎn)速在我們需要的范圍之內(nèi)以及在機(jī)組超速時(shí)迅速作出保護(hù)。

　　我司作為國內(nèi)大型的汽輪發(fā)電機(jī)組制造企業(yè)，生產(chǎn)額定轉(zhuǎn)速為6000rpm/min的高速高效率汽輪機(jī)，有一套完善安全可靠的速度調(diào)節(jié)保護(hù)系統(tǒng)。我司的速度調(diào)節(jié)保護(hù)系統(tǒng)主要有DEH調(diào)節(jié)系統(tǒng)及TSI保護(hù)系統(tǒng)構(gòu)成，其中DEH系統(tǒng)主要有美國WoodWord 505數(shù)字式速度調(diào)節(jié)器及WoodWord CPCII電液轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，TSI速度保護(hù)系統(tǒng)主要有WoodWord 203邏輯三選二超速保護(hù)裝置構(gòu)成。此外，為運(yùn)行維護(hù)方便，還配置了人機(jī)接口站和工程師站等工具。

　　1.DEH速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)

　　1.1 DEH高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)基本原理

　　在DEH速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，通常將汽輪發(fā)電軸系看作一個(gè)整體旋轉(zhuǎn)剛體。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)方程為：J*dω/dt=MT-MG-Mƒ (1-1)

　　式中：J：汽輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(Kg.m.s2)

　　ω：轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(s-1)

　　MT：汽輪機(jī)蒸汽轉(zhuǎn)矩(N.m)

　　MG：發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩(N.m)

　　Mƒ：各種阻力矩(N.m)

　　轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)于特定的機(jī)組安裝完成后，即為一常數(shù)，DEH要控制的轉(zhuǎn)速n與角速度ω成正比。

　　ω=2πƒ=2πn/60 (1-2)

　　式中：ƒ：頻率(s-1)

　　n：轉(zhuǎn)速(r/min)

　　根據(jù)汽輪機(jī)的工作原理知，汽輪機(jī)矩MT為：

　　MT=4.73DH0η0e/n (1-3)

　　其中：D：進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽流量(kg/n)

　　H0：絕熱焓降(kj/kg)

　　η0：汽輪機(jī)相對(duì)效率

　　n：轉(zhuǎn)速(r/min)

　　發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩MG，它主要取決于負(fù)載的特性，可表示為：

　　MG =k1+k2.n+k3.n2 (1-4)

　　其中：k1，k2，k3為隨機(jī)變量，且均為正值。

　　各種阻力矩Mƒ，它與轉(zhuǎn)速，真空，軸系油溫等根本因素有關(guān)，可視隨轉(zhuǎn)速增大的隨機(jī)變量。

　　由(1-1)可知，若由于某種原因n↑→MT↓，MG↑，Mƒ↑→dω/dt<0，n↓，n重新歸到平衡位置。這種現(xiàn)象屬汽輪機(jī)的自平衡能力。但其對(duì)于n的調(diào)節(jié)能力是非常有限的。故必須借助于汽輪機(jī)速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)。而汽輪機(jī)的速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)就通過增(減)氣輪機(jī)的進(jìn)氣量(或進(jìn)氣參數(shù))而改變動(dòng)力距的大小，使其與阻力矩的變化相平衡(即改變氣輪機(jī)的功率)使其與外界負(fù)荷的變化相適應(yīng))，從而保持機(jī)組轉(zhuǎn)速基本不變的過程，稱為汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。從(1-3)可以看出，只要采用適當(dāng)?shù)氖侄慰刂破啓C(jī)的D，就能改變MT，使MT始終跟隨MG變化，以維持轉(zhuǎn)速n即供電頻率在規(guī)定范圍內(nèi)，滿足國家對(duì)供電品質(zhì)的要求。

　　在調(diào)節(jié)速度的過程中，我司DEH系統(tǒng)是通過WOODWORD 505的速度目標(biāo)值及速度反饋值，經(jīng)過內(nèi)部PID運(yùn)算，輸出4~20mA信號(hào)至電液轉(zhuǎn)換器WoodWord CPCII，通過調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(油動(dòng)機(jī))來控制安裝在進(jìn)汽口上的調(diào)節(jié)汽閥來改變MT，以調(diào)節(jié)汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速。我司DEH轉(zhuǎn)速/功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理圖如下：

　　1.2 我司DEH系統(tǒng)的速度調(diào)節(jié)主要功能

　　(1)轉(zhuǎn)速控制這是DEH最基本，也是最重要的功能。通過改變WoodWord505轉(zhuǎn)速設(shè)定值(手動(dòng)或自動(dòng))可使機(jī)組啟動(dòng)、升速，或維持在某一固定轉(zhuǎn)速，DEH系統(tǒng)通過WoodWord505的PID調(diào)節(jié)一般都能達(dá)到0.1%的轉(zhuǎn)速控制精度。此外，通過DEH的人機(jī)界面還可方便地對(duì)機(jī)組的升速率進(jìn)行設(shè)置，而在機(jī)組過臨界轉(zhuǎn)速時(shí)則能按預(yù)先設(shè)好的升速率自動(dòng)高速?zèng)_過臨界轉(zhuǎn)速。而且，由于系統(tǒng)控制精度較高，DEH系統(tǒng)在最大升速率下機(jī)組轉(zhuǎn)速控制的超調(diào)量一般都小于0.15%，能確保汽輪發(fā)電機(jī)組安全穩(wěn)定地運(yùn)行。

　　(2)頻率控制，當(dāng)發(fā)電機(jī)斷路器閉合而電網(wǎng)斷路器斷開時(shí)，轉(zhuǎn)速PID以頻率控制方式運(yùn)行，機(jī)組將運(yùn)行于恒定轉(zhuǎn)速或頻率而與其實(shí)際負(fù)荷無關(guān)，此時(shí)轉(zhuǎn)速給定值立即躍變至額定轉(zhuǎn)速，使汽輪發(fā)電機(jī)組在額定轉(zhuǎn)速或額定頻率下運(yùn)行，而通過調(diào)節(jié)油動(dòng)機(jī)進(jìn)汽閥開度來平衡電網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷的波動(dòng)。

　　(3)負(fù)荷控制，當(dāng)發(fā)電機(jī)斷路器和電網(wǎng)斷路器都閉合時(shí)，汽輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率相對(duì)應(yīng)，通過引入功率不等率5%(即速度設(shè)定值6000至6300轉(zhuǎn)，線性對(duì)應(yīng)零至額定負(fù)荷)，PID能夠控制不等率使其能控制機(jī)組負(fù)荷，當(dāng)電網(wǎng)頻率降低或提高時(shí)，根據(jù)機(jī)組的不等率設(shè)定值其負(fù)荷相應(yīng)增加或減少，使電網(wǎng)更加穩(wěn)定。

　　2.超速保護(hù)系統(tǒng)

　　我司的汽輪機(jī)超速保護(hù)系統(tǒng)是以WoodWord203為核心，WoodWord505輔助，三冗余超速保護(hù)，以保證超速保護(hù)系統(tǒng)安全可靠。

　　2.1 103%超速預(yù)警

　　汽輪機(jī)是高溫、高壓、大功率高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械，轉(zhuǎn)子的慣性相對(duì)于汽輪機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩很小。機(jī)組運(yùn)行中一旦突然從電網(wǎng)中解列甩去全部電負(fù)荷，汽輪機(jī)巨大的驅(qū)動(dòng)力矩作用在轉(zhuǎn)子上，使轉(zhuǎn)速快速飛升。

　　我司DEH系統(tǒng)中，具備103%超速預(yù)警功能，當(dāng)轉(zhuǎn)速高于6180r/min時(shí)，Woodword505上的繼電器輸出控制信號(hào)至電磁加速器電磁閥，將二次油壓降至零，從而關(guān)閉油動(dòng)機(jī)上的進(jìn)汽閥。直至汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速降至6000r/min時(shí)，WoodWord 505切除繼電器動(dòng)作，此時(shí)PID參與控制轉(zhuǎn)速，使汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速平穩(wěn)地控制在6000r/min。其動(dòng)作快速、準(zhǔn)確，對(duì)汽輪機(jī)是一個(gè)極好的保護(hù)。

　　2.2 超速保護(hù)

　　(1)TSI超速保護(hù)

　　WoodWord203采用三個(gè)相互獨(dú)立的轉(zhuǎn)速測(cè)量傳感器及其輸入回路，以獲得三個(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)速信號(hào)，每一個(gè)轉(zhuǎn)速信號(hào)與其上、下限制進(jìn)行比較，以判斷其前向通道工作是否正常，然后三個(gè)轉(zhuǎn)速信號(hào)兩兩進(jìn)行等值比較，以判斷信號(hào)處理通道是否正常，只有在確認(rèn)轉(zhuǎn)速信號(hào)可靠時(shí)，WoodWord203系統(tǒng)才采用。信號(hào)經(jīng)處理后、計(jì)算出三路汽機(jī)轉(zhuǎn)速值，并進(jìn)行相應(yīng)的邏輯運(yùn)算及判斷，再通相應(yīng)的繼電器去或觸發(fā)保護(hù)系統(tǒng)。該超速保護(hù)采用了三冗余轉(zhuǎn)速輸入方式、三選二保護(hù)邏輯及具有在線試驗(yàn)的能力，其可靠性非常高。

　　通常WoodWord203的超速設(shè)定值為額定轉(zhuǎn)速的110%,當(dāng)轉(zhuǎn)速高于6600r/min時(shí)，保護(hù)可在20ms內(nèi)快速作出反應(yīng)，保護(hù)動(dòng)作信號(hào)通過繼電器輸出至停機(jī)電磁閥，迅速關(guān)閉主汽門及調(diào)節(jié)汽門。

　　(2)WoodWord505超速保護(hù)

　　WoodWord505采用兩冗余轉(zhuǎn)速輸入方式，具有一定的可靠性，通常超速設(shè)定值比WoodWord203大30r/min，作為超速冗余保護(hù)，只有當(dāng)WoodWord203超速保護(hù)裝置出現(xiàn)故障時(shí)，且轉(zhuǎn)速大于6630r/min時(shí)，觸動(dòng)超速保護(hù)，輸出相關(guān)動(dòng)作。

　　3.結(jié) 語

　　近年來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模的逐漸擴(kuò)大，干擾汽輪機(jī)組轉(zhuǎn)速控制的因素增多了，這就要求汽輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)保護(hù)系統(tǒng)也越來越完善。而我司的汽輪發(fā)電機(jī)組產(chǎn)品遍布全國各省市及亞、非、拉等世界各國，且經(jīng)過長期的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，并獲得用戶的一致好評(píng)，事實(shí)證明了我司汽輪發(fā)電機(jī)組速度調(diào)節(jié)保護(hù)系統(tǒng)具有安全、穩(wěn)定、可靠的特點(diǎn)。

　　參考文獻(xiàn)：

　　【1】《WOODWORD505 DIGITAL GOVERNORS》產(chǎn)品說明書

　　【2】郭鈺峰 《汽輪機(jī)調(diào)節(jié)原理》 機(jī)械工業(yè)出版社

　　【3】張鎮(zhèn)一 《透平自動(dòng)調(diào)節(jié)》 西安:西安交通大學(xué)出版社

　　【4】謝冬梅 《火力發(fā)電廠汽輪機(jī)數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)》 合肥工業(yè)大學(xué)出版社

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