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汽轮机自动控制
汽轮机自动控制
主讲:
王超
单位:
山东电力研究院
时间:
二00二年三月
敬请大家批评指正,谢谢!
内容提要:
●DEH系统的组成
●DEH系统的功能
●DEH数字控制器
●高压主汽门控制系统
●高压调门控制系统
●中压调门控制系统
概论
汽轮机是电厂中三大主设备之一,在高温高压下高速旋转,完成热能到机械能的转换,然后再带动发电机旋转产生电能。
供电质量标准主要有两个:
频率和电压。
两者和汽轮机的转速都有一定的关系,但发电机的电压除了和转速有关外,还可以通过调整发电机的激磁电流进行调节。
而供电频率则单值取决于汽轮机的转速:
n:
汽轮发电机的转速
p:
发电机的电极对数。
对具有一对电极,转速为3000r/min的发电机组,频率为50Hz。
通常要求电网周波的变动小于±。
为了维持电网频率,要求汽轮机的转速稳定在额定转速附近,为了达到此要求,汽轮机必须配备可靠的自动控制装置。
汽轮机发展经历了三个阶段:
机械液压式控制系统(MHC)→模拟式电液控制系统(AHC)→数字式电液控制系统(DEH:
DigitalElectro-Hydrauliccontrolsystem)
MHC:
根据汽轮机的转速信号,控制油动机行程,确定调节阀的开度,以调节汽轮机的功率,这种调节系统只根据转速信号确定调节阀的开度,只有在新汽参数、排汽压力,以及其他运行条件不变的条件下,才能保证转速与功率有一一对应关系——调速系统的不可抗内扰性。
AHC:
为了克服MHC的缺点,20世纪60年代,调节系统改为根据转速和功率进行调节,这种调节系统称为功频调节。
信号的运算处理部分利用电子技术,而调节系统最后的执行部分,需要力量大,动作快,亦即是功率要求很大,目前,尚不能由电子、电气或电磁等方法来完成,故仍保留油动机作为执行机构,使得系统中电液并存,故称电液调节。
DEH:
由于计算机的发展感到模拟量运算处理等不方便,故又将模拟量改换数字量来运算处理:
数字式电液控制系统
第一节DEH系统的组成及功能
一、DEH系统的组成
1、DEH控制柜:
整个系统配置4个机柜,在WDPF数据高速公路上挂有4个站,分别用来完成OA(操作员自动)、OPC(超速保护)、RSM(热应力计算)、ATC(自动汽
轮机控制)等功能;
2、操作员接口:
包括两台CRT及触摸式面版,另外还有手操面版;
3、进汽阀门的伺服执行机构:
高、中压主汽门及调门油动机;
4、高压液力控制系统:
一方面为机组的各阀门油动机提供压力油,将电信号转换成液压信号调整阀门开度,同时,它又通过节流孔进入自动跳闸母管,在AST(自动紧急停机)电磁阀和隔膜阀关闭的情况下,建立自动跳闸母管油压;
5、润滑系统及相关的机械——液力紧急跳闸系统。
DEH控制器其功能环节主要有给定部分、反馈部分、调节器、执行机构、机组对象等。
1、给定部分:
●给定方式:
操作员给定、ATC给定、遥控给定(CCS、AS、RB)
●给定内容:
转速、目标值和速率
●
运算回路:
2、检测及A/D转换
●模拟量检测和转换:
基本参数:
转速、功率、调节级压力、主汽压、中压排汽压力、再热器冷端压力、再热压力
测量环节:
●开关量输入、输出:
基本控制开关量:
挂闸、并网等
3、伺服控制回路:
工作原理:
DEH输出信号到VCC(伺服回路控制卡)经函数变换(凸轮特性)转换为阀位指令,功放输出控制伺服伐油动机。
油动机位移经LVDT(线形差动变换器),当二者相等时,油动机稳定在某一位置。
二、DEH
三、系统的功能
1、机组转速的自动控制
(1)高压缸启动方式
TV控制转速至2900rpm→切换至GV控制,升速至3000rpm→由GV控制,并网、带负荷;
在整个过程中RV、IV处于全开状态。
阀门
冲转前
0至2900rpm
伐切换(2900rpm)
2900至3000rpm
TV
全关
控制
控制→全开
全开
GV
全关
全开
全开→控制
控制
IV
全关
全开
全开
全开
(2)中压缸启动方式
RV、GV全开,TV全关,由IV控制转速至2600rpm→切换至TV控制,到2900rpm(IV仍参与调节)→切换至GV控制,升速至3000rpm由GV、IV共同控制→并网、约35%额定负荷,IV全开,由GV控制负荷。
2、机组负荷的自动控制
(1)运行人员自动控制方式(OA)
运行人员通过操作盘输入机组目标负荷及变负荷率,DEH控制器完成调节变量的计算与处理,从而实现变负荷。
(2)远方遥控方式——CCS、ADS
通过遥控接口接受改变负荷的指令,遥控指令来自ADS或CCS。
(3)自动汽轮机控制方式(ATC)
在负荷控制阶段,自动汽轮机控制方式可在线监视汽机状态,还可与上述方式组成联合控制方式:
1OA-ATC联合方式。
运行人员通过操作盘输入机组目标负荷及变负荷率,ATC程序将从下述速率中选择最小的速率作为机组实际变负荷率,即:
●由ATC软件计算转子应力所决定的最佳速率
●机组限制的变负荷率
●运行人员输入的变负荷率
②ATC-遥控联合控制方式,同上述控制方式类似,只是运行人员选择的变负荷率被遥控源要求的负荷率所代替。
方式
WS
MW
IMP
说明
伐位控制
OUT
OUT
OUT
阀门位置给定控制
定功率运行
OUT
IN
OUT
功频运行
IN
IN
IN
参与电网一次调频
纯转速调节
IN
OUT
OUT
3、机组的自动监视与控制
汽机的自动监视与控制,将由ATC软件包完成,它由两个任务级程序和17个子程序组成。
在这种运行方式下,ATC程序将监视各种参数并给出相应信息以协助运行人员调节汽轮机,同时它还连续进行应变计算以使运行人员得知转子的温度变化,运行人员将协调蒸汽与金属部件温度,设定给定值,选择转速及变化率,确定暖机要求,以及采取其它必须的步骤使汽机达到额定转速及负荷。
4、机组的自动保护
(1)OPC超速保护
OPC超速保护由中压调节阀门快关功能(CIV)、负荷下跌预测功能(LDA)和超速控制功能三部分组成。
中压调节阀门快关功能(CIV):
在电力系统故障出现部分甩负荷时,快关中压调节阀门,延迟至1秒后再开启,以便在部分甩负荷瞬间维护电力系统稳定;
负荷下跌预测功能(LDA):
发电机主开关跳闸而汽机仍带30%以上负荷时,及时关闭高、中压调节阀门,以防止汽机超速而导致危急保安器动作;
超速控制功能:
当机组在非OPC测试情况下出现转速高于103%额定转速时,将高、中压调节阀门关闭,并将负荷控制改为转速控制,由高压调节阀门来控制汽机转速,同时根据转速来调整中压调节阀门,逐步将积聚在再热器中的蒸汽排出。
注:
实际运行中,CIV功能实现不了,中调门快关后,需要5至6秒才能打开,不符合快关要求,另外,单关中压调门,高压调门不关造成主机进汽的不平衡而引起轴向推力变化,有可能损坏推力瓦,基于这些情况,一般机组的CIV都封死。
(2)危急遮断控制装置
条件:
凝汽器真空低、轴承油压低、推力轴承磨损、EH油压低、机组110%超速
(3)机械超速和手动脱扣
●机组转速超过110%的额定值
●运行人员要求停机
注:
该值不定,一般范围在110%左右。
第二节DEH数字控制系统
一、DEH数字控制器
1、硬件部分
由控制机柜和CRT图象站两大部分组成。
2、软件部分
(1)设定值的处理
由中央处理单元CPU来计算。
在主汽压控制投入运行的情况下,如果主汽门压力低于某一设定值时,只要这时调节阀门开度大于全量程的20%,DEH控制系统就会按规定的速率去降低设定值,使控制系统去关小调节阀门,直至主汽门压力升至等于设定值或调节阀门被关小至全量程20%的开度为止。
主汽门压力控制是一项保护功能,它跨越了其它所有的控制方式,无论在DEH控制系统投入自动或切除情况下,只要这项功能是投入运行的,数字系统总是优先按它的要求来设置设定值。
当出现外部原因使设定值快速返回时,DEH控制系统根据预定的速率或外部选定的速率降低设定值,直至负荷达到规定值为止,当DEH系统处于手操方式时,自动控制功能切除,数字系统的控制输出跟踪手操系统,使自动系统输出的阀门要求信号始终与手操系统输出的要求信号相等,一旦从手操切换到自动时,可实现无扰切换;假如DEH系统处于运行人员自动方式,运行人员给出设定值要求极其变化率,按“go”按钮后,DEH系统就按这一预先选定的速率变化到设定值…
(2)设定值与反馈值的比较
(3)阀门管理程序
大型汽轮机调节阀门的控制方式有节流调节和喷嘴调节两种控制方式。
节流调节控制方式是指所有的调节阀门接受同一个阀门控制信号,同时开大或关小,来实现机组的转速或功率控制,这种控制方式又称为全弧度进汽方式。
喷嘴调节控制方式是随着机组负荷的逐个开启或关闭调节阀门,阀门开启的个数正比于机组所带的负荷量,开启的顺序要尽量减少由于节流引起的损失,以使部分负荷时有尽可能高的运行效率,这种控制方式又称为部分弧度进汽方式。
特点:
节流调节热应力小,但节流损失大;
喷嘴调节节流损失小,但热应力大。
二、高压主汽阀门控制系统
高压主汽阀门的作用,其一是协助汽轮机的启动,在机组冷态启动时,TV承担将机组由盘车转速升到2900rpm的任务,热态启动时,TV承担将IV控制的最大转速2600rpm升到2900rpm的任务,在TV控制机组转速升到2900rpm后,都将执行TV到GV的切换,然后TV全开,由GV控制机组升速、并网和带负荷运行;其二是在机组出现异常工况时,短时间内将迅速关闭TV,切断锅炉向汽机供汽,以保护
机组免遭破坏。
1、高压主汽阀门控制的工作方式
机组处于高压主汽阀控制时,DEH系统有两种工作方式,即自动方式和手操方式。
送至主汽阀门伺服回路的信号,除TV控制信号外,还有主汽阀门关闭偏置信号(TVBIAS)和主汽阀门测试信号(TVTEST),这三个信号相加后作为阀门位置信号,TVTEST信号由数字系统产生,通过模拟系统的数模转换器送至伺服回路,测试主汽阀门时它用来关闭所选择的主汽门。
主汽阀门关闭偏置信号(TVBIAS)是由模拟系统产生的,当汽轮机发出跳闸信号时,无论TV控制信号有多大,TVBIAS信号能确保主汽阀门被紧紧关闭。
正常运行时,TVTEST信号和TVBIAS信号等于零,主汽门的阀位请求信号总等于TV控制信号。
2、高压主汽阀门数字控制系统
高压主汽阀门数字控制系统如图所示,由高压主汽阀门控制回路和速度设定值形成逻辑两个主要部分组成。
TV控制系统
除接受设定值信号外,还接受如下三个输入信号:
(1)、汽机转速信号
(2)、对手操输出的跟踪信号
(3)、主汽阀门开偏置信号
(1)速度设定值逻辑电路
(2)主汽阀门控制回路
3、高压主汽阀门控制程序
下图给出了如何根据机组状态,选择相应的控制策略,DEH系统的控制任务将定时调用,其产生的TV控制子程序计算控制量,控制TV,从而达到控制机组的目的。
(1)在中压调节阀门控制时,TV处于关闭状态;
(2)在TV控制时,调用主汽阀门转速控制的子程序,计算主汽阀门的控制量;
(3)若机组既非IV控制,又非TV和GV控制,则判断机组跳闸,关TV;
(4)若系统正处于由TV到GV转换过程中,则主汽阀门控制程序选取TV到GV转换时的开度作为输出;
(5)若主汽阀门控制已转换为调节阀门控制,但TV还未全开,则以一定的速度开TV;
(6)若主汽阀门已全开,则保持TV全开状态不变,除非工况异常;
控制量送内存单元,以便MVP卡读此数据,控制TV阀门。
4、控制操作接口
运行人员对DEH系统工作方式的选择和设定值的设置、更改等都是通过控制盘上的键钮来实现的,因此控制盘和数字系统之间有一个接口,完成键盘到数字系统之间的信号传递,使数字系统能响应运行人员的请求或命令。
三、高压调节阀门控制系统
高压调节阀门在DEH中的主要作用有:
●启动过程中转速达2900rpm时,由高压主汽门TV控制机组转速切换至GV控制机组转速,通过GV的控制,将2900rpm升到3000rpm;
●在同步转速附近可选择自动同步方式或手动控制方式控制机组并网,带上5%额定负荷,并网后由GV控制机组负荷升降;
●
在异常工况下(ASL,OPC),GV迅速关闭,切断高压缸进汽,保护设备及人身安全。
1、高压调节阀门数字控制系统结构
高压调节阀门数字控制系统的核心是高压调节阀门控制回路(即GV控制回路),它是一个软件程序,根据输入信号计算出对高压调节阀门位置的要求值(即流量请求),GV控制回路输入信号有:
(1)速度或负荷设定值输入
(2)速度信号
(3)汽机调节级压力信号
(4)发电机功率信号
(5)主汽门压力信号
(6)模拟系统输出的手操控制信号
2、控制系统工作方式的选择
(1)运行人员自动方式
在手动/自动开关处于自动位置时,DEH系统一通电就进入了运行人员自动方式,这时数字系统是参与工作的,运行人员可以利用操作盘的键钮来设置要求的速度控制机组升速,自动并网后进入OA方式,运行人员键入目标负荷极其变化率,改变机组的负荷。
(2)自动汽轮机控制方式
当机组处于速度控制阶段时,励磁机是开路的,即(BR=1),这时运行人员只要按“ATC”键,DEH系统即可进入ATC控制方式。
当机组处于负荷控制阶段时,DEH系统进入ATC工作方式有两种途径:
●若系统已处于OA方式。
且设置的设定值请求与现有的设定值不相等,按“ATC”键,系统进入ATC工作方式;
●若系统原来处于远方控制或电厂计算机控制,只需按“ATC”键也能使系统进入ATC工作方式。
(3)远方控制方式
当系统处于负荷控制情况情况下,采用OA工作方式或已从OA方式进入ATC方式,而电厂计算机已退出DEH系统,这时运行人员只要按远方控制键,系统立即进入该工作方式。
(4)电厂计算机控制方式
当系统处于负荷控制下,采用OA方式或已从OA方式进入ATC方式,且远方控制系统已被切除时
(5)自动同步工作方式
3、控制系统设定值形成逻辑
GV控制设定值形成回路与TV控制设定值形成回路相似,设定值是由“设定值”计数器产生的,这个软件计数器受控于RAISE(增加),LOWER(减少)和RATE(计数速率)三个信号。
送至设定值计数器的增加或减少信号来源于两个途径,一是来自于比较器(COMP)的输出,另外则直接来自于各个外部信号源,这与DEH系统的工作方式有关。
4、高压调节阀门控制回路
(1)转速控制回路
(2)功率控制回路
●频率校正
并网运行的机组应参与电网的一次调频,即机组应随电网负荷的变化改变其出力,因此负荷设定值中应有反映电网负荷要求的信号,这就是频差信号。
在DEH系统中,将频差信号经过非线形处理后,得到转速补偿系数X,X与负荷设定值相加得到经频率校正后的负荷设定值。
●发电机功率校正
●调节级压力校正
经过转速偏差修正和电功率校正后的负荷设定值经标度变换后得到功率请求值,若状态标志IPI=1,则进行调节级压力校正,以压力单位表示的功率请求值与调节级压力反馈信号比较,其偏差经PI校正和上、下限幅后,转换成流量百分比送阀门管理程序。
5、高压调节阀门控制程序
6、阀门管理程序
DEH系统可通过调节阀门开度,改变进汽流量,达到转速和负荷控制的目的。
阀门的控制有单阀和顺序阀两种形式。
VMP程序将完成这两种阀门调节方式的在线无扰切换以及实现阀门流量特性的线形化,它的主要内容包括:
(1)阀门流量特征校正
(2)单阀控制方式
(3)顺序阀控制方式
(4)单阀控制向顺序阀控制方式的切换
四、中压调节阀门控制系统
IV是在旁路系统投入运行的情况下被作为启动过程的调节手段,旁路系统切除时它总是处于全开状态,异常工况下,IV将迅速关闭以保护机组。
在启动阶段用IV控制机组转速,由IV转换到TV控制后,它就保持原开度不变,当机组开始带负荷后它是随着GV的控制而调整。
在旁路切除时,有一开偏置信号送出使IV处于全开状态。
注意:
1、中压缸启动问题
汽轮机中压缸启动法国阿尔斯通公司,该公司设计的汽机在启动升速和带25%至30%负荷阶段,对于任一启动状态均采用中压缸启动,直到负荷超过30%才开启高压缸。
中压缸启动可以简化高压缸和转子的温度匹配过程,大大缩短启动时间(特别是冷态启动时间)。
而西屋公司的中压缸启动方式,一般在2650rpm就要开启高压缸。
3、CIV功能
实际应用证明,CIV只能满足快关而不能快开,实际中的CIV不能实现。
第三节DEH模拟系统及伺服执行机构
一、模拟系统的组成
模拟系统由下列四部分组成:
1、数模转换器
数字系统给出的阀位信号是数字式的,而阀门伺服回路却要求模拟量信号输入,所以需要一个数模转换器。
2、手操备用控制系统
手操备用控制系统由一个可逆计数器和一个数模转换器组成。
其方框图如下图:
双向计数器接受下列控制信号:
(1)手动盘来的阀位手操信号
(2)主汽压力控制器来的减负荷信号
(3)返回信号
(4)跳闸减负荷信号
(5)数字系统的输出跟踪信号
3、阀门伺服回路的放大器
经DEH控制器处理和数模转换器转换的模拟电器信号,即阀位要求信号,与阀位反馈信号(反馈的大小可由调幅器调整)比较,其偏差送入伺服放大器,伺服放大器装设在模拟系统。
4、超速保护装置
主要由逻辑控制和一个甩负荷预期逻辑所组成,它的目的是,当甩全负荷时避免超速引起汽轮机脱机,以及当甩部分负荷时,有利于汽轮发电机与电力系统间的稳定。
二、模拟系统功能逻辑电路
三、伺服执行机构
引进型300MW机组DEH系统有12只执行机构,分别控制2个高压主汽门,6个高压调节阀门,2个中压主汽门和2个中压调节阀门。
执行机构的油动机,其开启靠抗燃油压力驱动,而关闭是靠弹簧力,属于单侧进油油动机。
该机组的高压主汽门具有两种功能:
紧急停机时自动关闭和调节功能。
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