机电工程职称论文汽轮发电机组速度调节

　　摘要：在汽轮发电机组控制系统中，机组的转速是一个非常重要的控制变量。它不仅仅体现在升透过程中作为唯一的被调量，在并网运行中它体现了机械能与电功能的平衡关系，反映了供电质量，而且也是衡量机组安全运行的重要指标。大型机组常配套稳定可靠的速度调节保护系统，对转速进行严密的监视与控制。

　　关键词：WoodWord505,WoodWord203,超速保护,三选二逻辑

　　汽轮机是一种高温、高压、高速旋转的机械设备，故在汽轮发电机组控制系统中，机组的转速是一个非常重要的参量。DEH对汽轮机的控制任务之一就是控制转速在我们需要的范围之内以及在机组超速时迅速作出保护。

　　我司作为国内大型的汽轮发电机组制造企业，生产额定转速为6000rpm/min的高速高效率汽轮机，有一套完善安全可靠的速度调节保护系统。我司的速度调节保护系统主要有DEH调节系统及TSI保护系统构成，其中DEH系统主要有美国WoodWord 505数字式速度调节器及WoodWord CPCII电液转换器构成，TSI速度保护系统主要有WoodWord 203逻辑三选二超速保护装置构成。此外，为运行维护方便，还配置了人机接口站和工程师站等工具。

　　1.DEH速度调节系统

　　1.1 DEH高度调节系统基本原理

　　在DEH速度调节系统中，通常将汽轮发电轴系看作一个整体旋转刚体。转子的转动方程为：J*dω/dt=MT-MG-Mƒ (1-1)

　　式中：J：汽轮发电机组转子的转动惯量(Kg.m.s2)

　　ω：转子的转动惯量(s-1)

　　MT：汽轮机蒸汽转矩(N.m)

　　MG：发电机电磁转矩(N.m)

　　Mƒ：各种阻力矩(N.m)

　　转动惯量对于特定的机组安装完成后，即为一常数，DEH要控制的转速n与角速度ω成正比。

　　ω=2πƒ=2πn/60 (1-2)

　　式中：ƒ：频率(s-1)

　　n：转速(r/min)

　　根据汽轮机的工作原理知，汽轮机矩MT为：

　　MT=4.73DH0η0e/n (1-3)

　　其中：D：进入汽轮机的蒸汽流量(kg/n)

　　H0：绝热焓降(kj/kg)

　　η0：汽轮机相对效率

　　n：转速(r/min)

　　发电机电磁转矩MG，它主要取决于负载的特性，可表示为：

　　MG =k1+k2.n+k3.n2 (1-4)

　　其中：k1，k2，k3为随机变量，且均为正值。

　　各种阻力矩Mƒ，它与转速，真空，轴系油温等根本因素有关，可视随转速增大的随机变量。

　　由(1-1)可知，若由于某种原因n↑→MT↓，MG↑，Mƒ↑→dω/dt<0，n↓，n重新归到平衡位置。这种现象属汽轮机的自平衡能力。但其对于n的调节能力是非常有限的。故必须借助于汽轮机速度调节系统。而汽轮机的速度调节系统就通过增(减)气轮机的进气量(或进气参数)而改变动力距的大小，使其与阻力矩的变化相平衡(即改变气轮机的功率)使其与外界负荷的变化相适应)，从而保持机组转速基本不变的过程，称为汽轮机的转速调节。从(1-3)可以看出，只要采用适当的手段控制汽轮机的D，就能改变MT，使MT始终跟随MG变化，以维持转速n即供电频率在规定范围内，满足国家对供电品质的要求。

　　在调节速度的过程中，我司DEH系统是通过WOODWORD 505的速度目标值及速度反馈值，经过内部PID运算，输出4~20mA信号至电液转换器WoodWord CPCII，通过调节执行机构(油动机)来控制安装在进汽口上的调节汽阀来改变MT，以调节汽轮机的转速。我司DEH转速/功率调节系统原理图如下：

　　1.2 我司DEH系统的速度调节主要功能

　　(1)转速控制这是DEH最基本，也是最重要的功能。通过改变WoodWord505转速设定值(手动或自动)可使机组启动、升速，或维持在某一固定转速，DEH系统通过WoodWord505的PID调节一般都能达到0.1%的转速控制精度。此外，通过DEH的人机界面还可方便地对机组的升速率进行设置，而在机组过临界转速时则能按预先设好的升速率自动高速冲过临界转速。而且，由于系统控制精度较高，DEH系统在最大升速率下机组转速控制的超调量一般都小于0.15%，能确保汽轮发电机组安全稳定地运行。

　　(2)频率控制，当发电机断路器闭合而电网断路器断开时，转速PID以频率控制方式运行，机组将运行于恒定转速或频率而与其实际负荷无关，此时转速给定值立即跃变至额定转速，使汽轮发电机组在额定转速或额定频率下运行，而通过调节油动机进汽阀开度来平衡电网内负荷的波动。

　　(3)负荷控制，当发电机断路器和电网断路器都闭合时，汽轮发电机组的转速与电网频率相对应，通过引入功率不等率5%(即速度设定值6000至6300转，线性对应零至额定负荷)，PID能够控制不等率使其能控制机组负荷，当电网频率降低或提高时，根据机组的不等率设定值其负荷相应增加或减少，使电网更加稳定。

　　2.超速保护系统

　　我司的汽轮机超速保护系统是以WoodWord203为核心，WoodWord505辅助，三冗余超速保护，以保证超速保护系统安全可靠。

　　2.1 103%超速预警

　　汽轮机是高温、高压、大功率高速旋转机械，转子的惯性相对于汽轮机的驱动力矩很小。机组运行中一旦突然从电网中解列甩去全部电负荷，汽轮机巨大的驱动力矩作用在转子上，使转速快速飞升。

　　我司DEH系统中，具备103%超速预警功能，当转速高于6180r/min时，Woodword505上的继电器输出控制信号至电磁加速器电磁阀，将二次油压降至零，从而关闭油动机上的进汽阀。直至汽轮机的转速降至6000r/min时，WoodWord 505切除继电器动作，此时PID参与控制转速，使汽轮机的转速平稳地控制在6000r/min。其动作快速、准确，对汽轮机是一个极好的保护。

　　2.2 超速保护

　　(1)TSI超速保护

　　WoodWord203采用三个相互独立的转速测量传感器及其输入回路，以获得三个独立的转速信号，每一个转速信号与其上、下限制进行比较，以判断其前向通道工作是否正常，然后三个转速信号两两进行等值比较，以判断信号处理通道是否正常，只有在确认转速信号可靠时，WoodWord203系统才采用。信号经处理后、计算出三路汽机转速值，并进行相应的逻辑运算及判断，再通相应的继电器去或触发保护系统。该超速保护采用了三冗余转速输入方式、三选二保护逻辑及具有在线试验的能力，其可靠性非常高。

　　通常WoodWord203的超速设定值为额定转速的110%,当转速高于6600r/min时，保护可在20ms内快速作出反应，保护动作信号通过继电器输出至停机电磁阀，迅速关闭主汽门及调节汽门。

　　(2)WoodWord505超速保护

　　WoodWord505采用两冗余转速输入方式，具有一定的可靠性，通常超速设定值比WoodWord203大30r/min，作为超速冗余保护，只有当WoodWord203超速保护装置出现故障时，且转速大于6630r/min时，触动超速保护，输出相关动作。

　　3.结 语

　　近年来，随着社会经济的发展，电网规模的逐渐扩大，干扰汽轮机组转速控制的因素增多了，这就要求汽轮发电机组的转速调节保护系统也越来越完善。而我司的汽轮发电机组产品遍布全国各省市及亚、非、拉等世界各国，且经过长期的安全、稳定运行，并获得用户的一致好评，事实证明了我司汽轮发电机组速度调节保护系统具有安全、稳定、可靠的特点。

　　参考文献：

　　【1】《WOODWORD505 DIGITAL GOVERNORS》产品说明书

　　【2】郭钰峰 《汽轮机调节原理》 机械工业出版社

　　【3】张镇一 《透平自动调节》 西安:西安交通大学出版社

　　【4】谢冬梅 《火力发电厂汽轮机数字电液调节系统的设计》 合肥工业大学出版社

《机电工程职称论文汽轮发电机组速度调节》

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