汽輪機(jī)調(diào)節(jié)保護(hù)系統(tǒng)

程曉海

摘 要：本文介紹了汽輪機(jī)調(diào)節(jié)保護(hù)系統(tǒng)的任務(wù)和中間再熱汽輪機(jī)調(diào)節(jié)保護(hù)系統(tǒng)的特點，對廣大電廠運行人員有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)；調(diào)節(jié)保護(hù)；再熱

概要介紹汽輪機(jī)調(diào)節(jié)保護(hù)的任務(wù)、系統(tǒng)的基本組成和不同類型調(diào)節(jié)保護(hù)系統(tǒng)的特點，著重分析汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)動、靜態(tài)特性對機(jī)組功率、轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)性能和安全、穩(wěn)定運行的影響，以汽輪機(jī)調(diào)節(jié)保護(hù)系統(tǒng)的典型部件為例，介紹調(diào)節(jié)保護(hù)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的工作原理和靜態(tài)特性計算。

1 汽輪機(jī)調(diào)節(jié)保護(hù)系統(tǒng)的任務(wù)

汽輪機(jī)是發(fā)電廠的原動機(jī)，驅(qū)動同步發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生電能，向電網(wǎng)輸送符合數(shù)量和供電品質(zhì)（電壓與頻率）要求的電力。由同步發(fā)電機(jī)的運行特性已知，發(fā)電機(jī)的端電壓決定于無功功率，而無功功率決定于發(fā)電機(jī)的勵磁；電網(wǎng)的頻率（或稱周波）決定于有功功率，即決定于原動機(jī)的驅(qū)動功率。因此，電網(wǎng)的電壓調(diào)節(jié)歸發(fā)電機(jī)的勵磁系統(tǒng)，頻率調(diào)節(jié)歸汽輪機(jī)的功率控制系統(tǒng)。這樣，機(jī)組并網(wǎng)運行時，根據(jù)轉(zhuǎn)速偏差改變調(diào)節(jié)汽門的開度，調(diào)節(jié)汽輪機(jī)的進(jìn)汽量及焓降，改變發(fā)電機(jī)的有功功率，滿足外界電負(fù)荷的變化要求。由于汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)是以機(jī)組轉(zhuǎn)速為調(diào)節(jié)對象，故習(xí)慣上將汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)稱為調(diào)速系統(tǒng)。

汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)是根據(jù)電網(wǎng)的頻率偏差自動調(diào)節(jié)功率輸出的，故在供電的量與質(zhì)的方面存在著矛盾；因為滿足負(fù)荷數(shù)量要求后，并不能保持電網(wǎng)頻率不變。目前，電網(wǎng)是通過一、二次調(diào)頻實現(xiàn)供電的頻率品質(zhì)要求的。對短周期、小幅度的負(fù)荷變化由電網(wǎng)負(fù)荷頻率特性產(chǎn)生頻率偏差信號，網(wǎng)中的各臺機(jī)組根據(jù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特性分擔(dān)這部分負(fù)荷變化，這一調(diào)節(jié)過程稱為一次調(diào)頻。對幅度變化較大而速度變化較慢的負(fù)荷，則由電網(wǎng)的自動頻率控制（AFC）裝置來分配調(diào)頻機(jī)組的負(fù)荷，這一調(diào)節(jié)過程稱為二次調(diào)頻。

汽輪機(jī)是高溫、高壓、大功率高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械，轉(zhuǎn)子的慣性相對于汽輪機(jī)的驅(qū)動力矩很小。機(jī)組運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)動力矩作用在轉(zhuǎn)子上，使轉(zhuǎn)速快速飛升。如不及時、快速、可靠地切除汽輪機(jī)的蒸汽供給，就會使轉(zhuǎn)速超過安全許可的極限轉(zhuǎn)速，釀成毀機(jī)惡性事故。此外，機(jī)組運行中還存在低真空、低潤滑油壓、振動大、差脹大等危及機(jī)組安全的故障。因此，為保障汽輪機(jī)各種事故工況下的安全，除要求調(diào)節(jié)系統(tǒng)快速響應(yīng)和動作外，還設(shè)置保護(hù)系統(tǒng)，并在調(diào)節(jié)汽門前設(shè)置主汽門。在事故危急工況下，保護(hù)系統(tǒng)快速動作，使主汽門和調(diào)節(jié)汽門同時快速關(guān)閉，可靠地切斷汽輪機(jī)的蒸汽供給，使機(jī)組快速停機(jī)。汽輪機(jī)調(diào)節(jié)保護(hù)系統(tǒng)的原理性結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。

綜合上述，汽輪機(jī)調(diào)節(jié)保護(hù)系統(tǒng)的任務(wù)是：正常運行時，通過改變汽輪機(jī)的進(jìn)汽量，使汽輪機(jī)的功率輸出滿足外界的負(fù)荷要求，且使調(diào)節(jié)后的轉(zhuǎn)速偏差在允許的范圍內(nèi)；在危急事故工況下，快速關(guān)閉調(diào)節(jié)汽門或主汽門，使機(jī)組維持空轉(zhuǎn)或快速停機(jī)。

2 中間再熱汽輪機(jī)調(diào)節(jié)保護(hù)系統(tǒng)的特點

再熱器的蒸汽管、傳熱管及聯(lián)箱等是個很大的蒸汽容積空間，其間貯存的蒸汽量決定于再熱器蒸汽的溫度和壓力。由第三章已知，在非設(shè)計工況下，中、低壓缸的功率與再熱器的蒸汽壓力呈一定的比例關(guān)系，這樣對應(yīng)于不同的機(jī)組功率，貯存于再熱器中的蒸汽量是不等的。在機(jī)組功率變化過程中，因再熱器內(nèi)蒸汽壓力變化導(dǎo)致貯汽量的改變，產(chǎn)生的蒸汽吸蓄或泄放效應(yīng)，使中低壓缸的功率變化滯后于高壓缸。如圖6-2（a）所示，在機(jī)組功率增大時，增大高壓缸的進(jìn)汽量，高壓缸的功率輸出近似于階躍增大，并且因再熱器的壓力較低，高壓缸的功率還有一定的過增量。同時，高壓缸的排汽進(jìn)入再熱器內(nèi)時，部分增大的蒸汽量滯留在再熱器中，以提升再熱器的蒸汽壓力，使中低壓缸的功率緩慢增大。只有當(dāng)再熱器的蒸汽壓力達(dá)到新工況穩(wěn)定狀態(tài)時，才能使高壓缸的排汽量與中壓缸的進(jìn)汽量相等。相反，在機(jī)組功率下降時，高壓缸進(jìn)汽量減少，使再熱器蒸汽壓力下降，再熱器泄放出部分貯汽，使得中壓缸的進(jìn)汽量大于高壓缸。

中間再熱機(jī)組為單元制機(jī)組，鍋爐的蓄熱相對減少，特別是直流鍋爐。傳統(tǒng)的鍋爐跟隨汽輪機(jī)的運行方式，利用鍋爐金屬蓄熱釋放滿足汽輪機(jī)的流量要求，勢必引起鍋爐運行參數(shù)的較大波動，嚴(yán)重時造成參數(shù)超限，危及機(jī)、爐的安全。再熱器通常布置于鍋爐的高溫?zé)煹绤^(qū)，在機(jī)組啟、停過程中必須有足夠的蒸汽來冷卻再熱器，防止再熱器傳熱管燒損。但在機(jī)組啟動過程中，再熱器的冷卻蒸汽量和鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)燃的產(chǎn)汽量遠(yuǎn)大于汽輪機(jī)的空載流量，因此機(jī)組的升速、帶負(fù)荷與再熱器的冷卻間有很大矛盾。

為增強中間再熱機(jī)組的一次調(diào)頻能力，保護(hù)事故工況下機(jī)組的安全，提高機(jī)組啟、停操作的靈活性和安全可靠性，在中間再熱汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，設(shè)置動態(tài)校正器。在機(jī)組功率增大或減小時，通過高壓調(diào)節(jié)汽門的過開或過關(guān)，由高壓缸功率的過增或過減補償再熱器產(chǎn)生的時滯效應(yīng)，使機(jī)組功率與外界要求保持一致。在中壓缸進(jìn)口處，設(shè)置中壓主汽門和中壓調(diào)節(jié)汽門，在危急事故工況下，快速切斷中壓缸的進(jìn)汽，避免再熱器蒸汽進(jìn)入中低壓缸造成機(jī)組轉(zhuǎn)速惡性飛升。另一方面，在機(jī)組啟、停過程中，由中壓調(diào)節(jié)汽門控制再熱汽溫，使中壓缸的進(jìn)汽與中壓缸轉(zhuǎn)子及汽缸的熱狀態(tài)得到良好的匹配。為減小中壓調(diào)節(jié)汽門產(chǎn)生的節(jié)流損失，中壓調(diào)節(jié)汽門通常在機(jī)組負(fù)荷大于30%時保持全開。

3 結(jié)論

為使中間再熱機(jī)組在負(fù)荷變化時，既能利用鍋爐金屬的蓄熱滿足快速響應(yīng)外界電負(fù)荷的要求，又能通過改變調(diào)節(jié)汽門的開度使主蒸汽壓力的波動在允許的范圍之內(nèi)，從而要求機(jī)爐采用協(xié)調(diào)控制方式。 為改善中間再熱機(jī)組的啟動特性，加快機(jī)組的啟動速度，回收啟動過程中的工質(zhì)和熱量，以及在機(jī)組甩負(fù)荷工況下保護(hù)鍋爐的安全，在中間再熱汽輪機(jī)的蒸汽系統(tǒng)中設(shè)有高、低壓旁路系統(tǒng)和大旁路系統(tǒng)。高壓旁路系統(tǒng)是將來自鍋爐過熱器的新蒸汽通過減溫、減壓器排至冷再熱器蒸汽管，低壓旁路系統(tǒng)是將再熱新蒸汽經(jīng)減溫、減壓器排至凝汽器，大旁路系統(tǒng)則是將新蒸汽經(jīng)減溫、減壓器直接排至凝汽器。在機(jī)組啟、停過程中，通過操作高、低壓旁路調(diào)節(jié)閥和中壓調(diào)節(jié)汽門，控制再熱蒸汽溫度和再熱器的冷卻。在甩負(fù)荷工況下，由旁路系統(tǒng)控制鍋爐過熱器及再熱器的壓力，避免鍋爐安全閥動作，使機(jī)組故障排除后盡快恢復(fù)運行。