汽輪機升速控制系統分析

安仲玉 范偉遠 林楠

摘 要：本文從以下方面分析了汽輪機升速控制系統：轉速信號的采集處理和目標轉速，使汽輪機升速控制技術更完善。

關鍵詞：汽輪機;升速;控制

汽輪機控制的最重要的一點即是升速控制，由于機組系統復雜，升速控制的穩定與否直接影響到整個汽輪發電機組的穩定性，上個世紀汽輪機的轉速控制基本上都是由液壓調速系統構成的，該系統結構復雜，在機組投運前的調試難度相當大，而且其運行的可靠性比較底，維護也十分的不方便。目前調速系統已經進入了一個嶄新的階段，不論是控制精度、自動化程度、維護方便程度都到了一個相當的高度。

1、升速控制目前也有多種不同的方式，最終控制系統都將能把機組轉速控制在我們的目標轉速值上，其控制精度在千分之一以內，按照國內網頻50Hz計算，汽輪機的并網轉速也就是我們控制的目標轉速為3000r/min，實際上在機組參數穩定后，我們的控制系統基本上可以把轉速控制在3000r/min±2r/min以內。目前我們國內600MW等級以下的機組基本上都采用該控制方式。實踐證明該種控制方式是切實可行的。作為1000MW等級的機組，我們仍然可以考慮采用這樣的控制方式，雖然如此，該方式也有其不利的地方，汽輪發電機組的轉速雖然得到了有效的控制，但是汽輪機升速的加速過程無法得到有效的控制，汽輪機的運行必須是平穩的，不允許較大的波動，雖然我們在轉速閉還控制中做了相應的處理，但是卻沒有從根本上解決問題，當然這與系統本身的特性有很大的關系，最主要的是實際加速度的測量比較困難，目前我們采用的基本上都是軟件測量法，即兩個測量周期的差值進行計算得出，該方法測得的加速度準確與否主要取決于控制器本身的性能及信號采集系統的可靠性和快速性，目前我們常規控制系統的控制周期一般的都是100ms，只有日立的控制系統的控制周期在30 ms以內，因此，我們在1000MW等級的汽輪機控制系統選用了日立的系統，采用該系統，結合該系統的性能，我們在這轉速閉還控制的基礎上增加了加速度控制，該控制方式的優點在于我們不僅僅只控制汽輪機轉速，我們把汽輪機的加速度也同時進行了控制，使得機組的加速過程得到了有效的控制。鑒于加速度采集的難度，在升速初期，我們直接采用了加速度控制，只有在實際轉速接近目標轉速時，我們才切換到采用轉速閉環控制。

2、控制回路及控制功能

DEH 控制系統的控制回路及其功能，不僅僅局限于液壓轉速調節系統的翻版，而是考慮到電廠綜合自動化對汽輪機調節的要求來進行設計的。此外，由于采用了微機控制裝置，在設計思想上應盡量把對整個控制裝置（包括發訊器及執行機構）的運行狀態納入到微機的監視范圍中。基于這種考慮，在MACS DEH中設計了如下的控制回路和控制功能。

2.1控制回路

控制回路包括：轉速控制，頻率控制，功率控制（功控），調節閥門開度控制（閥控），機前主汽壓控制（壓控），汽壓及真空保護控制，防超速保護控制，裝置等。

1）轉速控制回路。轉速控制回路中包括轉速目標值給定，轉速變化率給定，轉速參考值給定，轉速的PI調節器，轉速測量及三取二邏輯與相應的邏輯回路，本回路承擔汽輪發電機組的轉子轉速控制任務。2）功率控制回路。功率控制回路中包括目標功率值給定，功率變化率給定，功率參考值給定，機組一次調頻對功率參考值給定的修正，最大功率限制及限制值給定，主蒸汽壓力變化率對功率參考值的修正，電功率測量及二選大邏輯，功率PI調節器，一次調頻限制及汽壓修正功率給定的投切等。3）閥門開度控制回路。閥門開度控制回路包括目標閥門開度值給定，開度變化率給定，開度參考值給定，左右高壓油動機開度測量及大選邏輯和開度PI調節器。4）機前主汽壓控制回路。機前主汽壓控制回路包括機前主汽壓給定，主汽壓測量及大選邏輯和壓力PI 調節器。5）氣壓及真空保護控制回路。包括氣壓保護值設定PV及此設定值對實際氣壓P減去一常量PV 信號的跟蹤，即當氣壓保護回路不投時PV 始終等于P -PV。氣壓保護PI調節器和氣壓保護的投切回路。真空保護回路包括真空度測量，函數變換和真空保護的投切回路。6）防超速保護（OPC）控制回路。MACS DEH裝置中共有三處設置了OPC保護功能，第一處在功率放大器中，第二處在DEH模件中，第三處在I/O控制站主控模件中。

2.2系統控制功能

大范圍轉速閉環控制功能

自動升速控制。根據機組的四種溫度狀態：冷態（t 120 c），溫態（120 ct 300 c），熱態（300 ct 450 c）和極熱態（t 450 c），對應設置了不同的四條升速曲線，司機按下某一溫度狀態和升速“自動”按鈕，并給出啟機指令（按啟機按鈕）后，轉速控制器將機組由0轉/分自動提速到3000轉/分，其間，到達暖機轉速后的暖機（如500轉/分，1000轉/分）指令，暖機時間（ t1，t2）設定，暖機時間已到后的再升速和到達臨界轉速區（ nc）后的沖臨界加速率的切換都將自動進行，無需司機干預，直到機組升速到3000轉/分。

3、轉速信號的采集處理

對于轉速信號的采集，為了信號的準確可靠，我們采用三冗余的模式，現場采用三個轉速探頭進行信號采集。通常在機組的前箱部分有一個與轉子連接在一起的測速齒盤，相應的設計有安裝轉速探頭的測速支架，測速支架的作用即是固定轉速探頭。在安裝時一般都要求轉速探頭的端部距離測速齒盤齒頂的距離為0.8～1.2mm，如果距離過大，則感應電勢越小，其抗干擾的能力也就越低，如果距離太小，探頭端部容易與測速齒盤齒頂產生摩擦碰撞，使得測速元件損壞，因無法采集轉速信號而造成重大事故。轉速探頭的種類也比較多，但是在汽輪機控制上目前采用兩種探頭，一種是電渦流探頭，一種是磁阻式探頭，通常我們的轉速處理模件在轉速輸入時都有一定的門檻電壓值，而在低轉速時探頭感應的電壓值是相當低的，因此一般在低轉速時我們的轉速模件通常很難檢測到轉速。相比之下電渦流探頭由于增加了一級前置放大，其輸出的感應電壓經過放大后再進入轉速處理模件，因此采用電渦流探頭我們可以檢測到很低的轉速值，其性能更高，但是價格也比較高。在大功率汽輪機的控制中，我們首選的是電渦流探頭，該探頭可以檢測到盤車轉速，通常盤車轉速小于 4 r/min。而 1000MW 機組的盤車轉速為 2.5 r/min，而磁阻式探頭一般要 30 r/min 以上才能檢測到。

當齒盤隨主軸轉動時，探頭的鐵芯與齒盤之間的間隙便不斷的變化，每經過一齒，氣隙磁阻變化一次，磁路的磁通量也隨之變化，套在鐵芯上的線圈就感應出一個交變波形電勢，此感應電勢即為測速探頭的輸出信號。

設齒盤齒數為 z，汽輪機軸的轉速為 n，則輸出信號的頻率為： 當齒數一定時，頻率 f 與汽輪機的轉速 n 成正比。因此，只要測得頻率 f，就可以計算得出被測轉速 n。

對于轉速信號這種汽輪機控制中非常重要的信號，我們都設計為三重冗余的模式。

轉速信號進入控制系統后，需要進行邏輯三取二處理，同時進行信號質量的檢測，最后輸出實際的汽輪機轉速同時給出轉速信號質量的狀態。

4、結束語

汽輪機升速控制系統是一個重要的研究課題，它直接關系到機組的整體性能和效率的提高，計算機技術在電廠中的廣泛應用，使汽輪機升速控制系統技術變得更為完善，從而實現對汽輪機的轉速、功率、汽壓等最終目標的控制，為汽輪機閥門管理精度的提高打下了堅實的基礎。

參考文獻 ：

[1] 張爽.淺析汽輪機技術的發展及其前景分析[J].現代工業經濟和信息化，2014，13：107-108.

[2] ArminDrosdziok，張云.汽輪機技術發展的現狀與未來[J].上海汽輪機，1998，03：46-50.

[3] 張素心.汽輪機技術的發展與前景[J].上海汽輪機，2002，04：1-6.

[4] 王美玉，汪洋.大功率核電汽輪機的技術發展[J].汽輪機技術，1995，04：210-214.