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汽輪機調節系統

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汽輪機調節特性分析

1 汽輪機調節系統 -概述

無論採用何種形式的控制系統,汽輪機調節的基本任務依然是轉速控制與負荷控制,從五六十年代引入模擬電液調節系統以來這個基本任務就沒有明顯的變化。

2 汽輪機調節系統 -功能

 汽輪機是一種將熱能轉換成動能的旋轉機械。來自鍋爐的高壓蒸汽經主汽門和調節汽閥進入汽輪機,通過膨脹做功將能量傳遞給汽輪機轉子,帶動同步發電機進一步將動能轉換成電能。汽輪機的功率通常由位於第一級噴嘴前的調節汽閥來控制,假定調節汽閥前蒸汽參數為定值,排汽的背壓也維持不變,則汽輪機的功率大致與蒸汽流量成正比。

    現在我們來分析作用於汽輪發電機組轉子上的蒸汽力矩和發電機轉矩的關係,前者是主動力矩,後者是反動力矩,根據牛頓第二定律可列出下列方程式中: J—汽輪發電機組的轉動慣量(kg·m·s2)

       ω—轉子旋轉的角速率(s-1)

       MT—汽輪機的蒸汽力矩(kgf·m)

       MG—發電機的電磁轉矩(kgf·m)

    只有當MG = MT時,dω/dt=0,ω=常數,即汽輪機的主動力矩等於發電機的阻力矩時,汽輪發電機組才以穩定的轉速運轉。但兩個轉矩平衡的情況只是暫時的,在外界負荷改變時MG也將變化,另外MT也會受到一些參數的影響而變化。

發電機轉矩一般與轉速有關,以MG=f(n)表示,稱為發電機特性,它主要取決於外界負載的特性。例如,當發電機轉速(電網頻率)改變時,電網中電動機的轉速也隨之改變,對應於拖動水泵或風機的電動機,則其阻力轉矩與轉速的平方成正比;對於帶動金屬切削機床之類的電動機,其阻力轉矩與轉速的一次方成正比;對於電阻類負荷(如白熾燈),則阻力轉矩與轉速無關。這樣就可以用下式表示在各種負載下的發電機阻力轉矩曲線MT1和MG1的交點a即為汽輪機帶動發電機在轉速na時的一個穩定工況。這時,如果負載有變化,發電機轉矩特性改變到MG2 ,而汽輪機的進汽量保持不變,那麼新的平衡點為b,即汽輪發電機組以nb轉速穩定運轉。這說明,在這種情況下,從理論上講汽輪發電機組即使沒有自動調節系統,它也可以從一個穩定工況過渡到另一個穩定工況。這是因為汽輪機轉矩隨轉速增加而減少,發電機轉矩卻隨轉速增加而增加,當兩個增量的代數和為零時;即達到平衡狀態,這種情形稱為自平衡或自調整能力。但是,這種情況事實上是不允許的,因為對帶交流同步發電機的汽輪機來說,這種自平衡能力很小,因此汽輪機轉速變化很大,不僅會使機組發出的電能的頻率和電壓不能滿足用戶的要求,而且就汽輪機組的自身強度和效率來看也是不允許的。

為了減少轉速的波動,當外界負荷變化時,就應隨之改變汽輪機的進汽量。如繼續上述過程,將由調節系統來改變汽輪機的進汽量,即從曲線MT1變化到MT2 ,則曲線MT2和MG2的交點C即為新的平衡工況,此時的工作轉速nc與初始的轉速na相差不多,這就為機組設備所允許。上述過程說明了自動調節系統的功能,即用自動改變進汽量的手段使在轉速變化不大的條件下達到新的平衡,以適應外界負荷或蒸汽狀態的變化。

3 汽輪機調節系統 -實現

調節系統的任務就是改變汽輪機的蒸汽轉矩。實際採用的方法就是通過噴嘴調節、節流調節或滑壓運行等手段來改變進汽量或蒸汽的焓降而實現的。但是,不論採用何種方式來改變蒸汽轉矩,最終都需要調節系統的執行機構(油動機)來控制調節汽閥。

當外界負荷變動使汽輪機轉速也相應變動時,例如負荷減少,則轉速上升△n,離心式調速器飛錘的離心力也相應增加,克服彈簧的約束力,使滑環產生一個向上的位移△X,再經過槓桿的傳遞帶動錯油門上移△S,這時從主泵來的壓力油就進入油動機活塞的上部,而活塞下腔的油則排向回油管道,活塞在其上下油壓差的作用下向下移動,從而關小了調節汽閥,使汽輪機的蒸汽功率減少而與外界負荷相平衡。與此同時,由於槓桿的反饋作用,將錯油門下移△S,使錯油門回到套筒的中間位置。這樣,當油動機活塞上下的窗口均被錯油門的凸肩所封住時,油動機活塞和調節閥就停留在一個新的穩定位置上,整個機組就在一個比原來高出△n的新轉速下穩定運行。這就是常用的機械液壓轉速調節的基本原理。  現將組成調節系統的各部件以方框形式順序排列,再按各部件的輸入量和輸出量的關係,用直線聯接並以箭頭表示方向,如圖1-2中,這種方框圖是分析自動調節過程時經常採用的。因為它可以清晰地表明系統中各元件的功能和信號傳遞情況,並以數字形式將各部件的特性表達出來,進行分析研究,所以是很有用的方法。

4 汽輪機調節系統 -靜態特性

調節系統的主要功能是調節汽輪機的功率,使之與外界負荷相適應。描述汽輪機平衡工況下的工作特性,即汽輪機在同步器的不同位置時,穩定工況下功率與轉速的關係,通常稱為調節系統的靜態特性。對調節系統的靜態特性應該有一定的要求。

一、靜態特性曲線並列在電網中運行的機組,其轉速為電網的頻率所決定,不可能由一台機組自由改變。即使是某一台孤立運行的機組,也因用戶對供電質量的要求而不允許轉速有較大的變動。所以調節系統的靜態特性,一般是通過分部試驗或計算而間接求得的。

調節系統的特性取決於組成系統的各元件的特性,即調速器特性曲線,調速器到油動機的傳動放大機構特性曲線,以及調節汽閥升程與蒸汽流量、汽輪機功率之間的特性曲線。而這些特性在設計調節系統時是可以通過計算來確定的,並使其最終的靜態特性滿足要求。如果不滿足,就須修改某些元件的特性,以期獲得所需要的靜態特性,對於現有的汽輪機調節系統,如要測取其靜態特性,也是先測取其各部件的特性,然後再間接繪製而成。所以在試驗中即可判定各部件的特性是否符合要求。由於調節系統的靜態特性對汽輪機的運行(不論是單機運行還是併網運行)有著重要的意義,因此對它的曲線形狀及相應的指標有著嚴格的要求。

5 汽輪機調節系統 -不等率

 轉速調節系統的任務雖然是維持轉速的恆定,調節系統進行分析時不難發現,在汽輪機負荷變動後轉速仍會有一定的變化,當然,和沒有調節系統相比,變化的範圍要小得多。

在負荷變化時,在達到新的平衡狀態以後,轉速已有了一定的變化,或者說在擾動作用下,達到新的平衡狀態以後,被調節量會產生相應的變化,這種系統稱為有差調節系統。

除了個別情況以外,大多數汽輪發電機組的轉速調節系統都是有差系統。當汽輪機單機運行時,空負荷(N=0)轉速n1與滿負荷(N=N0)轉速n2之差與額定轉速n0比值的百分數稱為調節系統的轉速不等率(或稱不均勻度,速度變動率等),以符號δ表示,即 一般δ的範圍為3~6%,常用的為4.5~5.5%。

 帶基本負荷的汽輪機轉速不等率應比帶調峰負荷的取得大些,但是,所謂基本負荷與尖峰負荷也是相對的,它是隨網中單機功率的增大而變化的,因此,一般希望轉速不等率設計成連續可調的,即可根據運行情況調整。

實際上,靜態特性曲線並非是一條直線,通常也不要求為一直線,所以靜態特性曲線在不同的區段有不同的斜率。僅用總的平均轉速不等率δ是不能說明各負荷工況時的靜態穩定性的,δ只說明汽輪機從空負荷變到全負荷時的轉速變動值,是一個平均值。因此,需要引入局部轉速不等率的概念,所謂局部不等率,是指在靜態特性線的某一點i作一切線(圖1-4),此切線與N=0和N=N0線段的交點為1和2,則△ni=n1-n2,i點的局部不等率就等於△ni與額定轉速之比,即 ×100%。

在空負荷附近,靜特性的局部不等率大一些,可以提高機組在空負荷時的穩定性,以便於把機組併入電網。在額定負荷附近,提高不等率可以使機組穩定在經濟負荷附近運行,提高運行的經濟性。但是由於機組屬於基本負荷還是尖峰負荷的界限並不如此明確,而且兩頭局部不等率的加大,而總的不等率又基本固定,必然造成中間段不等率的減小,所以在額定負荷附近,通常不考慮增大靜特性的局部不等率。

6 汽輪機調節系統 -遲緩率

 在上面關於靜態特性曲線繪製過程的討論中,曾假定每個元件的靜特性都是一根線,因此求得的系統靜態特性曲線也是一根線。這樣求得的靜態特性僅僅是理想特性,實際上由於調節系統各元件間存在著摩擦力、間隙、重疊度等,而使多數元件的靜特性曲線的上下行線不能重合在一起,形成一條帶狀。例如,在調速器中有摩擦和間隙等存在,那麼當轉速變化時,只有克服摩擦力和走完間隙的距離后才會使滑環移動,所以就形成了bb及b'b'帶狀的調速器特性曲線。同理,當調速器滑環開始移動時,也需要克服傳動機構到油動機去的摩擦力、間隙以及錯油門重疊度等因素,從而使活塞移動時產生了滯后,因此也形成了cc和c'c'的傳動機構特性曲線。而油動機活塞的位移與功率的關係則一般不存在不靈敏現象,因此是一根線而不是帶狀。

遲緩率是調節系統的重要質量指標之一,遲緩率過大會引起調節系統擺動並使過渡過程惡化,造成甩負荷后不能維持空轉等缺陷,在調節系統設計過程中,應儘力設法減小各元件的不靈敏度,使調節系統的遲緩率到減小最低程度。目前,液壓調節系統可做到ε不大於0.2-0.5%,國際電工會議(IEC)定為ε=0.06%,採用電液調節系統后,可以達到或超過這個標準。

7 汽輪機調節系統 -同步器

 以上闡明了平移靜特性所起的作用,要實現靜特性的平移,對於類似於機械液壓調節系統,必須在調節系統中裝設同步器。其功能在於:當汽輪機功率從空載到滿載大幅度變化時,藉助同步器在不大的範圍內平移靜態特性曲線,以使機組轉速維持在額定轉速n0。同步器的範圍一般為額定轉速的-5%到+7%  (1) 靜態特性曲線a是同步器在最低位置下的特性線,在汽輪機空負荷時的轉速為2850rpm,即比額定轉速低5%,這是考慮到電網頻率低於50Hz的5%時,汽輪機在主汽門全開的條件下,用同步器控制轉速併網,故曲線a稱為同步器下限。

 (2) 由靜態特性曲線b平移到曲線c,表明汽輪機在電網頻率為50Hz的條件下,其功率從空負荷增加到滿負荷。

(3) 靜態特性曲線d表明,在汽輪機空負荷的轉速高於額定轉速n0的δ+(1~2)%時,應考到當汽輪機前蒸汽參數降低或電網頻率升高δ+(1~2)%時仍可發出滿負荷。

8 汽輪機調節系統 -動態特性

以上所說的靜態特性並不能完全反映一個調節系統的性能。一台機組所帶的負荷不會長時間固定不變,而總是或大或小,或快或慢地不斷變化著。即使負荷不變,由於存在著這樣或那樣的擾動,使調節部件和汽輪機參數處於不停的變化過程中。所以,不僅要知道工況穩定下來以後各參數之間的關係,更重要地是要分析從一個工況到另一個工況的過渡過程中各參數的變化規律,為了建立動態的概念,我們來分析一下圖1-2所示的系統甩負荷的過程。

假定機組原在滿負荷下運行,轉速為n0現在突然減去50%負荷,汽輪機轉速開始上升。因為汽輪機的轉子具有轉動慣量,轉速的增加不會象負荷減小那樣立即發生,而是有一個過程,即轉速的變化落後於負荷的變化,轉速的上升使壓力油進入活塞上腔去關小調節閥門,但高壓油進入油動機也有一個過程,它的活塞移動速度和滑閥套的油口開度成比例,即閥門開度的變化也要落後於滑環位置的變化。閥門關小后,由於閥門與汽輪機噴嘴之間有一個容積,在這個容積中儲存了一部分高壓蒸汽,閥門雖然已經關小了,但這個容積中的壓力卻一時降不下來,仍有較多的蒸汽進入汽輪機作功,轉子仍在剩餘扭矩作用下繼續升速,閥門進一步關小。直到轉速升高到nD(這個轉速要比圖1-3上靜態特性曲線上50%負荷所對應的轉速高很多,進入汽輪機的蒸汽量才與50%負荷相適應,轉速停止升高,但此時閥門已經關「過頭」了。由於容積中所儲存的多餘蒸汽量已經放完,而閥門的過關使進入的蒸汽量不足,轉子的轉速從nD開始下降,而這個轉速下降要求打開閥門的信號仍是層層落後,各個部件的動作仍不能協調一致,調門又有可能開過頭。不過,這個過開量比前面的過關量要小些,這樣來回反覆,振蕩的幅值逐漸衰減,最後轉速在n1值穩定下來,如圖1-10上曲線2所示。

 在過程中,轉子達到的最高轉速nD和穩態轉速n1的比值叫做超調量,它的數值大於1。對於一個較完善的調節系統,nD/n1的數值接近於1,過程結束得很快,如圖1-10中的曲線1。對一個較差或不符合要求的調節系統,nD/n1的比值較大,過程也拉得比較長,甚至可能有這種情況,轉速總是在n1附近大幅度擺動,穩定不下來(圖1-10上曲線3)。顯然,nD很大就會在汽輪機葉輪和葉片上產生過大的離心應力,轉速來回擺就會影響所發出的電的質量。這些都是我們所不希望的。

由此可見,對一個調節系統來說,除了靜態特性以外,十分重要的問題就是研究它的動態特性。如上所述,由於層層落後,調節系統各部件位移和汽輪機有關參數在過渡過程中偏離了靜態特性所給定的一一對應的關係,而是按其自己的規律,但又相互制約地各自變化。

在靜態時各元件和參數之間的一一對應關係可用代數方程來表達,但在動態過程時,這些關係就必須用微分方程來描述,要分析調節系統的動態特性,必須先推導出系統的數學模型即微分方程。組成調節系統的各環節,不論是機械的,液壓的,電氣的或是熱力的,都可用微分方程加以描述,對這些微分方程求解,就可以獲得調節系統對輸入量的動態響應。

9 汽輪機調節系統 -相關詞條

汽輪機調速系統汽輪機油系統
汽輪機控制系統汽輪機設備及系統



10 汽輪機調節系統 -參考資料

[1] 東方財富網 http://blog.eastmoney.com/ah_tlym/blog_480679.html
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