汽轮机设备及运行讲义(全部)

汽轮机设备及运行讲义 49

第五章 汽轮机的调节系统

第一节 概 述

一、汽轮机调节系统的任务

由于电力用户的用电量是随时变化的，且工频电能又不能储存。因此，发电厂汽轮机的功率，只能随用户用电量的多少而定，即汽轮发电机组应能及时地调整它所供的功率，以适应用户用电量的变化。电力生产除应保证供电的数量外，还应保证供电的质量。供电的质量指标主要有：一是频率；二是电压。这两者都与汽轮机转速有一定的关系。发电电压除了与汽轮机转速有关外，还可以通过调整励磁机来进行调节，而发电频率直接取决于汽轮机的转速，转速越高发电频率就越高，反之则越低。对于具有一对磁极，工作转速为3000r／min的发电机组，其发电频率为：

f=发电机每分钟转数/60 显然，在额定转速下运行时，发电频率是50HZ。通常要求电网周波的变动小于土 0.5Hz，亦即转速的波动不允许超过土 30r／min。供电频率的过高或过低，不仅影响用户的生产，而且也影响发电厂本身的安全和经济运行。所以汽轮机调节系统的任务，一方面是供应用户足够的电量，及时调节汽轮机的功率以满足用户的需要；另一方面又要使汽轮机的转速始终保持在规定范围内，从而使发电频率维持在规定的范围内。以上两项任务不是孤立的，而是有机地联系在一起。汽轮发电机组在运行中其转子上受到的力短有三个：一是汽轮机的主力矩；二是发电机的电磁阻力矩；三是摩擦力矩。由于摩擦力矩与汽轮机的蒸汽主力矩、发电机的电磁阻力矩相比非常小，常可忽略不计。当功率平衡时，转速维持恒定。当用户用电量减少时，反力短相应减少，如果主力矩仍保持不变，转子的角速度增加，发电频率也随之增加；反之，当用户用电量增加时，转子的角速度将减，电频率降低。由此可见，汽轮机转速的变化与汽轮机的输入、输出功率不平衡有着极其密切的关系，只要维持汽轮机输入、输出功率平衡，就能保持其转速的稳定。汽轮机的调节系统就是根据这个基本原理设计而成的，它能够感受汽轮机转速的变化，并根据此转速变化控制调节阀的开度，使汽轮机的输入和输出功率重新平衡，。并使转速保持在规定的范围内，从而使汽轮发电机组的发电频率保持在规定的范围内。

二、汽轮机调节系统的组成

汽轮机的调节系统按其调节阀动作时所需能量的供应来源可分为直接调节和间接调节两大类。

1．直接调节

图5-1就是根据上述原理设计的、最简单的自动调节系统示意图。它是由转速感受装置1、传动放大装置2和执行装置3三部分组成。转速感受装置是由两个重锤组成的离心式调速器，当汽轮机负荷瞬间降低时，转速升高，调速器的重锤离心力增大，因而向两侧拉开，带动滑环向上移动，通过杠杆的传递，、使执行装置调节阀阀杆向下移动，关小调节阀，减小汽轮机所供的功率，，直至与负荷重新平衡为止；汽轮机负荷增加时其动作相反。在设计中，固定杠杆支点的位置，将影响滑环位移与阀杆位移的比值，这个比值称为放大比。支点左移，放大比增大；支点右移，放大比减小。可见，杠杆除了具有传递位移信号的功能外，还具有位移信号的放大作用，因而称其为传动放大装置。在这种调节系统中，由于调节阀动作所需的能量是直接由转速感受装置通过杠杆供给的，所以称为直接调节。由于杠杆尺寸不能作的很大，所以它对调速器输出信号能量的放大有限，因此它的执行能量有限，只能用在50kw以下的小功率汽轮机上。

2．间接调节

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功率稍大一些的汽轮机，由于调节阀尺寸的增大和蒸汽参数的提高，开启调节阀所需要的提升力也随之增加。因此，一般需要在调速器滑环位移信号的后面加装一级或几级能量放大装置，这种调节系统称为间接调节系统。

图5－l直接调节示意图 图5—2间接调节示意图

l一感受装置；2一传动装置；3一执行装置 l一调速器；2一滑阀；3一油动机；

4—杠杆；5一调节阀

图5-2是一种最简单的具有一级放大的间接调节系统。在这个系统里，调速器滑环A所带动的不是调节阀，而是一个断流式滑阀（又称错油门）当负荷降低转速升高时，滑环A上移，带动杠杆AC以C点为暂时支点逆时针方向转动，则则B点上移，从而带动滑阀活塞上移，使滑阀上油口和油动机上油日接通，并接通主油泵来的庄力油，油动机下油日与滑阀下油口接通并接通泄油，而油动机活塞在上、下油压差的推动下向下移动，关小调节阀。在油动机活塞下移的同时，杠杆AC又以A点为支点逆时针方向转动，带动B点下移。使滑阀活塞回复至中间位置。这时汽轮机实现了新的功率平衡，调节系统达到了新的稳定状态，调节过程至此结束。当负荷增大、转速降低时，调节系统的动作方向与上述相反。

在上述系统中，油动机活塞的位移是由滑阀活塞的位移引起的，而油动机活塞的位移反过来又影响着滑阀活塞的位移，这种作用就是自动调节原理中所讲的反馈。这里反馈作用的结果是使滑阀活塞的移动方向与原来的移动方向相反，这种反馈称为负反馈。负反馈能促使调节系统稳定。如果没有油动机活塞对滑阀的负反馈作用，油动机活塞由于运动惯性等作用会出现上、下摆动，这种现象在自动调节原理中称为“动态不稳定”。动态不稳定的调节系统是不能保证汽轮机正常工作的，所以负反馈是汽轮机调节系统中不可缺少的组成部分。

三、国产典型凝汽式汽轮机调节系统

1．具有高速弹簧片调速器的液压调节系

图5－3所示，就是这种调节系统的示意图，该系统是哈尔滨汽轮机厂的典型产品。它以高速弹性调速器 作为转速感受机构，使转速信号转变为调速器挡油板（也称调速块）

的位移信号。当外界负荷增加转速 图5－3具有高速弹簧片调速器的液压调节系统 降低时，调速器1重块的离心力减 l一调速器；2一差动活塞；3调速滑阀活塞；。 小，由于弹簧拉力大于重块的离心 4—滑阀；5一油动机；6一反馈滑阀

力，使弹簧片变形，中间的挡油板向左移动，减小了喷油间隙，使差动活塞（又称随动滑阀）

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2的右侧油压升高大于左侧油压。差动活塞向左移动，喷油间隙增大，活塞右侧油压减小，直至活塞左右两侧的作用力重新平衡为止。在差动活塞向左移动的同时，杠杆带动调速滑阀活塞3左移，关小控制油的泄油口，使控制油压Px升高，滑阀4向上移动，、使压力油经滑阀通入油动机5的下油腔，而油动机的上油、腔经滑阀接通排油，油动机活塞在上。下油压差的作用下，向上移动，通过杠杆及凸轮机构（图中未画出）开大调节阀。在油动机活塞上移的同时，通过固定在其活塞杆上的反馈斜槽和反馈滑轮，使反馈滑阀6向左移动，关小控制油店x的进油口，使控制油压Px降低，滑阀个下移又回复到中间位置，调节过程至此结束。调节系统在新的功率下重新处于稳定状态。当负荷降低时，调节系统的动作方向与上述相反。

2．具有径向钻孔油泵调速器的液压调节系统

图5－4所示，就是这种调节系统的示意图。该系统是东方汽轮机厂的典型产品，它利用径向钻孔泵作为转速变化的感受机构。当外界负荷降低转速升高时，与汽轮机主轴连接在一起的径向钻孔泵1的转速也同时升高，径向钻孔泵出口油压P1升高，推动压力变换器2的活塞向上移动，开大了控制油的泄油口，；从而降低了滑阀3底部的控制油压px，使滑阀活塞向下移动，压力油经滑阀进入油动机的上油腔，油动机的下油腔经滑阀接通泄油，油动机4的活塞在上、下油压差的作用下向下移动，关小调节阀。在油动机活塞下移的同时，与油动机活塞杆上的反馈斜槽相接触的反馈滑阀5，在其端都弹簧力的作用下向右移动，开大了控制油的进油口，使控制油压Px升高，滑阀上移重新回到中间位置，调节系统在新的功 率下重新处于稳定状态，当汽轮机负荷增加转速降低时，调节系统动作方向与上述相反。

图5－4具有径向钻孔调速油泵的液压调节系统

1一径向钻孔泵；2一压力变换器；3一滑阀；4一油动机；

5一反馈滑阀；6一超速限制滑阀；7－－启动动滑问

3．具有旋转阻尼调速器的液压调节系统

图5-5所示，就是这种调节系统的示意图。该系统是上海汽轮机厂的典型产品，它由主油泵、旋转阻尼调速器、放大器、继动器、滑阀油动机及调节阀等元件组成。从图可见，主油泵出口的压力油除了供调节系统作动力油外，还通往以下三处：一路经可调针形阀。；进入一次油压P1的油路，然后通往旋转阻尼，由径向阻尼管经轴心孔漏回前轴承箱；第二路 是压力油经过一个固定的节流孔a2节流后形成二次油压P2，二次油压通过放大器碟阀与二 次油室之间的间隙流出；第三路是压力油经过另一个固定的节流孔a3节流形成三次油P3，进人滑阀顶部，然后通过继动器活塞所控制的碟阀与滑阀4之间的间隙经滑阀中心孔流出。

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图5－5具有旋转阻尼调速器的液压调节系统

l一主油泵；2一旋转阻尼；3一放大器；4一滑阀；5一油动机；6一调节阀； 7一继动器； 8一静反馈弹簧； 9一动反馈弹簧；10一放大器平衡板； 11一主 同步器；12一辅助同步器；13一可调支点；14一固定支架；15一反馈杠杆

该系统以旋转阻尼作为转速感受机构，它将汽轮机的转速变化信号转变为油压信号的变化。当外界负荷增大机组转速降低时，旋转阻尼的阻尼管中的油柱产生的离心力减小，旋转阻尼的漏油量增加，一次油压P1降低。一次油压P1；经波纹筒作用在平衡板10上，由于P1降低，破坏了平衡板的力矩平衡，使之顺时针旋转，放大器碟阀B下移，关小了 二次油的泄油阀间隙S，二次油泄油量减少，二次油压P2升高，继动器活塞7下移，减小滑阀的顶部三次油的泄油面积，使三次油的泄油量减少，三次油压P3升高，滑阀下移，压力油进入油动机活塞下油腔，而油动机的上油腔接通排油，油动机活塞上移开大调节阀。在油动机活塞上移的同时，通过杠杆和弹簧使继动器活塞上移，开大三次油泄油间隙，增加三次油的泄油量，使三次油压降低，滑阀活塞在下部弹簧的作用下上移回复至中间位置，调节系统在新功率下重新处于稳定状态。当负荷减小转速升高时，调节系统动作方向与上述过程相反。。上述各种调节系统不论其形式如何，均由转速感受机构（如机械离心式调速器；径向钻孔泵。旋转阻尼等），传动放大机构（如杠杆、滑阀、油动机、放大器。压力变换器及反馈装置等）和执行机构（调节阀及其开启装置）三部分组成。另外，上述调节系统还有一共同的特点，即在平衡状态下高负荷时稳定转速较低，低负荷时稳定转速较高，这一特点是由系统的结构所决定的。例如间接调节，高负荷时，调节问5的开度大，C点的位置高，而稳定时滑阀2的活塞处于中间位置，即B点位置不变，由杠杆AC决定了滑环A应处于较低的位置上，即此时机组的稳定转速较低。相反，低负荷时机组的转速较高。用同样的方法分析其它几种调节系统，可以得出相同的结论。这种在稳态时，不同负荷下对应不同转速的调节称为有差调节。电站汽轮机采用有差调节是汽轮发电机组并列运行的需要。在运行中为保持发电频率在规定范围内，消除转速的这种静态偏差。需要在调节系统中增设同步器。