汽轮机调节及保护系统

第五章 汽轮机调节及保护系统

第一节 汽轮机调节的基本原理

一、调节系统的基本任务

由于交流电能不能大量储存，而用户的用电量随时都在变化，从而要求汽轮发电机组能随时根据用户的电量需要调节负荷的大小，以保证供电数量和供电质量。供电质量的标准是电压、频率。电压的高低除了与机组转速有关，还可通过发电机励磁电流的大小来调节，供电频率只取决于机组转速。在我国统一采用50Hz的供电频率。对于火力发电机一般采用一对磁极，频率与转速的关系为：

f=n/60 式1

式中n为机组每分钟转速。 在汽轮发电机正常工作时，转子上主要受到两个转矩的作用，见图5－1。一个是驱动转子转动的驱动力转矩，其值取决于蒸汽流量，进排汽参数。另一个

１２M2是作用于发电机转子上的制动力转矩，其值的大小取决于发电机电量的大小。当汽轮机的功率与发电机外界负荷相适应时，M11－汽轮机2－发电机机组在额定转速下运行，称为稳定工况。当外界用电负荷增加时，若进入汽轮机的 图5－1 作用在转子上的作用力蒸汽流量不变，则制动力矩增大，而驱动转矩不变，从而驱动转矩小于制动转矩，机组转数下降。反之，外界用电负荷减小而汽轮机的进汽量未变，从而制动转矩小于驱动转矩，机组转数上升，使供电数量和质量均受到影响。

汽轮机调节系统的任务就是根据外界负荷的变化及时调节汽轮机的功率，在保证供电数量满足需要的同时，维持机组转速在额定范围内，从而保证供电质量和机组安全。

二、调节系统的组成机构

汽轮机的调节系统，均可分成以下三个组成机构，即： 1、转速感应机构。

如小机的旋转阻尼、大机的磁阻发送器。它们的作用是感应汽轮机转速的改变，并将其转换成其他物理信号。其输入的是转速变化信号，输出都是油压或电

信号。

2、传动放大机构。

如伺服阀、油动机等，它们的作用是进行信号的传递、转换、放大及信号的反馈。其输入信号为感应机构的输出信号；输出信号为油动机的位移。

3、执行机构

是指调节汽阀及其与油动机活塞间的连接装置，它们的作用是调整进入汽轮机的蒸汽流量，以适宜外界负荷的变化要求。其输入信号为油动机的位移信号，输出信号为调节汽阀的开度变化量。

三、调节系统静态特性

在稳定工况下，汽轮机功率与转速之间的对应关系称为调节系统的静态特性，如图5－2所示。它由转速感应机构、传动放大机构、执行机构的静态特性决定。

1、速度变动率和迟缓率 根据调节系统的静态特性，在稳定状态下，汽轮机空负荷时转速nmax 差值与额定转速n０ 相比值称为调节系统的速度变功率δ，即δ＝（nmax －nmin ）×100%/n０

nnmaxnmin0pp。速度变动率对汽轮机运行有较大的影响，速度变动图5－2 调节系统静态特性曲线率过小时，调节系统表现过于灵敏，电网频率的较小变化，便可使机组负荷产生较大的变化，机组运行稳定性差，反之，速度变动率大，调节系统工作稳定，但机组甩负荷动态性能差。

由于调节系统的各机构中存在着摩擦、间隙等使调节系统的动作出现迟缓。在同一功率下，转速上升过程的静态特性曲线与转速下降过程中的静态特性曲线之间的转速差与额定转速之比的百分数称为调节系统的迟缓率ε，即ε=Δn/n0×100%。迟缓率的存在延长了调节系统的动作时间，对机组运行十分不利，一般要求迟缓率不超过0.2％。

2、一次调频和二次调频

在电网并列运行的机组当外界负荷变化引起电网频率改变时，网内各运行机组的调节系统将根据各自的静态特性改变机组的功率，以适应外界负荷变化的需

要，这种由调节系统自动调节功率，以减小电网频率改变幅度的方法，称为一次调频。

如图5－3所示的两个机组，其速度变动nnI号机ΔnII号机率分别为δ１和δ

２

，且δ１＞δ

２

。当外界负荷增加Δp时，网内两台机组的转速都由 n０ 降低了Δn，两机组按各自的静态特性动作。Ⅰ号机功率增加了Δp1，Ⅱ号机功率增加了Δp２

p1Δp1p1'pp2p'2pΔp2，且Δp1＋Δp２ ＝Δp满足了外界负荷的需图5－3 并列运行机组负荷分配要。这说明：在电网负荷变动时，速度变动率越大的机组，负荷变化越小，速度变动率越小的机组，负荷变化越大。同时我们不难看出经过一次调频后，虽然满足了外界负荷的需要，但机组的工作转速却发生了变化，即供电质量变差，这也就产生了一次调频基础上的二次调频。即在负荷不变的情况下，通过平移静态特性曲线使机组的转速工作于额定转速，以保证电网频率不变，同时还可实现负荷的重新分配。如图5－3二次调频是当经过一次调频后，Ⅰ号机工作于状态点１′，Ⅱ号机工作于状态点２′，它们的工作转速n1 都低于额定转速n０。此时进行二次调频，将Ⅰ号机的静态特性曲线平移到aa′，使Ⅰ号机调门开大，功率增加Δp２ ，转速上升至n０，电网频率升至f０ ， Ⅱ号机随着电网频率的升高，又进行了一次调频，使功率减小了Δp２，也就说明这时Ⅰ号机承担了全部负荷的变化，并使电网频率恢复至额定值。

通过以上的分析我们可以看出，一次调频是一种有差调节，不能维持电网频率不变，只能缓和电网频率的改变程度。所以我们增减某些机组的负荷，以恢复电网的频率，这一过程称为二次调频。二次调频的实现方法有以下两种：

1）电网调频由中心调度所调度员根据负荷潮流及电网频率，给各厂下达负荷调整命令，由各发电单位进行调整，实现全网的二次调频。

2）采用自动控制系统（AGC），由计算机（电脑调度员）对各厂机组进行遥控，来实现调频全过程，参与该系统的各机组必须具有几路协调控制系统。 四、调节系统动态特性

当受到某种扰动时，调节系统的稳定状态被打破，经过调整后到另一个

状态下稳定下来，不同的调节系统从一个稳态到另一个稳态的过渡过程和时间都不相同。将调节系统从一个稳定状态过渡到另一个稳定状态过程中所呈现的特性，称为调节系统的动态特性。动态过程中汽轮机转速与时间的关系曲线，称为调节系统动态特性曲线。

1、动态性能品质指标

调节系统动态性能品质好坏主要依据以下三个指标： １）稳定性

当运行机组在受到干扰而离开平衡状态后，经过调节系统调整能够回到新的原来的平衡状态，则认为调节系统是动态稳定的。图5－4为汽轮机甩全负荷时，具有不同动态性能的调节系统转速随时间变化的动态过程线，图A的三条动态过程线，其转速最终都能稳定于n1=(1+δ)no，为稳定的调节系统。图B的三条动态过程线，其转速随时间的增大，或沿着做不衰减的谐振（曲线4），或转速振动幅度随时间增大（曲线5），或甩负荷后转速一直上升（曲线6），这些过程为不稳定的动态过程，其调节系统为不稳定调节系统。 nn32φ(最大）nn6451∞）＝φ（δ0(a)t0(b)t图5－4 汽轮机甩全负荷动态过程 ２）超调量 在机组甩负荷过程中，最高转数与最后稳定转速之差，称为转速的超调量。 Δnmax＝nmax－n1＝nmax－（1＋δ）n0 汽轮机甩负荷后的最高转速nmax应低于超速保护装置的动作转速，且留有3％左右的裕度。显然甩全荷时最高转速越低动态性能品质越好。

３）过渡时间

调节系统受到扰动后，从原稳定状态过渡到新的稳定状态所需时间称为