汽輪機升速控制系統(tǒng)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(tǒng)：轉(zhuǎn)速信號的采集處理和目標轉(zhuǎn)速，使汽輪機升速控制技術(shù)更完善。

關(guān)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(tǒng)復(fù)雜，升速控制的穩(wěn)定與否直接影響到整個汽輪發(fā)電機組的穩(wěn)定性，上個世紀汽輪機的轉(zhuǎn)速控制基本上都是由液壓調(diào)速系統(tǒng)構(gòu)成的，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在機組投運前的調(diào)試難度相當(dāng)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(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)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(dāng)?shù)母叨取?/p>

1、升速控制目前也有多種不同的方式，最終控制系統(tǒng)都將能把機組轉(zhuǎn)速控制在我們的目標轉(zhuǎn)速值上，其控制精度在千分之一以內(nèi)，按照國內(nèi)網(wǎng)頻50Hz計算，汽輪機的并網(wǎng)轉(zhuǎn)速也就是我們控制的目標轉(zhuǎn)速為3000r/min，實際上在機組參數(shù)穩(wěn)定后，我們的控制系統(tǒng)基本上可以把轉(zhuǎn)速控制在3000r/min±2r/min以內(nèi)。目前我們國內(nèi)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?nèi)匀豢梢钥紤]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(fā)電機組的轉(zhuǎn)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(wěn)的，不允許較大的波動，雖然我們在轉(zhuǎn)速閉還控制中做了相應(yīng)的處理，但是卻沒有從根本上解決問題，當(dāng)然這與系統(tǒng)本身的特性有很大的關(guān)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(tǒng)的可靠性和快速性，目前我們常規(guī)控制系統(tǒng)的控制周期一般的都是100ms，只有日立的控制系統(tǒng)的控制周期在30 ms以內(nèi)，因此，我們在1000MW等級的汽輪機控制系統(tǒng)選用了日立的系統(tǒng)，采用該系統(tǒng)，結(jié)合該系統(tǒng)的性能，我們在這轉(zhuǎn)速閉還控制的基礎(chǔ)上增加了加速度控制，該控制方式的優(yōu)點在于我們不僅僅只控制汽輪機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速接近目標轉(zhuǎn)速時，我們才切換到采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。

2、控制回路及控制功能

DEH 控制系統(tǒng)的控制回路及其功能，不僅僅局限于液壓轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的翻版，而是考慮到電廠綜合自動化對汽輪機調(diào)節(jié)的要求來進行設(shè)計的。此外，由于采用了微機控制裝置，在設(shè)計思想上應(yīng)盡量把對整個控制裝置（包括發(fā)訊器及執(zhí)行機構(gòu)）的運行狀態(tài)納入到微機的監(jiān)視范圍中?；谶@種考慮，在MACS DEH中設(shè)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(zhuǎn)速控制，頻率控制，功率控制（功控），調(diào)節(jié)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(zhuǎn)速控制回路。轉(zhuǎn)速控制回路中包括轉(zhuǎn)速目標值給定，轉(zhuǎn)速變化率給定，轉(zhuǎn)速參考值給定，轉(zhuǎn)速的PI調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速測量及三取二邏輯與相應(yīng)的邏輯回路，本回路承擔(dān)汽輪發(fā)電機組的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制任務(wù)。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(diào)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(diào)節(jié)器，一次調(diào)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(diào)節(jié)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(diào)節(jié)器。5）氣壓及真空保護控制回路。包括氣壓保護值設(shè)定PV及此設(shè)定值對實際氣壓P減去一常量PV 信號的跟蹤，即當(dāng)氣壓保護回路不投時PV 始終等于P -PV。氣壓保護PI調(diào)節(jié)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(shù)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(shè)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(tǒng)控制功能

大范圍轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制功能

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

3、轉(zhuǎn)速信號的采集處理

對于轉(zhuǎn)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(xiàn)場采用三個轉(zhuǎn)速探頭進行信號采集。通常在機組的前箱部分有一個與轉(zhuǎn)子連接在一起的測速齒盤，相應(yīng)的設(shè)計有安裝轉(zhuǎn)速探頭的測速支架，測速支架的作用即是固定轉(zhuǎn)速探頭。在安裝時一般都要求轉(zhuǎn)速探頭的端部距離測速齒盤齒頂?shù)木嚯x為0.8～1.2mm，如果距離過大，則感應(yīng)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(chǎn)生摩擦碰撞，使得測速元件損壞，因無法采集轉(zhuǎn)速信號而造成重大事故。轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速處理模件在轉(zhuǎn)速輸入時都有一定的門檻電壓值，而在低轉(zhuǎn)速時探頭感應(yīng)的電壓值是相當(dāng)?shù)偷模虼艘话阍诘娃D(zhuǎn)速時我們的轉(zhuǎn)速模件通常很難檢測到轉(zhuǎn)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(yīng)電壓經(jīng)過放大后再進入轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速，通常盤車轉(zhuǎn)速小于 4 r/min。而 1000MW 機組的盤車轉(zhuǎn)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(dāng)齒盤隨主軸轉(zhuǎn)動時，探頭的鐵芯與齒盤之間的間隙便不斷的變化，每經(jīng)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(yīng)出一個交變波形電勢，此感應(yīng)電勢即為測速探頭的輸出信號。

設(shè)齒盤齒數(shù)為 z，汽輪機軸的轉(zhuǎn)速為 n，則輸出信號的頻率為： 當(dāng)齒數(shù)一定時，頻率 f 與汽輪機的轉(zhuǎn)速 n 成正比。因此，只要測得頻率 f，就可以計算得出被測轉(zhuǎn)速 n。

對于轉(zhuǎn)速信號這種汽輪機控制中非常重要的信號，我們都設(shè)計為三重冗余的模式。

轉(zhuǎn)速信號進入控制系統(tǒng)后，需要進行邏輯三取二處理，同時進行信號質(zhì)量的檢測，最后輸出實際的汽輪機轉(zhuǎn)速同時給出轉(zhuǎn)速信號質(zhì)量的狀態(tài)。

4、結(jié)束語

汽輪機升速控制系統(tǒng)是一個重要的研究課題，它直接關(guān)系到機組的整體性能和效率的提高，計算機技術(shù)在電廠中的廣泛應(yīng)用，使汽輪機升速控制系統(tǒng)技術(shù)變得更為完善，從而實現(xiàn)對汽輪機的轉(zhuǎn)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(chǔ)。

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