电厂汽轮机系统讲解「电厂汽轮机原理及系统」

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汽轮机的调节系统

一（是什么）汽轮机调节系统的概念

汽轮机是发电厂的原动机，驱动同步发电机旋转产生电能，向电网输送符合数量和供电品质（电压与频率）要求的电力。由同步发电机的运行特性可知，发电机的端电压决定于无功功率，而无功功率决定于发电机的励磁；电网的频率决定于有功功率，即决定于原动机的驱动功率。因此，电网的电压调节归发电机的励磁系统，频率调节归汽轮机的功率控制系统。这样，机组并网运行时，根据转速偏差改变调节汽门的开度，调节汽轮机的进汽量及焓降，改变发电机的有功功率，满足外界电负荷的变化要求。由于汽轮机调节系统是以机组转速为调节对象，故习惯上将汽轮机调节系统称为调速系统。

二（为什么）汽轮机调节系统的作用及任务（设置调节系统的意义）

1/作用

在外界负荷变化时，及时调节汽轮机功率，以满足用户用电量变化的需要，同时保证汽轮发电机组的工作转速在正常允许范围内（调整内功率，满足电力需要）

2/任务

（1）汽轮机独立运行，当工况发生变化时调节汽轮机的进汽量，使之转速保持在规定范围内；

（2）汽轮机并入电网运行，当电网周波变化时，调整汽轮机负荷，使之保持在规定范围内；

（3）对于带调节抽汽的汽轮机来说，当汽轮机工况发生变化时，调整抽汽压力在规定范围内。

3/汽轮机为什么要设调速系统

汽轮发电机的工作，是由蒸汽作用在汽轮机转子上的作用力矩M汽和发电机转子受到的负载反作用力矩M阻之间的平衡关系所决定的。当作用力与反作用力相等时，即M汽=M阻，汽轮发电机就处于等速转动的稳定工况。但外界用户的用电量是在不断变化的，即M阻是在不断变化的，所以汽轮机的进汽量也必须相应的改变，保证M汽=M阻。否则汽轮机的转速将随外界负荷发生大幅度变化，当外界负荷增加时，转速下降，外界负荷减少时，转速增加。所以，发出的电能电压与频率忽高忽低，这是绝对不允许的。为了保证电能质量和机组的运行安全，所有机组都必须装有调速系统，调节汽轮机的进汽量，以适应外界负荷的变化。

三（怎么样）调节系统的基本组成

1、 调速系统最基本的组成部分包括：（1）感受元件：调速器（或调压器）（2）传动放大机构：错油门，油动机（3）配汽机构：调速汽门及传动装置（4）反馈装置

2、 调速系统最基本组成部分的作用

（1） 感受元件：在发电机电热负荷变化时，感受到汽轮机的转速变化或抽汽压力变化，并将此变化转变成其他物理量变化。

（2） 传动放大机构：当汽轮机的转速发生变化时，调速器或调压器发出的位移和油压的变化信号值是很小的，而大容量机组中，调速汽门的自重及其受到的蒸汽作用力却比较大，因而用此信号直接操纵调速汽门是不可能的，需将信号加以放大后，再去控制调速汽门，这个任务则由传动放大机构来完成。

（3） 配汽机构：配汽机构包括传动装置和调速汽门，其作用是接受传动放大机构放大后的信号，使调节汽门开度变化，调节汽轮机的进汽量。

（4） 反馈装置：在调节过程中，当油动机活塞因错油门滑阀动作而动作时，又通过一定的装置反过来影响错油门滑阀的动作，使错油门滑阀回到中间位置。这种油动机对错油门的反作用称为反馈。

反馈是调节系统不可缺少的环节之一，因为只有反馈才能使调节过程较快的稳定下来，不致在调节过程中产生振荡，从而使调节系统具有很大的稳定性。

调节系统主要由转速感受机构、中间放大机构、油动机、配汽机构、同步器及启动装置组成，其原理性框图如图1所示。



图1 汽轮机调节保护系统原理性框图

图1

转速感受机构又称调速器，是将转子的转速信号转变成一次控制信号， 按照工作原理可分为机械式、液压式和电子式三大类。中间放大器对一次控制信号功率放大，并按调节目标做控制运算，产生油动机的控制信号。油动机是一种液压位置伺服马达，按中间放大器的控制信号产生带动配汽机构动作的驱动力，并达到预定的开度位置。配汽机构是将油动机的行程转变为各调节汽门的开度，通过配汽机构的非线性传递特性，汽轮机的进汽量与油动机行程间校正到近似线性关系。同步器作用于中间放大器，产生控制油动机行程的控制信号，单机运行时改变汽轮机的转速，并网运行时改变机组的功率;启动装置在机组启动时用于冲转，并提升转速至同步器动作转速。[1]

间接调节

图2中（a）为汽轮机直接调节系统示意图。当外界电负荷减小时，将使汽轮机转速升高，离心式调速器1的飞锤向外扩张，使滑环A向上移动，通过杠杆2关小调节阀，汽轮机的进汽量减小，汽轮发电机组发出的电功率也相应减小，从而与外界负荷建立起新的平衡；反之亦然。由此可知， 自动调节系统不仅能使机组转速保持在一定的范围内，而且还能使进汽量与功率相平衡。该系统的基本原理可用图2中（b）的方框图来表示。在上述调节系统中，调节阀是由调速器本身直接带动的，所以称为直接调节系统。

图2 直接调节系统的方框图与示意图

由于调速器的能量有限，--般难以直接带动汽轮机的调节阀，所以将调速器滑环的位移通过油动机从能量上加以放大后，间接带动汽轮机的调节阀，从而构成间接调节系统。图3中（a）是一种最简单的一级放大调节系统。利用调速器滑环带动错油门滑阀，再借助压力油的作用，使油动机带动调节阀。当外界电负荷减小，转速升高时，调速器滑环A向上移动，通过杠杆2带动错油门5的滑阀向上移动;此时，错油门的上油口与压力油相通，而下油口则与排油口相通，压力油进入油动机上油腔，而其下油腔与回油口相通，所以在油动机活塞上形成较大的压差，推动活塞向下移动，关小调节阀，减小汽轮机的进汽量，从而使机组功率与外界相适应；反之亦然。

当转速升高，调速器滑环带动错油门滑阀上移时，油动机活塞向下移动，而油动机活塞的位移又通过杠杆带动错油门滑阀向下移动；当错油门滑阀恢复到中间位置时，压力油不再与油动机相通，活塞停止运动，机组就达到了新的功率平衡，调节系统也达到了新的平衡状态。油动机活塞的运动是由错油门滑阀位移所引起的，而活塞位移反过来又影响错油门滑阀的位移，这种作用称为反馈，杠杆2称为反馈杠杆。由于油动机活塞对错油门滑阀的反馈作用与调速器滑环对错油门滑阀的作用是相反的，所以称为负反馈。图3中（b）为间接调节系统原理方框图。[1]



图3 间接调节系统示意图与方框图

四保护系统

机组运行中，一旦从电网中解列、甩去全部电负荷，汽轮机巨大的驱动力矩可使转子快速飞升，为防止超速毁机事故发生，要求调节汽门在极短的时间内全行程关闭。在事故工况下为有效切断汽轮机的蒸汽供给，还必须设置主汽门，即使调节汽门]关闭不快或关闭不严时，也能防止机组超速。此外，对低真空、低润滑油压、大胀差、高振动等危及机组安全的恶性故障， 发生时必须快速停机。因此， 汽轮机除设置调节系统外，还设置保护系统，调节保护 系统全称为控制系统。调节部分控制调节汽门，保护部分控制主汽门，但在主汽门关闭时，保护系统信号作用于调节系统，使调节汽门同时关闭。汽轮机调节保护系统原理性框图如图4。

图4 汽轮机调节保护系统原理示意图

对于不同的功率、不同形式的汽轮机，所设置的保护装置也不完全相同。汽轮机设置以下自动保护装置、超速保护装置、串轴保护装置、低油压保护装置以及低真空保护装置。

任务

(1)在外界负荷与机组功率相适应时，保持汽轮机稳定运行。

(2)当外界负荷发生变化或机组负荷变化时，汽轮机的调节系统能相应的改变汽轮机的功率， 使之与外界或机组负荷相适应，建立新的平衡，并保持汽轮机的工作转速在规定范围内。

(3)对于抽汽式汽轮机，当工况发生变化时，调整抽汽压力在规定范围内。汽轮机的调节系统，除接受汽轮机的转速变化信号外，还应接受被驱动机械所发的信号，即具有双脉冲调节装置。信号经放大，最后控制调节气阀的开度，改变进入汽轮机的蒸汽量， 以适应外界负荷或蒸汽状态的变化， 使汽轮机的转速保持在一定范围内。当机组转速增加时， 应迅速关小调节气阀;当机组转速减小时，则应迅速开大调节气阀，以建立新的平衡。调节系统还应满足工艺系统的要求，保证机组定转速运行和变转速运行。石油化工装置中的工业汽轮机，都是靠调节系统自动完成这一任务。[2]

要求

(1)调节系统应保证机组在额定的参数下，安全、平稳地满负荷至零负荷范围内运行。当参数和频率在允许范围内变动时，调节系统应能使机组平稳地在满负荷至零负荷范围内运行，保证汽轮发电机组能顺利地并网和解列。

(2)当主气阀全开和蒸汽参数在额定情况下，调节系统应能维持汽轮机在空负荷下稳定运行，转速不应有明显摆动;当负荷变化时，调节系统应能保证机组平稳地从一个工况过渡到另一工况，不发生较大的和长期的负荷摆动(摆动值不大于额定负荷的2% )。

(3)由满负荷突然降到空负荷时，能使汽轮机转速保持在危急保安器动作转速以下。

(4)同步器的工作范围，空负荷的转速应保证在额定转速的95% ~ 107%范围内，调节系统的速度变动率般在4% ~6%范围内；迟缓率应在0.5%以内。

(5)当危急保安装置动作后，应保证主气阀、调节气阀迅速关闭，主气阀的关闭时间应不大于1s。

(6)变速调节汽轮机的调节，除接受机组转速信号外，还应接受被驱动机械所发出的信号， 即应有双脉冲调节装置。[2]