kaiyun体育网页版登录网页版 DEH控制系统概述及汽轮机调节原理！

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摘要：汽轮机机械液压控制系统在并网前后均为简单的转速比例控制，汽轮机数字电液控制系统DEH在并网前为转速PID无差控制，并网后可根据需要选择功率控制、压力控制、阀门控制及CCS配合，以满足不同运行工况的需要。通过仿真计算及实践经验得知，为提高动态调速品质，输入输出信号的延时时间要短，油马达的动态响应要快，且关闭时间要短。

关键词：DEH；汽轮机；控制系统

1DEH控制系统概述

1.1汽轮发电机组的控制对象

锅炉产生的过热蒸汽经高压主汽门、高压调节阀节流后进入汽缸，膨胀做功，​​使汽轮机叶片获得旋转的机械动力，叶片带动汽轮发电机组转子旋转，发电机切割磁力线所产生的电能通过电网输送给电力用户使用，如图1所示。

图1 DEH控制系统示意图

机组正常运行时，通常有多台发电机组接入当地电网，并联运行，为当地用电设备供电，大多数机组还远距离接入国家电网，以提高电网的稳定性和可靠性。

这里，汽轮发电机组的转子可以看作刚性的，蒸汽膨胀功产生的机械功率NT与发电机的电磁功率NG（有功功率）之差加上损耗功率NTW，都作用在机组的转子上，增加了转子的动能，转子运动方程为（1）。

其中：JT为转动惯量；ωT为角速度。

机械功率与汽轮机蒸汽质量流量和蒸汽进出焓降成正比，发电机电磁功率与功角（电枢感应电动势与母线电压之夹角）的正弦成正比，功率损耗与摩擦、爆炸等因素有关。

对公式（1）进行归一化后，可得到转子时间常数Ta，由公式（2）给出。

式中：ωe为额定角速度；NGe为额定功率。

汽轮机的机械功率与进入汽缸的蒸汽质量流量成正比，蒸汽入口流量由式（3）给出，因此可以通过改变调节阀的开度来控制单位功率。

式中：Pg为调节阀前蒸汽压力；Tg为调节阀前蒸汽温度；Vg为调节阀有效开度；Kg为流量系数。

在汽轮机暖机和提速启动阶段，汽轮机需要的蒸汽流量很小，需要开启旁路系统，保证锅炉的最小蒸汽流量，维持锅炉系统的稳定运行，利用旁路系统的压力反馈控制，维持蒸汽压力的稳定。蒸汽温度必须与汽轮机金属温度相匹配，以减少启动时的热应力。

机组正常运行时，旁路阀门全关闭，避免能量损失。机组发电需要及时跟随电网用电负荷的变化，保持稳定的供电频率，同时汽轮机的耗汽量也会随之变化，为保持稳定的蒸汽压力，蒸汽的蒸发速度也必须随之变化。

在某些特殊工况下（如减负荷等），必须迅速关闭进汽阀，防止汽轮机超速，必要时还要迅速全开旁路阀、锅炉PCV阀，甚至要打开锅炉安全阀，以防止锅炉超速，从而降低锅炉压力。

锅炉的燃烧、吸热和蒸发过程是一个具有较大惯性和滞后的环节，汽轮机用汽量突然增加，仅靠锅炉蒸汽和金属中储存的能量能够支撑很短的时间，此时蒸汽压力和温度就会迅速升高，锅炉控制系统应迅速增加燃料和供水量，使蒸发能力及时​​满足汽轮机的需要。为保持汽水系统稳定运行，必须设法限制汽轮机负荷的突然增加。

1.2 DEH控制策略

DEH控制器采集汽轮发电机组的转速、功率、压力信号作为调节系统的反馈，并与控制器产生的转速设定、功率设定、压力设定信号进行比较，经过阀门管理和伺服控制计算，调整调节阀的开度，使受控参数跟随给定值，满足机组启动和运行要求。在紧急情况下，保护跳闸逻辑迅速关闭主汽阀和调节阀，确保机组设备的安全。

启动提速阶段，油开关断开，DEH控制系统进入离网状态，DEH采用转速PID算法调节调节阀开度，控制进入汽缸的蒸汽产生的机械功率，克服汽轮机的功率损失，使机组转速上升到同步转速。

同步并网后，油开关闭合，DEH控制系统进入并网状态，DEH可采用多种控制方式（功率控制、压力控制、阀门控制、协调等），调节调节阀的开度，调节锅炉蒸发量、发电量，维持供电频率在额定值。

在并网发电阶段，机组转速与电网频率同步，并随电网总发电功率与电力负荷的差值而变化。在大电网中，由于单台机组的功率所占比例很小，对电网频率的影响也较小，因此，当改变汽轮机调节阀开度时，发电机功率将发生明显变化，而机组转速则几乎保持不变。在孤立小电网中，由于单台机组的功率所占比例很大，对电网频率的影响就很大，为了保持供电频率，即机组转速稳定，主要依靠汽轮机调速系统的一次、二次调频，使汽轮机输出功率及时跟随电网负荷的变化。

当电网突然断电时，OPC快关电磁阀需及时动作，迅速关闭调节阀，抑制最高转速，调节系统将机组转速稳定在额定值，尽快恢复供电。

2 汽轮机调节原理

2.1机械液压调节系统

汽轮机机械液压控制系统在启动及并网负荷期间采用转速比例控制，同步电机位置为给定转速与调速泵感测到的转速信号的差值云开APP·登录入口，经调速滑阀、中间滑阀放大后控制调节阀油马达的开度。调节阀有效开度乘以蒸汽压力即为蒸汽流量，在汽缸内膨胀做功，​​克服负载扭矩，带动转子旋转。如图2所示。

图2 机械液压调节系统简化框图

将机械液压控制系统与汽轮机被控对象结合起来，利用MATLAB仿真工具建立模型，进行仿真计算。假定蒸汽压力在额定值不变。设定参数：不等率δ=5%，调速滑阀时间常数T2=0.05s，中间滑阀时间常数T3=0.05s，油马达时间常数T4=0.5，1，2s，调速泵时间常数T1=0.01s，缸容积时间常数Tc=0.1s，转子时间常数Ta=8s，发动机阻尼系数CD=25，发动机功角积分时间Tr=0.0038s。当扰动很小的时候，滑阀、油马达等还没有达到极限值，仿真在平衡点附近，可以当作线性系统来模拟。级间油开关断开，1s内给定转速变化1%。机组转速响应曲线如图3所示，最高转速及调节时间如表1所示。

图3 机械液压调节系统给定转速1%阶跃曲线

表1 速度设定阶跃响应曲线数据表

并网阶段，油开关闭合，1s内给定转速变化0.5%，机组负荷响应曲线如图4所示，调节时间如表2所示。

图4 机械液压调节系统给定转速阶跃0.5%负载响应曲线

表2 转速设定步长0.5%负载响应曲线数据表

当扰动较大时，滑阀、油马达将达到极限值，在1s时油开关跳闸，甩掉100%负载，经过不同的延时时间Td=0.05~0.5s后OPC快关电磁阀动作，调节阀后余汽使转速升至最大值，之后转速按怠速曲线下降，OPC电磁阀复位后，在转速比例调节下，转速最终稳定在105%。机组转速升曲线如下图所示，如图5所示。最高转速及调节时间见表3。

图5 机械液压调节系统100%负载转速上升曲线

表3 速度上升曲线数据表

2.2 转速PID调节

DEH引入发电机主油开关信号，将系统分为离网状态和并网状态两种状态。在离网状态下，启动升速阶段，采用转速PID微分调节方法，实现对实际转速的精确控制。如图6所示。

当发电机实际处于并网状态，而DEH误判为离网状态时，在转速PID作用下，若电网频率高于50Hz，调节阀会逐渐关闭，反之则打开，系统不能稳定运行。

图6 速度PID调节系统简化框图

由于DEH为离散控制系统，从转速测量、主控单元逻辑运算到伺服控制输出的延迟时间对系统稳定性影响较大。

转速PID控制系统仿真计算。设定参数：放大倍数Kp=20，积分时间TI=10s，油马达时间常数T4=0.3s，转速测量时间常数T1=0.01s，输入输出延迟时间Tτ=0.05、0.1、0.2、0.25s，缸容积时间常数Tc=0.1s，转子时间常数Ta=8s。转速设定在1s内变化1%，机组转速响应曲线如图7所示。最高转速及调节时间见表4。

图7 速度PID控制系统给定速度1%阶跃曲线

表4 速度设定阶跃响应曲线数据表

1 s时油开关跳闸，甩出100%负荷，速闭电磁阀延时0.2 s动作，OPC电磁阀及时动作，调节阀全关，OPC电磁阀复位后，历时22.25 s首次达到额定值，最终转速稳定在额定值，待故障恢复后重新并网发电。机组转速上升曲线如图8所示，最高转速及调节时间见表5。

表5 速度设定阶跃响应曲线数据表

图8 DEH调节系统100%负荷转速上升曲线

2.3 阀门控制

在并网状态下，采用转速比例调节方式，形成机组功率随转速降低而增大的一次调频静态特性，以支持各机组的并联运行。在阀控方式下，给定转速与实际转速之差，经不等率放大后与给定阀位叠加，控制油马达的开度。如图9所示。

图9 阀门控制系统简化框图

阀门控制下的调节特性类似于机械液压系统，转速以不均匀的速率变化，对应于额定压力下空载和满载变化下的总阀位设定（流量指令），其静态特性曲线如图10所示。实际功率变化不仅与转速有关，还与蒸汽压力有关。如果锅炉储能较少，调节阀开度大，蒸汽压力降低，功率增量小，有利于锅炉保持压力稳定。但蒸汽压力的波动会引起机组功率的变化，而机组功率无法严格按照调度指令进行调节。阀门控制方式主要应用在孤岛电网环境中。

给定阀位信号可来自机、炉联动控制系统，方便机、炉联动控制。

图10 阀门控制方式调速静态特性图

2.4 电源频率调节

功率控制方式下，通过PID运算后利用给定功率与实际功率的偏差来控制液压马达的开度，稳定状态下单位功率等于给定值，为了维持电网频率的稳定，在给定功率下加入转速偏差进行校正，形成功率随转速升高而减小的一次调频静态特性。调节系统框图如图11所示。

图11 电源频率调节系统简化框图

孤立电网中当负荷增加时，机组转速会下降，应加大调节阀开度，当功率反馈信号检测到负荷增加时，调节阀开度会减小开yun体育官网入口登录苹果，为防止功率逆调节，通常设置时间常数为3秒的惯性环节。

给定功率信号可来自机炉协调控制系统，方便实现炉机协调控制。

稳定状态下，PID调节器的输入为0，实际功率等于给定功率加上调频修正量（只要油马达还未达到极限值），静态特性曲线如图12所示，实际功率NT与实际转速nT的静态关系可用公式（4）表示。

式中：NS为给定功率；nS为给定转速。

图12 工频调节静态特性图

功率变化只与转速有关，与蒸汽压力无关。如果锅炉储能不大，调节阀开度加大，蒸汽压力就会下降kaiyun体育app官网，而为了保证功率增量，调节阀开度也会加大，不利于维持锅炉压力稳定。汽轮机功率只能在锅炉或旁路系统投入自动压力模式时才能投入自动模式。引入功率反馈可以抑制蒸汽压力波动对机组功率的影响，严格按照调度指令调整机组功率。该功率控制方式主要应用于大电网环境。

2.5 压力调节

压力控制方式下，通过PID运算后，利用实际压力与给定压力的偏差来控制油马达的开度。若主汽压力升高，压力反馈系统打开调节阀，锅炉耗汽量增加，主汽压力降低。在达到稳定状态前，主汽压力等于给定值。DEH压力控制方式辅助锅炉控制系统维持汽压稳定。调节系统框图如图13所示。

图13 主蒸汽压力调节系统简化框图

给定压力信号可来自机、炉联动控制系统，方便实现机、炉的协调控制。

由于电压控制方式不具备转速比例调节功能，因此不允许在孤电网环境中使用。

消息来源：和利时