1、1,第 六 章,汽轮机自动调节,2,7.1 汽轮机自动调节和保护的基本原理 一、汽轮机自动调节系统的概念： 汽轮机为什么必需具备自动调节系统？ 电能不能大量储存； 火电厂发出的电力必须随时满足用户要求，即在数量、质量要求同时满足用户要求。,3,（1）数量要求：用户对发电量的要求。这就是要求电力负荷根据用户要求来调整发电大小，以满足用户要求。 （2）供电质量要求：供电质量就是指频率和电压。其中，电压可以通过变压器解决。电网频率则直接取决于汽轮机的转速。转速高则频率高，转速低则频率低。,4,（3）火电厂自身安全的需要：汽轮发电机组工作时， 转子、叶轮、叶片等承受很大的离心力，而且离心力与转速的平方
2、成正比。转速增加，离心力将迅速增加。当转速超过一定限度时就会使部件破坏，出大事故。,5,1、自动调节的任务：（1）满足用户足够的电力（数量、质量）；（2）保证汽轮发电机组始终在额定转速左右运行。* * 除了调速系统之外，汽轮机组还必须具有保护系统（超速保护、轴向位移保护等）。,6,改变汽轮发电机组电功率的途径汽轮机的进汽参数和排汽压力不变时根据外界电负荷，增大（或减小），调整汽轮机的进汽量的多少。 若外界负荷变化时，汽轮机的进汽量不作相应的变化，那么汽轮机则通过改变转速来适应负荷的变化，这就是汽轮机的自调节性能。,7,3、汽轮发电机组转速变化规律：作用在汽轮机转子上的力矩有：蒸汽主力矩Mt发电
3、机的反力矩Me摩擦力矩Mf（此力矩较小）,8,4、调速系统的功能：主力矩和发电机反力矩随转速的变化如图所示： 当转速n增加时，蒸汽主力矩减小，发电机反力矩增加；当转速n减小时，蒸汽主力矩增加，发电机反力矩减小。 A点是两力矩平衡状态点：曲线1、2之交点。,9,只依靠自调节性能，汽轮机的转速发生很大的变化，尤其甩负荷时，转速最大，将发生严重事故； 另外，不能保证供电质量，即电频率和电压的稳定，还会使发电机组并列困难。 汽轮机的自调节性能不能满足运行要求。要安装自动调节系统。,10,调节系统的任务是： 当外界电负荷改变，汽轮机转速有一很小变化时，自动改变进汽量，使发出的功率与外界电负荷相适应，且保
4、证调节后机组转速的偏差不超过规定的小范围。 我供电频率波动范围为 对应汽轮机的转速范围为 频率误差0.4% 电压误差6% 供电频率的允许误差为：电网装机容量在300万及以上的，为0.2%HZ;电网装机容量在300万一下的，为0.5%HZ。在电力系统非正常状况下，供电频率允许误差不应超过1.0%HZ 。,11,运行对调速系统的要求 1，调速系统应能保证：当蒸汽参数和电网频率在允许范围内变化时，机组能从满负荷到空负荷范围内稳定运行，并保证机组能顺利地并网和解列； 2，当负荷变化时，调速系统应能保证机组从一稳定工况安全地过度到另一稳定工况，而不发生较大的长期的负荷摆动； 3，为了保证机组稳定运行，各
5、种因素引起的负荷摆动应在允许范围内； 4，当机组突然甩电负荷时，调速系统应能保证机组转速最大升高值小于超速保护装置动作转速。,12,2、直接调节和间接调节直接调节： 调节汽门由调速器本身直接带动。,13,间接调节： 将调速器的能量进行放大后去开启调节汽门的系统。下图：简单的一级放大间接调节系统,14,15,3，间接调节的工作原理：当外界负荷N减少，机组转速n升高，调速器飞锤向外扩张，滑环A上移，杠杆ABC以C点为支点带动滑阀B点上移，高压油通过滑阀油口进入油动机上油室，油动机下油室与排油Pn相通，活塞下移，关小调节阀5，减小进汽量，机组功率减小。同时，杠杆以A点为支点带动滑阀B点下移，滑阀回中
6、，切断窗口，高压油停止流动。调速系统达到新的平衡状态。 当外界负荷N增加时，机组转速n下降，调速系统各部套调节过程相同，而动作方向相反。,16,反馈、负反馈：油动机活塞运动使错油门滑阀恢复剧中的位置，称为反馈；由于其反馈作用与调速其作用相反，所以称其为负反馈。 3、速度调节和功率调节 以汽轮机转速变化控制调节汽门开度，称速度调节系统； 图6.1.1和图6.1.2所示的直接和间接调节都是以汽轮机的转速作为调节信号，来控制调节汽门的开度。 功频电液调节系统以频率和功率信号控制汽门开度，称功率调节；,17,4、有差调节和无差调节 图6.1.2(a)可以看出，在调节过程结束，调节系统处于稳定状态时，错
7、油门滑阀必处于居中位置，调速器的滑环也必处于与油动机活塞位置相应的另一位置，汽轮机的转速发生改变，不同的负荷对应不同的转速，只是转速的变动较小，这种调节是有差调节。 有差调节中采用刚性反馈，只要油动机活塞位置一定，就有一定的反馈量，而且不随时间的变化而变化。,18,有差调节,19,弹性反馈：反馈作用只发生在油动机活塞最初运动阶段，当调节过程结束后，反馈作用也就消失，称为弹性反馈， 采用弹性反馈可以做到无差调节。 可以保证转速不变，一般用于调压系统中。 下面是无差调节示意图。,20,21,二、调节系统的静态特性1 (一)、静态特性曲线及四方图 在稳定状态下，汽轮机的功率与转速之间的关系，称为调节
8、系统的静态特性；图6.1.5。,22,第一象限静态特性曲线； 第二象限调速器的特性曲线，转速与调速器滑环位移； 第三象限传递特性曲线，调速器滑环位移与油动机活塞行程； 第四象限配汽机构特性曲线，油动机活塞行程与功率。,23,调速系统的四象限图,24,（二）转速变动率1转速变动率的定义 当汽轮机单机运行，电功率从零增加到额定值时，转速相应从n1变到n2，转速的改变值n=n1-n2与额定转速之比的百分数称为调节系统的速度变动率（或称为转速不等率）。即,25,2转速变动率对一次调频的影响,26,电负荷改变引起电网频率变化时，电网中并列运行的各台机组均自动地根据自身的静态特性线承担一定负荷的变化以减少
9、电网频率的改变，这种调节过程称为一次调频 3局部转速变动率,27,28,(二)、速度变动率 对应于汽轮机不同的功率，即使安装了调节系统，机组功率增大，转速将减小。也就是调节系统的静态特性曲线是向右下方倾斜的。 汽轮机空负荷所对应的最大转速 与额定负荷对应的最小转速 之差，与额定转速 之比，称为调节系统的速度变动率 ，或称为速度不等率。即 ：,29,带尖峰负荷的机组，要求其静态特性曲线平一些，以使机组能承担较大的负荷变动，一般 ，速度变动率不可过小，否则，速度变化很小，但负荷变化很大，进汽量变化很大，机组零件的受力、应力变化大，可能损坏零件，极限情况 ，引起负荷晃动；,30,带基本负荷的机组，不
10、希望机组负荷有较大的变动，要求静态特性曲线陡一些，即速度变动率大一些，使机组的负荷变化很小，一般 。速度变动率不可过大，否则引起甩负荷超速； 一般机组，速度变动率一般取 。 以上是机组从空负荷到满负荷时的速度变动率。,31,甩负荷时转速飞升曲线,32,实际调节系统的静态特性曲线不是一根直线，机组在不同负荷下有不同的速度变动率局部速度变动率：不能太小，不能突变。,33,速度变动率对并列运行机组的负荷分配的影响：是根据它们各自的速度变动率进行的， 越大，分配给该机组的负荷越小，(指百分数，而不是绝对值，绝对值的大小与机组容量成正比)，越小的机组承担较大的负荷变动。,34,考虑调节系统的阻力或相当于
11、阻力作用的因素.原因：调节部套间有摩擦力；传动机构件铰链处有间隙；滑阀油口有盖度；工质有粘滞力。,35,(三)、迟缓率： 考虑调节系统的阻力或相当于阻力作用的因素。调解系统的静态特性曲线将发生变化。它将不再是一根，而是一个带状区域。如图6.1.10中两条虚线所示。 升速过程和降速过程各有一根静态特性曲线，不相重合，形成一条带状，它表示该调节系统阻力的大小，用迟缓率表示。 机组在同一功率下的最高转速与最低转速之差，与额定转速之比，称为迟缓率；,36,调节系统迟缓的产生,37,迟缓率过大会引起调节系统晃动，因此，迟缓率越小越好。 单机运行时，迟缓率的存在将会引起机组转速的自振，因很小，因此迟缓率的
12、存在对转速自振的影响是不大的。,38,多台汽轮机在电网中并列运行时，机组的转速决定于电网的频率，基本保持不变，因此，迟缓率的存在将会引起机组功率在较大的范围内晃动。越大，功率的晃动范围越大，如图6.1.11(b)所示。,39,机组功率的晃动量：因此在机组并列运行时，不仅要求 较小，而且希望 不要太小。,40,(四)、特性曲线的平移同步器 1、单机运行时 一次调频：根据外界负荷变化的需要，汽轮机调节系统按其静态特性自动地承担一定的负荷以减少电网频率的改变。特点：功率变化，转速变化。不能满足供电频率不变的要求。 二次调频：功率变化，转速变化，通通过移动静态特性曲线，保证转速不变。,41,同步器-静
13、态特性曲线的平移 操作同步器，可使汽轮机在同一转速下有不同的功率，或者是在同一功率下有不同的转速。,42,2、并列运行的机组 电网频率一定，并列运行机组已承担的负荷也就不可能变化，这样不符合要求。需要有一个能平移静态特性曲线的装置，就可以在并列运行的汽轮机组之间进行负荷的重新分配 。,43,3、机组启动时，可以用同步器改变进汽量以增加转速，使之从0转速上升到额定转速-同步。,44,这种平移调节系统静态特性曲线的装置称为同步器。 作用： 1) 汽轮机在单机运行时，确保在任何负荷下保持转速不变； 2) 汽轮机在并列运行时，在各机组间进行负荷重新分配，保持机组转速不变；,45,静态特性曲线变成一簇。
14、 调节系统静态特性曲线的平移可以通过平移调速器特性曲线或传递特性曲线来实现，称为第一类同步器或第二类同步器。 图6.1.15所示为辅助弹簧同步器，平移的是调速器特性曲线，属第一类同步器。 调速器的弹簧有两个主弹簧、辅助弹簧。,46,平移调速器的静态特性曲线,如图a，调速器飞锤离心力与弹簧a b的弹力相平衡。当转速不变时，可以改变b弹簧的预紧力而改变调速器滑环的位置A，使调节阀开度改变。相反，当转速增加或者减少时，可以用同步器使调速器滑环位置A不变。这就是说，同步器可以上下平移调速器的静态特性曲线（图b）。,47,平移放大机构的静态特性曲线,如图是高速弹性调速汽调节系统。当转速 一定时，随动滑阀
15、位置一定。当用同步器通过杠杆改变调速器滑阀位置时，改变了油口 开度，使控制油压 改变，油动机位置变化，即用同步器平移放大机构的静态特性曲线（b）。,48,(五)、汽轮机运行对调节系统静态特性的要求： 调节系统静态特性应满足的要求：速度变动率、迟缓率、静态特性曲线形状、调速器的调节范围。 1. 静态特性曲线的形状 连续、平滑，不应有跳跃或突变点，以防止机组负荷在该处的突然变动。 静态特性曲线还应连续向功率增加的方向向下倾斜，不允许有水平段， 除此以外，要求静态特性曲线在零负荷、低负荷及满负荷处较陡，,49,静态特性曲线的合理形状,50,因为： 1) 并列容易；转速稳定 2) 低负荷区负荷变动较小
16、；即使电网频率变化，机组负荷变动较小 3) 满负荷时不会过载；电网频率降低时，机组不会带上过大负荷。 中间部位较平坦，合理的静态特性曲线的形状如图6.1.17所示。,51,2、同步器的调节范围：,同步器的调节范围是指操作同步器能使调节系统静态特性线平行移动的范围。 （1）同步器调节的最小范围： 图6.1.18的AA-BB之间。 为了满足在额定参数、额定转速下机组能从满负荷到0负荷稳定运行，同步器的工作范围至少是等于调速系统所控制的转速范围。,52,（2）、静态特性曲线的下限位置： 1)应能保证在电网频率下降2.5% 2)初参数上升、真空提高时，能使机组减负荷到零。,53,（3）上限位置： 1）
17、应能保证在电网频率升高 2）初参数偏低、真空降低、时，能使机组带满负荷；,54,三、调节系统的动态特性 (一) 动态特性的概念： 稳定过程：非周期过程a，微振过渡过程b、振荡过渡过程c； 非稳定过程：等幅振荡d、发散振荡e，一直飞升f；,55,(二)、对调节系统动态特性的要求 1、稳定性： 稳定性判别式、稳定裕度 2、动态超调量（精确性） 被调量（转速）的动态超调量：为被调量的最大动态相对值，即汽轮机最大飞升转速的相对值， 一般超速保险的动作转速为(110%112%)，因此 79或 4080(取 5),56,、静态偏差值 在汽轮机转速调节系统中，有差调节系统的静态偏差值如图6.1.20所示。,
18、57,4、过渡过程的调整时间 从调节过程开始到被调量满足下列不等式的最短时间称为过渡过程的调整时间。为一个给定的转速微小偏差， 为经时间 后的转速相对值。,58,5振荡次数： 指在调整时间 内被调量的振荡次数，明显的振荡次数不能超过23次。 (三)、影响动态特性的一些主要因素： 甩负荷时动态最大飞升转速 的估算计算式：,59,1、调节对象对动态特性的影响： （1）转子飞升时间常数 ： 在额定蒸汽主力矩作用下，转子从零转速升到额定转速所需要的时间。 主要影响因素是汽轮发电机组转子的转动惯及汽轮机的额定转矩。 , 越小，机组越容易加速； 机组功率越大，超速的可能性越大，甩负荷后动态超速的控制越来越
19、困难。,60,随着机组容量的增加，转子飞升时间常数Ta降低。,小机组Ta=1114s 高压机组Ta=710s 中间再热机组Ta=58s,61,以额定功率时的蒸汽流量和多变过程，充满整个中间容积，并达到额定工况下的密度，所需要的时间。,(2)蒸汽容积时间常数 ：越大，中间容积中储存的蒸汽量越多，作功能力越大，甩负荷时，机组转速的额外飞升增大， 因此除尽量缩小蒸汽容积时间常数外，还必须采取某些措施限制转速飞升。,62,2、调节系统对动态特性的影响： （1）速度变动率 见图6.1.22值较大，动态过程中的最高转速及稳定转速均较高，时调节系统静态及动态的转速偏差较大。,63,值大时，反馈率高，动态稳定
20、性好，调节过程将是非周期性的，或者振荡衰减得较快，动态超调量变小。值较小时，虽转速飞升的绝对值较小，但动态超调量却较大，且振荡次数增加，衰减较慢，动态稳定性较差。,64,（2）油动机时间常数 表示在错油门滑阀油口开度最大时，油动机活塞在最大进油量条件下走完工作行程 所需的时间。它综合反映了油动机的滞后时间和关闭时间， 一般在0.10.3s。,65,较大时，调节汽门关闭时间较长，动态过程中的最大转速较高，过渡过程曲线的摆动也较大，过渡时间较长，调节品质较差。 但油动机动作慢，可减小油压波动对调节系统摆动的影响，主油泵功率也可减小。,66,（3）迟缓率： 对动态特性是不利的。调节汽门关闭迟缓，超调
21、量增大。 （4）调速器及错油门滑阀的质量 惯性增大，动作迟缓，动态超调量将增大。,67,四、汽轮机保护的保护装置： 1、超速保护； 2、低油压保护； 3、轴向位移和胀差保护； 4、低真空保护； 5、振动保护； 6、热应力保护； 7、低汽压保护； 8、防火保护,68,危急遮断：当异常情况发展到严重威胁汽轮机运行安全的程度时，迅速关闭所有主汽阀和调节阀，遮断汽轮机的进汽通道，实现紧急停机。 如当转子超速到110% n0时，响应的超速遮断装置将会动作，迅速关闭所有阀门，切断汽轮机进汽源，最终使汽轮机停运。汽轮机保护也是由感应机构、传递放大机构和执行机构组成，其执行机构为主汽门。,69,保护系统的主要
22、装置,自动主汽门自动主汽门是保护系统的执行元件。要求自动主汽门动作迅速，关闭严密。 按结构，分为主汽门和操纵座；自动主汽门操纵座的动作是靠压力油来控制的，此压力油为安全油。保护系统设有超速保护遮断装置、磁力遮断装置和手动遮断装置三套。,70,71,1、超速保护装置 一个良好的调节系统，在机组甩全负荷时，能将汽机最高转速控制在107109%。 汽轮机转速上升到（1.101.12）n0时，超速保护装置动作。超速保险动作，切断供汽，迫使汽轮机停止运转，必须同时将汽轮发电机从电网中解列。 超速保护装置又称为：超速保险、危急保安器和危急遮断错油门。 按结构分：飞锤式和飞环式,72,73,n1为出击转速
23、n2为复位转速 3050r/min调整螺帽3用来改变弹簧的预紧力，以改变出击转速。,74,危急保安器充油试验危急遮断错油门,75,2 轴向位移保护 轴向位移测量和保护装置。 电气式或液压式。差动电磁感应变压器。 磁力断路油门滑阀,76,77,3、低油压保护装置 润滑油压低到0.05MPa时，启动交流润滑油泵； 润滑油压低到0.04MPa时，启动直流润滑油泵，接通遮断装置，紧急停机； 润滑油压低到0.03MPa时，停止盘车电动机，手动停机。,78,四 低真空保护,79,作业：,1、解释专业名词： 调速系统的静态特性、速度变动率、迟缓率、一次调频、二次调频、油动机时间常数。 2、叙说同步器的作用。 3、画出调速系统四象限图，并说明各部分的意义。 4、带不同负荷的机组对速度变动率有何要求？ 5、画出合理的调速系统静态特性曲线，并说明为什么。,
