安仲玉 范偉遠(yuǎn) 林楠

摘 要：本文從以下方面分析了汽輪機(jī)升速控制系統(tǒng)：轉(zhuǎn)速信號(hào)的采集處理和目標(biāo)轉(zhuǎn)速，使汽輪機(jī)升速控制技術(shù)更完善。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī);升速;控制

汽輪機(jī)控制的最重要的一點(diǎn)即是升速控制，由于機(jī)組系統(tǒng)復(fù)雜，升速控制的穩(wěn)定與否直接影響到整個(gè)汽輪發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定性，上個(gè)世紀(jì)汽輪機(jī)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(jī)組投運(yùn)前的調(diào)試難度相當(dāng)大，而且其運(yùn)行的可靠性比較底，維護(hù)也十分的不方便。目前調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段，不論是控制精度、自動(dòng)化程度、維護(hù)方便程度都到了一個(gè)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(jī)組轉(zhuǎn)速控制在我們的目標(biāo)轉(zhuǎn)速值上，其控制精度在千分之一以?xún)?nèi)，按照國(guó)內(nèi)網(wǎng)頻50Hz計(jì)算，汽輪機(jī)的并網(wǎng)轉(zhuǎn)速也就是我們控制的目標(biāo)轉(zhuǎn)速為3000r/min，實(shí)際上在機(jī)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?xún)?nèi)。目前我們國(guó)內(nèi)600MW等級(jí)以下的機(jī)組基本上都采用該控制方式。實(shí)踐證明該種控制方式是切實(shí)可行的。作為1000MW等級(jí)的機(jī)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(jī)組的轉(zhuǎn)速雖然得到了有效的控制，但是汽輪機(jī)升速的加速過(guò)程無(wú)法得到有效的控制，汽輪機(jī)的運(yùn)行必須是平穩(wěn)的，不允許較大的波動(dòng)，雖然我們?cè)谵D(zhuǎn)速閉還控制中做了相應(yīng)的處理，但是卻沒(méi)有從根本上解決問(wèn)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(shí)際加速度的測(cè)量比較困難，目前我們采用的基本上都是軟件測(cè)量法，即兩個(gè)測(cè)量周期的差值進(jìn)行計(jì)算得出，該方法測(cè)得的加速度準(zhǔn)確與否主要取決于控制器本身的性能及信號(hào)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?xún)?nèi)，因此，我們?cè)?000MW等級(jí)的汽輪機(jī)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?cè)谶@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(diǎn)在于我們不僅僅只控制汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速，我們把汽輪機(jī)的加速度也同時(shí)進(jìn)行了控制，使得機(jī)組的加速過(guò)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(shí)際轉(zhuǎn)速接近目標(biāo)轉(zhuǎn)速時(shí)，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(dòng)化對(duì)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)的要求來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。此外，由于采用了微機(jī)控制裝置，在設(shè)計(jì)思想上應(yīng)盡量把對(duì)整個(gè)控制裝置（包括發(fā)訊器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)）的運(yùn)行狀態(tài)納入到微機(jī)的監(jiān)視范圍中?；谶@種考慮，在MACS DEH中設(shè)計(jì)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(mén)開(kāi)度控制（閥控），機(jī)前主汽壓控制（壓控），汽壓及真空保護(hù)控制，防超速保護(hù)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(biāo)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(cè)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(jī)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(biāo)功率值給定，功率變化率給定，功率參考值給定，機(jī)組一次調(diào)頻對(duì)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(duì)功率參考值的修正，電功率測(cè)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(mén)開(kāi)度控制回路。閥門(mén)開(kāi)度控制回路包括目標(biāo)閥門(mén)開(kāi)度值給定，開(kāi)度變化率給定，開(kāi)度參考值給定，左右高壓油動(dòng)機(jī)開(kāi)度測(cè)量及大選邏輯和開(kāi)度PI調(diào)節(jié)器。4）機(jī)前主汽壓控制回路。機(jī)前主汽壓控制回路包括機(jī)前主汽壓給定，主汽壓測(cè)量及大選邏輯和壓力PI 調(diào)節(jié)器。5）氣壓及真空保護(hù)控制回路。包括氣壓保護(hù)值設(shè)定PV及此設(shè)定值對(duì)實(shí)際氣壓P減去一常量PV 信號(hào)的跟蹤，即當(dāng)氣壓保護(hù)回路不投時(shí)PV 始終等于P -PV。氣壓保護(hù)PI調(diào)節(jié)器和氣壓保護(hù)的投切回路。真空保護(hù)回路包括真空度測(cè)量，函數(shù)變換和真空保護(hù)的投切回路。6）防超速保護(hù)（OPC）控制回路。MACS DEH裝置中共有三處設(shè)置了OPC保護(hù)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(dòng)升速控制。根據(jù)機(jī)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(duì)應(yīng)設(shè)置了不同的四條升速曲線，司機(jī)按下某一溫度狀態(tài)和升速“自動(dòng)”按鈕，并給出啟機(jī)指令（按啟機(jī)按鈕）后，轉(zhuǎn)速控制器將機(jī)組由0轉(zhuǎn)/分自動(dòng)提速到3000轉(zhuǎn)/分，其間，到達(dá)暖機(jī)轉(zhuǎn)速后的暖機(jī)（如500轉(zhuǎn)/分，1000轉(zhuǎn)/分）指令，暖機(jī)時(shí)間（ t1，t2）設(shè)定，暖機(jī)時(shí)間已到后的再升速和到達(dá)臨界轉(zhuǎn)速區(qū)（ nc）后的沖臨界加速率的切換都將自動(dòng)進(jìn)行，無(wú)需司機(jī)干預(yù)，直到機(jī)組升速到3000轉(zhuǎn)/分。

3、轉(zhuǎn)速信號(hào)的采集處理

對(duì)于轉(zhuǎn)速信號(hào)的采集，為了信號(hào)的準(zhǔn)確可靠，我們采用三冗余的模式，現(xiàn)場(chǎng)采用三個(gè)轉(zhuǎn)速探頭進(jìn)行信號(hào)采集。通常在機(jī)組的前箱部分有一個(gè)與轉(zhuǎn)子連接在一起的測(cè)速齒盤(pán)，相應(yīng)的設(shè)計(jì)有安裝轉(zhuǎn)速探頭的測(cè)速支架，測(cè)速支架的作用即是固定轉(zhuǎn)速探頭。在安裝時(shí)一般都要求轉(zhuǎn)速探頭的端部距離測(cè)速齒盤(pán)齒頂?shù)木嚯x為0.8～1.2mm，如果距離過(guò)大，則感應(yīng)電勢(shì)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(cè)速齒盤(pán)齒頂產(chǎn)生摩擦碰撞，使得測(cè)速元件損壞，因無(wú)法采集轉(zhuǎn)速信號(hào)而造成重大事故。轉(zhuǎn)速探頭的種類(lèi)也比較多，但是在汽輪機(jī)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(shí)都有一定的門(mén)檻電壓值，而在低轉(zhuǎn)速時(shí)探頭感應(yīng)的電壓值是相當(dāng)?shù)偷?，因此一般在低轉(zhuǎn)速時(shí)我們的轉(zhuǎn)速模件通常很難檢測(cè)到轉(zhuǎn)速。相比之下電渦流探頭由于增加了一級(jí)前置放大，其輸出的感應(yīng)電壓經(jīng)過(guò)放大后再進(jìn)入轉(zhuǎn)速處理模件，因此采用電渦流探頭我們可以檢測(cè)到很低的轉(zhuǎn)速值，其性能更高，但是價(jià)格也比較高。在大功率汽輪機(jī)的控制中，我們首選的是電渦流探頭，該探頭可以檢測(cè)到盤(pán)車(chē)轉(zhuǎn)速，通常盤(pán)車(chē)轉(zhuǎn)速小于 4 r/min。而 1000MW 機(jī)組的盤(pán)車(chē)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(cè)到。

當(dāng)齒盤(pán)隨主軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，探頭的鐵芯與齒盤(pán)之間的間隙便不斷的變化，每經(jīng)過(guò)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(gè)交變波形電勢(shì)，此感應(yīng)電勢(shì)即為測(cè)速探頭的輸出信號(hào)。

設(shè)齒盤(pán)齒數(shù)為 z，汽輪機(jī)軸的轉(zhuǎn)速為 n，則輸出信號(hào)的頻率為： 當(dāng)齒數(shù)一定時(shí)，頻率 f 與汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速 n 成正比。因此，只要測(cè)得頻率 f，就可以計(jì)算得出被測(cè)轉(zhuǎn)速 n。

對(duì)于轉(zhuǎn)速信號(hào)這種汽輪機(jī)控制中非常重要的信號(hào)，我們都設(shè)計(jì)為三重冗余的模式。

轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)入控制系統(tǒng)后，需要進(jìn)行邏輯三取二處理，同時(shí)進(jìn)行信號(hào)質(zhì)量的檢測(cè)，最后輸出實(shí)際的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速同時(shí)給出轉(zhuǎn)速信號(hào)質(zhì)量的狀態(tài)。

4、結(jié)束語(yǔ)

汽輪機(jī)升速控制系統(tǒng)是一個(gè)重要的研究課題，它直接關(guān)系到機(jī)組的整體性能和效率的提高，計(jì)算機(jī)技術(shù)在電廠中的廣泛應(yīng)用，使汽輪機(jī)升速控制系統(tǒng)技術(shù)變得更為完善，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速、功率、汽壓等最終目標(biāo)的控制，為汽輪機(jī)閥門(mén)管理精度的提高打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn) ：

[1] 張爽.淺析汽輪機(jī)技術(shù)的發(fā)展及其前景分析[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化，2014，13：107-108.

[2] ArminDrosdziok，張?jiān)?汽輪機(jī)技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀與未來(lái)[J].上海汽輪機(jī)，1998，03：46-50.

[3] 張素心.汽輪機(jī)技術(shù)的發(fā)展與前景[J].上海汽輪機(jī)，2002，04：1-6.

[4] 王美玉，汪洋.大功率核電汽輪機(jī)的技術(shù)發(fā)展[J].汽輪機(jī)技術(shù)，1995，04：210-214.