專利名稱：汽輪機的調速控制系統的制作方法
技術領域：
本發明屬于汽輪機控制領域，特別涉及一種汽輪機的速度控制系統。
背景技術：
汽輪機調速控制系統的任務是正常運行時，通過改變汽輪機的進汽量，使汽輪機的功率輸出滿足外界的負荷要求，且使調節后的轉速偏差在允許的范圍內；在危急事故工況下，快速關閉調節汽門或主汽門，使機組維持空轉或快速停機。靠汽輪機的自調節運行，一定會引起汽輪機轉速很大的波動，無法滿足運行的要求。這樣就必須有調速系統，利用汽輪機轉速變化的信號對其進行調節。
由于汽輪機的蒸汽壓力很高，開啟主汽門和調節汽門需要很大的驅動力。為滿足電網一次調頻要求，必須要求調節汽門的驅動機構有較好的響應靈敏性和較快的響應速度。特別是在機組甩負荷等危急工況下，要求主汽門和調節汽門能在極短的時間內全行程關閉。因此，對汽輪機調節汽門和主汽門的驅動機構提出慣性小、驅動功率大的特殊要求。目前，電磁驅動機構尚不能滿足這一特殊要求，故汽輪機調節保護系統總是以油動機(即液壓伺服馬達)為調節汽門和主汽門的執行機構。
發明內容
本發明的目的在于提供一種利用汽輪機轉速的變化信號對其進行調節，正常運行時，使汽輪機的功率輸出滿足外界的負荷要求，且使調節后的轉速偏差在允許的范圍內；在危急事故工況下，快速關閉調節汽門或主汽門，使機組維持空轉或快速停機的汽輪機的調速控制系統。
本發明的技術解決方案可依如下方式實現汽輪機的調速控制系統，它包括轉速感受機構、中間放大機構、同步器、啟動裝置、油動機、配汽機構；所述轉速感受機構接收汽輪機轉子的轉速信號并將其轉變成一次控制信號；所述中間放大器對轉速感受機構發出的一次控制信號作功率放大，并按調節目標作控制運算；所述油動機按中間放大器的控制信號產生帶動配汽機構動作的驅動力，并達到預定的開度位置；所述配汽機構將油動機的行程轉變為各調節汽門的開度，使汽輪機的進汽量與油動機行程間校正到近似線性關系；所述同步器作用于中間放大器，產生控制油動機行程的控制信號，單機運行時改變汽輪機的轉速，并網運行時改變機組的功率；所述啟動裝置在機組啟動時用于沖轉、并提升轉速至同步器動作轉速。
作為一種優選方案，本發明還配有保護系統；所述保護系統采用機械液壓調節、模擬電液調節或數字電液調節模式。
本發明所述機械液壓調節系統包括調速器、配于調速器下部的滑環、同步器、油動機、配汽機構。
本發明所述模擬電液調節系統包括主控部分、PID、功率放大器、電液轉換器、中間放大器、油動機、壓縮機；所述主控部分的信號輸出端依次經PID、功率放大器、電液轉換器及中間放大器接油動機的輸入端；所述油動機的工作端接汽輪機的工作端。
本發明所述數字電液控制系統包括電子控制器、操作系統、執行機構、保護系統和供油系統。
本發明驅動機構有較好的響應靈敏性和較快的響應速度。在正常運行時，通過改變汽輪機的進汽量，使汽輪機的功率輸出滿足外界的負荷要求，且使調節后的轉速偏差在允許的范圍內；在危急事故工況下，快速關閉調節汽門或主汽門，使機組維持空轉或快速停機。
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細說明。
圖1為本發明汽輪機調節保護系統原理框圖；圖2為本發明械液壓調節系統整體結構示意圖；圖3為本發明模擬電液調節系統原理框圖。
具體實施例方式
如圖所示，汽輪機的調速控制系統，它包括轉速感受機構、中間放大機構、同步器、啟動裝置、油動機、配汽機構；所述轉速感受機構接收汽輪機轉子的轉速信號并將其轉變成一次控制信號；所述中間放大器對轉速感受機構發出的一次控制信號作功率放大，并按調節目標作控制運算；所述油動機按中間放大器的控制信號產生帶動配汽機構動作的驅動力，并達到預定的開度位置；所述配汽機構將油動機的行程轉變為各調節汽門的開度，使汽輪機的進汽量與油動機行程間校正到近似線性關系；所述同步器作用于中間放大器，產生控制油動機行程的控制信號，單機運行時改變汽輪機的轉速，并網運行時改變機組的功率；所述啟動裝置在機組啟動時用于沖轉、并提升轉速至同步器動作轉速。上述系統還配有保護系統；所述保護系統采用機械液壓調節、模擬電液調節或數字電液調節模式。所述機械液壓調節系統包括調速器、配于調速器下部的滑環、同步器、油動機、配汽機構。所述模擬電液調節系統包括主控部分、PID、功率放大器、電液轉換器、中間放大器、油動機、壓縮機；所述主控部分的信號輸出端依次經PID、功率放大器、電液轉換器及中間放大器接油動機的輸入端；所述油動機的工作端接汽輪機的工作端。所述數字電液控制系統包括電子控制器、操作系統、執行機構、保護系統和供油系統。
汽輪機調節系統的原理性構成如附圖一所示。轉速感受機構是將轉子的轉速信號轉變成一次控制信號；中間放大器對一次控制信號作功率放大，并按調節目標作控制運算，產生油動機的控制信號；油動機是一種液壓位置伺服馬達，按中間放大器的控制信號產生帶動配汽機構動作的驅動力，并達到預定的開度位置；配汽機構是將油動機的行程轉變為各調節汽門的開度，通過配汽機構的非線性傳遞特性，汽輪機的進汽量與油動機行程間校正到近似線性關系；同步器作用于中間放大器，產生控制油動機行程的控制信號，單機運行時改變汽輪機的轉速，并網運行時改變機組的功率；啟動裝置在機組啟動時用于沖轉、并提升轉速至同步器動作轉速。
由于汽輪機的蒸汽壓力很高，開啟主汽門和調節汽門需要很大的驅動力。為滿足電網一次調頻要求，必須要求調節汽門的驅動機構有較好的響應靈敏性和較快的響應速度。特別是在機組甩負荷等危急工況下，要求主汽門和調節汽門能在極短的時間內全行程關閉。因此，對汽輪機調節汽門和主汽門的驅動機構提出慣性小、驅動功率大的特殊要求。目前，電磁驅動機構尚不能滿足這一特殊要求，故汽輪機調節保護系統總是以油動機(即液壓伺服馬達)為調節汽門和主汽門的執行機構。
汽輪機的調節保護系統根據其轉速感受機構及中間放大器的結構不同，可分為機械液壓調節、模擬電液調節和數字電液調節三種型式。
1、機械液壓調節系統機械液壓調節系統是由杠桿、曲柄等機械機構作信號放大和液壓流量控制閥作功率放大，其原理性系統如附圖二所示。飛錘感受轉速的變化，并轉變為滑環的位移；斷流式錯油門控制油動機活塞腔室的進、排油，當錯油門滑閥偏離居中位置時，分別開啟油動機活塞上、下腔室的進、排油口，使油動機活塞帶動調節汽門開啟或關閉；在油動機活塞移動時，又帶動杠桿運動，使錯油門滑閥向著居中位置移動。當油動機活塞的位移復現調速器滑環位移的變化規律時，錯油門滑閥回到居中位置，調節過程結束。隨著機組容量的增大，開啟調節汽門驅動力要求的提高，特別是中間再熱機組高壓調節汽門動態校正要求的提出，機械液壓調節的機械結構和液壓控制回路變得十分復雜。機械傳動機構曠動間隙的存在，液壓控制部件易受油液污染的影響，使調節品質和運行穩定、可靠性不很理想。因機組的功率信號無法由機械或液壓機構來感受，故機械液壓調節系統僅能起到調速系統的作用。另一方面，配汽機構采用較為固定的機械機構，無法實現噴嘴、節流等多種運行方式的靈活切換。
2、模擬電液調節系統模擬電液調節系統是基于模擬電路的連續控制調節系統，它將電子技術與液壓控制技術有機地結合在一起，綜合了電子元件檢測靈敏、精度高、線性好、遲緩小、傳輸速度快、調整方便、能實現復雜調節規律，以及液壓元件驅動功率大、慣性小的優點。檢測、運算采用電子元件，執行機構為液壓部件，兩者中介的核心部件是電液伺服閥(俗稱電液轉換器)。汽輪機的轉速和功率經傳感器或變送器轉變為電信號，經電子線路放大、運算，產生油動機行程的控制信號，輸到PID(比例、積分和微分)凋節回路，然后經模擬電路功率放大作用于電液轉換器，產生控制油動機行程的液壓信號，經中間放大后使油動機按調節指令動作。
模擬電液調節系統原理性框圖如附圖三所示，系統中設有轉速調節回路、功率調節回路和功-頻調節回路，在機組單機運行時控制轉速；并網非調頻工況時調節機組功率；并網調頻運行時實現功-頻調節，克服″內擾″和再熱器中間容積時滯效應的影響。功率設定可遠方遙控設置，便于電網自動發電控制(AGC)。蒸汽壓力輸入可實現機爐協調控制。模擬電液調節系統的控制功能和調節品質較機械液壓調節系統有了很大的提高，改善了調節系統的甩負荷動態特性，增強了機組運行的安全性。
3、數字電液控制系統數字電液控制系統(Digital Electro-Hydraulic Control System，簡稱DEH)是以計算機替代模擬電液調節系統中控制運算的模擬電路，發揮計算機控制運算、邏輯判斷與處理能力強及軟件組態靈活、方便的優勢，將汽輪機運行的狀態監測、順序控制、調節和保護融為一體。特別是液壓系統采用高壓抗燃油(三芳基磷酸脂)后，簡化了液壓控制回路，提高了油動機的推動力。調節汽門由各自油動機驅動，可使機組實現噴嘴、節流等多種運行方式靈活切換，增強了機組運行控制的靈活性。由于數字電液調節系統的硬件采用模塊化結構，系統擴展靈活，維修調試方便，冗余控制、多層保護和自檢、自診斷功能使調節品質、運行可靠性和機組的安全性均較模擬電液調節系統有了很大提高。數字電液控制系統是由電子控制器、操作系統、執行機構、保護系統和供油系統組成，它實現的主要功能是(1)汽輪機自動程序控制(ATC)。通過監測高、中壓汽缸溫度和蒸汽溫度，計算出轉子熱應力。在汽輪機允許的應力范圍內，以最大的速率、最短的時間實現機組由盤車、沖轉、升速、并網到帶負荷的全自動程序化操作。
(2)汽輪機功率的自動調節。汽輪機功率的自動調節設有操作員自動、遠方控制和電廠計算機控制三種模式。根據電網的要求，可選擇調頻運行方式或基本負荷運行方式。在機組冷、熱態啟動中，能自動地根據啟動狀態控制調節汽門的開度。
(3)汽輪機的自動保護。設有三層超速保護，即超速保護控制(OPC)、危急遮斷控制(ETS)和機械超速保護與手動遮斷脫扣。超速保護控制是當機組轉速超過103％n0時，OPC電磁閥動作，快速關閉高、中壓調節汽門；ETS是當機組轉速達到110％n0時，自動停機遮斷(AST)電磁閥動作，快速關閉主汽門和調節汽門。此外，當出現低潤滑油壓、推力軸承磨損、低真空、高壓排汽溫度高等危急事故時，ETS通過AST電磁閥使機組快速停機；機械超速保護是當機組轉速升高至112％n0時動作，關閉主汽門和調節汽門。
(4)機組和DEH系統狀態監測。監視和顯示機組及DEH系統的重要參數、運行曲線、歷史趨勢和故障，以及指示操作按鈕的狀態。TSCS調速控制系統描述及功能1.轉速控制系統的組成TSCS調速控制系統具有兩個獨立的控制通道，控制回路。這兩個回路的輸出與另一個通道-----閥位限制器進行信號低選(LSS)。LSS的輸出將直接設定執行機構驅動器的輸出。除了這兩個通道外，轉速/負荷回路還能受控于另一個控制回路，即串級控制回路。串級控制回路“串接”在轉速回路中，因此串級控制回路的輸出能直接改變轉速控制回路的給定值。另外，輔助控制回路可作為控制通道也可作為限制通道。所有這三個PID控制回路都可以選擇模擬輸入信號來遠程調整它們的給定值。
調速系統的附加功能包括頻率控制，同步負荷分配(采用DCLS)，避開臨界轉速，暖機/額定轉速控制和順序自動起動。
2.轉速控制轉速控制回路接受來自電磁式傳感器或非接觸式轉速探頭的轉速信號。轉速PID控制放大器將該信號與轉速給定值相比較并給執行機構發出輸出信號(通過信號低選總線)。
轉速回路的給定值可以通過上位機輸入，遠程觸點輸入。此外，也能夠將模擬輸入用于遠程調整轉速給定值。
遠程轉速給定值其中一個4-20mA輸入能組態用于控制轉速給定值。一般一個外部過程控制器與這個輸入相連接，用于調整轉速或負荷控制相關過程的運行。
遠程轉速給定值輸入將直接作用于調速系統的轉速給定值。遠程輸入信號改變轉速給定值的最大速率是可編程的。當投入遠程給定值時，轉速給定值以很慢的速率變化直到兩個設定值一致。此時，將允許轉速給定值以最大速率變化。
3.輔助控制輔助控制通道能用來控制或者限制一個參數。輔助PID控制回路能用來控制或限制機組的負荷/功率，電廠的輸入/輸出值，進口壓力，排汽壓力，溫度或其它與負荷直接相關的過程參數。
輔助輸入是一個4-20mA的電流信號。輔助PID控制放大器將這個輸入信號與給定值相比較，并產生一個控制輸出信號至LSS(信號低選總線)。LSS總線將最小的信號送至執行機構驅動器回路。
遠程輔助給定值其中一個4-20mA的輸入用于過程調整輔助給定值。遠程輔助給定值輸入直接作用于輔助給定值。遠程輸入信號改變輔助給定值的最大速率是可編程的。當投入遠程給定值時，輔助給定值以很慢的速率變化直到兩個給定值一致。此時，將允許給定值以最大速率變化。
4.負荷分配輸入TSCS調速系統能利用一個模擬輸入接受來數字式同步器和負荷控制器的負荷分配信號。這個和負荷控制器相連的信號允許調速系統與任何其它使用負荷控制器的系統進行同步負荷分配。TSCS調速系統的內部“和接點”將這個信號與轉速/負荷基準相加。除了負荷分配外，TSCS的負荷控制器輸入還能用于使機組與工廠電網外部電網的同步。
5.串級控制串級控制能被組態用于控制與轉速或負荷有關或受其影響的任何系統過程。通常，該控制回路用于控制進汽或排汽壓力。
串級控制是一個PID控制回路，它將4-20mA的過程信號與串級給定值相比較。PID控制回路調整轉速控制回路的給定值直到過程信號與給定值達到一致。
6.遠程串級給定值其中一個4-20mA的輸入能被組態成用于遠程調整串級給定值。遠程串級給定值輸入直接作用于調速系統的串級給定值。遠程輸入信號改變串級給定值的最大速率是可編程的且能在運行方式中加以改變。當投入遠程給定值時，串級給定值以很慢的速率變化直至兩個給定值達到一致，此時，允許給定值以最大速率變化。能夠根據需要通過鍵盤，遠程觸點輸入或通信線路投入和退出遠程串級功能。
7.閥位限制器閥位限制器限制了執行機構的輸出信號或閥門斬位置，有助于起動和停機。閥位控制器的輸出與轉速/負荷和輔助控制通道的輸出為信號低選。要求最小閥位的控制或限制器通道控制了閥門的位置。于是，閥位限制器就限制了最大閥門位置。能通過鍵盤，外部觸點調整閥位限制。
閥位限制器還能用于系統的動態故障查尋。如果認為是TSCS調速系統引起系統不穩定，調整閥位限制器以手動控制閥門的位置。當以這種方式使用閥位限制器必須注意，不得讓系統達到危險的運行點。
8.起動特性TSCS調速系統提供了三種不同起動方式的選擇自動，半自動和手動起動。組態時必須選擇這三種起動方式的一種，以便使從停機狀態達到最低轉速控制。組態的起動方式和調速系統最低控制轉速將取決于工廠的起動程序和制造廠的建議。
如果設置了暖機轉速(暖機/額定或順序自動起動方式)，TSCS調速系統將提供自動轉速控制并避開臨界轉速。可以通過TSCS調速系統的鍵盤，遠程觸點輸入。此外，也能組態一個“允許起動”觸點輸入。例如，若跳閘節流或截止閥沒有關閉阻止起動。
9.暖機/額定暖機/額定功能使操作人員能以組態的速率在設置的暖機轉速和額定轉速之間改變轉速。暖機/額定功能還能組態成僅作為自動升至額定轉速功能。
10.自動起動順序自動起動功能使操作人員能從設定的低暖機轉速起動并停留在該轉速下直至設定的暖機時間結束，然后升至設定的高暖機轉速并停留直至設定主高暖機時間結束，最后升至設定的額定轉速給定值。在暖機轉速下的停留時間和加速率取決于是“熱態起動”還是“冷態起動”。“熱態”和“冷態”由的停機時間來確定。當處于熱態和冷態條件之間時，調速系統使用熱態和冷態數據點的內插值來確定合適的起動速率和停留時間。
如果必要，能通過編程和采用順序自動起動的暫停/繼續指令來終止和繼續順序自動起動程序。可以通過TSCS調速系統的鍵盤，遠程觸點輸入來選擇暫停或繼續。此外，順序自動起動能夠組態成自動暫停在每個暖機給定值處。
11.避開臨界轉速由于過分振動或其它原因，要求避開某些轉速或轉速范圍(或者盡可能快地通過)。在編程組態時可以選擇兩個臨界轉速避開帶。這兩個轉速帶可以小于調節器下限轉速的任意轉速范圍。必須對暖機/額定或順序自動起動功能進行組態以執行臨界轉速避開功能。在臨界轉速范圍內，TSCS調速系統以設定的臨界轉速率改變轉速給定值并不允許轉速給定值停留在臨界轉速避開帶內。如果在加速通過臨界轉速避開帶時出現強烈的運動，選擇降轉速給定值指令將使機組轉速回復到該轉速避開帶的下限處。
12.超速保護功能超速保護功能用三個獨立的轉速傳感器防止蒸汽輪機、燃汽輪機或其他類型的原動機超速。該系統可以取代機械超速保護裝置，特別是在高速＞10000rpm應用場合，因為機械超速保護裝置在高速情況下往往表現得不可靠。系統采用的是三選二停機方式，確保不會因三個單元其中的一個發生瞬時故障造成誤停機。每個單元與其他兩個單元除選項繼電器輸出連接外，其他都是完全隔離的。為了進一步防止誤停機發生每個速度感應單元所用的電源也是獨立的。
由于系統不存在機械運動件，因而不會像機械超速保護裝置那樣出現與主機運轉工況有關的機械磨損、磁化溫度或其他運轉溫度等問題。
系統可以長時間的連續保持設定的停機速度值不變。
當發生超速停機時，系統可記錄、顯示原動機所達到的峰值轉速。
13、調速系統的遲緩率機械液壓型調速器最好的遲緩率ε＝0.3～0.4％，采用電液壓式數字型調速器靈敏度很高，遲緩率(人工死區)可以調節到接近于零。
14、速畫面的常規設計附圖8內容僅僅作為基本的參考，根據實際情況我們可以提供更為詳盡的內容可控制功能。
15、調速控制系統工藝描述本項目上所用機組為加氫裂化裝置循環氫壓縮機，加氫處理裝置循環氫壓縮機，加氫精制裝置循環氫壓縮機。這三臺機組從汽輪機調速控制原理的角度來看，是相同模式的。在系統流程圖上反映出的初步調速方案見附圖9。
16、每個調速控制實現所需要的I/O數量輸入量轉速輸入 AI 4點其中三個用于超速保護，一個用于轉速調節輔助輸入 AI 1點遠程輔助給定值 AI 1點串級輸入 AI 1點遠程串級給定值 AI 1點負荷輸入 AI 1點遠程轉速給定值 AI 1點停機 DI 1點復位 DI 1點升轉速給定值 DI 1點降轉速給定值 DI 1點其它開關量輸入 DI 16點根據現場的實際情況編程組態。
輸出量執行機構控制信號 AO 2點停機指示 DO 1點報警指示 DO 1點其它開關量輸入DO 6點根據現場的實際情況編程組態。
因此，本項目實際汽輪機調速需要點數總計AI 10點，AO 2點，DI 20點，DO 8點。
除上面硬件點數的要求外，DCS/ESD的軟件方面要求具有數學運算、PID、折線函數、計時器、計數器等基本編程組態功能。在此不一一累述。
權利要求
1.汽輪機的調速控制系統，其特征在于，包括轉速感受機構、中間放大機構、同步器、啟動裝置、油動機、配汽機構；所述轉速感受機構接收汽輪機轉子的轉速信號并將其轉變成一次控制信號；所述中間放大器對轉速感受機構發出的一次控制信號作功率放大，并按調節目標作控制運算；所述油動機按中間放大器的控制信號產生帶動配汽機構動作的驅動力，并達到預定的開度位置；所述配汽機構將油動機的行程轉變為各調節汽門的開度，使汽輪機的進汽量與油動機行程間校正到近似線性關系；所述同步器作用于中間放大器，產生控制油動機行程的控制信號，單機運行時改變汽輪機的轉速，并網運行時改變機組的功率；所述啟動裝置在機組啟動時用于沖轉、并提升轉速至同步器動作轉速。
2.根據權利要求1所述的汽輪機的調速控制系統，其特征在于還配有保護系統；所述保護系統采用機械液壓調節、模擬電液調節或數字電液調節模式。
3.根據權利要求1或2所述的汽輪機的調速控制系統，其特征在于所述機械液壓調節系統包括調速器、配于調速器下部的滑環、同步器、油動機、配汽機構。
4.根據權利要求1或2所述的汽輪機的調速控制系統，其特征在于所述模擬電液調節系統包括主控部分、PID、功率放大器、電液轉換器、中間放大器、油動機、壓縮機；所述主控部分的信號輸出端依次經PID、功率放大器、電液轉換器及中間放大器接油動機的輸入端；所述油動機的工作端接汽輪機的工作端。
5.根據權利要求1或2所述的汽輪機的調速控制系統，其特征在于所述數字電液控制系統包括電子控制器、操作系統、執行機構、保護系統和供油系統。
全文摘要
本發明涉及一種汽輪機的速度控制系統，包括轉速感受機構、中間放大機構、同步器、啟動裝置、油動機、配汽機構；所述轉速感受機構接收汽輪機轉子的轉速信號并將其轉變成一次控制信號；所述中間放大器對轉速感受機構發出的一次控制信號作功率放大；所述油動機按中間放大器的控制信號產生帶動配汽機構動作的驅動力，并達到預定的開度位置；所述配汽機構將油動機的行程轉變為各調節汽門的開度，使汽輪機的進汽量與油動機行程間校正到近似線性關系；所述同步器作用于中間放大器，產生控制油動機行程的控制信號，單機運行時改變汽輪機的轉速，并網運行時改變機組的功率；所述啟動裝置在機組啟動時用于沖轉、并提升轉速至同步器動作轉速。
文檔編號F01D17/10GK1959067SQ20051004762
公開日2007年5月9日 申請日期2005年11月3日 優先權日2005年11月3日
發明者蘭國強 申請人:沈陽創思達自動化系統有限公司