主汽輪機控制系統（MTC）功能簡介

摘 要：主汽輪機控制系統是通過自動調節進入汽輪機的蒸汽流量來控制汽輪機轉速及負荷的設備。它具有升速控制、閥門切換控制、關閉所有閥門、調節器控制以及快速減負荷等控制功能。

關鍵詞：主汽輪機控制系統（MTC）；可視化操作平臺（VDU）；控制功能

1 概述

主汽輪機控制系統（MTC）是通過自動調節進入汽輪機的蒸汽流量，來控制汽輪機的轉速及負荷的設備。MTC 通過位于主控室的可視化操作平臺（VDU）控制汽輪機的轉速和輸出功率。MTC 具有升速控制功能、閥門切換控制功能、關閉所有閥門功能、調節器控制功能、調節器自動跟蹤器功能、負荷限制器控制功能、超速保護（OPC）控制功能、自動負荷調節（ALR）功能以及快速減負荷（Runback）控制功能等。

2 操作對象

MTC的控制及操作對象是主汽閥（MSV），調節閥（GV），再熱主汽閥（RSV）和再熱調節閥（ICV）。如圖1所示。

3 控制功能

3.1 升速控制功能

升速控制是通過 MSV控制進入高壓汽輪機的主蒸汽量，按照設定的升速率，使汽輪機升速的功能。MSV 的預啟閥用于升速控制。由于進入高壓汽輪機的主蒸汽量在汽輪機升速過程中較低，因此，在控制機組從盤車轉速到額定轉速過程中，使用MSV 的小流量的預啟閥比使用大流量的GV進行升速控制具有更好的效果。

根據規程HYG-MTS-GJP-101附件2（汽機啟動）：在 VDU 操作屏幕上選擇目標轉速并選定升速率后，通過選擇程序運行“GO”，使汽輪機以選定的升速率升速到目標轉速。汽輪機達到目標轉速后，將自動選擇程序中的“HOLD”，汽輪機轉速保持不變。可選的升速率如圖2所示。

汽輪機是通過控制 MSV的閥位來升速的，MSV的閥位是通過比例反饋來控制的，以便使實際轉速與由目標轉速和升速率確定的轉速參考值一致。由于升速控制是比例控制，會出現控制偏差。因此，在MSV 閥位指令上疊加了作為轉速參考值函數的偏差補償，以盡可能減小轉速參考值與實際轉速間的偏差。由于在升速控制期間，汽輪機轉速是由MSV 控制，GV 和ICV 必須全開。因此，在汽輪機升速前，GV和ICV 應通過操作 EH AUTO 逐漸打開。轉速控制方式如圖3所示。

由于控制響應在升速控制過程中很快，當增加積分控制到比例控制中時，升速控制很容易造成振蕩。因此升速控制均采用比例控制。雖然轉速給定值與實際轉速間的控制偏差可通過增大比例控制增益值來降低，但這樣轉速控制很容易造成上述的振蕩。因此，作為轉速參考值函數的偏差補償被疊加到 MSV 閥位指令上，以盡可能的減小轉速參考值與實際轉速間的偏差。

3.2 關閉所有閥門的功能

汽輪機跳閘后，所有的 MSV，GV，RSV 和ICV 均通過打開卸荷閥而迅速關閉。然而，通過打開卸荷閥來迅速關閉 MSV，GV，RSV 和ICV 有可能損壞閥座密封面。因此，除了必須采用打開卸荷閥來快速關閉所有的 MSV，GV，RSV 和ICV 的情況之外，通常利用“關閉所有閥門”功能，采用降低伺服閥輸入指令的方法來逐漸關閉MSV，GV 和ICV 以保護閥座。（例如摩擦檢查或汽輪機正常停機操作）

在 VDU 操作屏上選定了“CLOSING ALL VALVES”時，通過給每個伺服閥加全關偏置信號來逐漸關閉所有的MSV，GV和ICV。由于關閉所有閥門功能的誤操作會造成嚴重影響，在并網運行時會屏蔽掉“CLOSING ALL VALVES”，防止誤操作。由于所有的 MSV，GV，RSV 和ICV 在汽輪機跳閘的時候被全部關閉，此時，關閉所有閥門功能也被自動選擇，以防止在汽輪機重新復位時，所有的MSV， GV 和ICV 被打開。選擇“CLOSING ALL VALVES”時，所有的 MSV，GV和ICV 全關，然后“EH AUTO”復位。當選擇“EH AUTO”時，“CLOSING ALL VALVES”）復位，準備進行自動控制。

3.3 調節器控制功能

汽輪機轉速在閥門切換結束后是由調節器控制的。調節器控制功能的目的是在并網過程中控制電網頻率（汽輪機轉速）的穩定。GV 閥門位置是由調節器的控制功能控制的，以便根據電網頻率控制汽輪機輸出。電網頻率（汽輪機轉速）可通過隨電網頻率改變汽輪機輸出而穩定調節。解列期間的汽輪機轉速由調節器控制功能來控制使其與電網同步。汽輪機輸出通過調節器控制額定轉速和實際轉速間的差值按比例調節。如果運行條件從額定轉速工況的 100%負荷變為零負荷工況，汽輪機轉速（頻率）將升高。以上所說的轉速（頻率）升高的量稱為轉速不等量或轉速不等率（此后稱為不等率）。不等率是反映調節器控制特性的指標，如圖4所示。

轉速不等率信號是利用圖 8 中所示的不等量劃分的偏差值計算出的。調節器閥位指令是通過將轉速不等率信號加上調節器設置值以后的總和計算出來的。GV 的閥位指令（GVPD）是根據負荷限制器的閥位指令和調節器閥位指令二者低選來計算的。負荷限制器閥位指令以后說明。GV 閥位指令（0-100%）是用于設置GV 閥門位置以及ICV 閥門位置的參數，基本與汽輪機輸出力（0-100%）相對應。

由于轉速設定值在并網運行前必須能夠改變以利于同步（將發電機頻率相位調節為電網頻率相位），轉速設定值通過手動可在±6%（1410-1590rpm）范圍內變化。1410rpm（-6%）是調節器控制低限，1590rpm（+6%）是調節器控制的上限。轉速變化率從可控制性的角度可在升速率（150，75，50rpm）中選擇。轉速設定值也可由自動同期系統發出的轉速設定值增加/降低脈沖來改變。在并網運行期間，為了根據不等率特性控制負荷，轉速設定值轉換為額定轉速，并且汽輪機出力由調節器來調節。當電網頻率比額定頻率高時，調節器控制GV閥位減小，這就使得調節器閥門有全關的可能性，汽輪發電機變為電動狀態。所謂電動狀態即：進入汽輪機蒸汽量比發電所需的蒸汽量少，在發電機并網運行時，發電機就變為電網的一個同步電動機而處于逆功率運行狀態。

3.4 調節器自動跟蹤功能

調節器自動跟蹤功能是指負荷限制器在一定范圍內工作期間， 調節器設定值自動跟蹤負荷限制器的設定值。該功能的設置是為了在電網頻率波動時通過調節器控制裝置關閉GV。根據規程HYG-MTS-GJP-101中附件2（汽機啟動）第4.2.19步：在汽機并網并帶上5%的初始負荷以后，在VDU操作屏上選擇調節器自動跟蹤功能后，調節器設定值自動跟蹤負荷限制器設定值和跟蹤寬度（10%）的和。當電網頻率增加到 50.225Hz 后，由于頻率升高，GV關小，運行模式變為調節器控制。（如圖6所示）通過運行調節器自動跟蹤功能，運行模式自動并立即轉換為負荷限制器運行。利用調節器自動跟蹤功能，可以很容易地從調節器控制轉換為負荷限制器控制而不會出現負荷波動。（如圖7所示）

3.5 負荷限制控制功能

當由于電網頻率波動等引起 GV 閥位指令大幅波動時，可以通過負荷限制控制功能限制進入汽輪機的蒸汽量。當負荷限制器閥位指令小于調節器指令時，汽輪機運行模式從調節器運行模式切換為負荷限制器運行模式。GV 和ICV 閥位由負荷限制器設定值予以保持，在并網運行時，該設定值可根據需要更改，而無需考慮電網頻率。如果通過 VDU 操作屏降低負荷限制器設定值使得負荷限制器閥位指令小于調節器指令，汽輪機控制模式自動切換為負荷限制器運行模式，GV 和ICV 閥門位置被保持。汽輪機運行模式也可通過選擇調節器自動跟蹤功能很容易地從調節器控制切換為負荷限制器控制。電網頻率（汽輪機轉速）與 GV 閥位指令間的關系如圖9所示。

在汽輪機停機狀態（功能閉鎖）時，負荷限制器設定值自動設置為下限（-50%），以便徹底安全的關閉GV。在汽輪機啟動時，“CLOSING ALL VALVES”功能將通過“EH AUTO”運行復位，然后通過全開偏置打開GV 和ICV，以便由MSV 執行升速控制。同時，負荷限制器設定值設定為上限（130%），以使GV和ICV 能夠全開。由于解列時調節器設定值設定為 0%（等于無負荷），在解列時負荷限制器控制設定值自動設定為上限（130%），以便于通過調節器控制裝置控制汽輪機轉速。（說明：除汽輪機啟動或解列以外，在選擇“EH AUTO”后，負荷限制器設定值可手動更改。目的是在電網低頻的情況下進行并網時，限制GV 閥位指令的增大。（見圖8）

3.6 超速保護控制器（OPC）功能

OPC 通過監測超速預感器并快速關閉GV 和ICV，以防止汽輪機超速。OPC 根據汽輪機轉速上升和負荷不平衡間的關系監測汽輪機超速預感器。負荷不平衡根據汽輪機出力（低壓缸進汽壓力）和發電機負荷之間的差來計算。OPC 監測到汽輪機可能超速預時，兩個OPC 電磁閥通電，危急跳閘油排出。GV 和ICV 的卸荷閥打開， GV 和ICV 迅速關閉。

為了抑制汽輪機轉速升高，保護汽輪機，OPC 不僅能快速響應而且還需在CPU 發生故障時保持工作。因此 OPC 功能不是配置在主汽輪機控制系統軟件中而是配置在單獨的硬件模塊中。根據轉速上升和負荷不平衡之間的關系，當 OPC 檢測到超速預報時，OPC動作，防止汽輪機超速跳閘。如果汽輪機在負荷不平衡較低的條件下（30%或以下）不是很快加速時，OPC 將在汽輪機轉速達到107.5%或以上時動作。如果汽輪機在負荷不平衡較大的情況下（30%或以上）迅速加速時，OPC 將在汽輪機轉速函數和負荷不平衡函數之和達到一個固定的設定值時動作。（參見圖9-（a））。在解列情況下，汽輪機負荷較小，汽輪機容易加速。因此除了上述情況外，OPC 還將在解列情況下如負荷不平衡超過30%時動作。（參見圖9-（b））。

3.7 自動負荷調解器（ALR）功能

ALR（自動負荷調解器）的用途是降低操縱員的操作壓力，ALR 的功能是自動以緩慢的變化率增加或降低負荷。負荷目標值和負荷變化率可任意設置。ALR 增加或降低指令是根據實際負荷與ALR 指令間的差值來計算的。（參見圖10）通過將ALR 增加或降低指令加在負荷限制器設定值上來控制負荷。當選擇 ALR OUT 模式時，ALR 指令跟蹤實際負荷，以便在ALR 模式從切除轉換為投入時不會產生負荷的波動。由于在選擇ALR 模式切除時，ALR 指令跟蹤實際負荷，實際負荷就相當于ALR 指令，在ALR 模式從OUT（切除模式）轉換為IN（投入模式）時，ALR 增加或降低指令是從零開始的。因此 ALR 模式由切除轉換為投入模式時負荷不會有波動。

3.8 快速減負荷（Runback）控制功能

快速減負荷控制功能是使負荷限制器設定值和調節器設定值按照固定的負荷變化速率降低。

4 總結

設置主汽輪機控制系統的目的是為確定汽輪機蒸汽閥門的開度，包括的功能有：提供汽輪發電機控制、試驗、保護、定位汽輪機截止閥的開度、提供截斷蒸汽流的手段、轉速和負荷的手動及自動控制等。。此外，該系統還提供主汽輪機轉速的監測和控制以及負荷的控制。最后，當汽機發生超速時，通過OPC動作抑制汽輪機轉速升高，保護汽輪機。

參考文獻

[1]HYG-GW-GL-700， Rev.0， Haiyang Units 1 2 Preliminary Safety Analysis Report Input

[2]HYG-TOS-J7-003， Revision 2 （HYG-GJ-M3-701， Revision 5）， Haiyang China AP1000 System Design Description for Generator Monitoring System.