汽輪機升速控制系統分析

潘靜暉

摘要：本文從以下兩方面分析了汽輪機升速控制系統：轉速信號的采集處理和目標轉速，使汽輪機升速控制技術更完善。

關鍵詞：汽輪機；升速；控制

汽輪機控制的最重要的一點即是轉速控制，由于機組系統復雜，轉速控制的穩定與否直接影響到整個汽輪發電機組的穩定性，上個世紀汽輪機的轉速控制基本上都是由液壓調速系統構成的，該系統結構復雜，在機組投運前的調試難度相當大，而且其運行的可靠性比較底，維護也十分的不方便。目前調速系統已經進入了一個嶄新的階段，不論是控制精度、自動化程度、維護方便程度都到了一個相當的高度。當然在轉速控制方面，目前也有多種不同的方式，通常轉速閉還控制

是一種常用的控制方式，此種方式的優點在于無論機組運行工況怎么變化，最終控制系統都將能把機組轉速控制在我們的目標轉速值上，其控制精度在千分之一以內，按照國內網頻50Hz計算，汽輪機的并網轉速也就是我們控制的目標轉速為3000r/min，實際上在機組參數穩定后，我們的控制系統基本上可以把轉速控制在3000r/min±2r/min以內。目前我們國內600MW等級以下的機組基本上都采用該控制方式。實踐證明該種控制方式是切實可行的。作為1000MW等級的機組，我們仍然可以考慮采用這樣的控制方式，雖然如此，該方式也有其不利的地方，汽輪發電機組的轉速雖然得到了有效的控制，但是汽輪機升速的加速過程無法得到有效的控制，汽輪機的運行必須是平穩的，不允許較大的波動，雖然我們在轉速閉還控制中做了相應的處理，但是卻沒有從根本上解決問題，當然這與系統本身的特性有很大的關系，最主要的是實際加速度的測量比較困難，目前我們采用的基本上都是軟件測量法，即兩個測量周期的差值進行計算得出，該方法測得的加速度準確與否主要取決于控制器本身的性能及信號采集系統的可靠性和快速性，目前我們常規控制系統的控制周期一般的都是100ms，只有日立的控制系統的控制周期在30 ms以內，因此，我們在1000MW等級的汽輪機控制系統選用了日立的系統，采用該系統，結合該系統的性能，我們在這轉速閉還控制的基礎上增加了加速度控制，該控制方式的優點在于我們不僅僅只控制汽輪機轉速，我們把汽輪機的加速度也同時進行了控制，使得機組的加速過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，只有在實際轉速接近目標轉速時，我們才切換到采用轉速閉還控制。

1.轉速信號的采集處理

對于轉速信號的采集，為了信號的準確可靠，我們采用三冗余的模式，現場采用三個轉速探頭進行信號采集。通常在機組的前箱部分有一個與轉子連接在一起的測速齒盤，相應的設計有安裝轉速探頭的測速支架，測速支架的作用即是固定轉速探頭。在安裝時一般都要求轉速探頭的端部距離測速齒盤齒頂的距離為0.8～1.2mm，如果距離過大，則感應電勢越小，其抗干擾的能力也就越低，如果距離太小，探頭端部容易與測速齒盤齒頂產生摩擦碰撞，使得測速元件損壞，因無

法采集轉速信號而造成重大事故。轉速探頭的種類也比較多，但是在汽輪機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，通常我們的轉速處理模件在轉速輸入時都有一定的門檻電壓值，而在低轉速時探頭感應的電壓值是相當低的，因此一般在低轉速時我們的轉速模件通常很難檢測到轉速。相比之下電渦流探頭由于增加了一級前置放大，其輸出的感應電壓經過放大后再進入轉速處理模件，因此采用電渦流探頭我們可以檢測到很低的轉速值，其性能更高，

但是價格也比較高。在大功率汽輪機的控制中，我們首選的是電渦流探頭，該探頭可以檢測到盤車轉速，通常盤車轉速小于 4 r/min。而 1000MW 機組的盤車轉速為 2.5 r/min，而磁阻式探頭一般要 30 r/min 以上才能檢測到。

當齒盤隨主軸轉動時，探頭的鐵芯與齒盤之間的間隙便不斷的變化，每經過一齒，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出一個交變波形電勢，此感應電勢即為測速探頭的輸出信號。

設齒盤齒數為 z，汽輪機軸的轉速為 n，則輸出信號的頻率為：

（1-1）

當齒數一定時，頻率 f 與汽輪機的轉速 n 成正比。因此，只要測得頻率 f，就可以計算得出被測轉速 n。

對于轉速信號這種汽輪機控制中非常重要的信號，我們都設計為三重冗余的模式。

轉速信號進入控制系統后，需要進行邏輯三取二處理，同時進行信號質量的檢測，最后輸出實際的汽輪機轉速同時給出轉速信號質量的狀態。

2.目標轉速

機組各項啟動條件都具備以后，汽輪機可以進行升速，在機組掛閘后，運行人員可以通過控制系統的操作員站 CRT 上的按鈕設置目標轉速，根據機組本身的特性，該目標轉速有 200、700、1500、3000 四檔。1000MW 機組通常設定的這四檔目標值與其機組的順利完成沖轉有密切關系。

第一檔 200r/min 是摩擦檢查轉速，該目標轉速值的設定是為了在機組低速轉動時進行轉子葉片與汽缸之間的摩擦檢查。由于設計的汽輪機汽缸與轉子葉片的間隙非常小，同時新建的機組都是在現場完成安裝的，為了保證機組的安裝和設計都沒有問題，在汽輪機安裝蓋缸以后，必須進行缸體與轉子葉片等之間的摩擦檢查。轉子在蒸汽進入汽缸后低速轉動，一方面可以較好的檢查摩擦，另一方面，即使真的存在摩擦，在低速轉動的情況下能有效的降低由于摩擦帶來的設備損失?？刂葡到y在這里的作用是控制汽輪機的轉速達到 200r/min 后，由運行人員發出指令全關機組的所有調節汽閥，同時在汽輪機平臺上采用設備及人員監聽的方式確認機組轉動時無摩擦現象，如果有摩擦，必須馬上停機檢查，如果確認沒有摩擦現象，則機組可以繼續升速。

第二檔 700r/min 和第三檔 1500r/min 是低速暖機和中速暖機轉速點。汽輪機從總體上可以分成兩大部分，其一是汽缸，其二是轉子，在沖轉過程中，隨著蒸汽進入汽缸，汽缸、轉子等由于受到熱交換，會逐漸受熱膨脹，根據熱力學理論可知，受熱汽缸和轉子都會膨脹，由于其結構不同，各自的膨脹量也是不同的，由此就產生了汽缸的熱膨脹量，轉子的軸向位移量，同時由于受熱各自的材料還受到熱應力的作用。機組沖轉后，各個部件就形成了相對運動，使得軸系上產生振動，振動過大的話會損壞汽輪機設備，為了減小這些負面的影響，其中的一個辦法是在升速過程中盡量使機組受熱均勻，讓蒸汽的熱沖擊減小到最低，我們設計了低速暖機點和中速暖機點。當汽輪機升速到該暖機點后，機組維持在該點平衡，隨著時間的推移，機組各部分相對暖透，應力降到最低，汽缸也膨脹開。在這種情況下，我們才能進一步往下一個目標轉速沖轉。

第四檔 3000r/min 是汽輪機的額定轉速目標。由于我國的供電均為 50Hz，其對應的轉速即為 3000r/min，因此汽輪機均需要升速到該轉速值。

升速過程必須根據機組的實際情況選擇合適的目標轉速值。例如在新機組第一次啟動時，上述幾個目標轉速值必須一步一步的進行，而且在到達目標值后也需要根據機組的運行狀態及汽缸的金屬溫度變化情況進行暖機。

3.結束語

汽輪機升速控制系統是一個重要的研究課題，它直接關系到機組的整體性能和效率的提高，計算機技術在電廠中的廣泛應用，使汽輪機升速控制系統技術變得更為完善，從而實現對汽輪機的轉速、功率、汽壓等最終目標的控制，為汽輪機閥門管理精度的提高打下了堅實的基礎。