汽輪機(jī)純液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)與DEH的對比分析

周杰

摘 要：本文主要從對兩種典型汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的對比分析的角度出發(fā)，探討影響調(diào)節(jié)系統(tǒng)靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)品質(zhì)的一些因素。

關(guān)鍵詞：調(diào)速系統(tǒng)；速度變動(dòng)率；遲緩率；功-頻調(diào)節(jié)；液壓調(diào)節(jié)；靜態(tài)特性；數(shù)字電液調(diào)節(jié)

我們知道汽輪機(jī)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)總是由速度感應(yīng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)放大機(jī)構(gòu)、配汽機(jī)構(gòu)三個(gè)基本環(huán)節(jié)構(gòu)成。典型液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一種以徑向鉆孔泵為調(diào)速器（感應(yīng)機(jī)構(gòu)）、采用帶兩級放大斷流式雙側(cè)進(jìn)油油動(dòng)機(jī)（傳動(dòng)放大機(jī)構(gòu)）、采用提板傳動(dòng)式配汽機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

在液壓調(diào)速系統(tǒng)中，徑向鉆孔泵是常見的一種制造容易、結(jié)構(gòu)簡單的調(diào)速器，徑向鉆孔泵出口油壓的變化量Δp1與汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速的變化量Δω之間成正比例線性關(guān)系，由下式確定：Δp1=2bωΔω （式1-1），b - 一個(gè)由工作介質(zhì)的重度和徑向泵的泵輪結(jié)構(gòu)尺寸決定的常數(shù)。

液壓調(diào)速系統(tǒng)中常見的是一種由壓力變換器、錯(cuò)油門、油動(dòng)機(jī)組成的帶液壓反饋的兩級放大、斷流式雙側(cè)進(jìn)油油動(dòng)機(jī)傳動(dòng)放大機(jī)構(gòu)。

在穩(wěn)定狀態(tài)下，對該種傳動(dòng)放大機(jī)構(gòu)，有：bAΔzp=bBΔm （式1-2）；

bA-泄油口A的寬度，Δzp-壓力變換器活塞移動(dòng)的距離，bB-泄油口B的寬度，Δm-油動(dòng)機(jī)活塞移動(dòng)的距離，式1-2即Δm= bAΔzp/bB （式1-3），由壓力變換器平衡關(guān)系可得：Δzp=ApΔp1/Kp （式1-4）；Ap - 壓力變換器活塞的有效截面積，Δp1- 一次油壓的變化量，Kp-壓力變換器彈簧的倔強(qiáng)系數(shù)；將Δzp代入式1-3得：Δm= （bA/ bB）*（ Ap/ Kp）*Δp1 （式1-5）；若以工作行程表示：Δmmax=（bA/ bB）*（ Ap/ Kp）*Δp1max （式1-6）；調(diào)節(jié)汽閥開方向油動(dòng)機(jī)的行程：Δm=Δmmax-Δm=Δmmax-（bA/ bB）*（ Ap/ Kp）*Δp1 （式1-7）；根據(jù)式1-7，可作出這種系統(tǒng)傳動(dòng)放大機(jī)構(gòu)的靜特性線。

因Δmmax 與調(diào)節(jié)汽閥的最大行程相對應(yīng)，為了保證機(jī)組能夠帶滿負(fù)荷，需保持Δmmax不變。這樣如果我們改變二次油壓泄油口A的寬度bA與反饋油壓泄油口B的寬度bB的比值bA/ bB或壓力變換器彈簧的剛度Kp，就改變了傳動(dòng)放大機(jī)構(gòu)靜特性線的斜率。而Δmmax是保持不變的，即改變了Δp1max。我們知道：Δp1max 對應(yīng)于調(diào)速系統(tǒng)靜特性線上的空、滿載轉(zhuǎn)速變化Δnmax。從而使調(diào)速系統(tǒng)的速度變動(dòng)率發(fā)生了變化。例如，bA/ bB增大，靜特性線斜率由k增大到k，要保持Δmmax大小不變，只有減小Δp1max， Δp1max減小為Δp1max。

相應(yīng)，滿空載速度差Δnmax也減小。所以，速度變動(dòng)率δ是減小的。如果，用較粗的彈簧（剛度KP較大）代替壓力變換器的原彈簧，由式1-7可知，即靜特性線的斜率k減小，同樣，要保持Δmmax不變，只有增大Δp1max，即增大了Δnmax，也就是使速度變動(dòng)率增加了。

在液壓調(diào)速系統(tǒng)中，配汽機(jī)構(gòu)通常采用提板式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。油動(dòng)機(jī)通過三角杠桿及拉桿與裝有調(diào)節(jié)汽閥閥碟的提板相連接，提板上移帶動(dòng)調(diào)節(jié)汽閥開啟。在汽輪機(jī)的正常運(yùn)行中，我們可以認(rèn)為功率僅由蒸汽流量決定的。而油動(dòng)機(jī)的行程和調(diào)節(jié)汽閥的開度成正比關(guān)系。所以，配汽機(jī)構(gòu)的靜特性線的形狀可以由調(diào)節(jié)汽閥的流量特性線的形狀決定。

由感應(yīng)機(jī)構(gòu)靜特性線、傳動(dòng)放大機(jī)構(gòu)靜特性線、配汽機(jī)構(gòu)靜特性線，我們就可以得到液壓調(diào)速系統(tǒng)的靜特性線。因?yàn)椋袘?yīng)機(jī)構(gòu)靜特

性線和傳動(dòng)放大機(jī)構(gòu)靜特性線的形狀都為直線。所以，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜特性線的形狀與配汽機(jī)構(gòu)靜特性線的形狀相似。因此，傳動(dòng)放大機(jī)構(gòu)的遲緩率就決定了該型調(diào)速系統(tǒng)的遲緩率。同步器起到了平移調(diào)速系統(tǒng)靜特性線的作用，在單機(jī)運(yùn)行時(shí)，用它調(diào)整轉(zhuǎn)速，可使機(jī)組在任何負(fù)荷下保持額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行；并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，它可以調(diào)整負(fù)荷分配與參與電網(wǎng)二次調(diào)頻。

DEH調(diào)節(jié)系統(tǒng)其實(shí)質(zhì)也是一種功率-頻率調(diào)節(jié)系統(tǒng)，只不過其給定、綜合比較、PID運(yùn)算功能部分都放在了電子計(jì)算機(jī)中進(jìn)行，它是一種多回路多變量的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，具有較強(qiáng)的適應(yīng)外界負(fù)荷變化和抗內(nèi)擾能力。而前面所說的液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一種單沖量的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)或稱頻率調(diào)節(jié)；這種單沖量頻率調(diào)節(jié)的一個(gè)重要前提是：調(diào)節(jié)汽閥的開度與機(jī)組的功率成一恒定的比例關(guān)系，這個(gè)比例關(guān)系即前面所提到的液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)配汽機(jī)構(gòu)的靜特性。

功率-頻率電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)由三種基本回路組成：

1.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)回路

轉(zhuǎn)速由磁阻轉(zhuǎn)速探頭測得，經(jīng)DAS系統(tǒng)離散化后，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算、邏輯判斷與處理能力完成：與給定值的比較、頻差放大、綜合放大、PID調(diào)節(jié)、生成指令信號等任務(wù)。然后，指令信號經(jīng)過功率放大器，送往電液伺服閥轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤盒盘枺?jīng)錯(cuò)油門和油動(dòng)機(jī)去控制調(diào)節(jié)汽閥。

在DEH調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速信號取自于磁阻探頭發(fā)送的經(jīng)轉(zhuǎn)換后的電壓信號。與徑向泵調(diào)速器相比，不存在油壓波動(dòng)的問題。此電壓信號只隨被側(cè)對象的變化而變化。因而能夠?qū)D(zhuǎn)速實(shí)施更精確的控制。

2.功率調(diào)節(jié)回路

機(jī)組不參與調(diào)頻時(shí)，頻差輸出始終為零。機(jī)組由功率回路進(jìn)行控制。由霍爾測功器測出發(fā)電機(jī)功率電壓信號后，經(jīng)DAS系統(tǒng)數(shù)字量化以后，再與計(jì)算機(jī)中的操作員給定值比較，功差送入PID模塊，最后生成指令信號去控制調(diào)節(jié)汽閥。

3.功率—頻率調(diào)節(jié)回路

機(jī)組參與一次調(diào)頻時(shí)，構(gòu)成功率—頻率調(diào)節(jié)回路，此時(shí)，功率調(diào)節(jié)回路和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)回路均參加工作，是一種功率跟隨頻率的綜合調(diào)節(jié)系統(tǒng)。頻差信號和功差信號在積分放大模塊中比較。穩(wěn)態(tài)時(shí)，頻差輸出與功差輸出大小相等，符號相反。

DEH調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)特性。在功頻電調(diào)系統(tǒng)中，機(jī)組機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定后，內(nèi)回路保持調(diào)節(jié)級汽室壓力等于負(fù)荷給定值，發(fā)電機(jī)負(fù)荷信號也等于給定值，所以，電功率校正回路的PI1輸入信號為0，故得（λp+x）-PE=0，而：x=KΔn （存在不靈敏區(qū)時(shí)，|Δn|>不靈敏區(qū)）=K（n0-n），PE=-Kn+（Kn0+λp），n=（-1/K）PE+（n0+λp/K），PE-發(fā)電機(jī)功率，MW；K-頻率校正環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)，MW·min/r；n、n0—機(jī)組的實(shí)際轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)速，n0=3000r/min；λp-設(shè)定值形成回路輸出的功率給定值，MW；x-經(jīng)頻率校正環(huán)節(jié)以后的轉(zhuǎn)速偏差，MW。

由于DEH系統(tǒng)采用了轉(zhuǎn)速和功率反饋信號，系統(tǒng)具有如圖1的功率-頻率的靜特性線，且有良好的線性關(guān)系。運(yùn)行中變更功率給定值λP，

可使特性曲線平移（曲線2），從而實(shí)現(xiàn)二次調(diào)頻，保證頻率穩(wěn)定。轉(zhuǎn)速不靈敏區(qū)可根據(jù)需要確定，當(dāng)Δn取得足夠大時(shí)，機(jī)組不參與一

次調(diào)頻，其出力只隨功率設(shè)定值而變化（曲線3），圖中為一垂直線。頻率校正環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)反映了系統(tǒng)的速度變動(dòng)率，即δ=1/K，改變K可以改變特性曲線的斜率；同時(shí)改變K和Δn可以改變斜率和縱切距（曲線4），從而獲得不同的系統(tǒng)特性。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳季蘭. 汽輪機(jī)設(shè)備及系統(tǒng).（第二分冊）. 1998.中國電力出版社