摘要：在汽輪發(fā)電機組控制系統(tǒng)中，機組的轉(zhuǎn)速是一個非常重要的控制變量。它不僅僅體現(xiàn)在升透過程中作為唯一的被調(diào)量，在并網(wǎng)運行中它體現(xiàn)了機械能與電功能的平衡關(guān)系，反映了供電質(zhì)量，而且也是衡量機組安全運行的重要指標。大型機組常配套穩(wěn)定可靠的速度調(diào)節(jié)保護系統(tǒng)，對轉(zhuǎn)速進行嚴密的監(jiān)視與控制。

　　關(guān)鍵詞：WoodWord505,WoodWord203,超速保護,三選二邏輯

　　汽輪機是一種高溫、高壓、高速旋轉(zhuǎn)的機械設(shè)備，故在汽輪發(fā)電機組控制系統(tǒng)中，機組的轉(zhuǎn)速是一個非常重要的參量。DEH對汽輪機的控制任務之一就是控制轉(zhuǎn)速在我們需要的范圍之內(nèi)以及在機組超速時迅速作出保護。

　　我司作為國內(nèi)大型的汽輪發(fā)電機組制造企業(yè)，生產(chǎn)額定轉(zhuǎn)速為6000rpm/min的高速高效率汽輪機，有一套完善安全可靠的速度調(diào)節(jié)保護系統(tǒng)。我司的速度調(diào)節(jié)保護系統(tǒng)主要有DEH調(diào)節(jié)系統(tǒng)及TSI保護系統(tǒng)構(gòu)成，其中DEH系統(tǒng)主要有美國WoodWord 505數(shù)字式速度調(diào)節(jié)器及WoodWord CPCII電液轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，TSI速度保護系統(tǒng)主要有WoodWord 203邏輯三選二超速保護裝置構(gòu)成。此外，為運行維護方便，還配置了人機接口站和工程師站等工具。

　　1.DEH速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)

　　1.1 DEH高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)基本原理

　　在DEH速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，通常將汽輪發(fā)電軸系看作一個整體旋轉(zhuǎn)剛體。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動方程為：J*dω/dt=MT-MG-Mƒ (1-1)

　　式中：J：汽輪發(fā)電機組轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量(Kg.m.s2)

　　ω：轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量(s-1)

　　MT：汽輪機蒸汽轉(zhuǎn)矩(N.m)

　　MG：發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩(N.m)

　　Mƒ：各種阻力矩(N.m)

　　轉(zhuǎn)動慣量對于特定的機組安裝完成后，即為一常數(shù)，DEH要控制的轉(zhuǎn)速n與角速度ω成正比。

　　ω=2πƒ=2πn/60 (1-2)

　　式中：ƒ：頻率(s-1)

　　n：轉(zhuǎn)速(r/min)

　　根據(jù)汽輪機的工作原理知，汽輪機矩MT為：

　　MT=4.73DH0η0e/n (1-3)

　　其中：D：進入汽輪機的蒸汽流量(kg/n)

　　H0：絕熱焓降(kj/kg)

　　η0：汽輪機相對效率

　　n：轉(zhuǎn)速(r/min)

　　發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩MG，它主要取決于負載的特性，可表示為：

　　MG =k1+k2.n+k3.n2 (1-4)

　　其中：k1，k2，k3為隨機變量，且均為正值。

　　各種阻力矩Mƒ，它與轉(zhuǎn)速，真空，軸系油溫等根本因素有關(guān)，可視隨轉(zhuǎn)速增大的隨機變量。

　　由(1-1)可知，若由于某種原因n↑→MT↓，MG↑，Mƒ↑→dω/dt<0，n↓，n重新歸到平衡位置。這種現(xiàn)象屬汽輪機的自平衡能力。但其對于n的調(diào)節(jié)能力是非常有限的。故必須借助于汽輪機速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)。而汽輪機的速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)就通過增(減)氣輪機的進氣量(或進氣參數(shù))而改變動力距的大小，使其與阻力矩的變化相平衡(即改變氣輪機的功率)使其與外界負荷的變化相適應)，從而保持機組轉(zhuǎn)速基本不變的過程，稱為汽輪機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。從(1-3)可以看出，只要采用適當?shù)氖侄慰刂破啓C的D，就能改變MT，使MT始終跟隨MG變化，以維持轉(zhuǎn)速n即供電頻率在規(guī)定范圍內(nèi)，滿足國家對供電品質(zhì)的要求。

　　在調(diào)節(jié)速度的過程中，我司DEH系統(tǒng)是通過WOODWORD 505的速度目標值及速度反饋值，經(jīng)過內(nèi)部PID運算，輸出4~20mA信號至電液轉(zhuǎn)換器WoodWord CPCII，通過調(diào)節(jié)執(zhí)行機構(gòu)(油動機)來控制安裝在進汽口上的調(diào)節(jié)汽閥來改變MT，以調(diào)節(jié)汽輪機的轉(zhuǎn)速。我司DEH轉(zhuǎn)速/功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理圖如下：

　　1.2 我司DEH系統(tǒng)的速度調(diào)節(jié)主要功能

　　(1)轉(zhuǎn)速控制這是DEH最基本，也是最重要的功能。通過改變WoodWord505轉(zhuǎn)速設(shè)定值(手動或自動)可使機組啟動、升速，或維持在某一固定轉(zhuǎn)速，DEH系統(tǒng)通過WoodWord505的PID調(diào)節(jié)一般都能達到0.1%的轉(zhuǎn)速控制精度。此外，通過DEH的人機界面還可方便地對機組的升速率進行設(shè)置，而在機組過臨界轉(zhuǎn)速時則能按預先設(shè)好的升速率自動高速沖過臨界轉(zhuǎn)速。而且，由于系統(tǒng)控制精度較高，DEH系統(tǒng)在最大升速率下機組轉(zhuǎn)速控制的超調(diào)量一般都小于0.15%，能確保汽輪發(fā)電機組安全穩(wěn)定地運行。

　　(2)頻率控制，當發(fā)電機斷路器閉合而電網(wǎng)斷路器斷開時，轉(zhuǎn)速PID以頻率控制方式運行，機組將運行于恒定轉(zhuǎn)速或頻率而與其實際負荷無關(guān)，此時轉(zhuǎn)速給定值立即躍變至額定轉(zhuǎn)速，使汽輪發(fā)電機組在額定轉(zhuǎn)速或額定頻率下運行，而通過調(diào)節(jié)油動機進汽閥開度來平衡電網(wǎng)內(nèi)負荷的波動。

　　(3)負荷控制，當發(fā)電機斷路器和電網(wǎng)斷路器都閉合時，汽輪發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率相對應，通過引入功率不等率5%(即速度設(shè)定值6000至6300轉(zhuǎn)，線性對應零至額定負荷)，PID能夠控制不等率使其能控制機組負荷，當電網(wǎng)頻率降低或提高時，根據(jù)機組的不等率設(shè)定值其負荷相應增加或減少，使電網(wǎng)更加穩(wěn)定。

　　2.超速保護系統(tǒng)

　　我司的汽輪機超速保護系統(tǒng)是以WoodWord203為核心，WoodWord505輔助，三冗余超速保護，以保證超速保護系統(tǒng)安全可靠。

　　2.1 103%超速預警

　　汽輪機是高溫、高壓、大功率高速旋轉(zhuǎn)機械，轉(zhuǎn)子的慣性相對于汽輪機的驅(qū)動力矩很小。機組運行中一旦突然從電網(wǎng)中解列甩去全部電負荷，汽輪機巨大的驅(qū)動力矩作用在轉(zhuǎn)子上，使轉(zhuǎn)速快速飛升。

　　我司DEH系統(tǒng)中，具備103%超速預警功能，當轉(zhuǎn)速高于6180r/min時，Woodword505上的繼電器輸出控制信號至電磁加速器電磁閥，將二次油壓降至零，從而關(guān)閉油動機上的進汽閥。直至汽輪機的轉(zhuǎn)速降至6000r/min時，WoodWord 505切除繼電器動作，此時PID參與控制轉(zhuǎn)速，使汽輪機的轉(zhuǎn)速平穩(wěn)地控制在6000r/min。其動作快速、準確，對汽輪機是一個極好的保護。

　　2.2 超速保護

　　(1)TSI超速保護

　　WoodWord203采用三個相互獨立的轉(zhuǎn)速測量傳感器及其輸入回路，以獲得三個獨立的轉(zhuǎn)速信號，每一個轉(zhuǎn)速信號與其上、下限制進行比較，以判斷其前向通道工作是否正常，然后三個轉(zhuǎn)速信號兩兩進行等值比較，以判斷信號處理通道是否正常，只有在確認轉(zhuǎn)速信號可靠時，WoodWord203系統(tǒng)才采用。信號經(jīng)處理后、計算出三路汽機轉(zhuǎn)速值，并進行相應的邏輯運算及判斷，再通相應的繼電器去或觸發(fā)保護系統(tǒng)。該超速保護采用了三冗余轉(zhuǎn)速輸入方式、三選二保護邏輯及具有在線試驗的能力，其可靠性非常高。

　　通常WoodWord203的超速設(shè)定值為額定轉(zhuǎn)速的110%,當轉(zhuǎn)速高于6600r/min時，保護可在20ms內(nèi)快速作出反應，保護動作信號通過繼電器輸出至停機電磁閥，迅速關(guān)閉主汽門及調(diào)節(jié)汽門。

　　(2)WoodWord505超速保護

　　WoodWord505采用兩冗余轉(zhuǎn)速輸入方式，具有一定的可靠性，通常超速設(shè)定值比WoodWord203大30r/min，作為超速冗余保護，只有當WoodWord203超速保護裝置出現(xiàn)故障時，且轉(zhuǎn)速大于6630r/min時，觸動超速保護，輸出相關(guān)動作。

　　3.結(jié) 語

　　近年來，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模的逐漸擴大，干擾汽輪機組轉(zhuǎn)速控制的因素增多了，這就要求汽輪發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)保護系統(tǒng)也越來越完善。而我司的汽輪發(fā)電機組產(chǎn)品遍布全國各省市及亞、非、拉等世界各國，且經(jīng)過長期的安全、穩(wěn)定運行，并獲得用戶的一致好評，事實證明了我司汽輪發(fā)電機組速度調(diào)節(jié)保護系統(tǒng)具有安全、穩(wěn)定、可靠的特點。

　　參考文獻：

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