[科普中国]-汽轮机调节系统

汽轮机是发电厂的原动机，驱动同步发电机旋转产生电能，向电网输送符合数量和供电品质（电压与频率）要求的电力。由同步发电机的运行特性可知，发电机的端电压决定于无功功率，而无功功率决定于发电机的励磁；电网的频率决定于有功功率，即决定于原动机的驱动功率。因此，电网的电压调节归发电机的励磁系统，频率调节归汽轮机的功率控制系统。这样，机组并网运行时，根据转速偏差改变调节汽门的开度，调节汽轮机的进汽量及焓降，改变发电机的有功功率，满足外界电负荷的变化要求。由于汽轮机调节系统是以机组转速为调节对象，故习惯上将汽轮机调节系统称为调速系统。

汽轮机调节系统的基本组成调节系统主要由转速感受机构、中间放大机构、油动机、配汽机构、同步器及启动装置组成，其原理性框图如图所示。

转速感受机构又称调速器，是将转子的转速信号转变成一次控制信号， 按照工作原理可分为机械式、液压式和电子式三大类。中间放大器对一次控制信号功率放大，并按调节目标做控制运算，产生油动机的控制信号。油动机是一种液压位置伺服马达，按中间放大器的控制信号产生带动配汽机构动作的驱动力，并达到预定的开度位置。配汽机构是将油动机的行程转变为各调节汽门的开度，通过配汽机构的非线性传递特性，汽轮机的进汽量与油动机行程间校正到近似线性关系。同步器作用于中间放大器，产生控制油动机行程的控制信号，单机运行时改变汽轮机的转速，并网运行时改变机组的功率;启动装置在机组启动时用于冲转，并提升转速至同步器动作转速。1

汽轮机直接调节与间接调节系统下图a为汽轮机直接调节系统示意图。当外界电负荷减小时，将使汽轮机转速升高，离心式调速器1的飞锤向外扩张，使滑环A向上移动，通过杠杆2关小调节阀，汽轮机的进汽量减小，汽轮发电机组发出的电功率也相应减小，从而与外界负荷建立起新的平衡；反之亦然。由此可知， 自动调节系统不仅能使机组转速保持在一定的范围内，而且还能使进汽量与功率相平衡。该系统的基本原理可用图b的方框图来表示。在上述调节系统中，调节阀是由调速器本身直接带动的，所以称为直接调节系统。

由于调速器的能量有限，--般难以直接带动汽轮机的调节阀，所以将调速器滑环的位移通过油动机从能量上加以放大后，间接带动汽轮机的调节阀，从而构成间接调节系统。下图a是一种最简单的一级放大调节系统。利用调速器滑环带动错油门滑阀，再借助压力油的作用，使油动机带动调节阀。当外界电负荷减小，转速升高时，调速器滑环A向上移动，通过杠杆2带动错油门5的滑阀向上移动;此时，错油门的上油口与压力油相通，而下油口则与排油口相通，压力油进入油动机上油腔，而其下油腔与回油口相通，所以在油动机活塞上形成较大的压差，推动活塞向下移动，关小调节阀，减小汽轮机的进汽量，从而使机组功率与外界相适应；反之亦然。

当转速升高，调速器滑环带动错油门滑阀上移时，油动机活塞向下移动，而油动机活塞的位移又通过杠杆带动错油门滑阀向下移动；当错油门滑阀恢复到中间位置时，压力油不再与油动机相通，活塞停止运动，机组就达到了新的功率平衡，调节系统也达到了新的平衡状态。油动机活塞的运动是由错油广]滑阀位移所引起的，而活塞位移反过来又影响错油门滑阀的位移，这种作用称为反馈，杠杆2称为反馈杠杆。由于油动机活塞对错油门滑阀的反馈作用与调速器滑环对错油广]滑阀的作用是相反的，所以称为负反馈。下图b为间接调节系统原理方框图。1

汽轮机保护系统机组运行中，一旦从电网中解列、甩去全部电负荷，汽轮机巨大的驱动力矩可使转子快速飞升，为防止超速毁机事故发生，要求调节汽门在极短的时间内全行程关闭。在事故工况下为有效切断汽轮机的蒸汽供给，还必须设置主汽门，即使调节汽门]关闭不快或关闭不严时，也能防止机组超速。此外，对低真空、低润滑油压、大胀差、高振动等危及机组安全的恶性故障， 发生时必须快速停机。因此， 汽轮机除设置调节系统外，还设置保护系统，调节保护 系统全称为控制系统。调节部分控制调节汽门，保护部分控制主汽门，但在主汽门关闭时，保护系统信号作用于调节系统，使调节汽门同时关闭。汽轮机调节保护系统原理性框图如下。

对于不同的功率、不同形式的汽轮机，所设置的保护装置也不完全相同。汽轮机设置以下自动保护装置、超速保护装置、串轴保护装置、低油压保护装置以及低真空保护装置。

汽轮机调节系统的任务(1)在外界负荷与机组功率相适应时，保持汽轮机稳定运行。

(2)当外界负荷发生变化或机组负荷变化时，汽轮机的调节系统能相应的改变汽轮机的功率， 使之与外界或机组负荷相适应，建立新的平衡，并保持汽轮机的工作转速在规定范围内。

(3)对于抽汽式汽轮机，当工况发生变化时，调整抽汽压力在规定范围内。汽轮机的调节系统，除接受汽轮机的转速变化信号外，还应接受被驱动机械所发的信号，即具有双脉冲调节装置。信号经放大，最后控制调节气阀的开度，改变进入汽轮机的蒸汽量， 以适应外界负荷或蒸汽状态的变化， 使汽轮机的转速保持在一定范围内。当机组转速增加时， 应迅速关小调节气阀;当机组转速减小时，则应迅速开大调节气阀，以建立新的平衡。调节系统还应满足工艺系统的要求，保证机组定转速运行和变转速运行。石油化工装置中的工业汽轮机，都是靠调节系统自动完成这一任务。2

汽轮机调节系统的要求(1)调节系统应保证机组在额定的参数下，安全、平稳地满负荷至零负荷范围内运行。当参数和频率在允许范围内变动时，调节系统应能使机组平稳地在满负荷至零负荷范围内运行，保证汽轮发电机组能顺利地并网和解列。

(2)当主气阀全开和蒸汽参数在额定情况下，调节系统应能维持汽轮机在空负荷下稳定运行，转速不应有明显摆动;当负荷变化时，调节系统应能保证机组平稳地从一个工况过渡到另一工况，不发生较大的和长期的负荷摆动(摆动值不大于额定负荷的2% )。

(3)由满负荷突然降到空负荷时，能使汽轮机转速保持在危急保安器动作转速以下。

(4)同步器的工作范围，空负荷的转速应保证在额定转速的95% ~ 107%范围内，调节系统的速度变动率般在4% ~6%范围内；迟缓率应在0.5%以内。

(5)当危急保安装置动作后，应保证主气阀、调节气阀迅速关闭，主气阀的关闭时间应不大于1s。

(6)变速调节汽轮机的调节，除接受机组转速信号外，还应接受被驱动机械所发出的信号， 即应有双脉冲调节装置。2

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张静 - 副教授 - 西南大学