汽轮机升速控制系统分析

潘静晖

摘要：本文从以下两方面分析了汽轮机升速控制系统：转速信号的采集处理和目标转速，使汽轮机升速控制技术更完善。

关键词：汽轮机；升速；控制

汽轮机控制的最重要的一点即是转速控制，由于机组系统复杂，转速控制的稳定与否直接影响到整个汽轮发电机组的稳定性，上个世纪汽轮机的转速控制基本上都是由液压调速系统构成的，该系统结构复杂，在机组投运前的调试难度相当大，而且其运行的可靠性比较底，维护也十分的不方便。目前调速系统已经进入了一个崭新的阶段，不论是控制精度、自动化程度、维护方便程度都到了一个相当的高度。当然在转速控制方面，目前也有多种不同的方式，通常转速闭还控制

是一种常用的控制方式，此种方式的优点在于无论机组运行工况怎么变化，最终控制系统都将能把机组转速控制在我们的目标转速值上，其控制精度在千分之一以内，按照国内网频50Hz计算，汽轮机的并网转速也就是我们控制的目标转速为3000r/min，实际上在机组参数稳定后，我们的控制系统基本上可以把转速控制在3000r/min±2r/min以内。目前我们国内600MW等级以下的机组基本上都采用该控制方式。实践证明该种控制方式是切实可行的。作为1000MW等级的机组，我们仍然可以考虑采用这样的控制方式，虽然如此，该方式也有其不利的地方，汽轮发电机组的转速虽然得到了有效的控制，但是汽轮机升速的加速过程无法得到有效的控制，汽轮机的运行必须是平稳的，不允许较大的波动，虽然我们在转速闭还控制中做了相应的处理，但是却没有从根本上解决问题，当然这与系统本身的特性有很大的关系，最主要的是实际加速度的测量比较困难，目前我们采用的基本上都是软件测量法，即两个测量周期的差值进行计算得出，该方法测得的加速度准确与否主要取决于控制器本身的性能及信号采集系统的可靠性和快速性，目前我们常规控制系统的控制周期一般的都是100ms，只有日立的控制系统的控制周期在30 ms以内，因此，我们在1000MW等级的汽轮机控制系统选用了日立的系统，采用该系统，结合该系统的性能，我们在这转速闭还控制的基础上增加了加速度控制，该控制方式的优点在于我们不仅仅只控制汽轮机转速，我们把汽轮机的加速度也同时进行了控制，使得机组的加速过程得到了有效的控制。鉴于加速度采集的难度，在升速初期，我们直接采用了加速度控制，只有在实际转速接近目标转速时，我们才切换到采用转速闭还控制。

1.转速信号的采集处理

对于转速信号的采集，为了信号的准确可靠，我们采用三冗余的模式，现场采用三个转速探头进行信号采集。通常在机组的前箱部分有一个与转子连接在一起的测速齿盘，相应的设计有安装转速探头的测速支架，测速支架的作用即是固定转速探头。在安装时一般都要求转速探头的端部距离测速齿盘齿顶的距离为0.8～1.2mm，如果距离过大，则感应电势越小，其抗干扰的能力也就越低，如果距离太小，探头端部容易与测速齿盘齿顶产生摩擦碰撞，使得测速元件损坏，因无

法采集转速信号而造成重大事故。转速探头的种类也比较多，但是在汽轮机控制上目前采用两种探头，一种是电涡流探头，一种是磁阻式探头，通常我们的转速处理模件在转速输入时都有一定的门槛电压值，而在低转速时探头感应的电压值是相当低的，因此一般在低转速时我们的转速模件通常很难检测到转速。相比之下电涡流探头由于增加了一级前置放大，其输出的感应电压经过放大后再进入转速处理模件，因此采用电涡流探头我们可以检测到很低的转速值，其性能更高，

但是价格也比较高。在大功率汽轮机的控制中，我们首选的是电涡流探头，该探头可以检测到盘车转速，通常盘车转速小于 4 r/min。而 1000MW 机组的盘车转速为 2.5 r/min，而磁阻式探头一般要 30 r/min 以上才能检测到。

当齿盘随主轴转动时，探头的铁芯与齿盘之间的间隙便不断的变化，每经过一齿，气隙磁阻变化一次，磁路的磁通量也随之变化，套在铁芯上的线圈就感应出一个交变波形电势，此感应电势即为测速探头的输出信号。

设齿盘齿数为 z，汽轮机轴的转速为 n，则输出信号的频率为：

（1-1）

当齿数一定时，频率 f 与汽轮机的转速 n 成正比。因此，只要测得频率 f，就可以计算得出被测转速 n。

对于转速信号这种汽轮机控制中非常重要的信号，我们都设计为三重冗余的模式。

转速信号进入控制系统后，需要进行逻辑三取二处理，同时进行信号质量的检测，最后输出实际的汽轮机转速同时给出转速信号质量的状态。

2.目标转速

机组各项启动条件都具备以后，汽轮机可以进行升速，在机组挂闸后，运行人员可以通过控制系统的操作员站 CRT 上的按钮设置目标转速，根据机组本身的特性，该目标转速有 200、700、1500、3000 四档。1000MW 机组通常设定的这四档目标值与其机组的顺利完成冲转有密切关系。

第一档 200r/min 是摩擦检查转速，该目标转速值的设定是为了在机组低速转动时进行转子叶片与汽缸之间的摩擦检查。由于设计的汽轮机汽缸与转子叶片的间隙非常小，同时新建的机组都是在现场完成安装的，为了保证机组的安装和设计都没有问题，在汽轮机安装盖缸以后，必须进行缸体与转子叶片等之间的摩擦检查。转子在蒸汽进入汽缸后低速转动，一方面可以较好的检查摩擦，另一方面，即使真的存在摩擦，在低速转动的情况下能有效的降低由于摩擦带来的设备损失。控制系统在这里的作用是控制汽轮机的转速达到 200r/min 后，由运行人员发出指令全关机组的所有调节汽阀，同时在汽轮机平台上采用设备及人员监听的方式确认机组转动时无摩擦现象，如果有摩擦，必须马上停机检查，如果确认没有摩擦现象，则机组可以继续升速。

第二档 700r/min 和第三档 1500r/min 是低速暖机和中速暖机转速点。汽轮机从总体上可以分成两大部分，其一是汽缸，其二是转子，在冲转过程中，随着蒸汽进入汽缸，汽缸、转子等由于受到热交换，会逐渐受热膨胀，根据热力学理论可知，受热汽缸和转子都会膨胀，由于其结构不同，各自的膨胀量也是不同的，由此就产生了汽缸的热膨胀量，转子的轴向位移量，同时由于受热各自的材料还受到热应力的作用。机组冲转后，各个部件就形成了相对运动，使得轴系上产生振动，振动过大的话会损坏汽轮机设备，为了减小这些负面的影响，其中的一个办法是在升速过程中尽量使机组受热均匀，让蒸汽的热冲击减小到最低，我们设计了低速暖机点和中速暖机点。当汽轮机升速到该暖机点后，机组维持在该点平衡，随着时间的推移，机组各部分相对暖透，应力降到最低，汽缸也膨胀开。在这种情况下，我们才能进一步往下一个目标转速冲转。

第四档 3000r/min 是汽轮机的额定转速目标。由于我国的供电均为 50Hz，其对应的转速即为 3000r/min，因此汽轮机均需要升速到该转速值。

升速过程必须根据机组的实际情况选择合适的目标转速值。例如在新机组第一次启动时，上述几个目标转速值必须一步一步的进行，而且在到达目标值后也需要根据机组的运行状态及汽缸的金属温度变化情况进行暖机。

3.结束语

汽轮机升速控制系统是一个重要的研究课题，它直接关系到机组的整体性能和效率的提高，计算机技術在电厂中的广泛应用，使汽轮机升速控制系统技术变得更为完善，从而实现对汽轮机的转速、功率、汽压等最终目标的控制，为汽轮机阀门管理精度的提高打下了坚实的基础。