摘要：汽輪機(jī)機(jī)械液壓式調(diào)節(jié)系統(tǒng)在并網(wǎng)前后均為單純的轉(zhuǎn)速比例調(diào)節(jié)。汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng) DEH 在并網(wǎng)前為轉(zhuǎn)速 PID 無差調(diào)節(jié)，并網(wǎng)后可根據(jù)需要選擇功控、壓控、閥控及 CCS 協(xié)調(diào)等多種控制方式，以滿足不同運(yùn)行工況需要。經(jīng)仿真計(jì)算及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)得知，為了提高轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)品質(zhì)，要求輸入輸出信號(hào)的延遲時(shí)間短， 油動(dòng)機(jī) 動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速且關(guān)閉時(shí)間短。

關(guān)鍵詞： DEH ；汽輪機(jī)；控制系統(tǒng)

1 　 DEH 控制系統(tǒng)概述

1.1 　汽輪發(fā)電機(jī)組控制對(duì)象

鍋爐產(chǎn)生的過熱蒸汽經(jīng)高壓 主汽閥 、高壓調(diào)節(jié)閥節(jié)流后進(jìn)入汽缸膨脹做功，使汽輪機(jī)葉片得到旋轉(zhuǎn)機(jī)械功率。葉片帶動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。發(fā)電機(jī)切割磁力線產(chǎn)生的電能經(jīng)電網(wǎng)輸送給電力用戶使用。如圖 1 所示。

圖 1 DEH 控制系統(tǒng)示意圖

在機(jī)組正常運(yùn)行期間，通常幾臺(tái)發(fā)電機(jī)接入當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)并列運(yùn)行，向當(dāng)?shù)赜秒娫O(shè)備供電。大部分機(jī)組與遠(yuǎn)方國(guó)家電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，以提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性、可靠性。

在此汽輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子可看作是剛性的。蒸汽膨脹做功產(chǎn)生的機(jī)械功率 N _T 與發(fā)電機(jī)電磁功率 N _G （有功功率）和損耗功率 N _TW 之差對(duì)機(jī)組轉(zhuǎn)子做功，使轉(zhuǎn)子動(dòng)能增加?？傻棉D(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程式（ 1 ）。

式中： J _T   為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ω _T 為角速度。

機(jī)械功率與汽輪機(jī)進(jìn)汽質(zhì)量流量及進(jìn)出蒸汽焓降成正比。發(fā)電機(jī)電磁功率與功角（電樞感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與母線電壓的夾角）的正弦成正比。損耗功率與摩擦、鼓風(fēng)等因素有關(guān)。

對(duì)式（ 1 ）作歸一化處理后，得轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù) T _a ，由式（ 2 ）給出。

式中：ω _e 為額定角速度； N _Ge 為額定功率。

汽輪機(jī)的機(jī)械功率與進(jìn)入汽缸的蒸汽質(zhì)量流量成正比。進(jìn)汽流量由式（ 3 ）給出，因此通過改變調(diào)節(jié)閥開度即可控制機(jī)組功率。

其中： P _g 為調(diào)節(jié)閥前蒸汽壓力；  T _g 為調(diào)節(jié)閥前的蒸汽溫度；  V _g 為調(diào)節(jié)閥的有效開度； K _g 為流量系數(shù)。

在汽輪機(jī)暖機(jī)、升速啟動(dòng)階段，汽輪機(jī)需要的蒸汽流量很少。需要開啟旁路系統(tǒng)保證鍋爐的最小蒸汽流量，以維持鍋爐各系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。利用旁路系統(tǒng)的壓力反饋控制，維持蒸汽壓力穩(wěn)定。蒸汽溫度必須與汽輪機(jī)金屬溫度相匹配，以降低啟動(dòng)過程中的熱應(yīng)力。

在機(jī)組正常運(yùn)行期間，旁路閥全關(guān)避免能量損失。機(jī)組發(fā)電功率需要及時(shí)跟隨電網(wǎng)用電負(fù)荷變化，以維持供電頻率穩(wěn)定。同時(shí)汽輪機(jī)的耗汽量也會(huì)隨之變化。為了維持蒸汽壓力穩(wěn)定，蒸汽的蒸發(fā)量也必須跟隨變化。

在某些特殊工況下（如甩負(fù)荷等），必須迅速關(guān)小進(jìn)汽閥門，防止汽輪機(jī)超速。必要時(shí)需迅速全開旁路閥、鍋爐 PCV 閥 全開、甚至打開鍋爐安全閥，以防止鍋爐超壓。

鍋爐燃燒、吸熱、蒸發(fā)過程是一個(gè)大慣性、大滯后環(huán)節(jié)，汽機(jī)突然增加的耗汽量，只能靠鍋爐蒸汽、金屬中的蓄能提供短時(shí)支撐，此時(shí)蒸汽壓力、溫度會(huì)很快下降。鍋爐控制系統(tǒng)應(yīng)迅速增加燃料量及給水量，使蒸發(fā)量及時(shí)滿足汽輪機(jī)的需要。為了維持汽水系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，必須設(shè)法限制汽機(jī)的突增負(fù)荷量。

1.2 　DEH 控制策略

DEH 控制器采集汽輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速、功率、壓力信號(hào)，作為調(diào)節(jié)系統(tǒng)的反饋量，與控制器生成的轉(zhuǎn)速給定、功率給定、壓力給定信號(hào)進(jìn)行比較，經(jīng)調(diào)節(jié)器、保護(hù)限制、閥門管理及伺服控制運(yùn)算后，調(diào)整調(diào)節(jié)閥開度，使被控參數(shù)跟隨給定值變化，以滿足機(jī)組啟動(dòng)、運(yùn)行要求。在緊急工況下，保護(hù)打閘邏輯迅速關(guān)閉主汽閥、調(diào)節(jié)閥，以保證機(jī)組設(shè)備安全。

在啟動(dòng)升速階段，油開關(guān)斷開， DEH 控制系統(tǒng)進(jìn)入脫網(wǎng)狀態(tài)。 DEH 采用轉(zhuǎn)速 PID 算法調(diào)整調(diào)節(jié)閥開度?？刂七M(jìn)入汽缸的蒸汽產(chǎn)生的機(jī)械功率，克服汽輪機(jī)的損耗功率，將機(jī)組轉(zhuǎn)速提升到 同步轉(zhuǎn)速 。

同期并網(wǎng)后，油開關(guān)合閘， DEH 控制系統(tǒng)進(jìn)入并網(wǎng)狀態(tài)。 DEH 可采用多種控制方式（功控、壓控、閥控、協(xié)調(diào)等）調(diào)整調(diào)節(jié)閥開度。按電網(wǎng)用電負(fù)荷需要調(diào)整鍋爐蒸發(fā)量及發(fā)電功率，維持供電頻率為額定值。

在機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電階段，機(jī)組轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率同步，且隨電網(wǎng)總的發(fā)電功率與用電負(fù)荷差值變化。在大電網(wǎng)中，由于單機(jī)功率占比很小，對(duì)電網(wǎng)頻率影響也很小。因此當(dāng)改變汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥開度時(shí)，發(fā)電機(jī)功率會(huì)有顯著變化，而機(jī)組轉(zhuǎn)速幾乎穩(wěn)定不變。在孤立小電網(wǎng)中，由于單機(jī)功率占比很大，對(duì)電網(wǎng)頻率影響也很大，為了維持供電頻率即機(jī)組轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，主要依靠汽機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的 一次調(diào)頻 和二次調(diào)頻作用，使汽輪機(jī)輸出功率及時(shí)跟隨電網(wǎng)負(fù)荷變化。

當(dāng)電網(wǎng)突然甩負(fù)荷時(shí)，需要 OPC 快關(guān)電磁閥及時(shí)動(dòng)作，迅速關(guān)閉調(diào)節(jié)閥抑制最大飛升轉(zhuǎn)速。然后交由調(diào)節(jié)系統(tǒng)將機(jī)組轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在額定值上，盡快恢復(fù)供電。

2 　汽輪機(jī)調(diào)節(jié)原理

2.1 　機(jī)械液壓式調(diào)節(jié)系統(tǒng)

汽輪機(jī)機(jī)械液壓式調(diào)節(jié)系統(tǒng)在啟動(dòng)升速及并網(wǎng)帶負(fù)荷期間均采用轉(zhuǎn)速比例調(diào)節(jié)。同步器馬達(dá)位置作為給定轉(zhuǎn)速與調(diào)速泵感應(yīng)的轉(zhuǎn)速信號(hào)差值，經(jīng)調(diào)速器滑閥、中間滑閥放大后，控制調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)開度。調(diào)節(jié)閥有效開度與蒸汽壓力相乘得蒸汽流量，在汽缸中膨脹做功，克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。如圖 2 所示。

圖 2  機(jī)械液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)簡(jiǎn)化框圖

機(jī)械液壓式調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)合汽輪機(jī)被控對(duì)象，采用 MATLAB 仿真工具建立模型，進(jìn)行仿真計(jì)算。假設(shè)蒸汽壓力為額定值不變。設(shè)置參數(shù)：不等率δ =5% ，調(diào)速器滑閥時(shí)間常數(shù) T ₂ =0.05s ，中間滑閥時(shí)間常數(shù) T ₃ =0.05s ，油動(dòng)機(jī)時(shí)間常數(shù) T ₄ =0.5 、 1 、 2s ，調(diào)速泵時(shí)間常數(shù) T ₁ =0.01s ，汽缸容積時(shí)間常數(shù) T _c =0.1s ，轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù) T _a =8s ，發(fā)動(dòng)機(jī)阻尼系數(shù) C _D =25 ，發(fā)動(dòng)機(jī)功角積分時(shí)間 T _r =0.0038s 。在擾動(dòng)很小時(shí)，滑閥、油動(dòng)機(jī)等未到達(dá)限幅值，在平衡點(diǎn)附近仿真，可按線性系統(tǒng)模擬。升速階段油開關(guān)斷開，給定轉(zhuǎn)速在 1s 時(shí)階躍變化 1% ，機(jī)組轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線如圖 3 所示。最大轉(zhuǎn)速、調(diào)節(jié)時(shí)間如表 1 所示。

圖 3  機(jī)械液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)給定轉(zhuǎn)速 1% 階躍曲線

表 1  轉(zhuǎn)速給定階躍響應(yīng)曲線數(shù)據(jù)表

并網(wǎng)階段油開關(guān)合閘，給定轉(zhuǎn)速在 1s 時(shí)階躍變化 0.5% ，機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)曲線如圖 4 所示。調(diào)節(jié)時(shí)間如表 2 所示。

圖 4  機(jī)械液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)給定轉(zhuǎn)速階躍 0.5% 負(fù)荷響應(yīng)曲線

表 2  轉(zhuǎn)速給定階躍 0.5% 負(fù)荷響應(yīng)曲線數(shù)據(jù)表

在擾動(dòng)較大時(shí)，滑閥、油動(dòng)機(jī)會(huì)到達(dá)限幅值。在 1 s  時(shí)油開關(guān)跳閘甩 1 0 0% 負(fù)荷，   不同延遲時(shí)間 T _d =0.05~0.5s 后 OPC 快關(guān)電磁閥動(dòng)作，調(diào)節(jié)閥迅速全關(guān)。閥門后的余汽使轉(zhuǎn)速升到最大值后，轉(zhuǎn)速按惰走曲線下降。 OPC 電磁閥復(fù)位后，在轉(zhuǎn)速比例調(diào)節(jié)作用下，最后將轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在 105% 。機(jī)組轉(zhuǎn)速飛升曲線如圖 5 所示。最大轉(zhuǎn)速、調(diào)節(jié)時(shí)間如表 3 所示。

圖 5  機(jī)械液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)甩 100% 負(fù)荷轉(zhuǎn)速飛升曲線

表 3  轉(zhuǎn)速飛升曲線數(shù)據(jù)表

2.2 　轉(zhuǎn)速 PID 調(diào)節(jié)

DEH 引入了發(fā)電機(jī)主油開關(guān)信號(hào)，將系統(tǒng)分為脫網(wǎng)狀態(tài)、并網(wǎng)狀態(tài)兩種。在脫網(wǎng)狀態(tài)下即啟動(dòng)升速階段，采用轉(zhuǎn)速 PID 無差調(diào)節(jié)方式，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確控制實(shí)際轉(zhuǎn)速。如圖 6 所示。

發(fā)電機(jī)實(shí)際為并網(wǎng)狀態(tài)， DEH 錯(cuò)誤地判斷為脫網(wǎng)狀態(tài)時(shí)，在轉(zhuǎn)速 PID 的作用下，若電網(wǎng)頻率高于 50Hz ，調(diào)節(jié)閥會(huì)逐漸全關(guān)，反之全開。系統(tǒng)無法穩(wěn)定運(yùn)行。

圖 6  轉(zhuǎn)速 PID 調(diào)節(jié)系統(tǒng)簡(jiǎn)化框圖

由于 DEH 為離散控制系統(tǒng)，從轉(zhuǎn)速測(cè)量、主控單元邏輯運(yùn)算到伺服控制輸出的延遲時(shí)間對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響較明顯。

轉(zhuǎn)速 PID 調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真計(jì)算。設(shè)置參數(shù)：放大倍數(shù) Kp=20 ，積分時(shí)間 TI=10s ，油動(dòng)機(jī)時(shí)間常數(shù) T ₄ =0.3s ，轉(zhuǎn)速測(cè)量時(shí)間常數(shù) T ₁ =0.01s ，輸入輸出延遲時(shí)間 T _τ =0.05 、 0.1 、 0.2 、 0.25s ，汽缸容積時(shí)間常數(shù) T _c =0.1s ，轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù) T _a =8s 。轉(zhuǎn)速給定在 1s 時(shí)階躍變化 1% ，機(jī)組轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線如圖 7 所示。最大轉(zhuǎn)速、調(diào)節(jié)時(shí)間如表 4 所示。

圖 7  轉(zhuǎn)速 PID 調(diào)節(jié)系統(tǒng)給定轉(zhuǎn)速 1% 階躍曲線

表 4  轉(zhuǎn)速給定階躍響應(yīng)曲線數(shù)據(jù)表

在 1s 時(shí)油開關(guān)跳閘甩 100% 負(fù)荷，延遲 0.2s 快關(guān)電磁閥動(dòng)作， OPC 電磁閥及時(shí)動(dòng)作，調(diào)節(jié)閥全關(guān)。 OPC 電磁閥復(fù)位后，在 22.25 秒首次達(dá)到額定值，在轉(zhuǎn)速 PID 調(diào)節(jié)作用下，最后將轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在額定值，以便故障恢復(fù)后再次并網(wǎng)發(fā)電。機(jī)組轉(zhuǎn)速飛升曲線如圖 8 所示。最大轉(zhuǎn)速、調(diào)節(jié)時(shí)間如表 5 所示。

表 5  轉(zhuǎn)速給定階躍響應(yīng)曲線數(shù)據(jù)表

圖 8 DEH 調(diào)節(jié)系統(tǒng)甩 100% 負(fù)荷轉(zhuǎn)速飛升曲線

2.3 　閥控調(diào)節(jié)

在并網(wǎng)狀態(tài)下，采用轉(zhuǎn)速比例調(diào)節(jié)方式，形成機(jī)組功率隨轉(zhuǎn)速下降而增大的一次調(diào)頻靜特性，以支持各機(jī)組能并列運(yùn)行。在閥控方式下，給定轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值，經(jīng)不等率放大，與給定閥位疊加后，控制油動(dòng)機(jī)開度。如圖 9 所示。

圖 9  閥控調(diào)節(jié)系統(tǒng)簡(jiǎn)化框圖

在閥控方式下的調(diào)節(jié)特性與機(jī)械液壓系統(tǒng)相似。轉(zhuǎn)速變化一個(gè)不等率，對(duì)應(yīng)總閥位給定（流量指令）在額定壓力下的空負(fù)荷、滿負(fù)荷變化量。靜特性曲線如圖 10 所示。實(shí)際功率變化量不僅與轉(zhuǎn)速有關(guān)，而且與蒸汽壓力也有關(guān)。若鍋爐蓄能少，調(diào)節(jié)閥開大，蒸汽壓力降低，功率增量就小，這樣對(duì)鍋爐維持壓力穩(wěn)定是有利的。但蒸汽壓力波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致機(jī)組功率變化，不能嚴(yán)格按調(diào)度指令調(diào)整機(jī)組功率。閥控方式主要用于孤立電網(wǎng)環(huán)境。

給定閥位信號(hào)可從機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)來，以方便實(shí)現(xiàn)機(jī)爐協(xié)調(diào)控制。

圖 10  閥控方式轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)靜特性圖

2.4 　功頻調(diào)節(jié)

在功控方式下，給定功率與實(shí)際功率的偏差，經(jīng) PID 運(yùn)算后控制油動(dòng)機(jī)開度。穩(wěn)態(tài)時(shí)機(jī)組功率等于給定值。為了維持電網(wǎng)頻率穩(wěn)定，在給定功率處加入了轉(zhuǎn)速偏差修正，形成功率隨轉(zhuǎn)速升高而減少的一次調(diào)頻靜特性。調(diào)節(jié)系統(tǒng)框圖如圖 11 所示。

圖 11  功頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)簡(jiǎn)化框圖

在孤立電網(wǎng)中負(fù)荷增加時(shí)，機(jī)組轉(zhuǎn)速會(huì)降低，應(yīng)增大調(diào)節(jié)閥開度。而功率反饋信號(hào)檢測(cè)到負(fù)荷增加時(shí)，會(huì)關(guān)小調(diào)節(jié)閥開度。為了防止功率反調(diào)，通常在功率信號(hào)回路中設(shè)置了一個(gè)時(shí)間常數(shù)為 3 秒的慣性環(huán)節(jié)。

給定功率信號(hào)可從機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)來，以方便實(shí)現(xiàn)爐跟機(jī)協(xié)調(diào)控制。

穩(wěn)態(tài)時(shí)， PID 調(diào)節(jié)器輸入端為 0 。實(shí)際功率等于給定功率加一次調(diào)頻修正量（只要油動(dòng)機(jī)未到限位值）。靜特性曲線如圖 12 所示。實(shí)際功率 N _T 與實(shí)際轉(zhuǎn)速 n _T 的靜態(tài)關(guān)系可用式（ 4 ）表示。

式中： N _S 為給定功率； n _S 為給定轉(zhuǎn)速。

圖12 功頻調(diào)節(jié)靜特性圖

功率變化量?jī)H與轉(zhuǎn)速有關(guān)，與蒸汽壓力無關(guān)。若鍋爐蓄能少，調(diào)節(jié)閥開大，蒸汽壓力降低，為了保證功率增量調(diào)節(jié)閥將開得更大，這樣對(duì)鍋爐維持壓力穩(wěn)定不利。因此要求鍋爐或旁路系統(tǒng)投入壓力自動(dòng)的條件下才能投入汽機(jī)功率自動(dòng)。引入功率反饋后可抑制蒸汽壓力波動(dòng)對(duì)機(jī)組功率的影響，可嚴(yán)格按調(diào)度指令調(diào)整機(jī)組功率。功控方式主要用于大電網(wǎng)環(huán)境。

2.5 　壓力調(diào)節(jié)

在壓控方式下，實(shí)際壓力與給定壓力的偏差，經(jīng) PID 運(yùn)算后控制油動(dòng)機(jī)開度。若主汽壓力升高，壓力反饋系統(tǒng)開大調(diào)節(jié)閥，鍋爐耗汽量增大，主汽壓力降低。穩(wěn)態(tài)時(shí)機(jī)前主汽壓力等于給定值。 DEH 壓控方式協(xié)助鍋爐控制系統(tǒng)維持蒸汽壓力穩(wěn)定。調(diào)節(jié)系統(tǒng)框圖如圖 13 所示。

圖 13  主汽壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)簡(jiǎn)化框圖

給定壓力信號(hào)可從機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)來，以方便實(shí)現(xiàn)機(jī)跟爐協(xié)調(diào)控制。

由于壓控方式?jīng)]有轉(zhuǎn)速比例調(diào)節(jié)作用，因此在孤立電網(wǎng)環(huán)境下不允許使用壓控方式。