DEH控制系统概述及汽轮机调节原理！

摘要：汽轮机机械液压式调节系统在并网前后均为单纯的转速比例调节。汽轮机数字电液控制系统DEH在并网前为转速PID无差调节，并网后可根据需要选择功控、压控、阀控及CCS协调等多种控制方式，以满足不同运行工况需要。经仿真计算及实践经验得知，为了提高转速动态调节品质，要求输入输出信号的延迟时间短，油动机动态响应迅速且关闭时间短。

关键词：DEH；汽轮机；控制系统

1　DEH控制系统概述

1.1　汽轮发电机组控制对象

锅炉产生的过热蒸汽经高压主汽阀、高压调节阀节流后进入汽缸膨胀做功，使汽轮机叶片得到旋转机械功率。叶片带动汽轮发电机组的转子旋转。发电机切割磁力线产生的电能经电网输送给电力用户使用。如图1所示。

图1 DEH控制系统示意图

在机组正常运行期间，通常几台发电机接入当地电网并列运行，向当地用电设备供电。大部分机组与远方国家电网联网运行，以提高电网的稳定性、可靠性。

在此汽轮发电机组转子可看作是刚性的。蒸汽膨胀做功产生的机械功率N_T与发电机电磁功率N_G（有功功率）和损耗功率N_TW之差对机组转子做功，使转子动能增加。可得转子运动方程式（1）。

式中：J_T 为转动惯量；ω_T为角速度。

机械功率与汽轮机进汽质量流量及进出蒸汽焓降成正比。发电机电磁功率与功角（电枢感应电动势与母线电压的夹角）的正弦成正比。损耗功率与摩擦、鼓风等因素有关。

对式（1）作归一化处理后，得转子时间常数T_a，由式（2）给出。

式中：ω_e为额定角速度；N_Ge为额定功率。

汽轮机的机械功率与进入汽缸的蒸汽质量流量成正比。进汽流量由式（3）给出，因此通过改变调节阀开度即可控制机组功率。

其中：P_g为调节阀前蒸汽压力； T_g为调节阀前的蒸汽温度； V_g为调节阀的有效开度；K_g为流量系数。

在汽轮机暖机、升速启动阶段，汽轮机需要的蒸汽流量很少。需要开启旁路系统保证锅炉的最小蒸汽流量，以维持锅炉各系统稳定运行。利用旁路系统的压力反馈控制，维持蒸汽压力稳定。蒸汽温度必须与汽轮机金属温度相匹配，以降低启动过程中的热应力。

在机组正常运行期间，旁路阀全关避免能量损失。机组发电功率需要及时跟随电网用电负荷变化，以维持供电频率稳定。同时汽轮机的耗汽量也会随之变化。为了维持蒸汽压力稳定，蒸汽的蒸发量也必须跟随变化。

在某些特殊工况下（如甩负荷等），必须迅速关小进汽阀门，防止汽轮机超速。必要时需迅速全开旁路阀、锅炉PCV阀全开、甚至打开锅炉安全阀，以防止锅炉超压。

锅炉燃烧、吸热、蒸发过程是一个大惯性、大滞后环节，汽机突然增加的耗汽量，只能靠锅炉蒸汽、金属中的蓄能提供短时支撑，此时蒸汽压力、温度会很快下降。锅炉控制系统应迅速增加燃料量及给水量，使蒸发量及时满足汽轮机的需要。为了维持汽水系统稳定运行，必须设法限制汽机的突增负荷量。

1.2　DEH控制策略

DEH控制器采集汽轮发电机组的转速、功率、压力信号，作为调节系统的反馈量，与控制器生成的转速给定、功率给定、压力给定信号进行比较，经调节器、保护限制、阀门管理及伺服控制运算后，调整调节阀开度，使被控参数跟随给定值变化，以满足机组启动、运行要求。在紧急工况下，保护打闸逻辑迅速关闭主汽阀、调节阀，以保证机组设备安全。

在启动升速阶段，油开关断开，DEH控制系统进入脱网状态。DEH采用转速PID算法调整调节阀开度。控制进入汽缸的蒸汽产生的机械功率，克服汽轮机的损耗功率，将机组转速提升到同步转速。

同期并网后，油开关合闸，DEH控制系统进入并网状态。DEH可采用多种控制方式（功控、压控、阀控、协调等）调整调节阀开度。按电网用电负荷需要调整锅炉蒸发量及发电功率，维持供电频率为额定值。

在机组并网发电阶段，机组转速与电网频率同步，且随电网总的发电功率与用电负荷差值变化。在大电网中，由于单机功率占比很小，对电网频率影响也很小。因此当改变汽轮机调节阀开度时，发电机功率会有显著变化，而机组转速几乎稳定不变。在孤立小电网中，由于单机功率占比很大，对电网频率影响也很大，为了维持供电频率即机组转速稳定，主要依靠汽机转速调节系统的一次调频和二次调频作用，使汽轮机输出功率及时跟随电网负荷变化。

当电网突然甩负荷时，需要OPC快关电磁阀及时动作，迅速关闭调节阀抑制最大飞升转速。然后交由调节系统将机组转速稳定在额定值上，尽快恢复供电。

2　汽轮机调节原理

2.1　机械液压式调节系统

汽轮机机械液压式调节系统在启动升速及并网带负荷期间均采用转速比例调节。同步器马达位置作为给定转速与调速泵感应的转速信号差值，经调速器滑阀、中间滑阀放大后，控制调节阀油动机开度。调节阀有效开度与蒸汽压力相乘得蒸汽流量，在汽缸中膨胀做功，克服负载转矩驱动转子旋转。如图2所示。

图2 机械液压调节系统简化框图

机械液压式调节系统结合汽轮机被控对象，采用MATLAB仿真工具建立模型，进行仿真计算。假设蒸汽压力为额定值不变。设置参数：不等率δ=5%，调速器滑阀时间常数T₂=0.05s，中间滑阀时间常数T₃=0.05s，油动机时间常数T₄=0.5、1、2s，调速泵时间常数T₁=0.01s，汽缸容积时间常数T_c=0.1s，转子时间常数T_a=8s，发动机阻尼系数C_D=25，发动机功角积分时间T_r=0.0038s。在扰动很小时，滑阀、油动机等未到达限幅值，在平衡点附近仿真，可按线性系统模拟。升速阶段油开关断开，给定转速在1s时阶跃变化1%，机组转速响应曲线如图3所示。最大转速、调节时间如表1所示。

图3 机械液压调节系统给定转速1%阶跃曲线

表1 转速给定阶跃响应曲线数据表

并网阶段油开关合闸，给定转速在1s时阶跃变化0.5%，机组负荷响应曲线如图4所示。调节时间如表2所示。

图4 机械液压调节系统给定转速阶跃0.5%负荷响应曲线

表2 转速给定阶跃0.5%负荷响应曲线数据表

在扰动较大时，滑阀、油动机会到达限幅值。在1 s 时油开关跳闸甩1 0 0%负荷， 不同延迟时间T_d=0.05~0.5s后OPC快关电磁阀动作，调节阀迅速全关。阀门后的余汽使转速升到最大值后，转速按惰走曲线下降。OPC电磁阀复位后，在转速比例调节作用下，最后将转速稳定在105%。机组转速飞升曲线如图5所示。最大转速、调节时间如表3所示。

图5 机械液压调节系统甩100%负荷转速飞升曲线

表3 转速飞升曲线数据表

2.2　转速PID调节

DEH引入了发电机主油开关信号，将系统分为脱网状态、并网状态两种。在脱网状态下即启动升速阶段，采用转速PID无差调节方式，以实现准确控制实际转速。如图6所示。

发电机实际为并网状态，DEH错误地判断为脱网状态时，在转速PID的作用下，若电网频率高于50Hz，调节阀会逐渐全关，反之全开。系统无法稳定运行。

图6 转速PID调节系统简化框图

由于DEH为离散控制系统，从转速测量、主控单元逻辑运算到伺服控制输出的延迟时间对系统稳定性的影响较明显。

转速PID调节系统仿真计算。设置参数：放大倍数Kp=20，积分时间TI=10s，油动机时间常数T₄=0.3s，转速测量时间常数T₁=0.01s，输入输出延迟时间T_τ=0.05、0.1、0.2、0.25s，汽缸容积时间常数T_c=0.1s，转子时间常数T_a=8s。转速给定在1s时阶跃变化1%，机组转速响应曲线如图7所示。最大转速、调节时间如表4所示。

图7 转速PID调节系统给定转速1%阶跃曲线

表4 转速给定阶跃响应曲线数据表

在1s时油开关跳闸甩100%负荷，延迟0.2s快关电磁阀动作，OPC电磁阀及时动作，调节阀全关。OPC电磁阀复位后，在22.25秒首次达到额定值，在转速PID调节作用下，最后将转速稳定在额定值，以便故障恢复后再次并网发电。机组转速飞升曲线如图8所示。最大转速、调节时间如表5所示。

表5 转速给定阶跃响应曲线数据表

图8 DEH调节系统甩100%负荷转速飞升曲线

2.3　阀控调节

在并网状态下，采用转速比例调节方式，形成机组功率随转速下降而增大的一次调频静特性，以支持各机组能并列运行。在阀控方式下，给定转速与实际转速的差值，经不等率放大，与给定阀位叠加后，控制油动机开度。如图9所示。

图9 阀控调节系统简化框图

在阀控方式下的调节特性与机械液压系统相似。转速变化一个不等率，对应总阀位给定（流量指令）在额定压力下的空负荷、满负荷变化量。静特性曲线如图10所示。实际功率变化量不仅与转速有关，而且与蒸汽压力也有关。若锅炉蓄能少，调节阀开大，蒸汽压力降低，功率增量就小，这样对锅炉维持压力稳定是有利的。但蒸汽压力波动会导致机组功率变化，不能严格按调度指令调整机组功率。阀控方式主要用于孤立电网环境。

给定阀位信号可从机炉协调控制系统来，以方便实现机炉协调控制。

图10 阀控方式转速调节静特性图

2.4　功频调节

在功控方式下，给定功率与实际功率的偏差，经PID运算后控制油动机开度。稳态时机组功率等于给定值。为了维持电网频率稳定，在给定功率处加入了转速偏差修正，形成功率随转速升高而减少的一次调频静特性。调节系统框图如图11所示。

图11 功频调节系统简化框图

在孤立电网中负荷增加时，机组转速会降低，应增大调节阀开度。而功率反馈信号检测到负荷增加时，会关小调节阀开度。为了防止功率反调，通常在功率信号回路中设置了一个时间常数为3秒的惯性环节。

给定功率信号可从机炉协调控制系统来，以方便实现炉跟机协调控制。

稳态时，PID调节器输入端为0。实际功率等于给定功率加一次调频修正量（只要油动机未到限位值）。静特性曲线如图12所示。实际功率N_T与实际转速n_T的静态关系可用式（4）表示。

式中：N_S为给定功率；n_S为给定转速。

图12 功频调节静特性图

功率变化量仅与转速有关，与蒸汽压力无关。若锅炉蓄能少，调节阀开大，蒸汽压力降低，为了保证功率增量调节阀将开得更大，这样对锅炉维持压力稳定不利。因此要求锅炉或旁路系统投入压力自动的条件下才能投入汽机功率自动。引入功率反馈后可抑制蒸汽压力波动对机组功率的影响，可严格按调度指令调整机组功率。功控方式主要用于大电网环境。

2.5　压力调节

在压控方式下，实际压力与给定压力的偏差，经PID运算后控制油动机开度。若主汽压力升高，压力反馈系统开大调节阀，锅炉耗汽量增大，主汽压力降低。稳态时机前主汽压力等于给定值。DEH压控方式协助锅炉控制系统维持蒸汽压力稳定。调节系统框图如图13所示。

图13 主汽压力调节系统简化框图

给定压力信号可从机炉协调控制系统来，以方便实现机跟炉协调控制。

由于压控方式没有转速比例调节作用，因此在孤立电网环境下不允许使用压控方式。