（一）调节系统的任务

汽轮发电机组在运行时，作用在转子上的力矩主要有两个，一个是蒸汽对转子的作用力在主轴上产生的力矩，这个力矩称为蒸汽力矩或主动力矩。它的大小与蒸汽流量、蒸汽参数、汽轮机中的焓降有关，力矩的方向决定转子旋转的方向；另一个是发电机带上负荷后，由于转子磁场与定子电流的相互作用而产生的电磁力矩。它的大小与发电机输出的有功功率有关，方向与转子旋转方向相反，故又称为反向力矩与制动力矩。

由于电能不能大量储存，汽轮发电机组输出的电功率必须与外界负荷相平衡，亦即蒸汽力矩必须与电磁力矩相平衡，以满足电力用户的需要。然而外界负荷是随时变化的，所以汽轮机就要随时调节蒸汽流量，改变蒸汽力矩，使之与外界负荷相适应，确保供电的数量和质量，所以汽轮机的调节系统是汽轮机的重要组成部分。因此，为了保证供电的质量和机组的安全，汽轮机都装有调节系统。调节系统的基本任务是在外界负荷与机组功率相适应时，保持机组稳定运行；当外界负荷改变，机组转速发生变化时，调节系统能相应地改变汽轮机的功率，使之与外界负荷相适应，建立新的平衡，并保持转速偏差不超过规定的范围。

（二）调节系统工作原理

图3-45为调节系统的工作原理图。汽轮机转子通过传动齿轮带动离心式调速器旋转，当汽轮机的进汽量与电力负荷相适应时，汽轮机运行稳定，调速系统处于平衡状态，图中杠杆处于ABC水平位置。当外界负荷减小时，汽轮机的转速升高，由转子带动的调速器的转速也升高，调速器飞锤所产生的离心力增大，滑块向上移动，并带动滑阀上移，致使由滑阀所控制的油动机的上、下两个油口被打开，油动机活塞的上部油室与高压油接通，下部油室与排油接通。油动机活塞在压差的作用下向下移动，关小汽轮机调速汽门，使进汽量减少，机组功率减小，从而与外界负荷相适应。在油动机活塞下移的同时，杠杆ABC又带动滑阀下移，回到中间位置，重新关闭上下油口，使油动机活塞停止移动，汽轮机功率与外界负荷重新达到平衡。当外界负荷增大时，调节过程与上述过程相反。此调节过程也称作汽轮机对电网的一次调频。

图3-45　调节系统的工作原理图

1—调速器；2—滑块；3—减速齿轮；4—错油门；5—油动机；6—油动机活塞；7—调节阀；8—发电机

图3-46　调节系统静态特性曲线

（三）调节系统的静态特性

在稳定状态下，汽轮机转速与功率之间的对应关系，称为调节系统的静态特性，其关系曲线称为调节系统静态特性线，如图3-46所示。在稳定状态下，不同的功率对应有不同的转速，这种调节称为有差调节。

反映调节系统静态特性的重要指标有转速变动率和迟缓率等。

1.转速变动率

在稳定状态下，汽轮机空载与满载时的转速差与额定转速n0之比，称为调节系统的转速变动率δ，即

一般要求转速变动率为3%～5%。转速变动率太小容易使机组运行不稳，太大则在甩负荷时容易使危急保安器动作。

2.迟缓率

调节系统中各部件间由于存在摩擦、间隙、漏油等原因，输入信号与输出信号之间存在着迟缓现象，即在输入信号变化到一定数值后，才使输出信号作相应的变化。这种现象的存在，使调速系统静态特性曲线由一条直线变成两条平行的直线，如图3-47所示。在同一功率下，调速器升速的静特性线与降速的静特性线之间的转速差Δn与额定转速n0之比称为调速器的迟缓率ε，即当汽轮机并列运行时，由于迟缓率的存在会使并网困难或负荷晃动。所以应尽量降低迟缓率。大容量机组的迟缓率应为0.06%～0.2%，小机组不应超过0.5%。

图3-47　调节系统的迟缓率

（四）调节系统的主要组成

虽然现代汽轮机调节系统的形式多种多样，但都是由转速感受机构、传动放大机构、配汽机构和定值机构等组成的。

1.转速感速机构

转速感受机构又称调速器，其作用是感受汽轮机转速变化，输出一个与转速变化量相对应的物理变化量，送至中间放大机构。调速器按工作原理不同，可分为机械式、液压式和电子式三大类。

（1）机械离心式调速器机械离心式调速器有低速和高速两种，如图3-48所示。两者的工作原理相同。以高速弹性调速器为例介绍其工作原理。

图3-48　机械离心式调速器

（a）低速机械离心式调速器；（b）高速机械离心式调速器1—飞锤；2—滑环；3—弹簧；4—弹簧调整螺帽；5—挡油板；6—钢带；7—弹簧；8—限位器；9—弹簧中心支架；10—飞锤；11—调节螺帽；12—垫片；13—螺钉；14—离心泵杆轴；15—支架

如图3-48（b）所示，它主要由支架、钢带、飞锤、弹簧、挡油板和弹簧座等组成。一定的转速下，飞锤和钢带的离心力由拉簧和钢带的紧力约束，使挡油板（相当于滑环）处于一定的位置。转速变化时，挡油板位置变化，导致泄油间隙的变化，从而使调节油压变化，使调节系统动作。限位器是为了限制钢带过大变形造成意外损坏。这种调速器直接与汽轮机主轴相连，故正常转速为3000r/min，可在0～3600r/min之间起作用。其优点是没有铰接点又没有摩擦件，惯性小，有很高的灵敏度（迟缓率小于0.1%），磨损小，可靠性高，但制造工艺要求高，损坏后检修比较困难。

（2）液压式调速器。液压调速器是利用与主轴相连的旋转装置，产生与转速变化相对应的油压变化，并将油压变化输入至传动放大机构。它有径向钻孔泵和旋转阻尼两种类型，如图3-49和图3-50所示。液压调速器的结构简单、可靠性高、灵敏度高。但容易产生油压波动，引起调节系统摆动。

（3）电气调速器。电气调速器有两种基本形式，一种是由主轴带动的永磁式测速发电机；另一种是由主轴带动的转速脉冲（方波）发生器（或称磁阻发信器）。前者是利用发出的交流电动势与转速成正比的原理来测速，而后者利用其单位时间内发出的脉冲数严格比例于转速来测速。

电气调速器的优点是简单、精确、没有迟缓，信号便于综合处理，可以灵活地组合成所需的调节特性。现代大容量汽轮机普遍使用电气调速器。

2.传动放大机构

转速感受机构产生的信号，往往功率很小，难以控制调速汽门，因此要把感受机构发出的信号加以放大，使它有足够的功率去操纵执行机构。这些组成部件称为传动放大机构。不同的调节系统，传动放大机构的形式、组成是不同的，但都有错油门、油动机以及反馈装置等主要部分。

图3-49　径向钻孔泵

1—泵轮；2—泵壳；3—稳流网；4—导流杆；5—密封环；6—固定螺钉；7—排油口

图3-50　旋转阻尼结构示意图

1—主油泵；2—阻尼管；3—旋转阻尼体；4—针形阀

图3-51　单座阀

（a）球形阀；（b）锥形阀1—提板；2—球形阀；3—阀座；4—扩压管；5—节流锥

3.配汽机构

调节汽轮机的功率，主要是通过改变进入汽轮机的蒸汽流量来实现的，完成这个任务的机构称为配汽机构，它由调节汽阀和带动它的传动机构两部分组成。

（1）调节汽阀。一般采用单座的球形门或锥形门，如图3-51所示。开启时，由于门芯前后的压差较大，所需的提升力较大。为了便于调节汽门的开启，通常采用在第一个门芯上设一小预启门，如图3-52所示。

（2）传动机构。一般汽轮机有数个调节汽阀，油动机借助传动机构按顺序开闭调节汽阀。传动机构通常有提板式、凸轮式和杠杆式三种，如图3-53～图3-55所示。现代大容量汽轮机往往采用每个调节汽门自带一台油动机的机构，便于变换进汽调节方式。

图3-52　带有蒸汽弹簧预启阀的调节阀

图3-53　提板式传动装置(www.daowen.com)

图3-54　凸轮式传动装置

1—杠杆；2—齿条；3—齿轮；4—凸轮轴；5—弹簧

图3-55　杠杆式传动装置

1—杠杆；2—调整螺母

4.反馈机构

反馈机构是将油动机的动作信号反过来影响中间放大机构，使之恢复原状。

例如，如图3-45所示，外界负荷减小时，汽轮机转速升高，使调速器滑块上移，带动错油门滑阀上移，使油动机上部接通压力油，调速汽门关小，进汽量减小。如果没有反馈装置，则这一过程一直会进行下去，直到转速降低滑块下移才会使错油门滑阀复位。实际上这时调节动作已经过调，转速还将继续降低。调速器感受到转速降低，调节过程将向反方向进行。如此往复，引起调节系统不稳定。可见，反馈装置是使调节系统稳定运行不可缺少的部件。

5.定值机构

定值机构的作用是确定平衡状态的水平，在调节系统中，同步器就是定值机构。同步器又称转速变更器，是调节系统中给定汽轮机转速或功率的装置。同步器的作用是：

（1）在单机运行时，操作同步器可以调整机组的转速，使机组在任何负荷下都能保持额定转速运行，从而保持供电频率稳定。

（2）在机组并列运行时，操作同步器可以改变电网中各台机组的负荷分配以及调整电网的频率。

（3）在机组并网前，同步器可用来调整机组的转速，使机组转速与电网频率同步，并入电网。

（五）典型调速系统介绍

1.液压调节系统

典型的液压调节系统有三种：高速弹性调速器的液压调节系统、径向钻孔泵调速器的液压调节系统和旋转阻尼调速器的液压调节系统。图3-56所示为具有高速弹性调速器的液压调节系统。当外界负荷减少时，汽轮机转速升高，重块的离心力增大，弹簧在离心力作用下张开，端部的调速块右移，喷油间隙增大，随动滑阀在油压差的作用下向右移动，通过杠杆cod带动调速滑阀右移，泄油口开大，使脉动油压降低，油动机滑阀下移，使油动机活塞上腔室通压力油，下腔室通回油，在压差作用下，油动机活塞向下移动，通过传动机构关小调速汽门，减少汽轮机的功率使之与外界负荷相适应。油动机活塞下移时，又通过反馈斜板使反馈滑阀右移，开大了反馈油口，增大了进入脉动油路的油量，使脉动油压升高，于是油动机滑阀又上移回到中间位置，使调速系统处于新的平衡状态。外界负荷增大时的调速过程与上述过程相反。

图3-56　高速弹性调速器调节系统

1—高速弹性调速器；2—差动活塞；3—调速器错油门；4—主错油门；5—油动机；6—反馈错油门；7—同步器；8—调速块

图3-57　径向泵调速器调节系统

1—径向泵；2—压力变换器；3—主错油门；4—油动机；5—调节汽阀；6—反馈油口

图3-57是径向钻孔泵调速器的液压调节系统。径向钻孔泵是转速感受机构，其出口油压与转速平方成正比。当外界负荷减少时，汽轮机转速升高，径向泵出口油压升高，压力变换器活塞上移，控制油压升高，使调速器滑阀上移，压力油进入油动机活塞下部，油动机活塞上腔室通回油，使油动机活塞上移，关小调速汽门。在油动机活塞上移的同时，带动活塞下部套筒上移，使控制油压下降，滑阀又回到中间位置，重新关闭去油动机的油口，油动机停止移动，调速系统处于新的稳定状态。

图3-58　旋转阻尼调速器调节系统

1—主油泵；2—旋转阻尼；3—放大器；4—主错油门；5—油动机；6—调节汽阀；7—继动器；8—反馈弹簧

图3-58所示为旋转阻尼调速器的液压调节系统。其转速感受机构是旋转阻尼，它将转速的变化转变为油压的变化，它的输出油压（一次油压）与转速的平方成正比。外界负荷减少时，汽轮机转速升高，一次油压升高，波纹管缩短，碟阀上移，使二次油压升高，继动器活塞在压差作用下下移，油动机滑阀上部蝶阀泄油间隙减小，由其控制的三次脉动油压升高，于是油动机滑阀向下移动，使油动机活塞下腔通压力油，活塞上腔通泄油。油动机活塞上移，关小调速汽门，使汽轮机功率减小，与外界负荷相适应。油动机活塞上移时，杠杆机构使继动器活塞上移，油动机滑阀回到中间位置，调速系统处于新的稳定状态。液压调速系统的机械连接部件较少，利用液压可获得较大的操作功，工作可靠，被大、中型机组广泛采用。

2.功频电液调节系统

图3-59所示为功频电液调节的原理方框图。主要由电调和液控两部分组成。电调部分由测频单元、测功单元、给定单元、PID校正单元和电液转换器等构成；液控部分由错油门和油动机构成。

图3-59　功频电液调节原理方框图

测频单元感受转速的变化，输出一个直流电压信号；测功单元测取发电机的有功功率，输出一直流电压信号；频率给定和功率给定按需要输出一个调节信号。PID校正单元中的比例（P）起比例放大作用；微分（D）使调节汽阀产生动态过调；积分（I）使其输出量比例于输入量对时间的积分，即输入量为一恒定不变值时，输出量随时间积分越来越大，只有当输入量为零时，调节才停止。PID校正单元输出的电信号经电液转换器转换为液压控制信号，该液压控制信号去控制高中压油动机。

功频电液调节系统与液压调节系统相比，突出的优点是：

（1）模拟电调系统的电气部分，具有快速性、准确性和灵敏度高的特点，系统的调节精度高，迟缓率为0.1%左右，而一般的液压调节系统，迟缓率则高达0.3%～0.5%。

（2）功频模拟电调为多回路多变量的调节系统，PID的综合运算能力强，具有较强的适应外界负荷变化和抗内扰的能力，而液压调节系统仅为单冲量的比例调节系统，调节性能较差。

（3）功频模拟电调的转速或功率实际值能准确地等于给定值，静态特性良好；在动态特性方面更为突出，机组甩负荷时，由于切除了功率给定，转速稳定在3000r/min上，系统的动态升速比液压调节系统减少了一个速度变动率值，动态特性良好。

（4）功频模拟电调可提供调频、带基本负荷和单向调频等不同的运行方式。在机组启动过程中，有大小范围测速可供选择，大范围测速从100～200r/min起就能准确地对转速实行闭环控制，即使蒸汽参数波动，也能保持给定转速，升速稳定，精确度可达（±2～±3）r/min；转速达到2850 r/min左右，改投小范围测速系统，调节精确度更有所提高，便于并网。而一般的液压调节系统，转速达到2700r/min后才可投入闭环控制系统，调节精确度仅为（±7～±15）r/min，差距较大。

（5）功频模拟电调中的电气部分，便于比较、综合各种信号，便于在线改变运行方式和调节参数，便于机炉协调控制，有利于机组的自动化，而液压调节系统，在这些方面受到局限，难以实现机炉协调控制。

3.数字电液调节系统（Digital Electro Hydraulic Control System）

汽轮机的数字电液调节系统简称DEH调节系统。图3-60为汽轮机的数字电液调节系统框图。由功率和压力采样器测得的功率和压力的模拟信号经模数转换器后，送入数字计算机，转速采样器测得的数字转速信号直接送入数字计算机，给定信号经模数转换后也输入数字计算机，数字计算机经过运算输出一数字量，经数模转换器转换成模拟量，送至电液转换器，将电信号转变为液压信号，此液压信号作用于油动机去改变汽轮机调节汽阀的开度，使汽轮机的功率发生变化。图3-61所示为引进型300MW汽轮机数字电液调节系统图。该系统主要由五大部分组成：（1）电子控制器：主要包括数字计算机、混合数模插件、接口和电源设备。主要用于给定、接受反馈信号、逻辑运算和发出指令进行控制等。

图3-60　数字电液调节系统原理方框图

图3-61　300MW汽轮机数字电液调节系统图

（2）操作系统：主要有操作盘、图像站的显示器和打印机等，为运行人员提供信息、监督、人机对话和操作等服务。

（3）油系统：本机组的高压控制油与润滑油是分开的。高压油（EH系统）采用三芳基膦酸酯抗燃油，为调节系统提供控制与动力用油。

（4）执行机构：主要由伺服放大器、电液转换器和具有快关、隔离和逆止装置的单侧油动机组成，负责带动高压主汽阀、高压调节汽阀和中压主汽阀、中压调节汽阀。

（5）保护系统：设有6个电磁阀，其中两个用于超速时关闭高、中压调节汽阀，其余用于严重超速（110%n0）、轴承油压低、EH油压低、推力轴承磨损过大、凝汽器真空过低等情况下危急遮断和手动停机。

此外，另有监控服务用的诸多测量元件，例如机组转速、调速级汽室压力、发电机功率、主汽压力传感器以及自动程序控制（ATC）所需要的测量值等。

DEH调节系统有四大功能：①汽轮机自动程序控制（ATC）功能；②汽轮机负荷自动调节功能；③汽轮机自动保护功能；④DEH系统的监控功能。

DEH调节系统体现了现代汽轮机调节的新发展具有尺寸小、结构紧凑、功能全面、运转灵活和可靠性高等一系列优点，已在300MW以上的机组中得到广泛应用。