2．1．2．1　汽轮机控制的任务

由于电能难以大量储存，而且电力用户的用电量又经常变化，因此电力生产中必须对发电设备进行自动控制。因此，汽轮机控制系统的任务之一就是及时调节机组的功率，以随时满足用户对发电能量的需求。

除了要保证所发电能量的需求外，电力生产也要保证一定质的要求，这主要体现在电能的频率和电压两个参数上（我国规定频率变化在±1%以内，电压变化在±6%以内）。由同步发电机的运行特性知：发电机的端电压取决于无功功率，而无功功率决定于发电机的励磁；电网的频率（或周波）取决于有功功率，即决定于原动机的驱动功率。因此，电网电压的调节主要通过发电机的励磁系统来实现，频率的调节则归于汽轮机的功率控制系统，通过控制其转速而实现。控制系统的另一任务则是维持机组的转速在规定的范围内，保证供电频率和机组本身的安全。也正因为汽轮机控制系统是以机组转速为主要控制参数的，故而习惯上常将汽轮机控制系统称为调速系统。

对不同型号的汽轮机，其调节系统的结构千差万别，下面从发展历程和原理方面介绍汽轮机调节系统。

1）直接控制

机械杠杆式调速器为最早期的小机组所采用，无液压部件，结构简单，由离心式重锤调速器通过杠杆机构直接驱动调速气门，因此执行机构的输出功率较小。

图2-2　直接控制系统示意

图2-2是汽轮机转速直接控制系统示意。当汽轮机负荷减小而导致转速升离时，离心调速器的重锤向外张开，通过杠杆关小调节气阀，使汽轮机的功率相应减小，建立起新的平衡。当负荷增加时电转速降低，重锤向内移动，开大调节气阀，增大汽轮机的功率。由此可见，调速器不仅能使转速维持在一定的范围之内，而且还能自动保证功率的平衡。该系统是利用调速器重锤的位移直接带动调节气阀的，所以称为直接控制系统。由于调速器的能量有限，一般难以直接带动调节气阀，所以应将调速器滑环的位移在能量上加以放大，从而构成间接控制系统。

2）间接控制

图2-3是最简单的一级放大间接控制系统示意。在间接控制系统中，调速器所带动的不是调节气阀，而是错油门滑阀。当汽轮发电机组以额定转速稳定运行时，发出一定的有功功率并与一定的负荷相平衡，系统频率为额定值。与这种稳定工况相对应，图中的杠杆ACB处于水平位置，A、B、C三点代表工况如下：

图2-3　一级放大间接控制系统示意图

①A点的位置由离心飞锤甩开的程度决定，稳定工况时即与汽轮机的额定转速（即发电额定频率50 Hz）相对应。

②B点的位置由油动机活塞和汽轮机调速气门的位置决定，对应了一定的气门开度、进气量和发电机有功功率P。

③C点此时的位置决定错油门位置，油动机活塞停住不动，表示自动调频结束。此刻D点保持不动，通过F点和E点传递，错油门活塞停于中间位置，管口a和b封闭，压力油不能通过错油门进入油动机。

如负荷需求进一步增大，而发电机有功功率尚未变化（气门及B点均未动），必然会使机组转速下降。与原动机同步旋转的离心飞锤下落（因离心力变小），相应地使A点位置下降到A′，使C点下降为C′。由于D点不动（调频器未动作），杠杆DFE旋转到DF′E′位置，使错油门活塞下移，进而压力油经过b管注入油动机活塞下部，推动活塞向上移，B点将上移到B″，使调速气门开度增大，汽轮机进汽量增加，发电机有功功率P随之增加。

与此同时，汽轮机转速回升，A 点位置在新的转速之下由A′回升到A″，这就使杠杆A″B″的C点又回到原来位置，从而使错油门活塞复位，管口a和b再次封闭，于是系统频率稳定在某一新值，与发电机组的新转速相对应。由于A″点低于原来A 点位置，机组新的转速和系统频率新值低于原来的额定值，因此这一调节过程是有差调节。

为了使系统频率回复到额定值，调度中心可以命令系统调频电厂值班人员开动调频器的伺服电动机，通过蜗轮蜗杆传动抬高D 点位置，这样就可以使E点及错油门活塞再次下移，使压力油又经b管注入油动机下部，进一步推动活塞上移，开大调速气门，增加机组有功功率和转速，直到系统频率恢复额定值为止。这时D移到D′，B″上移到B″′，A″上移到原额定点A，E点也回到原平衡点（错油门又复位），C和F点稍有提高。这就是频率二次调整的过程，通过二次调整实现了无差调节。

具体操作时，一般是由值班人员在主控室把控制台上的调频机组“调速开关”向“增速”方向短暂地扳动，发出增速脉冲，使调频器伺服电动机正转，即可抬高D点位置，这是手动调频操作；如果调频器伺服电动机按某种调频准则由自动调频信号驱动，就是自动调频了。

图2-3中的错油门和油动机组成了一级液压放大系统，将离心飞锤带动A点上下滑动的微弱力量，放大为可以移动调速气门的巨大力量。这种全液压调速系统由于其机械连接部件少，因此磨损元件少，利用液压可以获得较大的操作功，结构紧凑、工作可靠，而且灵敏度也较高，因此被广泛采用。原国产或进口的50 MW、100 MW、125 MW、200 MW以及早期的300 MW甚至500 MW汽轮机，基本上配备的都是这类调节系统。目前，液调系统除100 MW及以下的机组之外，基本上已全部进行了DEH改造。相对于机械杠杆式调速器，液调具有如下优点：

①采用油动机作为改变调位的执行机构，显著提高了系统的输出功率。

②通过油路和液压部套对控制信号进行综合，增强了系统的运算能力。

③对供热机组可以实现热、电双变量的联系调节。

3）数字电液控制

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图2-4　数字式电气液压控制装置示意

数字计算机技术的发展及其在过程自动化领域的应用，将汽轮机控制技术又向前推进了一大步，20世纪80年代出现了以数字式计算机为基础的数字式电气液压控制系统，简称数字电调，系统示意如图2-4所示。其组成特点是用数字式电子计算机作为控制器，执行器仍保留液压式的油动机。

早期的数字电调大多是以小型计算机为核心，微机的功能加强后，数字电调也有采用微机的。近年来，随着分散控制系统的发展和普及，也普遍采用了由分散控制系统构成的电调。相对于模拟电调系统，数字电调的功能更为强大。由于采用了先进的数字处理和网络通信技术，DEH系统的抗干扰能力大大增强，控制方式也十分灵活。

DEH控制系统在汽轮发电机组中得到了广泛应用，图2-5所示为一个典型的单再热串联复合汽轮机模型。在再热器后、中高压缸前考虑了截止阀。由于截止阀只是提供了一种截止气流的备用手段，很多情况下不会动作。模型中有3个时间常数：TCH、TRH、TCO，分别为进气室容积时间常数、再热器容积时间常数、交换器容积时间常数，其典型值分别为0．1～0．4 s、4～11 s、0．3～0．5 s。汽轮机控制阀动作后，经过进汽室一个环节后就会导致机械功率的变化，时滞仅为TCH电力系统低频振荡关心的频率为0．1～2．5 Hz，其下限频率对应的周期为10 s，远大于进气室的容积时间常数TCH。

不考虑主蒸汽压力的变化和截止阀的动作，上述串联组合、单再热器汽轮机的模型（PSD BPA程序中的TB模型）为：

图2-5　典型单再热串联复合汽轮机模型

式中：FHP＝0．3，FIP＝0．4，FLP＝0．3，TCH＝0．2 s，TRH＝8．0 s，TCO＝0．5 s。

2．1．2．2　汽轮机调速器

汽轮机调速器考虑下面2种。

（1）普通数字电液调速器SGOV1（PSD BPA中的GS模型）模型如图2- 6所示。

图2-6　汽轮机普通数字电液调速器模型SGOV1

参数：δ＝0．05，T1＝7．5 s，T2＝2．8 s，TSM＝0．1 s。

（2）功频电液调速器SGOV2模型如图2- 7所示。

图2-7　汽轮机功频电液调速器模型SGOV2

2．1．2．3　调速系统中的控制和保护

汽轮机调速系统的作用主要是平衡正常工况下的负荷波动，通过上述的调速器控制调节高压气门调节阀开度，改变汽轮机输出功率，从而平衡负荷波动，保护汽轮机不受损坏。此外，调速系统中一般还具有下面几类保护，在中长期动态中可能产生重要影响，在中长期稳定计算中需要详细建模。

（1）超速控制（overspeed protect controller，OPC）。在任何情况下，当机组转速超过额定转速的103%（3 090 r／min）时，OPC高压、中压调节阀门关闭，直到机组转速小于额定转速的103%，OPC复位，高压、中压调节阀门重新打开。

（2）全部甩负荷。当机组甩负荷时，DEH将负荷设定值改为额定转速，进行转速控制。OPC将高压、中压调节阀门关闭，延时1～10 s后，转速小于额定转速的103%时，OPC复位，DEH将转速调节到预定转速。

（3）部分甩负荷（中压调节阀门快关）。机组正常运行时，汽轮机功率和发电机功率相等，中压调节阀门禁止关闭。当电力系统故障引起机组部分甩负荷（汽轮机的机械功率和发电机的功率差异超过设定值）时，OPC动作，将中压调节阀门关闭一段时间（0．3～1．0 s）后释放。这样可以减少中、低压缸的出力，避免汽轮机功率与发电机功率的不平衡引起功角增大，使得发电机失步，电力系统失去稳定。

（4）危急遮断控制（emergency trip system，ETS）。该保护是在ETS系统检测到机组超速达到110%（3 300 r／min）或其他安全指标达到安全界限后，通过自动停机遮断电磁阀关闭所有的主汽阀和调节汽阀，实行紧急停机。

（5）机械超速保护和手动脱扣。前者属于超速控制的多重保护，即当转速高于110%时实行紧急停机；后者为保护系统不起作时进行手动停机，以保障人身和设备安全。