水轮机调节

水轮机调节（精选九篇）

水轮机调节 篇1

水轮机调节系统是集水力、机械、电气为一体的综合型控制系统,调节对象为复杂的非线性非最小相位系统[1]。水轮机调节系统的安全稳定地运行对水力发电机组的安全经济运行有着直接地影响,水轮机调节系统的调节品质对电网系统的安全运行和供电品质也有重要影响。因此,深入研究水轮机调节系统显得尤为重要,非线性水轮机调节系统的动力学过程也已成为水利水电工程的研究热点之一。

由于线性控制理论无法适应系统运行点的大范围变化,近几年来非线性控制理论被引入到水轮机调节系统的研究中。Luz Alexandra曾指出基于非线性水轮机模型的调节系统是研究水力系统与电力系统相互作用的最精确的模型[2]。在非线性水轮机调节系统的研究成果中,基于微分几何的反馈线性化方法及基于反馈线性化的非线性鲁棒控制方法居于主流地位,取得较好结果。此外,水轮机调节系统的混沌现象分析[3]、Hopf分岔分析[4,5]、模糊控制及神经网络等控制理论的研究为水轮机调节系统的控制器设计提供了新的方法。本文在对非线性水轮机调节系统分析的基础上,运用非线性动力系统线性化的方法对系统进行分析,为非线性调节系统的参数整定及稳定运行提供理论依据。

1 非线性水轮机调节系统建模

本文采用1992年IEEE提出的单机单管无调压室的非线性水轮机模型,如图1所示[6]。图中G为导叶开度相对值;qnl为空载相对流量;q't为水轮机过流流量相对值;h't为水轮机进口处水头相对值;f为水头损失系数;D为转速偏差阻尼系数;At为水轮机出力增益系数。

假设水为不可压缩流体,引水管道为刚体,则有压引水系统发生水击时为刚性水击,有压引水系统的动力学方程为:

采用相对值形式表示为:

式中:称为水流惯性时间常数。

设各变量的相对值与偏差相对值之间有如下关系:

式中:nr、Qr、ar分别表示水轮机额定工况下的转速、流量、导叶开度。

本文采用一阶发电机模型,其方程为:

式中:Ta为水轮机惯性时间常数;Pm、mg分别为水轮机出力和发电机阻力矩。

本文的调速器模型采用目前实际应用中较为广泛的PID型调速器,如图2所示。

调速器的时域方程为:

式中:u为调速器的输出;ω'为转速相对值。

液压随动系统的动态特性方程:

结合式(1)~式(8)和非线性水轮机模型图,可得到非线性水轮机调节系统模型为:

2 非线性调节系统的稳定性分析

不动点的线性化稳定性:考虑含有n个变量且具有双曲不动点x*的微分方程x*=F(x),设都是连续的,则非线性系统的不动点与其线性化系统在这一点具有相同的稳定性类型。特别地,若DF(x*)所有特征值的实部都为负数,则非线性系统的不动点是渐进稳定的。在这种情况下,不动点的吸引域Ws(x*)是一个包含不动点的开集[7]。

水轮机调节系统的各参数取自文献[6],Qr=71.43 m3/s,QNL=4.3 m3/s,Hr=138.9 m,A=15.2 m2,L=465 m,Ta=5.4,Ty=0.2,f=0.01,D=0.5,本文仅分析当ki、kd固定时,系统稳定时kp的取值范围,此处取ki=0.2、kd=0.2。

可以看出,系统模型是一个C∞系统,则当不动点特征根都具有负实部时,系统不动点是一个双曲不动点。此时线性化系统不动点与非线性系统不动点具有相同的稳定类型。式(9)的偏导数矩阵为:

矩阵J的特征多项式为:

下面将根据Hurwitz判据对特征方程(10)式进行稳定性判断,式(10)的Hurwitz矩阵为:

根据Hurwitz判据,只要保证矩阵H行列式的各阶主子式均大于零,则线性化系统的特征根都具有负实部。各阶主子式如下:

综合(10)式,可得:

即-0.01<kp<3.1时,线性化系统的不动点的特征根都具有负实部,此时的不动点为双曲不动点,且是稳定的,则对应的非线性系统不动点具有相同的稳定类型。

3 非线性系统仿真

从线性控制理论可知,控制器参数从稳定域中心向边界运动时,系统由强稳定状态向弱稳定状态转变,在边界处,系统处于临界稳定状态。这同样可以从Lyapunov稳定理论得到证明。图3为最大Lyapunov指数随kp的变化曲线。Lyapunov稳定理论指出:仅当系统最大Lyapunov指数为零,其他均为负时,系统处于临界稳定状态。图3中-0.014<kp<3.155时,最大Lyapunov指数小于零,系统稳定域为-0.014<kp<3.155,当kp=-0.014和kp=3.155时系统为周期运动。为进一步了解控制器参数对系统动力学特性的影响,经比较选取kp为-0.014、1.25、和3.155在系统流量扰动为10%时对系统进行仿真。

当kp=-0.014时,系统转速变化、压力管道的流量变化和系统的三维相图如图4所示。从图4可以看出,流量和转速呈等幅周期变化,由于控制器比例环节的作用很小,系统流量的振荡幅值比扰动幅值要小,不足5%。从相空间可以看出,相轨迹将在一段时间后进入一个极限环。

当kp=3.155时,系统转速变化、压力管道的流量变化和系统的三维相图如图5所示。从图5可以看出,流量和转速呈等幅周期变化,由于控制器比例环节的作用较强,系统的振荡幅值比扰动幅值要大,达到15%。对比图4可以看出,随着比例作用的增强,各变量的振荡频率显著增加。这是由于较大的比例系数导致控制器对误差的响应较敏感。从相空间可以看出,相轨迹将在一段时间后进入一个极限环,且该极限环比图4的极限环要大。

图6是kp=1.25时,非线性系统的时域图和相图。从相图可以看出,此时系统不动点是一个强稳定型焦点,相轨迹会在短时间内进入不动点的一个小邻域范围内。反映在时域图上,可以看到流量和转速能够快速收敛到不动点。

4 结语

水轮机调节系统是一个复杂的非线性系统。本文考虑了水轮机的非线性特性,建立了水轮机调节系统的非线性模型。在此基础上,运用非线性动力系统线性化的方法对系统进行分析,计算得到控制器参数的稳定域,且该方法有较高的精度。从仿真结果的分析可以看出,当控制器参数向稳定域边界运动时,系统稳定性开始恶化,且系统调节过程的振荡次数增加,随后会进入等幅振荡状态,最终将出现失稳现象。此外,还可以看到,线性化系统与非线性系统间存在一定的误差,但线性化系统的稳定域一定能使非线性系统稳定,且线性化系统的稳定域一定包含了使非线性系统强稳定的控制器参数。

摘要：水轮机调节系统的本质是非线性的。为了深入了解非线性水轮机调节系统的调节规律,在考虑水力发电机组非线性特性的基础上,建立了一个水轮机调节系统的非线性模型。运用非线性系统线性化的方法和线性系统的Hurwitz判据对系统进行稳定性分析,得到了令非线性系统稳定的控制器参数。非线性系统的仿真结果表明:线性化系统的稳定参数一定能使非线性系统稳定,且线性化系统的稳定参数中一定包含了令非线性系统强稳定的控制器参数。这为非线性水轮机调节系统的控制器参数整定及稳定运行提供了理论依据。

关键词：水力发电机组,非线性调节系统,线性化系统,稳定运行,参数整定

参考文献

[1]凌代俭,陶阳,沈祖诒.考虑弹性水击效应时水轮机调节系统的Hopf分岔分析[J].振动工程学报,2007,20(4):374-379.

[2]Tenorio Luz Alexandra lucero.Hydro Turbine and Governing Modeling[D].Trodhein:University of Science and Technology,2010.

[3]陈帝尹,杨朋超,马孝义,等.水轮机调节系统的混沌现象分析及控制[J].中国电机工程学报,2011,31(14):113-120.

[4]凌代俭.水轮机调节系统分岔与混沌特性的研究[D].南京:河海大学,2007.

[5]凌代俭,沈祖诒.水轮机调节系统的非线性模型、PID控制及其Hopf分岔[J].中国电机工程学报,2005,25(10):97-102.

[6]Working group on prime mover and energy supply models for system dynamic performance studies.Hydraulic turbine and turbine control model for system dynamic studies[J].Tansactions on Power System,1992,7(1):167-179.

[7]韩茂安,邢业朋,毕平.动力系统导论[M].北京:机械工业出版社,2007:117-118.

[8]袁璞,把多铎,宋亮.考虑限幅环节的水轮机调节系统建模与分析[J].人民长江,2014,45(1):82-86.

汽轮机调节系统静态调试总结报告) 篇2

一、汽轮机调节

汽轮机调节系统的动态特性是指调节系统从一个稳定工况变化到另一个稳定工况的过渡过程,这些过程可能是稳定的,也可能是不稳定的。若过程是稳定的,调节系统动作结束时能达到新的稳定工况,否则调节系统就会无休止地动作,当然这种系统是无法使用的。

纯凝汽式机组是按电负荷的需求来调整工况的。抽汽式机组，在设计范围内既可以按电负荷的需求来调节工况，也可以按热负荷的需要来调节工况。因此，汽轮机调节系统要适应其实际工况要求，还必须具备一些基本要求。

1、机组运行中负荷的摆动，应在允许的范围内。当运行方式改变时，调节系统应能保证从这一运行方式平稳地过渡到另一运行方式，而不能有较大或较长时间的不稳定状态出现。这一要求就是要保证汽轮机在设计范围内的任何工况下都能稳定地运行。为此，调速不等率、迟缓率、调压不等率等各项指标，都必须控制在合理的范围内。

2、在设计范围内，机组能在高频率、低参数情况下带满负荷，供热机组能达到供汽出力，且汽压波动应在允许范围内。这就要求调节系统中各部套的工作范围（如行程、油压等）必须有一定合理的裕度。

汽轮发电机正常运行时，汽轮机发出的主力矩和发电机担负的反力矩间是平衡的。当发电机的反力矩增大时，如果汽轮机的进汽量不变，则汽轮机的转速就要降低；当发电机的反力矩减小时，若汽轮机不改变进汽量，则汽轮机转速就要升高。汽轮机调节的原理，就是以汽轮机主力矩和发电机反力矩失衡时转速的变化脉冲信号，控制汽轮机的进汽量，从而保证在新的工况下，汽轮机的主力矩和发电机的反力矩重新平衡，并维持汽轮发电机的转速基本不变。

二、引用标准及设备规范

1、引用标准

DL5011—1992

电力建设施工及验收技术规范

汽轮机组篇

JB37—1990

汽轮机调节系统技术条件 JB1273—1986

汽轮机控制系统性能试验规程

DL/T 711－1999汽轮机调节控制系统试验导则

2、设备规范

1)油箱容积：6.3m3

2)冷油器： 型式：卧式双联 冷却面积：20m2 冷却水量：50t/h 3)滤油器： 流量：24m3/h 过滤精度：25ｕｍ 允许压损：＜0.08Mpa 4)电动辅助油泵： 型号80YL-100 流量30～60m3/h 扬度98～103m 转速2950r/min 电机功率37KW 效率54％

生产厂浙江水泵总厂

5)直流事故油泵 型号2CQ12.5/3.6 流量12.5m3/h 出口压力0.36MPa 转2950r/min 电机功率5.5KW 电机电压220V DC 生产厂浙江仙居县特种齿轮油泵厂

三、调节系统

两段调节抽汽的冷凝式汽轮机的调节系统是以旋转阻尼为感受元件的全液压式调节系统。该调节系统能将汽轮机转速及两段调整抽汽压力进行自调，三个被调量中一个改变时，其他两个被调量基本保持不变（允许变动量为15%-20%）。整个调节系统可分为调速和调压两个部分。

1、调速部分 调速部分由主油泵、旋转阻尼器、压力变换器、同步器、错油门、油动机所组成。当转速改变时，主油泵出口油压变化所引起的直接脉冲，使压力变换器滑阀产生位移所引起的放大脉冲是相叠加的。由放大器产生的调速二次油分别控制着高、中、低压油动机的错油门滑阀，当转速变化时，高、中、低压油动机的动作方向一致,即同时将高、中压调速汽门和低压旋转隔板开大或关小。

2、调压部分

汽轮机调压系统包括中压和低压两个调压器,分别调节中压抽汽口及低压抽汽口压力,其结构完全相同。整个调压器分为三个部分:第一部分是薄膜及钢带所组成的脉冲放大部分,第二部分是旋转错油门、随动活塞及静反馈套筒所组成的继流式错油门操作部分,第三部分是由错油门套筒、旋转错油门下部及针阀等组成的脉冲油发生部分。

四、调试项目

1、油系统设备的调整试验

（1）手动油箱油位计，高低油位报警正常；油位计指示正确、灵活无卡涩现象。（2）启动电动辅助油泵，油系统供油正常后调节油温在50±5℃范围内。

（3）调节润滑油过压阀，使润滑油压为0.08-0.15Mpa，调节时尽量调至上限0.15Mpa。

（4）启动电动辅助油泵向油系统供油，进行低油压联锁保护试验；投入直流事故油泵、磁力断路油门、盘车联锁保护开关；模拟润滑油压力下降，分别关闭各压力开关进油针形阀，逐个松开针形阀出口侧接头，泄放压力开关内油压，使各油压整定值的联锁保护动作，出系联锁保护开关，停用联锁设备，恢复针形阀接头，开启各压力开关进油针形阀。

2、保安系统部套静态动作试验

（1）危急遮断油门动作试验

试验目的：检查危急遮断油门动作灵活性及可靠性。

试验方法：危急遮断油门动作挂钩；手动启动装置，使危急遮断油门复位处于挂钩状态，此时可开启速关阀；手压危急遮断油门手柄，速关阀应迅速关闭。试验要求：手拉危急遮断油门手柄，危急遮断油门迅速可靠地复位挂钩，速关油压建立正常0.6Mpa以上；手压危急遮断油门手柄，速关油路切断，速关阀应迅速关闭。

（2）磁力断路油门动作试验

试验目的：检查磁力断路油门动作可靠性。

试验方法：模拟机组处于正常运行状态，危急遮断油门复位挂钩，开启速关阀；模拟安全保护讯号超过允许值，接通磁力断路油门电磁阀电源使磁力断路油门动作，泄去速关油，速关阀应迅速关闭；手按紧急停机按钮磁力断路油门电磁阀通电动作。

（3）速关阀关闭时间测定

试验目的：测取从危急遮断器动作到速关阀关闭的时间

试验方法：模拟机组正常运行状态，危急遮断油门复位，速关阀最大升程80mm；手动危急遮断油门手柄，通过微动开关发讯，用405型电秒表测取关速阀关闭时间。

试验要求：根据电力部《电力建设工程质量验收及评定标准》汽轮机篇对中小型汽轮机汽阀关闭时间的要求：从危急遮断器动作到自动主汽阀（速关阀）完全关闭时间小于1秒。

3、液压调节部套特性试验

（1）调速器整定

试验目的：复核调速器整定值符合制造厂设计要求。

试验方法：机组启动前通过WOODWARD505E向高、低压油动机电液转换器输入4-20mA电流信号，改变二次油压值从而改变高、低压油动机升程。

试验要求：二次油压0.15Mpa高、低压油动机升程为0mm；二次油压0.22Mpa高压油动机升程为30mm；二次油压0.38Mpa高压油动机升程为105mm；二次油压0.45Mpa高压油动机升程为141mm，低压油动机升程为109mm；

（2）调节系统转速不等率

试验目的：机组启动后通过WOODWARD505E分别将转速置于高限（3180 r/min）；中限（3000 r/min）；低限（2820 r/min）三个位置，通过启动阀控制速关阀改变油动机升程从而改变汽轮机转速。

试验方法：油动机升程每改变15 mm记录转速值；提升和降低转速各进行一次。试验要求：根据测取的数据计算调节系统转速不等率，转速不等率δ≈4％

（3）同步范围测定（暨主油泵特性试验）

试验目的：机组同步范围测定同时进行主油泵特性数据测量。

试验方法：机组空负荷状态下进行。由低限向高限，来回各操作一次；每改变同步范围2％，记录同步范围、转速、主油泵进、出口油压数值。

试验要求：根据测取的数据绘制主油泵转速与压增关系曲线，曲线形状应平坦，无突变，符合叶片泵工作特性；同步范围应符合-6～＋6％额定转速。

4、调节系统静态特性

①根据调节系统静止、空负荷、带负荷试验结果，绘制调节系统静态特性曲线。

②根据调节系统静态试验结果绘制调节汽阀重叠度特性曲线。③根据调节系统静态试验结果绘制调节汽阀提升力特性曲线。

水轮机调节 篇3

【关键词】水轮机调节系统；计算机仿真

随着我国电子产业的迅速发展，人口的增加，我国对于电力资源要求也在加大。在我国电力需求的强力拉动下，我国水轮机制造行业发展迅速。但由于水轮机调速系统对于水电站的整体影响大，所以水轮机调速器在投入使用前都要进行调试。但是常规的调试由于费用过高，时间过长，对调试人员要求高，使得水轮机性能调整不能达到保证。但是随着电子计算机技术的成熟，通过计算机仿真技术设计一套可以对设备进行实时测试并实用可行的设备十分重要。

1.水轮机调节系统仿真模型建立

1.1引水系统

由于水轮机是一个动态元件，在工作时，其内部结构的变化和运动相对于稳定时要复杂很多，所以在进行水力瞬变的计算中，工作人员通常采用水轮机在稳定情况下工作时的综合特性曲线去确定水轮机流和水轮机力矩特性，但是在水轮机稳定状态下的综合特性曲线不包括尾水管和蜗壳不称定工况时水流惯性对水轮机特性曲线的影响。在计算水轮机综合特性曲线时如果引水管道很长，其影响对于整体的综合特性曲线影响不大，所以可以忽略。反之，则要进行一些运算确定其特性曲线而不可忽略。在计算机对水轮机调节系统进行仿真建模时，由于实际的水力发电站中线路复杂，所以在建立模型是必须要对整个水力发电系统中的所有管道通路进行编号，这样可以有效地避免重复而出现的误差，也可以提高整体的工作效率。在对于系统管道进行编号后，由于整体管道过多，同时建立其仿真模型非常麻烦，工作人员通常需要把管道分成若干个网格，网格的边界点作为计算节点，然后在网格内部进行仿真，然后進行最后统一的计算，建立合理的引水系统。

1.2电液随动系统

现代水轮机调速是由电子调节控制器和电液随动系统两部分构成。对于前一部分我国研究的比较深入，技术比较成熟。但对于电液随动系统基本保持原有体制并在此基础上进行一部分优化微调。微调主要分为模拟电调和微处理器电调两种方法。但是这两种方法都是采用电液随动系统。电液随动系统作为水轮机调速的执行部分，是其中不可缺少的重要组成部分。但是由于在水轮机调速系统中工作油液量大，流动路径较长，并且与大气和压缩空气直接接触，使得工作油液内的金属微粒、油泥、纤维等机械杂质较多，并且由于酸碱、水分所引起的油质劣化十分严重，又由于电液随动系统可靠性差，综合所有因素，电液随动系统油孔容易被堵塞，多次工作后断线，强度低等缺点。但是通过电子计算机仿真系统对此进行仿真，可以满足不同情况下的水轮机调节系统，使效果达到最优值。

2.水轮机调节系统仿真算法

2.1引水系统仿真算法

在仿真编程时，引水系统特征线方程与水轮机联立作为一个部分，引水系统采用特征线法求解；水轮机的流盆和力矩可由模型特性曲线上查得。调速器和发电机等部分的徽分方程作为另一部分，并分为存在大扰动和小扰动两种情况考虑。由于存在大扰动时，水轮机参数变化很大，超出其线性范围，因此小扰动模型不适用。为此调速器和发电机采用差分方程的方式建模，采用特征线原理求解。将上述两部分交替求解，即为水轮调节系统动态仿真结果。

2.2电液随动系统的传递函数

将电液随动系统中的步进电机，主接力器作为积分环节，液压缸、主配压阀作为一阶惯性环节。同时记录导叶控制信号的限幅，步进电机输出限幅，步进电机输入信号死区以及液压缸、主配压阀死区等5个主要非线性。并且利用连续系统离散化非线性系统数字仿真，即可得电液随动系统传递函数。

3.仿真系统具备功能

3.1水轮机特性的计算

在求解非线性方程组时，如果没有水轮机流量特性和力矩特性的全特性，就只能在模型综合特性与逸速特性的基础上延长使用，所以在求解非线性方程组时，必须知道水轮机流量特性和力矩特性的全特性。同时将水轮机的特性参数用数组的方式在计算机中储存，需要储存的参数有：导叶开度，机组单位转速，机组单位流量和机组力矩。但是由于实际值与计算机所储存的理想数值存在误差，所以在实际计算出的数值与计算机储存的数值不相等，可以通过拉格朗日公式或者四点插值方法计算求得与单位流量个单位力矩所对应的计算值。

3.2仿真系统步长计算

由于理想情况下和现实情况存在误差，从而导致计算结果不准确，为了减小误差，使计算结果与实际情况更加符合，仿真计算时的步长必须取得足够小，分割的足够精密。步长的确定原则是：仿真系统计算步长的时间必须小于计算机微调调速器的采样时间，这样才能最小的减小误差，同时步长的计算必须在上述条件下同时也满足水击计算的特征方程曲线。当步长计算不能满足水击计算特征方程曲线时，应该在仿真系统中适当的调整波速使得步长满足其条件。

4.水轮调节系统仿真硬件设计

对于水轮机调节系统的仿真，应该从我们的真实情况出发，不能在理想情况下进行仿真实验，否则实验结果很难融入到真正的生产使用。在设计仿真系统的同时应该在实物中加入输入输出模块，以便系统中参数的输入。同时为了方便我们更容易的观察水轮机调节系统的实时性变化，仿真系统应该具备显示功能，并且为了方便我们对参数的调节，确定系统的优先级别，安装可控制的显示屏是最好的选择。

结束语

水轮机调节系统作为水电站中最为重要的环节，其控制性能和可靠性一直是人们十分关注并希望优化的问题。因此在计算机发展迅速的今天，很多学者利用计算机仿真技术研究。在当前看来，通过计算机仿真技术，分别建立模型，列写算法，并根据不同条件对模型算法进行微调，即可得到可靠，准确的结果，大大节省了人力物力，也使其可靠性增加。但随着科技的进步，越来越先进，精确的仿真也被提出来。由此可见，计算机仿真技术因为具有高效，优质，经济的特点，被越来越多的学者青睐，并且在水电能源理论研究和技术开发方面具有很好的前景。

参考文献

[1]刘宪林，高慧敏.水轮机传递系数计算方法的比较研究[J].郑州大学学报，2003（4）：1_5.

[2]沈祖诒.水轮机调节[M].北京：水利水电出版社，1998.

水轮机调节 篇4

水轮机调速器的测试是电站机组安装完成及大修后必不可少的工作。水电站的仿真系统作为水轮机调速器的一个重要的测试手段, 有着传统的调速器测试手段所无法比拟的优点。由于受到计算机软硬件技术的限制, 以前的电站仿真系统大多是基于单板机、工控机以及微机的仿真, 在实时性和适用性方面存在一定的缺陷。本文所进行的仿真采用了奥地利B&R公司的可编程计算机控制器 (PCC) , 相对于原来的仿真技术, 其实时性能突出, 设计、编程、仿真试验等简便易行, 为此类仿真研究提供了良好的硬件平台。

2系统数学模型

为了在不带机组的条件下对调速器或在同时不带机组和电液随动系统的条件下对调节器部分功能进行较全面的测试和检查, 需要对机组和 (或) 电液随动系统进行仿真。因此, 需要建立机组及电液随动系统的数学模型。

2.1电液随动系统

电液随动系统的模型方块图如图1所示。

图1中方块分别是下列各元件模型:导叶控制信号限幅、引导阀-辅助接力器、主配压阀死区、主配压阀-主接力器、接力器行程限幅。其中各模块数学方程见文献[1]。

2.2调节对象的数学模型

根据文献[2], 建立调节对象的单机单管混流式机组水力-机械过渡过程数学模型如下:

导叶开度a与接力器行程y的关系:

$a=f(y)(1)$

接力器行程方程:

$y=f(t)(2)$

水轮机动态特性方程:

$\begin{array}{l}n{}_{11}=\frac{nD}{\sqrt{{\rm H}{}_t}}(3)\\ Q{}_{11}=f(n{}_{11},a)(4)\\ Q{}_t=Q{}_{11}D{}_1^2\sqrt{{\rm H}{}_t}(5)\\ {\rm M}{}_{11}=f(n{}_{11},a)(6)\\ {\rm M}{}_t={\rm M}{}_{11}D{}_1^3{\rm H}{}_t(7)\\ {\rm H}{}_t={\rm H}{}_i-{\rm H}{}_{i+1}(8)\end{array}$

发动机特性方程:

$n{}_t=n{}_{t-\text{Δ}t}+\frac{374.7}{GD{}^2}(\frac{{\rm M}{}_t+\text{Δ}{\rm M}{}_{t-\text{Δ}t}}{2}-{\rm M}{}_g)\text{Δ}t(9)$

有压过水管道方程:

$\begin{array}{l}Q{}_A^t=C{}_p-C{}_a{\rm H}{}_A^t(10)\\ Q{}_A^t=C{}_n+C{}_a{\rm H}{}_A^t(11)\end{array}$

式中:n、ω为机组转速、角速度;n11、Q11、M11为水轮机的单位转速、单位流量和单位力矩;Mg为阻力矩;Qt、Ht为水轮机流量、水头; Hi、Hi+1为机组前、后节点水压力; Mt, Mt-Δt为t时刻, t-Δt时刻水轮机力矩;nt, nt-Δt为t时刻, t-Δt时刻机组转速;Δt为计算时间步长; GD2为机组飞轮力矩;Ca、Cp、Cn均为特征线方程参数, 见文献[6];Q${}_A^t$, H${}_A^t$为有压管道分段节点A点t时刻的流量和水压。

3仿真系统功能

设计的调速系统实时动态仿真仪有3种仿真模式, 第一种是模拟机组进行仿真, 第二种是同时模拟机组和电液随动系统进行仿真, 第三种是作为实时测试系统对调速器进行测试, 如图2所示。

4仿真硬件系统

水力机组调速系统实时动态仿真仪硬件选择应该主要从仿真的实时性出发, 选择一个仿真的主体硬件;同时考虑仿真仪需要的几个输入输出参数。输入参数:引导阀输入信号s、导叶开度信号y、机组频率信号f、压力信号H;输出参数:导叶开度信号y, 机组频率信号f等。

奥地利B&R公司的PCC具有以下优点:①CPU为32位的摩托罗拉芯片68332, 用TPU中的脉宽调制功能PWM很方便实现频率的输出, TPU功能可使系统响应时间达到μS的范围, 而CPU不需作任何加载。②采用可编程计算机控制器PCC作为硬件, 比常规PLC、IPC具有更高的可靠性, 其无故障率达到50万h。③采用多CPU。使主CPU的资源得到合理使用, 同时又最大限度地提高了整个系统的速度。④采用多任务分时操作系统。使整个系统得到优化且具有较好的实时性。⑤采用PCC全系列软件开发工具Automation Studio, 利用该软件可实现显示、控制、驱动和通讯等任务的配置和编程。不像PLC与IPC工控产品, 操作界面与调节控制需用不同的开发软件。除传统的梯形图和指令表编程方式外, 引进了高级语言编程技术, 使编程更方便, 更利于描述复杂的控制思想。⑥采用适合于工业环境的液晶显示器显示面板作为人机界面, 简化了接口电路, 提高了可靠性, 人机接口更友好。

为满足本系统研究, 采用奥地利B&R公司的可编程计算机控制器PP41作为仿真仪, 并且配备相应的输入输出模块。其最大的特点在于具有类似于大型计算机的分时多任务操作系统。与常规PLC采用的单任务时钟扫描方式不同, PP41采用分时多任务机制构筑其应用软件的运行平台, 这样应用程序的运行周期由操作系统的循环周期来决定, 而与程序的长短无关, 由此, 它将应用程序的扫描周期同真正外部的控制周期区别开来, 满足了实时控制的要求, 而且这种控制周期可以在CPU运算能力允许的前提下, 按照用户的实际要求任意修改。

基于这样的操作系统, PP41的应用程序由多任务模块构成, 这样给项目应用软件的开发带来了很大的便利, 因为这样可以方便地按控制项目中各部分不同的功能要求, 如数据采集, 报警, PID调节运算, 通信控制等, 分别编制出控制程序模块 (任务) , 这些模块既相互独立运行, 而数据间又保持一定的相互关联, 这些模块经过分步骤的独立编制和调试完成之后, 可一同下载至PP41的CPU中, 在多任务操作系统的调度管理下, 可以根据不同任务的优先级, 其循环周期可以从几毫秒到几千毫秒选择, 较好地优化整个系统的实时性和准确性, 共同实现项目的控制要求。

5各软件模块功能的实现

5.1频率测量模块

频率测量时, 为了避免输入信号电压幅值变化影响测频精度, 采用测一个信号周期而不是半波, 因此设LTXcpiX为循环测量连续两个上升沿之间的周期长度, 且每个信号周期均测量。LTXciX () 在所测信号周期结束时, 输出该周期内计数器的计数差值DifCnt, 及有效测量序号RdyCnt, RdyCnt的值在每个有效测量后加1, 设TPU计数器的频率为F, 则所测频率为F=F/DifCnt。程序如下。

LTXcpiC中的C表明利用的是PP41自带的具有TPU功能的4个通道中的第一个通道。另外函数LTXcpiD、LTXcpiE、LTXcpiF分别对应PP41的第二、三、四个通道。

5.2发送频率模块

借助于硬件DO135, 使用TPU功能中的脉宽调制功能可以实现发送频率。但是使用DO135的TPU功能, 根据PCC的要求, 必须使用配置字14配置DO135。

为了写入配置字14, 必须使用直接I/O访问功能, 直接I/O访问就是首先指定“铲指令”, 然后一起请求数据。铲指令在程序的初始化部分通过IO_alloc () 、IO_free () 和IO_mphydef () 函数指定, 数据申请通过函数IO_data () 完成。直接I/O铲指令在任务send_f的初始化程序中实现, 如图3所示。

5.3脉宽调制模块

脉宽调制功能模块可以输出不同的高电平和低电平, 高电平和低电平可以用时间基准Tick设置。可以通过设置高电平和低电平时间来实现频率的输出。

5.4仿真程序模块

按照电站的实际情况, 将电站机组数学模型输入仿真仪, 仿真可以选择起动和空载, 并大网和单机带孤立负荷三种工况。其中单机带孤立负荷仿真子程序框图如图4所示。启动和空载仿真子程序、并大网仿真子程序框图略。

图中mg表示机组所带的负荷力矩, t表示时间, dt表示步长, h表示水头, b表示转速, ht和qt表示t时刻水轮机水头和流量, h${}_A^t$和q${}_A^t$表示t时刻压力引水管道末端的水头和流量。α (0<α<1) 和γ (0<γ<1) 分别是水压力和转速迭代计算中的系数, 必须选择合适的迭代系数, 使迭代计算收敛。

5.5仿真数据上位机处理模块

为了把保存在PP41中的数据读入上位机以供后续的分析使用, 必须使用通信功能。程序可视化接口PVI (Process Visualization Interface) 就有这种功能。使用PVI可以同步的把PP41中的数据传输到上位机, 也可以一次性全部读入。使用同步传输数据到上位机会降低PP41的处理器速度, 影响仿真任务的执行。对于本仿真程序, 只需要在仿真结束以后一次性把所保存在FIXRAM的数据读入上位机, 并以文件的形式保存。

6闭环调试

在仿真仪的程序编制完成以后, 利用某水电站的微机调速器实际数据进行闭环对接仿真试验, 即按第二种仿真模式试验。水电站参数如下:蜗壳高程:69.0 m, 下游水位67.0 m, 上游水位115.0 m, 压力引水管长85.0 m, 仿真步长为0.04 s。混流式水轮机参数:转轮标称直径D1=2.00 m, 额定转速n0=214.3 rpm, 发电机额定出力11 MW, 飞轮力矩GD2=500.0 (kN·m2) , 主接力器时间常数ty=0.3 s, 辅助接力器时间常数 0.01 s。仿真试验以开机过程和并网后甩负荷过程为例, 对仿真仪进行测试验证, 下面是仿真测试所得到的数据处理结果。

(1) 开机过程:如图5所示。

(2) 机组处于大系统状态, 甩100%负荷过程, 如图6所示。

图5、6中实线表示转速 (相对值) , 虚线表示导叶开度。

7结语

本文从研究电液随动系统和调节对象的特性入手, 设计了仿真仪的软硬件系统, 并将其受控对象的数学模型用仿真仪来替代。在仿真仪开发完成后, 用仿真仪来仿真水轮机组及电液随动系统和实际微机调速器进行对接仿真。根据上述实验证明, 仿真效果良好, 因此采用这种方法来研究和改进调速器将具有重要意义。

参考文献

[1]沈祖诒.水轮机调节系统分析[M].北京:中国水利水电出版社, 1991.

[2]沈祖诒.水轮机调节 (第三版) [M].北京:中国水利水电出版社, 1998.

[3]魏守平.现代水轮机调节技术[M].武汉:华中科技大学出版社, 2002.

[4]常近时.水力机械过渡过程[M].北京:机械工业出版, 1990.

[5]唐世林.电站计算机仿真技术[M].北京:科学出版社, 1996.

[6]魏先导.水力机组过渡过程计算[M].北京:中国水利电力出版社, 1991.

[7]Rimvall C M.Computer-Aided Control System Design[J].IEEEControl Systems Magazine, 1993.13

水轮机调节 篇5

世界上存在很多模糊的、无法用数量特征表示的事物。模糊性是客观世界的普遍现象。以逻辑真值0,1的模糊逻辑为基础的模糊集合是模糊数学的基本组成元素。将模糊数学应用到工程控制方法中,形成了模糊控制理论,使其对一些无法构造数学模型的被控对象进行确定性的控制。模糊化处理,模糊推理和非模糊化处理三个环节组成了基本的模糊控制系统。

随着控制理论的发展,遗传算法控制、变结构控制、神经网络控制等先进控制方法也普遍应用到水轮机调速系统中,但它们在调节过程中都存在一些弊端,使其控制效果不是十分理想。本文建立了一个水轮机调节系统的较为精确的数学模型,研究了模糊控制的控制策略,并在此基础上构建了水轮机调节系统的模糊PID控制模型,并对此方法进行了深入细致的研究。

1 模糊控制的原理及设计内容

模糊控制是一种非线性控制,以模糊集合论,模糊语言变量及模糊推理为基础,模糊控制被证明是一种具有可变增益的非线性PID控制,包括基本的Mamdani、模糊PI、模糊PD等算法[1]。模糊控制系统的一般结构如图1所示。

由图1可知,模糊控制系统由A/D转换器、模糊控制器、D/A转换器、执行机构、被控对象以及测量装置等部分组成。模糊控制器采用两维输入三维输出。考虑到水轮机调速系统的特性,选择模糊变量的模糊集的隶属度函数为三角型隶属度函数。把实际误差e,误差变化率de/dt,输出变量y对应成相应的语言变量E,EC,U。对于模糊控制系统而言,模糊控制器的设计和实现是模糊PID控制系统设计和实现的关键所在。从理论上讲,模糊控制器的维数越高,系统的控制精度也就越高。但是维数选择太高,模糊控制规则就变得过于复杂,模糊推理的实现就相当困难[2]。模糊规则和隶属度函数的设计要求有一定的经验。模糊控制器以人对控制过程的先验知识为依据,直接针对被控量的变化过程,采用相应的控制规则实现对受控对象的控制,它不要求被控对象具有精确的数学模型,因此对于处理非线性时变系统的参数具有良好的控制效果[3]。基本模糊控制器的设计包括以下几项内容:

(1) 为模糊控制器选择合适的输入变量和输出变量;

(2) 设计模糊控制器的控制规则;

(3) 确立模糊化和反模糊化方法;

(4) 选择模糊控制器的论域并确定模糊控制器的参数(如量化因子、比例因子);

(5) 选择合适的模糊控制算法,并编制相应的应用程序;

(6) 合理选择模糊控制算法的采用时间。

模糊控制器的设计过程如图2所示。

2 水轮机调节系统数学模型

水轮机调节系统原理框图如图3所示。

图3中随动系统传递函数为:

$G{}_{\text{y}}(s)=\frac{1}{1+{\rm T}{}_{\text{y}}s}(1)$

水轮机及引水系统的传递函数为:

$\begin{array}{l}G{}_{\text{t}}(s)=\frac{e{}_{\text{y}}-(e{}_{\text{q}\text{y}}e{}_{\text{h}}-e{}_{\text{q}\text{h}}e{}_{\text{y}}){\rm T}{}_{\text{w}}s}{1+e{}_{\text{q}\text{h}}{\rm T}{}_{\text{w}}s}\\ =\frac{e{}_{\text{y}}(1-e{\rm T}{}_{\text{w}}s)}{1+e{}_{\text{q}\text{h}}{\rm T}{}_{\text{w}}s}(2)\end{array}$

发电机及负载的传递函数为:

$G{}_{\text{g}}(s)=\frac{1}{{\rm T}{}_{\text{a}}s+e{}_{\text{n}}}(3)$

式(1)～式(3)中:Ta为机组惯性时间常数;Tw为水流惯性时间常数;其他符号的含义见文献[4]。

3 模糊控制在水轮机调速器中的应用

在水轮机调节系统中,调节器一般采用PID控制规律,通常,线性系统的控制算式为:

$u(t)=k{}_{\text{Ρ}}e(t)+k{}_{\text{Ι}}{\displaystyle \int t}\times \text{Δ}e(t)\text{d}t+k{}_{\text{D}}\frac{\text{d}e(t)}{\text{d}t}(4)$

式中:e(t)和Δe(t)分别为系统误差和系统误差变化率;kP,kI与kD分别是比例系数、积分系数与微分系数[4,5]。

3.1 输入输出的模糊集与论域确定

根据PID自整定原则,为PID参数控制的两输入三输出的模糊控制器确定各变量隶属函数,模糊控制器的实际输入e(t)和Δe(t)对应语言变量E和EC。输出信号kP,kI与kD对应的语言变量分别为KP,KI,KD。模糊控制器各语言变量的论域如下:

采用阶跃信号作为仿真输入信号,误差语言变量E与误差变化率语言变量EC所取的模糊集合的论域:X={-4,-2,0,+2,+4 },并把E,EC的大小量化为5个等级,其语言值为NB,NS,ZO,PS,PB。KP的论域取值为[0,6],KI的论域取值为[0,3],KD的论域取值为[0,3],把KP,KI和KD的大小化为4个等级,即Z,S,M,B。

在确定输入变量和输出变量及其论域之后,选择三角形函数作为隶属度函数,可得到隶属度函数曲线。

3.2 模糊规则设计

应用模糊集合理论[6,7]建立参数KP,KI与KD与系统误差绝对值$\left|E\right|$和误差变化率绝对值$\left|EC\right|$之间的二元连续函数关系,并用模糊控制器根据不同的$\left|E\right|$和$\left|EC\right|$在线自整定PID参数,是该控制系统设计的核心。模糊规则的设计主要基于以下几个原则:

(1) 当$\left|E\right|$取值较大时,为了使调节系统对给定信号具有较好的跟踪性能,KP的取值应较大而KD的取值应较小,同时为避免系统动态响应出现较大的超调,应对积分环节加以限制,通常取KI=0;

(2) 当$\left|EC\right|$取值较小时,为了使调节系统具有较好的稳态特性,KP与KI的取值都应该大一些。

(3) 当$\left|EC\right|$处于中等大小时,为使系统响应具有较小的超调,KP的取值应较小些。在此种情况下,KD的取值对系统响应的影响较大,KI的取值应该适当;同时为防止调节系统在给定值附近出现激烈振荡,KD取值的选择根据$\left|EC\right|$来确定:

(4) 当$\left|EC\right|$取值较大时,KD应该取较小的值,通常取为中等大小。

根据以上原则,结合实际水轮机调速系统的调节经验,总结出PID控制器参数KP,KI,KD的控制规则如表1～表3所示。

4 系统仿真

利用Matlab 6.5中的模糊工具箱进行模糊系统的设计,系统仿真的结构图如图4所示。

仿真结果如图5所示。

图5中曲线1为PID调节(KP=1.5,KI=0.06,KD=1.5)时水力发电机组的阶跃响应;曲线2为加模糊PID控制器整定后的水力发电机组的阶跃响应。可以看出,引入模糊控制器后水力发电机组的调节特性得到了明显改善。

5 结 语

仿真结果表明,基于模糊PID控制的水轮机调节系统得到的系统响应曲线跟踪特性较好,调节速度快且调节过程平稳,没有频繁的波动,具有良好的调节品质。此算法对于改善PID控制器参数整定的有效性和提高水力发电机组的动态特性都是有益的,且在微机控制系统中比较容易实现,因此该控制器在工业控制系统中将会有非常广阔的应用前景。

参考文献

[1]朱振中.模糊理论在新产品开发中的应用浅析[J].科学管理研究,2000(3):56-59.

[2]WANG Zhen-ni,THAM Ming T,MORRIS A.Multilayerfeedforward neural networks:a canonical form approxima-tion of nonlinearity[J].International Journal of Control,1992,56(3):655-672.

[3]王建伟,段爱霞,侯树文.基于遗传算法的水轮发电机组模糊PID控制研究[J].水力发电,2007,26(4):24-27.

[4]韩俊峰.模糊控制技术[M].重庆:重庆大学出版社,2003.

[5]陈守煜.工程模糊集理论与应用[M].北京:国防工业出版社,1998.

[6]贺剑锋,陈晖,黄石生.模糊控制的新近发展[J].控制理论与应用,1994,11(2):129-136.

汽轮机调节系统故障诊断探析 篇6

关键词：汽轮机,调节系统,故障诊断

汽轮机的调节系统具有良好的反馈控制功能, 它的设计原理主要来自于自动控制理论, 并可以对相关系统进行动态分析。汽轮机的调节系统对于整个汽轮机的正常和安全运转有十分重要的作用, 一旦出现故障将影响到机组的正常运行, 因此需要做好相关的维护工作。目前, 调节系统的故障分析受到了广泛的关注, 国内对于该系统的研究已经步入了十分紧迫的环节, 以下是本文对汽轮机调节系统的综合概括。

1 汽轮机调节系统概述

汽轮机调节系统的主要构成部分为电子控制器、油系统以及保护系统等, 故障发生的主要部位是油系统和保护系统以及执行系统部分。我国目前对于汽轮机的修理由原来对于机组的大量定期修理变成了现在的预测维修状态, 而调节系统的故障诊断成为实现预测修理的重要部分, 能够帮助我国尽快实现预测维修。因此, 对于调节系统的了解和故障分析能够帮助解决整个机组的安全问题, 有利于汽轮机调节系统的正常运行。管理系统主要涉及高压的控制油系统和润滑油系统[1]。这两种油系统对于整个汽轮机的调节系统有十分重要的供应功能。润滑油系统主要是保证汽轮机供油环节得以稳定进行。执行系统部分的功能主要是保证驱动机构的驱动力, 从而对整体气阀进行有效控制[2]。汽轮机调节系统的保护系统主要由危急遮断器等部件组成, 主要负责在汽轮机调节系统出现超速或者是其他的故障时, 进行保护以及安全停机, 保证整个汽轮机的安全运行。目前我国汽轮机实现并网之后, 汽轮机的旋转速度已经作为一个提前反馈的信号来对整个汽轮机的调节系统进行整体的掌控。

DEH调节系统主要使用了先进的计算机技术, 采取DEH调节能够让汽轮机的稳定性得到增强, 同时可大幅度提升其控制能力并保障汽轮机组的安全运行, 让整个机组的运行功率得到很大程度的改善。由于这种系统的组成部件精密度很高, 且很多零件之间的配合间隙十分窄小, 造成其易受到液压油的影响, 所以这种调节系统相比原来的控制系统所花费的成本更高。

2 汽轮机调节系统故障的诊断和分析

汽轮机调节系统对于整个汽轮机的重要程度可见一斑, 因此调节系统的安全运行对于汽轮机的运转十分关键。目前汽轮机的调节系统在运行的过程中还存在一定的缺点, 阻碍了整个汽轮机的正常运行。

2.1 油系统故障

汽轮机的调节系统故障中, 油系统故障占据着很大比例, 油系统故障主要是由油压存在不稳定情况而造成的。而造成油压不稳的原因主要是油泵等本身的性能存在不稳定因素, 油系统的内部容易漏气而混入空气, 从而影响汽轮机的良好运行。具体表现为油系统内部混杂的空气容易造成油体气压的波动, 从而危害整个调节系统的稳定。油系统中混入空气的重要原因是, 机组在启动的时候, 没有将油系统内的空气排除干净, 而辅助的油泵在启动的时候会产生高速度的油流, 从而卷入大量的气泡, 导致大量空气混入油系统中。针对这种问题, 相关工作人员在启动辅助性油泵的时候, 应该提前关闭出口门, 在油泵正常运转后, 再缓缓开启出口门, 以达到提升油压的作用, 保证油系统内的空气量能有效地减少。对于已经进入到系统内部的空气, 相关的设备安装人员可以在管道的弯曲最高部分和可能积累空气的部分设置排气孔, 这样可以有效减少系统内积压的空气。还有一种更为简便的方法是相关的工作人员对系统的运行速度进行合理的调节, 这也能够很好地控制系统内积存的空气。油系统对整个汽轮机的运转有十分重要的支撑作用, 所以油系统的故障必须得到很好的解决。

另外, 油质是影响调节系统正常工作的又一重要因素。油质不良的情况包括油质清洁不当, 以及在系统运行的过程中出现油质变差两种情况。因为液压器件之间的间隙十分狭窄, 所以一旦混有任何的杂质, 例如一些很硬的沙粒, 会在机器引起卡涩现象, 从而影响操作系统的正常运行。调节系统中的器件如果有偏油的现象, 可能会使得系统的油压偏低而造成油动机力度不够, 进而造成调节系统缓慢, 而对调节系统的运行产生影响, 也会对系统的安全运行造成一定的威胁。如果调节系统的器件出现磨损严重而使得配件之间的空隙扩大会造成调节系统翻油的现象, 对机组的安全形成一定的影响。一旦在箱体中存在气孔, 或者是砂眼以及结合面出现不平整, 或者是垫片产生破损等现象, 都会在一定程度上造成不同油压的油路之间产生短路等现象。这种由于油压或者是油路的影响而造成控制器的运行出现问题的现象很常见。造成调节系统翻油的原因很多, 对于机组的安全顺利运行来说, 油系统的重要程度可见一斑。使油系统出现问题的原因是多方面的, 主要是油压的波动和油质量不良, 或者是调节系统中的部件出现漏油现象, 这些都会对汽轮机的整个调节系统产生一定的影响。

2.2 自动性主汽门的故障

自动性的主汽门出现不能正常打开的现象, 按照常规的思考方式主要是对整个汽轮机调节系统的工作原理进行详细分析, 发现导致该故障的原因主要有以下几点:在对保安系统进行调试前, 观察发现对于高压交流泵选择的型号偏小, 到达运转层的时候高压油的压力比安全油的低限的数值略微高一点。但是安全油都是取自于高压油, 所以这种状态不能保证油动机器的正常运作。对于这种情况, 若及时更换新的交流泵, 然后再启动机组, 所花费的时间较长, 容易造成更大的经济损失。根据机组的实际情况及保安设备的布局情况, 以及可拆卸接头位置和功能块隔绝的可行性, 对汽轮机的调节保安系统进行合理划分, 分为微机遮断型模块、自动主汽门的操纵座等模块。针对这些划分的模块制定隔绝的方案, 提前进行危急遮断的功能块的隔绝工作。假如不需要打开汽轮机前端的箱子, 可以将系统和前箱内部的危急遮断功能块的安全油螺纹接口拆除, 并使用丝堵临时封住。当再次将油泵启动的时候, 启动阀后, 进行系统的测试, 查看是否正常。自动主汽门成功打开后, 还要仔细检查危急遮断油门的漏油情况, 在妥善处理发现的问题后, 把危急遮断系统整体性加入系统, 最后进行完整性测试。假如自动主汽门能够屡次顺利打开则表示自动主汽门的故障完全排除。

3 汽轮机调节系统故障的诊断实例

该系统大致于前几年正式投入使用, 已经多次为汽轮机诊断出故障问题, 对整个汽轮机的安全运转起到很重要的作用。汽轮机经历了大修, 并在运行了两个月之后出现了随机的快速滑负荷的现象, 该负荷迅速滑落到很小的功率, 但是又会快速地返回升至原来的负荷值, 这个过程大概将近3秒。但是这种滑落的现象很频繁, 最频繁的时候是在3分钟内发生了四次, 干扰机组的整体运行。汽轮机的调节系统出现的这种故障虽然对于汽轮机的调节控制系统不会产生十分严重的影响, 但是这样高频率的出现负荷值突然掉落的现象会瞬间干扰整个机组的正常运行, 使得汽轮机频繁出现停止运行的现象, 久而久之也会造成一定的困扰, 不利于调节系统的正常运行。假如在汽轮机调节系统的关键工作时间出现这一故障, 也会在一定程度上造成相应的损失而影响机组的正常工作。汽轮机的调节系统显示是由微分器卡涩造成的, 该系统建议对微分器进行处理, 电厂需要对微分器进行限位运行策略, 以达到解决滑负荷的目的。

根据图1可以发现, 电液的转换器的变化是在功率下降之后形成的, 而且运动的方向相反, 所以可以排除电液转换器的因素。一次脉动的油压下跌时, 时间和电功率都出现下落, 时间相同, 所以一次脉动油压也是发生故障的原因之一。还有就是微分器的延迟油压并不属于正常的下跌现象, 再加上中压油动机的关闭现象属于非正常范畴, 表示中压油动机和微分器也属于发生故障的原因范围之内。详见图1。

4 结语

汽轮机的调节系统的重要功能在于它能够将汽轮机各个部分发生故障的过程用图像和数据记录下来, 并呈现出故障出现的问题所在, 指导相关工作人员确定故障方向, 缩短处理故障的时间, 保证整个机组的正常运行。所以, 调节系统对汽轮机的投入使用不仅表示科技技术的进步, 更大程度上保障了整个汽轮机的安全运行, 并提高了整个机组的运行功率, 节约了大量的人力资源。

参考文献

[1]吴瑞涛, 常澍平, 等.汽轮机调节系统参数测试技术及其应用[J].河北电力技术, 2009 (S1) .

汽轮机调节保安系统常见故障分析 篇7

汽轮机调节保安系统其主要作用是用来调节汽轮机进汽量,满足电网系统负荷变化的需求,同时在汽轮机的负荷和参数发生变化时,能有效地控制机组转速在允许范围内以及在正常停机和非正常停机时能有效快速切断进汽,其调节保护的可靠性显得尤为重要。一旦出现问题往往会造成系统不稳被迫停机或者超速等严重事故。本文就针对安钢热力车间汽轮机调节保安系统存在的问题并采取相应的措施进行分析和论述。

2安钢热力车间汽轮机调节保安系统存在的问题

2. 1油质不良,容易造成电液转换器、错油门、油动机、调速汽门、自动主汽门以及一些滑阀组合件卡涩现象,同时也会引起汽轮机负荷摆动或甩负荷。

2.2设备本身缺陷,调速汽门的阀碟与阀座因研磨不佳或运行中受蒸汽长期冲刷而逐渐磨损、侵蚀,使接合面不严而漏入蒸汽,往往会造成转速不受控制或超速等现象; 调速汽门顺序装反或凸轮等传动机构间隙未找好而造成负荷摆动等现象。

2. 3运行中部件松脱或移位,在调节系统中采用机械传动的部件,在运行中会因机组的振动而产生松动脱落或移位,造成调速气门不正常关闭等现象。

2. 4自动主汽门,自动主汽门常见故障除了上面所提到的因滑阀卡涩和本身结垢卡涩关不回的同时还存在引启动油量过大造成主汽门开启过快关闭时过慢故障,容易造成阀门损坏及超速等事故。

2.5保安油,保安油故障主要体现在两个方面:一是保安油建立不起来;二是保安油卸不掉。

3解决措施及效果

3. 1在运行中应加强滤油、严防轴封漏气、定期做好化验等工作。对出现卡涩的部件应及时停机处理清洗

3. 2通过采取研磨等方法来加以清除接合面不严的问题,确保接触面良好; 严格按照设计规范进行安装,尤其在安装时有特殊说明的。同时,两种情况也是引起调速汽门重叠度不当的原因,在蒸汽力的作用下往往会造成调速汽门的跳动等缺陷,引起负荷摆动。这种摆动一般只发生在调速汽门交替开启时的一定负荷区域以内,偏离这个区域便可能消失。 因此发生这种情况在摆动负荷区域内禁止停留,同时应对调速汽门的重叠度进行检查,根据相关原因进行处理。

3.3经常检查传动机构的活动链接处是否有松动现象并做到及时处理。

3. 4在启动油来油管道去自动主汽门操作座前加装一道节流孔板。自动主汽门长时间在全开及高温状态下运行极易发生卡涩显现,需要定期做活动试验。曾经就出现自动主汽门活动试验失灵,这样严重影响机组安全。操作自动主汽门活动试验失灵现象主要有两个: 一是自动主汽门不动作; 二是自动主汽门活动行程太大。活动试验失灵后首先根据手动停机后自动主汽门能否正常关闭,由此来判断是不是由于卡涩所致。排除卡涩后针对现象查找原因, 自动主汽门活动装置失灵一般是有活动装置泄油口调节不当和电磁活动设计参数不当引起的。一般通过调整泄油口泄油量和改变活动电磁阀得电时间长短,能很好地控制自动主汽门活动行程,活动行程一般控制在15 mm以内。

3. 5保安油建立不起来首先排除是否复位油压不足,再对滑阀进行检查看看是否存在卡涩现象; 再次对保安油管路通过手摸管路油温来判断系统内是否有保安油,管路是否接错; 最后对危机遮断装置进行检查。曾经就有过危急遮断器动作后,拉钩不能在销轴上扭弹簧的作用下与活塞重新搭扣,造成保安油压一直建立不起来; 保安油卸不掉首先也应对滑阀是否存在卡涩现象进行检查,再次对保安油路做打闸试验,来判断卸油量不足。曾遇到过机组因保安油量相对于泄油口偏大,保安油卸不净,造成机组远传停机后,自动主汽门不能正常关闭,通过排查决定将保安油滑阀上的4个直径为2. 0 mm的节流口用一根直径为1. 8 mm的铜丝对称地堵住两个,减少保安油量,这样能很快地把保安油卸掉,防止主汽门不能正常关闭。

4结论

试论汽轮机调节系统故障及对策 篇8

1.1 油质分析

汽轮机油的作用主要是调速作用, 润滑作用和冷却作用。包括燃气轮机油、水力汽轮机油、蒸汽轮机油和抗氧汽轮机油等。油的质量直接影响汽轮机组的安全经济运行。在运转过程中, 润滑油受到高热表面作用, 与空气 (烟气) 相混, 以相当大的速率泵送和循环, 并处于高压下使用。所以, 要求燃气轮机油比蒸汽轮机油具有更优良的高温氧化安定性和抗磨性。由于油质管理不善, 进油时是劣质油或标号不同, 领回时未化验加入主油箱运行, 再者是检修质量不良, 轴封间隙调整未在标准范围内, 调整不当, 运行中轴封压力调得过大, 漏汽到油档, 造成油中进水, 引起调速和保护部件卡涩。其次, 调节系统部件翻油。目前, 为确保汽轮机组的安全经济运行, 汽轮机油必须具有适宜的粘温性和良好的粘度。还有具有良好的抗乳化性和氧化安定性等。这些特性能够保证在长期运行中生成的沉淀物要少, 酸值增加不显著, 同时还能保证汽轮机组的轴承在不同温度下均能得到良好的润滑。

1.2 自动主汽门故障

自动主汽门是汽轮机保护系统的一个执行装置, 当机组保护动作后, 可以立即切断汽轮机进汽, 属于快关门。汽轮机组自动主汽门无法打开的问题, 按常规考虑, 在运用调节保安系统工作原理分析后发现出现该故障主要有当调节保安系统调试前, 通过检查发现了高压交流油泵选型偏小, 到运转层时高压油压力只有0.63MPa, 仅比安全油低限动作值0.6MPa略高一点, 而安全油取自高压油, 因此难以保证正常的安全油压和油动机正常动作。因此, 我们必须要对其要求是动作可靠、迅速, 通常要求其关闭时间不大于0.5秒。这类现象是较常见的。另一方面对安全生产也十分不利。这些现象在机组运行中常遇到。

1.3 密封部件漏油

由于介质的物理性能, 系统的密封件必须能耐酸、耐腐蚀。所以, 密封件材料的选择必须符合要求。传统汽封密封效果不好, 易磨损, 寿命短的问题尤为严重。非耐酸、耐腐蚀材料是满足不了运行要求的。因此, 系统中的密封胶圈、油档等密封件采用氟橡胶或其它耐酸的材料, 保证油系统的严密性。又因为设备的密封件绝大多数都是非国标的, 而且设备供应商ALSTHOM出于商业目的, 所提供的手册并没有给出密封件的具体规格和型号, 所有密封件的资料都必须靠平时的积累, 这就造成了备件的筹备难以完善。漏油现象层出不穷。

2 加强汽轮机调节系统养护途径

2.1 强化油质质量

汽轮机油质量的好坏与汽轮机能否正常运行关系密切。严格控制抗燃油油质, 随时清除油中机械杂质、油, 以便保证系统清洁度, 添加T501抗氧剂, 还要要求油品具有良好的防锈性。油质变坏使润滑油, 油的性能和油膜力发生变化, 会使调节系统部件被腐蚀、生锈而卡涩, 导致调节系统和保护装置动作失灵, 还会造成各润滑部分不能很好润滑, 结果使轴瓦乌金熔化损坏。由于粘度是判断汽轮机油稠和稀的标准, 粘度以恩氏度作为测定单位, 常用的汽轮机油粘度为恩氏度2.9-4.3。粘油稀, 就容易流动, 粘度大, 油就稠, 不容易流动。粘度对于轴承润滑性能影响很大, 粘度过大轴承容易发热, 过小会使油膜破坏, 油质恶化时, 油的粘度会增大。其次, 提高系统的密封性。提高系统的密封性最主要是提高主油箱上的入孔盖板、手孔盖板、密封回油观察窗等处的密封。第三, 防止油系统进水。预防和消除汽轮机油系统进水, 是防止汽轮机油乳化的重要措施。为此, 要落实措施加以防范。要确保产品设计和制造质量, 即汽封装置结构设计合理、零部件加工符合工艺标准、材质满足高温运行要求。

2.2 强化自动主汽门保护

自动主汽门有两部分组成:主汽门操纵部分和主汽门阀体, 液调机组可以用自动主汽门冲转暖机, 主要作用就是紧急停机时可以瞬间关闭, 切断汽源。电动主汽门只是主汽管道上的一个隔断门, 和汽轮机的保护系统没有联系, 也不属于快关门。停机后关闭该门, 切断进汽, 机组可进行与自动主汽门相关的保护试验而不必担心有蒸汽进入。电动主汽门的主要作用是一旦自动主汽门关闭不严, 需要电动主汽门切断汽源。另外, 汽轮机在打闸的时候, 机组的主汽门常常出现无法归零的现象。主汽门无法归零的现象一般是因为油质不佳导致液压部套发生的快速卸荷以及卡涩故障。发生故障的时候通常只能关闭到11毫米的地方。发生这种情况的时候, 检修人员通常是用铜棒朝着门杆的地方进行敲打, 但是这样并不能完全有用。有时候虽然敲打很多次, 再进行打闸和挂闸, 仍然无法使主汽门归零。因此, 定期对主汽门进行检测和试验及时发现问题, 避免主汽门的缺陷, 保证主汽门的灵活性才能保证汽轮机的运行安全。

2.3 强化密封件质量

在汽轮机运行过程中, 汽轮机渗漏和汽缸变形是最为常见的设备问题。因此, 采用适当的汽缸密封材料是强化质量的重点。密封件的主要特点是在构成密封结构的两静子部件中的任意一个部件的密封面上设置密封槽, 槽内有由热膨胀材料制成的密封圈。这不但能够改善静子部件的密封性能, 而且还能提高了汽轮机的效率和安全性。因现在汽轮机汽缸密封剂还没有统一的国家标准和行业标准, 制作原料和配方也各不相同, 产品质量参差不齐。在选择汽轮机汽缸密封剂时, 就要选在行业内有口碑, 产品质量有保证的正规生产厂家。密封剂的使用要根据实测间隙大小选用不同的修复步骤, 对于汽缸缸面变形严重, 平整度间隙超标的机组, 缸面要先做研修整平后, 再涂密封剂扣缸。充分搅拌密封脂, 然后用油灰刀沿汽缸结合面均匀涂抹, 涂抹厚度0.5mm~0.7mm左右。另外, 螺孔周围及汽缸内侧应留有一定尺寸的空白, 以防止密封剂挤压后进入通流系统。

3 结束语

中小型汽轮机的数字电液调节系统 篇9

随着电厂对供电品质提出了更高的要求, 提高汽轮机控制系统水平显得更加必要。除了为电厂提出的使用参数设计的特定的通流方案, 采用控制性能好、控制精度高、自动化程度高的纯电调的汽轮机电液调节系统成为最合适的配置, 以便最大限度发挥汽轮机组的技术优势。本文以博罗生活垃圾焚烧发电项目冷凝式15 MW汽轮机 (机组型号N15-6.4//450) 为例说明电液调节在中小汽轮机上的应用, 该机组的配置为:采用和利时自容式DEH系统包括T800-F系列硬件和电液调节系统B400;TSI系统采用江阴市第三仪器厂QBJ-3800C系列;ETS系统采用和利时公司的控制系统。

N15-6.4//450型凝汽式汽轮机组是6000 r/min的单缸高转速快装式汽轮机组, 汽轮机转子后端通过膜片联轴器与减速齿轮箱相连, 再带动3 000 r/min发电机发电。其外部系统执行机构主要由主汽阀 (危急遮断阀) 、调节阀、三个系统非调整抽汽单向关闭阀及其所配油动机等液压部套组成, 具体组成详见图1。在延用常规阀门和主机结构模式的前提下, 这些油动机和液压部套由以往常规使用透平油的控制油系统替换成高压抗磨液压油系统, 并在结构安排上规避了透平安全油 (润滑油) 与高压抗燃油因泄漏而出现混合的可能影响。

本机组通过将汽轮机的传感器信号输入DEH系统, 经伺服放大器输出信号, 通过电液伺服阀转化为液压信号驱动相应的油动机, 并通过机械的联接, 控制进汽调节阀的开度, 调整汽轮机的进汽量以适应负荷变化的需要。

2 电液调节系统

2.1 电气控制系统

N15-6.4//450型冷凝式汽轮机采用纯数字式电液控制系统, DEH系统采用和利时公司T800-F系列, 其相应的DEH控制柜构成MACS-DCS系统中的一个现场控制站。该系统主控单元FM802采用双冗余配置及通信方案, 互为热备用。尽管两个CPU都接在通信网络上, 但只有主CPU通过通信网络发送和接收信息。如果主CPU发生故障, 仲裁器就把工作权转移给备用的CPU。在工作期间, 备用CPU通过仲裁器设置主CPU的状态, 不断更新自己的存储器[1]。

该系统配有多套冗余的电源组件并联使用, 同时提供继电器回路和硬接线手操盘。任一模块均可带电拔插, 可在不停机情况下带电维护及更换板件。软件组态方便, 容易掌握, 可根据工程需要修改及扩展功能。

测速模块FM163E系统配有3块测速板组成转速信号为三取二冗余结构, 具有103%额定转速和110%额定转速的接点输出, 在汽轮机转速飞升到额定转速103%时, 发出快关调门信号, 通过OPC电磁阀, 迅速关闭调节阀, 使机组的转速尽快稳定在额定转速[2];当转速超过额定转速110%时, 危急遮断系统会发出停机信号并快速关闭所有阀门, 实行紧急停机[3], 从而实现降低转速和三取二超速保护功能。

伺服模块FM146B与液压系统的伺服阀、油动机、位移反馈 (LVDT) 构成电液随动系统, 完成对油动机位置的闭环控制。转速信号为三取二冗余和油动机位移信号双冗余, 有效降低了机组的事故停机率。

另有三个转速信号分别输入到隶属于TSI系统的三个转速模块中, 当转速超过额定转速110%时, 经三取二表决后, 将处理后的信号送到ETS系统, 实现常规的超速保护功能。

该DEH系统可实现本汽轮机组调试和正常运行的主要功能, 如下:

起动过程的转速控制, 包括7种方式: (1) 同期并网; (2) 阀控方式; (3) 功控方式; (4) 压控方式; (5) CCS方式; (6) 一次调频; (7) 紧急手动;

限制控制功能, 包括: (1) 超速限制; (2) 阀位限制; (3) 高负荷限制; (4) 主蒸汽压力限制; (5) 甩负荷; (6) 低真空负荷限制[1];

保护控制功能, 包括: (1) 超速保护; (2) TSI电气超速保护; (3) DEH软件组态超速保护; (4) DEH测速模块硬件超速保护;

试验系统功能, 包括 (1) 假并网试验; (2) 超速试验; (3) 阀门活动试验; (4) 阀门严密性试验; (5) 高压遮断模块试验; (6) OPC开关调门试验; (7) 离线仿真试验;

除此之外, 有孤网运行控制功能, 报表、操作记录、趋势管理功能;可提供OPC接口, 与管理网连接方便;并提供100点以上测点, 适应日常运行管理需求。

2.2 液压控制系统

液压控制系统采用的是和利时公司B400系列自容式电液执行机构和自容式液压泵站, 其工质采用无毒环保的高压抗磨液压油。

液压控制系统主要包括:伺服油动机、供油系统、保安系统。液压控制系统主要是将调节阀油动机变为电液伺服油动机。即由电液伺服阀、调节阀油动机、冗余LVDT位移反馈和电子控制装置的硬件伺服模块等组成, 是一个电液随动式系统。

自容式高压抗磨油供油系统采用独立油源, 包括EH冗余油泵、滤油器、电加热器、蓄能器等。

保安系统包括AST遮断电磁阀、OPC快关电磁阀、主汽阀电磁阀、单向关闭阀电磁阀、不锈钢隔离阀。

自容式液压泵站结构紧凑、集成度高, 油泵电机组冗余配置, 两套油泵互为备用。当调节油系统压力偏低时, 能自动启动备用油泵, 以保证供油可靠。泵站使高压抗磨液压油的油源独立, 避免了润滑油与调节用油的混合污染, 便于保持调节用油的清洁度和封闭, 防止调节部套的卡涩。

高压抗磨液压油的工作油压力为14 MPa, 每个阀门配置一台自容式油动机, OPC电磁阀失电状态下, 高压油进入卸载阀上腔建立起安全油压, 卸载阀关闭, 油动机准备就绪。DEH送来的信号通过电液伺服阀转换为控制油动机活塞升降的液压信号, 由于位移传感器 (LVDT) 与活塞联动, 其反馈的位置信号与阀位指令相平衡时, 活塞停止运动, 完成对调节阀开度的调整。根据阀位指令信号的变化, 油动机随时地调节蒸汽阀门的开度, 实现单阀控制方式。要求紧急停机时, 安全系统动作, 卸载阀打开, 油动机活塞上下腔室连通, 活塞下腔的油迅速流向上腔, 活塞下的油压迅速下降, 活塞在上腔高压力作用下迅速关闭。由伺服板、伺服阀、油动机、冗余LVDT组成一个电液随动系统, 反应快、灵敏。

液压系统通过一套透平油系统的安全油三取二冗余信号, 作为高压抗磨液压油系统的安全油, 来控制油动机运行。一旦供油系统失压, 或安全系统动作, 油动机活塞将加快关闭调节阀, 主汽阀和抽汽单向阀等蒸汽阀门可以在操纵座弹簧力的作用下迅速关闭, 确保机组安全。

除冗余配置的AST遮断电磁阀外, 还具有单独的手动停机换向阀, 提供进一步的安全保障。

3 小结

本公司生产的目前在运行的中小型汽轮机, 部分是采用液压调节系统, 即便经过改造成数字电液调节系统或新出厂的汽轮机组, 其主要的汽轮机超速保护系统依然有半数汽轮机组应要求保留了机械液压超速保护装置, 组成电子和机械液压超速保护并存的电液调节系统, 机械液压超速保护装置在整定参数的精度和重复性等方面存在明显不足, 相对而言, 通过纯数字电液调节系统在汽轮机上的应用更能提高电厂控制水平。

汽轮机控制系统的DEH以计算机为主控单元, 将数据采集技术、数据通信技术等融合在一起, 帮助现场人员进行手动、自动以及程序控制等操作。它承担着转速和负荷调节及工况控制的任务, 直接影响着机组运行的安全性、可靠性、经济性以及自动化程度。

高压抗磨液压油电液调节系统的技术性能好, 特别是机组的系统迟缓率和机组在甩满负荷情况下的超调量大大降低。相对于低压透平油调节系统比较而言, 高压抗磨液压油无毒、无污染, 拥有高压抗燃油系统的控制精度高, 但又无需像抗燃油一样对油液介质进行大量的高成本维护工作。自容式电液执行器系统采用高压系统, 使油动机结构紧凑, 提升力大、动态响应快、定位精度高, 兼有模块化、标准化、系列化等优点。日后有望推广应用于公司生产的6 MW、15 MW、25 MW汽轮发电机组中。

纯数字式电液控制系统的广泛应用, 使中小型汽轮机自动化程度和安全保障大大提高, 各种实用的功能, 有利于优化运行, 提高管理水平和经济效益;还可利用仿真功能在开机前进行操作模拟运行培训, 降低系统维护难度和工作强度, 使工作环境得到极大改善。

摘要：为了进一步提高中小型汽轮机调节系统的控制精度和性能, 应采用数字电液调节系统, 并结合新型的工质和供油系统。通过运用高压抗磨液压油的数字电液调节系统, 弥补了液压调节系统在整定参数的精度和重复性等方面存在的不足, 在系统动态响应和控制精度方面, 与普通低压透平油数字电液调节系统相比更有优势, 能提高数字电液调节系统的控制水平。

关键词：数字电液调节系统,液压系统,高压抗磨液压油

参考文献

[1]白焰, 吴鸿, 杨国田.分散控制系统与现场总线控制系统[M].北京:中国电力出版社, 2001.

[2]降爱琴, 郝秀芳.数字电液调节与旁路控制系统[M].北京:中国电力出版社, 2006.