汽轮机调速系统技术总结.docx

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汽轮机调速系统技术总结

汽轮机调速系统技术总结

一、前言

现代化钢铁厂高炉配套鼓风机设备，它决定高炉的产量和质量。

随着科学技术的进步和发展，鼓风机到达高速连续运转，汽动鼓风机的成功运用对企业的能源利用和降低成本起着很大的作用,如九钢高炉鼓风机站采用了汽轮机，汽轮机的动力来源于与之配套的锅炉产生的高温蒸汽，高炉煤气、转炉煤气进入锅炉燃烧产生高温蒸汽。

二、汽轮机的技术参数

三、汽轮机控制系统

汽轮机控制系统主要包括调节系统、辅助系统、监测系统〔TSI〕

保护系统〔ETS〕等。

1、调节系统

调节系统主要有转速传感器，WOODWARD505电子调速器，电液转换器，油动机和调节气阀组成，WOODWARD505电子调速器同时接受到两个转速传感器变送的汽轮机转速信号，将接收到的转速信号与转速设定值进行比较后输出执行信号〔4-20mA电流〕再经电液转换器转换成二次油压〔1.5-4.5bar〕，二次油压通过油动机操纵调节气阀，调节进气量，实现转速调节。

a.转速传感器

本工程中采用的是电涡流转速传感器,电涡流转速传感器是一种非接触式的线性化测量工具。

它建立在涡流效应的原理上，

其工作过程是，当被测金属传动轴与探头之间距离发生变化时，探头中线圈的电感量发生变化，电感量的变化引起了振荡器的振荡电压幅度变化，这个随距离变化的振荡电压经检波，滤波和线性较正后变成了与位移成正比的电压量。

工程中采用的DWQZ系列电涡流传感器是由探头、延伸电缆、前置器以及被测体构成基本工作系统。

前置器中的高频振荡电流通过延伸电缆进入探头，在探头的头部线圈中产生交磁场。

当被测金属体靠近这一磁场，则在此金属外表产生感应电流，电磁学上称之为电涡流。

与此同时该电涡流也产生一个方向与头部线圈方向相反的交变磁场，由于其反作用，使头部线圈高频电流的幅度和相位得到改变〔线圈的有效阻抗〕，这一变化与金属体磁导率、电导率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率以及头部线圈到金属导体外表的距离等参数有关。

通常假定金属导体材质均匀，则线圈和金属导体系统的物理性质可由金属导体的电导率6、磁导率ε、尺寸因子τ、头部体线圈与金属导体外表的距离D、电流强度I和频率ω参数来描述。

则线圈特征阻抗可用Z=F〔τ，ε，6，D，I，ω〕函数来表示。

通常我们能做到控制τ，ε，6，I，ω这几个参数在一定范围内不变，则线圈的特征阻抗Z就成为距离D的单值函数，虽然它整个函数是一非线性的，其函数特征曲线为“S”型曲线，但可以选取它近似为线性的一段，然后，通过前置器电子线路的处理，将线圈阻抗Z的变化，即探头线圈与金属导体的距离D的变化转化成电压的变化。

输出信号的大小随探头到被测体外表之间的距离而变化，电涡流传感器就是根据这一原理实现对金属物体的位移、振动等参数的测量。

b.伍德沃德Woodward505电子调速器用于控制透平压缩机的转速。

Woodward505控制系统由美国Woodward公司设计生产，该系统控制器以微处理器为基础实现控制，可用于单个或双个执行机构的蒸汽轮机。

Woodward505控制系统有两种操作方式：

编程模式和运行模式。

编程模式用于选择控制器内部配置及运行方式的设置；运行模式则根据设定的程序实现控制。

Woodward505电子调速器是以32位微处理器为核心的模块化电脑控制装置，根据用户运行参数、条件编程组态，通过输入输出接口，接受、输出模拟量，开关量信号进行控制。

调节信号以及过程控制，辅助控制等回路输入的控制信号，运算后输出标准的电流信号给

电液转换器，电液转换器接受调节器输出标准的电流信号，输出与电流信号相对应的油压信号。

该油压信号经液压伺服机构放大后，控制油动机活塞移动，通过调节杠杆，改变调节汽阀的开度，来改变汽轮机的进气量。

该系统通过对各个阀门的控制实现冲转、带负荷、阀门试验、抽汽控制等一系列控制功能，并完成对工况的监视，事故记忆，主要功能有：

转速目标设定，转速调节，抽汽压力调节，负荷分配，功率目标值的设定，不等率设定、冷热态自起动程序设定、跨越临界转速控制、超速试验及保护、外部停机输入、图形显示、输入输出监控、手动自动转换等。

c.电液转换器

将电信号转换为液压信号的转换器。

电液转换器常用于将电动调节仪表的输出信号转换为液压信号，驱动油动机动作。

油动机具有功率大、机械刚性好、动态响应快等特点，因此它在精密控制系统、重型机床、汽车、船舶和航空航天中都有广泛的应用。

而电动仪表在获得信息、传输和处理信息方面有一系列突出的优点，因此在应用上常常采用电动仪表与液动执行器相结合的自动控制系统，电液转换器就是它们必不可少的一个装置。

本工程中采用SVA9电液转换器，SVA9型电液转换器是专为汽轮机电液调速系统开发的一种高可靠性的动圈式电位移比例转换元件，它能将微弱的电气信号通过液压放大转换成具有相当大作用力的位移输出，通过它可以对汽轮机电液调速器的执行机构油动机实现自动精确的位置控制。

SVA9型电液转换器工作原理如下：

钢磁在气隙中形成固定磁场，当动圈绕组中有控制电流通过时，动圈

在气隙磁场中受电磁力的作用，此电磁力克服弹簧力使动圈及控制滑

阀产生与控制电流成比例的位移。

电液压力油从P口进入，流经控制滑阀与随动活塞的上下可变节流口，由T口回油。

油源压力直接作用在随动活塞下腔，使之始终有一个向上的恒力，而上下节流口间的控制油压则作用在随动活塞上腔〔被控腔〕，使之产生一个向下的推力。

随动活塞上腔面积设计成是下腔面积的两倍，因此当控制滑阀静止时，随动活塞自动地稳定在一个平衡位置，在这个位置上，上、下节流口的过流面积相等，上腔控制油压刚好等于下腔油源压力的一半，使作用在随动活塞两端的液压推力相等。

输入正向电流时，动圈带动控制滑阀向下移动，上节流口关小，下节流口开大，从而使上腔油压升高，推力加大，推动随动活塞下移，直至随动活塞位移等于动圈与控制滑阀位移量时，上、下节流口过流面积相等，随动活塞两端的推力恢复相等，随动活塞两端推力在新的位置恢复平衡，输入负向电流时，动圈带动控制滑阀向上移动，下节流口关小，上节流口开大，从而使上腔油压降低，推力减小，随动活塞在下腔恒力的作用下上移，直至再度到达新的平衡。

d.油动机

油动机是调节气阀的执行机构，它将由电液转换器输入的二次油信号转换为有足够作功能力的行程输出以操纵调节阀，控制汽轮机进气。

油动机是断流双作用往复式油动机，以汽轮机油为工作介质，动力油用0～0.8Mps的压力油。

油动机的结构

油动机的工作原理：

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i%I7[0m;b9t%r9{液压伺服系统有两个功能：

一是控制阀门的开度，二是伺服机构、阀门系统的快速卸载，即阀门的快关功能。

对于连续型油动机，其阀门的开度控制是一个典型的闭环位置控制系统。

当遮断电磁阀失电时，控制油通过遮断电磁阀进入卸载阀上腔，在卸载阀上腔建立起安全油压，卸载阀关闭。

油动机工作准备就绪。

电液转换器送来的阀位控制信号通过伺服放大器传到伺服阀，使其通向负载的阀口打开，高压油进入油缸下腔，使活塞上升并在活塞端面形成与弹簧相适应的负载力。

由于位移传感器（LVDT2只，冗余配置）的拉杆与活塞连接，所以活塞的移动便由位移传感器产生位置信号，该信号通过解调器反馈到伺服放大器的输入端，直到与阀位指令相平衡时，伺服阀回到零位，遮断其进油口和排油口，活塞停止运动。

此时蒸汽阀门已经开到了所需要的开度，完成了电信号———液压力———[wiki]机械[/wiki]位移的转换过程。

随着阀位指令信号有规律的变化，油动机不断地调节蒸汽阀门的开度。

 卸载阀装在油动机的控制集成块上。

正常工作时，阀芯将负载压力、回油压力和安全油压力分开，当急需汽轮机机组停机时，安全系统动作，安全油压下降至零，卸载阀在油动机活塞下油压的作用下打开，这时油动机活塞下油压的压力迅速下降，油动机活塞在阀门操纵座弹簧紧力下迅速下降。

油动机活塞下的油液通过卸载阀向油动机活塞上腔转移，多余的油液则通过单向阀流回油箱，使阀门快速关闭。

调节气阀的结构

调节气阀的作用是按照控制单元的指令改变进入汽轮机的蒸汽流量，以使机组受控参数〔功率或转速、进汽压力、背压等〕符合运行要求。

2.监测系统〔TSI〕

汽轮机的在线保护方法〔TSI〕系统,汽轮机热工监视和保护系统以及由其所组成的信号报警系统和保护控制系统，是保护汽轮机安全运行的重要设备。

随着机组容量的增大，汽轮机安全监视和保护就显得更加重要，同时对汽轮机的安全监视和保护装置动作的准确性和可靠性也提出了更高的要求。

原有及早期设计的保护系统大多为继电器及硬件逻辑搭接的，可靠性较差，维护量较大。

汽轮机振动及监控保护系统是为了监视汽轮机在运行过程中主轴和轴承的振动状况及大轴弯曲而设计的，它由振动监视组件，速度监视组件和偏心监视组件三部分组成，每个部分可由用户的需要提供假设干组件，以完成用户需要监视的测点。

其中监视振动组件和偏心监视组件配涡流传感器，用来监视主轴的振动状况，涡流传感器的输出信号大小为4—20V，它是一个含有直流分量的交流信号，速度监视组件配电磁式传感器，用来监视轴瓦的振动情况。

a.振动监视组件：

振动监视组件是以单片机为核心研制的,单片机采用目前市场上先进的8098单片机，8098单片机具有处理速度快，抗干扰能力强，系统稳定性能好等优点，本工程中监测分析与故障诊断软件系统”在仿真机上运行，能对仿真机运行工况进行监视，也能通过实时数据库与实际机组的电脑联网，对实际运行机组工作状况进行监测和分析等，大大的提高了系统的安全性能。

对旋转机械来说，衡量其全面的机械情况，转子径向振动振幅，是一个最基本的指标，很多机械故障，包括转子不平衡、不对中、轴承磨损、转子裂纹以及磨擦等都可以根据振动的测量进行探测。

转子是旋转机械的核心部件，旋转机械能否正常工作主要决定于转子能否正常运转。

当然，转子的运动不是孤立的，它是通过轴承支承在轴承座及机壳与基础上，构成了转子－支承系统。

一般情况下，油膜轴承具有较大的轴承间隙。

因此轴颈的相对振动比之轴承座的振动有显著的差异。

特别是当支撑系统〔轴承座、箱体及基础等〕的刚度相对来说比较硬时〔或者说机械阻抗较大〕，轴振动可以比轴承座振动大几倍到几十倍，由此，大多数振动故障都直接与转子运动有关。

因此从转子运动中去监视和发现振动故障，比从轴承座或机壳的振动提取信息更为直接和有效。

所以，目前轴振的测量越来越重要，轴振动的测量对机器故障诊断是非常有用的。

例如，根据振动学原理，由X、Y方向振动合成可得到轴心轨迹。

在测量轴振时，常常把涡流探头装在轴承壳上，探头与轴承壳变为一体，因此所测结果是轴相对于轴承壳的振动。

由于轴在垂直方向与水平方向并没有必然的内在联系，亦即在垂直方向〔Y方向〕的振动已经很大，而在水平方向〔X方向〕的振动却可能是正常的，因此，在垂直与水平方向各装一个探头。

由于水平中分面对安装的影响，实际上两个探头安装保证相互垂直即可，当传感器端部与转轴外表间隙变化时的传感器输出一交流信号给板件，板件计算出间隙变化〔即振动〕峰-峰〔P-P〕值。

机组轴振的测量范围：

0～400μm；报警值：

125μm；停机值：

250μm。

b.速度监视组件：

机器转速的测量，长期以来已成为一项必须进行的标准程序，转速值显示是汽轮机组开车、停车以及稳定运行时的重要参数，并且振动值与机器转速的相关性对最终分析机器性能十分重要。

例如：

在机器停车过程中，转速突然下降，会意味着机器内部存在着大面积的金属摩碰。

而零转速是预先设定的轴旋转速度，当运行的机器需停车时，机器转速到达零转速设置点，继电器触点动作，使盘车齿轮啮合，使轴持续慢速旋转，来防止轴产生弯曲，以防止在接踵而来的开车中由于轴弯曲对机器造成损坏。

测量链由两只装于前箱正对60〔或134〕齿盘的传感器和板件组成，当机器旋转时，齿盘的齿顶和齿底经过探头，探头将周期地改变输出信号，即脉冲信号，板件接收到此脉冲信号进行计数、显示，与设定值比较后，驱动继电器接点输出。

转速的测量范围：

0～5000rpm；零转速设定值：

小于4rpm；转速报警值：

3240rpm。

超速是最危险的情况之一，如不加以控制，会造成机组重大的事故，导致飞车的危险。

最坏的超速情况之一是机组甩负荷时，造成转速飞升。

机组甩负荷时转速飞升小于

108％额定转速，否则应自动打闸停机。

超速保护应具有快速响应和错误冗余表决逻辑，因此本测量链采用“三取二”方式，由三只装于前箱、正对于60齿盘的涡流传感器和三块转速表组成，设定值为3300rpm。

与转速测量同样的原理，转速值＝〔脉冲频率/齿数〕×60。

各机组超速的测量范围：

0～5000rpm。

c.偏心监视组件:

转子的偏心位置，也叫做轴的径向位置，是指转子在轴承中的径向平均位置，在转轴没有内部和外部负荷的正常运转情况下，转轴会在油压阻尼作用下，在设计确定的位置浮动，然而一旦机器承受一定的外部或内部的预加负荷，轴承内的轴颈就会出现偏心，其大小是由偏心度峰-峰值来表示，即轴弯曲正方向与负方向的极值之差。

偏心的测量可用来作为轴承磨损，以及预加负荷状态〔如不对中〕的一种指示；转子偏心〔在低转速时的弯曲〕测量是在启动或停机过程中，必不可少的测量项目，它可使你能够看到由于受热或重力所引起的轴弯曲的幅度。

偏心监测板接受两个涡流传感器信号输入，一个用于偏心的测量，另一个是键相器的测量，它用在峰-峰信号调节电路上。

键相探头观察轴上的一个键槽，当轴每转一转时，就产生一个脉冲电压，这个脉冲可用来控制计算峰-峰值。

当然，键相信号也可用来指示振动的相位，当知道了测振探头与键相探头的夹角时，就可找出不平衡质量的位置，即转子高点的位置。

这对轴的平衡是很重要的。

机组偏心的测量范围：

0～100μm。

报警值：

大于原始值的30μm。

3、保护系统〔ETS〕

ETS是汽轮机跳闸保护系统的简称，

ETS在工程应用中的目的：

当汽轮机运行异常，汽轮机控制系统无法控制汽轮机在正常范围内，为防止损害汽轮机，ETS使汽轮机跳闸，关闭所有的汽轮机进汽阀。

汽轮机保护系统〔ETS〕主要保护的项目：

由于凝汽器真空下降时往往不易立即找到原因，必须设置真空低保护装置，一旦真空下降值超过允许极限时，保护装置立即动作，实现紧急停机，以保护机组安全。

b.汽轮机超速保护

汽轮机运行中的转速是由调速器自动控制并保持恒定的，当负荷变动时，汽轮机的转速将发生变化，这时调速器便动作，调节气阀的开度改变进汽量，使转速维持在额定转速。

汽轮机超速的原因是调速器

工作不正常，不能起到控制转速的作用。

为了防止超速损伤机组一般装设三套保护措施：

B

B

B3.电气式超速保护装置

一般来讲，当汽轮机转速到达额定转速的110%时，电气式超速保护装置首先动作打开跳闸电磁阀，泄去ETS油，迅速关闭高中压汽门，调速汽门，使汽轮机跳闸，以到达停机目的，如果此时电气式超速保护装置失灵，危急保安器超速保护装置动作，泄去润滑油系统的机械超速和手动跳闸母管油压，泄放ETS油，迅速关闭高中压汽门，调速汽门，使汽轮机跳闸，以到达停机目的，假设危急保安器失灵转速继续升高到115%时，附加超速保护装置关闭主汽门。

振动保护

汽轮机运行中发生振动，不仅影响机组的经济性，而且直接关系到机组的安全运行，汽轮机一般都装设轴承振动测量装置和大轴振动测量装置，当振动超过允许值时，发出声光报警信号，以提醒运行人员注意，或者发出脉冲信号去驱动保护控制电路，自动关闭主汽门，实现紧急停机，以保证机组安全。

汽轮机的保护系统比较复杂，用逻辑图展示比较清晰。