摘要：在汽輪發電機組控制系統中，機組的轉速是一個非常重要的控制變量。它不僅僅體現在升透過程中作為唯一的被調量，在并網運行中它體現了機械能與電功能的平衡關系，反映了供電質量，而且也是衡量機組安全運行的重要指標。大型機組常配套穩定可靠的速度調節保護系統，對轉速進行嚴密的監視與控制。

　　關鍵詞：WoodWord505,WoodWord203,超速保護,三選二邏輯

　　汽輪機是一種高溫、高壓、高速旋轉的機械設備，故在汽輪發電機組控制系統中，機組的轉速是一個非常重要的參量。DEH對汽輪機的控制任務之一就是控制轉速在我們需要的范圍之內以及在機組超速時迅速作出保護。

　　我司作為國內大型的汽輪發電機組制造企業，生產額定轉速為6000rpm/min的高速高效率汽輪機，有一套完善安全可靠的速度調節保護系統。我司的速度調節保護系統主要有DEH調節系統及TSI保護系統構成，其中DEH系統主要有美國WoodWord 505數字式速度調節器及WoodWord CPCII電液轉換器構成，TSI速度保護系統主要有WoodWord 203邏輯三選二超速保護裝置構成。此外，為運行維護方便，還配置了人機接口站和工程師站等工具。

　　1.DEH速度調節系統

　　1.1 DEH高度調節系統基本原理

　　在DEH速度調節系統中，通常將汽輪發電軸系看作一個整體旋轉剛體。轉子的轉動方程為：J*dω/dt=MT-MG-Mƒ (1-1)

　　式中：J：汽輪發電機組轉子的轉動慣量(Kg.m.s2)

　　ω：轉子的轉動慣量(s-1)

　　MT：汽輪機蒸汽轉矩(N.m)

　　MG：發電機電磁轉矩(N.m)

　　Mƒ：各種阻力矩(N.m)

　　轉動慣量對于特定的機組安裝完成后，即為一常數，DEH要控制的轉速n與角速度ω成正比。

　　ω=2πƒ=2πn/60 (1-2)

　　式中：ƒ：頻率(s-1)

　　n：轉速(r/min)

　　根據汽輪機的工作原理知，汽輪機矩MT為：

　　MT=4.73DH0η0e/n (1-3)

　　其中：D：進入汽輪機的蒸汽流量(kg/n)

　　H0：絕熱焓降(kj/kg)

　　η0：汽輪機相對效率

　　n：轉速(r/min)

　　發電機電磁轉矩MG，它主要取決于負載的特性，可表示為：

　　MG =k1+k2.n+k3.n2 (1-4)

　　其中：k1，k2，k3為隨機變量，且均為正值。

　　各種阻力矩Mƒ，它與轉速，真空，軸系油溫等根本因素有關，可視隨轉速增大的隨機變量。

　　由(1-1)可知，若由于某種原因n↑→MT↓，MG↑，Mƒ↑→dω/dt<0，n↓，n重新歸到平衡位置。這種現象屬汽輪機的自平衡能力。但其對于n的調節能力是非常有限的。故必須借助于汽輪機速度調節系統。而汽輪機的速度調節系統就通過增(減)氣輪機的進氣量(或進氣參數)而改變動力距的大小，使其與阻力矩的變化相平衡(即改變氣輪機的功率)使其與外界負荷的變化相適應)，從而保持機組轉速基本不變的過程，稱為汽輪機的轉速調節。從(1-3)可以看出，只要采用適當的手段控制汽輪機的D，就能改變MT，使MT始終跟隨MG變化，以維持轉速n即供電頻率在規定范圍內，滿足國家對供電品質的要求。

　　在調節速度的過程中，我司DEH系統是通過WOODWORD 505的速度目標值及速度反饋值，經過內部PID運算，輸出4~20mA信號至電液轉換器WoodWord CPCII，通過調節執行機構(油動機)來控制安裝在進汽口上的調節汽閥來改變MT，以調節汽輪機的轉速。我司DEH轉速/功率調節系統原理圖如下：

　　1.2 我司DEH系統的速度調節主要功能

　　(1)轉速控制這是DEH最基本，也是最重要的功能。通過改變WoodWord505轉速設定值(手動或自動)可使機組啟動、升速，或維持在某一固定轉速，DEH系統通過WoodWord505的PID調節一般都能達到0.1%的轉速控制精度。此外，通過DEH的人機界面還可方便地對機組的升速率進行設置，而在機組過臨界轉速時則能按預先設好的升速率自動高速沖過臨界轉速。而且，由于系統控制精度較高，DEH系統在最大升速率下機組轉速控制的超調量一般都小于0.15%，能確保汽輪發電機組安全穩定地運行。

　　(2)頻率控制，當發電機斷路器閉合而電網斷路器斷開時，轉速PID以頻率控制方式運行，機組將運行于恒定轉速或頻率而與其實際負荷無關，此時轉速給定值立即躍變至額定轉速，使汽輪發電機組在額定轉速或額定頻率下運行，而通過調節油動機進汽閥開度來平衡電網內負荷的波動。

　　(3)負荷控制，當發電機斷路器和電網斷路器都閉合時，汽輪發電機組的轉速與電網頻率相對應，通過引入功率不等率5%(即速度設定值6000至6300轉，線性對應零至額定負荷)，PID能夠控制不等率使其能控制機組負荷，當電網頻率降低或提高時，根據機組的不等率設定值其負荷相應增加或減少，使電網更加穩定。

　　2.超速保護系統

　　我司的汽輪機超速保護系統是以WoodWord203為核心，WoodWord505輔助，三冗余超速保護，以保證超速保護系統安全可靠。

　　2.1 103%超速預警

　　汽輪機是高溫、高壓、大功率高速旋轉機械，轉子的慣性相對于汽輪機的驅動力矩很小。機組運行中一旦突然從電網中解列甩去全部電負荷，汽輪機巨大的驅動力矩作用在轉子上，使轉速快速飛升。

　　我司DEH系統中，具備103%超速預警功能，當轉速高于6180r/min時，Woodword505上的繼電器輸出控制信號至電磁加速器電磁閥，將二次油壓降至零，從而關閉油動機上的進汽閥。直至汽輪機的轉速降至6000r/min時，WoodWord 505切除繼電器動作，此時PID參與控制轉速，使汽輪機的轉速平穩地控制在6000r/min。其動作快速、準確，對汽輪機是一個極好的保護。

　　2.2 超速保護

　　(1)TSI超速保護

　　WoodWord203采用三個相互獨立的轉速測量傳感器及其輸入回路，以獲得三個獨立的轉速信號，每一個轉速信號與其上、下限制進行比較，以判斷其前向通道工作是否正常，然后三個轉速信號兩兩進行等值比較，以判斷信號處理通道是否正常，只有在確認轉速信號可靠時，WoodWord203系統才采用。信號經處理后、計算出三路汽機轉速值，并進行相應的邏輯運算及判斷，再通相應的繼電器去或觸發保護系統。該超速保護采用了三冗余轉速輸入方式、三選二保護邏輯及具有在線試驗的能力，其可靠性非常高。

　　通常WoodWord203的超速設定值為額定轉速的110%,當轉速高于6600r/min時，保護可在20ms內快速作出反應，保護動作信號通過繼電器輸出至停機電磁閥，迅速關閉主汽門及調節汽門。

　　(2)WoodWord505超速保護

　　WoodWord505采用兩冗余轉速輸入方式，具有一定的可靠性，通常超速設定值比WoodWord203大30r/min，作為超速冗余保護，只有當WoodWord203超速保護裝置出現故障時，且轉速大于6630r/min時，觸動超速保護，輸出相關動作。

　　3.結 語

　　近年來，隨著社會經濟的發展，電網規模的逐漸擴大，干擾汽輪機組轉速控制的因素增多了，這就要求汽輪發電機組的轉速調節保護系統也越來越完善。而我司的汽輪發電機組產品遍布全國各省市及亞、非、拉等世界各國，且經過長期的安全、穩定運行，并獲得用戶的一致好評，事實證明了我司汽輪發電機組速度調節保護系統具有安全、穩定、可靠的特點。

　　參考文獻：

　　【1】《WOODWORD505 DIGITAL GOVERNORS》產品說明書

　　【2】郭鈺峰 《汽輪機調節原理》 機械工業出版社

　　【3】張鎮一 《透平自動調節》 西安:西安交通大學出版社

　　【4】謝冬梅 《火力發電廠汽輪機數字電液調節系統的設計》 合肥工業大學出版社