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1、第八章 汽轮机旁路控制系统,旁路系统及其控制 苏尔寿公司旁路控制系统,1.中间再热：在中间再热式机组的运行过程中，由锅炉过热器来的新蒸汽经汽轮机高压缸做功后，送到再热器进行再加热，使其温度达到或接近新蒸汽温度而成为再热蒸汽，再热蒸汽送到汽轮机中压缸继续做功，这就是一次中间再热。2.采用中间再热意义:对在高压缸做功后的蒸汽进行再热，不仅提高汽轮机终端的排汽干度，而且改善了汽轮机末级的工作条件；如果再热蒸汽压力选得合适，采取一次中间再热后可提高机组热效率达4%5%。,一、汽轮发电机组采用中间再热,旁路系统及其控制,二、汽轮发电机组采用中间再热带来的新问题 1.中间再热式单元机组的出现带来两个问题：
2、机组负荷下，如何处理锅炉的过剩蒸汽；中间再热器的保护。2.解决措施 实践表明，在中间再热器式单元机组中设置汽轮机旁路系统可解决上述问题，同时还给机组的运行带来了灵活性，提高了机组在电网中的适应能力。,三、旁路系统结构和容量1.定义：所谓汽轮机旁路系统，就是汽轮机并联上一个由蒸汽管路及减温减压装置组成的蒸汽旁路系统。从而可使高参数不经过汽轮机的通流部分，而由并联的蒸汽减温减压装置进入低一级蒸汽参数的管路或凝汽器。2.汽轮机旁路系统的结构方式 在结构上有一级大旁路系统、两级串联旁路系统和三级旁路系统等三种典型方式。3.旁路蒸汽容量 汽机旁路系统的容量，是指经旁路系统的最大蒸汽量占锅炉额定蒸发量的百
3、分数。一般来说，旁路系统的容量越大，对加快机组的启动越有利，有30%、50%、100%等。,4三级旁路系统 三级旁路系统的组成示意图如图8-1，它由大旁路装置，高压旁路装置及低压旁路装置组成。,图8-1 三级旁路系统,(1)大旁路装置：位于蒸汽主管道和凝汽器之间，锅炉来的新蒸汽经过减温减压后直排凝汽器，这样在机组发生事故甩负荷时，通过大旁路可维持锅炉在最低稳燃负荷下运行。(2)高压旁路系统：位于主蒸汽管道和再热器入口之间的减温减压装置是汽轮机高压缸的旁路。由锅炉来的新蒸汽可不经过高压缸而由旁路减温减压后进入再热器；（3）低压旁路：经锅炉再热器加热后的蒸汽可经过位于再热器和凝汽器之间的减温减压装
4、置进入凝汽器，该旁路装置与汽机中、低压缸并联而称为低压旁路。低压旁路装置和高压旁路装置以串联方式，将锅炉的新蒸汽不经过汽机的高、中、低压缸，而直接由主蒸汽管道引至再热器再排入凝汽器，从而冷却了再热器。,5两级串联旁路系统 两级串联旁路系统的组成如图8-2，它与8-1所示的三级旁路系统不同之处，就是没有设置位于主蒸汽管道和凝汽器之间的大旁路装置，而高压旁路装置和低压旁路装置以串联方式组成汽轮机的旁路系统。,图8-2 二级串联旁路系统,1）高压旁路系统 为保护锅炉再热器以及机组起动间的暖管暖机而提供汽源；（2）低压旁路系统 将再热蒸汽引入凝汽器，可提供再热汽系统暖管并回收工质。旁路系统的这种结构方
5、式不仅可以保护再热器，而且基本上能满足机组启动时蒸汽参数与汽轮机金属温度匹配的要求，当汽轮机甩负荷时可使汽轮机保持空负荷运行或带厂用电运行。,6一级大旁路系统 图8-3是一级大旁路系统的组成示意图，它仅由位于锅炉和凝汽器之间的减温减压装置组成，由锅炉来的新蒸汽经旁路系统减温减压后直接排入凝汽器。,图8-3 一级大旁路系统,主要作用：为锅炉产生一定参数和流量的蒸汽以满足机组起动和事故处理的需要，并回收工质。,特点：设备简单，但不能保护再热器，故只能应用在再热器不需要保护的机组上。,四、旁路系统的功能,（1）改善机组起动性能 机组冷态或热态起动初期，当锅炉产生的蒸汽参数尚未达到汽轮机冲转条件时，这
6、部分蒸汽由旁路系统通流到凝汽器，以回收工质和热能，适应系统暖管和储能的要求。特别是在热态起动时，锅炉可用较大的燃烧率、较高的蒸发量运行，加速提高汽温使之与汽机的金属温度匹配。（2）适应机组的各种起动方式 在机组起动时，可通过控制高压旁路阀和高旁喷水阀来控制新蒸汽压力和中、低压缸的进汽压力，以适应机组定压运行或滑压运行的要求。单元机组滑参数运行时，先以低参数蒸汽冲转汽轮机，随着汽机暖机和带负荷的需要，不断提高锅炉的主蒸汽压力和主汽流量，使蒸汽参数与汽机的金属状态相适应。,（3）保护再热器 在锅炉起动或汽轮机甩负荷工况下，锅炉新蒸汽经旁路系统进入再热器，以确保再热器不超温。（4）汽轮机短时故障，可
7、实现停机不停炉运行 停机时，锅炉产生的新蒸汽经旁路系统减温、减压后进入凝汽器，回收了工质。（5）电网故障时，通过旁路系统的能量转移，机组可带厂用电负荷运行。（6）当主蒸汽压力或再热蒸汽压力超过规定值时，旁路阀迅速开启进行减压泄流，从而对机组实现超压保护。总之，汽机旁路系统具有起动、泄流和安全三项功能，从而较好地解决了机组起动过程中机、炉之间不协调问题，改善了起动性能。对于再热器保护问题，回收工质问题都可以解决。,五、旁路控制系统组成及作用 国内大多数单元机组配置两级串联的旁路系统，其控制系统应包括以下的子系统。（一）控制系统的组成 1高压旁路控制系统（1）主蒸汽压力及汽轮机甩负荷压力保护回路；
8、（2）主蒸汽压力自动给定和手动给定控制回路；（3）高旁后蒸汽温度控制回路。2低压旁路控制系统（1）再热蒸汽压力及汽轮机甩负荷保护回路；（2）再热器出口蒸汽压力控制回路；（3）低旁后蒸汽温度控制回路；（4）凝汽器保护回路。,（二）控制系统的作用 1高压旁路控制系统的作用（1）当主蒸汽压力超过限值，汽轮机甩负荷或紧急停机时，高压旁路系统可迅速自动开启进行泄流，维持机组的安全运行。（2）在机组起动过程中，主蒸汽压力给定值依据机组起动过程中各阶段对其值的不同要求，自动或由运行人员依据运行状况手动给出，控制系统按给定值自动调整旁路阀开度，保证主蒸汽压力随给定值变化。（3）在高压旁路开启后，为保证高压旁路
9、出口蒸汽温度满足再热器的运行要求，控制系统自动调整喷水阀开度，控制喷水量达到调整温度之目的。,2低压旁路控制系统的作用（1）当再热蒸汽压力超过限值，或汽轮机甩负荷时，控制系统可立即自动开启低压旁路阀和喷水阀，以保证机组安全运行。在手动或自动停机时，低旁阀也会自动快速开启。（2）在机组运行期间，再热蒸汽压力是一与机组出力有关的参数。低压旁路控制系统可依据机组的出力给出再热蒸汽压力定值，通过调整低压旁路阀的开度来保证再热蒸汽压力在给定值，而满足机组的运行要求。（3）为保证凝汽器正常运行，低旁后的蒸汽温度应在规定的范围内变化，低压旁路控制系统可自动调整喷水量来保证温度在该范围内变化。,（4）由于低压
10、旁路系统出口蒸汽直接排入凝汽器，鉴于凝汽器的安全运行，应不能对凝汽器的真空和水位造成影响。因此，当出现凝汽器真空过低，水位过高，喷水阀出口水压过低或喷水阀打不开等情况时，控制系统可迅速关闭低压旁路阀，解列低压旁路系统。六、旁路系统的控制特性 指系统中的阀门特性，是阀门特性的好坏以及执行机构的动作速度和可靠性。目前，旁路系统中的执行机构主要为电动执行机构和液动执行机构。液动执行机构的特点是可靠性高、力矩大、动作速度快;一般可在35s内完成动作，在技术、设备上都比较完善。但系统设备投资大，系统比较复杂；需要专用油泵，而增加了运行费用和维护工作量；,液动驱动装置布置在高温蒸汽管道区，因而要设置防火装
11、置。电动执行机构的特点是设备投资小、工作可靠性高；检修和维护工作量小、运行费用小。问题是力矩较小、动作慢，一般全开时间在45s左右，但目前德国西门子公司制造的电动执行机构采取高速、低速两个马达或多级变速马达驱动，而使其执行机构完成动作时间缩短到5s。七、旁路控制装置 较多的是从德国西门子公司引进的；其次是瑞士苏尔寿公司的产品；国内旁路控制装置有TELEPERM-C型的集成运算放大器为核心的组件组装式仪表，以及TELEPERM-M型的以微处理机为核心的微机分散控制系统。苏尔寿公司的旁路控制装置有AV-4型、AV-5型和AV-6型；AV-4型是以集成运算放大器为核心的组件组装式仪表，AV-5型则是
12、一种过度型产品，AV-6型为微机分散控制系统。,8.2 苏尔寿公司旁路控制系统,瑞士苏尔寿(SULZFR)公司为电站提供阀门、液压执行结构、供油装置及控制装置在内的整套汽机旁路系统。采用电液伺服机构的旁路阀门具有较大的提升力和快速的启闭性能，因而能适应大型机组高蒸汽参数的汽机旁路阀门快速动作要求。某厂300MW机组上的旁路控制系统作一介绍，该控制装置为以微机为核心的分散控制系统AV6。,旁路阀,喷水调节阀,隔离阀,减压阀,喷水调节阀,图8-4 某电厂300MW机组的旁路系统,一、旁路系统的组成,由高压旁路和低压旁路以串联的方式组成的两级串联旁路系统，其中，高压旁路由一条蒸汽管路及减温减压阀组成
13、，而低压旁路则由两条容量相同的蒸汽管路及阀门组成。高压旁路中，旁路阀BP可以减温减压，其最大通流量可达900t/h；BPE为喷水调节阀；BD为隔离阀，用于蒸汽减温的减温水来自锅炉的给水，给水压力很大，因此BD阀同时具有减压作用。在低压旁路中，LBP为减压阀，其最大通流量可达600t/h；LBPE为喷水调节阀；减温水为凝结水。其中，高压旁路阀除了减温减压外，还可代替安全阀，这是苏尔寿公司的独创。,苏尔寿旁路控制系统配备的全部是液压执行结构，电液伺服控制阀控制阀门开闭的全行程时间，一般可在1015s范围内；在高压旁路阀执行机构和低压旁路阀执行机构上装有快行程装置，在保护性快速动作时，全行程时间达2
14、3s。二、高压旁路控制系统 主要作用是在机组起动过程中，通过调整高压旁路阀的开度来控制主汽压力，以适应机组起动的各阶段对主汽压力的要求。它包括两个控制回路：高压旁路阀(BP)开度控制回路和喷水阀(BPE)开度控制回路。,图8-5 高压旁路系统,1三种运行方式 机组从锅炉点火、升温、升压到机组带负荷运行至满负荷，旁路控制系统经历阀位方式、定压方式、滑压方式三个控制阶段。,（1）阀位方式：在锅炉点火、暖管阶段，高压旁路阀按规定的“阀位控制”方式运行。分为三部分：最小开度控制、开度渐升控制、最大开度控制。最小开度控制。在旁路系统投入的初期，主蒸汽压力PT小于系统设定的最小压力定值Pmin，高压旁路阀
15、BP不会自动开启，而是通过预置的最小开度Ymin强制开启高旁阀BP到Ymim。值。最小开度的设定可根据机组的情况设定。随着锅炉升温升压，主汽压力PT上升，而旁路阀BP保持在此开度上。锅炉产出的蒸汽经高压旁路系统到再热器，再到低压旁路系统，从而加热管路系统，并使主汽压力逐渐升高。,开度渐升控制。随锅炉燃烧的加强，主蒸汽压力PT上升到最小值Pmin时，高压旁路控制系统根据压力偏差开启高旁阀BP，增大高旁的进汽量，并维持主蒸汽压力PT在最小值Pmin。最大开度控制。当高旁阀的开度达到最大值Ymax时，高旁阀BP保持在该值，主蒸汽压力设定值Pset按不超过预定的压力梯度 逐渐增大，从而提高主蒸汽压力；
16、同时主蒸汽压力PT的上升率也就受到设定速率限值。随着主蒸汽压力的不断增加，压力定值也跟踪升高，主蒸汽压力和压力定值始终保持跟踪上升的关系。最大开度Ymax在操作台上预置。,（2）定压方式：当锅炉主汽压力达汽机冲转压力时，旁路系统进入“定压运行”方式。此时，压力设定值保持不变，以保证汽机起动时的主蒸汽压力，实现定压起动。20kgcm2压力定值阶段。在定压运行初期，主蒸汽压力PT和定值都维持在20kgcm2的汽机冲转压力值。当满足冲转条件所需的主蒸汽压力和主蒸汽温度时，汽机冲转，耗汽量增加，高旁阀BP朝关闭方向动作，以维持PT在20kgcm2。在此条件下，汽机转速由600rmin逐渐上升到1700
17、rmin，并在1700rmin的转速下暖机。,35kgcm2压力定值阶段。当汽机暖机结束时，压力定值Pset手动增加到35 40kgcm2，汽机升速到3000rmin，并带上5的初负荷。此间，高旁阀BP起调节主蒸汽压力的作用，当主蒸汽压力PT大于Pset时BP阀开大，反之BP阀关小。在“定压运行”阶段，高旁阀BP是逐渐关小的。42kgcm2压力定值阶段。随着锅炉燃烧率的增加，继续增大压力定值为42kgcm2，主蒸汽压力达到42kgcm2，压力定值按=5kgcm2min的速率逐渐增加到80kgcm2。当PT达到80kgcm2时，高旁阀BP应进入关闭状态，系统进入“滑压运行”阶段。,（3）滑压方式
18、：机组负荷到达30时，旁路阀关闭，旁路系统的起动控制功能自动转为正常运行中的“升压保护”功能。进入滑压运行方式后，主蒸汽压力设定值自动跟踪主蒸汽压力实际值PT，并且只要新蒸汽压力的变化率小于所设定的升压率，则压力定值总是稍大于压力实际值，从而保证高旁阀BP保持在关闭状态。在运行中，如果锅炉出口压力有扰动，且压力变化率大于设定的变化率，则高旁阀BP便立即开启。扰动消失后，压力设定值大于实际值，高旁阀再度进入关闭状态。BP阀一开启，滑压方式便转为定压方式，压力定值便等于转换方式瞬间的压力波动值加上压力阀限值。,起动过程中，旁路系统各种运行方式的实现，关键是压力给定值的形成、切换和跟踪。压力给定回路
19、应能根据主蒸汽压力的变化给出不同值，使高压旁路阀自动的开大或关小。在机组起动阶段压力定值的变化较频繁，机组定压运行阶段压力定值为常数，滑压阶段压力定值跟踪主蒸汽压力而变化。2主汽压力控制 在汽轮机未冲转之前，主汽压力PT的大小取决于锅炉的燃烧率大小和蒸汽管的通流阻力。因此调节高压旁路阀BP的开度，即可调整主汽压力。,3高旁后蒸汽温度控制 在机组起动过程中，高压旁路阀流通的蒸汽将直接引入再热器，根据再热器的运行要求，其入口温度要保持在一定范围，一般入口冷端温度保持在330左右。在机组正常运行时，主汽温高达540，此时高旁动作，不减温的蒸汽是不能进入再热器的。高旁后的蒸汽温度的控制是通过改变喷水阀
20、BPE的开度，调节喷水量来实现。其控制系统组成见图8-7，它是一个单回路定值控制系统。实际上，由于温度控制对象的惯性较大，纯单参数反馈控制效果是比较差的，图8-7中，压力控制器和温度控制器均称为“SCO”它不同于一般的PI调节器，应用了现代控制理论。在实际应用中，该系统将引入旁路蒸汽流量来修正控制强度。,考虑到在不同负荷下，相同的温度偏差应具有不同的喷水强度。系统中将用主汽压力与高旁阀开度经函数转换得到的通流面积相乘而计算出通流蒸汽量，该蒸汽量信号作为乘法系数修正喷水量控制信号，从而改变喷水强度。在起动过程中，如果高压旁路阀快速关闭，则喷水阀BPE也快速关闭。减温水隔离阀BD的控制采用两位控制
21、，由逻辑回路控制其状态。在高压旁路阀关闭时，减温水隔离阀同时快速联锁关闭，起隔离喷水的作用；当高压旁路阀全开时，BD阀也同时联锁开启(100开度)，起着降低减温水调节阀给水压力的固定节流作用(BD后压力为BD前压力的0.6倍)，以保证减温水调节阀BPE的最佳压力条件，从而改善调节阀的调节特性。,三、低压旁路控制系统,对于高压旁路和低压旁路以串联方式构成的旁路系统，在机组起动过程中，高、低旁路必须协调动作，才能完成旁路系统的功能。在汽机未冲转之前，锅炉产生的新蒸汽经高压旁路进入再热器，再热器送出的蒸汽将由低压旁路通流至凝汽器。,图8-6 低压旁路控制系统,鉴于苏尔寿公司的低压旁路均设计成双管路热
22、力系统，因而有两个容量相同的低压旁路调节阀和两个相应的低压旁路喷水阀。低旁阀LBP1、LBP2只具有减压功能，因此还需设置两个减温器。两条低压旁路管路处于并联工作状态，因此低压旁路阀开度指令来自同一个控制器输出，两个喷水阀开度指令也来自同一个控制器输出。1再热器压力控制回路 再热蒸汽压力随机组负荷变化而变化，这是再热式压力控制系统设计所必须遵循的。再热蒸汽压力是通过调整低压旁路阀LBP1、LBP2的开度来实现。,低压旁路阀的开度指令由压力控制器SCO产生，目标开度Y的增加或减小取决于控制输入信号PH。这是一个定值变化的单回路控制系统，再热蒸汽压力PRH的给定值PS是由信号P1进行处理后获得。P
23、1为汽机第一级压力，它与机组的负荷成正比，代表机组的负荷。在锅炉点火后，升温、升压，汽轮机冲转之前，汽机第一级压力P1=0，而设定值 PS=Pmin。这样，在再热蒸汽压力PRHPmin之前，PH0，控制器输出Y=0，低压旁路阀LBP1、LBP2保持在关闭状态。由高压旁路工作过程可知，在主汽压力PTPmin(主汽压力最小值)之前，高旁阀仅保持在一个较小开度上，即流过的蒸汽量很小，因此低压旁路阀不必开启。只有在高压旁路阀迅速开大，大量蒸汽进入再热器，使PRH迅速升高，达到PRHPmin(低旁阀开启的最低压力)时为正，控制器输出的目标开度Y迅速增大，低旁阀迅速开启。,高压旁路阀、低压旁路阀迅速开启并
24、达到最大开度升压速度大大加快。当汽轮机冲转后，升速并逐渐带负荷，汽机第一级压力P1开始上升，当P1Pmin值时，再热蒸汽压力设定值PS=P1+P0这样导致PSPRH、PH0，控制器输出Y开始减小，低压旁路阀朝关闭方向动作，再热蒸汽压力PRH不断上升，随着PS的增加，最后完全关闭低压旁路阀。随着机组负荷的增加，P1不断上升，PS最后被保持在最大值Pmax，Pmax整定得略低于再热器安全门动作值；这样，当再热蒸汽压力PRH超过PS=Pmax时，低压旁路阀开启，进行泄流减压，而不造成安全门动作，只有在低旁开启后仍不能阻止再热蒸汽压力的上升时，安全门才动作。,2、低旁后蒸汽温度的控制 低旁后蒸汽温度的控制采用的是喷水阀开度跟踪低压旁路开度的随动系统，由于减压阀和喷水阀特性存在差异，此外蒸汽量和喷水量之间关系的非线性(从维持温度角度)，因此在上图中，喷水阀开度指令是旁路阀开度、再热蒸汽压力、再热蒸汽温度的函数，由模块C来计算产生喷水阀的目标开度。这是一种前馈控制方式，因此旁路阀后蒸汽温度一般只控制在凝汽器运行要求的范围内，精确度取决于计算模块的特性。,四、凝汽器保护 由于低压旁路来的蒸汽直接进入凝汽器，因此对凝汽器的安全运行影响很大。通常出现下列情况之一时，应快速解列低压旁路系统，即(1)凝汽器真空低；(2)凝汽器温度高；(3)主燃料跳闸。,
