王洪岩(中国能源建设集团广东火电工程总公司,广东广州 510735)

汽轮机控制系统研究

王洪岩(中国能源建设集团广东火电工程总公司,广东广州 510735)

随着我国经济建设的不断发展,对电力的要求也越来越高,如何提升机组运转安全与可用率、合理降低运转与维护成本。将是每一个电厂管理者,必需面对的重要课题,降低发电成本的因素很多,其中影响最大的主要因素是机组可用率、运转维护费用。这两大因素,又取于机组的零故障、无缺点,所以身为电厂的维修人员,更应该不断发觉,发电机组之故障因子,不断地持续改善,预防于未然、全面掌控更新设备接口,加强对设备异状自行分析能力,提升自主营运及维修之能力,达成永续经营之目标。

汽轮机 控制系统 研究

1 前言

火力发电是一种自动化连续性流程,设备规模庞大且复杂。它是很多次系统组合而成,包含锅炉饲水系统、锅炉蒸汽系统、锅炉燃料系统、汽轮机系统、变电系统等等次系统。若其中一次系统发生故障,就会影响整个发电流程,甚至造成机组停机或发生工安事故。所以改善和维修这个复杂系统,更显重要。服务的部门正好是维护汽轮机系统的单位。汽轮机在整个系统,占举足轻重的地位。主要是它昂贵及单一性,无备用模块,又因设备本身是经由各系统领域专业人员设计,各次系统相互间接口的主观设计,较少考虑到设备老化或维修需求。

在过去几年中电子产品变化淘汰急速,许多零组件已停产,造成维修上的困扰,当要以替代组件更新时,必须考虑机械系统与控制系统相互接口间的关连性,方 能保证更新后的 穏定性及可靠度。

2 研究现状

一般研究机构动态行为的学者,大多着重于机构运动分析与机构设计,较少注意于机构之动态响应；传统上对运动机构的分析,均假设其为刚体且运转速度不宜过高,以避免系统徒增负荷(如侧向应力)、疲勞破坏和噪音,因而大大限制了运动机构之机械利益。所以,在运动机构研究的领域中,往往考虑机构的作用力、位移、速度、加速度和机械利益等等,在有限的空间范围中求解。有关机构机动与动力学的研究情况叙述如下。

Viscomi和Aryem研究滑块曲柄机构中弹性连杆的振动弯曲响应,发现它由系统的长度、质量、阻尼、活塞外力及频率等五个无因次参数来影响其响应的大小。同时发现对于滑块曲柄机构连杆承受轴向负荷,会导致严重的横向振动。而其轴向负荷的来源包括:(1)科氏分量的加速场；(2)活塞的惯量及作用在活塞的外力,及横向振动引发的非线性惯量。

Lowen和Jaudrasits研究一等速四连杆运动链,将曲柄及连杆视为刚性,且包含有端点质量的配重游戏杆。他们获得三项重要结论:(1)描述复杂游戏杆响应至少需要三个模式形状；(2)在运转的速度范围内, 理论及实验均有显示出不 穏定性情况；(3)当曲柄转速是自然频率的1/N倍时则第N阶简谐振幅会被放大。

欲提高机构的高准确性效率,需要在动态负荷情况下考虑机构组件的弹性变形。在高速操作下的滑块曲柄机构,弹性连杆的纵向及横向振动为一组非线性聯 立偏微分方程式,利用Kantorovich法和权余值法将它们化为常微分方程式,再以连续性的多项式方法和数值法解之。

图1 汽轮机控制阀上滑块曲柄机构

3 汽轮机控制系统数值模型

在做机构运动分析时,首先从机构的几何关系中,求出此机构的几何拘束条件,并以独立完整拘束方程式表示成:

其中Q=[q1,q2,q3,．．．,qn]为此机构系统的广义坐标,q1,q2,q3,．．．,qn为机构系统中选用的独立变数。对于一个自由度的系统,其系统独立变数若是有n个,则此机构系统就有n个条拘束方程式的局限。将方程式(1)分别对时间微分一次与两次,可得到机构系统的速度与加速度拘束方程式为:

3.1 系统架构与运动分析

汽轮机控制阀机构实体所示,其骨架中可得知其由两组曲柄滑块机构所构成,其中一组为连杆O1B、BA和滑块A所构成的,而另一组则是为连杆GO2、EG和滑块E所构成的。透过CF杆连结成双滑块曲柄机构。我们把汽轮机控制阀机构模型拆成上下两组块曲双滑柄机构。

由图1所示两个独立的广义坐标,但有一条几何拘束方程式的局限,因此可知此滑块曲柄机构为一个自由度的系统。滑块A的位置关系式为: YA=R1sin θ1-L2sin(2π-β2)=R1sinθ1+L2sinβ2(4)另一限制条件为: L2cos(2 π-β2)+R1cosθ1=x(5)由此得: β2= 2π -cos-1(6)将(6)代入方程式(4)中,当有两个独立的广义坐标,也有一条几何拘束方程式的局限,因此知此滑块曲柄机构为一个自由度的系统。

3.2 几何方程式

透过古柏方程式: DOF =3( L- 1)-2J (7)可求得双滑块曲柄机构分别为1个自由度的系统,其中L=4,J=4。我们选用θ1、θ3、β2与β4四个坐标来描述此机构的运动。此外,由方程式(5)式,可以得知双滑块在X方向上的位置关系方程式,也可以将其表示为两个独立的完整拘束方程式。其中Q为代表θ1、θ3和β2、β4的广义坐标向量。我们也可由此知道,此机构系统非一个自由度的系统,所以需再找到另外关系条件。

4 结语

本论文的目的在于提出,电火力发电厂大型汽轮机,蒸汽控制阀机构之运动分析与系统鉴别的程序与流程。以复合式再热阀为一研究对象,首先,对于此一复合式再热阀机构系统,先对该系统订出有效及正确的坐标自由物体图,可以从四个状态变数(角度变化)来描述该机构系统,有正确的坐标及状态变数描述该系统之后,再建立阀杆机构系统之数学模型,作几何方程式的推导,并将推导的结果带入以牛顿法为基础之几何方程式,再利用数值分析模拟机构之运动。

[1]张磊,彭德振主编.大型火力发电机组集控运行[M].中国电力出版社,2006.