第一章DEH概述

第二節汽輪機控制系統內容

三、電液控制系統的熱應力監控功能

四、保護系統

三、電液控制系統的熱應力監控功能1．熱應力監控概述

熱應力是由于金屬內部熱狀態不同而產生的應力。金屬的熱狀態不同表現為其各個部分的溫度不同，因此熱應力和溫度差值有關。假設一圓柱形金屬物各部分的溫度是一致的，則不產生熱應力。若用高溫工質對其加熱，外表面溫度將升高，內部仍保持原溫度，圓柱表面金屬要膨脹，內部金屬保持原狀，于是產生壓應力；反之，若用工質冷卻金屬圓柱，其表面溫度降低而產生收縮，金屬內部溫度不變而保持原狀，于是在金屬圓柱內產生拉應力。無論是加熱還是冷卻，當時間足夠長后，金屬內部達到熱平衡，各處溫度均相同，熱應力也隨之消失。各類金屬材料都有一定的強度，因此工作中允許金屬材料出現各類應力。只要應力值小于金屬的許用應力，金屬部件就可以長期可靠地工作。若應力值超出許用應力，其結果會產生金屬部件損壞或者使用壽命縮短。汽輪機是在高溫高壓下工作的機械設備，轉子處于連續高速旋轉狀態，因此存在一定的機械應力。當汽輪機運行工況改變時，熱狀態的變化使汽缸、轉子產生熱應力。為了保證汽輪機安全運行，必須對熱應力進行連續監視。就汽輪機整體而言，其各部件在升速和負荷變化時所產生的熱應力并不是一樣的。汽輪機轉子是高速旋轉部件，因其本身已經承受了比較大的離心力，轉子的熱應力越大，危險性也越大，故運行中對轉子熱應力必須進行監視。高壓缸調節級的焓降最大，做功最多，調節級汽室內的壓力及溫度隨負荷變化也很大，所以高壓缸調節級在啟動和負荷變化過程中的熱應力最大，是熱應力監視的重點部位。對于中間再熱機組，中壓缸進汽部分在啟動和負荷變化時汽溫變化也很大，同樣是監視的重點。由上述分析可知，高壓缸調節級和中壓缸第一級處轉子和汽缸都是熱應力較大的部位，其中轉子熱應力是最危險的。因此在汽輪機運行中，只要監視這幾處的熱應力不超過允許值，其余部位的熱應力一般不會超過允許值。轉子熱應力值可采用兩種方法獲取：①用汽輪機轉子傳熱數學模型計算求得；②用轉子物理模型求得。⑴若圓柱體表面溫度上升，內部仍保持原溫度，圓柱體表面金屬要膨脹，內部金屬保持原狀，于是圓柱體表面產生的是壓應力還是拉應力。⑵何謂熱應力？⑴壓應力；⑵熱應力是由于金屬內部熱狀態不同而產生的應力。對轉子應力裕度的監視可以指導機組在最佳狀態下運行，可以保證在汽輪機轉子實際應力不超過許用應力的情況下以最大升速率升速和以最大的變負荷速率變負荷。當電液調節系統具有應力限制功能時，可以自動控制轉子的應力。應力裕度系數K在規定值以上時(通常為0.2)，不限制升速率和變負荷速率；當系數K值低于規定值而大于零時，限制回路自動降低升速率和變負荷速率；若K值降為零，則升速率和變負荷速率也降為零。一般，將應力裕度系數K限制在0～0.2之間為好。汽輪機冷態啟動對汽缸、轉子等零部件來說是個加熱過程，隨著進入汽缸的蒸汽溫度不斷升高和流量不斷增加，蒸汽傳給汽缸和轉子的熱量也不斷增加，使溫度升高。

⑴啟動過程中，汽缸內壁產生____熱應力；而外壁產生____熱應力。⑵啟動過程中，轉子外表面產生____熱應力，中心孔內表面則產生____熱應力。⑶停機過程中，汽缸內壁產生____熱應力；汽缸外壁產生____熱應力。⑷停機過程中，轉子外表面產生____熱應力；轉子中心產生____熱應力。⑸汽輪機從冷態啟動、穩定工況下運行至停機過程中，轉子表面的熱應力由____變為____；轉子中心孔的熱應力由____變為____。⑹從啟動至停機，轉子表面和中心孔的熱應力大小和方向都隨時間變化，剛好完成一個交變熱應力____。對于____的熱應力變化也是一樣。⑴啟動過程中，汽缸內壁產生____熱應力；而外壁產生____熱應力。壓縮，拉伸⑵啟動過程中，轉子外表面產生____熱應力，中心孔內表面則產生____熱應力。壓縮，拉伸⑶停機過程中，汽缸內壁產生____熱應力；汽缸外壁產生____熱應力。拉伸，壓縮⑷停機過程中，轉子外表面產生____熱應力；轉子中心產生____熱應力。拉伸，壓縮⑸汽輪機從冷態啟動、穩定工況下運行至停機過程中，轉子表面的熱應力由____變為____；轉子中心孔的熱應力由____變為____。壓縮，拉伸；拉伸，壓縮⑹從啟動至停機，轉子表面和中心孔的熱應力大小和方向都隨時間變化，剛好完成一個交變熱應力____。對于____的熱應力變化也是一樣。循環，汽缸內外壁⑴汽缸被加熱時，汽缸內壁溫度高于外壁，內壁的熱膨脹由于受到外壁的制約，因而內壁受到壓縮，產生壓縮熱應力；而外壁則由于受內壁膨脹的拉伸產生拉伸熱應力。⑵當轉子被加熱時，轉子外表面和中心孔內表面間存在溫差，當兩個表面膨脹不同時，溫度高的外表面產生壓縮熱應力，中心孔內表面則產生拉伸熱應力。⑶停機過程實際上是汽輪機零部件的冷卻過程，隨著進入汽缸的蒸汽溫度不斷降低和流量不斷減少，汽缸內壁首先被冷卻，而汽缸外壁冷卻滯后些，致使汽缸內壁溫度低于外壁。與啟動相反，汽缸內壁產生拉伸熱應力；汽缸外壁則產生壓縮熱應力。⑷停機過程實際上是汽輪機零部件的冷卻過程，隨著進入汽缸的蒸汽溫度不斷降低和流量不斷減少，轉子表面首先被冷卻，轉子中心孔冷卻滯后些，致使轉子表面溫度低于中心孔。與啟動相反，轉子外表面產生拉伸熱應力；轉子中心則產生壓縮熱應力。⑸由以上分析可知，汽輪機從冷態啟動、穩定工況下運行至停機過程中，轉子表面的熱應力由壓縮變為拉伸；轉子中心孔的熱應力由拉伸變為壓縮。⑹從啟動至停機，轉子表面和中心孔的熱應力大小和方向都隨時間變化，剛好完成一個交變熱應力循環。對于汽缸內外壁的熱應力變化也是一樣。在交變熱應力的反復作用下，金屬表面就會出現疲勞裂紋，并逐漸擴展，以致斷裂。汽輪機自啟停（ATC）控制的核心是應力控制。汽輪機自啟停（ATC）功能可實現機組從盤車狀態到沖轉、同期、并網、帶負荷的全部操作，無需運行人員干預。在此控制方式下，ATC將承擔選擇設定點，選擇加速率等任務，這是在無運行人員干預下進行的，所有的狀態信息將顯示在CRT上并由打印機打出。汽輪機啟動過程的安全是首先考慮的問題，所以要連續實時地監測轉子應力。在應力裕度允許的情況下，用最快速度升速，以縮短啟動時間。增減負荷時，也要根據應力裕度是否在允許范圍來決定變負荷速率，盡可能提高機組響應電網負荷要求的能力。大多數DEH中配置專門的ATC控制計算機，完成數據檢測、應力計算、升速率、變負荷率控制等任務。2.轉子熱應力數學模型計算應快速實時計算轉子熱應力一般用汽輪機轉子傳熱數學模型計算求得。3．應力限制應力限制回路工作原理見圖1-7。檢測元件測量汽輪機幾個特定點的溫度和其他有關參數，然后根據測量值實時計算轉子內、外表面的熱應力和機械應力，最后算出汽輪機高、中壓轉子的實際應力。將實際應力與允許應力比較，其差值經TAC轉換器轉換為轉速或負荷目標值和升速率、變負荷速率，再通過DEH基本控制功能去控制汽輪機升速或變負荷，形成一個閉環控制過程。整個過程中要保證轉子應力不超過允許應力值。

參數檢測都檢測那些參數？參數檢測都檢測那些參數？轉子熱應力數學模型計算

轉子內表面熱應力計算公式，即轉子外表面熱應力計算公式，即熱應力的大小可以由溫差來表征：溫差大，熱應力大；溫差小，熱應力小。為了限制熱應力不超過允許限值，可通過限制溫差不超過某一限值來實現。對于缸體、閥體，限值是通過中間（平均）溫度Tm的函數來設置的。通過溫度傳感器測得與蒸汽接觸的缸體表面溫度T1和在缸體50%深度處的平均溫度Tm,溫差由這兩個溫度計算得到，即與升/降速度或升/降負荷相對應，形成允許上限溫差dTpermu和允許上限溫差dTperml兩個限值。上限溫度裕量ddTu=dTpermu–dT下限溫度裕量ddTl=dT–dTperml轉子的溫度裕量用相似的方法計算。溫差dT/℃150100500-50-100dTpermudTperml上限溫度裕量ddTu下限溫度裕量ddTl50%深度計算溫差dT50%深度Tm/℃20100200300400500600上限溫度裕量ddTu=dTpermu–dT下限溫度裕量ddTl=dT–dTperml缸體、閥體溫度裕量的計算機組啟動時ddTu=0,實際應力（）許用應力。ddTu>0,實際應力（）許用應力。ddTu<0,實際應力（）許用應力。機組停機時ddTl=0,實際應力（）許用應力。ddTl>0,實際應力（）許用應力。ddTl<0,實際應力（）許用應力。機組啟動時ddTu=0,實際應力（=）許用應力。ddTu>0,實際應力（<）許用應力。ddTu<0,實際應力（>）許用應力。機組停機時ddTl=0,實際應力（=）許用應力。ddTl>0,實際應力（<）許用應力。ddTl<0,實際應力（>）許用應力。⑴設Tm=240℃,求dTpermu和ddTu，實際應力與許用應力關系如何？⑵設Tm=240℃,dT=150℃，求dTpermu和ddTu，實際應力與許用應力關系如何？⑶設Tm=240℃,dT=-70℃，求dTperml和ddTl。⑷設Tm=240℃,dT=-100℃,求dTperml和ddTl。⑴設Tm=240℃,看圖得知：dTpermu=110℃,dT=70℃，則ddTu=dTpermu-dT=110-70=40℃>0；實際應力（<）許用應力。⑵設Tm=240℃,dT=150℃，求dTpermu和ddTu，實際應力與許用應力關系如何？dTpermu=110℃,則ddTu=dTpermu-dT=110-150=-40℃<0，實際應力（>）許用應力。⑶設Tm=240℃,看圖得知：dTperml=-70℃,dT=-70℃，則ddTl=dT-dTperml=-70-(-70)=0℃=0；實際應力（=）許用應力。⑷設Tm=240℃,dT=-100℃,dTperml=-70℃,則ddTl=dT-dTperml=-100-(-70)=-30℃<0實際應力（>）許用應力。⑴設dT=50℃，dTpermu=75℃,求ddTu，實際應力與許用應力關系如何？⑵設dT=100℃，dTpermu=75℃,求ddTu，實際應力與許用應力關系如何？⑶設dT=-50℃，dTperml=-75℃,求ddTl，實際應力與許用應力關系如何？⑷設dT=-100℃，dTperml=-75℃，實際應力與許用應力關系如何？⑴設dT=50℃,dTpermu=75℃,則ddTu=dTpermu-dT=75-50=25℃>0實際應力（<）許用應力。⑵設dT=100℃,dTpermu=75℃,則ddTu=dTpermu-dT=75-100=-25℃<0，實際應力（>）許用應力。⑶設dT=-50℃,dTperml=-75℃,則ddTl=dT-dTperml=-50-(-75)=25℃>0實際應力（<）許用應力⑷設dT=-100℃,dTperml=-75℃,則ddTl=dT-dTperml=-100-(-75)=-25℃<0實際應力（>）許用應力。上限溫度裕量ddTu=dTpermu–dT下限溫度裕量ddTl=dT–dTpermlT1-缸體表面溫度Tm-缸體50%深度處的平均溫度Ta-轉子表面溫度Tax-轉子中間溫度Tm-轉子內表面溫度+--++--+內、外表面熱應力較大者定義為σTH。σM為機械應力，可根據轉子額定轉速和高、中壓缸第一級葉輪處的蒸汽壓力計算出機械壓力σM。根據轉子的材料和工作溫度計算許用壓力σL

1.K=1，表示實際應力為_____。2.K=0，表示實際應力_______許用應力。3.K<0，表示實際應力_______許用應力。4.0<K<0.2，______升速率和變負荷速率。5.K>0.2，______升速率和變負荷速率。1.0；2.=；3.>；4.限制；5.不限制。DEH應力限制回路的部件如圖所示，試畫出其工作原理方框圖，并說明其工作原理。

見圖1-7。四、保護系統汽輪機保護系統的功能為，當汽輪機運行中出現危險情況時，迅速關閉所有進汽閥門，防止發生重大事故，保護汽輪機設備安全。為了提高汽輪機保護系統工作的可靠性，保護系統還應具有在線試驗功能。汽輪機保護系統由信號檢測、跳閘邏輯、液壓保護回路(含跳閘回路)等部分組成。1．汽輪機保護跳閘條件按照“故障-安全”的設計思想，汽輪機保護跳閘條件應比較完備。電網供小于求時，希望熱工保護“寧可拒動,不可誤動”（如果多次誤動就把保護摘除）；電網供大于求時，希望熱工保護“寧可誤動,不可拒動”（誤動不算事故）。常見的汽輪機保護跳閘條件有那些？汽輪機保護系統由哪些部分組成？汽輪機保護系統的功能是什么？常見的汽輪機保護跳閘條件有：(1)超速；(2)凝汽器真空低；(3)潤滑油壓力低；(4)潤滑油箱油位低；(5)軸振動大；(6)推力軸承磨損；(7)軸向位移過大；(8)凝汽器水位過高；(9)凝結泵出口壓力低；(10)主蒸汽壓力過高；(11)主蒸汽溫度過低；(12)高壓缸排汽室金屬溫度高；(13)低壓缸排汽室金屬溫度高；(14)再熱蒸汽溫度高；(15)轉子應力過高；(16)排汽室溫度過高；(17)控制油壓力低；(18)高壓缸故障；(19)發電機故障；(20)鍋爐主燃料跳閘；(21)人工跳閘指令等。汽輪機保護系統由信號檢測、跳閘邏輯、液壓保護回路(含跳閘回路)等部分組成。汽輪機保護系統的功能為，當汽輪機運行中出現危險情況時，迅速關閉所有進汽閥門，防止發生重大事故，保護汽輪機設備安全。每一臺機組并不是一定具備上述全部跳閘條件。對于重要的跳閘條件，為了提高保護的可靠性，可設置多路測量信號，通常進行“三取二”邏輯處理后，再判斷是否故障和實施跳閘。2．跳閘回路為了提高保護回路動作的可靠性，跳閘回路和重要跳閘條件通常采用冗余設置，跳閘電路處于導通狀態并可實行在線試驗。跳閘回路受兩個并列運行的保護通道控制，跳閘電磁閥SV1被Ⅰ通道控制，SV2被Ⅱ通道控制。兩個跳閘電磁閥中的任何一個跳閘動作，都會引起安全油泄油，使各汽閥迅速關閉，保證汽輪機可靠跳閘。跳閘回路如圖1-8所示。圖1-8中兩個跳閘回路的跳閘電磁閥SV1、SV2在汽輪機正常運行時處于勵磁狀態，上閥開，下閥關，試驗電磁閥SV3、SV4在汽輪機正常運行時處于失磁狀態，上閥關，下閥開，壓力油p通過電磁閥SV1、SV2的上閥和電磁閥SV3、SV4的下閥進入安全油路ETS，排油口DSV1、SV2的下閥被截斷，使蒸汽閥門開啟。跳閘回路主要部件如圖所示，試畫出跳閘回路工作原理示意圖。提示：兩個跳閘電磁閥的符號為SV1

、SV2，兩個試驗電磁閥的符號為SV3

、SV4，兩塊壓力表的符號為PS1、PS2，P、D、ETS分別表示壓力油管路、泄油管路和安全油管路。跳閘回路主要部件如圖所示，回答下列問題：⑴跳閘回路有幾條保護通道？是并聯還是串聯？⑵解釋圖中各符號的含義；⑶若SV1、SV2帶電，ETS與那個管路接通？汽閥開啟嗎？⑷若SV1、SV2失電，ETS與那個管路接通？汽閥關閉嗎？⑸若SV3帶電，可以對哪個電磁閥進行在線試驗？⑹SV1失電后，其右側管路與那個管路接通？⑺SV1失電后，若PS1不發出壓力油壓低信號，試說明SV1出現了什么問題？⑻若21項跳閘條件任一成立時，SV1故障，SV2動作，汽閥還能關閉嗎？⑼SV2失電后，若PS2發出壓力油壓低信號，試說明SV2是否正常？⑴跳閘回路有2條保護通道，是并聯；⑵P為壓力油管路；D為回油管路；ETS為安全油管路；SV1、SV2為跳閘電磁閥；SV3、SV4為跳閘試驗電磁閥；PS1、PS2為壓力開關。⑶若SV1、SV2帶電，上閥打開，下閥關閉，ETS與P管路接通，汽閥開啟。⑷若SV1、SV2失電，上閥關閉，下閥打開，ETS與D管路接通，汽閥關閉。⑸若SV3帶電，上閥開，下閥閉，可以對SV1電磁閥進行在線試驗。⑹SV1失電后，上閥閉，下閥開，其右側管路與D管路接通。⑺SV1失電后，上閥閉，下閥開，若PS1不發出壓力油壓低信號，試說明SV1卡澀或未關嚴。⑻若21項跳閘條件任一成立時，SV1故障，SV2動作，汽閥還能關閉。⑼SV2失電后，若PS2發出壓力油壓低信號，說明SV2正常。汽輪機保護系統主要部件如圖所示，試畫出保護雙通道原理示意圖，圖示為汽輪機保護雙通道原理意，試回答：（1）現場檢測主要檢測哪些信號？（2）試將圖1-8和圖1-9畫成一張圖。（3）若現場檢測信號未超限，K1和K2是閉合還是打開？SV1和SV2是帶電還是失電？相應的閥門是關閉還是打開？汽輪機是跳閘還是不跳閘？（4）若現場檢測信號超限，K1和K2是閉合還是打開？SV1和SV2是帶電還是失電？相應的閥門是關閉還是打開？汽輪機是跳閘還是不跳閘？若SV1或SV2其中一個故障，汽輪機是跳閘還是不跳閘？（5）若操作臺試驗指令未發出，SV3或SV4是帶電還是失電？相應的閥門是關閉還是打開？汽輪機是跳閘還是不跳閘？（6）若操作臺試驗指令發出，SV3或SV4是帶電還是失電？相應的閥門是關閉還是打開？汽輪機是跳閘還是不跳閘？⑴現場檢測主要檢測21項跳閘保護條件。⑵試將圖1-8和圖1-9畫成一張圖如圖示。⑶若現場檢測信號未超限，K1和K2是閉合，SV1和SV2是帶電，相應的下閥門是關閉，汽輪機不跳閘。⑷若現場檢測信號超限，K1和K2打開，SV1和SV2失電，相應的下閥打開，汽輪機跳閘，若SV1或SV2其中一個故障，汽輪機仍能跳閘。⑸若操作臺試驗指令未發出，SV3或SV4失電，相應的下閥是打開的，汽輪機不跳閘。⑹若操作臺試驗指令發出，SV3或SV4帶電，相應的下閥關閉，汽輪機不跳閘。一、填空1.當金屬內部達到熱平衡，各處溫度均相同，__________也隨之消失。2.汽輪機在升速和負荷變化時，轉子不但存在______應力，還存在_____應力。3.______________在啟動和負荷變化過程中的熱應力最大，是熱應力監視的重點部位。4.______________在啟動和負荷變化過程中的熱應力也很大，同樣是監視的重點。5._________熱應力是最危險的。6.K=1，表示實際應力為_____。7.K=0，表示實際應力_______許用應力。8.K<0，表示實際應力_______許用應力。9.對________________的監視可以保證在汽輪機轉子實際應力不超過許用應力的情況下以最大升速率升速和以最大的變負荷速率變負荷。10.一般將應力裕度系數K限制在___________之間為好。11.K>0.2時，____升速率和變負荷率。12.0<K≤0.2時，____升速率和變負荷率。二、選擇題（將正確答案的字母填在空格內）1.當應力裕度系數系數K值______0.2時，限制回路不自動降低升速率或變負荷速率。A.大于；B.等于；C.小于2.上限溫度裕量的符號是_____。A.ddTu；B.dTpermu；C.dTperml；D.ddTl3.若實際應力等于許用應力，則應力裕度系數系數K_______0。A.大于；B.等于；C.小于4.汽缸被加熱時產生______。A.壓縮熱應力；B.拉伸熱應力；C.機械應力5.______缸調節級在啟動和負荷變化過程中的