發表時間： 2025-09-02 10:51:42
作者： 石油化工設備維護與檢修網
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汽輪機調速系統的核心功能是維持機組轉速穩定（確保發電頻率符合標準），并根據電網負荷需求精準調節進汽量，同時實現機組啟動、停機及事故工況下的安全保護。根據技術發展歷程，主流調速系統可分為機械液壓調速系統（傳統型）和數字電液調速系統（DEH） （現代主流型），二者在結構、原理上差異顯著，以下詳細介紹：
一、機械液壓調速系統（Mechanical-Hydraulic Governing System）
機械液壓調速系統是早期汽輪機的核心調速方式，依賴“機械感受+液壓放大”實現控制，結構簡單、可靠性高，多用于小型汽輪機（如工業拖動機組、老舊電站機組）。
1. 核心結構組成
系統以“機械信號→液壓放大→執行動作”為核心鏈路，主要部件包括：
-1.1 轉速感受元件（敏感機構）核心作用是將“轉速變化”轉化為“機械位移”，最常用的是離心飛錘（或飛環）機構，安裝在汽輪機主軸（或增速器軸）上，隨主軸同步旋轉。
-飛錘：由2-4個可徑向滑動的重錘組成，重錘通過彈簧與主軸中心連接（彈簧力指向中心，離心力背離中心）。
-輔助部件：導向套（限制飛錘滑動方向）、連桿（傳遞飛錘位移）。
-1.2 中間放大元件（液壓放大器）
機械感受元件的位移量極小（通常僅幾毫米），無法直接驅動調節汽閥，需通過液壓放大將“小位移”轉化為“大推力”，核心部件是錯油門（滑閥） 和油動機（液壓缸） ：
-錯油門：圓柱形滑閥，可沿軸向滑動，閥套上開有“進油口”“回油口”和“油動機接口”，通過滑動改變油口通斷狀態，控制高壓油（通常為1.5-2.5MPa壓力油）進入油動機的方向和油量。
-油動機：雙作用液壓缸（或單作用液壓缸+復位彈簧），活塞桿與調節汽閥連桿連接，高壓油推動活塞移動時，直接帶動汽閥開關。
-1.3 執行機構即調節汽閥（調門） ，通常為多個（如高壓主汽閥、高壓調節汽閥、中壓調節汽閥），安裝在汽輪機進汽管道上，通過閥門開度變化控制進入汽輪機的蒸汽流量，進而調節機組功率和轉速。
-1.4 反饋機構（閉環控制關鍵）為避免調節過度（轉速波動），需通過“反饋”將“執行機構的動作”傳回感受元件，形成閉環平衡，常用杠桿反饋或彈簧反饋：
-杠桿反饋：油動機活塞桿通過連桿與錯油門（或飛錘連桿）連接，油動機移動時，通過杠桿拉動錯油門反向滑動，抵消飛錘的初始位移，實現“調節→平衡”。
-彈簧反饋：在錯油門或油動機上設置反饋彈簧，油動機移動時壓縮/拉伸彈簧，產生反向力阻礙錯油門滑動，達到平衡。
-1.5 附加裝置
-同步器：手動或電動調節裝置，可改變飛錘彈簧的初始預緊力（或改變錯油門的零位），實現“人為設定轉速”（如機組啟動時升速、并網時調整轉速與電網同步）。
-超速保護裝置：如危急遮斷器（與飛錘聯動，轉速超限時觸發停機）、安全閥（防止液壓系統超壓）。
2. 工作原理（閉環控制過程）
基于“離心力與彈簧力平衡”和“液壓放大閉環”，具體過程如下：
1. 穩態平衡：機組額定轉速運行時，飛錘的離心力與彈簧的拉力（或壓力）平衡，飛錘處于固定徑向位置，錯油門處于“中間位”（進油口、回油口均關閉），油動機無動作，調節汽閥開度穩定，進汽量不變，轉速維持額定值。
2. 負荷變化→轉速波動：
-若電網負荷降低（需減少機組出力），汽輪機輸出功率大于外界負荷，轉速升高→飛錘離心力增大，克服彈簧力向外滑動→通過連桿帶動錯油門向上（或向下）滑動→打開錯油門的“油動機回油口”，油動機內高壓油排出→油動機活塞在復位彈簧（或另一側油壓）作用下移動，帶動調節汽閥關小→進汽量減少，機組出力降低→轉速逐漸回落。
-若電網負荷升高（需增加機組出力），則過程相反：轉速降低→飛錘向內滑動→錯油門打開“油動機進油口”→高壓油推動油動機活塞移動，調節汽閥開大→進汽量增加，轉速回升。
3. 反饋平衡→穩定轉速：油動機移動時，通過反饋杠桿（或彈簧）拉動錯油門反向滑動，逐漸關閉油口，直至錯油門回到中間位，油動機停止動作，調節汽閥穩定在新開度，轉速恢復至額定值，形成閉環控制。
二、數字電液調速系統（DEH，Digital Electric-Hydraulic Governing System）
DEH是20世紀80年代后發展的現代調速技術，結合“數字控制+電液執行”，具有精度高、響應快、功能豐富（如一次調頻、AGC協調控制）的特點，是大型火電機組、核電機組的標配。
1. 核心結構組成
DEH系統分為電氣控制部分（“大腦”，負責信號處理與決策）和液壓執行部分（“手腳”，負責動作執行），二者通過電液轉換元件連接，結構如下：（1）電氣控制部分（核心決策層）
-1.1 轉速/功率信號采集單元替代機械飛錘，精準采集機組運行參數，核心元件：
-轉速傳感器：通常為3套磁阻式傳感器（或光電式傳感器），安裝在汽輪機主軸（或發電機軸）旁，將“轉速”轉化為“脈沖電信號”（轉速越高，脈沖頻率越高），實現冗余測量（避免單傳感器故障）。
-功率傳感器：通過電流互感器（CT）、電壓互感器（PT）采集發電機的電流、電壓信號，計算機組實際輸出功率，用于“負荷閉環控制”。
-壓力傳感器：采集主蒸汽壓力、再熱蒸汽壓力信號，避免進汽壓力過低時過度開閥導致機組不穩定。
-1.2 DEH控制器（數字核心）
相當于系統的“大腦”，通常基于PLC（可編程邏輯控制器）或DCS（分散控制系統）實現，核心功能是“信號對比、邏輯運算、指令輸出”：
-硬件：CPU模塊、輸入/輸出（I/O）模塊、通信模塊（與機組DCS、電網調度系統通信）、人機界面（HMI，用于操作人員設定參數、監控狀態）。
-軟件：固化控制邏輯（轉速控制邏輯、負荷控制邏輯、一次調頻邏輯、超速保護邏輯）、參數數據庫（額定轉速、最大負荷、閥門特性曲線等）。
-1.3 伺服放大器將DEH控制器輸出的“微弱電信號”（通常為±10V直流信號）放大為“可驅動電液伺服閥的電流信號”（通常為4-20mA），同時實現信號隔離（防止液壓系統干擾電氣系統）。
（2）液壓執行部分（動作執行層）
-2.1 電液伺服閥（電液轉換元件）連接電氣控制與液壓執行的關鍵部件，核心作用是將“電信號”轉化為“液壓油流量/方向信號”，結構為“電磁線圈+滑閥+噴嘴擋板”：
-原理：伺服放大器輸出的電流信號通入電磁線圈，產生電磁力推動滑閥（或噴嘴擋板）移動，改變高壓油（通常為10-16MPa高壓抗燃油）的流通路徑和流量，控制油動機的動作方向和速度。
-特點：響應速度快（毫秒級）、控制精度高（位移誤差小于0.1mm），但對油質要求極高（需定期過濾抗燃油，防止雜質卡澀）。
-2.2 油動機（液壓執行機構）與機械液壓系統的油動機功能類似，但推力更大、控制精度更高，通常為雙作用式液壓缸（無復位彈簧，兩側均通高壓油，通過伺服閥控制兩側油量差實現活塞移動），活塞桿直接連接調節汽閥的閥桿。
-2.3 位置反饋元件（LVDT）即“線性可變差動變壓器”，安裝在油動機上，一端固定，另一端與油動機活塞（或活塞桿）連接，核心作用是將“油動機活塞的位移”轉化為“電信號”，傳回DEH控制器，與控制器輸出的“目標位移指令”對比，形成閉環控制（避免閥門開度偏差）。
-2.4 液壓油系統為液壓執行部分提供高壓油，包括：-抗燃油箱（儲存高壓抗燃油，具有防火特性）、高壓油泵（提供10-16MPa壓力油）、油過濾器（過濾雜質，保護伺服閥）、蓄能器（穩定油壓，吸收壓力波動）。
2. 工作原理（數字閉環控制過程）
DEH系統以“數字信號處理”為核心，實現更精準、靈活的控制，具體過程如下：
1. 參數采集：轉速傳感器、功率傳感器、壓力傳感器實時采集“實際轉速”“實際功率”“主汽壓力”等信號，轉化為電信號傳入DEH控制器。
2. 指令對比與運算：DEH控制器將“實際轉速”與“設定轉速”（如額定3000r/min）對比，或“實際功率”與“負荷指令”（電網調度下發）對比，通過內置控制邏輯（如PID調節算法）計算出“調節汽閥的目標開度指令”。
3. 電液轉換與放大：目標開度指令經伺服放大器放大為電流信號，傳入電液伺服閥→伺服閥根據電流信號調整滑閥位置，控制高壓油進入油動機的一側（或排出另一側油）→油動機活塞在油壓差作用下移動，帶動調節汽閥向“目標開度”方向動作。
4. 位置反饋與平衡：LVDT實時檢測油動機活塞的實際位移，將電信號傳回DEH控制器→控制器對比“目標開度”與“實際開度”，若有偏差則調整輸出信號，直至調節汽閥開度達到目標值，轉速（或功率）穩定，形成閉環控制。
5. 功能擴展：DEH還可實現“一次調頻”（電網頻率波動時自動調整負荷）、“AGC協調控制”（接收電網調度指令自動調整負荷）、“超速保護”（轉速超限時快速關閉調門）等功能，通過軟件邏輯即可實現，無需改動硬件。
三、兩種調速系統的核心差異對比
總結
機械液壓調速系統是“機械控制”的經典代表，結構可靠但精度有限；DEH系統通過“數字控制+電液執行”實現了調速技術的升級，滿足了大型機組對高精度、高靈活性的需求，已成為現代汽輪機調速系統的主流。實際應用中，需根據機組容量、運行場景（發電/拖動）及控制需求選擇合適的調速系統。
來源：電廠運行學習筆記
