)汽轮机调节系统
无论采用何种形式的控制系统，汽轮机调节的基本任务依然是转速控制与负荷控制，从五六十年代引入模拟电液调节系统以来这个基本任务就没有明显的变化。
汽轮机是一种将热能转换成动能的旋转机械。来自锅炉的高压蒸汽经主汽门和调节汽阀进入汽轮机，通过膨胀做功将能量传递给汽轮机转子，带动同步发电机进一步将动能转换成电能。汽轮机的功率通常由位于第一级喷嘴前的调节汽阀来控制，假定调节汽阀前蒸汽参数为定值，排汽的背压也维持不变，则汽轮机的功率大致与蒸汽流量成正比。
现在我们来分析作用于汽轮发电机组转子上的蒸汽力矩和发电机转矩的关系，前者是主动力矩，后者是反动力矩，根据牛顿第二定律可列出下列方程式中： J—汽轮发电机组的转动惯量(kg·m·s2)
ω—转子旋转的角速率(s-1)
MT—汽轮机的蒸汽力矩(kgf·m)
MG—发电机的电磁转矩(kgf·m)
只有当MG = MT时，dω/dt=0，ω=常数，即汽轮机的主动力矩等于发电机的阻力矩时，汽轮发电机组才以稳定的转速运转。但两个转矩平衡的情况只是暂时的，在外界负荷改变时MG也将变化，另外MT也会受到一些参数的影响而变化。
发电机转矩一般与转速有关，以MG=f(n)表示，称为发电机特性，它主要取决于外界负载的特性。例如，当发电机转速(电网频率)改变时，电网中电动机的转速也随之改变，对应于拖动水泵或风机的电动机，则其阻力转矩与转速的平方成正比；对于带动金属切削机床之类的电动机，其阻力转矩与转速的一次方成正比；对于电阻类负荷(如白炽灯)，则阻力转矩与转速无关。这样就可以用下式表示在各种负载下的发电机阻力转矩曲线MT1和MG1的交点a即为汽轮机带动发电机在转速na时的一个稳定工况。这时，如果负载有变化，发电机转矩特性改变到MG2 ，而汽轮机的进汽量保持不变，那么新的平衡点为b，即汽轮发电机组以nb转速稳定运转。这说明，在这种情况下，从理论上讲汽轮发电机组即使没有自动调节系统，它也可以从一个稳定工况过渡到另一个稳定工况。这是因为汽轮机转矩随转速增加而减少，发电机转矩却随转速增加而增加，当两个增量的代数和为零时；即达到平衡状态，这种情形称为自平衡或自调整能力。但是，这种情况事实上是不允许的，因为对带交流同步发电机的汽轮机来说，这种自平衡能力很小，因此汽轮机转速变化很大，不仅会使机组发出的电能的频率和电压不能满足用户的要求，而且就汽轮机组的自身强度和效率来看也是不允许的。
为了减少转速的波动，当外界负荷变化时，就应随之改变汽轮机的进汽量。如继续上述过程，将由调节系统来改变汽轮机的进汽量，即从曲线MT1变化到MT2 ，则曲线MT2和MG2的交点C即为新的平衡工况，此时的工作转速nc与初始的转速na相差不多，这就为机组设备所允许。上述过程说明了自动调节系统的功能，即用自动改变进汽量的手段使在转速变化不大的条件下达到新的平衡，以适应外界负荷或蒸汽状态的变化。
调节系统的任务就是改变汽轮机的蒸汽转矩。实际采用的方法就是通过喷嘴调节、节流调节或滑压运行等手段来改变进汽量或蒸汽的焓降而实现的。但是，不论采用何种方式来改变蒸汽转矩，最终都需要调节系统的执行机构(油动机)来控制调节汽阀。
当外界负荷变动使汽轮机转速也相应变动时，例如负荷减少，则转速上升△n，离心式调速器飞锤的离心力也相应增加，克服弹簧的约束力，使滑环产生一个向上的位移△X，再经过杠杆的传递带动错油门上移△S，这时从主泵来的压力油就进入油动机活塞的上部，而活塞下腔的油则排向回油管道，活塞在其上下油压差的作用下向下移动，从而关小了调节汽阀，使汽轮机的蒸汽功率减少而与外界负荷相平衡。与此同时，由于杠杆的反馈作用，将错油门下移△S，使错油门回到套筒的中间位置。这样，当油动机活塞上下的窗口均被错油门的凸肩所封住时，油动机活塞和调节阀就停留在一个新的稳定位置上，整个机组就在一个比原来高出△n的新转速下稳定运行。这就是常用的机械液压转速调节的基本原理。 现将组成调节系统的各部件以方框形式顺序排列，再按各部件的输入量和输出量的关系，用直线联接并以箭头表示方向，如图1-2中，这种方框图是分析自动调节过程时经常采用的。因为它可以清晰地表明系统中各元件的功能和信号传递情况，并以数字形式将各部件的特性表达出来，进行分析研究，所以是很有用的方法。
调节系统的主要功能是调节汽轮机的功率，使之与外界负荷相适应。描述汽轮机平衡工况下的工作特性，即汽轮机在同步器的不同位置时，稳定工况下功率与转速的关系，通常称为调节系统的静态特性。对调节系统的静态特性应该有一定的要求。
一、静态特性曲线并列在电网中运行的机组，其转速为电网的频率所决定，不可能由一台机组自由改变。即使是某一台孤立运行的机组，也因用户对供电质量的要求而不允许转速有较大的变动。所以调节系统的静态特性，一般是通过分部试验或计算而间接求得的。
调节系统的特性取决于组成系统的各元件的特性，即调速器特性曲线，调速器到油动机的传动放大机构特性曲线，以及调节汽阀升程与蒸汽流量、汽轮机功率之间的特性曲线。而这些特性在设计调节系统时是可以通过计算来确定的，并使其最终的静态特性满足要求。如果不满足，就须修改某些元件的特性，以期获得所需要的静态特性，对于现有的汽轮机调节系统，如要测取其静态特性，也是先测取其各部件的特性，然后再间接绘制而成。所以在试验中即可判定各部件的特性是否符合要求。由于调节系统的静态特性对汽轮机的运行(不论是单机运行还是并网运行)有着重要的意义，因此对它的曲线形状及相应的指标有着严格的要求。
转速调节系统的任务虽然是维持转速的恒定，调节系统进行分析时不难发现，在汽轮机负荷变动后转速仍会有一定的变化，当然，和没有调节系统相比，变化的范围要小得多。
在负荷变化时，在达到新的平衡状态以后，转速已有了一定的变化，或者说在扰动作用下，达到新的平衡状态以后，被调节量会产生相应的变化，这种系统称为有差调节系统。
除了个别情况以外，大多数汽轮发电机组的转速调节系统都是有差系统。当汽轮机单机运行时，空负荷(N=0)转速n1与满负荷(N=N0)转速n2之差与额定转速n0比值的百分数称为调节系统的转速不等率(或称不均匀度，速度变动率等)，以符号δ表示，即 一般δ的范围为3～6%，常用的为4.5～5.5%。
带基本负荷的汽轮机转速不等率应比带调峰负荷的取得大些，但是，所谓基本负荷与尖峰负荷也是相对的，它是随网中单机功率的增大而变化的，因此，一般希望转速不等率设计成连续可调的，即可根据运行情况调整。
实际上，静态特性曲线并非是一条直线，通常也不要求为一直线，所以静态特性曲线在不同的区段有不同的斜率。仅用总的平均转速不等率δ是不能说明各负荷工况时的静态稳定性的，δ只说明汽轮机从空负荷变到全负荷时的转速变动值，是一个平均值。因此，需要引入局部转速不等率的概念，所谓局部不等率，是指在静态特性线的某一点i作一切线(图1-4)，此切线与N=0和N=N0线段的交点为1和2，则△ni=n1-n2，i点的局部不等率就等于△ni与额定转速之比，即 ×100％。
在空负荷附近，静特性的局部不等率大一些，可以提高机组在空负荷时的稳定性，以便于把机组并入电网。在额定负荷附近，提高不等率可以使机组稳定在经济负荷附近运行，提高运行的经济性。但是由于机组属于基本负荷还是尖峰负荷的界限并不如此明确，而且两头局部不等率的加大，而总的不等率又基本固定，必然造成中间段不等率的减小，所以在额定负荷附近，通常不考虑增大静特性的局部不等率。
在上面关于静态特性曲线绘制过程的讨论中，曾假定每个元件的静特性都是一根线，因此求得的系统静态特性曲线也是一根线。这样求得的静态特性仅仅是理想特性，实际上由于调节系统各元件间存在着摩擦力、间隙、重叠度等，而使多数元件的静特性曲线的上下行线不能重合在一起，形成一条带状。例如，在调速器中有摩擦和间隙等存在，那么当转速变化时，只有克服摩擦力和走完间隙的距离后才会使滑环移动，所以就形成了bb及b'b'带状的调速器特性曲线。同理，当调速器滑环开始移动时，也需要克服传动机构到油动机去的摩擦力、间隙以及错油门重叠度等因素，从而使活塞移动时产生了滞后，因此也形成了cc和c'c'的传动机构特性曲线。而油动机活塞的位移与功率的关系则一般不存在不灵敏现象，因此是一根线而不是带状。
迟缓率是调节系统的重要质量指标之一，迟缓率过大会引起调节系统摆动并使过渡过程恶化，造成甩负荷后不能维持空转等缺陷，在调节系统设计过程中，应尽力设法减小各元件的不灵敏度，使调节系统的迟缓率到减小最低程度。目前，液压调节系统可做到ε不大于0.2-0.5%，国际电工会议(IEC)定为ε=0.06%，采用电液调节系统后，可以达到或超过这个标准。
以上阐明了平移静特性所起的作用，要实现静特性的平移，对于类似于机械液压调节系统，必须在调节系统中装设同步器。其功能在于：当汽轮机功率从空载到满载大幅度变化时，藉助同步器在不大的范围内平移静态特性曲线，以使机组转速维持在额定转速n0。同步器的范围一般为额定转速的-5%到+7% (1) 静态特性曲线a是同步器在最低位置下的特性线，在汽轮机空负荷时的转速为2850rpm，即比额定转速低5%，这是考虑到电网频率低于50Hz的5%时，汽轮机在主汽门全开的条件下，用同步器控制转速并网，故曲线a称为同步器下限。
(2) 由静态特性曲线b平移到曲线c，表明汽轮机在电网频率为50Hz的条件下，其功率从空负荷增加到满负荷。
(3) 静态特性曲线d表明，在汽轮机空负荷的转速高于额定转速n0的δ+(1～2)%时，应考到当汽轮机前蒸汽参数降低或电网频率升高δ＋(1～2)%时仍可发出满负荷。
以上所说的静态特性并不能完全反映一个调节系统的性能。一台机组所带的负荷不会长时间固定不变，而总是或大或小，或快或慢地不断变化着。即使负荷不变，由于存在着这样或那样的扰动，使调节部件和汽轮机参数处于不停的变化过程中。所以，不仅要知道工况稳定下来以后各参数之间的关系，更重要地是要分析从一个工况到另一个工况的过渡过程中各参数的变化规律，为了建立动态的概念，我们来分析一下图1－2所示的系统甩负荷的过程。
假定机组原在满负荷下运行，转速为n0现在突然减去50%负荷，汽轮机转速开始上升。因为汽轮机的转子具有转动惯量，转速的增加不会象负荷减小那样立即发生，而是有一个过程，即转速的变化落后于负荷的变化，转速的上升使压力油进入活塞上腔去关小调节阀门，但高压油进入油动机也有一个过程，它的活塞移动速度和滑阀套的油口开度成比例，即阀门开度的变化也要落后于滑环位置的变化。阀门关小后，由于阀门与汽轮机喷嘴之间有一个容积，在这个容积中储存了一部分高压蒸汽，阀门虽然已经关小了，但这个容积中的压力却一时降不下来，仍有较多的蒸汽进入汽轮机作功，转子仍在剩余扭矩作用下继续升速，阀门进一步关小。直到转速升高到nD(这个转速要比图1-3上静态特性曲线上50%负荷所对应的转速高很多，进入汽轮机的蒸汽量才与50%负荷相适应，转速停止升高，但此时阀门已经关“过头”了。由于容积中所储存的多余蒸汽量已经放完，而阀门的过关使进入的蒸汽量不足，转子的转速从nD开始下降，而这个转速下降要求打开阀门的信号仍是层层落后，各个部件的动作仍不能协调一致，调门又有可能开过头。不过，这个过开量比前面的过关量要小些，这样来回反复，振荡的幅值逐渐衰减，最后转速在n1值稳定下来，如图1-10上曲线2所示。
在过程中，转子达到的最高转速nD和稳态转速n1的比值叫做超调量，它的数值大于1。对于一个较完善的调节系统，nD/n1的数值接近于1，过程结束得很快，如图1-10中的曲线1。对一个较差或不符合要求的调节系统，nD/n1的比值较大，过程也拉得比较长，甚至可能有这种情况，转速总是在n1附近大幅度摆动，稳定不下来(图1-10上曲线3)。显然，nD很大就会在汽轮机叶轮和叶片上产生过大的离心应力，转速来回摆就会影响所发出的电的质量。这些都是我们所不希望的。
由此可见，对一个调节系统来说，除了静态特性以外，十分重要的问题就是研究它的动态特性。如上所述，由于层层落后，调节系统各部件位移和汽轮机有关参数在过渡过程中偏离了静态特性所给定的一一对应的关系，而是按其自己的规律，但又相互制约地各自变化。
在静态时各元件和参数之间的一一对应关系可用代数方程来表达，但在动态过程时，这些关系就必须用微分方程来描述，要分析调节系统的动态特性，必须先推导出系统的数学模型即微分方程。组成调节系统的各环节，不论是机械的，液压的，电气的或是热力的，都可用微分方程加以描述，对这些微分方程求解，就可以获得调节系统对输入量的动态响应。
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