300MW火电机组协调控制系统设计说明

1选题背景11.1设计背景11.2设计任务21.3设计内容和要求2（1）负荷指令管理部分22系统设计原理32.1负荷指令控制部分42.1.1负荷指令运算回路5负荷指令运算回路该回路的主要任务是：52.1.2负荷指令限制回路52.1.3实际负荷指令形成系统52.2机前压力定值的形成622.1机前压力定值的形成62.2.2机前压力形成72.3机炉负荷控制部分82.3.1锅炉主控制器82.3.2汽轮机主控制器92.4负荷报警92.5控制方式102.5.1汽轮机跟随方式102.5.2锅炉跟随方式102.5.3协调控制112.6逻辑功能112.6.1锅炉基本控制方式选择逻辑112.6.2汽轮机基本控制方式选择逻辑122.6.3功率控制方式132.7控制系统跟踪133结果分析144总结145心得体会14参考文献：141选题背景1.1设计背景随着电力工业的发展，高参数、大容量的火力发电机组在电网中所占的比例越来越大。大容量机组的汽轮发电机和锅炉都是采用单元制运行方式。所谓单元制就是由一台汽轮发电机组和一台锅炉所组成的相对独立的系统。单元制运行方式与以往的母管制运行方式相比，机组的热力系统得到了简化，而且使蒸汽经过中间再热处理成为可能，从而提高了机组的热效率。单元机组的协调控制系统（CoordinatedControlSysten简称CCS）是根据单元机组的负荷控制特点，为解决负荷控制中的内外两个能量供求平衡关系而提出来的一种控制系统。从广义上讲，这是单元机组的负荷控制系统。它把锅炉和汽轮发电机作为一个整体进行综合控制，使其同时按照电网负荷需求指令和内部主要运行参数的偏差要求协调运行，即保证单元机组对外具有较快的功率响应和一定的调频能力，对内维持主蒸汽压力偏差在允许范围内。1.2设计任务本设计要求通过运用过程控制的基本概念、基础理论与方法，根据大型火电机组的实际生产，对火电机组的过程控制系统进行分析，设计出原理正确，功能较为全面的300MW火电机组协调控制系统。1.3设计内容和要求 （1）负荷指令管理部分输入参数：外部负荷要求指令（就地指令，中调指令ADS，电网频率变化所要求负荷指令）。输出参数：实际负荷指令，锅炉负荷指令。负荷指令限制回路：a、最大/最小允许负荷限制回路b、负荷返回回路（RB）常用辅机：送风机、引风机、给水泵、发电机失磁、备用、规定返回速率c、迫升/迫降回路（RUN UP/DOWN）d、闭锁增/减回路（BLOCK INCERASE/DECREASE）e、负荷快速切断回路（Fast Cut Back）负荷操作：LMCC（负荷管理中心）面板:增、减负荷按钮：中、高、低速选择；速度限制（速率整定在3%-5%）（2）机炉负荷控制部分：输入参数：第一级压力，机前压力、机前压力定值、锅炉负荷指令、实际负荷指令、频率偏差、实发功率输出参数：锅炉指令、至DEH的负荷指令锅炉主控制器：a、前馈信号形成 b、机前压力定值形成定压、滑压汽机主控：三个调节器：汽机机前压力调节器、电功率调节器、蒸汽流量调节器工作方式：a、以锅炉跟随为基础的CCS（功率控制） b、锅炉跟随（非电功率）c、汽机跟随（电功率） d、手动系统跟踪：a、汽机基本，且汽机处于（就地）控制时，实际负荷指令跟踪DEH负荷基准b、炉基本时，锅炉主控指令跟随锅炉负荷指令c、非功率控制方式时，电功率调节器输出跟踪，蒸汽流量调节器输出跟踪DEH负荷基准。d、在炉基本或功率控制时，实际负荷指令跟踪DEH负荷基准。2系统设计原理单元机组负荷控制系统通常由两大部分组成：负荷指令管理部分和机炉负荷控制部分。负荷指令管理部分的主要作用是对外负荷要求指令（或称目标负荷指令）进行选择并加以处理，使之转变为单元机组安全运行所能接受的实际负荷指令，并作为机组功率给定值信号。机炉负荷控制部分的主要作用是：根据机组的运行条件及要求，选择合适的负荷控制方式，按实际负荷指令，以及机组的功率偏差和主蒸汽压力偏差进行控制运算，分别产生对机、炉侧的控制作用。作为机、炉有关子控制系统协调动作的指挥信号，分别称为汽轮机主控指令（或汽轮机负荷指令）和锅炉主控指令（或锅炉负荷指令）。2.1负荷指令控制部分如图2-2负荷指令管理部分通常接受来自三个方面的负荷指令，形成单元机组的目标负荷指令，他们是：电网中调指令ADS、就地指令和电网频率变化所要求的负荷指令。负荷指令管理部分大致有两部分组成：负荷指令运算回路和负荷限制回路。2.1.1负荷指令运算回路负荷指令运算回路该回路的主要任务是：（1）根据负荷控制的要求选择目标负荷指令的形成方式；（2）考虑到汽轮机等主要设备的热应力变化的要求和机组负荷的跟踪能力，对目标负荷指令进行适当的变化率限制；（3）对机组参加电网调频所需负荷指令信号的幅值及调频范围做出规定。2.1.2负荷指令限制回路负荷指令限制回路的主要作用是：对机组的主机、主要辅机和设备的运行状况进行监视，一旦发生故障而影响机组的实际负荷，或危及机组的安全运行时，就要对机组的负荷要求指令进行必要的处理与限制，以保证机组能够继续安全、稳定的运行。负荷指令限制回路按其功能一般包括五个部分：最大/最小允许负荷限制回路，负荷返回回路（RB），快速负荷切断回路（FCB），负荷闭锁增/减（BLOCK I/D）回路和负荷迫升/降（RUN UP/DOWN）回路。(1)最大最小允许负荷限制环节该环节的主要作用是，保证机组的实际负荷指令不超过机组的最大/最小允许负荷值。负荷的低限值Pmin由给定器A2给定，高限值Pmax则是在给定器A1的输出与机组最大出力计算环节输出的机组最大可能出力值之间取小值。双向限幅器的输入P为要求负荷指令，输出PS为实际负荷指令，两者的关系为：当PPmax时，P0=Pmax；当PPmin时，P0=Pmin；当PminPPmax时，P0=P。低值选择器保证了P0机组最大可能出力值。机组最大可能出力与主要辅机的投切状况有关。主要辅机故障切除时，机组最大可能出力值减小，为了保证机组能量力而行，应根据辅机运行情况，计算最大可能出力值，作为机组负荷上限。2）负荷返回RB机组运行时，当机组的主要辅助设备突然发生故障，造成机组承担负荷能力下降时，就要求机组的负荷指令处理装置将机组的实际负荷指令下降到机组所能承担的水平，这种辅机故障引起机组实际负荷指令的快速下降称为快速返回，简称RB(RUNBACK)。负荷返回的速率、以及返回到新的负荷水平与发生故障的辅机有关。其主要作用是：根据主要辅机的切投状况，计算出机组的最大可能出力值。若实际负荷指令大于最大可能出力值，则发生负荷返回，将实际负荷指令降至最大可能出力值，同时规定机组的负荷返回速率。因此，负荷返回回路具有两个主要功能：计算机组的最大可能出力值；规定机组的负荷返回速率。(3)负荷增减闭锁BLOCKI/D第二类故障的特点：导致机组实际负荷的增减受到限制、但又不能立即直接加以识别的故障因素，例如，风机挡板卡涩、执行器连杆折断、给水调节机构故障等等。这类故障属设备工作异常情况，即第二类故障。出现这类故障时会造成诸如燃料量、给水流量、给水量等运行参数与其给定值的偏差增大，因而影响机组出力。负荷增减闭锁环节的主要作用是，对这些运行参数的偏差大小和方向进行监视。如果其中任何一个超出规定限值，就认为设备工作异常，或出现故障。这时，环节根据偏差的方向，对实际负荷指令实施增或减方向的闭锁，以防止故障危害的进一步扩大，直到偏差回到规定限值内才解除闭锁。表现形式：辅机出力超正常范围，主要参数不匹配。还有一种引起过程闭锁的原因是由于各辅机动作速率不一致或者负荷指令变化过快。(4)负荷迫升迫降RUNUP/DOWP对于第二类故障，采取BIBD措施是机组安全运行的第一道防线。当采用BIBD措施后，监测的燃料量、空气量、给水流量等运行参数中的任一参数依然偏差增大，这样需采取进一步措施，使负荷实际负荷指令减小增大，直到偏差回到允许范围内。从而达到缩小故障危害的目的。这就是实际负荷指令的迫升迫降RURD，负荷迫升迫降是机组安全运行的第二道防线。其主要作用是对有关运行参数的偏差大小和方向进行监视，如果它们超越限值，且相应的控制器输出已达到极限位置，不再有调节余地，则环节根据偏差的方向，对实际负荷指令实施迫升或迫降，以使偏差回到允许范围内，从而达到缩小故障危害的目的。2.1.3实际负荷指令形成系统是速率限制模实际负荷指令是由中心调度的负荷指令信号（ADS）或者机组值班员负荷设定信号经过速率限制，机组最大负荷和最小负荷限制形成，或者是由机组发生故障时发来的负荷限制信号形成。当负荷设定是，运行人员可以就地操作LMCC（负荷管理中心）面板上的增、减负荷按钮。按下时，经过逻辑线路控制发出斜坡升RAMP UP（或斜坡降RAMP DOWN）负荷的操作。斜坡升（降）速率可以在高、中、慢速三档之间选择，按钮松开时，负荷处于保持状态（HOLD）。负荷设定也可以由ADS设定，这时须在面板上按负荷控制的ADS按钮，当ADS灯亮后，表示处于ADS方式，再按一次按钮则可以解除ADS作用。是速率限制模块，它能将阶跃变化的负荷指令信号变成一个斜坡信号，一般斜坡速率整定在3%-5%。机组还设有负荷返回回路（RB），当送风机、引风机、给水泵、发电机失磁、备用等项目其中之一发生故障，就使机组甩负荷，直到负荷降到没有这些停运设备也能保持机组继续运行的水平。对于不同的辅机故障，甩负荷的目标值和速率是不同的，须分别设置。甩负荷操作由相应的逻辑线路控制。2.2机前压力定值的形成机前设有滑压运行和定压运行两种工况，因此具有不同的压力定值，压力定制曲线如图2-2所示。图2-2 联合运行方式特性曲线22.1机前压力定值的形成机前设有滑压运行和定压运行两种工况，因此具有不同的压力定值，压力定值曲线如图2-4所示。24当 逻辑条件为“真”时，机组处于定压运行方式，此时，机前压力定值器给出的设定值通过速率限制器后作为压力定值。设置速率限制器的目的在于防止在压力定值变化时，输出压力定值信号发生突变，实际上是一个斜坡处理过程。这对控制系统的工作是有利的。同样道理，对于由定压到滑压之间切换过程来说，速率限制器也将信号突变转换为一个渐变过程。24当 逻辑条件为“假”时，机组处于滑压运行方式。图2-2中所示滑压运行曲线由调节器，函数发生器及高、低值限幅器实现。先暂不考虑PI作用调节器，则由负荷指令通过函数发生器f(x)可建立一定的斜率曲线（图2-2中斜线部分），此线斜率按给定的负荷压力关系确定。图2-2中两段水平部分分别由高、低值限幅器实现，函数发生器来的信号大于高值限幅器设定信号时，信号以高值限幅设定值为输出；函数发生器来的信号小于低值限幅器设定信号时，信号受到限制以低值限幅器设定值为输出。因此，在不考虑调节器条件下，利用上述原理可实现事先设定的滑压曲线。实际情况是，由于种种原因，在给定负荷时，按滑压曲线上压力运行的话，调节=阀开度并不一定能保证所要求的数值。为此，设置一个比例积分调节器，其入口信号为调节阀门开度和滑压运行时的调节阀给定值。当调节阀门开度偏离其给定值时，通过调节器输出信号与函数发生器来的信号相加，改变滑压曲线斜率，以保证调节阀开度为定值。图2-4机前压力定值的形成2.2.2机前压力形成如图2-5机前设有滑压运行和定压运行两种工况，因此具有不同的压力定值。图2-5机前压力形成2.3机炉负荷控制部分图2-6是机炉负荷协调控制系统主控图，可分为机、炉两部分。2.3.1锅炉主控制器锅炉主控制调节器接收主汽压力偏差信号和前馈信号，发出锅炉主控指令，去控制燃料和送风两个子系统。锅炉主控主要由以下几部分组成：（1） 锅炉热量信号的形成此系统通过d/dt和连接形成热量信号。（2） 前馈信号的形成此系统前馈信号采用PTP0/P1+d (PTP0/P1 )/dt，K为补偿系数。图2-3中是动态补偿模块，其传递函数是一个实际微分与一阶惯性环节的叠加。微分作用保证前馈信号在机组负荷变化初始阶段有一定的过调，对克服锅炉对象惯性有利。f(x)是函数模块，其作用是将前馈信号转化为数值上与锅炉燃料量、风量相匹配的信号。（3） 燃料风量指令处理当系统处于炉跟随方式时，锅炉根据前馈信号产生的来产生锅炉指令即燃料风量指令；当系统T处于机跟随状态时， 根据逻辑电路产生的数字信号接如锅炉负荷指令，由此产生锅炉指令。2.3.2汽轮机主控制器汽轮机主控制器原理如图2-3右侧部分所示，它由三个调节器组成。（1） 汽轮机机前压力调节器：它接受汽机调节阀前节流压力偏差，在机跟炉工况时，继电器接通，控制汽机调节阀，自动保持主蒸汽压力为定值。（2） 电功率调节器和蒸汽流量调节器：在功率可变协调控制工况时，这两个调节器构成串级控制，目的是提高系统的品质和可靠性。主信号是实发功率，副信号是蒸汽流量（系统中用代替）。功率定值中加入频差信号，这是为与汽机液压系统中飞锤调频信号平衡而设置的。为了提高调节速度，加入了负荷的前馈信号，在非电功率控制的其他四种工况下，这两个调节器处于跟踪状态，电功率调节器输出跟踪值，蒸汽流量调节器输出跟踪实发功率。图2-6 机炉负荷协调控制系统主控图2.4负荷报警如图2-3.，实际负荷指令在加入机前压力设定系统的同时加入到负荷报警系统。图2-3 复合报警方框图2.5控制方式从前馈角度来看，此系统为能量直接平衡协调控制系统。从反馈角度看，是炉跟随为基础的协调控制基础。2.5.1汽轮机跟随方式此时，继电器接通。这种方式的基本模式是汽轮机自动调压（闭环），锅炉手动调功（开环）。CCS的锅炉主控操作器BM (Boiler Master)手动。按锅炉侧的工作状态，若锅炉主控BM处于自动状态（煤、风、水等子回路均投入自动）接受运行人员在LMCC上给定的锅炉指令定位，即是不带功率控制的汽轮机跟随自动方式。2.5.2锅炉跟随方式此时，继电器接通，实际是一种以能量信号平衡的协调控制系统。这种方式的基本模式是锅炉自动调压（闭环），汽轮机手动调功（开环）。汽轮机调门开度可以在DEH的操作板上或CCS的汽轮机主控操作器(Turbine Master，TM)上手动操作。按汽轮机侧的工作状态，若汽轮机DEH控制处于遥控方式或汽轮机TM为自动状态，接受运行人员在负荷管理中心LMCC给定的汽轮机调门开度指令定位，即为不带功率控制的锅炉跟随自动方式。此时的系统已不是一般的机炉分别控制的炉跟随控制方式（虽有负荷指令，但无实发功率反馈信号，故不能准确保证电功率）。2.5.3协调控制前馈控制回路控制信号来源的形式为按负荷指令进行的前馈控制。此时，继电器接通，锅炉侧闭环调节压力，汽轮机侧闭环调节负荷，但能准确保证电功率并参加一次调频。机组可通过逻辑线路来选择定、滑压运行方式。2.6逻辑功能为了保证协调控制系统的安全可靠运行，系统配置了一整套严密的逻辑控制系统，主要有机组局部故障处理逻辑、机组负荷给定值形成逻辑、控制方式切换逻辑三大类。2.6.1锅炉基本控制方式选择逻辑当运行人员按下选择锅炉基本按钮、或出现自动转向锅炉基本信号、或门1形成锅炉基本自动指令，此指令送人记忆复位元件MR1，在汽机基本自动指令作用于其复位端之前，此指令信号永远保持，直到汽机基本自动指令将MR1元件复位端置零。当MR1输出为“1”时，可以看出它有以下几方面作用。（1） 信号送去继电器，使其带电后切换为锅炉基本方式。（2） 通过或门使锅炉基本自动指示灯亮，该灯位于LMCC面板上。（3） 信号送到与门，与另一路输入（锅炉主控手动信号经非门而形成的锅炉主控自动信号）共同作用使与门输出的信号为锅炉基本已自动信息。该信号送到或门，使锅炉基本已自动灯亮，向运行人员表明“锅炉基本”的自动控制回路已真正接通，能进行“锅炉基本”的自动控制了。因为当锅炉主控仍处于手动时，也即在该处有锅炉基本所属自动控制信号的断点，是不能实现锅炉基本自动控制方式的。（4） 将“锅炉基本已自动”的信号送至“控制方式自动切换逻辑”作为自动切换的条件。（5） 在或门中与锅炉主控处于手动信号汇合作为锅炉调节器跟踪信号。（6） 在与门中与锅炉主控处于手动信号汇合，表明锅炉主控处于手动及选择了锅炉基本自动方式，此信号送到“实际负荷指令跟踪逻辑”去跟踪燃料量。（7） 在或门中与选择电功率控制信号（来自MR3输出）汇合，输出作为汽机侧跟踪信号。2.6.2汽轮机基本控制方式选择逻辑当运行人员按下选择汽机基本自动按钮或出现自动转向汽机基奉信号时，或门1形成锅炉基本自动指令，此指令再送入记忆复位元件MR2，当MR2输出为“1”时，可以看出它有以下几方面作用：（1） 使继电器失电，切换为汽轮机基本控制方式；（2） 通过或门使汽轮机基本控制方式指示灯亮，该灯位于LMCC面板上；（3） 信号送到与门，后者另一路为汽轮机处于遥控信号，故输出处于汽轮机基本自动的信号，同时该信号送到或门，使汽轮机基本已自动灯亮，向运行人员表明汽轮机基本控制回路已真正接通；（4） 将“汽机基本已自动”的信号送至“控制方式自动切换逻辑”作为自动切换的条件；（5） 在或门中与汽轮机处于手动信号汇合作为图2-3中汽机机前压力调节器跟踪信号；（6） 在与门中与汽轮机处于手动信号汇合，送到“实际负荷指令跟踪逻辑”中作跟踪于汽机基准的信号。2.6.3功率控制方式在汽轮机基本已自动和锅炉主控自动两条件同时具备时按下“电功率控制”按钮，即选择功率控制方式。当记忆复位元件MR3输出出现“1”状态时，其作用如下：（1） 输出“处于电功率控制”信号。再控制继电器T3，形成电功率控制方式；（2） 通过或门7使电功率控制指示好亮；（3） 通过非门3输出非电功率控制方式信号，去做蒸汽流量调节器跟踪控制信号。以上工况的切换逻辑是相互闭锁的，即不会同时出现两种工况。一种工况实现时，即消除其他工况。2.7控制系统跟踪出于在控制方式切换及手动自动切换过程中无扰动切换需要，系统设计了复杂的跟踪项目。（1） 实际负荷指令跟踪在锅炉基本控制方式且锅炉主控手动时，实际负荷指令跟踪于燃料量。在汽机基本控制方式且汽机处于就地（手动）控制时，实际负荷指令跟踪于DEH的负荷基准。（2） 锅炉的主控指令在手动方式时跟踪总燃料量。（3） 锅炉节流压力调节器输出在锅炉基本控制方式时跟踪锅炉主控指令。（4） 汽轮机节流压力调节器输出在汽轮机基本控制方式时跟踪于DEH负荷基准。（5） 汽轮机功率调节器输出在非功率控制方式时跟踪于DEH负荷基准。（6） 汽轮机调节阀位调节器输出（即滑压运行方式下滑压定值）在定压运行方式时等于定压节流压力定值。3结果分析根据各继电器节点接通状态的不同，控制系统可以有多种控制方式。1）以锅炉跟随为基础的CCS（功率控制）2）锅炉跟随（非电功率）3）汽机跟随（电功率）4）手动控制系统跟踪方式为：1）汽机基本，且汽机处于（就地）控制时，实际负荷指令跟踪DEH负荷基准2）炉基本时，锅炉主控指令跟随锅炉负荷指令3）非功率控制方式时，电功率调节器输出跟踪P1，蒸汽流量调节器输出跟踪DEH负荷基准。4）在炉基本或功率控制时，实际负荷指令跟踪DEH负荷基准。此系统从前馈角度看，为能量直接平衡协调控制系统。从反馈角度看，是炉跟随为基础的协调控制系统。4总结单元机组的协调控制的任务是对外保证单元机组有较快的功率响应和有一定的调频能力；对内保证主蒸汽压力偏差在允许范围内。单元机组在电网中作为相对独立的单元，具有运行调度灵活、热效率高、便于电站设计和扩建等优点。5心得体会通过本次课程设计更加让我认识到过程控制在实际生产生活中的广泛应用和重要作用，它是一门十分重要的课程。这次的课程设计，不仅巩固了我以前所学习的理论知识，更加深了理解，我们学习的目的是要学以致用，学习理论知识用于实践，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计过程中通过查找资料，同学间的讨论让我学到了很多知识。这学期由于之前面临就业，考研，所以做这次课设的时间有点紧张，在设计方面有些不足的地方。经过努力实现了设计要求，达到了预期目标。这次课程设计让我在对书本上纯理论的知识有了更深层的认识，使我收获颇多。参考文献：1 王建国等编.电厂热工过程自动控制.北京：中国电力出版社，20092 F.G. Shinskey 著.过程控制系统应用、设计与整定.北京：清华大学出版社，20043 D. E. Seborg 等著.过程的动态特性与控制.北京：电子工业出版社，2006 4 边立秀等编著.热工控制系统.北京: 中国电力出版社，20025 林文孚等编著.单元机组自动控制技术.北京: 中国电力出版社，20086 张磊编. 超超临界火电机组集控运行. 北京: 中国电力出版社，2008.9