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负荷指令处理回路

摘要

随着火力发电机组在电网中所占的比例越来越大，电网因用电结构变化，负荷峰谷差逐步加大，因此要求大型机组具有带变负荷运行的能力，以便迅速满足负荷变化的需要及参加电网调频。

常规的自动调节系统是汽轮机和锅炉分别控制。

随着单元机组容量的不断增大、电网容量的增加和电网调频、调峰要求的提高以及机组自身稳定（参数）运行要求的提高，常规的自动调节系统已很难满足单元机组既参加电网调频、调峰又稳定机组自身运行参数这两个方面的要求，因此必须将汽轮机和锅炉视为一个统一的控制对象进行协调控制。

机炉的控制特性有相当大的差别，锅炉是一个热惯性大、反应很慢的控制对象，而汽轮机相对地是一个惯性小、反应很快的控制对象。

600MW机组负荷控制系统（主控系统）产生指挥机炉控制器工作的锅炉指令和汽轮机指令；基础控制级的控制器执行负荷控制系统发出的指令，完成指定的控制任务。

协调控制系统就是充分考虑机炉控制特性的差异以及各自的特点，采取某些措施（如引入某些前馈信号、协调信号），让机炉同时按照电网符合的要求变化，接受外部负荷指令，根据主要运行参数的偏差，协调地进行控制，从而在满足电网负荷要求的同时，保证主要运行参数的稳定。

关键词：

协调控制，负荷控制

1概述

随着单元制大容量火电机组在我国电网中所占比例的不断增大，大容量机组的运行方式也逐步发生变化，过去大机组常常只带基本负荷，而现在则要根据电网的频率偏差和中央调度所对它的负荷需求指令参与电网的调峰、调频，甚至在机组的某些主要辅机和局部发生故障的情况下，仍然要维持机组运行。

对于在电网中参与调峰、调频的机组，其运行方式要求为：

机组负荷变化的范围要大，能够稳定运行的最低负荷要低，在整个负荷变化范围内有良好的负荷适应能力，即能承受较高的负荷变化率；其主要的运行参数（如主蒸汽压力），在负荷变化过程中相对稳定，以保证机组在整个负荷变化范围内有较高的稳定性和安全性，从而保证机组有较高的效率。

在机组的正常运行工况下，协调控制系统能协调机、炉的控制，同时能在较大范围内接受和响应来自电网总调遥控负荷或机组操作人员本机设定的负荷指令对机组进行负荷控制，并参与电网频率调整，同时维持机组所有被控变量不超出允许范围，以保证机组的稳定运行。

协调控制系统组成框图如图1.1所示：

图1.1协调控制系统组成框图

负荷指令处理部分通常接受来自三方面的负荷指令，形成的机组的目标指令。

它们是：

电网中心调度遥控的负荷分配指令（ADS）,机组就地设定的负荷指令和电网频率变化所要求的负荷指令。

目标负荷指令可以在不考虑机组运行状况的条件下加以改变。

但是机组必须根据自身当前的运行状况、负荷能力、设备的安全保护及负荷跟踪能力等因素，对目标负荷指令进行必要的处理，以产生机组能够接受实际负荷指令。

负荷指令处理部分的主要作用是：

对外部负荷要求指令（或称目标负荷指令）进行选择并加以处理，使之转变为机组安全运行能够接受实际负荷指令P0，并作为机组功率给定值信号。

2系统的组成及各部分功能

2.1系统的组成

负荷指令处理部分大致由两部分组成：

负荷指令运算回路和负荷指令限制回路。

负荷指令处理回路如图2.1所示：

图2.1负荷指令处理回路

2.2系统各部分功能

2.2.1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指令的形成方式；

（2）考虑汽轮机等主要设备的热应力变化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要负荷指令信号的幅值及频率范围作出规定。

2.2.2负荷指令限制回路

负荷指令限制回路的主要作用是：

对机组参加电网调频所需负荷指令信号的幅值及调频范围作出规定；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机机组的安全运行时，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（RB）回路，负荷快速切断（FCB）回路，负荷增/减闭锁（BI/BD）回路和负荷迫升/迫降（RU/RD）回路。

1最大/最小允许负荷限制回路

该回路的主要作用是保证机组的实际指令不超越机组的最大/最小允许负荷值。

2负荷返回（RB）回路

负荷返回（RB）是指当机组主要辅机出现故障，而机组当时所带负荷超过当前辅机所能承受的范围时，为了保证机组继续运行，必须把机组负荷降到当前辅机所能承受的水平。

在系统设计中，在此情况下负荷变化率由预先设定的限值来自动决定，运行人员手动设定的速率限制值不起作用。

3负荷快速切断（FCB）回路

该回路的主要作用是，当机组发生跳闸时，快速切断负荷指令，维持机组继续运行。

4负荷增/减闭锁（BI/BD）回路

负荷增/减闭锁回路（BI/BD）是指机组在运行过程中，当主要的辅机虽未发生故障但已工作在极限状态，或者机组中一些主要运行参数与其指令的偏差大于允许值时，对机组的负荷指令加以限制，不让机组负荷指令朝着事故发生的方向发展，以防事故发生。

5负荷迫升/迫降（RU/RD）回路

负荷迫升/迫降回路（RU/RD）是指主要运行参数与其指令的偏差超过允许值，同时有关的控制输出以达到极限位置，不再有调节余地，则使机组负荷指令迫升/迫降，使偏差回到允许值范围之内。

这样做是为了争取一定的时间来查找故障来源，以至消除。

3系统分析

负荷指令处理部分是协调控制系统的指挥机构,它的主要功能是根据电网调度中心的要求负荷指令或机组运行人员要求改变负荷的指令以及机组主辅机运行情况,处理成合适于机炉运行状态的实际负荷指令ALD或ULD（P0）。

3.1目标负荷的选择

切换器T4作用是选择目标负荷。

当其切换条件为ON时，切换器Y端接通，选择电网遥控负荷要求信号ADS为目标负荷。

当切换条件为OFF时，N端接通，选择运行人员设定的目标负荷，但这两信号不能同时选中。

其切换过程如图3.1所示：

图3.1目标负荷的选择

3.2负荷的形成

图3.2中，“速率MW/min”为负荷变化率假设其输出值为C。

（1）ADS方式。

该方式下，切换开关T4动作，假设其输出指令为A。

遥控负荷目标指令A在比较器Σ1与机组实验负荷指令“LDCOUT”比较。

当A>LDCOUT时，“LDC增”为ON，在“LDC增”为ON时，切换开关T6动作，接通K回路，输出为K*C,K*C经切换开关T6、T7作用到PID环节的输入端与0比较，此处PID设为积分作用，所以PID环节的增长速度与被积分信号K*C成正比，即手动设定的速率C越大，其输出信号也就是机组实际负荷指令LDCOUT增长越快，直到A=LDCOUT为止。

此时切换开关T8、T9都处于非动作状态。

当A

切换开关T6动作，接通-K回路，输出为-K*C,-K*C经切换开关T6、T7作用到PID环节的输入端与0比较，PID环节输出信号的降低速度与-K*C成正比，即手动设定的速率C越大，其输出信号即实际负荷指令LDCOUT降低越快，直到A=LDCOUT为止。

（2）运行人员手动方式。

当机组运行方式为运行人员手动方式时，切换开关T4输出运行人员手动设定的目标负荷，假设其输出指令为B，与ADS方式一样，负荷指令B在比较器Σ1与机组实际负荷指令“LDCOUT”比较，来决定速率及负荷变化的方向，后面的工作原理与ADS方式时一样，机组实际负荷指令“LDCOUT”随手动信号B变化而变化，直至两者相等为止。

图3.2负荷形成

3.3机组最大/最小负荷设定

机组最大负荷限定值和最小负荷限定值可在负荷指令回路手动设定，它们分别于机组实际负荷指令“LDCOUT”比较，输出“LDC达上限”，“LDC达下限”的逻辑指令，通过逻辑回路使负荷指令锁闭增或锁闭减，复位“速率选择”条件（T7的选通条件），将变换率置为0，从而限制机组的负荷变化。

若此时机组处于ADS方式运行，则通过逻辑回路退出ADS方式。

其设定过程如图3.3所示：

图3.3机组最大/最小负荷设定

3.4负荷指令的快速返回（RB）与迫降机组负荷指令（RD）

如图3.4所示，当返航指令（RB或RD）为ON时切换开关T8作用到切换开关T9，快速返回或迫降机组实际负荷指令LDCOUT到RB或RD的目标值。

若此时机组处于ADS方式，且通过逻辑回路使切换器T7的N端接通，PID停止运算，输出保持在当前值。

图3.4负荷指令的RB与RD

3.5频率校正

并网运行的机组都应具有一次调频能力，及根据电网频率的变化自动改变一部分负荷，以减小电网频率的波动。

当电网频率高于频率设定值（3000r/min）时，说明负荷供大于求，应减负荷，当电网频率低于频率设定值时，说明负荷供小于求，应加负荷。

图3.6中，频率校正回路由减法器Δ、函数发生器f（x）、切换器T1等组成。

目标负荷的校正值为T1的输出值，频率校正功能的切换取决于逻辑信号“选择频率校正”，当该信号为ON时，频率校正功能投入，当该信号为OFF，T1输出为0，频率校正功能切除。

减法器Δ将电网频率和频率设定值进行比较，其差值送往函数发生器f（x），函数发生器f（x）的一次调频特性曲线如图3.5所示。

由它来规定调频范围及调频特性。

其特性包括死区、线性、限幅三部分。

当频率偏差较小，在死区所规定的范围之内时，函数发生器输出为0，机组不参加调频，这是为了避免机组电功率随电网频率变化频繁抖动；当频率范围超出死区规定的范围时，机组参加一次调频，调频任务的大小由曲线斜率决定，斜率越大调频任务越重；当频率偏差超出限幅值规定范围时，函数发生器输出将保持不变，即不在增加机组的调频能力，所以频率校正信号一般不加速率限制，直接送往机炉主控制器。

图3.5一次调频特性曲线图3.6频率校正回路

4系统控制逻辑

负荷指令处理回路中逻辑功能的设计主要是管理图2.1中的切换开关T1-T9的状态，它涉及到运行方式、事故或故障下的保护等。

4.1机组负荷遥控逻辑

在负荷指令自动LDCAUTO（即机、炉都处于自动）时，即MCS系统正常条件下，中调遥控送来ADS请求信号，此时运行人员通过显示屏上的按钮可选择机组负荷调整由中心调度来管理。

机组进入负荷遥控方式后，当出现下列任一情况时，将从遥控方式切到运行人员手动设定方式：

（1）LDCOUTO为OFF；

（2）键盘选择机组值班员手动负荷设定方式；

（3）产生指令负荷闭锁增或闭锁减；

（4）中调送来的ADS指令故障；

（5）产生RB或RD；

（6）中调送来ADS退出信号。

上述任一条件成立，都将退出ADS方式。

4.2机组最大负荷/最小负荷限制逻辑

协调控制系统提供机组最大/最小负荷限制值，运行人员可通过设定器调整机组最大/最小负荷限制值，限制值的增减直接影响机组实际负荷指令。

当实际负荷指令等于最大或最小限制值，实际负荷指令不论要增加或减少都将受到闭锁。

当实际负荷指令等于最小限制值时负荷指令不能减只能升，实现增闭锁；当实际负荷指令等于最大限制值时负荷要求指令不能增只能减，实现减闭锁。

从而复位“速率选择”条件（T7的选通条件），将变化率置为0，限制机组的负荷变化。

增减负荷的幅度决定与最大最小负荷限制设定器的取值。

4.3机组调频校正逻辑

机组是否参与电网调频是由切换器T1实现的。

当机组满足下列条件，使机组可以参与电网调频：

（1）机组在协调方式运行；

（2）汽轮机及燃料控制均为自动；

（3）没有发生快速返回、快速切断；

（4）功率信号可靠；

（5）运行人员按下“能够频率校正”按钮。

当机组满足下列条件之一：

（1）机组在非锅炉跟随、汽轮机跟随、协调方式；

（2）机组在基本方式；

（3）汽轮机不在自动；

（4）燃料控制非自动；

（5）功率测量信号不可靠；

（6）运行人员按下“不能频率校正”。

这时切换器T1自动切换到0端，使机组不能参与电网调频。

4.4负荷指令的跟踪逻辑

一般机组设计有手动方式（即基本方式，BASE）、炉跟机方式（BF）、机跟炉方式（TF）和协调方式（CCS）四种运行方式，其中协调方式为功率可控方式，其他三种为功率不可控方式。

在MCS系统运行在非功率可控方式下时，机组实际返回指令LDCOUT必须处于跟踪状态，跟踪当前运行方式时的负荷值，以实现从该方向协调方式切换时达到无扰切换。

在图4.1中，切换器T5、T9管理LDCOUT，即在“跟踪LDC”条件成立时，T5、T9的输出信号将跟踪信号D的变化，而信号D为切换器T3的输出，它是以下三种信号之一：

1）机组实发电功率信号；

2）锅炉主控输出信号；

3）经主汽压修正后的来自DEH的负荷基准信号。

图4.1负荷指令的跟踪逻辑

当MCS系统运行在手动方式时，LDCOUT跟踪机组实发电功率信号；在TF方式下，LDCOUT跟踪锅炉主控输出。

这是因为在TF方式下，机组负荷有炉侧手动控制，机侧控制压力。

跟踪锅炉主控输出的作用实际是跟踪机组实际负荷值，一旦机组投入自动，MCS系统切换高一级运行方式时可实现无扰切换；而在BF方式下，机组负荷由机侧手动控制，LDCOUT跟踪DEH给出的负荷基准，跟踪目的同样是为投自动实现高一级运行方式时实现无扰切换

LDC在跟踪状态时，加法器Σ1的两个输入信号相等，偏差为0，通过逻辑回路使切换开关T7切换条件复位，从而是进入调节器的偏差为0，调节器停止积分，即PID输出信号不变。

总结

通过本次毕业设计，感受收获颇多。

在设计中，使我对本专业知识在实际运用中有了感性的认识和全新的体会，基本做到了将所学知识融会贯通，学以致用。

在此期间通过实例的功能分析运用等，不仅加深了对原有课本知识的掌握程度，也发现了不少对现有知识整合方面的不足。

接触到实例图才发现自己对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不好，通过这次课程设计之后，把课本所学的知识应用于实例，从而对火电机组有所了解。

此次课程设计锻炼了我运用所学知识，发现、提出、分析和解决实际问题,锻炼实践能力，也是对我

实际工作能力的具体训练和考察过程。

回顾起此次热工过程控制系统课程设计，我收获颇多。

从对资料认真分析到对实际的系统图的理解，完成理论到实践的升华，从中我学到了很多的的东西，而且是很多在书本上所没有的知识。

这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

在此次课程设计中我意识到只有自己在实践中摸索，才能更好的结合书本，做出好的成绩来，才能让自己学到知识。

在与同组同学讨论过程中出现过想法不一致的时候，但最终还是以书本和实际分析为主。

用所学的知识、方法去解决问题。

致谢

在此次课程设计资料查找和论文完成期间，指导老师和同学都给予我关心和帮助，我向他们致以深深的谢意。

感谢郭老师，他严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；他循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。

老师严谨求实的态度，踏踏实实的精神，给以我生受益无穷之道。

对老师的感激之情是无法用言语表达的。

他细心指导我的学习与研究，在平时指导我们思考问题的方法，培养我们独立思考问题，解决问题，分析问题的能力，这些能力的培养，帮助了我并使我此次的设计过程中能够顺利完成，在此，我要向老师表示深深地感谢！

再次感谢郭师长期以来悉心的指导和不厌其烦的耐心讲解，在设计过程中提供的大量资料、修改意见及多次的参观机会，为日后的工作和更进一步的学习打下了坚实的基础，也积累了许多宝贵的设计经验。

感谢同组同学的默契配合。

参考文献

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