热工自动调节课程设计闫煜解读.docx

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热工自动调节课程设计闫煜解读

电厂热工过程调节

课程设计

设计题目：

直吹式300MW单元机组控制方案

年级专业：

能源与动力工程（本科）

学生姓名：

闫煜

学号：

1210240198

指导教师：

薛坐远

时间：

2014年11月25日

目录

一、课程设计目的要求2

二、各系统工作原理简述3

1、主控系统原理3

2、协调控制原理3

3、BF控制原理3

4、TF控制原理3

5、MC控制原理3

三、主控系统原理概述4

四、协调控制原理概述5

五、负荷分别控制原理概述9

六、单元机组控制方案设计13

1、控制方案方框图13

2、汽轮机控制器14

3、主要元件15

七、操作规程15

八、主要参考文献18

课程设计目的要求

一、技术条件

1.单元机组控制

2.协调控制

3.BF控制

4.TF控制

5.MC控制

二、编写操作规程

三、简述

1.主控系统原理

2.协调控制原理

3.负荷分别控制原理

四、设计要求

1.控制系统方框图

2.主要器件的型号、参数和厂商：

如压力转换、P、I、D调节器，信号源等

3.编写操作规程

五、完成时间：

2014年12月29日

六、指导老师：

薛坐远

二、各系统工作原理简述

1.主控系统原理

主控制系统用来接受外不符合要求指令，并发出使机炉调节系统协调动作的指令信号。

2.协调控制原理

主控系统和锅炉、汽轮机各自的调节的系统总称为协调控制系统，它担负着水、汽、煤、风、烟等诸系统的主要过程变量的闭环自动调节及整个单元机组的负荷控制任务。

3.BF控制原理

锅炉跟随方式的基本工作原理是：

由汽轮机调节机组的输出电功率、锅炉调节气压。

4.TF控制原理

汽轮机跟苏方式的基本工作原理是：

由锅炉调节机组的输出功率，汽轮机调节汽压。

5.MC控制原理

由操作员取代控制器，手动改变锅炉的主控指令Mb，调节机组的输出功率，不接受任何外部的负荷要求之令，主控系统相当于被切除。

三、主控系统原理概述

1.单元机组主控制系统的概念

大型机组负荷控制的首要任务:

保证机组出力适应电网的负荷变化要求、维持机组稳定运行。

具体地说就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。

2.主控制系统作用：

接受外部负荷要求指令，并发出使机炉调节系统协调动作的指挥信号，称其也称负荷自动控制系统。

主控系统向机炉调节系统发出的指挥信号分别称为汽轮机主控制指令Mt和锅炉主控制指令I机、炉主控制指令齔Mb分别代表了汽轮机调门开度（或汽轮机功率）指令和锅炉燃烧率（及相应的给水流量）指令。

3.主控系统调节对象方框图

主控系统调节对象方框图

4.主控制系统调节对象的动态特性

（1）主控制系统调节对象包括机、炉调节系统和单元机组，是一广义调节对象，其控制输入量为锅炉主控制指令吣和汽轮机主控制指令Mt。

（2）对于锅炉侧，由于各调节系统的动态过程相对于锅炉特性的迟延和惯性可忽略不计，因此可假设它们配合协调，能及时跟随主控制指令‘接近理想随动系统特性，故有

（3）汽轮机侧，如果汽轮机采用纯液压调速系统,则主控制指令Mt就是调门开度指令（Xt，即h=M7，。

这样，广义调节对象的动态特性不会改变。

（4）如果汽轮机采用功频电液控制系统，则主控制指令Mt就是汽轮机功率指令。

MB扰动下，P-的动态特性近似为具有惯性的积分环节的特性，近似不变；M-扰动下，Pt的动态特性近似为比例加积分环节的特性，Ne的动态特性近似为惯性环节或比例加惯性环节的特性。

四、协调控制原理概述

1.单元机组协调控制系统的基本概念

常规的自动控制系统是汽轮机和锅炉分别控制。

汽轮机调节机组负荷和转速，机组负荷的变化必然会反映到机前主蒸汽压力的变化，既机前主蒸汽压力反映了机炉之间的能量平衡。

主蒸汽压力的控制由锅炉燃烧调节系统来完成，燃烧调节系统一般又分为主蒸汽压力调节系统、送风氧量调节系统、炉膛负压调节系统等子系统。

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。

所谓协调控制，是指通过控制回路协调汽轮机和锅炉的工作状态，同时给锅炉自动控制系统和汽轮机自动控制系统发出指令，以达到快速响应负荷的目的，尽最大可能发挥机组的调频、调峰能力，稳定运行参数。

单元机组在处理满负荷要求并同时维持机组主要运行参数稳定这两个问题时，是将机炉作为一个整体来看待的。

然而汽机、锅炉实际上又是相对独立的，它们通过各自的调节手段，如汽轮机调节阀开度、锅炉燃烧率，满足电网负荷的要求和保持机组的主要参数（主蒸汽压力）稳定但它们的能力不尽相同，差异较大，若在单元机组控制系统的设计中，充分考虑它们的差异，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负荷的要求变化，接受外部负荷的指令，根据主要运行参数的偏差，协调的进行控制，从而在满足电网负荷要求的同时，保持主要运行参数的稳定。

这样的控制系统，称为协调控制系统。

协调控制系统是由负荷指令处理回路和机炉主控制回路这两部分组成。

负荷指令处理回路接受中央调度所指令、值班员指令和频率偏差信号，通过选择和运算，再根据机组的主辅机实际的运行情况，发出负荷指令。

机炉主控制回路除接受负荷指令信号外，还接受主蒸汽压力信号，根据这两个信号的偏差，改变汽轮机调节阀的开度和锅炉的燃烧率。

如图1-1所示：

2.协调控制系统的任务及组成

协调控制系统是当机组负荷变化时协调机、炉间的关系，把汽轮机和锅炉作为一个整体来控制，并通过锅炉主控制器控制那些与机组负荷直接有关的参数，如煤、风、负压、辅助风挡板等。

总之，它控制机组各项输入与输出之间的能量平衡和质量平衡，不断消除运行中的各种扰动，维持所要求的机组运行参数，满足电网对机组负荷的需求。

具体可分下列几个方面：

（1）接受电网总调的负荷自动调度，参与调峰、调频。

（2）保持锅炉、汽轮机的能量平衡。

大型火电机组均为单元制方式运行，机组的能量输入为锅炉燃烧率（燃料、送风……），能量输出为机组所带的负荷（汽轮发电机组功率），机、炉间输入/输出能量平衡的指标为汽轮机前压力。

（3）协调锅炉内部燃料、送风、引风、给水……等各子系统的控制作用，以维持机组主要运行参数，确保机组安全经济运行。

（4）协调机组出力和主辅机设备的实际能力。

在机组主、辅机设备能力受限制的异常工况下，控制系统为了适应实际负荷需要，根据实际可能限制或强迫改变机组负荷。

这种功能也常称为协调控制的连锁保护功能。

协调控制系统（CCS）是70年代开始采用的自动化系统。

目前，国内外已广泛采用，CCS性能对机组的运行有着直接的影响。

广而言之，单元机组的协调控制系统包括从电网负荷要求改变到锅炉、汽轮机根据各自的能力适应负荷要求的所有自动控制系统。

例如对于一台汽包炉的单元机组，协调控制系统应包括对电网负荷要求信号的处理，汽轮机调节阀的控制系统，锅炉的给水、燃烧、气温以及这些系统和各系统之间的协调配合和自动保护等等。

因此，一个完善的协调控制系统应包括运行良好的锅炉、汽轮机的子系统和高一级的机组负荷主控制系统。

3.单元机组协调控制系统的基本要求及特点

3.1单元机组协调控制系统的基本要求

1.机组并网运行时，应使机组满足电网对机组负荷的要求，并具有较高的负荷适应能力。

同时，机组本身的运行参数必须保持在允许的范围内。

系统应具有足够的稳定裕量和克服内部扰动的能力。

在调节过程中，各调节机构的动作不应过分频繁，不致出现过分超调。

2.保证机组运行安全。

当主机或主要辅机设备故障时，应自动采取相应的措施，把故障限制在最小的范围内，保证设备安全的前提下，不致使机组全停。

负荷变更时，变更幅度和速度必须限制在安全允许的范围内。

3.对于允许滑压运行的单元机组，其协调控制系统应能满足定压和滑压不同运行方式的需要。

4.系统要方便于运行人员的干预，保证任何一台执行器手动、自动切换的自平衡、无扰动。

3.2单元机组协调控制系统的特点

单元机组协调控制系统是在常规机炉控制系统基础上发展起来的，其主要特点包括以下几个方面：

（1）系统结构先进。

采用了递阶控制结构，在局部控制级的基础上引入了机炉协调级，把锅炉，汽轮发电机组作为一个整体进行控制。

机炉协调控制器是一个多变量控制器。

采用了前馈、反馈、补偿以及变结构控制等技术，充分利用了机炉动态特性的特点，并充分地利用了机炉动态特性方面的特点，克服系统内部耦合和非线性特性。

获得优良的控制品质。

（2）系统功能完善。

除了正常工况下的连续调节之外，系统根据需要设计了一整套逻辑控制系统。

包括实际功率给定逻辑，局部故障处理，运行方式切换逻辑，以及显示报警等，系统可根据实际需要和设备状况，选择不同的运行方式，比如机跟炉，炉跟机，机炉协调方式；定压运行或滑压运行方式；固定功率输出或可调功率方式。

（3）系统可靠性高。

通过设置安全保护系统和采取一系列可靠性措施，可获得很高的系统可靠性。

综上所述，目前广泛应用的单元机组协调控制系统中，控制规律仍属于经典控制规律的范畴。

系统分析设计与综合的方法多采用多变量频域法和常规的工程方法。

4.协调控制的基本原则

根据被控对象动态特性的分析可知，从锅炉燃烧率（及相应的给水流量）改变到引起机组输出电功率变化，其过程有较大的惯性和迟延，如果只是依靠锅炉侧的控制，必然不能获得迅速的负荷响应。

而汽轮机进汽调节阀动作可使机组释放（或储存）锅炉的部分能量，输出电功率暂时有较迅速地响应响应。

因此，为了提高机组的响应性能，可在保证安全运行（即主蒸汽压力在允许范围内变化）的前提下，充分利用锅炉的蓄热能力，也就是在负荷变动时，通过汽轮机进汽调节阀的适当动作，允许汽压有一定波动而释放或吸收部分蓄能，加快机组初期负荷的响应速度。

与此同时，根据外部负荷请求指令加强对锅炉侧燃烧率（及相应的给水流量）的控制，及时恢复蓄能，使锅炉蒸发量保持与机组负荷一致，这就是负荷控制的基本原则，也是机炉协调控制的基本原则。

5.协调控制方式

常见的机组协调控制方式有以下几种方案：

（1）以锅炉跟随为基础的协调控制方式

（2）以汽轮机跟随为基础的协调控制方式

（3）综合型协调控制方式

五、负荷分别控制原理概述

1.单元机组负荷控制的特点

在单元机组的运行过程中，引起被调量变化的原因是各种扰动，而控制系统的任务则是要克服扰动对被调量的影响，使被调量始终保持在生产过程允许或希望的数值。

单元机组运行过程中经常出现的最主要的扰动之一是外界电负荷的变化。

当电网负荷发生变动时，就需要相应地调整电网中运行的发电机组的负荷，即相应地改变汽轮机进汽量，以调整汽轮机的输出功率；相应地改变锅炉的燃烧率以及给水流量，以调整锅炉的负荷。

如何快速地响应外界负荷的需求，同时尽可能保持机组稳定运行始终是单元机组负荷控制的中心问题。

在锅炉和汽轮机以母管制方式运行时，当某台机组的负荷要求改变时，由汽轮机调节系统改变调节汽门的开度，以适应负荷需要，并由各台并列运行锅炉保证母管汽压。

在这种情况下，汽轮机负荷变化初期完全依靠锅炉储备能量的变化，而不是改变燃烧率与给水量。

因此，当汽轮机调节汽门动作时，随着输出功率的变化，虽然母管汽压也同时改变，但由于并列运行锅炉储备能量相对较大，故汽压变化较小。

这就允许汽轮机和锅炉在负荷变化时相对独立地进行调节。

在单元机组运行过程中，锅炉和汽轮发电机组共同适应外部负荷需要，也要共同保证内部参数（主要是主蒸汽压力）的稳定。

单元机组输出功率与负荷要求是否一致反映了机组与外部电网之间能量供求的平衡关系；而主蒸汽压力则反映了机组内部锅炉与汽轮发电机之间能量供求的平衡关系。

只有锅炉燃烧产生的热能与进入汽轮机的蒸汽带走的热能相平衡，主蒸汽压力才能稳定。

因此，就单元机组的负荷控制而言，锅炉和汽轮发电机是一个不可分割的整体，是一个联合的被控对象。

但是，锅炉和汽轮发电机在影响外界负荷时的动态特性存在很大差异。

在单元机组内部，锅炉和汽轮机是相对独立的对象，它们有各自的调节机构。

从控制负荷的角度看，它们的动态特性很不一样。

锅炉的动态特性——从燃烧率的改变到锅炉出口压力的改变，惯性很大；而汽轮发电机组的动态特性——从蒸汽量的改变到输出功率的改变，惯性相对较小。

即汽轮发电机负荷响应快而锅炉负荷响应慢。

所以单元机组内外两个能量供求平衡关系互相制约，即外部负荷响应性能与内部运行参数稳定性之间存在固有的矛盾。

反映在控制特性上，就是单元机组控制对象的两个被调量——机组输出功率和主蒸汽压力的控制之间存在矛盾。

根据这一特点，单元机组在实施负荷控制时，必须很好的协调机、炉两侧的控制动作，合理地保持好内外两个能量供求平衡关系，以兼顾负荷响应性能和内部运行参数稳定两个方面。

具体来说，就是对外保证单元机组尽可能有较快的功率响应和一定的调频能力；对内保证主蒸汽压力偏差在允许范围内。

当然，主蒸汽压力的相对稳定是机组稳定运行的标志。

机组只有运行稳定，才能有效控制负荷。

所以，要保证主蒸汽压力偏差在允许范围内的前提下，使机组的输出功率尽快适应电网负荷变化的需要，这就是单元机组负荷控制的任务，所谓“协调”，就是要协调机组内、外能量平衡，以及压力控制与功率控制的矛盾，以期得到满意的控制过程。

2.单元机组负荷控制方式

单元机组负荷控制有下列三种基本方式：

（1）锅炉跟随的负荷控制方式

图2-1为单元机组锅炉跟随的负荷控制方式，简称BF方式。

当负荷要求P0改变时，首先改变汽轮机调节汽门开度，以改变汽轮机的进汽量，使发电机的输出功率PE迅速与负荷要求相适应。

当汽轮机调节汽门开度变化的同时，锅炉出口主蒸汽压力PT随即改变，通过汽压调节器改变加入锅炉的燃料量、送风量，这种由汽轮机来控制机组的输出功率，由锅炉调节汽压的方式也就是常规的机、炉分别控制方式。

在负荷要求改变时，汽轮发电机组输出功率的改变很大程度上依靠锅炉的蓄热。

这种控制方式机炉有明确的控制分工，即锅炉控制主汽压力，汽轮机控制机组负荷。

因为锅炉热惯性大，汽轮发电机时间常数下，所以这种方式虽能较快适应负荷，但汽压变动较大。

在大型单元机组中，锅炉的蓄热能力相对减小，对于较小的负荷变化，在汽压允许的变化范围内，充分利用锅炉的蓄热以迅速适应负荷是有可能的，对电网的频率控制也是有利的。

但是，负荷需求变化较大时，汽压变化就太大，会影响机组的正常运行。

锅炉跟随的负荷控制方式一般用于下列情况：

①当单元机组中的锅炉设备正常运行，机组的输出功率受到汽轮机限制时；

②承担变动负荷的机组，锅炉蓄能热力较大时。

锅炉跟随的负荷调节方式也叫锅炉跟随汽轮机方式，由于这种方式机组负荷由汽轮机决定，所以又称为汽轮机基本的负荷控制方式，简称TB方式。

图2-1锅炉跟随的负荷调节方式

（2）汽轮机跟随的负荷控制方式

汽轮机跟随的控制方式如图2-2所示，简称TF方式。

当外界负荷需求突然增加时，给定功率信号P0增加，首先是锅炉的控制信号增大，即功率控制器的输出增大，增加燃烧率。

随着炉内燃烧加强，主汽压力P1声高，为了维持主汽压力不变，主汽压力调节器输出指令开大汽轮机调节汽门，增大汽

图2-2汽轮机跟随的负荷调节方式

轮机的进气量，以增加汽轮机发电机的输出功率PE，使发电机输出功率与给定功率PS逐步平衡。

这种控制方式机炉也有明确的控制分工，即锅炉控制机组负荷，汽轮机控制主汽压力。

用控制汽轮机调节汽门开度来保持主汽压力，主汽压力变化小，这对锅炉运行的稳定有利。

但是汽轮发电机出力必须等待主汽压力升高后才能增加上去，由于锅炉燃烧量输送、燃烧及传热过程较大的滞后，而使机组输出功率响应有较大的滞后。

这样，对发电机出力控制的反应就比较慢，这对电力系统的负荷控制与频率调整是不利的。

汽轮机跟随的负荷控制方式一般用于下列情况：

①承担基本负荷的单元机组；

②当新机组刚投入运行，经验还不足时，采用这种方式可使机组运行比较稳定；

③当单元机组中汽轮机运行正常、机组输出功率受到锅炉限制时，也可采用汽轮机跟随的负荷控制方式。

汽轮机跟随的负荷调节方式也叫汽机跟随锅炉，由于这种方式机组负荷由锅炉决定，所以又称为锅炉基本的负荷控制方式，简称BB方式。

六、单元机组控制方案设计

1、控制方案方框图：

2、汽轮机控制器：

汽轮机主控器有三种控制方式可供选择，即汽轮机跟随方式，协调控制方式及手动控制方式。

PI3调节器对应于机组的协调控制方式。

PI4对应于机组的TF方式，前两种控制方式在自动控制状态下，可通过切换器T4进行切换。

TF方式是在锅炉侧出现时故障时，主控制器所选择的一种控制方式，这种控制方式下，汽轮机主控制的任务是维持主蒸汽压力的稳定，锅炉主控制器的输出MB作为前馈信号，来改善压力控制效果，此时，MB是锅炉主控制器处于手动状态下的输出，由于主蒸汽压力不同时，改变相同的进气调节阀开度，汽轮机功率的变化不同，因此，这里采用气压给定值P0对前馈信号MB进行修正使P0较低时，增强前馈作用，反之亦然。

3、主要元件型号参数厂商

七、操作规程：

1、岗位正常操作，启动前检查、正常启炉、停炉。

2、检查设备的电源、仪表、信号灯、指示开关、监视器、控制台是否处于初始状态,如果没有调节至初始状态.

3、锅炉机组启动前的检查，检查所有阀门，并置下列状态：

a.蒸汽系统：

一道主气门经开关试验后启动，二到汽门关闭，二道主汽门疏水开启；

b.给水系统：

主给水门、给水旁路门放水开关闭，省煤器入口门关闭，省煤器在循环门开启：

c.减温水系统：

冷凝器放水门关闭，减温水主路门及旁路门关闭，事故减温水门关闭，冷凝器冷却水入口门关闭，出口门开启，冷凝水分配集箱放水门关闭；

d.放水系统：

连续排污门、事故放水门、定期排污总门、定期排污各分门应关闭，定期母管疏水门用关闭；

e.疏水系统：

各蒸汽疏水门开启，省煤器疏水门、给水混合集箱疏水门、给水管路疏水门应关闭；

f.蒸汽及炉水取样应开启，汽包加药门关闭；

g.汽包水位计的汽门、水门开启，放水关闭；

h.所有压力表一次门，流量一次门，仪表取样一次门，平衡容器一次门应开启；

i.全部空气门开启。

4、投入除氧器的准备检查：

a.检查除氧器的信号，自动装置计各种表及完成、灵活，周围应清洁干净；

b.除氧器水位应保持正常，除氧器至给水泵的门应开启；

c.除氧器的进气门、汽平衡门、水平衡门及放水门应处于关闭状态；

d.当复水水质合格后，开复水至除氧器水门。

5、投入：

a.当符合增加至300KW，复水已收回即可；

b.开二段抽气管道疏水门时，开二段抽气阀，当暖管5分钟后关疏水门；

c.慢开除氧器进汽旁路们暖管3分钟，继续开进汽门注意除氧器压力变化，升压应缓慢些，不应引起汽水冲击现象，当压力接近0.02MPa，投入电动调节，即慢开电动调节进汽门，逐关旁路门，完全由电动控制即可；

d.将软水旁路手调到为自动调节；

e.当投入运行正常时，压力温度已达到要求，压力0.02MPa，温度102~104，在稳定30分钟后，通知化学部门化验给水溶解氧是否合格，如果不合格，可少开一点除氧气排气门，如合格，可试关小除氧头少许，总的要求既要给水溶解氧合格，也要严格控制排气热损失。

6、锅炉给水泵的启动检查：

a.接到班长启动通知，联系电器测量电机绝缘合格后送上电源；

b.检查各压力表，电流表应处于全良好，并处于投入位置；c.各轴承油质良好，油量充足；

d.盘动靠背轮应灵活，无卡住现象；

e.水泵压兰不倾斜，松紧适当，并送上水封水与轴承冷却水；f.出入口门，再循环门均在关闭位置。

7、锅炉给水泵启动：

a.开启入口水门及再循环门，检查入口压力在0.2MPa左右；b.合上电机操作开关，注意电流表指示应稳在空载位置，水泵的出口压力应在高于6MPa左右；

c.再启动过程中，注意倾听泵组内各转动部件无磨察声音，转向是否正确，各轴承转动，温度是否正常，压兰是否有过紧或过松现象，电机运行是否正常；

d.检查一切正常后，慢慢开启出水门，根据电流的增大情况关闭再循环门，全开出水门，电流稳定在额定值；

e.在额定出力下全面检查给水泵的运行正常；

f.将联动开关投入联动装置。

8、停运：

a.接到指令后，做好停泵准备，断开联动开关；

b.关小出水门，根据出口压力适当开启再循环，再全关出水门，注意电流应降至空载的值；

c.断开水泵操作开关，注意电流表指示到零，检查转子静止后不翻转；

d.停运作为被联动；

e.停运作为检修。

9、锅炉启动：

锅炉上水。

10、锅炉点火：

a.点火前的检查与试验；

b.点火操作。

11、升温升压。

12、锅炉工质的调整；锅炉燃烧的调整。

八、主要参考文献

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[3]张玉铎.王满稼.热工自动控制系统.北京.水利电力出版社.1985:

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[13]P.Harriott．Processcontrol,1994：

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[14]Tou.J.T.controltheory.newyork.mcgraw-hill.1984.

读书的好处

1、行万里路，读万卷书。

2、书山有路勤为径，学海无涯苦作舟。

3、读书破万卷，下笔如有神。

4、我所学到的任何有价值的知识都是由自学中得来的。

——达尔文

5、少壮不努力，老大徒悲伤。

6、黑发不知勤学早，白首方悔读书迟。

——颜真卿

7、宝剑锋从磨砺出，梅花香自苦寒来。

8、读书要三到：

心到、眼到、口到

9、玉不琢、不成器，人不学、不知义。

10、一日无书，百事荒废。

——陈寿

11、书是人类进步的阶梯。

12、一日不读口生，一日不写手生。

13、我扑在书上，就像饥饿的人扑在面包上。

——高尔基

14、书到用时方恨少、事非经过不知难。

——陆游

15、读一本好书，就如同和一个高尚的人在交谈——歌德

16、读一切好书，就是和许多高尚的人谈话。

——笛卡儿

17、学习永远不晚。

——高尔基

18、少而好学，如日出之阳；壮而好学，如日中之光；志而好学，如炳烛之光。

——刘向

19、学而不思则惘，