超临界机组协调控制系统设计.docx

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超临界机组协调控制系统设计

摘要

火电机组锅炉、汽轮机和发电机三个主要设备和其他辅助设备和自动控制系统包含了一些相对独立的监管对象的子系统,为整个单位。

这些子系统相互关联和相互依存的,具有大时滞特性,非线性。

因此,为了满足电网负荷的需要,我们可以考虑单元协调控制系统的设计,根据单位的主要参数的偏差,并协调各子系统的控制功能,以确保机组的安全稳定运行。

单元协调控制系统,主要功能是接收调度中心或一个负责任的成员负荷指令,采取一些技术手段来协调三个主要操作和内部控制系统和主要操作参数的单位总是控制在允许的范围内,从而提高系统的响应速度,单位必须保证高效、安全运行的单位必须适应网络负载的变化。

因此,协调控制系统的研究和发展,有助于改善自动控制单元,单元负载自适应变化,理想单元故障紧急治疗,减少操作人员,降低操作人员的劳动强度,从而提高安全性和经济。

本文的主要内容包括:

设计和实现的协调系统的结构和功能,设计和实现负荷指令的处理电路、主控制器的设计和实现等。

在系统的设计过程,直接能量平衡法用于参考,和创造性的应用炉主控制器和燃料控制电路也进行了。

系统已经开发并投入使用后,锅炉跟随模式,协调控制模式,手动模式的无扰转移,实现人工指挥和调度中心的负责任的成员指令不干扰开关,为了提高设备的自动化水平,提高监督的质量单位,涡轮,提高可靠性和经济的单元操作。

关键词协调控制系统，运行方式，锅炉跟随，汽机跟随

Abstract

Powerplantsystemiscomposedofthreemainequipments:

steam-wheelmachine,boileranddynamo,andsomeotherancillaryequipments.Theauto-controlsystemoftheThermodynamicSystemincludessomesubsystems,whichhastheirownadjustinginstrumentsandadjustingobjects.Allthesubsystemsareindependentfromeachother,butasthepartsofthewholesystem,theyarealsocorrelativeandinteractivetobestrongcoupling,largeretardationandnonlinear.Sotoadapttothechangeoftheloadoftheelectricalsystem,asystemshouldbedesigned,whichcanharmonizethecontrolfunctionsofallsubsystemsbasedonthewarpofthemainparameterstoensurethesystemtorunsafely.SuchsystemiscalledHarmonyandControlSystemofequipmentgroupunit.

ThemainfunctionsofHarmonyandControlSystemofequipmentgroupunitistoharmonizethesteam-wheelmachine,boiler,dynamoandinnercontrolsubsystemafterreceivingtheloadcommandorthecontrolcentercommand,adoptsometechnicalmeasurestomakethemainparametersapproachthemaxworkingcurvebutwithinthepermissionregionandincreasetheresponsespeedofthesystemtomakethesystemmoreefficientandsafetoadopttothechangeoftheloadoftheelectricalsystem.So,CoordinateControlSystemishelpfultoenhancetheautocontrolsystemoftheequipmentgroupunit,increasetheadoptabilitytotheloadchange,perfecttheemergencymeasureswhentroublehappens,decreasemanualoperationsandlightenthemanualwork,thusmaketheequipmentgroupunitmoresafeandeconomical.

Thecontentofthisthesisincludethestructureandfunctionofthecoordinatedsystem,theloadcommandmanagecircuit,theboilercontrollerandsoon.Inthecourseoftheexploitationofthesystem,thestraightenergybalanceisusedforreference,andisappliedinboilercontrollerandfuelcontrollercircuitinacreativeway.Afterthesystemisdesignedandused,itimplementsthesmoothlyswitchbetweenmachine-basedmode,boiler-basedmanualmodeandcoordinatedcontrolmode,RBfunction,thefunctionofincreasinganddecreasingtheload,theswitchbetweenthemanualcommandandthecentralcommand.Theautocontrollevel,theadjustquality,andtheeconomyandsecurityareimproveddistinctly.

Keywords:

coordinatedcontrolsystem，runningmode，boilerfallowing，turbinefallowing

1引言

1.1绪论

火电机组的汽轮机、锅炉及发电机的三个主要设备和其他辅助设备,该部门是一个单位相应的锅炉,包括独立的单元控制室,机、炉、电集中监控。

单元自动控制系统主要由汽轮机调节系统,燃料控制系统、给水调节系统、送、引风机控制系统,减少温度调节系统等子系统组成整个单位这些子系统相互影响，相互制约，一个子系统调节的改变将带动其它子系统调节的改变，在调节的同时子系统之间能够相互分隔开，这些子系统又能有自己的一套方案，能够使整个系统能够变成大延迟非常强。

对于整个单元机组自动控制系统来说，由于这些子系统相互影响，将锅炉等三大主机合并成一个整体，这样就能满足电力系统电网的条件。

如具备一定的条件，可以考虑设计一个单元机组协调控制系统，采取一种技术，根据负荷指令的变化规律和机组主要运行参数的偏差来将各个子系统的控制功能协调好，在保证各个主要运行参数不超差的条件下，使单元机组尽快适应电网负荷的变化，保证机组稳定并且安全的运行。

目前，计算机技术和自动化技术不断的发展壮大，火力发电厂单元机组的热工控制也由原来的单一常规控制和直接数字控制不断的发展成了现在的集散控制，这也为单元机组协调控制系统给予了一定的技术支持。

技术人员可以借此研究多种控制方案与策略，并将其应用于实际操作中，同时，在此过程中不断的进行改进与完善。

目前，电网对于大容量机组的自动化水平的要求不断增加，协调控制系统也因此越来越受到重视，它的发展空间也将不断增大。

1.2论文课题的意义和目的

电厂是一个复杂的多变量控制单元对象的不确定性。

由于汽轮机和锅炉的特点,即使他们有自己的调节系统,他们必须保持协调一致的操作模式。

在单位尽快适应网络负载的变化,确保汽轮机蒸汽压力不超过允许范围的边界值,热电厂的经济运行的安全性和稳定性是非常重要的。

主蒸汽压力反映了单位内部单位锅炉和汽轮机能量供给和需求之间的平衡,输出功率和负载需求反映了能源供应和需求之间的平衡与外部电网的单位,设计主要控制系统是控制两者之间的平衡,因此动态特性差异大锅炉和汽轮机作为一个整体,完成电网负荷和压力稳定的调度管理和任务的保证安全稳定运行单位。

目前,系统的设计主要是基于古典控制理论,控制对象是多输入多输出耦合对象,具有一定的不确定性、非线性和大滞后特性,在实际应用中有许多干扰:

旁边的涡轮和电网将锅炉方面的干扰，煤质、给煤量和炉膛积灰等方面会产生一定的扰动，这些干扰均是不确定的干扰，所以在机组运行的过程中很难测量和加以预测，这就使得协调控制系统的设计复杂了许多，同时在控制效果方面也不是很令人满意。

虽然现代控制理论给出了多输入多输出控制对象的解决方法，但是面对那些拥有时变与非线性特性的控制对象仍然无计可施，并且由于其存在一些复杂的矩阵运算，因此在实际应用中遇到了很大的困难。

目前，计算机技术的不断发展为多种控制理论的发展及应用奠定了一定的基础，包括一些大规模的集散控制系统，而协调控制系统作为火电厂的一大控制系统，其优势是有目共睹的，其系统的投运不仅能为火电厂创造较大的效益而且可以减少大量的人力投入，在市场经济中，每一个火电厂都决不会放弃对协调控制系统的投运和改造。

1.3国内外现状及发展趋势

在目前电网运行自动化水平不断提高的情势下，电力生产过程自动化未来的发展趋势将是以单元机组协调控制系统为基础，逐渐构成电网级协调控制模式。

协调控制系统的特点是复杂，庞大但又实用性较强，它可以给电厂运行人员和电网调度中心提供很多便利，为了适应自动化水平发展的要求，保证单元机组协调控制系统的安全、合理、稳定运行，如何充分合理的利用控制系统的软硬件，为了保证电力系统的工作安全和安全稳点的连续工作，使得系统的事故率降低。

单元机组协调控制系统是目前火力发电厂中比较常用的控制系统。

在国内外的理论不断发展的过程中，火电厂的协调控制方案也变得多种多样。

这些方案在原理、实现的目标以及功能等方面均有不同的地方，大多数都是根据实际应用的不同结果以及运行中的不同要求而加以改进。

按照当前国外的大体思想，基本上是以机组的能量平衡模式为基础，将演变出来的多种多样的协调控制系统划分成主要的两类：

直接和间接能量平衡。

协调控制系统的任务是维持整个单元机组在保持能量平衡的运行过程:

锅炉和汽轮机之间能量供给和需求之间的平衡,单元网格和能量之间的平衡,输入和输出单元的能量平衡和锅炉子系统能量转移的平衡。

因为对于能量信号的测量不具有直接性，所以经常要利用一些间接的参数来表示这些平衡关系，其中将机前压力作为锅炉与汽轮机之间能量输出平衡关系的参数是最为常见的。

构造一定的能量需求信号来控制能量的输入为直接能量平衡；控制一些间接参数来维持单元机组的能量平衡为间接能量平衡。

其实目前许多火电厂的协调控制系统并不能很好地投入自动化运行，但在其他控制理论尚未在火电厂控制领域得以成熟应用之前，在电网综合自动化水平不断提高的现状下，以经典控制理论为基础，合理应用前馈、导前、交叉及非线性元件将整个系统的光明前景提高了一个层次。

2单元机组协调控制系统

2.1协调控制系统简介

在这10几年来，为了满足整个国家的电力法展，我国新建了许多了百万超超临界的发电机组。

同时我国电力系统的自动化程度也发生了翻天覆地的变化，整个国家电网的供电的调峰有了快速的大幅度变化。

这时协调控制系统就应运而生了。

协调控制就是是指通过控制回路工作状态的锅炉和汽轮机的协调,同时发电机自动控制系统和锅炉自动控制系统发出指令,以达到快速反应单位荷载变化,最大程度地发挥最高的单位监管、频率调节能力,而且单元的参数控制在允许范围内的安全运行。

原电力部热工自动化标准委员会推荐采用模拟量控制系统来替代闭环控制系统、自动、协调控制系统等。

本文的协调控制系统专门指锅炉、汽轮机的协调主控系统。

2.2协调控制系统的基本组成

作为一种新型的控制系统,单元协调控制系统是传统的局部控制系统的基础上开发的。

当地常规炉控制系统是由一系列相对独立的局部控制循环,功能相对简单,结构相对简单,并且能够适应不同的操作条件和操作模式是相对贫穷。

单元协调控制系统、汽轮机和锅炉控制作为一个整体,采用分层控制系统结构,逻辑控制,自动控制和联锁功能有机地结合起来,形成一个具有多种控制功能和满足需求和不同的操作模式集成控制系统在不同工况下的控制。

单元协调控制系统的设计充分利用锅炉汽轮机控制对象属性的特征,如多变量解耦,打破之前采用和补偿控制策略,使控制系统具有维护方便、可靠、合理。

单元协调控制系统可以被视为一种两层分层控制系统。

上层的机器是整个系统的核心部分,也被称为主要单元的单元控制系统。

对于那些位于局部控制子系统的锅炉给水控制系统,锅炉燃烧控制系统,汽轮机功率频率控制系统和空气流量控制系统。

涡轮单元控制系统改变机器烤箱控制器动作指令和锅炉指令,由局部控制子系统液位控制器,来完成所需的任务。

是一个典型的代表现代直接指令平衡协调控制技术的控制系统（DIB）和直接能量平衡（DEB）控制系统,他们的共同特点是大型汽轮机和锅炉的动态特性差异的总体负载平衡控制,单位尽快适应调度负载需求的变化,并维持主蒸汽压力和机炉的主要操作参数变化范围内的规定,在特定条件下,通过控制回路的保护控制方法来维持经济的稳定运行。

热电厂的协调控制系统主要包括单位负荷指令,设置压力,涡轮主要控制,Rb,频率校正控制电路,它直接参与的实现类是汽轮机控制系统和锅炉控制系统。

图2.1单元机组协调简图

2.3协调控制系统的功能

多变量控制对象是一个现代大型锅炉汽轮机组。

机器的动态特性,炉是大大不同,和机器的动态特性,炉是大大不同的。

控制锅炉汽轮机方面的逻辑控制、连锁保护和调整过程。

，使锅炉和汽轮机一起承担电网负荷的控制和机前压力的控制任务就是广义上所说的协调控制系统。

在狭义上,协调控制系统只是针对单位的主要流程的规定,也就是说,这台机器的主要控制系统的压力调节,单位主要频率调节和负载调节单元。

单元操作有以下功能:

（1）保证机安全稳定运行

协调控制系统具有良好的完整性,足够的稳定裕度,消除时间的操作单元,和各种内部和外部的干扰,实现锅炉和汽轮机之间的权力平衡,协调在锅炉燃料、空气、引风机、供水、蒸汽温度每个子系统的能量平衡和质量平衡,确保机前压力稳定。

使单位稳定和经济表现最好的条件。

（2）具有调频和调峰能力

通常所说的一次调频就是调频，虽然调频是面相本机的频率调节，但它可以间接地维护电网稳定，根据自己的发电频率,当发电机的频率不符合的基准频率,使用一组良好的频率差异修正曲线来实现改变单元的输出的目的，进而实现发电频率相对稳定的目标便是调频。

而在保证机前压力稳定的情况下，机组根据电网负荷需求，充分利用锅炉的蓄热，对中调负荷指令与运行人员需求的负荷指令的响应速度较快，可以快速接受中调负荷指令信号的需求从而随时调整机组出力来达到电网能量平衡的目的便是调峰。

在现代电网负荷的峰值与低估差极大进而需要机组具有迅速调峰的能力的情况下，机组调峰能力的重要性日渐增加。

由于机组调峰基本上是由协调控制系统工作来实现的，因此协调控制的性能好坏直接决定单元机组的调峰能力。

（3）具有无扰切换的功能

协调控制系统操作模式之间的切换不应该干扰,并能实现手动控制,自动控制的动切。

（4）故障处理与机组保护功能

局部破坏时发生的单元操作,或负载的需求超过了实际容量单位,可以提供方向锁定,迫使L登陆功能,辅助系统故障可以提供持球跑动进攻功能,建议处理,巴萨的。

（5）具有各系统间的联合保护能力

当机组与电网解列,或其他重大事故发生时,能及时采取必要的安全保护措施,如启动旁路系统,迅速投入保护系统等。

（6）具有多种运行方式

（7）各种各样的工况,应该有相应的操作模式,可以实现之间的联锁条件和自动转换操作函数的最佳方式

2.4单元机组负荷控制的特点

火力发电厂单元机组一直是电网发电的中心，而目前电网用电结构的不断变化逐渐引起了负荷峰谷差的增大，在此基础上单元机组的运行方式也因此渐渐地发生了变化，对于那些以前常常只带固定数量负荷的机组，现在也需要根据电网调度中心所带的负荷指令以及电网负荷所产生的频率偏差，在电网调频,达到顶峰,甚至一些主要单位辅助断层的一部分,还可以维护单位的安全稳定运行。

在单元机组运行方式中，汽轮机和锅炉不仅要一起保持内部运行参数即最主要的主蒸汽压力的稳定，而且,为了保证负载在外部的整体需求。

能源供应和需求单位和外部电网之间的关系取决于的一致性的实际输出功率和负载需求单位,和能源之间的内部汽轮机和锅炉供求关系则取决于主蒸汽压力的稳定性。

然而单元机组负荷控制中一个最重要的特点的区别是汽轮机和锅炉动态特性的单位,也就是说,锅炉的速度是缓慢的,和汽轮机的负荷需求的速度比较快,因此单元机组的这两个能量供求关系之间互相影响，互相限制，内部运行参数和外部负荷响应之间存在一定的矛盾，这便是其一大最重要的特点。

2.5单元机组的负荷控制方式及特点

单元机组可以根据很多种不同的方式来运行，单元机组受不同运行方式的影响，其被控过程的动态特性差异较大。

协调控制系统单元机组在定压或滑压运行方式下有四种控制方式：

2.5.1锅炉跟随方式

在增加（或减少）单元机组的负荷时，第一个汽轮机控制阀（增加或减少）的涡轮发电机功率,最大程度的利用锅炉能源存储、锅炉蒸汽压力变化。

增加（或减少）的燃料流量和水流锅炉蒸汽压力恢复到设定值。

锅炉的负荷的改变汽轮机发电机组的负载,即锅炉跟随模式。

从锅炉保持压力,也称为锅炉的电压调节方法。

改变的方式加载更快,但压力波动,不利于机组的安全与稳定。

2.5.2汽轮机跟随方式

汽轮机跟随方式就是在增加（或减少）单元机组的负荷时，先增加（或减少）锅炉的负荷，等锅炉出口的汽压改变之后再调整汽轮机的汽门，用此方法来保持汽压在给定值附近。

这时，汽轮机单元机组的负荷随锅炉负荷的改变而改变。

由于汽压用汽轮机调节汽门进行维持，因此也可以称其为汽机调压方式。

汽轮机跟随方式的优点是其汽压变化较小，对机组的安全稳定运行的单位；不能存储热能是他的致命缺点，由于其负载差对整个电网频率不是太好。

2.5.3协调控制方式

协调控制的常用方法有三种:

基于锅炉后协调控制方式,协调控制模式和综合协调控制模式。

（1）锅炉跟随为基础的协调控制方式

锅炉跟随为基础的协调控制是锅炉跟随模式为基础,介绍了蒸汽压力偏差在汽轮机的主控制器。

在load命令的改变，主控制器先调整汽轮机调节阀开度，再调整进汽流量，确保汽轮机输出的电功率马上和负荷指令趋于一致。

由于蒸汽流量发生了变化，气压也随之改变，在此情况下，通过了解汽压偏差，在同一时间内由锅炉主控制器调节燃烧率以及由汽轮机主控制器调整汽轮机调节阀开度。

（2）汽轮机跟随为基础的协调控制方式

根据涡轮模式后,输出电力偏差引入汽轮机的主控制器,它是一个基于涡轮遵循协调控制方法。

负荷指令改变时,锅炉和汽轮机主控制器同时改变燃烧率和汽轮机调节阀门开度。

（3）综合协调控制方式

由两个调节量的协调工作来控制任意一个被调量。

在负荷指令发生变化的情况下，机炉主控制器在同一时间内向锅炉侧发出负荷控制指令来改变燃烧率，以及向汽轮机侧发出负荷控制指令来调整汽轮机调节阀开度。

2.5.4手动方式

汽轮机和锅炉的主控回路在同一时间内都处于手动方式。

3单元机组负荷控制的对象动态的特性

汽轮机与锅炉在单元机组中是两个互不影响的设备。

以单元机组负荷控制的角度来讲，作为一个包含互相关联的多种变量的控制对象，单元机组经一定的假设可以被认为是一个相互关联的具有双重输入和双重输出的被控对象，其方框图如图3.1所示：

图3.1原理单元机组负荷控制对象方框图

其中µT为汽轮机阀门开度，µB为锅炉燃烧率，

E为实发功率，

T为主蒸汽压力

3.1在锅炉燃烧率扰动下的输出电功率和主蒸汽压力的动态特性

如图3.2（a）所示，为当锅炉燃烧率µB发生阶跃扰动时，主蒸汽压力PT和输出电功率PE的响应曲线。

锅炉燃烧率的增加,增加锅炉蒸发受热面的吸热的数量,压力逐渐增加后在一定延迟。

由于汽轮机调节阀门开度保持不变在蒸汽机蒸汽流量增加,从而自发的限制的压力增加。

最后,锅炉蒸汽流量和燃烧速度达到了一个新的平衡状态,蒸汽压力往往会到一个新的更高的稳态值,有能力的自我平衡。

当蒸汽流量增加时,汽轮机的力量增加,输出功率也增加。

最后,当蒸汽流量是恒定的,输出电力往往是一个新的更高的稳态值,自动平衡的能力。

3.2汽轮机调门开度扰动下主蒸汽压力和输出电功率的动态特性

如图3.2（b）所示，为当汽轮机调门开度µT发生阶跃扰动时，主蒸汽压力

T和输出电功率

E的响应曲线。

在锅炉燃烧率保持不变的情况下，

当汽轮机调节阀打开开始一步一步增加,开始流入涡轮与比例的增加迅速增加。

同时,压力快速下降,在这种情况下,由于锅炉燃烧率保持不变,所以蒸发是不变。

锅炉蒸汽压力下降释放热量的一部分,这样短暂的蒸汽流量的增加。

最后,蒸汽流量将回到以前的数值扰动和相应的燃烧速度。

同时,主蒸汽压力往往是在新的稳态值很低。

在过渡期间,蒸汽流的瞬态增加会导致输出功率的增加。

最后,输出功率也返回的数值和蒸汽流量的扰动。

可以看出,当单位荷载增加,所需的蒸汽在初始阶段主要是由于锅炉所释放的热量。

因此，随着锅炉蓄热量的不断减小，汽轮机容量的不断增加，单元机组负荷适应能力与保持汽压不变之间的协调性日益困难。

图3.2单元机组负荷控制对象的阶跃响应特性

由以上结论可以看出单元机组负荷控制对象的动态特性特点为：

在锅炉燃烧率发生改变时，输出功率和汽压的响应速度都较慢即通常所说的热惯性较大，而在汽轮机调门开度改变时，输出电功率和汽压的响应速度都较快即通常所说的热惯性较小；这里的一快一慢就是机炉控制对象的动态特性所存在的差异性。

由于这种差异，两者之间的相互关系，能源供应和需求的相互影响，有一些矛盾和外部负载响应的内部运行参数的性能。

有了这个功能，我们可以看到，需要协调行动的控制单元，协调锅炉涡轮机的保护和合理的能源供应和需求之间的平衡，以确保负载运行的内部稳定和性能参数。

4单元机组主控制系统

4.1主控制系统的含义和任务

主控单元是核心单元的协调控制系统，它是否安全运行、调频、负载调节、机组的启动和停止还是汽轮机调汽阀开度的变化、锅炉燃烧率的变化都是由主控制系统统一进行指挥，从而达到协调一致，即机组的输入和输出能量在满足电网负荷要求变化的前提下总是保证平衡，协调成子控制系统与主控制系统之间。

主控制系统的任务是：

1,根据操作条件和机器的控制要求,选择加载控制方式和适当的外部负载指令;

2,处理外部负载指示,以便适应机器的动态特性和负荷变化的