600MW超临界机组顺序控制系统的分析与研究.docx
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600MW超临界机组顺序控制系统的分析与研究
引言
随着国民经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，我国电力工业也正在以前所未有的速度发展，发电厂单机容量和电网容量正在迅速扩大，我国已进入了大电网、大机组、高参数、高度自动化的时代。
要实现高度自动化无疑要依赖于各种控制系统对电力设备的自动控制。
而顺序控制作为发电厂庞大的控制系统中的一部分，起到了及其重要的作用。
顺序控制（也称为程序控制或者火开关量控制）的含义是：
在生产过程中，对某工艺系统或某大型主设备及与其有关的辅助设备群启动、停止和运行中的事故处理，按预先制定的序列（时间、判据等）进行相关和有序的自动控制，主要用于开关量的自动控制。
在大型火电厂控制系统中，顺序控制主要用于主、辅机的自动启停操作以及全厂辅助系统的运行操作，以保证火电机组的安全、经济运行。
实质上，SCS采用的顺序控制策略是机组运行客观规律的要求，也是操作人员长期运行经验的结晶，它相当于把热力系统和辅机运行规程用逻辑顺序控制系统来实现。
采用顺序控制后，不仅可以减少运行人员的操作次数，减轻运行人员的劳动强度，同时可以缩小监视面，更重要的是可以防止因对象多变及运行方式多变而引起的误操作事故，有利于机组的安全经济运行。
现阶段我国投运的更多的是600MW及其以上容量的大型机组，那么分析探讨600MW机组的顺序控制显得比较有意义。
在600MW火电机组中，必须使用安全可靠的顺序控制系统来对这些设备和系统进行自动顺序控制。
热工自动顺序控制技术的发展，特别是可编程控制器和分散控制系统的出现和完善，为实现完善的热力系统和辅机控制创造了条件。
但是在600MW机组中，仅仅将几个重要的辅机系统做成了功能组，而且是非常简单的功能组，大部分辅机控制系统都是属于简单的远方操作，因此辅机系统的运行操作量和劳动强度还非常大，在这一点上，顺序控制系统的强大功能并没有发挥出来，这也制约了国产机组自动化的水平。
因此600MW机组顺序控制系统的设计与完善将是国产大型汽轮发电机组提高热工自动化水平的关键。
第一章逻辑控制的基本结构和原理
1.1逻辑代数及其应用[1]
1.1.1逻辑代数与开关电路的逻辑函数
在开关电路中最关键的问题是“开”或“关”。
亦即“导通”与“截止”两种状态，从电平的性状说则是“高电平”与“低电平”。
如果用二进制的“0”表示“截止”状态、“低电平”或开关电路操作的“关”，那么二进制的“1”，就可以用来表示相反的情形。
在开关电路中存在两个以上的开关且有不同联接方式时，这多个开关在操作上对电路的控制作用必然存在着某种逻辑关系。
开关电路这种逻辑关系通常采用逻辑代数来描述。
如上面所定义的，开关电路中的逻辑函数的变量只允许取两个值“0”或“l”，而且这里的“0”或“l”不是普通数学中所表示的数量概念，而是两种物理状态的数学表示。
使用这种方法就可以实现下面的三种逻辑运算的描述。
1.1.2逻辑代数中的三种关系
1．“或”逻辑电路
“或”逻辑电路是由常开触点的并联组成的。
图1–1为“或”逻辑电路图。
用逻辑表达式来表示为：
（1–1）
符号“+”表示逻辑“或”，也称为逻辑加。
若用数学公式来表示的话，则如下式：
图1–1“或”逻辑电路
即是说，逻辑“或”关系中“只要变量中有1，则函数为1；若变量全为0，则函数为0”。
而在“或”逻辑电路中则可叙述为“只要A或B常开触点任意一个闭合，继电器Y因线圈通电而吸合；A和B常开触点都不闭合，继电器才不吸合”。
2．“与”逻辑电路
“与”逻辑电路是常开触点的串联而组成的，如图1–2所示。
用逻辑表达式来表示为：
（1–2）
图1–2“与”逻辑电路
符号“
”表示逻辑“与”，也称为逻辑乘。
若用公式来表示的话，则如下式：
即是说，逻辑“与”关系中“只要变量中有“0”，则函数为“0”；者变量全为1，则函数为“1”而在“与”逻辑电路中则可叙述为“只有当A或B常开触点都闭合，线圈才会通电而使继电器Y吸合；A和B常开触点只要有一个不闭合，继电器都不吸合”。
3．“非”逻辑电路
“非”的逻辑控制电路是由常闭触点构成的。
如图1–3所示，其逻辑表达式为：
（1–3）
图1–3“非”逻辑电路
字母上面“
”表示“逻辑非”，又称为“逻辑反”，若用数学公式来表示的话，则如下式：
若A＝1则Y=0
若A=0则Y＝1
即是说，逻辑“非”关系中“只要变量为0，则函数为1；若变量为1，则函数为0”。
而在“非”逻辑电路中则可叙述为“只有当A继电器不闭合，其常闭触点闭合，线圈才会通电而使继电器Y吸合；而当A继电器闭合、其A常闭触点不闭合，继电器Y将不闭合”。
1.1.3逻辑代数的基本定理与公式[2]
现在把逻辑代数的基本定理与公式介绍如下：
基本定律：
（1–4）
（1–5）
（1–6）
（1–7）
（1–8）
（1–9）
（1–10）
（1–11）
（1–12）
结合律：
（1–13）
（1–14）
交换律：
（1–15）
（1–16）
分配律：
（1–17）
（1–18）
反演定律：
（1–19）
（1–20）
在逻辑分析时就是利用以上公式，定理对于复杂的情况进行简化与转换。
1.2逻辑电路的基本知识
1.2.1门电路
（一）定义
实现逻辑运算功能的电路，就称做门电路，它可以由分立元件构成，也可用整体的集成电路块实现。
（二）分类
完成三种基本逻辑运算的单元为；
“与”门——完成“与”运算A·B=F
“或”门——完成“或”运算A+B=F
“非”门——完成“非”运算A＝
三个基本单位元不同的结合还可有以下几种；
“与非”门
＝F（1–21）
“或非”门
＝F（1–22）
“与或非”门
（1–23）
（1–24）
“异或”门
（1–25）
1.2.2触发器
触发器是双稳态触发电路的简称，是广泛使用的二进制记忆单元。
作为记忆单元的触发器所存储的二进制数“1”和“0”，既能读出也能长期保存。
在没有外加信号时，触发器具有两个稳定的状态；在外加信号作用时，触发器的两个稳定状态可以互相转换；当外加信号去掉后，又可长期稳定于新的状态。
所以，利用触发器可以构成各种计数器和各种寄存器。
在顺序控制器中，常常采用的触发器，大致有下面几种：
（一）R—S触发器
R—S触发器也称为置位—复位触发器，是最基本的触发器型式。
用两个“与非”门构成的简单的R一S触发器电路，如图1–4所示，其真值表见表1–1。
这种电路有两个控制输入端：
直流复位端Rd、置位端Sd。
和两个输出端Q、Q
。
从真值表可看出，R—S触发器有四种状态。
由于已规定Q为
的反相，所以Rd＝Sd＝0，Q＝
=1的状态是不允许的。
这种触发器是直流触发方式，不能对Rd，Sd端同时输入一个信号，因此大大限制了它的用途，通常只能作为代码数码的存储单元，不能用作计数器和移位寄存器的基本单元。
为了扩大它的逻辑功能，我们又增设了不同的引导电路，这样就可以由时钟脉冲同步控制，达到能计数的目的。
图1–4，R—S触发器具有两个数据输入端R、S，一个时钟脉冲输入端CP两个输出端Q、
，通常还设有两个异步输入端Sd、Rd为触发器的直接置位、复位用。
尽管这样的R—S触发器能够计数但由于存在着不定状态和空翻问题，因此在逻辑设计时，多采用下面所要介绍的D和J–K触发器。
图1–4R-S触发器逻辑图
表1—1真值表
Rd
Sd
Q
1
0
1
0
0
1
1
0
1
0
不变
1
0
1
不变
1
（二）J—K触发器
J—K触发器它有两个数据输入端J、K，一个时钟脉冲输入端CP和两个输出瑞Q、
。
通常还没有两个异步端Sd、Rd作为直接置位、复位用。
为了使用的方便，在许多J—K触发器中，往往提供多个J、K输入端，它们之间的逻辑关系是“与”的关系。
即：
J1·J2·J3=J，K1·K2·K3=K。
图1–5列出了J–K触发器的逻辑图，其真值表见表1–2。
图1–5J-K触发器的逻辑图
从真值表中可见J–K触发器的逻辑功能特点是：
当J＝0，K=0时，来时钟脉冲状态不久，即Qn+1=Q；当J=1，k=1时，来时钟脉冲触发器翻转一次，即
，
表1–2真值表
CP
J
K
Rd
Sd
Qn+1
↓
↓
↓
↓
×
×
0
0
1
1
×
×
0
1
0
1
×
×
1
1
1
1
0
1
1
1
1
1
1
0
0
1
0
1
其它两种情况，则是来时脉冲，触发器置于Qn+1=JZ状态。
J–K触发器因其功能多而获得广泛应用，特别是在同步计数器中，实现了快速进位，更显示了它突出的优点。
（三）D触发器
D触发器的特征是具有单一数据输入端D，并且具有一个时钟脉冲输入端CP，两个输出端Q、
，及两个异步直接控制端Sd、Rd，如图1–6所示。
图1–6D触发器的逻辑图
第二章600MW超临界顺序控制系统的基本结构和工作原理
2.1大型火电厂顺序控制系统的概述
2.1.1火电机组SCS概述[3]
生产过程一般都要求产品高品质、高产量，生产设备可靠、省能源、省资源、省力、易操作、安全以及易保养维护。
为了满足这些要求，就必须在生产过程、机械设备、电气设备及控制系统中引进新的技术，即所谓自动化。
而自动化的基础技术就是自动控制，自动控制大体上可分为反馈控制（FC–FeedbackControl）和顺序控制（SC–SCquenlialControl）两种。
顺序控制很早就在生产过程中为人们所利用，它是在生产现场应用中能与反馈控制相媲美的重要控制技术。
但遗憾的是，顺序控制的体系化、理论化远远不如反馈控制。
随着计算机技术的飞速进步，控制技术产生了新的飞跃，新型控制器不断诞生，传统以继电器为主体的顺序控制技术也焕然一新。
传统的顺序控制是以继电器为主体构成的控制回路实现特有的顺序控制步骤的技术，控制柜是根据不同的控制顺序要求而设计的非批量产品。
而引入计算机技术的新型控制器把顺序的执行步骤保存在存贮器中，因而顺序的变更极其容易。
由于硬件的构成不依赖个别顺序，所以这样的控制器形成了批量生产方式。
各过程顺序的内容虽然不同，但每个顺序都可以由批量生产的控制器程序来实现，所以新型的顺序控制系统以软件为中心。
从传统的顺序控制到当今的顺序控制，系统在各个方面都发生了较大的变化，顺序控制技术的发展历史基本可以分成以下几个阶段。
（1）顺序控制被认为是从1804年Jacquard发明了穿孔带式纺织机开始的。
1824年sturgeon制成了电磁石，在此基础上，1836年Henry发明了电磁继电器，1847年Bool提出了作为顺序控制基础理论的布尔代数，1938年Shannon又把顺序控制理论应用于通信技术推动了通信技术的发展。
在上述理论、技术的基础上形成了成熟的顺序控制技术。
（2）20世纪40年代，操作者一控制柜一控制对象这种顺序控制系统的原形被确立。
20世纪60年代，随着远距离监视技术的引人，形成了操作者一操作台一控制柜一控制对象的状态控制与监视操作，控制被分为两个部分，一部分担当控制操作功能，一部分具有控制动作功能。
到了六七十年代远距离监视开始走向集中化、大规模化。
（3）20世纪60年代初，电子技术的进步又使控制回路向电子化、无节点化迈进。
由晶体管构成的无节点继电器使得控制装置的小型化和可靠性得到改善。
（4）20世纪60年代后半期，集成电路化的微型计算机的出现使得顺序控制器可以在线使用1968年GelleralMotor公司为了适应汽车车型不断翻新的要求，发表了以计算机为核心的顺序控制器的设计书.美国数字设备公司（DEC公司）首先响应，于1969年开发了新型顺序控制器一可编程控制器（PLC）。
PLC的出现为顺序控制技术的发展以及推广注入了强劲动力。
（5）20世纪70年代末，出现了16位微处理器、单片式微处理器和多个微处理器的PLC机种，只要用一台PLC就可以实现具有各种功能的顺序控制同时，控制装置的另外一个重要分支－－一分散控制系统也出现并用到顺序控制中。
（6）80年代至今，PLC的通信功能更加完善，网络类型以及网络速度都在不断提高。
PLC控制功能（包含顺序控制、反馈控制、管理信息处理等）逐渐完善。
2.1.2、顺序控制的基本概念
所谓控制就是为了适合某种目的，在对象上施以必要的操作。
所谓适合某种目的，
在反馈控制中就是输出要与设定值一致，而在顺序控制中就是使控制动作按预先设定好的顺序进行。
为此我们这样来定义顺序控制：
按预先设定好的顺序或按一定逻辑设定的顺序使控制动作逐次进行的控制。
图2–1表示顺序控制系统概念，从图中可以看出，顺序控制没有设定值的概念而用于作业命令代替设定值。
顺序控制系统的作业命令、检测信号及命令处理的输出主要是数字量。
在顺序控制系统中控制装置主要包含以下部分：
图2–1顺序控制系统概念图
控制指令装置：
按压式开关、钮扣式开关、旋转开关等；
执行机构：
电磁开关、伺服电动机、电磁阀等；
检测装置：
限位开关、电位器、光电开关、温度开关、测速发电机、译码器、编码器等；
监视装置：
指不灯、蜂鸣器、指示计、CRT显示器等；
顺序控制装置：
继电器、计数器、PLC、计时器以及其他基于计算机的控制[3]。
2.1.3SCS的控制分级[4]
随着单机容量的增大，火电机组的自动控制系统越来越复杂，整个机组的顺序控制逐步形成了分级分层控制结构。
顺序控制系统大致可分为3级控制（图2–2），即机组控制级、功能组控制级、功能子组控制级和设备控制级。
图2–2程序控制系统分层
1-机组控制级2-功能组控制级3-设备子组控制级4-设备控制级
1．机组控制级为最高一级的控制。
当顺控制系统接收到机组起动指令后，将使机组从起始状态按程序控制步序起动至某一负荷，其起动过程只需在控制程序中设置少量断点，由运行人员确认并按下操作钮后自动进行。
当机组起动控制功能组执行完毕后，发出完成信号至主控系统，即机组起动控制结束。
机组级控制并不等于机组起停全部为自动控制，它需要必要的人工干预。
在邯峰电厂、阳城电厂、兆光电厂等在顺序控制系统中均设计了机组级控制，基本上实现了整套机组的“一键起动”。
机组控制级的控制功能包括：
1）机组起动方式的预选择和协调，可有极热态、热态、温态、冷态4种机组起动控制方式；）运行方式的预选择和协调，可选协调方式、汽轮机跟随方式、锅炉跟随方式、手动方式；3）运行机组的起动和停机程序；4）必要的控制操作；5）运行方式的切换；6）机组运行过程控制，如机组协调功能、机组定值控制、热应力校正、压力设定值设定、频率前馈及快速减负荷等。
2．功能组级控制[3]
功能组级控制是将相关联的一些设备相对集中地进行启动和停止的顺序控制。
当运行人员发出功能组启动指令后，同一功能组的相关设备将按照预先规定的操作顺序和时间间隔自动启动。
一个功能组一般以某一台重要辅机为中心，例如，引风机的顺序控制功能组就包括了引风机及其相对应的冷却风机、风机油站和电动机油站、烟风道挡板等设备，并按照预先设计好的程序，在启动或停止时，自动完成功能组的启动或停止。
在进行机组级控制时，需要所有的功能组级处于白动方式。
在600MW大型机组中，SCS按照工艺系统的特点，机组辅机设备和系统，一般包括40个左右的功能组，这些功能组接受启停操作指令，完成相应的控制功能。
以某电厂600MW机组为例，该机组的SCS包含40个功能组：
（1）主汽轮机盘车。
（2）主汽轮机液力油。
（3）凝汽器真空泵。
（4）汽轮机轴封汽。
（5）汽轮机疏水到凝汽器扩容器。
（6）汽轮机疏水到大气扩容器。
（7）发电机冷却气密封油。
（8）发电机定子冷却水。
（9）锅炉预清洗。
（10）锅炉启动充水。
（11）过热器排汽。
（12）省煤器和水冷壁排汽。
（13）电动给水泵。
（14）给水泵汽轮机BFPTA辅助油泵。
（15）BFPTA液力泵。
（16）BFP以盘车。
（17）汽动给水泵‘TDBFPA以轴封汽。
（18）BFPRB辅助油泵。
（19）BFPTB液力泵。
（20）BFPTB盘车。
（21）BFPTB轴封汽。
（22）密封水收集箱泵。
（23）闭式冷却水泵。
（24）河水升压泵。
（25）凝结水补水泵。
（26）凝结水泵。
。
（27）重油泵。
（28）轻油泵。
（29）一次风机A。
（30）一次风机B。
（31）开式冷却水泵。
（32）暖风器冷凝泵。
（33）雨水排水泵。
（34）锅炉烟风通道。
（35）送风机A。
（36）送风机B。
（37）引风机A。
（38）引风机B。
（39）BFPTS疏水阀。
（40）磨煤机。
使用功能组启停的优点是操作员的操作项目大大减少，提高了自动化水平和启停效率。
不过功能组控制要求有关设备性能良好，工作正常。
如果某一个环节（如设备动作的反馈信号或发信开关）出故障，则功能组就进行不下去．并送出“功能组启动（停止）失败”信号。
因此在设备选型、保管、安装和调试阶段，都应该严格保证质量。
3．设备级控制
设备级控制是顺序控制系统的基础，即不用功能组，而对同属于一个功能组的若干设备分别进行控制。
操作可以在操作员站的键盘、鼠标上进行，通过CRT屏幕来监视现场没备、也可以在BTG盘上进行遥控操作。
设备级控制也有自动和手动两种方式。
在自动方式下，既可以接收功能组的启停指令，又可以根据有关设备的运行状态和运行参数，而自动进行启停操作。
以凝汽器真空泵A为例，其控制原理如图2–3所示。
图2–3凝汽器真空泵A控制逻辑
当满足下述条件之一时，真空泵B自动启动连锁，真空泵B自动跳闸，则自动启动真空泵A：
（1）功能组启动命令.
（2）真空泵B自动跳闸。
（3）真空泵B运行30s后，凝汽器真空仍低。
当满足以下条件之一时，真空泵A自动停止连锁，则自动停止真空泵A。
（1）功能组停止命令。
（2）真空泵A电动机定子温度大于155℃，或电动机轴承温度大于100℃.
（3）真空泵A补给水温度高
（4）真空泵A分离器水位低
在手动方式下，运行人员在操作员站键盘上发布命令，即可启动、停止真空泵。
2.2大型火电机组顺序控制的内容
机组的SCS一般包括机组自启停系统（机组级控制）、功能组级以及设备级控制系统。
SCS的控制分级在上一节前面部分已经进行过说明，说明了三个控制分级的层次关系以及控制范围。
以下则具体分析SCS的控制内容。
2.2.1机组自启停系统[3]
机组自启停顺序控制系统，其功能是使机组在冷态、温态（机组停运不足36h）或热态（机组停运不足l0h）等方式下启动，直到机组带一定负荷（例如满负荷），以及在任何负荷下，将机组负荷降到零。
实现机组级自启停是个非常复杂和困难的课题，因为这不但要求自动控制逻辑完善成熟，机组运行参数及工艺准确详实，而目对设备本身也提出了很高的要求。
以往国内也曾经试过，结果往往因为各种原因最后没有投运。
在大型单元机组顺序控制系统中，机组自启停系统作为SCS的一部分，一般在DCS中实现，故自启停系统作为DCS的个独立结点，占有DCS的过程控制单元（PCU一ProcessControlUnit）。
以下以某电厂的机组自启停系统为例来进行说明[3]。
1.APS一自启停控制系统
机组自启停系统可分为三层。
第一层为操作管理逻辑。
其作用是选择和判断APS是否投入，选择启动模式还是停止模式；选择断点（APS使用断点方式进行机组自启停控制）及判断该断点允许条件是否成立，如果条件成立则使断点进行在断点的选择上，可以直接选择最后一个断点，则其产生的指令会自动判断前面的断点是否已完成，如没有完成则先启动前面末完成的断点，即具有判断选择断点功能，从而实现机组的整机启动。
第二层为步进程序。
是APS构成的核心内容。
第三层为各步进行时产生的指令，即产生送至各个控制系统的功能组命令。
从图中还可以看出，APS的控制对象是机组的各控制系统，这此系统协调完成机组自启停，主要有：
①机组自动控制系统；②燃烧管理控制系统；③数字电液调节系统；④锅炉给水泵小汽轮机调节系统；⑤锅炉顺序控制系统；⑥汽轮机顺序控制系统；⑦其他控制系统。
机组自启停并不是所有动作都自动完成，还是需要一定的人工干预在APS系统中使用断点方式来完成人工干预。
用APS进行机组自启停控制，可实现从机组启动准备到带35％负荷，以及由减负荷至停炉的自动控制。
APS分启动模式和停止模式，分别包含6个断点程序。
在机组自动启动模式下，设置的6个断点分别是：
①机组启动预准备断点；②炉膛吹扫及油枪点火断点；③建立真空断点；④汽轮机升一速断点；⑤并网及带初负荷断点；．⑥升负荷断点。
机组在自动停止模式下，设置的断点有：
①减负荷断点；②最小负荷断点；③解列断点；④汽轮机跳闸盘车断点；⑤真空破坏及燃烧器退出断点；⑥停炉断点。
在机组自动启动模式下，当进行第6个断点（即升负荷断点）时，当机组负荷达到APS设定负荷，即35%（250MW）时，APS发出指令使APS进行负荷控制并投人协调控制方式。
断点6完成后APS退出，此时机组的自动启动已完成，机组负荷由APC协调系统控制升至操作员的设定值或由中调（AGC）给出的设定值。
APS中每个断点包含按运行程序进行的各个操作步骤，也就是每个断点的进行程序相当于一个步进程序。
每个断点都具有逻辑结构大致相同的步进程序，其基本结构见图2–4（以机组启动预备断点为例）。
由图2–4分析可知：
该步进程序结构分为允许条件判断（与门），步复位条件产生（或门）及步进计时。
当该断点启动命令发出，而且该断点无结束信号，则步进程序开始进行，每一步需确认条件是否成立，当该步开始进行时，同时使上一步复位。
如果发生步进时间超时，则发出该断点不正常的报警。
断点进行程序时产生的指令，送至各个控制系统，控制相应的设备或系统协调动作。
例如，在图2–4中产生的“循环水组“ON”指令通过以太网传输到汽轮机顺序控制系统（T-SEQ）实现循环水组的启动。
当该组启动完毕，则由汽轮机顺序控制系统返回“循环水组启动完毕”信号到APS，控制下一步程序的运行。
由整个DCS的构成分析，机组自启停系统能否全面投人运行操作的关键，是各个控制子系统的自动投人情况，其中锅炉、汽轮机顺序控制系统，燃烧器管理控制系统和机组自动控制系统的投人情况最为关键。
图2–4APS步进程序框图
图2–4APS步进程序框图的工作过程：
该断点启动命令发出，逻辑为1，通过第一个非门后变为0，和送来的断点完成命令逻辑1，通过R-S触发器后置为0，再通过第二个非门，变为1，和送来的断点启动命令，逻辑1，通过第一个与门，变为1，步进计时开始。
第一个与门产生的逻辑1通过第三个非门后变为0，再与假设从第二个R-S触发器产生的逻辑为1，通过第一个或门变为1，而此时断点启动命令结束，变为逻辑0，和通过第一个与门送来的逻辑1，通过第二个与门变为逻辑0，通过脉冲器后与第一个或门的1，通过R-S触发后置为1
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