3-4机炉协调控制系统.docx

第三篇模拟量控制系统(MCS )第四章 机炉协调控制系统编写人：蔡云贵第一节概述一、基本概念协调控制系统是单元机组的负荷控制系统，由早期的锅炉跟随汽机或汽机跟随锅炉 的负荷控制系统发展而来，它是由汽机和锅炉协调动作，共同实现机组的负荷控制：一 方面，控制机组输出功率，满足电网负荷要求；另一方面协调汽机及锅炉各子系统，控 制机前压力，使机组得以稳定运行。二、系统工作的基本原理协调控制系统的原则性方框图如下：图3-4-1机炉协调控制方式原则性系统方框图W")汽机调节器；wt2(s)-锅炉调节器功率偏差和汽压偏差同时送到汽机调节器wT1（s）和锅炉调节器WT2（s）,在稳定工 况下，实发功率N E等于功率给定值N 0 ,机前压力P 丁等于压力给定值P °。当中调要求 增加负荷时，将出现一个正的功率偏差信号（N °-N e）,此信号通过汽机调节器开大调 节阀，增加实发功率，同时，这个信号也作用到锅炉调节器，使燃料量增加，增加蒸汽 流量。当调节阀开大时，会立即引起机前压力下降，尽管此时锅炉已经开始增加燃料 量，但由于燃料-机前压力通道有一定惯性，这时仍然会有正的压力偏差（P °-P T）信号 出现。这个信号按正方向作用到锅炉调节器，继续增加燃料量，同时反方向作用到汽机 调节器，力图使汽压恢复到正常值。正的功率偏差信号和负的压力偏差信号作用的结 果，会使调节阀开大到一定程度后停止，这时汽机实发功率还没有达到功率给定值，这 种状态只是暂时的，因为正的功率偏差信号与负的汽压偏差信号同时通过锅炉调节器 增加锅炉燃料量，随着机前压力逐渐恢复，压力偏差逐渐减小，这时，汽机调节器在正 的功率偏差信号作用下继续开大，提高实发功率，直到功率和汽压均与设定值相等，机 组达到新的稳定状态。第二节系统分类协调控制系统的性能日趋完善，高性能的协调控制系统有以下主要特点：（1）为了迅速地满足电网调频要求，尽快从控制系统方面提高机组的负荷适应 性，为此采用了前馈回路，以便充分利用锅炉的蓄热量；（2）不仅要求反馈回路保证机炉能协调工作，而且要求努力提高前馈回路的动态 和静态补偿精度，使机炉在响应电网负荷要求时，能更好地协调工作；（3）负荷控制系统的范围不断扩大，不仅要在正常运行时能实现负荷自动控制， 而且要求在机组异常时，能在保护系统配合下自动地处理事故和切换控制系统。协调控制系统可按反馈或前馈回路不同进行分类：一、反馈回路分类1. 以汽机跟随为基础的协调控制系统汽机跟随方式的特点是功率改变时，功率响应缓慢而汽压波动小，不能充分利用锅 炉的蓄热量。要想改善这种控制系统的功率响应特性，必须设法利用锅炉蓄热量，为 此，在汽机跟随控制方式的基础上，允许汽压在一定范围内波动，构成以汽机跟随为基 础的协调控制系统，如图3-4-2所示。功率偏差信号（N0-Ne）可以看作是暂时改变的 汽机调节器的给定值。当（no-ne）o时，汽压给定值降低，汽机调节器wti（s）发出开 大调节器的指令，增加输出功率，反之亦然。非线性元件的线性区（汽压允许变化范 围）可由机组运行特性确定。2. 以锅炉跟随为基础的协调控制系统这种协调控制系统是在原有的锅炉跟随控制系统基础上增加一个非线性环节形成 的，如图3-4-3所示。当汽压偏差超过非线性环节的不灵敏区时，汽机调节器W“（s）发 出的调节阀开度指令将受到限制。汽机和锅炉调节器wti（s）、wt2（s）的参数可按锅炉跟 随控制方式的参数整定方法进行整定。图3-4-2汽机跟随为基础的协调控制系统图3-4-3锅炉跟随为基础的协调控制系统wti（s）-汽机调节器；wt2（s）锅炉调节器二、按前馈回路分类单元机组负荷控制系统的任务之一是保证汽机和锅炉之间能量供求关系的平衡。为 了改善控制系统的性能，在上述两种反馈回路的基本方案基础上，增设了前馈回路，使 机炉之间能量平衡关系在将要失去平衡或者不平衡刚刚发生的时候，即可按照机炉双方 的特性，采用适当的前馈信号，使能量的失衡限制在较小的范围之内。常见的有以下两 种：1.按指令信号间接平衡的协调控制系统系统原理图如图3-4-4所示。系统的特点是用指令间接平衡机炉之间的能量关系， 属于以汽机跟随为基础的协调控制系统。汽机调节器PI的任务是维持机前压力Pt等于 给定值p0，但在负荷变化过程中，要利用功率偏差（n0-ne）修正汽压给定值，以便利 用锅炉的蓄热量。压力给定值的修正作用是经由双向限幅器送到汽机调节器入口的加法 器上，限幅器的线性区是汽压允许波动范围。汽机调节阀开度指令0图3-4-4按指令信号间接平衡的协调控制系统由图可见，汽机调节器入口输入信号的平衡关系为（1 + s）N0-Ne + Kp（ PT-P0）=0式中 s 一微分算子；K 一比例系数。P在稳态时上式为P -P =0T 0锅炉燃烧率指令Nm为N =（ 1 + s）N +K （ P -P）+ K N 1/s（ N -N）M0 P 0 TN 00 E式中 Kp、Kn 一比例系数；s 一微分算子；1/s 一积分算子。锅炉燃烧率指令送往锅炉的燃料和送风调节系统（对直流锅炉还要送往给水调节系 统）。上式中功率指令N0的比例微分是前馈信号，微分项在动态过程中加强燃烧率指令， 以补偿机炉之间对负荷响应速度的差异。稳态时汽压偏差（P0-Pt）信号为零，它在动态 过程中有适当修正燃烧率指令的作用。汽压偏差信号反映了使汽压恢复到汽压给定值时 锅炉蓄热量变化所需要的燃料量。上式中的最后一项为功率偏差的积分校正，用来校正 燃烧率指令，以保证机组的功率偏差和汽压偏差稳态时都为零，其校正过程时通过锅炉 和汽机两个控制回路完成的。2.能量直接平衡协调控制系统这种系统的一个主要特点是采用能量平衡信号pi/pt取代功率指令信号N0，作为锅 炉控制回路的前馈信号，其中P1为汽机速度级后压力，Pt为机前压力，两者的比值 P1/PT与汽机调节阀开度成正比，无论什么原因引起的调节阀开度变化，P1/PT都能对调 节阀开度的微小变化作出灵敏的反应。所以，无论在动态还是静态，P1/PT都反应了汽 机调节阀开度，即汽机输入能量。这种方案的原则性系统如图3-4-5所示。功率偏差信 号（N0-ne）送入汽机控制回路，机前压力pt作为锅炉的燃烧率指令。这个系统属于以 锅炉跟随为基础的协调控制系统。P0PtP1N0 Ne锅炉燃烧率指令汽机调节阀门开度指令图3-4-5能量直接平衡协调控制系统汽机调节器PI输入信号的平衡关系为（1 + s）N0-KP1 + 1/s（N0-Ne）Kn = 0式中Pi 一汽机速度级后压力，此信号可用Pi/Pt代替；K、Kn 一比例系数。由上式可见，汽机控制回路中的功率指令No的反馈信号不是实发功率，而是汽机 速度级后压力Pi （或Pi/Pt），因为Pi信号对汽机调节阀开度的响应比实发功率灵 敏，固汽机调节阀能迅速而平稳地响应功率指令的变化。由图3-4-5可知，锅炉燃烧率指令Nm为NM=1+（P1/PT） sP1/PT + K/s （P0-PT）由上式可见，燃烧率指令的前馈信号不是功率指令，而是能量平衡信号P1/PT，式 中微分项在动态过程中加强燃烧率指令，以补偿机炉之间对负荷要求响应速度的差异。由于要求动态补偿的能量不仅与负荷变化量成正比，而且还与负荷水平成正比，所以微 分项要乘以P1/PT值。第三节单元机组协调控制系统实例一、首阳山电厂#3、#4机组（300MW）协调控制系统首阳山电厂#3、#4机组协调控制系统有三种工作方式：协调方式、汽机跟随方式、 锅炉跟随方式。其中的协调方式原理方框图如图3-4-6所示。按前馈回路属于按负荷指 令信号间接平衡的协调控制系统。通过整定汽压偏差信号和功率偏差信号的系数K1、 K2、K3、K4，可将系统整定为以汽机跟随为基础的协调控制系统或以锅炉跟随为基础的 协调控制系统。锅炉控制回路引入功率指令的微分作为前馈信号，加强锅炉的负荷响应能力，以补 偿机炉之间对负荷要求响应速度的差异。锅炉调节器的汽压偏差限幅器和功率偏差限幅 器都是限制锅炉燃烧率变化幅度，防止造成锅炉燃烧不稳定，其线性区可根据锅炉运行 特性确定。P0 PtN0虹锅炉燃烧率指令汽机调节阀门开度指令图3-4-6首阳山电厂#3、#4机组协调控制系统（协调方式）汽机调节器功率偏差限幅器是汽压允许波动范围，其线性区可根据机组运行特性确 定。到汽机调节器的汽压偏差有一个死区限制，当汽压偏差超过死区时，汽机调节器发 出的调节阀开度指令将受到限制。二、河口电厂#1、#2机组（350MW）协调控制系统鸭河口电厂#1、#2机组协调控制系统有四种工作方式：功率控制方式（协调方 式）、锅炉跟随方式、汽机跟随方式、初始压力控制方式。其中的功率控制方式原理性方框图如图3-4-7。从图中可知，按反馈回路，属于以锅炉跟随为基础的协调控制系 统；按前馈回路，属于能量直接平衡的协调控制系统。汽机调节器输入信号的平衡关系 为（N° + f）*0式中的 f作为功率指令的一部分，使机组在出力允许的情况下在一定程度上参与 一次调频。从图3-4-7得出锅炉燃烧率指令Nm为Nm=P0 x P1/PT（1 + s）+K/s （ P0-PT ）式中前馈信号的微分项在动态过程中加强锅炉燃烧率指令，以补偿机炉之间对负荷 要求响应速度的差异。由于机组的运行特性是在5%负荷以上到额定负荷350MW都是滑 压运行，所以前馈信号要乘以压力给定值Po，以加强锅炉对负荷的适应能力。锅炉燃烧率指令NeNo f汽机调节阀门开度指令图3-4-7鸭河口电厂#1、#2机组协调控制系统（功率控制方式）第四节 系统现场调试及投入一、分系统调试（一）变送器、一次元件校验。（二）给粉机或给煤机转速控制回路和转速反馈回路的调整。（三）I/O模件（模拟量、开关量）通道校验。（四）检查与DEH的接口回路。（五）组态软件调试检查、修改控制系统组态中的错误，补充组态中的遗漏。检查各运算回路的运算 正确性，不正确，则修改正确。需要检查的内容如下：1. 功率控制回路。检查功率形成回路、负荷变化速率回路、负荷高低限回路、闭 锁增/减的逻辑是否正确。2. RUNBACK、RUNDOWN回路逻辑检查。3. 主汽压力设定回路。检查主汽压力设定点变化速率回路、压力高低限回路逻辑 是否正确。4. 汽机跟随方式回路逻辑检查。5. 锅炉跟随方式回路逻辑检查。6. 协调控制方式回路逻辑检查。7. 系统工作方式切换逻辑检查。（五）静态试验1. 静态参数整定计算各函数校正块的数据，设置自动控制系统组态中各模拟量的量程，各功能块的 静态参数，设置各高低报警和偏差报警的上下限值。2. 开环试验模拟协调控制系统运行条件，做开环调节试验，检查信号流程、方向，执行机构方 向，调节器方向，做手/自动的无扰切换试验、跟踪试验、动作方向试验、联锁动作试 验、越限报警试验，各工作方式（汽机跟随、锅炉跟随及协调方式）之间的无扰动切 换。二、整套启动调试（一）带负荷阶段在整套启动带负荷调试期间，机组带75%额定负荷稳定运行，且以下系统投入稳定 运行：燃料量调节系统送风及氧量校正调节系统给水调节系统主汽温度调节系统再热汽温调节系统炉膛负压调节系统汽机电液调节系统进行系统试验和投运。1. 汽机电液调节系统特性试验将汽机电液调节系统投入远方控制，由汽机主控改变汽机负荷，在75100%之间做 负荷变动试验，负荷改变量为10% ,上下各做一次，记录每次试验的主汽压力和机组负 荷的变化曲线。2. 锅炉特性试验（燃料量变动试验）由锅炉主控改变燃料量，在75100%之间变化，燃料变化量为10%，上升下降各做 一次。记录燃料量主汽压力曲线、燃料量负荷曲线。3. 系统的整定及投入利用以上试验所得的曲线估算出调节器的控制参数，设置到调节器中。系统按各种 方式（汽机跟随方式、锅炉跟随方式及协调控制方式）分别整定。在机组运行较稳定的情况下，将系统投入自动（闭环运行），注意观察系统的工作 情况，如有异常则迅速切除自动，进行检查。在系统运行正常后，可进行扰动试验，检 查调节品质是否符合要求，如有必要可对参数进行修正，直到满意为止。（二）负荷变动试验1. 试验目的在机组带负荷试运期间，在机组带大负荷能稳定运行的情况下，需要做模拟量 控制系统负荷变动试验，以检查协调控制系统及各模拟量控制系统的调节品质，以 及适应负荷变化的能力。2. 负荷变动范围负荷变动试验的负荷变动幅度为机组额定负荷的15%,负荷实际变化速率为10. 5MW/min。3. 试验步骤1）逐步投入以下各主要系统的自动调节回路：主蒸汽压力调节系统锅炉给水调节系统主蒸汽温度调节系统再热蒸汽温度调节系统炉膛压力调节系统送风及氧量校正调节系统除氧器、凝汽器及各加热器水位调节系统2）在各回路自动调节系统工作稳定后，投入协调控制系统机炉协调方式，进 行动态参数整定。3）当机组协调控制投入稳定后进行负荷变动试验。（1）负荷变化率设置为10. 5MW/min。（2）以机组额定负荷的15%阶跃量减少机组目标负荷指令。观察负荷相应情 况并记录机组负荷及各参数变化数据。（3）待机组负荷及运行参数稳定后，以机组额定负荷的15%阶跃量增加机组 目标负荷指令。观察负荷响应情况并记录机组负荷及各参数变化数据。（4）如果试验结果不合格，微调相关的控制参数后，重复上面的试验3步， 直到试验结果合格为止。4. 模拟量控制系统应达到的指标：被控参数负荷变动过程中的动态偏差负荷变动过程中静态偏差主蒸汽压力+ /- 0. 6MPa+ /- 0. 3MPa主蒸汽温度+ /- 10 °C+ /- 5 C再热蒸汽温度+/- 10C+ /- 5 C汽包水位+/- 60mm+/- 30mm炉膛压力+/- 200Pa+/- 100Pa烟气含氧量+ /- 2%+ /- 1%除氧器水位+ /- 25 0mm+/- 100mm被控参数负荷变动过程中的动态偏差负荷变动过程中静态偏差凝汽器水位+/- 200mm+/- 100mm高加水位+ /- 70mm+/- 35mm低加水位+ /- 70mm+/- 35mm实际功率+ /- 10. 5MW+ /- 5. 5MW（三）满负荷试运阶段将协调控制系统投入，考核其连续投入时间和累积投入时间。要达到相关的启动验 收规程。