1、 1课 程 设 计 说 明 书学 生 姓 名 : 学号：学 院 :班 级 :题 目 : 300MW 火电机组协调控制系统指 导 老 师 :2010 年 12 月 23 日21 选题背景1.1 设计目的通过本课程设计，使学生能较好的运用过程控制的基本概念、基础理论与方法，根据大型火电机组的生产实际，对火电机组的过程控制系统进行分析，设计出原理正确，功能较为全面的 300MW 火电机组协调控制系统。随着单元机组的发展，必须将汽轮机和锅炉作为一个整体进行控制，而机、炉的调节特性有相当大的差别，锅炉是一个热惯性大、反应很慢的调节对象，而汽轮机相对是一个惯性小、反应快的调节对象。因此要用协调控制系统，保
2、证在满足负荷要求的同时，保持主要运行参数的稳定。1.2 设计内容和要求 （1）负荷指令管理部分输入参数：外部负荷要求指令（就地指令，中调指令 ADS，电网频率变化所要求负荷指令） 。输出参数：实际负荷指令 ，锅炉负荷指令。负荷指令限制回路：a、最大/最小允许负荷限制回路b、负荷返回回路（RB）常用辅机：送风机、引风机、给水泵、发电机失磁、备用、规定返回速率c、迫升/迫降回路（RUN UP/DOWN）d、闭锁增/减回路（BLOCK INCERASE/DECREASE）e、负荷快速切断回路（Fast Cut Back）负荷操作：LMCC（负荷管理中心）面板:增、减负荷按钮：中、高、低速选择；速度限
3、制（速率整定在 3%-5%）（2）机炉负荷控制部分：输入参数：第一级压力 ，机前压力 、机前压力定值 、锅炉负荷指令、实3际负荷指令 、频率偏差 、实发功率输出参数：锅炉指令、至 DEH 的负荷指令锅炉主控制器：a、前馈信号形成 b、机前压力定值形成定压、滑压汽机主控：三个调节器：汽机机前压力调节器、电功率调节器、蒸汽流量调节器工作方式：a、以锅炉跟随为基础的 CCS（功率控制） b、锅炉跟随（非电功率）c、汽机跟随（电功率） d、手动系统跟踪：a、汽机基本，且汽机处于（就地）控制时，实际负荷指令跟踪 DEH 负荷基准b、炉基本时，锅炉主控指令跟随锅炉负荷指令c、非功率控制方式时，电功率调节器
4、输出跟踪 ，蒸汽流量调节器输出跟踪DEH 负荷基准。d、在炉基本或功率控制时，实际负荷指令跟踪 DEH 负荷基准。2 系统设计原理单元机组负荷控制系统通常由两大部分组成：负荷指令管理部分和机炉负荷控制部分。负荷指令管理部分的主要作用是对外负荷要求指令（或称目标负荷指令）进行选择并加以处理，使之转变为单元机组安全运行所能接受的实际负荷指令 ，并作为机组功率给定值信号。机炉负荷控制部分的主要作用是：根据机组的运行条件及要求，选择合适的负荷控制方式，按实际负荷指令 ，以及机组的功率偏差 和主蒸汽压力偏差 进行控制运算，分别产生对机、炉侧的控制作用。作为机、炉有关子控制系统协调动作的指挥信号，分别称为
5、汽轮机主控指令（或汽轮机4负荷指令） 和锅炉主控指令（或锅炉负荷指令） 。图 2-1 单元机组负荷控制系统的组成2.1 负荷指令控制部分如图 2-2 负荷指令管理部分通常接受来自三个方面的负荷指令，形成单元机组的目标负荷指令，他们是：电网中调指令 ADS、就地指令和电网频率变化所要求的负荷指令 。负荷指令管理部分大致有两部分组成：负荷指令运算回路和负荷限制回路。5图 2-2 负荷指令控制部分2.1.1 负荷指令运算回路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负荷指令的形成方式；（2）考虑到汽轮机等主要设备的热应力变化的要求和机组负荷的跟踪能力，对 目标负荷指令进行适
6、当的变化率限制；（3）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做出规定。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，或危及机组的安全运行时，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，负荷返回回路（RB） ，快速负荷切断回路（FCB） ，负荷闭锁增/减（BLOCK I/D）回路和负荷迫升/降（RUN UP/DOWN）回路。2.2.3 实际负荷指令形成系统是速率限制模实际负荷指令是由中
7、心调度的负荷指令信号（ADS）或者机组值班员负荷设定信号经过速率限制，机组最大负荷和最小负荷限制形成，或者是由机组发生故障时发来的负荷限制信号形成。当负荷设定是，运行人员可以就地操作 LMCC（负荷管理中心）面板上的增、减负荷按钮。按下时，经过逻辑线路控制发出斜坡升 RAMP UP（或斜坡降 RAMP DOWN）负荷的操作。斜坡升（降）速率可以在高、中、慢速三档之间选择，按钮松开时，负荷处于保持状态（HOLD） 。负荷设定也可以由 ADS 设定，这时须在面板上按负荷控制的 ADS 按钮，当 ADS 灯亮后，表示处于 ADS 方式，再按一次按钮则可以解除 ADS 作用。是速率限制模块，它能将阶跃
8、变化的负荷指令信号变成一个斜坡信号，一般斜坡速率整定在 3%-5%。机组还设有负荷返回回路（RB） ，当送风机、引风机、给水泵、发电机失6磁、备用等项目其中之一发生故障，就使机组甩负荷，直到负荷降到没有这些停运设备也能保持机组继续运行的水平。对于不同的辅机故障，甩负荷的目标值和速率是不同的，须分别设置。甩负荷操作由相应的逻辑线路控制。2.3 机前压力定值的形成机前设有滑压运行和定压运行两种工况，因此具有不同的压力定制，压力定制曲线如图 2-2 所示。图 2-2 联合运行方式特性曲线2.3.1 负荷报警如图 2-3.，实际负荷指令在加入机前压力设定系统的同时加入到负荷报警系统。图 2-3 复合报
9、警方框图2.3.2 机前压力定值的形成7机 前 设 有 滑 压 运 行 和 定 压 运 行 两 种 工况，因此具有不同的压力定值，压力定值曲线如图 2-4 所示。当 逻 辑 条 件 为 “真 ”时 ， 机 组 处 于 定 压 运 行 方 式 ， 此 时 ， 机 前压 力 定 值 器给出的设定 值 通 过 速 率 限 制 器 后 作 为 压 力 定 值 。 设 置 速率限制器的目的在于防止在压力定值变化时，输 出 压 力 定 值 信 号 发 生 突 变 ， 实 际上 是 一 个 斜坡处理过程。这对控制系统的工作是有利的。同 样 道 理 ， 对 于 由定 压 到 滑 压 之 间 切 换 过 程 来
10、说，速率限制器也将信号突变转换为一个渐变过程。当 逻 辑 条 件 为 “假 ”时 ， 机 组 处 于 滑 压 运 行 方 式 。图 2-2 中所示滑压运行曲线由调 节 器 ， 函 数 发 生 器 及 高 、 低 值 限 幅 器 实 现 。 先 暂 不 考虑 PI 作 用 调 节 器 ， 则 由 负 荷指令通过 函 数 发 生 器 f(x)可 建 立 一 定 的 斜率 曲线（图 2-2 中斜线部分），此线斜率按给定的负荷压 力 关 系 确 定 。 图 2-2 中 两 段 水 平 部 分 分 别 由 高 、 低 值 限幅器实现，函数发生器来的信号大 于高 值 限 幅 器 设 定 信 号 时 ， 信
11、 号 以 高 值 限幅设定值为输出；函数发生器来的信号小于低值限 幅 器 设 定 信 号 时 ， 信 号 受 到 限 制 以 低 值 限幅器设定值为输出。因此，在不考虑调节器条件下，利用上述原理可实现事先设定的滑压曲线。实 际 情 况 是 ， 由 于 种 种 原 因 ， 在 给定负荷时，按滑压曲线上压力运行的话，调节=阀开度并 不 一 定 能 保 证 所 要 求 的 数 值 。 为 此，设置一个比例积分调节器，其入口信号为调节阀门开度和滑压运行时的调节阀给定值。当调节阀门开度偏离其给定值时，通过调节器输出信号与函数发生器来的信号相加，改变滑压曲线斜率，以保证调节阀开度为定值。24248图 2-
12、4 机前压力定值的形成2.3.3 机前压力形成如图 2-5 机前设有滑压运行和定压运行两种工况，因此具有不同的压力定值。图 2-5 机前压力形成2.4 机炉负荷控制部分图 2-6 是机炉负荷协调控制系统主控图，可分为机、炉两部分。2.4.1 锅炉主控制器锅炉主控制调节器接收主汽压力偏差信号和前馈信号，发出锅炉主控指令，去控制燃料和送风两个子系统。锅炉主控主要由以下几部分组成：（1） 锅炉热量信号的形成此系统通过 d/dt 和连接形成热量信号 。9（2） 前馈信号的形成此系统前馈信号采用 PTP0/P1+d (PTP0/P1 )/dt，K 为补偿系数。图 2-3中 是动态补偿模块，其传递函数是一
13、个实际微分与一阶惯性环节的叠加。微分作用保证前馈信号在机组负荷变化初始阶段有一定的过调，对克服锅炉对象惯性有利。f(x)是函数模块，其作用是将前馈信号转化为数值上与锅炉燃料量、风量相匹配的信号。（3） 燃料风量指令处理当系统处于炉跟随方式时，锅炉根据前馈信号产生的来产生锅炉指令即燃料风量指令；当系统 T 处于机跟随状态时， 根据逻辑电路产生的数字信号接如锅炉负荷指令 ，由此产生锅炉指令。2.4.2 汽轮机主控制器汽轮机主控制器原理如图 2-3 右侧部分所示，它由三个调节器组成。（1） 汽轮机机前压力调节器：它接受汽机调节阀前节流压力偏差，在机跟炉工况时，继电器接通，控制汽机调节阀，自动保持主蒸
14、汽压力为定值。（2） 电功率调节器和蒸汽流量调节器：在功率可变协调控制工况时，这两个调节器构成串级控制，目的是提高系统的品质和可靠性。主信号是实发功率，副信号是蒸汽流量（系统中用 代替） 。功率定值中加入频差信号 ，这是为与汽机液压系统中飞锤调频信号平衡而设置的。为了提高调节速度，加入了负荷的前馈信号，在非电功率控制的其他四种工况下，这两个调节器处于跟踪状态，电功率调节器输出跟踪 值，蒸汽流量调节器输出跟踪实发功率。10图 2-6 机炉负荷协调控制系统主控图2.5 控制方式从前馈角度来看，此系统为能量直接平衡协调控制系统。从反馈角度看，是炉跟随为基础的协调控制基础。2.5.1 汽轮机跟随方式此
15、时，继电器接通。这种方式的基本模式是汽轮机自动调压（闭环） ，锅炉手动调功（开环） 。CCS 的锅炉主控操作器 BM (Boiler Master)手动。按锅炉侧的工作状态，若锅炉主控 BM 处于自动状态（煤、风、水等子回路均投入自动）接受运行人员在 LMCC 上给定的锅炉指令定位，即是不带功率控制的汽轮机跟随自动方式。2.5.2 锅炉跟随方式此时，继电器接通，实际是一种以能量信号平衡的协调控制系统。这种方式的基本模式是锅炉自动调压（闭环） ，汽轮机手动调功（开环） 。汽轮机调门开度可以在 DEH 的操作板上或 CCS 的汽轮机主控操作器(Turbine Master，TM)上手动操作。按汽轮
16、机侧的工作状态，若汽轮机 DEH 控制处于遥控方式或汽轮机 TM 为自动状态，接受运行人员在负荷管理中心 LMCC 给定的汽轮机调门开度指令定位，即为不带功率控制的锅炉跟随自动方式。此时的系统已不是一般的机炉分别控制的炉跟随控制方式（虽有负荷指令，但无实发功率反11馈信号，故不能准确保证电功率） 。2.5.3 协调控制前馈控制回路控制信号来源的形式为按负荷指令进行的前馈控制。此时，继电器接通，锅炉侧闭环调节压力，汽轮机侧闭环调节负荷，但能准确保证电功率并参加一次调频。机组可通过逻辑线路来选择定、滑压运行方式。2.6 逻辑功能为了保证协调控制系统的安全可靠运行，系统配置了一整套严密的逻辑控制系统
17、，主要有机组局部故障处理逻辑、机组负荷给定值形成逻辑、控制方式切换逻辑三大类。2.6.1 锅炉基本控制方式选择逻辑当运行人员按下选择锅炉基本按钮、或出现自动转向锅炉基本信号、或门1 形成锅炉基本自动指令，此指令送人记忆复位元件 MR1，在汽机基本自动指令作用于其复位端之前，此指令信号永远保持，直到汽机基本自动指令将 MR1 元件复位端置零。当 MR1 输出为“1”时，可以看出它有以下几方面作用。（1） 信号送去继电器，使其带电后切换为锅炉基本方式。（2） 通过或门使锅炉基本自动指示灯亮，该灯位于 LMCC 面板上。（3） 信号送到与门，与另一路输入（锅炉主控手动信号经非门而形成的锅炉主控自动
18、信 号 ） 共 同 作 用 使 与 门 输 出 的 信 号 为 锅 炉 基 本 已 自 动 信 息 。 该 信号 送 到 或 门 ， 使锅炉基 本 已 自 动 灯 亮 ， 向 运 行 人 员 表 明 “锅 炉 基 本”的自动控制回路已真正接通，能进行“锅炉基 本 ”的 自 动 控 制 了 。 因 为 当 锅 炉主 控 仍 处 于手动时，也即在该处有锅炉基本所属自动控制信号的断点，是不能实现锅炉基本自动控制方式的。（4） 将 “锅 炉 基 本 已 自 动 ”的 信 号 送 至 “控 制 方 式 自 动 切 换 逻 辑 ”作 为 自 动 切 换 的 条件。（5） 在 或 门 中 与 锅 炉 主 控
19、 处 于 手 动 信 号 汇 合 作 为 锅 炉 调 节 器 跟 踪 信 号 。（6） 在 与 门 中 与 锅 炉 主 控 处 于 手 动 信 号 汇 合 ， 表 明 锅 炉 主 控 处 于 手 动 及选择了锅炉基本自动方式，此信号送到“实际负荷指令跟踪逻辑”去跟踪燃料量。12（7） 在 或 门 中 与 选 择 电 功 率 控 制 信 号 （ 来 自 MR3 输 出 ） 汇 合 ， 输 出作为汽机侧跟踪信号。2.6.2 汽轮机基本控制方式选择逻辑当运行人员按下选择汽机基本自动按钮或出现自动转向汽机基奉信号时，或门 1 形成锅炉 基 本 自 动 指 令 ， 此 指 令 再送入记忆复位元件 MR2
20、，当 MR2输出为“1”时，可以看出它有以下几方面作用：（1） 使继电器失电，切换为汽轮机基本控制方式；（2） 通过或门使汽轮机基本控制方式指示灯亮，该灯位于 LMCC 面 板 上 ；（3） 信号送到与门，后者另一路为汽轮机处于遥控信号，故输出处于汽轮机基本自动的信号，同时该信号送到或门，使汽轮机基本已自动灯亮，向运行人员表明汽轮机基本控制回路已真正接通；（4） 将 “汽 机 基 本 已 自 动 ”的 信 号 送 至 “控 制方式自动切换逻辑”作为自动切换的条件；（5） 在或门中与汽轮机处于手动信号汇合作为图 2-3 中汽机机前压力调节器跟踪信号；（6） 在与门中与汽轮机处于手动信号汇合，送到
21、“实际负荷指令跟踪逻辑”中作跟踪于汽机基准的信号。2.6.3 功率控制方式在 汽 轮 机 基 本 已 自 动 和 锅 炉 主 控 自 动两条件同时具备时按下“电功率控制”按钮，即选择功率控制方式。当记忆复位元件 MR3 输出出现“1”状态时，其作用如下：（1） 输出“处于电功率控制”信号。再控制继电器 T3，形成电功率控制方式；（2） 通过或门 7 使电功率控制指示好亮；（3） 通 过 非 门 3 输 出 非 电 功 率 控 制 方 式 信 号 ， 去 做 蒸 汽 流 量 调 节 器 跟踪 控 制信号。以 上 工 况 的 切 换 逻 辑 是 相 互 闭 锁 的 ，即不会同时出现两种工况。一种工
22、况实现时，即消除其他工况。2.7 控制系统跟踪13出于在控制方式切换及手动自动切换过程中无扰动切换需要，系统设计了复杂的跟踪项目。（1） 实际负荷指令跟踪在锅炉基本控制方式且锅炉主控手动时，实际负荷指令跟踪于燃料量。在汽机基本控制方式且汽机处于就地（手动）控制时，实际负荷指令跟踪于 DEH 的负荷基准。（2） 锅炉的主控指令在手动方式时跟踪总燃料量。（3） 锅炉节流压力调节器输出在锅炉基本控制方式时跟踪锅炉主控指令。（4） 汽轮机节流压力调节器输出在汽轮机基本控制方式时跟踪于 DEH 负荷基准。（5） 汽轮机功率调节器输出在非功率控制方式时跟踪于 DEH 负荷基准。（6） 汽轮机调节阀位调节器
23、输出（即滑压运行方式下滑压定值）在定压运行方式时等于定压节流压力定值。3 总结单元机组的协调控制的任务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。单元机组在电网中作为相对独立的单元，具有运行调度灵活、热效率高、便于电站设计和扩建等优点。4 课程设计心得体会通过本次课程设计，让我对单元机组的协调控制系统有了进一步的认识和掌握。同时通过查资料的过程中，进一步加深了对火电厂发电的了解，成功的将理论与实践结合到了一起，同时从学习此系统的初衷提高到设计此系统的高度。在分析老师提供的资料过程中，并将电厂热工过程自动控制这门课程第一部分的基础知识进行了复习，加强了本学科的掌握。14参考文献：1 王建国等编.电厂热工过程自动控制.北京：中国电力出版社，20092 F.G. Shinskey 著. 过程控制系统应用、设计与整定.北京：清华大学出版社，20043 D. E. Seborg 等著.过程的动态特性与控制.北京：电子工业出版社，2006 4 边立秀等编著.热工控制系统.北京: 中国电力出版社，20025 林文孚等编著.单元机组自动控制技术.北京: 中国电力出版社，20086 张磊编. 超超临界火电机组集控运行. 北京: 中国电力出版社，2008.9
