300MW火电机组协调控制系统要点

1 课课 程程 设设 计计 说说 明明 书书 学学生生姓姓名名 学号 学号 学学 院院 班班 级级 题题 目目 300MW 火电机组协调控制系统 指指导导老老师师 2010 年 12 月 23 日 2 1 1 选题背景选题背景 1 11 1 设计目的设计目的 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 保证在满足负荷 要求的同时 保持主要运行参数的稳定 1 21 2 设计内容和要求设计内容和要求 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 2 系统设计原理系统设计原理 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 12 1 负荷指令控制部分负荷指令控制部分 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 12 1 1 负荷指令运算回路负荷指令运算回路 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 22 2 2 负荷指令限制回路负荷指令限制回路 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 32 2 3 实际负荷指令形成系统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 32 3 机前压力定值的形成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 12 3 1 负荷报警负荷报警 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 复合报警方框图 2 3 22 3 2 机前压力定值的形成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 24 24 8 图 2 4 机前压力定值的形成 2 3 32 3 3 机前压力形成机前压力形成 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 42 4 机炉负荷控制部分机炉负荷控制部分 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 12 4 1 锅炉主控制器锅炉主控制器 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 PT P0 P1 d PT P0 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 22 4 2 汽轮机主控制器汽轮机主控制器 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 52 5 控制方式控制方式 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 12 5 1 汽轮机跟随方式汽轮机跟随方式 此时 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 22 5 2 锅炉跟随方式锅炉跟随方式 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 32 5 3 协调控制协调控制 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 62 6 逻辑功能逻辑功能 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 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 12 6 1 锅炉基本控制方式选择逻辑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 22 6 2 汽轮机基本控制方式选择逻辑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 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 实际负荷指令跟踪逻辑 中作跟踪于汽机基准的信号 2 6 32 6 3 功率控制方式功率控制方式 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 一种工况 实现时 即消除其他工况 2 72 7 控制系统跟踪控制系统跟踪 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