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1 第1章分散控制系统 DCS 第2章单元机组协调控制系统 CCS 第3章顺序控制系统 SCS 第4章锅炉炉膛安全监控系统 FSSS 第5章汽轮机数字电液控制系统 DEH 第6章锅炉给水泵汽轮机控制系统 MEH 第7章汽轮机监测系统 TSI 第8章紧急跳闸系统 ETS 大型机组自动控制系统 2 第1章分散控制系统 DCS 1 1 DCS概述1 2 DCS的构成原理1 3 DCS的特点 3 1 1 DCS概述 DCS的概念 利用计算机技术对生产过程进行集中监视 操作 管理和分散控制的一种新型控制系统 是高度发展的四 c 技术 即计算机一Computer 通信Communication控制Control和CRT 阴极射线管Cothoderaytube 显示技术 相结合的产物 这种新型系统采用单元组合组装方式 积木式 为综合自动化创造成了有利条件 4 DCS的发展 1 1 DCS概述 5 1 1 DCS概述 DCS产品简介 6 分散控制系统 如图 控制管理级过程控制级数据通信系统 1 2分散控制系统的构成 7 数据通信系统 过程控制级 控制管理级 8 9 过程控制级 PCU 过程控制级 是指直接与生产过程相连接 承担信号的输入 运算处理 控制量输出的设备 种类 闭环控制站 构成直接数字控制系统数据采集站 承担数据采集功能现场控制站的组成 其中至少要有一个以cpu为核心的控制器模件 通过内部总线与其它过程接口模件以及通信接口模件构成一个整体 10 现场控制站基本结构 11 控制管理级控制管理级 用以实现系统的集中显示 操作与管理 构成控制管理级的主要设备 包括有操作控制站 工程师站和通信设备等 必要时还可以设置用于系统管理和计算的管理计算机 上位机 操作控制站 由一台功能较强的主机 CRT显示器 键盘 打印机 拷贝机等设备组成 如图 工程师站 具有操作控制站的部分功能 主要用于对控制系统进行组态 参数调整和系统维护等任务 12 13 数据通信系统数据通信系统 是把过程控制级与控制管理级连在一起的桥梁 同时也是分散控制系统的中枢神经 数据通信的传输介质 是一条采用双绞线或同轴电缆构成的高速通信线路 也称为数据高速公路 DHW 常用的网络结构 有星形 环形和总线形三种 除此之外还有树形结构 网形结构以及三种基本结构为基础的复合形结构 14 1 网络结构星形网络结构 15 结构功能 在网络中的各站有主 从之分 任何两个站之间的通信都必须通过主站 主站集中来自各从站的信息 按照一定的通信控制策略 把信息转发给相应的个站 特点 星型网络结构属于中型网络 主从站之间的链路是专用的 传输效率较高 从站设备比较简单 可靠性较低 如果主站出现故障 将影响整个网络的通信 应用 美国L N公司的MAX 1000系统 16 总线形网络结构 17 结构功能 是以一条开环的无源通信电缆作为数据高速公路 所有的站都通过相应的硬件接口挂到总线上 各站的功能可以有主从之分 也可以不分主从站 特点 网络结构简单 易于扩展 可靠性高 某个站的故障不致影响其它站的工作 无主站方式 易于通信线路冗余 安装费用较低 应用 西屋公司的WDPF系统 Honeywell公司的TDC 3000等 18 环路网络结构 19 结构功能 各个站都通过各自的接口电路挂到一个首尾相连的环形总线上 各个站平等地行使通信控制权 信息在网上的传递总是从始发站出发 经过诸站 直至回到始发站 网上的每个站都要承担信息的接收 放大 再传送的任务 当出现故障 能自动旁路信息 而不影响信息的传递 特点 硬软件相对复杂便于实现高可靠性的通信 易于设置冗于的通信线路 但扩展性能不如总线方便 应用 Bailey公司的INFI 90系统 20 2 数据传输控制技术 查询式适用于具有主站的网络结构所有通信在主站统一指挥下进行 各结点之间没有冲突 21 广播式适用于总线型和环形网络结构自由竞争式 竞争发送 载体监听 冲突后退 再试重发 总线 通行标记式 即令牌式 环形 时间分槽式 WDPF 22 存储转发式是一种允许网上所有站都能同时发送和接收信息的方式 适合于环形网络结构 23 1 硬件积木化2 系统分散化 功能 3 软件模块化4 系统功能综合化 可构成各种控制系统 5 高可靠性结构可靠 元器件可靠 部件级可靠 冗余技术 6 维护使用方便自检功能 1 3分散控制系统的特点 24 第二章 单元机组协调控制系统 ccs COORDINATIONCONTROLSYSTEM 2 1概述一 CCS的概念二 CCS的基本结构三 CCS的特点2 2CCS的负荷主控系统2 3基础控制系统 25 基本概念 通过控制回路协调锅炉和汽机的工作状态 同时给锅炉和汽机调节系统发出指令 以达到快速响应负荷变化的需求 尽最大可能发挥机组的调频 调峰能力又稳定运行参数两方面的要求 基本结构 两级递阶控制结构 上位的协调控制级 下位的基本控制级 一 CCS的概念 2 1概述 26 二 CCS的基本结构 如图 27 上位控制级 作用 CCS的上位控制级 也称为单元机组主控系统 是整个系统的核心部分 用于产生指挥机 炉各局部控制子系统动作的锅炉主控制指令 NB 和汽轮机主控制指令 NT 组成 负荷指令管理中心 机炉主控制器 28 负荷指令管理中心在不同的协调控制系统中 负荷指令管理中心的结构和具体处理方式有一定的差异 然而其基本出发点是考虑对机组输出功率要求和机组实际能力两方面的因素 而且两者之间取其小值 同时又要考虑到对负荷变化速率的限制 还可能存在一些原因不明确的因素影响到机组的输出功率 这些因素可以间接地通过燃烧率偏差等参数反映出来 最后还要限定其最小和最大负荷的范围 最终形成机组的实际负荷指令 实际输出功率给定值 29 机 炉主控制器机 炉主控制器接受负荷管理中心给出的实际负荷指令N 并根据机组的情况和运行要求 选用合理的负荷控制方式 如手动方式 炉跟机方式 机跟炉方式 以炉跟机为基础的协调控制方式 以机跟炉为基础的协调控制方式等 产生对锅炉的负荷指令 NB 和对汽轮机的负荷指令 NT 送至锅炉和汽机局部控制回路执行 30 下位控制级 也称为局部控制子系统 是整个单元机组协调控制系统的基础 主要作用是执行主控制系统的指令 完成指令的局部控制任务 包括以下相关控制系统 锅炉负荷 燃烧 控制系统燃料控制磨煤机控制风量控制给水控制系统蒸汽温度控制系统 过热汽温控制 再热汽温控制 31 其它控制系统 辅助控制系统 空预器冷端温度控制系统被调量 空预器冷端的烟气温度和它进口冷风温度测量值的平均值 调节手段 调节送风机进口热风再循环挡板除氧器水位控制系统被调量 除氧器水位 给水流量 凝结水流量 调节手段 凝结水流量控制阀除氧器压力控制系统被调量 除氧器压力调节手段 辅助蒸汽流量控制阀 32 凝汽器水位控制系统辅助蒸汽控制系统汽机辅助控制系统润滑油温度控制系统 汽机 EHC 油温度控制等 33 三 单元机组协调控制系统的特点系统结构先进 采用了递阶控制结构 在局部控制级的基础上引入了机炉协调级 把锅炉 汽轮发电机组作为一个整体进行控制 机炉协调控制器是一个多变量控制器 控制器设汁主要采用了前馈 反馈 补偿以及变结构控制等技术 并充分地利用了机炉动态特性方面的特点 克服系统内部耦合和非线性特性 获得优良的控制品质 同时 又保留了控制器结构简单易于工程实现和参数整定 便于操作 维护等优点 并能直接接收电网自动调度系统指令 为实现电网级自动调度和协调控制奠定了基础 34 系统功能完善 除了在正常工况下的连续调节功能之外 系统还设汁有一整套逻辑控制系统 包括实际功率给定逻辑 局部故障处理逻辑 运行方式切换逻辑 以及显示报警 监督管理等功能 系统可根据实际需要和设备状况 选择不同的运行方式 比如机跟炉 炉跟机 机炉协调方式 定压运行或滑压运行方式 固定功率输出或可调功率方式 调频或非调频方式等 适应不同运行工况对控制功能的要求 35 系统可靠性高通过设置安全保护系统和采取一系列可靠性措施 可获得很高的系统可靠性 比如 当主机或辅机设备故障时 可自动改变控制方式 对实际功率指令的幅值和变化速率进行改变 并通过相应的联锁保护 报警显示等措施 保证机组在安全范围内运行 并维持最佳的工况 36 2 2CCS主控系统 组成 负荷指令管理系统机炉主控制器作用 产生指挥机 炉各局部控制子系统动作的锅炉主控制指令 NB 和汽轮机主控制指令 NT 37 38 一 负荷指令管理系统 主要功能 根据电网调度中心的要求负荷指令或运行人员改变负荷指令 电网调频指令以及机组主辅机运行情况处理成适当的适合于机组运行状态的单元机组负荷指令ULD unitloaddemand 或实际负荷指令ALD actualloaddemand 如图所示 39 40 具体功能正常情况下 由ADS或运行人员变动负荷 并经速率限制 最大最小负荷限制回路运算后产生机组负荷指令ULD 变负荷速率限制的手动设定 正常情况下参与电网调频 f校正 机组最大 最小负荷手动设定 负荷返回 RB 快速负荷切断 FCB 迫升 迫降 RU RD 以及主燃料跳闸 MFT 时 机组负荷指令跟踪锅炉实际负荷指令 机组负荷指令ULD的增 减闭锁 BI BD 41 构成 负荷指令运算回路和负荷指令限制回路负荷指令运算回路作用根据负荷控制的要求选择目标负荷指令的形成方式 考虑到汽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 对目标负荷指令信号进行适当的变化率限制 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作出规定 42 方案 如图 43 通过切换器T1可以选择电网中心调度所的ADS指令或机组就地设定的负荷指令 由信号发生器A产生 所选中的目标负荷指令经变化率限制器送至加法器 变化率限制值可以手动设定 或由汽轮机热应力信号自动设定 也可由其它对目标负荷指令的变化有充分要求的因素设定 当目标负荷指令的变化率小于设定值时 变化率限制器不起作用 只有当变化率大于设定值时才对它实行限制 使之等于设定值 函数发生器f x 用来规定调频范围和调频特性 其特性相当于失灵区和限幅环节特性的结合 函数发生器的斜率代表了电网对本机组调频的负荷分配比例 此比例应与汽机控制系统的静态特性对应 即等于汽机的转速变动率的倒数 当不需要调频时可由T2切除调频信号 44 负荷限制回路 主要作用 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 稳定地运行 故障因素 1 跳闸或切除 直接确定 2 工作异常 间接确定 组成 功能 1 最大 最小负荷限制回路2 负荷返回回路 RUNBACK 3 快速负荷切断回路 FASTCUTBACK 4 负荷闭锁增 减回路 BLOCKI D 5 负荷迫升 迫降回路 RUNUP DOWN 45 最大 最小负荷限制回路 该回路的主要作用是保证机组的实际负荷指令不超越机组的最大最小允许负荷值 最大和最小允许负荷值可由手动设定 但是最大允许负荷设定值必须受机组最大可能出力值的限制 46 如图 图中双向限制幅器的输入NS为要求负荷指令 输出N0为实际负荷指令 两者的关系为当Ns Nmax时N0 Nmax当Ns Nmin时N0 Nmin当Nmin Ns Nmax时N0 Ns低值选择器保证了Nmax 机组最大可能出力值 47 负荷返回回路 RB 当机组在运行过程中 辅机发生跳闸故障 造成机组承担负荷的能力下降时 负荷指令处理回路应迅速而安全地自动减少机组的实际负荷指令 以保证机组在较低负荷水平下继续运行 这一控制处理过程称为自动减负荷控制 自动减负荷后的机组负荷水平取决于发生故障的辅机台数和容量 所以负荷指令处理回路应具有对各类辅机故障后机组负荷能力的运算功能 并能快速对机组实际负荷指令施以影响 自动减负荷的速率也与发生故障的辅机种类 台数及其对机组运行的安全影响程度等因素有关 可由回路调试人员预先设定 48 影响机组负荷能力的主要辅机设备有 风机 送 引风机 给水泵 电动 汽动给水泵 锅炉循环水泵 空气预热器 一次风机以及汽机或电气侧设备等 应当指出 当发生自动减负荷工况时 机组的运行方式可能进行自动切换 例如 当锅炉侧辅机发生自动减负荷时 机组将自动切换到汽机跟随方式 TF 运行 最大可能出力值的在线识别与计算与主要辅机的切投状况直接有关 当主要辅机发生故障而切除或跳闸时 机组的最大可能出力值就会减小 为了保证机组能 量力而行 应随时识别与计算最大可能出力值 并将它怍为机组实际负荷指令的上限 49 机组的最大可能出力可由投入运行的主要辅机的台数确定 对于某一种辅机 每台都有一个对应机组容量的负荷百分数 根据参加运行的台数 将它们的负荷百分数相加 即可确定该种辅机所能承担的最大可能出力 例如 一台锅炉配用两台容量百分数50 的送风机 两台同时运行时 带100 负荷 若其中一台退出运行 则由送风机决定的机组最大可能出力值就减小至5O 又如 配用五台容量百分数为25 的磨煤机 由磨煤机决定的机组最大可能出力值为n 25 其中n为投入运行的台数 当n 4时 最大可能出力值为100 再如 若配用三台给水泵 其中两台容量百分数为50 一台为30 根据运行台数的组合 由给水泵决定的机组最大可能出力值有100 80 50 30 几挡 其它辅机以此类推 50 如图为某300MW单元机组负荷返回回路的设计方案 51 该机组配用预热器 送风机 引风机和一次风机各两台 容量百分数均为50 若以上辅机都在运行 则切换器T1 T4选通a 由它们决定的机组最大可能出力为100 若其中某种辅机有一台跳闸 则对应的切换器选通b 使该种辅机决定的最大可能出力值直减至50 该机组配用三台给水泵 其中两台为容量百分数50 的汽动泵 一台为30 的电动泵 由T5切换 该机组配用四台容量百分数为25 的磨煤讥 根据不同投运台数 由切换器T5选通对应的最大可能出力值 共有四档 25 50 75 和100 52 此外考虑了发电机定子失去冷却水时的负荷返回 正常情况下 切换器T7选通a 异常时选通b 机组最大可能出力值减至65 图中低值选择器选出各种辅机中负荷百分数的最小值 作为机组的最大可能出力值 53 负荷返回速率的规定当机组的主要辅机跳闸或切除时 最大可能出力值阶跃下降 为了保证机组在负荷返回过程中能够安全 稳定地继续运行 必须对最大可能出力值的变化速率进行限制 一般 对于不同辅机的跳闸 要求的负荷返回速率是不同的 例如 正常工况下 跳一台同容量百分数的给水泵所要求的减负荷速率通常比跳一台送风机的要大 因为 当一台给水泵跳闸时 初期流入锅炉的给水量比流出的蒸汽流量小许多 因此 必须快速减小蒸汽负荷 以防锅炉干烧而使事故扩大 而一台送风机跳闸可相对缓慢地减负荷 否则会造成过大的扰动 负荷返回回路应根据不同辅机对返回速率的要求 采取相应措施予以满足 例如在图中 让最大可能出力值信号通过一个速率限制器 切换器T9可根据不同类的辅机自动选择所需的速率限制设定值 达到控制减负荷速率的目的 54 负荷快速切断回路 FCB 该回路的主要作用是 当汽机 汽轮发电机 发生跳闸时 快速切断负荷指令 维持机组继续运行 主机跳闸的负荷快速切断通常考虑两种情况 一种是送电负荷跳闸 机组仍维持厂用电运行 即不停机不停炉 另一种是发电机跳闸 汽轮机关闭主蒸汽门 由旁路蒸汽系统维持锅炉继续运行 即停机不停炉 对于第一种情况 负荷指令必须快速切到厂用电负荷值 对于第二种情况 负荷指令应快速切到零 锅炉仍维持最小负荷运行 负荷快速切断回路功能的实现与负荷返回回路相似 只不过减负荷的速率要大得多 图所示方案中也考虑了汽轮发电机的负荷快速切断 正常工况下 切换器T9选通a 当发生送电负荷跳闸或发电机跳闸时 T9选通b或c 使负荷指令骤减 55 负荷闭锁增 减回路 BI BD 机组存在一类可能导致机组实际负荷的增减受到限制 但又不能立即直接加以识别的故障因素 例如 燃烧器喷嘴堵塞 风机挡板卡涩 执行器连杆折断 给水调节机构故障等等 称第二类故障 这类故障属设备工作异常情况 出现这类故障时会造成诸如燃料量 空气量 给水流量等运行参数偏差增大 本回路的主要作用是对这些运行参数的偏差大小和方向进行监视 如果其中任何一个超出规定限值 就认为设备工作异常 出现故障 这时 回路根据偏差的方向 对实际负荷指令实施增或减方向的闭锁 以防止故障危害的进一步扩大 直至偏差回到规定限值内才解除闭锁 56 引起机组实际负荷指令发生增闭锁的因素主要有 1 汽机负荷达到最大值或机组负荷指令已达到运行人员手动设定的最大值 2 机组实发电功率小于机组实际负荷指令并达到了规定的允许偏差 3 机组在锅炉跟随方式下运行时 出现汽机前蒸汽压力小于给定压力值并达到了规定的允许偏差 4 实际燃料量小于燃料量指令并达到了规定的允许偏差 5 送 引风量小于风量指令并达到了规定的允许偏差 6 给水量小于给水量指令并达到了规定的允许偏差 引起机组实际负荷指令发生减闭锁的因素与增闭锁相同 但条件相反 不再列举 57 举例图所示为一种负荷闭锁增 减功能实现的方案 58 由三个加法器分别输出燃料量 空气量和给水流量与其指令 给定值 间的偏差信号 大小和方向 由高值和低值选择器分别得出最大的正偏差 指令 实际参数 和最大的负偏差 指令 实际参数 信号 然后 由高限和低限监控器分别对偏差进行监视 由此组成偏差监视回路 正常情况下跟踪保持器F H置跟踪状态 其输出跟踪输入变化 切换器T1 T2的a c端通 闭锁增 减回路不起作用 异常情况下 例如 正偏差达到高限制监控器定值时 高限监控器动作 使跟踪 保持器 F H 置保持状态 此时 其输出保持在动作前瞬时的输入值 同时使切换器T1的b c端接通 将动作前瞬时的实际负荷指令No作为限幅器的高限 从而闭锁了负荷指令的增加 而负荷指令的减小仍是允许的 即只减不增 同样 当负荷偏差达到低限监控定值时 低限监控器动作 使跟踪 保持器 F H 置保持状态 同时使切换器T2的b c端接通 从而闭锁了负荷指令的减小 使之只增不减 59 负荷迫升 迫降回路 RU RD 对于第二类故障 除采取负荷闭锁增 减措施外 通常还进一步采取迫升 追降措施 本回路的主要作用是对有关参数的偏差大小和方向进行监视 如果他们超越限值 且相应的控制器输出已达到极限位置 不再有调节余地 则回路根据偏差的方向 对实际负荷指令实迫升或迫降 以使偏差回到允许限值范围内 从而达到缩小故障危害的目的 如果说负荷闭锁增 减是 消极防守 性措施 那么负荷迫升 迫降则是 积极进攻 性措施 从偏差允许限值范围看 一般 前者为第一道防线 后者为第二道防线 60 通常情况下 下列情况之一发生 则产生对实际负荷指令的迫降 1 送风机调节挡板已达最大极限位置 同时 送 引风量小于送风量控制指令并达到了规定的偏差允许值 2 给煤机转速已达最大极限转速 同时 实际燃料量小于燃料量控制指令并达到了规定的偏差允许值 3 给水泵转速已达最大极限转速 同时 实际给水量小于给水量控制指令并达到了规定的偏差允许值 产生负荷指令迫升的条件与迫降的条件相反 61 图所示为一种负荷迫升 迫降功能可能实现的方案 62 对偏差信号的监视部分与前述负荷闭锁增 减回路相似 只是把高 低限监控器的定值范围取得更大些 正常情况下 T3和T4的a c端通 自动 手动 A M 器置工作状态 即输出等于输入 积分器置跟踪状态 其输出跟踪实际负荷指令N0 这时负荷迫升 追降回路不起作用 异常情况下 即偏差超越了限值 例如正偏差超越高限监控器定值时 高限监控器动作 使积分器置工作状态 自动 手动器置跟踪状态 其输出跟踪实际负荷指令N0 与此同时 切换器T3和T4的b c端通 积分器接的偏置信号为负值 于是积分器输出以动作瞬时的N0值为起点而下降 通过T4的b c端 实际负荷指令N0下降 直至偏差回到限值范围内 监控器重新置积分器为跟踪状态 自动 手动器为工作状态 T3和T4的a c端通 由于自动 手动器输出原先跟踪N0 故恢复正常时不会造成切换扰动 63 同样 当负偏差超越限值时 低限监控器动作 使积分器置工作状态 自动 手动器置跟踪状态 T3的d c端通 T4的b c端通 积分器接受的偏差信号为正值 其输出以动作前瞬时的N0为起点上升 此时经T4的b c端 实际负荷指令上升 直至偏差回到允许限值范围内 才恢复原先正常值 负荷指令限制回路的输出N0就是机组的实际负荷指令 它作为机炉协调控制系统的功率给定值 64 负荷指令的跟踪CCS的主控系统设计了多种负荷控制方式 在各种控制方式进行切换时就需要考虑有完善的自动跟踪功能 以实现无扰动切换 当机组功率处于手控方式时 机组目标负荷跟踪实际发电功率 跟踪通过相应的切换开关来实现 65 二 机炉主控制器 单元机组中输出电功率NE被视作机组外部参数 反映了机组对外能量的输出量 对它的基本要求是迅速适应负荷变化的需要 汽轮机进出口汽压PT 也是锅炉出口汽压 被视作机组的内部参数 反映了机 炉之间用汽和产汽的能量平衡与否 以及机组蓄能的大小 它是机炉运行是否协调的一个主要指示 对它的基本要求是在机组负荷不变时保持为给定值 在机组负荷变动时允许在给定值附近规定的范围内变化 负荷控制的基本原则及方案 66 根据被控制对象动态特性的分析 从燃烧率 及相应的给水流量 改变到引起机组输出电功率变化的过程有较大的惯性和迟延 如果只是依靠锅炉侧的调节 必然不能获得迅速的负荷响应 汽轮机调门动作可使机组释放部分蓄能 输出电功率暂时有较迅速地增加 因此 为了提高负荷响应性能 可在保证机组安全运行 即汽压在允许范围内变化 的前提下 充分利用机组的蓄热能力 也就是在负荷变动时 通过汽轮机调门的适当动作 允许汽压有一定的波动而释放或吸收部分蓄能 加快机组初期负荷的响应速度 与此同时 加强对锅炉侧燃烧率 及相当的给水流量 的调节 及时恢复蓄能 使锅炉蒸发量保持与机组负荷一致的基本原则 也就是机炉协调控制的原则 67 大多数负荷控制的基本方案是一个以前馈 反馈控制为主的多变量协调控制方案 其中 反馈控制是负荷控制的基础 通过它来确保机组内外两个能量供求平衡关系 以及实现各种负荷控制方式的选择切换 前馈控制主要是为了补偿机组的动态迟延 加快负荷响应 同时也为了保证有关运行参数和稳态值与指令一致 以及动态变化始终在其稳态值附近 一般 负荷控制系统中还包含非线性的控制元件 其作用大多为保证充分利用蓄热能力 并使汽压不超出允许范围 68 负荷控制方式机炉负荷控制部分通常能够实现多种负荷控制方式 以适应不同运行条件及要求 单元机组负荷自动调节方式 有定压运行和滑压运行两种定压运行 是维持汽轮机前主蒸汽压力稳定 它有三种方式 炉跟机方式 机跟炉方式 机炉协调方式 滑压运行 将汽轮机进汽阀维持在一个较大的开度或全开上 使主汽压力随负荷而变化 而主蒸汽温度不变 适用于带基本负荷的机组 69 定压运行炉跟机方式 汽机调节机组的输出功率 锅炉调节汽压 这种方式能适应负荷 充分利用锅炉蓄热 但汽压变动很大 在单元机组中 当锅炉设备运行正常 机组的输出功率因汽机设备上的原因而受到限制时 可采用该方式 70 机跟炉方式 汽压变化很小 但没有利用锅炉的蓄热 适应负荷能力较差 适用于承担基本负荷的单元机组 此外 当汽机侧设备运行正常 而机组的输出功率因锅炉设备上的原因而受到限制时 也采用该方式 由锅炉调节负荷 而由汽机调节汽压 71 机炉协调方式以锅炉为基础 由汽机控制输出功率 汽机配合锅炉控制汽压 降低电功率响应性能来提高汽压控制质量 72 以汽机为基础 汽机控制汽压 汽机配合锅炉控制输出功率 加大汽压波动来提高功率响应性能 73 综合型 锅炉和汽机共同控制输出功率和汽压 负荷响应性能好 汽压波动小 充分利用锅炉的蓄热 74 控制方式的切换 如图及表 负荷控制方式的实现 控制方式原则性方案 75 滑压运行 目前 采用滑压运行大型单元机组越来越多 单元机组采用定压运行或滑压运行时的负荷协调控制方案是有所区别的 但协调控制的基本原则是相同的 单元机组滑压运行通常是在一定负荷范围内进行的 在较低负荷和较高负荷时作定压运行 汽轮机前汽压PT和汽轮机开度 T与负荷之间的静态关系 滑压曲线 如图所示 76 当N N1作定压运行 汽压给定值P0为Pmin 通过汽轮机调门开度改变负荷 当N1 N N2时 作滑压运行 汽压的给定值P0为负荷N的函数 汽轮机调门开度 T保持为给定值 To 汽轮机负荷的增减依靠控制汽压的增减来实现 当N N2时 作定压运行 汽压给定值为其额定值P 负荷的改变由汽轮机调门开度变化实现 77 在负荷控制系统结构上 滑压与定压运行的区别仅在于汽压给定值的性质不同 后者为常数 前者为负荷的函数 此外 滑压运行要求稳态时汽轮机调门保持一定开度 因此 采用滑压运行时 除了应增设汽压给定值形成回路和调门开度控制回路 以实现给定的滑压运行曲线以外 负荷协调控制方案的其余部分都适用 图为一台300MW单元机组滑运行时的负荷协调控制方案 其滑压曲线与图 P N曲线图 相同 额定汽压P0 18 3mPa 在26 91 额定负荷范围内作滑压运行 78 79 该方案为典型的以锅炉跟随为基础的协调控制方案 N 经比例与惯性环节串联回路形成汽压给定值信号 比例系数K为滑压阶段P N特性曲线的斜率 惯性环节使No变化时 Po不致突变 Ps为叠加了汽轮机调门开度校正值后的汽压给定值信号 Ps经高 低值选择器后 使NNs时 P0 P 从而形成负荷0 100 范围内汽压给定值静态曲线 汽轮机调门开度控制器 PI 保证滑压阶段调门开度在稳态时等于给定值 即 T T0 因为 TO 91 所以在滑压阶段当需要改变负荷时 调门在开关两个方向都有余地 负荷变化的动态过程中可以暂时改变汽轮机调门开度 利用蓄热能力使机组负荷迅速响应 稳态时 汽轮机调门保持在91 开度 减小了蒸汽的节流损失 解决了机组效率与负荷响应速度之间的矛盾 汽轮机调门开度控制器的输出作为汽压给定值的修正信号 80 负荷指令N 经PD作用 对锅炉形成前馈控制 以使燃烧率 及相应的给水流量 与指令一致 及时补偿锅炉的动态迟延和惯性 N 还直接作用到汽轮机主控指令端 构成比例前馈控制 锅炉侧反馈控制是对汽压PT的PID控制 汽轮机侧反馈控制是对电功率的PI控制 汽压偏差经非线环节引入汽轮机侧 当汽压偏差在失灵区时 通过失灵区非线性环节的汽的汽压偏差信号相当于开路 系统为锅炉跟随方式 当汽压偏差超出失灵区时 相当于暂时改变功率给定值 以限制汽轮机调门开度的变化 使汽压偏差不超出允许范围 需要指出 当该机组负荷低于55 时 锅炉侧控制器PID切除 锅炉主控指令 燃烧率 由手动操作给定 同时由汽轮机旁路控制系统来保持汽压等于给定值 81 机炉主控制器的基本结构 82 方式 手动控制方式 手动控制是指机组负荷完全由运行人员手动控制 即汽机进汽量 锅炉燃料量和空气量控制都为手动操作的运行控制方式 这时燃料量和空气量的操作可通过相应的M A操作站进行 而锅炉的给水量和炉膛负压控制可以是自动也可以是手动 83 当锅炉燃烧控制系统为手动方式时 锅炉主控制器的输出指令BM自动跟踪总燃料量 而负荷指令处理回路的输出指令UD则跟踪机组实际输出功率N 为机组投入自动控制系统方式作准备 对于汽机主控制器 当汽机DEH控制处于 遥控 自动方式时 汽机主控器输出指令TM可由操作员手动改变 当DEH控制处于 本地 方式时 汽机主控制器输出指令TM就自动跟踪汽机参考负荷信号 汽机机械功率信号P 这时操作员将不能通过汽机主控制器操作汽机调门阀位 手动控制方式主要用于机组启动初期 当然 运行人员根据需要 也可以在任何时候把负荷控制切换到手动方式 84 方式 锅炉跟随方式 85 锅炉跟随方式是由汽机侧控制系统调节机组输出功率 锅炉侧调节汽压的负荷控制方式 在此方式中 根据汽机主控制器是处于手动还是自动而区分为BFl方式和BF2方式 图 前者为机组输出功率不可 自动 控制方式 后者为机组输出功率可控方式 在BFl方式中 汽机主控制器手动 但汽机调门的DEH控制处于 遥控 位置 当要求机组负荷改变时 可由操作员手动改变汽机主控器的输出指令TM 使汽机调门开度随之变化 由于调门开度的变化 汽机入口汽压也偏离设定值 使锅炉压力调节器的输出改变 从而由锅炉燃烧控制系统改变燃烧率 使汽压恢复到设定值 86 在BF2方式中 汽机主控制器置 自动 位 其输出指令 TM等于机组负荷指令LJD 当操作员在CRT操作站改变机组的目标负荷时 机组实际负荷指令IJD变化 通过汽机负荷调节系统使机组功率符合于目标负荷 而锅炉侧在变参数压力调节器的控制下 通过锅炉燃烧调节系统 使燃烧率改变 最终调整主汽压力稳定在定值上 锅炉侧采用了变参数 增益 PI调节器 可以使汽压调节器的输出控制作用随波调参数 汽压 的偏差大小而变化 即当调节过程中主汽压偏差 kP增大时 调节器的比例控制作用 增益G 随之增加 而积分控制作用 Ti 减弱直至取消 以此来获得使锅炉侧具有良好稳定性条件下的快速汽压控制性能 87 BFl负荷控制方式主要用于锅炉运行正常 但汽机部分设备工作异常而使机组输出功率受到限制的工况中 这时 机组的功率决定于汽机所能承担的负荷 而不接受任何外来的负荷要求指令 采取这种方式时 锅炉必定投入自动可以维持主汽压力在允许范围内变化 BF2负荷控制方式可以用于机组带变动负荷时的正常运行工况 但此时机组仅接受由运行人员手动给出的负荷指令 可调 当采用该方式时 锅炉和汽机各自的子控制系统均应投入 自动 方式 88 方式 汽机跟随方式 89 汽机跟随方式是由锅炉侧控制系统调节机组输出功率 汽机侧控制汽压的负荷控制方式 在此方式中 根据锅炉主控制器是处于手动还是自动而区分为 TFl方式和 TF2方式 图2 13 前者为机组输出功率不可 自动 控制方式 后者则是机组输出功率可控制方式 在TF1方式中 锅炉主控制器置 手动 位 但锅炉侧的燃烧调节系统 燃料 送风 为自动方式 当要求机组负荷改变时 可由操作员手动改变锅主控器的输出指令BM 使燃烧率随之变化 由于燃烧率的改变后 使主蒸汽压力PT也发生变化 从而使汽机侧压力调节器的输出改变 去控制汽机调门动作 进入汽机的蒸汽流量改变而使机组输出电功率变化 最终主蒸汽压力也恢复到设定值 90 TFl负荷控制方式主要用于汽机运行正常 但锅炉部分设备工作异常而使调节受到限制 或发生RB时 机组输出功率受到限制 为保证机组安全运行可采用本方式 此时 机组输出功率决定于锅炉所能承担的最大负荷 而不接受外来的负荷要求指令 在采取这种方式时 汽机侧控制系统必定投入自动方式 以维持主汽压力在允许范围内变化 而锅炉侧燃烧调节系统是否投入自动 取决于发生故障的设备种类和台数 TF2负荷控制方式则适用于机组带固定负荷时的正常运行工况 此时锅炉和汽机各自的子控制系统均投入自动方式 在该方式运行时 机组仅接受由运行人员手动给定的负荷指令 机组采用该方式运行的主要目的在于能很好地稳定住主汽压力 91 方式 以锅炉跟随为基础的协调方式 CC BF 92 在锅炉跟随方式中 由于锅炉侧对汽压控制的迟延而跟不上汽机侧因调节功率而对汽压产生的扰动作用 因此单靠锅炉调汽压通常达不到较好的性能 为此将汽压偏差引入汽机侧控制系统 让汽机侧在控制功率的同时 适当配合锅炉共同控制汽压 以改善汽压控制质量 这就构成了以锅炉跟随为基础的负荷协调控制方式 图 当机组负荷指令UD No 变化时 首先由汽机侧的功率调节器的输出变化而引起汽机调门动作 使机组功率迅速响应目标负荷的变化 调门动作同时导致主汽压P 变化 立即使锅炉侧汽压调节器去改变燃烧率 为了克服锅炉对汽压控制的惯性迟延 锅炉侧主控制器采用了变增益汽压控制器 使燃烧率的控制强度随汽压偏差 kP的增大而加强 并削弱或取消积分控制作用 以此来加快锅炉的蓄热补偿 使主汽压较快地恢复到设定值 93 除此之外 当汽压偏差出现 0 3MPa的情况时 本方案采取了对汽机主控器指令进行闭锁控制 从而限制汽机调门的进一步变化来防止过度利用蓄能而使汽压PT的静态波动太大 这样汽机主控器不仅起到了对负荷指令变化的初期快速响应性能 同时起到了协助锅炉较快地控制好汽压 有利于机组运行的稳定性 94 方式V 以汽机跟随为基础的协调方式 CC TF 在汽机跟随方式中 由于汽机对象的快速响应特性 因此汽机侧控制系统能将汽压保持很好 而锅炉对象的大延迟特性使机组对负荷指令No的响应很慢 为了加快机组负荷响应性能 本方案在汽机跟随方式的基础上一方面采取了负荷指令的前馈控制 另一方面采用了变增益PI控制器作为锅炉侧主控制器的控制策略 这二个措施都起着加快 加强锅炉燃烧率的作用 从而达到了较明显改善机组负荷响应性能的效果 图 95 96 控制方式的切换 几种负荷控制方式的实现完全取决于机 炉主控制器中的切换开关T1 T2 BMP1 BMP2所处的位置 以及机 炉主控操作站所处的 手动 或 自动 的状态 图表示了这些设备所处位置的逻辑条件 97 2 3基础控制系统 给水调节系统过热汽温调节系统燃烧过程调节系统 98 一 给水调节系统给水调节的任务 是使给水量适应于锅炉的蒸发量 以维持汽包水位在允许的范围内 给水调节对象的动态特性主要扰动 蒸发量D 给水量W给水量W扰动下水位变化的动态特性水位调节对象没有自平衡能力 存在着一定的迟延 蒸汽流量扰动下水位变化的动态特性水位调节对象会出现 虚假水位现象 99 w w0 0 0 0 0 t0 t t t t w H1 H2 H H D D D0 H H0 H0 H1 H H2 t0 t0 t0 给水量扰动下 水位的阶跃响应曲线 蒸汽量扰动下 水位的阶跃响应曲线 100 三冲量给水调节系统 H 101 三冲量给水调节系统 该系统的调节器根据汽包水位H 蒸汽流量D和给水流量W三个信号去调节给水流量 三个信号的作用 水位H 水位H是主信号 维持汽包水位为给定值 蒸汽流量D 是水位调节的补偿信号 有效地克服 虚假水位 的响 减小了给水流量的波动幅度 使调节过变得比较平稳 给水流量W 是一个局部反馈信号 克服内扰 维持给水量不变 从而使汽包水位基本上不受影响 由此可见 三冲量给水自动调节系统利用蒸汽流量信号来克服 虚假水位 现象 又利用给水量信号来消除给水流量的自发性变化因而能有效地控制水位的变化 102 大型控制系统的给水调节系统全程调节系统 对机组进行全过程调节的系统 包括机组的启停 包括两套系统 单冲量给水调节系统 三冲量给水调节系统如何运用 在锅炉启停过程中或在低负荷运行工况下 投单冲量给水调节系统当机组正常运行时 投三冲量给水调节系统 无扰动切换 103 二 过热汽温调节系统过热汽温的调节任务过热汽温自动调节的任务是维持过热器出口汽温在允许范围内 并且保护过热器使管壁温度不超过允许的工作温度 TC t 过热汽温调节对象的阶跃响应曲线 过热汽温调节对象的动态特性主要扰动 蒸汽流量 烟气传热量和减温水量动态特性 有迟延 惯性和自平衡能力的 104 对于一般高中压锅炉 当减温水扰动时 汽温反应的迟延时间 30 60S 时间常数T 100S 当烟气侧扰动时 即改变烟气传热量 汽温反应较快 10 20S T 100S 过热汽温调节系统调节手段 喷水减温具有超前信号的汽温调节系统原理 把减温器后的汽温 1作为导前信号 当 1发生变化时 调节结构就改变喷水量 如果 1升高则喷水量增加 反之喷水量减少 如果 1能比过热汽温 2提前反映扰动 显然可以减少 2的动态偏差 调节结束后过热汽温恢复到给定值 105 具有超前微分信号的双冲量汽温调节系统 汽温串级调节系统 106 再热汽温自动调节系统再热蒸汽温度一般用烟气作为主要调节手段 采用改变烟气再循环量 烟气旁路量或燃烧器的倾斜角度等 而喷水减温则在汽温超过某一规定的限值时才参加调节或作为超温事故的保护手段 107 三 燃烧过程自动调节系统 燃烧过程的调节任务锅炉燃烧过程调节的基本任务是使燃烧所提供的热量适应蒸汽负荷的需要 同时还要保证经济燃烧和安全运行 具体有下述三个任务 维持汽压恒定保证燃烧的经济性维持炉膛负压不变 108 燃烧过程调节对象的动态特性 主要扰动 燃烧率扰动和负荷扰动 109 燃烧率扰动时汽压变化的动态特性 B Dq P t t t t t t 0 0 0 0 0 0 B Dq P1 P2 P1 1 2 t0 t0 B Dq Dq pm pm Pb Pb P1 P2 P1 a b 110 为用汽量Dq不变 q相应地进行调整 汽压变化的阶跃反应曲线 由图中可看出 汽压变化一开始有迟延 最后直线上升 这说明燃烧率阶跃扰动后 炉膛多产生的热量全部用来提高汽压 由于用汽量不变 所以 P Pb Pm保持不变 即 P1 P2 此时 汽压调节对象没有自平衡能力 为用汽量Dq变化 q开度不变 时 汽压变化的阶跃响应曲线 由于汽压升高后 而汽轮机进汽阀开度不变 则蒸汽流量也相应地增加 自发地限制汽压的增加 因此锅炉汽压就成为一个有自平衡能力的调节对象 而汽包压力Pb与出口汽压Pm之差 p也随着增加 111 负荷扰动时汽压变化的动态特性 q Dq q Dq Dq D P Pb Pm P1 Pm P2 P1 Dq Dq P1 Pm P2 P1 Pm P Pb Pm t t t t a q阶跃变化 b 用汽量Dq阶跃变化 112 q阶跃变化当Pq突然开大 q时 汽轮机的进汽量Dq立即成比例增加 Dq 导致锅炉出口汽压Pm立即下降 Pm Pm的下降使Pb Pm增大 锅炉输出的蒸汽流量D相应增加 直至与Dq平衡 从而阻止了Pm的进一步下降 此后 由于锅炉的燃烧率未变而蒸汽流量却增大了 汽包压力Pb开始缓慢下降 使蒸汽流量D相应减少 并导致Pm缓慢下降 随着Pm的下降 在进汽调节阀 q开度不变的情况下 进汽量Dq也相应地逐渐减小 最后Dq与Pm都回到原值 汽压也重新稳定在较低的数值上 而Pb与Pm的压差恢复到扰动前的大小 即 P1 P2汽压反应曲线自发趋向稳定表明对象有自乎镕能力 113 Dq阶跃变化 当用汽量阶跃增加 Dq时 为了使用汽量在阶跃扰动后保持不变 必须连续不断地开大调节阀 由于燃烧率未变 锅炉的供热量始终满足不了用汽量增大的需要 在扰动一开始 压力Pm立即下降 Pm然后以一定速度下降 汽包压力Pb也随着Pm的下降等速下降 以保证Dq不变 所以Pb与Pm之差始终保持 P1十 Pm的数值 这时对象无自平衡能力 114 燃料量控制系统 汽压调节系统 该系统的主要任务是当外界负荷变化引起汽压变化时 自动改变进入炉膛的燃料量 使锅炉的蒸汽流量改变 以维持汽压恒定 因此 在该控制系统内 汽压P为被调量 燃料量B为调节量 空汽流量控制系统 送风调节系统 该系统的主要任务是在锅炉燃料量发生变化时 相应地调节送风量 使进入炉膛的空气量与燃料量恰当配合 以维持一定的过剩空气系数 确保燃烧的经济性 炉膛压力控制系统 引风调节系统 锅炉护膛压力的高低关系着锅炉的安全经济运行 压力过低有引起炉膛内爆的危险 压力过高会造成风机耗电量增加 排烟热损失增加 该系统的主要任务是使得引风量与送风量相互配合 以维持炉膛压力为一定值 炉膛燃烧调节系统 115 第3章顺序控制系统 SCS sequencecontrolsystem 3 1 概述3 2 顺序控制在电厂中的应用3 3 应用举例3 4 可编程控制器 116 3 1 概述 在生产过程中有两大类控制 调节控制 modulatingcontro1 顺序控制 sequencecontrol 顺序控制的基本概念 117 调节控制也称闭环控制 它利用反馈方法将被控制量与给定值进行比较 然后根据比较的结果 改变控制量 使得被控制量维持在要求值 在这类控制系统中 控制器的输入 输出量均为模拟量 所以亦称模拟量控制系统 118 顺序控制是另外一类控制 它仅与设备的启 停 开 关有关 它根据生产过程的工况和被控设备的状态等条件 按照预先规定的顺序去启 停 开 关被控设备 在这类控制系统中 检测 运算和控制用的信息全部是 有 和 无 两种信息 这种具有两种状态的信息称为开关量信息 因此这类控制也称为开关量控制 顺序控制系统是一个比较新颖的控制系统 随着科学技术的发展 顺序控制广泛地应用于各种场合的生产工艺过程 以提高生产的自动化水平 实现生产的现代化 119 功能 大型火电单元机组顺序控制系统 sequencecontrolsystem 一般简称SCS 它的功能是对大型火电单元机组热力系统和辅机 包括电动机 阀门 挡板的启 停和开 关进行自动控制 120 必要性 随着机组容量的增大和参数的提高 辅机数量和热力系统的复杂程度大大增加 一台600MW机组约有辅机 电动 气动门 电动 气动执行器300余台套 例如华能上海石洞口二厂600MW机组 顺序控制系统按工艺系统特点分成约40个功能组 共控制机 炉辅机约93台 阀门约139只 主要挡板约20台 未包括BMS系统中的顺序控制部分 顺序控制系统涉及面很广 有大量的输入 输出信号和逻辑判断功能 一台600MW机组的顺序控制系统有2000 3000多个输入信号 1000多个输出信号 800多个操作项目 对如此众多而且相互间具有复杂联系的热力系统和辅机设备 靠运行人员进行手工操作是难以胜任的 必须采用安全可靠的自动控制装置 对热力系统和辅机实现顺序控制 121 顺序控制采用的装置 可编程控制器 PLC 和微机分散控制系统 DCS 可编程控制器具有可靠性高 逻辑组态和修改方便 维护工作量小等优点 广泛地用于顺序控制系统 采用微机分散控制系统 SCS作为整个分散控制系统的一个组成部分 微机分散控制系统不仅具有可编程控制器的所有优点 而且可与数据采集系统 DAS 模拟量控制系统 MCS 有机地结合起来 实现数据共享 从而节省大量的检测元件和信号转换装置 目前国内大部分采用微机分散控制系统的机组 SCS系统都直接采用分散控制系统来实现 122 采用顺序控制后 对于一个热力系统和辅机的启 停 操作员只须按一个按钮 则该热力系统的辅机和相关设备按安全启 停规定的顺序和时间间隔自动动作 运行人员只需监视各程序步执行的情况 从而减少了大量繁琐的操作 又由于在顺序控制系统设计中 各个设备的动作都设置了严密的安全连锁条件 无论自动顺序操作 还是单台设备手动 只要设备动作条件不满足 设备将被闭锁 从而避免了操作人员的误操作 保证了设备的安全 顺序控制的作用 123 3 2 顺序控制在电厂中的应用 顺序控制系统的控制范围包括与机 炉 电主设备运行关系密切的所有辅机 以及阀门 挡板等 顺序控制系统按热力系统将辅机划分为若干功能组 functiongroup 功能组就是将属于同一系统的相关连的设备组合在一起 一般是以某一台重要辅机为中心 如引风机功能组 就包括引风机及其轴承冷却风机 风机和马达的润滑油泵 引风机进 出口烟道挡板 除尘器进口烟道挡板等 另外还有一些相对独立的程控系统 如输煤 除灰 化学补给水处理 凝结水处理 锅炉吹灰 锅炉定期排污等系统 一般为独立的顺控系统 用可编程序控制器 PLC 来实