西门子1000MW机组闭环控制简介

1、1000MW机组闭环控制简介汤益琛一、机组协调控制 协调控制的目的可以简单描述为：在维持机、炉能量平衡的前提下快速响应系统负荷需求。我厂1000MW机组的协调控制方式是以锅炉跟随为基础的机炉协调控制方式，即我们常说的锅炉控压力，汽机控负荷，特点是负荷响应快，主汽压力欠稳。 图1 协调控制示意图1、 负荷控制回路通过查看DCS和DEH控制画面中可以发现，机组负荷指令N与汽轮发电机组最终响应的负荷指令是有区别的，因为协调控制是一种智能控制，是会根据自身特点和能力来灵活响应系统负荷需求的。锅炉具有大惯性、大迟延的调节特性，压力拉回回路是当锅炉对主汽压力调节不足时，让响应速度快的汽轮机参与稳定主汽压力

2、。即当主汽压力偏差较大时，汽机加负荷，开调门，抑制汽压上涨；反之，则减负荷、关调门。五号机的压力拉回回路的压力偏差动作值范围为0.350.8 MPa，六号机为0.150.8 MPa。该回路示意图如图2：图2 压力拉回回路 一次调频优化主要是针对投AGC时，AGC指令与一次调频方向不一致，引起调频效果差而设计。简单说，就是当一次调频响应幅值>0.1MW时，暂停AGC指令响应，并增加1.5MW的一次调频效果。 信号补偿是因为DEH的负荷指令是通过硬接线从DCS模拟量输出的，存在信号衰减。为了还原失真的信号，此处将DEH收到的信号通过跨服务器AP间通讯传回DCS，进行差额补偿。2、 锅炉主控指

3、令主要由以下几部分组成： （1）、基本指令：单元负荷指令和频率校正叠加作为B-MASTER的基本指令，是机组稳定运行时的锅炉负荷，即汽机发多少，锅炉就烧多少。（2）变负荷/压力速率：锅炉惯性、迟延大，加负荷若只靠基本指令作用，则变负荷、压力速度过慢，所以为了达到要求的变负荷/压力速率要求，必需增加额外的锅炉负荷。这与汽车提速的道理类似，起步时加大油门实现快速提速，等接近目标速度时逐渐减小油门，减小加速度。负荷和压力设定值产生的动态补偿就是为了实现这一过程，等到稳态时其输出为0.（3）锅炉蓄热补偿：锅炉压力的改变会引起锅炉蓄热的变化，变负荷（包括一次调频）初期都是通过增、耗锅炉蓄热来实现快速响应

4、的。负荷变化幅度越大，压力变化越大，需补偿的锅炉蓄热就越大；一次调频幅度越大，需补偿的蓄热也就越大。六号机一次调频对锅炉蓄热的补偿是通过修正压力偏差实现的，五号机该回路未启用。 锅炉蓄热补偿的数值和作用时间都很短，运行人员基本感觉不到它的作用。（4）压力调节：以上几部分指令实现了稳态或暂态过程中机、炉能量的基本平衡，实现粗调。压力调节则实现了机、炉能量平衡的精细调节，维持了主汽压力的稳定。简单说就是主汽压力低了就加点锅炉出力，反之就减点。一、 汽轮机控制 汽轮机控制器是DEH的核心部分。它通过控制一个或多个高、中压调门的开度来调整进入汽轮机的蒸汽量，达到调节汽轮机转速、负荷或主汽门前压力的目的

5、。除此以外，西门子汽轮机控制器还具有限制高压叶片压力、高排温度等保护汽轮机的调节功能，并在电网频率出现偏离时能及时增、减机组出力来调整电网频率；机组出现负荷大扰动甚至发生甩负荷后仍能带厂用电或维持汽轮机定速运行。 图3 汽轮机控制简图1、 TAB回路TAB即汽机启动和升程限制器，该回路在闭环控制中主要起到一个上限作用。并网前限制输出62%，并网后不再限制。TAB将各汽轮机启动的操作步骤按先后顺序给予固定，可以认为是汽轮机启动逻辑中的操作票。2、转速/负荷控制器 转速与负荷的联系涉及到转速不等率概念，从调节系统静态特性曲线可以看到,单机运行从空负荷到额定负荷,汽轮机的转速由n2降到n1，该转速变

6、化值与额定转速n0之比称为转速不等率，转速不等率过大，在甩负荷时容易超速，另一方面来说，转速不等率可以用来表征汽轮机转速与功率的对应关系。我厂的转速不等率为5%，即0到1000MW转速变化为150rpm，因此我厂在100%甩负荷时出现的动态飞升值应该在150rpm左右，即最大转速3150rpm左右。根据转速不等率的概念可以得到我厂转速与负荷的对应关系如下：nP×0.15 DEH中的转速负荷控制回路比图3要复杂得多，但因为我厂并不需要考虑并网后转速控制（小电网系统）或甩负荷后带厂用电运行，所以我们将控制回路简化如图3，以下分析也仅针对我厂运行方式进行。（1）并网前转速回路的选择开关选择

7、不等率换算回路，调节转速偏差。负荷回路将负荷设定为0，此时发电机实际负荷也为0，负荷回路偏差为0，实际不起作用，相当于只调节转速。在此阶段里，程序通过改变转速设定值来满足机组启动需要。转速设定值由程控自动设定暖机转速和同步转速，在同期并网时可以响应准同期装置请求的升、降转速信号。当汽轮机出现跳闸、TAB小于50%、过临界时升速率小于100rpm或TSE故障时，转速设定值将变为转速跟踪模式，转速设定值为当前转速-60rpm，以保证调门可靠关闭。汽轮机不在临界转速区出现TSE故障时，转速设定值将保持当前值不变。汽轮机甩负荷时转速设定会有约1秒跟踪实际转速的过渡过程，因为甩负荷的快速响应是通过开环回

8、路快关调门来实现的，闭环回路跟踪即可。甩负荷后的运行方式属于并网前的一种工况，其转速设定为3000rpm，负荷设定为0。（2）并网后，限压模式 转速回路的选择开关选择一次调频回路，转速设定值为3000rpm。负荷回路上的初压模式选择开关选择0MW，负荷设定值通过手动设定或由DCS（协调提供）。该模式下，汽轮机控制负荷并满足一次调频需要。 该模式下，转速回路实际为一次调频回路，即当汽轮机转速（与系统同步）偏差超出2rpm时，汽轮机主动增/减负荷来进行系统调频，其增/减负荷的幅度同样由转速偏差通过转速不等率计算得出。其幅度不大于60MW，汽轮机功率在400MW到最大负荷限制之间有效。 图4 一次调

9、频当系统频率偏差超出0.5HZ时，不论一次调频是否投入，汽轮机都将主动介入系统调频。该回路和一次调频使能开关未在图3中标明，如此大频率偏差一般不会有。在该模式下压力控制回路通过初压模式选择开关将压力设定值降低1MPa，使得压力控制器的输出较转速/负荷控制器要大而不起作用。当加负荷过程中出现主汽压力低于设定压力0.8MPa时，将触发限压信号，负荷速率限制器将保持当前输出，不再加负荷。当压力低于设定值1MPa以上时，压力控制器的输出将小于转速/负荷控制器，汽轮机开始调节主汽压力。3、 压力控制器压力控制器相对比较简单，就是维持压力的稳定。当汽轮机运行于初压模式，压力控制器起作用，即TF运行方式时，

10、一次调频回路自动退出，负荷设定值跟踪实际负荷，并且在负荷设定值基础上增加20.8MW，使得转速/负荷控制器输出大于压力控制器而不起作用。此时的压力设定值是由DCS根据当前负荷通过滑压曲线计算出来的。 初压和限压的切换，实际就是通过改变负荷和压力设定值来实现控制回路的切换。4、 叶片压力控制器汽轮机冲转初期，蒸汽与汽机与高压缸金属接触，遇冷凝结形成剧烈的热交换，此时蒸汽的饱和温度决定了热交换的剧烈程度。为了避免因剧烈换热造成缸体热应力过大，就需要对高压叶片压力进行限制，控制此阶段进汽的饱和温度。叶片压力控制器根据高压缸50%点温度、高压转子温度和对应的许可温差计算出高压缸金属内壁的最高允许值，以

11、此作为汽轮机进汽饱和温度上限值，即进汽压力限制值（第五级压力）。随着高压缸整体温度的升高，它的介入逐渐减少。该控制器在汽机自启动顺控第三步投入，在汽机转速超过402r/min时退出。退出后，调节器的输出值始终是110，不会对高调门进行限制。图5 叶片压力控制器示意图5、 高排温度控制器在汽轮机通流量较小时，蒸汽流量不足以带走汽轮机叶片与蒸汽摩擦产生的热量，而导致叶片温度上升，热应力增大，甚至超出叶片许用温度，即我们常说的鼓风摩擦。鼓风热在汽轮机叶片转动线速度最大的末几级叶片最为明显。高排温度控制器的作用就是在汽轮机总输出功率不变的情况下（如维持3000rpm），通过降低中、低压缸通流量，增加高

12、压缸通流量来降低高压缸末几级叶片温度。高排温度控制器根据高压转子温度计算出高压缸叶片温度（12级蒸汽温度）值限制值，温度超出限制值时，高排温度控制器开始介入调节。图6中，叶片温度超出蓝线进入控制运行区时，高排温度控制器开始调节。当高压缸叶片温度与保护值的差值>-15K时，ASD报警，关高调门切高压缸，开高排通风阀；差值>-10K时报警；>0时，汽轮机跳闸。 图6 高压缸叶片温度限制6、 进汽流量设定形成回路TAB、转速/负荷控制器和压力控制器经中央小选后的输出值作为汽轮机各调门控制的总控制指令，由此指令分别计算出高压调门流量设定值、补气阀流量指令值和中压调门流量设定值。高压调

13、门流量设定值形成的计算公式为：Y=X/0.8，其中X为当中央小选块输出值（受叶片压力控制器限制），即小选输出到80以上时，高压调门全开。补汽阀流量设定值形成的计算公式为：Y=（X-0.78）/（1-0.78），补汽阀在中央小选输出到78%以上时开启。中压调门流量设定值的计算公式为：Y=（X-a）/（0.56-a），其中X为中央小选输出减去高排温度控制器输出后的值。a为一个常数，当汽轮机转速大于1998rpm时，a=0.16；转速不大于1998rpm时，a=0.04。由此可以看出，在汽轮机冲转初期，中调门在X输入达到4%即开启，这有利于在高压缸进汽压力受限时的汽轮机升速控制；汽轮机暖机结束后（&

14、gt;1998rpm），中调门即恢复到正常的16%以后开启。当X值大于56%时，中调门全开。7、 调门阀位设定各调门进汽流量设定形成后，并不能直接作为阀位信号，因为绝大部分调阀的开度与通流量并不成正比。所以流量指令还需通过阀门通流特性曲线转换成阀位指令，以实现精准调节。各调门在ATT试验该阀或汽轮机投入快冷时，调阀直接由阀位限制控制，而不再接受流量设定指令。各调门指令通过伺服阀来控制阀门油动机的活动，但伺服阀的控制并不能完全满足所有控制要求，在甩负荷等要求快速关闭调门的工况时，还需要通过跳闸电磁阀来实现快速关闭。当以下条件同时满足时，控制系统将跳闸电磁阀失电实现调门快关：（1） 调门实际阀位大

15、于3。（2） 根据调门实际阀位换算出来的调门通流量比调门的设定通流量超出30%以上，即调门关闭慢。（3） 调门阀位测量和监视器无故障。（4） 没有跳闸电磁阀已失电。（5） 不在EH油顺控第52步，强制阀位输出最大。高调门的快关指令会发给中调门的阀位控制器子模块，引起中调门快关。 三、给水控制 我厂给水控制系统设计为全程自动，涉及到的控制对象和元件较多，控制回路比较复杂，特别是在启、停机过程中多个控制对象发生转变，使得运行人员在给水控制上颇感棘手。为此，特根据5号机给水控制系统将各主要控制对象和转换条件绘制于图7，以便理解和查阅。1、停炉阶段 我厂停炉后锅炉不再上水，汽泵只维持高旁减温水，停炉阶

16、段的给水闭图7 给水控制原理示意简图 环控制更多只是跟踪，所以在图7中没有描绘，也不做介绍。此阶段给水控制主要通过开环保护来实现。停炉时，若有给水泵运行则保护关各上水阀，确保锅炉不再进冷水，防止锅炉快速冷却。若给水泵全停，则不需关闭锅炉上水阀，维持上水阀开启还可以将水冷壁的蓄水作为高旁减温水，防止冷再管道超温。2、湿态阶段此阶段的控制策略是通过炉水泵出口调节阀来保证水冷壁最小流量；通过上水调节阀来补充水冷壁内工质蒸发和溢流所产生的损失；通过汽泵转速自动维持上水调节阀前后差压。在锅炉湿态运行期间，水冷壁流量始终维持最小流量设定值。炉水泵流量与锅炉上水流量随着蒸发量的增加此消彼长。在给水控制中采用

17、“干态”信号作为切换条件，湿态运行时，“干态”切换开关选择液位控制回路，该回路是一个典型的三冲量控制。 把此阶段的锅炉和炉水泵看成一个整体，相当于一个游泳池和净水设备，锅炉的蒸发量相当于游泳池的排水（污）量，锅炉上水量的控制就等同于游泳池的补水控制。要把游泳池的水位稳定在某一位置，首先必须实现补水量等于排水量，若还存在水位差，这要为改变泳池蓄水量提供而外的补水量，直到水位达到设定值。湿态的给水指令以锅炉蒸发量作为基本补水量，再加上分疏箱液位偏差根据分疏箱压力修正系数计算出的水位差补水量。分疏箱的溢流量通过水位差控制体现，也就是说通过提高分疏箱水位设定值，加大分疏箱溢流量就能实现上水量的提高。此

18、阶段的锅炉上水量不得超过水冷壁最小流量设定值，因为水冷壁最小流量值同时也是湿态转干态的临界值。给水流量设定值形成后加上手动偏置值，再经最大最小流量限制后作为最后的上水流量设定。其中最大流量限制在点火前为958T/h，点火后为3096T/h。最小流量限制在干态时为干态最小流量设定值（5号机可手动设定，6号机为958t/h），非干态时为干态最小流量设定值（958t/h）减去启动循环泵出口流量,即保证省煤器入口流量不低于958t/h。给水的最小流量控制在不同控制方式下会有所差别。当炉水泵运行，出口调节门投自动时，该控制阀会保证省煤器入口流量为水冷壁最小流量设定值。当炉水泵运行，但其出口调节阀在手动时

19、，锅炉上水调节阀或给水泵自动会保证省煤器入口流量不低于958t/h。当炉水泵停运，锅炉上水调节阀控制给水时会保证省煤器入口流量为水冷壁最小流量设定值。当炉水泵停运，由汽泵控制给水时，会保证省煤器入口流量不低于958t/h。五、六号机给水控制权限的切换策略存在差异。五号机在上水调节阀开度大于78，或该阀切手动，或上水主阀开启时，汽泵由差压控制切换为给水流量控制。同时，上水调节阀开度大于78时，上水旁路阀将自动切至手动控制；主阀开启时上水调节阀虽不切手动，但偏差将置0，也不再调节。给水流量控制权交由汽泵后，给水将不再保证水冷壁最小流量设定值，而是保证干态最小流量设定值。湿态时，若炉水泵流量调节阀和

20、上水流量调节阀都在手动，则汽泵将只保证干态最小流量设定值。 六号机的给水控制权切换没有设计自动切换点，需要人为辅助切换。当上水调节阀指令小于200且主阀开（开指令记忆，由关指令复位）时，汽泵切至给水流量控制。上水旁路阀在切手动或两台汽泵转速均低于1800rpm时将偏差置零，退出给水控制。二者不是相同条件切换控制权限，需要操作员手动辅助切换。先将上水旁路阀切手动，退出给水控制；然后开启上水主阀，汽泵由差压控制切换为流量控制。若先开启主阀而不撤旁路自动，就可能在主阀开启过程中或主阀卡涩时，调门和汽泵同时调节给水流量，引起流量波动。3、干态阶段 此阶段的给水反馈量切换为省煤器入口流量，给水控制为采用

21、蒸发器吸热模型的焓值控制。此时若炉水泵出口仍有流量，也不会干扰给水控制。因为通过蒸发器吸热模型计算出来的给水量本身就是水冷壁入口流量，而不是湿态时的锅炉补给水量。 将上式中的分母移至左边可以发现，焓值控制器实际上体现的是锅炉实际吸热量与理论吸热量的偏差。（1） 给水基本指令锅炉指令减去一定比例的负荷指令动态补偿值作为水煤比计算的煤量依据。变负荷时，负荷指令的动态补偿用于加快锅炉相应，而给水响应是快于燃料响应速度的，所以在给水控制中将这部分响应予以降低。6号机为加上锅炉指令微分信号，进一步提升给水响应速度，这是因为6号机给水基本指令所设置的惯性时间要长横多，其效果也差不多。总水量减去设计减温水量

22、即为水冷壁设计流量。（2） 水冷壁理论焓增理论焓增为水冷壁出口焓值设定值减去水冷壁入口焓值设计值。其中水冷壁入口焓值设计值由修正后的锅炉指令经曲线函数得出。水冷壁出口焓值设定值由分离器出口压力运算得出。从图7中左底部可以看出，经分离器压力计算出焓值设计值后，再加上手动偏置和减温水修正值后经特殊工况切换回路后作为水冷壁出口焓值设定值。减温水修正回路主要包含三部分功能：其一是通过过热器总减温水与设计值的偏差来修正出口焓值，以使得实际减温水与设计流量一致，维持减温水与给水的比例。减温水量若低于设计值，修正回路将增加输出值，提高水冷壁出口焓值设定，以减少水冷壁流量，增加减温水流量。其二是根据四路管线中

23、的最大、最小减温水流量来修正焓值设定值。当某一管线减温水过多时，将降低水冷壁出口焓值，减轻减温水压力；某管线减温水太少时，将提高水冷壁出口焓值。五号机因为各管线减温水偏差过大已经屏蔽了此功能。其三是但水冷壁出口最高温度接近高一值时（5号机为15K,6号机为低10K），逐渐降低水冷壁出口焓值设定值，防止超温。该回路的各功能的输出以降焓加水优先。特殊工况的焓值设定切换回路主要包含三个部分。第一部分是当水冷壁出口最高温度达到高二值时，焓值设定值切换为最小焓值加50kj/kg，实现加水降温。第二部分是当减焓降温条件满足时，焓值设定值切换为最小焓值，以实现干态至湿态的过渡。减焓降温条件可简单描述为锅炉曾

24、在小于30负荷时出现过干态信号，当锅炉负荷小于20超过1分钟或锅炉负荷小于10时，触发减焓降温。该条件已基本不可能触发。第三部分是干态结束10分钟后，将焓值设定值设为最小焓值。这部分主要是用于与湿态接口，在非干态下焓值设定值并无作用。最下焓值设定值由分离器压力的函数计算得出，受手动偏置影响。（3） 水冷壁蓄热变化量蓄热的变化由分离器出口压力的变化计算得出，数值较小。5号机已将该值直接置零，对控制的影响不大。（4） 水冷壁实际焓增 实际焓增为水冷壁出口焓值设定值减去水冷壁入口实际焓值进行计算，使用焓值设定值计算是通过目标焓值计算目标给水量。（5） 焓值控制器这是干态给水控制的核心，由它来维持一过

25、入口焓值的稳定。稳定工况时，当焓值偏差超出±10kj/kg时，控制器开始调节。在加减负荷时，当焓值偏差超出±60kj/kg时，控制器开始进行调节。需要注意的是，焓值控制器存在闭锁减和闭锁增信号。当机组出现负荷闭锁增信号时，焓值控制器输出值被闭锁减，即不能通过焓值控制器实现加水。由于水冷壁超温加水的功能都是通过焓值控制器来实现的，在RB等暂态工况中容易出现水冷壁出口超温，需要通过手动增加给水偏置来人为介入。当机组RB触发7分钟后或给水流量小于低限值时，焓值控制器输出会闭锁增，容易出现汽温偏低。干态时的给水指令主要由以上5部分组成，任何一部分变化都能影响到机组的给水控制精度和稳

26、定。加减负荷时主要是通过基本指令来改变给水量，总减温水流量则通过修正水冷壁理论焓增实现，锅炉压力的变化可以影响到蓄热，当高加退出时，水冷壁入口实际焓值提前体现，使得给水可以提前响应，而RB时常出现闭锁增就使得运行控制风险增加。给水采用焓值控制属于直流炉的先进控制手段，但其较为复杂的控制模型也增加了运行运行人员技术理解的难度。 四、燃料控制燃料主控将来自负荷控制系统的锅炉负荷指令分配给各台运行给煤机控制系统，其控制原理如图8所示。 锅炉指令通过负荷煤量曲线得出对应总煤量值，因为煤量与负荷并不是线 图8 燃料控制简图性关系。总煤量值减去燃油折算的煤量值后得到该负荷下的给煤机给煤量。给水焓值控制器的

27、输出会对给煤量进行修正，以辅助给水控制，维护主汽压的稳定。煤量偏差中的总给煤量信号，5号机采用的是给煤机指令之和，6号机使用的是实际反馈除以热值校正系数。5号机有利于给煤机信号失真时机组的稳定，6号机则能对给煤机机械故障作出正确应对。根据投自动的给煤机台数进行的变增益修正就是在投自动的给煤机多时将单台给煤机的加减煤速率降低，但是因为参与调节的给煤机多，总煤量的加减速率还是会变快的。燃料控制器根据总煤量偏差会计算出各台给煤机的平均给煤量指令，在经过操作员设置手动偏置，再除以热值校正系数后，送入给煤机控制器作为最终的煤量指令。除以热值校正是为了将设计煤种换算成当前煤种。热值校正是通过协调控制中的压

28、力控制器输出值来进行调节的，压力控制器输出值越大，热值校正系数越小；反之，校正系数越大,该热值校正实际并不完全是煤量热值的体现。比如机组负荷800MW稳定，锅炉指令82时，锅炉指令中基本指令为80，压力控制器输出2，那热值校正就认为这多出2%是煤种热值引起的，就降低热值系数，增加煤量。压力控制器为保持压力势必将减少输出，如此循环直到压力控制器输出为0。简单而言，热值校正就是把所有引起锅炉煤量偏离设计煤量的问题都归结为了热值问题。如当机组真空变差时，我们会发现热值校正系数变小了。五、风量控制送风机控制系统主要由总风量指令回路、氧量校正信号回路、送风机的风量调节回路、两台风机的出力平衡回路。（1）

29、 风量设定值 锅炉指令经风量曲线计算后得出设计风量，在加上操作员设定偏置后，由氧量校正回路对其进行修正，使送风量运行在经济区域。图9 风量控制图（2）氧量校正调节器的被调量是氧量信号，来自脱硝系统入口烟气内的三个氧量信号。氧量校正调节的给定值由与锅炉指令相关的氧量曲线计算得出，可以通过手动偏置对其进行调整。氧量校正在加减负荷时是不进行校正的，将保持其输出值不变。若变负荷前为0.9，那么整个变负荷过程中分量将都被打9折。该控制器退出自动时，操作员可以手动设定其输出值来调整锅炉送风量。（3）总风量信号由六台磨一次风量和两侧送风量相加形成，这八个风量值都能影响到送风机的自动控制。（4）送风机自动台数

30、增益一台为1，两台为0.7，修正后的偏差信号分别送至两台送风机动叶控制器。（5）电流平衡回路用于维持两台风机的出力平衡，使两台风机齐头并进。电流偏差分别送至两台风机控制器，A风机减去该偏差，B风机加上该偏差，一次风机和引风机同此。（6）根据锅炉指令变增益目的是在低负荷时减慢送风机的调节速率，减小风烟系统扰动。 六、炉膛负压控制 引风自动通过控制引风机静叶位置来控制炉膛负压，保证炉膛负压维持在一定的允许范围之内。炉膛压力作为炉膛负压控制系统的反馈信号，送风机动叶信号作为前馈信号，并设计MFT时超驰信号，以防止炉膛压力急剧下降。由于5、6号炉控制手段上区别点较多，所以分别作图如10、11.（1） 偏差信号的分级增益 负压偏差信号形成后，若偏差超出死区值，则在原偏差上再叠加一偏差，将偏差放大，加快调节速度。控制回路中设置了偏差大于200帕和300帕两个分级放大回路。（2）总风量动态补偿即根