中蓝裕兴化工锅炉自控(四)锅炉CCS机炉协调系统图纸

1、中蓝裕兴锅炉自控优化方案（四）公用工程车间锅炉工段赵文涛【编】前言如何平衡我厂钛白生产车间用汽与锅炉产汽，保证蒸汽低压、中压压力稳定，流量合适、锅炉运行安全、平稳这一切长久以来都困扰着我公用工程车间。笔者在阅读相关热电厂运行资料后，了解到电厂CCS系统（机炉协调系统）就是解决蒸汽供求平衡问题的所在。可是CCS系统极其复杂，通常都是专业的热力设计院根据设计图纸与现场设备去编写控制方案，该技术不论是电厂还是设计院，通常都不会无偿外传，所以笔者虽多方联系都未能搞到一手技术资料。再加上，笔者仅仅工作四年，且不是热工自动化专业，对该项系统的学习与研究工作进展缓慢。本次锅炉自控（四）方案，主要介绍CCS系

2、统的原理、设计思路以及相关图纸，部分图纸非常珍贵，笔者找寻了好久！有些图纸是截图，画质可能比较粗糙，望读者见谅。CCS系统对相关理论知识要求较高，即便笔者只做了简单介绍，篇幅也较多，也可能比较难懂，有些知识笔者也不是太清楚，有兴趣的同事可一同探讨。编者水平有限，不足之处望读者批评指正！【注1】方案以原始技术资料为主，若结合我厂生产运行实际情况的话，方案中汽轮机负荷可视为生产车间用汽需求。【注2】本优化方案主要以SAMA图为主，文章附有SAMA图例说明可参考。锅炉协调控制系统原理与工程实现技术【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

3、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：功率偏差和汽压偏差同时送到汽机调节器W（s）和锅炉调节器W（s），在稳定工况下，实发功率N等于功率给定值N，机前压力P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），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

4、，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）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。【三】、系统分类（一）锅炉跟踪方式（炉跟机）特点：系

5、统响应速度快，但机组稳定性差。（二）汽轮机跟踪方式（机跟炉）特点：机组稳定性好。但系统响应速度慢。（三）矩阵解耦控制锅炉与汽轮机之间的控制存在一个耦合关系。左图为解耦系统原理，右图为矩阵解耦后的等效图解耦矩阵运算如下：特点：这种解耦控制方法不但可以解除系统耦合，还可以改变单变量对象特性。但解耦网络复杂，往往难以实现。以锅炉运行状态控制为例；微过热汽温、过热器温度和主汽压来表示机组的运行状态时，与3个主要控制量（给水流量、减温水流量和燃料量）之间的关系：左图就是锅炉运行三输入/三输出耦合矩阵。这种解耦控制精度极高，但要比传统的PID控制难实现得多，所以只有大型的临界或超临界直流锅炉才会使用此方法

6、。（四）机炉综合协调控制（CCS系统）在锅炉跟随为基础或汽轮机跟随为基础的协调控制方式中，只有一个被控量是通过两个控制变量的协调操作来加以控制的，而另一个被控量是单独由一个控制变量来控制的，因而，它们只是实现了“单向”协调。“单向”协调控制在负荷的响应过程中，机组或机炉之间的能量供求仍存在较大的动态失衡现象。为避免这一问题，综合协调控制方式采用的是“双向”协调，即任一被控量都是通过两个控制变量的协调操作加以控制的。当主蒸汽压力产生偏差时，机、炉主控制器对锅炉侧和汽轮机侧同时进行操作，一方面加强锅炉燃烧率的控制作用，补偿蓄能的变化，另一方面适当限制汽轮机进汽调节阀的开度，控制蒸汽流量，维持主蒸汽

7、压力稳定，以保证机、炉之间的能量平衡。这也是热电企业主流的平衡控制方式！【四】、CCS协调控制系统的分类CCS系统也分为两类：（1） 按指令信号间接平衡的协调控制系统（2） 能量直接平衡协调控制系统（1）按指令信号间接平衡的协调控制系统上图为以炉跟机为主的单向解耦协调控制系统，为带有死区的非线性环节，有利于提高协调控制系统的稳定性，死区的大小决定了蓄能的利用，兼顾负荷适应性与运行稳定性，斜率的选择取决于压力偏差的动态校正速度。左图为炉跟机为主的双向解耦控制系统。F（t）为比例微分环节，有利于改善锅炉对功率的响应特性。燃料扰动（增加）时，压力信号（增加）通过交叉环节K抵消（要求汽轮机控制回路开大

8、调节阀门）了功率信号要求关小汽机调节阀门的动作。这样扰动由锅炉一侧自行快速消除，汽轮机侧控制尽量少动或不动，减少锅炉对汽轮机动作的相互影响，提高了稳定性！（2）能量直接平衡协调控制系统这类协调控制系统的特点是应用能量信号汽轮机第一级后的压力P1与主蒸汽压力PT的比值P1/PT作为前馈信号，直接平衡机、炉之间的能量关系。之所以称P1/PT为能量信号，是因为它与汽轮机进汽调节阀的开度成正比，无论何种原因引起进汽调节阀开度变化，P1/PT都能作出灵敏的反应。所以不管是动态过程还是静态，P1/PT都反映了进汽调节阀的开度，亦即反映了汽轮机的输入能量。【相关知识说明】可能读者对直能信号与此系统原理比较陌

9、生，那笔者简单介绍下：理论分析与试验研究表明，汽机第一级压力P1与机前压力PT的比值P1/PT可较好地反映汽机调节汽门开度 。 P1/PT信号用于检测调节汽门开度不仅具有响应快的特点，而且可克服直接测量汽机阀位存在的死区和非线性。 P1/PT×Ps是一种构造的能量平衡信号，代表汽机对锅炉的能量需求。1、在稳定时，恒定， PT=Ps ， P1/PT×Ps= P1，代表了汽机需求的能量与进入汽机的能量相等；2、在动态中， >0，PT<Ps， 则P1/PT×Ps >P1，代表了汽机需求的能量大于进入汽机的能量；3、 <0，PT>Ps， 则P

10、1/PT×Ps < P1，代表了汽机需求的能量小于进入汽机的能量。 当外界负荷指令N0增大时， P1/PT×Ps一般比负荷N0大，则这样在动态过程中，可动态地多增加一些锅炉的能量输入，有利于及时补充被利用的锅炉蓄能。P1/PT×Ps信号的另一特点是不受锅炉内扰的影响。如锅炉内扰使PT上升，因未变， P1相应增大，因此P1/PT基本保持不变。故以P1/PT×Ps作为锅炉侧的直接能量输入信号，定量地建立了机炉之间的能量平衡供求关系，使机炉能够协调动作，满足电网的负荷需求。机炉间的能量平衡，以机前压力Pt的稳定为标志。当Pt维持在定值Ps时，就意味着机炉

11、间达到静态平衡。间接能量平衡式协调控制系统方案中，锅炉控制均串级压力控制方式，主调节器为具有积分作用的压力控制器，副调节器为燃料调节器。（1）锅炉主控制器锅炉主控制器，根据输入的主蒸汽压力PT、主蒸汽压力给定值P0和汽轮机第一级压力P1信号，形成主蒸汽压力偏差和能量信号P1/PT，并对此分别进行控制运算，生成锅炉负荷指令NB，即：式中，s为微分算子（下同）（2）汽轮机主控制器汽轮机主控制器根据输入的负荷指令N0、实发电功率NE和P1信号进行控制运算，生成汽轮机负荷指令NT。由系统原理图可知，在汽轮机主控制器中，PI调节器入口端信号为：从锅炉内扰来看，当燃烧率自发增加时，PT及P1均升高，因为P

12、1对燃烧率变化的响应比实发电功率NE灵敏，在汽轮机控制回路中功率积分项尚未改变时，汽轮机调节器就使汽轮机调节阀关小，促使P1恢复到与功率给定值相适应的水平。与此同时，锅炉控制回路接受两个减小NB指令的信号，一个是由于P1恢复而使P1/PT减小的信号，另一个是负的压力偏差信号（P0-PT），所以锅炉侧消除内扰的能力较强。对于汽轮机进汽调节阀扰动，由于采用了第一级后压力P1（或P1/PT）信号，消除扰动也是比较快的。通过上述分析不难看出，采用能量信号直接平衡的协调控制系统，在快速适应负荷要求，以及克服系统内部扰动方面，都有比较大的优势，是目前诸多协调控制方案中较好的一种。 【平衡状态说明】1) 静

13、态平衡进入锅炉控制器入口的能量偏差信号为：静态状态时，锅炉控制器的积分作用总是消除调节器入口偏差，使ef最终等于零。由于P1/Pt恒不等于零，这就必须使 。可见，该系统中的燃料调节器具有保持机前压力Pt等于压力给定值的能力，而无需另加压力校正调节器。2) 动态过程在动态过程中，汽包压力的微分信号具有防止Pt过调，使过程稳定的作用。例如，由于锅炉内扰作用使Pt增高时 而，锅炉调节器入口偏差信号使燃料量减少，加速Pt的回升。当Pt开始回升时，提供了过程阻尼，使燃料量难以继续增加，防止Pt出现过调，有助于变负荷过程的稳定。由此可见，这种取消主压力调节器的DEB系统不仅系统结构有所简化，而且利用汽包压

14、力微分起到使控制过程更加平稳的作用。汽机能量需求信号直接作为锅炉指令，与热量反馈信号构成燃料控制信号，可以更为直接、快速地实现机、炉之间的动静态能量平衡。【五】机炉协调控制系统的工程实现（重点！）终于来到本方案最关键的地方了，不废话，直接上图！上图就是正规热电企业的主控界面，和我厂的DCS界面不同吧。这是个完全指令化的界面，更加简洁与人性化。以下笔者就展示下收集的工程图纸，不但不全，还是英文版的，而且有些是截图，可能有些粗糙，笔者有些也不懂，整理的有些乱，见谅！【中文版图纸在【六】处，但不如英文版全】1 负荷主站(UM)负荷主站是协调控制系统中位于最高一级的人机接口，它有三种工况，即机组目标负

15、荷()自动设定、机组值班员手动设定和跟踪。2 频差校正 在机、炉主控制器中，机组负荷调节是以机组实发电功率Ne为反馈信号，即稳态时Ne= N0 (实际负荷指令)。因此，电网频率变化时，机组一次调频能力使机组负荷变化Ne ；然而机组负荷指令N0未变，负荷控制结果使Ne反向变化而消除Ne，即破坏了机组的一次调频作用。为保持机组一次调频作用，应在实际负荷指令N0中加入由电网频率变化产生的Ne，这样在实发电功率Ne变化Ne时其给定值N0也相应变化 N0 ，且方向相同，负荷控制器输入信号不变。这就是设置频差校正回路的原因。3 实际负荷指令限制 由常数块设定的负荷指令上限Nmax、下限Nmin分别通过切换

16、开关T1、T2加至小选和大选输入端，这样使实际负荷指令只能在Nmin、Nmax间变化。对实际负荷指令的幅值及变化速度加了限制，目的是保证机组的安全运行。4 负荷指令的闭锁增/闭锁减（BI/BD）机组在实际运行过程中，一些不明原因可能造成执行机构工作到极限状态，为防止事故的发生，必须对负荷指令进行方向闭锁。5 负荷指令的迫降/迫升(RD/RU)如果在系统发生闭锁增或闭锁减的过程中，同时出现某些重要参数偏差大并超过设定的限值，为保证机组的安全运行，还必须将机组的负荷迫降或迫升到与其自身允许出力相适应的水平上运行。6 负荷指令保持(Hold)正常情况下，机组值班员随时按“保持”(Hold)键，实际负

17、荷指令值同时成为的上限限值和下限限值，因此实际负荷指令被闭锁在当前值。在同时发生闭锁减和闭锁增时，上述动作一样出现，因而负荷指令也将保持。（2）负荷指令处理逻辑1 UM切至手动工况:(1)中调指令与目标负荷偏差大；(2)风量控制在手动(FDF In Manual)；(3)锅炉主站在手动(BM In Manual)；(4)汽机主站在手动(TM In Manual)。2 负荷指令闭锁增(1)负荷指令达上限；(2)汽机主站闭锁增；(3)给煤机转速指令达上限；(4)送风机位置指令达上限；(5)引风机位置指令达上限；(6)汽动泵转速指令达上限。 3 负荷指令闭锁减（1）负荷指令达下限；（2）汽机主站闭锁

18、减；（3）给煤机转速指令达下限；（4）送风机位置指令达下限；（5）汽动泵转速指令达下限。 4 负荷指令的迫降下图是由运行人员选择确认的一些状态，它包括RD/RU功能投入，频差控制投入及投入保持状态等。（3）机炉主控制器逻辑 左图为汽轮机主控逻辑，右图为锅炉主控逻辑。由上面两个单元后，需要有个协调控制逻辑来将两个系统联系起来，下图就是协调回路逻辑。（5）机炉主控切换逻辑1 锅炉主站BM、汽机主站TM管理逻辑2 汽机指令与DEH的接口，汽机位置指令的闭锁3 汽机实际指令的方向闭锁 逻辑右图为主汽压力设定回路 4 滑压运行方式滑压运行方式的特点1）减少汽机调节阀的节流损失通常，滑压运行下汽机几组调节

19、阀(喷嘴)全开，与定压方式相比节流损失要小。2）汽机可获得较高的内效率滑压运行时主蒸汽的重量流量和压力与机组功率基本上成正比，主汽温度并不随功率变化，故主汽体积流量基本不变。这样，汽机各级速比、压力、焓降和温度变化较小，各级相对内效率基本不变，即在设计条件下运行。3）改善机组部件的热应力和热变形滑压运行时主蒸汽温度不变，汽机各部件热应力和热变形比定压运行时小得多。对中间再热机组，滑压运行时蒸汽压力随负荷降低而减小，蒸汽比热减小，再热汽温容易达到额定值，这使中、低压缸运行条件得以改善。4）减小给水泵的功耗给水泵是火力发电机机组中耗功最大的辅机，滑压运行时给水泵由于出口压头下降而使耗功下降。尤其在采用变速给水泵滑压运行方式下可进一步降低给水泵的功耗。【六】【图纸照片】最后给读者展示一些图纸的照片或截图，因为上面