黔西300MW汽轮机DEH控制系统介绍

1、黔西电厂300MW汽轮机DEH控制系统简介和利时公司 刘康宁一一.DEH控制系统概述控制系统概述二二.DEH控制原理控制原理三三. DEH控制系统的先进性控制系统的先进性四四. 操作说明操作说明 黔西电厂3、4汽轮机为哈尔滨汽轮机厂生产的N300-16.7/537/537-2型亚临界凝汽式大型汽轮机。和利时公司为其提供的DEH控制系统中，电气控制部分采用了和利时公司开发设计的Hollias-MACS控制系统。其中，硬件采用最新的S/M系列产品。液压控制部分采用了哈尔滨汽轮机厂设计的高压抗然油系统。 DEH控制系统可分为三大部分：控制系统可分为三大部分：控制对象部分 汽轮发电机组及电网负载等。电

2、气控制部分 操作员站、主控单元、I/O模件等。液压控制部分 油源系统、AST&OPC集成块、连续油动机、两位油动机等。汽轮发电机组汽轮发电机组热力过程 锅炉产生的高温高压蒸汽经主汽阀、调节阀节流后进入汽缸。蒸汽在汽缸中的膨胀对转子做功，将高温蒸汽携带的热力势能，转换为拖动发电机旋转的机械能。发电机将机械能转换为电能，同时通过电网输送给各用电设备。如下图所示。一. DEH控制系统概述空气空气冷却塔给水泵循环泵凝汽器发电机汽轮机高压缸锅 炉电 网油开关再热调节阀过热器再热器再热主汽阀高压主汽阀 高压调节阀高压逆止阀低压旁路 汽轮机中低压缸高压旁路汽轮发电机组热力系统示意图转子方程：TWGT

3、TTNNNdtdJ221)(tdtdTTTTa DEH主要通过控制各进汽阀门的开度，改变进汽流量，来调节机组的转速和功率。进汽阀门配置 进汽阀门配置为: 高压主汽阀：2个，连续控制 高压调节阀：6个，连续控制 中压主汽阀：2个，两位控制 中压调节阀：2个，连续控制喷嘴组1高压主汽阀1高压调节阀3高压调节阀5高压调节阀6高压调节阀4高压调节阀2高压调节阀2高压主汽阀536421高压进汽阀、喷嘴组布置示意图远 方 输 电 电 网发电机变压器断路器断路器变压器变电所变电所变压器断路器断路器发电机变压器变压器断路器当 地 输 电 电 网当 地 输 电 电 网断路器变压器用电户变压器发电机断路器用电户用

4、电户当 地 输 电 电 网断路器变压器变压器发电机断路器断路器变压器变电所电网结构示意图 等效转子方程：CjDiDiDiTWkTkTkTkNdtdJNNNdtdJ222121)(trCdtdTkTkWWWW时间负荷电网总电负荷随时间变化曲线示意图 定 子转子油开关电 网变压器发电机定 子励磁发电机电压电 网油开关总电抗感 应电动势电网电压电流发电机概念示意图sin3cos3XUEUING有功功率：断路器+汽 轮 机输出功率汽轮机转速电网频率转 子同 步 发 电 机电网扰动+-+高 压 缸高压调节阀阀门流量曲线高压调节阀行程主汽压力再热汽压力中压调节阀行程空转阻力发电机功率-汽

5、轮发电机组控制方框图调频过程 电网调频过程是电力生产与消费能量的平衡过程。电网负载消耗的总功率为一种时变随机过程。总负荷变化量随着变化周期时间由短到长，而显著增大 。为了维持电网频率稳定，必须设法使发电机组生产的总功率即时跟随电网总负荷变化。 可将电网调频分为以下三个阶段： 自然调频：定义为调速系统未动作时，仅靠自平衡能力来稳定电网供电频率的过程。当电网出现功率负荷不平衡后，电网中旋转机械的动能会随着电网频率的变化而变化，因此可吸收或释放部分能量来补偿系统能量的变化，同时用电设备的负荷也会随电网频率的变化而变化，从而可减缓供电频率的变化。 自平衡能力由等效转子时间、自平衡系数来衡量。由于孤立小

6、电网及发电机组的自平衡能力较弱，需要良好的一次调频性能才能维持转速的稳定。一次调频：定义为在调速系统给定值不变的情况下，通过转速反馈作用改变其输出功率来调整电网的频率。在电网频率按自然调频过程变化的同时，调节系统探测到机组转速的变化后，通过转速反馈作用迅速调整各发电机组的输出功率，以维持供电频率稳定。 在加负荷方向它需要利用锅炉蓄能的支持，可设置一定的限制，以防止拉跨锅炉。出现功率不足，频率下降过低时，应利用低周减载装置，避免发生频率崩溃。在减负荷反向，为了避免机组发生事故，禁止设置任何限制。 良好的一次调频性能是机组安全运行及电网频率稳定的保障。二次调频：定义为通过改变调频机组调速系统的给定

7、值，改变其输出功率使电网频率回到额定值。在一次调频作用后，最终稳定频率会偏离额定值。需通过调整预先指定的调频机组的负荷设定值，使各机组的负荷变化量转移到调频机组上，同时将频率恢复到额定值。 并不是调频机组才承担一次调频任务，所有机组都应具有良好的一次调频能力。现在还有许多人认为只有调频机组才需承担调频任务，基荷机组不承担调频任务，因此仅调频机组需投入一次调频功能。这种思想是完全错误的。由于发电机组的自平衡能力很弱，每台机组的转速反馈即一次调频功能随时都应投入，才能保证安全运行。21N21转速功率100用电负荷特 性 线发电功率特 性 线功控一次调频静态特性阀控一次调频静态特性油动机全关汽轮机特

8、性线 负荷特性线100空负荷额定功率100发电机功率0转速转速0汽轮机机械功率100满负荷流量空负荷流量100油动机全关油动机全开负荷特性线汽轮机特性线控制系统静态特性图系统自然调频静态特性图211机组1机组2NNN3000功率0转速转速0功率3000二次调频静态特性图电气控制部分电气控制部分 DEH由BTC基本控制站、ATC自启动控制站组成，共有3个机柜。每个MEH控制站对应控制一台给水泵汽轮机。机柜中安装有冗余主控单元及各种I/O模块，以完成各种控制功能。 服务器、工程师站及操作员站与DCS系统共用，主要完成数据库管理、控制组态及监视操作等功能。与DCS共用系统网服务器操作员站服务器工程师

9、站管理网 BTC控制站主机柜 ATC控制站主机柜 BTC控制站扩展柜人机接口设备DEH现场控制站冗余工业以太网冗余工业以太网冗余服务器与DCS共用 MEHA控制站主机柜 MEHB控制站主机柜DEH/MEH电气部分硬件系统示意图开入模块控制网液压系统、现场设备开出模块模入模块模出模块伺服模块测速模块DEH BTC控制站10313236冗余工业以太网系统网冗余DP通讯网主控单元主控单元热电偶7路模入模块116路干接点干接点4816路8路4208路420对外供电模入模块非外供电420测速端子伺服端子8路DEH基本控制站硬件系统示意图 DEH基本控制站I/O信号容量为：96路开入；48路开出；16路非

10、对外供电型420mA模入；24路对外供电型420mA模入；7路热电偶模入；8路420mA模出；3路转速；10路油动机伺服控制。系统网冗余工业以太网控制网冗余DP通讯网21425DEH ATC控制站模入模块模入模块开出模块现场设备开入模块8路420非外供电模入模块对外供电4208路8路热电阻16路48干接点干接点16路热电偶8路模入模块51模入模块7路热电偶主控单元主控单元DEH自启动控制站硬件系统示意图 DEH自启动控制站I/O信号容量为：32路开入；16路开出；32路非对外供电型420mA模入；16路对外供电型420mA模入；40路热电阻模入；47路热电偶模入。测速模块 具有响应速度快、测速

11、精度高、测速范围大的特点。测速模块接收到测速探头的信号后，经滤波、隔离、整形等方法处理成方波信号，精确测量出其频率，再根据测速齿盘的齿数，计算出机组的转速。 同时还可根据转速判断机组超速危险情况，输出OPC关调门信号和打闸信号。 测量精度为 , 响应时间为20ms，测速范围为110000Hz。伺服模块 伺服模块与伺服阀、油动机滑阀、油缸、LVDT等组成伺服位置随动系统。 伺服模块采用比例调节方式，可有效提高伺服系统稳定性，避免积分饱和现象。 具有手动、自动两种方式，手、自动阀位给定可相互跟踪，以实现手自动无扰切换。 适当调整比例调节 放大倍数，缩短油动机动态响应时间，可有效改善DEH控制系统动

12、态响应性能。 伺服系统时间常数约0.3s。5105 . 2测速模块端子板图伺服模块原理框图手动减信号手动增信号开入处理开入处理油动机行 程线 性变 换线 性变 换油动机行程油动机行程S+1伺服阀油缸S调 制解调器调 制解调器比 例调节器+-模入开入开入模出模入减增跟踪线 性变 换模入手动阀位给定刚复位N阀门手动NY自动阀位给定回读阀位给定通讯现场部分硬件部分软件部分次线圈次线圈主线圈黑绿红蓝黄棕此处就地短接接CV-T14:2接CV-T14:1接CV-T13:2接CV-T13:1*LVDT、伺服阀接线示意图伺服模块端子板图液压控制部分液压控制部分 液压控制部分是DEH控制系统控制指令的最终执行者

13、。油源系统 油源系统为液压控制部分各油动机提供动力能源，系统压力为14MPa。它主要由以下设备组成： 油箱：1个，容量900升 主油泵：2个变量柱塞泵，冗余配置 蓄能器：3组 循环泵及冷油系统：1套 再生泵及再生系统：1套AST&OPC系统 AST&OPC系统控制作允许主汽阀、调节阀油动机的开启条件安全油压和快关油压。 AST的4个电磁阀组成串并联冗余结构，可在线进行活动试验。透平油系统产生的低压安全油可通过薄膜接口阀卸掉高压安全油。 快关油压可通过并联的2个OPC电磁阀控制。高压安全油可通过2个冗余的逆止阀卸掉快关油。 压力油快关油高压安全油无压回油低压安全油AST&

14、OPC系统示意图连续控制油动机 连续控制油动机与DEH的伺服模块配合可使阀门定位在全开全关之间任何位置。在快关油（或安全油）建立期间，油动机受伺服阀控制。在伺服模块中阀位给定电压与反映油动机行程的LVDT反馈电压进行比较，经比例放大后输出给伺服阀。伺服阀根据控制信号的大小及方向控制作油动机开启或关闭的速度。油动机行程到达给定值时，伺服阀处于断流位置，油动机行程维持不变。 当快关油（或安全油）消失时，卸荷阀开启使油动机迅速关闭。两位控制油动机 两位控制油动机只能使阀门定位在全开（全关）位置。在安全油建立期间，油动机受电磁阀控制。电磁阀带电时油动机全关，失电时全开。 当安全油消失时，卸荷阀开启使油

15、动机迅速关闭。连续控制油动机示意图压力油有压回油快关油阀位给定喷嘴挡板式伺服阀结构示意图DEH控制系统的目的和任务控制系统的目的和任务 控制汽轮机的转速 控制汽轮机平稳升速到同步转速。发电机处于发电状态期间，为了使供电频率符合规范要求（500.2Hz），控制汽轮发电机组转速保持在额定值（3000r/min）附近。 控制发电机的功率 转速在规定范围内时（300015r/min），根据机组能力及需要，控制汽轮发电机组的功率。保证机组安全运行 在发生甩负荷等异常工况时，限制机组最高飞升转速。 在出现真空低、主汽压力低时，降低发电功率。 在出现危急机组安全的情况时，如超速110，迅速停机。提高自动化水

16、平 远方遥控自动完成挂闸、试验等操作。高级的可实现ATC自启动。 监视机组主要参数，提供必要的操作指导。二. DEH控制原理DEH控制原理控制原理 汽轮机通常采用定滑定启动模式。 汽轮机启动阶段，锅炉燃烧率维持不变。汽轮机所需的启动蒸汽压力由旁路系统控制，维持不变。蒸汽温度由锅炉温控系统控制，维持不变。 机组并网带负荷且旁路阀全关后，逐渐增加锅炉燃烧率，蒸汽升温、升压，滑参数加负荷。 正常运行时，可由汽机或锅炉维持蒸汽压力不变；锅炉温控系统维持蒸汽温度不变；通过改变汽机的调门、锅炉燃烧率和给水量，以满足电网对发电机功率的要求。 通常采用高压主汽门冲转，汽轮机刚启动时高压调节阀及中压主汽门全开，

17、高压主汽门及中压调节阀随转速给定逐渐开启。 汽轮机为全周进汽形式，对汽缸进行均匀加热。 达到阀切换转速（2950r/min）后，高压调节阀逐渐关小开度。高压调节阀接替高压主汽门控制转速后，高压主汽门全开。 中压调节阀的开度比高压的大3倍，在整个正常调节过程中不节流，只是在超速限制、保护动作时才起节流作用。升速控制 在油开关断开状态下，DEH采用转速PID调节，使实际转速跟随给定转速变化。给定转速按照经验升速曲线或司机的操作指令变化，控制机组自动完成升速、暖机、过临界、定速、试验及自动同期等过程。 快速一次调频回路可提高转速的动态响应性能。在升速阶段即可检验一次调频的稳定性。阀门切换 到达切换转

18、速后，随着切换系数的变化，高压主汽门油动机逐渐全开，高压调节阀油动机逐渐关小。 在阀切换过程中，机组转速一直受控，确保了切换转速无扰。阀位控制 在油开关合闸后，DEH自动由转速PID控制切换为DEH阀控方式。总阀位给定自动增加36，使发电机带上初负荷，以避免出现逆功率。 给定阀位值由一次调频修正后，控制调节阀开度。功率控制 给定功率与实际功率之差，由一次调频修正后，经功率PID调节输出控制机组功率。 实际转速超出300015r/min时，将自动切换到阀位控制方式。-实际功率总阀位给定-实际转速+给定转速N给定阀位给定CCS控制YN压控YNPIDPIDYPIDNY0一次调频快速回路实际压力给定压

19、力给定功率功控脱网YN动作+不等率+阀门特性修正高压调节阀伺服控制切换系数伺服控制中压调节阀阀门特性修正高压主汽阀伺服控制切换系数100阀门特性修正-+限制+不等率DEH控制系统SAMA图主回路压力控制 给定压力与实际压力之差，经压力PID调节输出帮助锅炉控制主汽压力。 当锅炉辅机故障快卸负荷动作时，可自动投入压力控制，以帮助锅炉维持主汽压力。 实际转速超出300015r/min时，将自动切换到阀位控制方式。协调控制 由机炉协调主控器来的CCS给定值，经一次调频修正后，控制调节阀开度。 实际转速超出300015r/min时，将自动切换到阀位控制方式。各种限制 当阀位限制、高负荷限制、主汽压力低

20、限制、真空低限制及快卸负荷等动作时，总阀位给定值将以预定的速率减小，直到限制条件消失。OPC超速限制 油开关跳闸信号可通过硬件回路直接动作OPC电磁阀，使调节阀迅速关闭，以限制转速超调量。 103超速OPC只允许在油开关断开期间有效，以避免发生电网振荡。油开关跳 闸实际功率电磁阀快关电磁阀-+80实际功率中排压力2210103实际转速油开关跳 闸OPC超速限制逻辑 当中压缸排汽压力比实际功率高80时，中压调节阀快关电磁阀动作，迅速关闭中压调节阀。 阀门特性修正 汽轮机进汽阀的升程流量曲线是非线性的。通过阀门特性修正后，可使总阀位给定与进汽量间呈线性关系。而且可按需要实现单阀方式或顺序阀方式进汽

21、。 根据汽轮机厂提供的阀门行程流量曲线及流量系数修正曲线，采用MATLAB软件可分别计算出单阀方式修正曲线和顺序阀方式修正曲线。喷嘴组1高压主汽阀1高压调节阀3高压调节阀5高压调节阀6高压调节阀4高压调节阀2高压调节阀2高压主汽阀536421高压进汽阀、喷嘴组布置示意图一次调频 电网一次调频作用是电网频率很重要的稳定基础。发电机组的转速有差调节反馈是实现电网一次调频作用最有效的手段。机组转速反馈同时也是机组运行安全最有力的保障。 传统DEH系统，在升速阶段一次调频功能不起作用。在机组并入大电网后，而由于通常电网频率较稳定，也不能检验一次调频的动态性能。有的在孤网状态下甚至是不稳定的。 与传统D

22、EH比较采用了快速一次调频回路，以提高一次调频动态响应性能，减小DEH主控单元的负荷率。 一次调频信号不加任何切换逻辑，直接作用到DEH的总阀位给定。机组在任何工况下，转速反馈都存在，对机组及电网的安全运行提供了有力的安全防护。 在升速阶段即可验证一次调频的稳定性。主汽门调门切换 采用了先进的主汽门调门切换方案，保证了切换过程中转速平稳。三. DEH控制系统的先进性+-+实际转速+给定转速不等率-+实际功率给定功率+给定转速不等率-+限制总阀位给定实际转速N给定阀位给定CCS控制YN压控YNPIDPIDYPIDNY0实际压力给定压力功控脱网YN动作阀门特性修正N100Y阀切换伺服控制高压主汽阀

23、阀门特性修正中压调节阀伺服控制N0Y阀切换伺服控制高压调节阀阀门特性修正Y0N动作100传统DEH控制系统SAMA图主回路-实际功率总阀位给定-实际转速+给定转速N给定阀位给定CCS控制YN压控YNPIDPIDYPIDNY0一次调频快速回路实际压力给定压力给定功率功控脱网YN动作+不等率+阀门特性修正高压调节阀伺服控制切换系数伺服控制中压调节阀阀门特性修正高压主汽阀伺服控制切换系数100阀门特性修正-+限制+不等率DEH控制系统SAMA图主回路一次调频限幅 电网一次调频作用是电网频率很重要的稳定基础。发电机组的转速有差调节反馈是实现电网一次调频作用最有效的手段。机组转速反馈同时也是机组运行安全

24、最有力的保障。在下图所示的各种静特性中，进入限幅范围后，机组转速反馈开环，电网失去一次调频作用。电网频率将按自然调频过程迅速下降或升高，将使事故进一步扩大。因此设置一次调频死区应格外谨慎。 图中“设定调频范围的静特性”图所示50105功率范围，是锅炉不投油的经济工作范围，应为二次调频机组较理想的调节范围。“带双向限幅的静特性”图示1212r/min转速偏差范围，是国家规定的电网频率允许的偏差范围。转速在300012r/min范围内时由一次调频功能调节，超出此范围后由二次调频功能调节。“带正向限幅的静特性”图示转速偏差超出12r/min，即转速小于2988r/min后，可能考虑到锅炉蓄能的限制不

25、参加一次调频。“带负向限幅的静特性”图示转速偏差超出12r/min，即转速大于3012r/min后，不再参加一次调频。50带负向限幅的静特性带正向限幅的静特性设定调频范围的静特性带双向限幅的静特性功率差2-2-1212-88转速差转速差-8-12-22功率差功率差2-2128转速差功率1053000转速DEH一次调频静特性 051015299530003005301030153020302530303035time sspeed r/minTs=0.05s Ts=0.1s Ts=0.2s Ts=0.3s Ts=0.5s TD=0.1s =0.05 Ty=0.3s Tv=0.2s Ta=8s T

26、=0.6 不同采样周期下甩负荷转速飞升曲线 05101529402960298030003020304030603080time sspeed r/minTD=0.2s Ts=0.2s =0.05 Ty=0.3s Tv=0.2s Ta=8s T=0.6 =0.04 =0.06 =0.1 不同不等率下甩负荷转速飞升曲线 0510153000300530103015302030253030time sspeed r/minTD=0.2s Ts=0.2s =0.05 Ty=0.2s Tv=0.2s Ta=8s T=0.6 Ty=0.3s Ty=0.4s Ty=0.5s 不同油动机时间下甩负荷转速飞升曲线 并网带负荷 在机组并网带负荷时，若实际发电机并未并网。对于传统DEH由于其一次调频功能尚未投入，带初负荷的指令会引起机组超速。 由于此DEH一次调频功能的调节作用，带初负荷的指令