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第二篇火电厂单元机组自动控制一、火力发电厂的基本生产过程

(一)燃烧系统包括锅炉的燃烧部分及输煤、除灰和烟气排放系统等。(二)汽水系统包括锅炉、汽轮机、凝汽器及给水泵等组成的汽水循环和水处理系统、冷却水系统等。(三)电气系统包括发电机、励磁系统、厂用电系统和升压变电站等。2023/2/62023/2/6二、火力发电厂生产过程所需要的控制

(一)单元机组控制系统中的协调控制级(二)单元机组控制系统中的基础控制级

1．锅炉燃烧控制系统2．给水控制系统

3．蒸汽温度控制系统4．汽轮机控制系统

5．辅助控制系统2023/2/6单元机组控制系统的总体结构

2023/2/6第六章汽包锅炉蒸汽温度自动控制系统

第一节引言

一、过热蒸汽温度控制的任务中高压锅炉过热汽温的暂时偏差值不允许超过±10℃，长期偏差不允许超过±5℃。

二、过热蒸汽温度控制对象的动态特性

1．蒸汽负荷扰动下汽温对象的动态特性当锅炉负荷变化时，过热器出口汽温的阶跃响应的特点是有迟延、有惯性、有自平衡能力，且迟延和惯性较小。

2023/2/6过热汽温的静态特性

2023/2/62．烟气传热量扰动下汽温对象的动态特性在这种烟气侧扰动作用下，汽温对象的阶跃曲线是有迟延、有惯性、有自平衡能力的。但由于烟气侧的扰动是沿整个过热器长度进行的，所以延迟较小。

3．减温水流量扰动下汽温对象的动态特性减温水扰动时，汽温控制对象也是有自平衡、有迟延和惯性的控制对象。由于大型锅炉的过热器管路很长，故减温水扰动时控制对象的迟延和惯性是比较大的。

2023/2/62023/2/6第二节串级过热汽温控制系统一、串级汽温控制系统的组成2023/2/6二、串级汽温控制系统的分析2023/2/62023/2/6第三节采用导前汽温微分信号的双回路汽温控制系统

2023/2/6补偿分析法串级分析法

2023/2/61、等效主调节器：2、等效副调节器：

2023/2/6两种汽温控制系统的比较：串级系统的调节质量是比较好串级系统中，主、副回路相对独立，因此系统投运时的整定、调试直观方便。从系统结构角度看，双回路所用设备少。第四节过热汽温分段控制系统

一、分段定值控制系统

二、按温差控制的分段控制系统第五节600MW过热汽温控制系统实例

一、一级减温控制系统二、二级减温控制系统

第六节再热蒸汽温度自动控制系统一、再热蒸汽温度的控制方式

1．采用烟气挡板的再热汽温控制

2．采用烟气再循环的再热汽温控制3．采用汽-汽热交换器的再热汽温控制

4．采用摆动燃烧器角度和多层布置燃烧器方式的再热汽温控制二、再热蒸汽温度控制系统实例第七章给水自动控制系统第一节引言一、给水控制的任务锅炉汽包的正常水位，一般在汽包中中心线下100～200mm，运行中一般要求水位维持在给定值±50mm内。二、给水控制对象的动态特性

(1)给水量W扰动：包括给水调节阀门开度的变化和给水压力的变化，这个扰动来自给水管道或给水泵。(2)蒸汽负荷D扰动：包括蒸汽管道阻力的变化和主蒸汽调节阀开度的变化，这个扰动来自汽轮机侧，反映了汽轮机对锅炉的负荷要求。(3)锅炉炉膛热负荷Q扰动：这个扰动主要是燃烧率的变化，它将使蒸发强度改变，引起输出蒸汽量和汽水容积中汽泡的体积变化。(4)汽包压力的扰动：压力的变化将使汽水容积中汽泡的体积发生变化，压力升高，汽水容积中汽泡体积减小，水位下降；反之，汽泡容积增大，水位上升。

(一)给水量W扰动下水位变化的动态特性

(二)蒸汽流量D扰动下水位变化的动态特性

(三)炉膛热负荷扰动下水位变化的动态特性

第二节给水自动控制系统

(1)由于给水量改变后到水位变化存在一定的迟延和惯性，所以，若仅仅根据水位变化，通过调节器去调节给水量，必然使得水位偏差较大。

(2)由于在蒸汽流量和热负荷扰动时存在虚假水位现象，且反应速度比内扰快，为了克服“虚假水位”现象对控制的不利影响，应考虑引入蒸汽流量作前馈调节信号。

(3)给水压力是波动的，为了稳定给水量，应考虑将给水量信号作为反馈信号，用于及时消除内扰。

一、单级三冲量给水自动控制系统

1．系统的组成

2．控制系统的分析整定(1)调节器入口信号接线极性。(2)控制系统的静态特性。

3．给水调节器(PI型)参数整定

(1)内回路。

(2)主回路。

(3)前馈补偿回路分析。二、串级三冲量给水自动控制系统串级三冲量给水控制系统的分析整定

(1)副回路。

(2)主回路

(3)蒸汽流量分压系数的选择。三、采用变速泵的给水控制系统

(1)电动调速泵。驱动水泵旋转的原动机是定速电动机，电动机与水泵之间的轴连接采用液力联轴器，通过改变液力联轴器中的油位高度实现给水泵转速的改变。

(2)汽动调速泵。驱动水泵旋转的动力是一台小汽轮机，通过改变小汽轮机的蒸汽流量实现给水泵转速的改变。

1．变速给水泵的安全经济工作区域2．采用变速泵的给水控制系统方案第三节给水全程自动控制系统1.控制方案低负荷阶段，采用单冲量调节方式。当负荷达到一定值时采用三冲量调节方式。2.执行机构电动变速给水泵，汽动变速给水泵。3.信号测量压力和温度的校正。

给水全程自动控制系统

在锅炉负荷低于30％时，采用单冲量控制系统，当锅炉负荷高于30％时，由单冲量控制切换到三冲量控制，反之亦然。机组刚开始启动时,由给水旁路门调节水位，电泵控制给水泵出口与汽包之间的差压，采用单冲量(汽包水位)控制系统。此时多余的水通过给水泵出口再循环管道返回给水箱，并进行循环，以防止电动给水泵工作在安全、经济工作区至之外。随着锅炉燃烧量的增加，当旁路阀开到80%，切换开启电动主截止阀，关旁路截止阀。此时采用电泵单冲量控制系统。当机组负荷升至20%额定负荷．第一台汽动给水泵开始冲转升速。当负荷大于30%MCR时，将第一台汽动给水泵并入给水系统。系统将切换到串级三冲量控制系统。给水控制系统分析

1．汽包水位信号的测量2．给水流量信号的测量-节流元件前后压差；

-给水温度。3．蒸汽流量测量信号(1)主蒸汽流量(2)旁路蒸汽流量信号

给水全程控制系统分析

1．启动、冲转及带l5％负荷

2．升负荷l5％～30％3.30％～l00％负荷阶段4.泵出口流量平衡控制回路5.给水泵最小流量再循环一、单元机组的基本控制方式1.炉跟机控制方式

第八章燃烧过程自动控制系统炉跟机：炉调压，机调功，负荷响应快，可以利用锅炉蓄能，压力波动大。2．机跟炉控制方式机跟炉：机调压，炉调功，压力波动小，负荷响应慢，不能利用锅炉蓄能。二、燃烧控制的任务锅炉燃烧过程控制的基本任务是即要提供热量适应蒸汽负荷的需要，又要保证燃烧的经济性和锅炉运行的经济性、安全性。

（1）维持机前压力PT（过热器出口汽压）机前压力应保持在给定值±0．2Mpa范围。（2）维持单元机组的负荷。（3）维持炉内过剩空气稳定，以保证燃烧经济性，控制系统应能保持炉内氧量在给定值±0．5%范围内。（4）维持炉膛负压要求控制系统应能保持炉膛压力在给定值±30pa范围内。燃烧控制系统组成

这是一个多参数多变量控制系统。为简化问题，通常把它看成即有联系又相对独立的三个单变量系统来处理。燃料子系统送风子系统引风子系统三、燃烧控制对象的动态特性

1．汽压控制对象的动态特性

(1)内扰下汽压控制对象的动态特性

特点：(a)有迟延，惯性，无自平衡能力。(b)有迟延，惯性，有自平衡能力。(2）外扰下的汽压控制对象的动态特性

特点：(a)无迟延，有惯性，无自平衡能力。(b)无迟延，有惯性，有自平衡能力。2．炉烟含量动态特性ttVO2%τΔVkΔVT图8-8送风量扰动下氧量阶跃响应曲线3．炉膛负压动态特性ttGPfΔG图8-9引风量扰动下负压阶跃响应曲线0二、燃烧过程自动控制系统的基本方案

(一)燃烧过程自动控制系统的基本组成原则(1)能迅速改变炉膛燃烧率，适应外界负荷变化。(2)能迅速发现并消除燃烧率扰动。(3)确保燃料、送风和引风等参数协调变化。燃料控制的任务在于进入锅炉的燃料量随时与外界负荷要求相适应。因为汽压是锅炉燃料热量与汽轮机需要能量的平衡标志，并且在负荷扰动下汽压具有近似比例的响应特性，因此汽压可以作为燃料控制系统的被调量。1.燃料反馈的燃料控制系统（a)图：引入燃料量的负反馈，并送到副调节器构成串级控制系统，采用这个方案，如果燃料量能直接准确地测量，可以消除燃料的自发性扰动。

2．给粉机转速反馈的燃料控制系统（b）图：用各给粉机转速的“和”来反映燃料量或燃烧率的大小。给粉机转速只能反映燃料量的大小而不能反映燃料品质的变化，为此引入燃料品种校正信号。为了消除燃料侧自发性扰动，系统引入了汽包压力的微分信号。当发生燃料量内扰时，汽包压力能较快地反映燃料量内扰，汽包压力的微分信号有超前和加强调节的作用，所以汽包压力的微分信号有助于尽快消除内扰。稳态时汽包压力的微分信号消失不影响副调节器入口平衡关系。3．前馈+反馈的燃料控制系统（c）图：燃料在锅炉中燃烧、传热、水的蒸发过程需要一定的时间，这样锅炉对负荷变化的响应比汽机慢得多。为了减小锅炉对负荷响应的迟延和惯性，可以采用功率（外扰）的微分信号作为前馈信号送入汽压调节器，功率的微分信号有超前和加强调节的作用，以提前平衡负荷扰动，提高锅炉对负荷的响应速度。汽包压力的微分信号有助于尽快消除内扰。稳态时汽包压力（内扰）的微分信号消失不影响调节器入口平衡关系。二、送风控制系统1.单闭环比值送风控制系统（a）图：送风调节的任务在于保证燃烧的经济性，保证燃烧过程中有合适的燃料与风量比例，送风调节对象近似比例环节。因此通常采用保持燃料量与送风量成比例关系的送风控制系统，实现送风量快速跟踪燃料量的变化。（b）图：燃料量B和送风量V的最佳比例K是随不同负荷、不同燃料品种变化。因此，可以选用随负荷、燃料品种变化而修正送风量的送风控制系统，系统结构简单、整定投运方便，但负荷和燃料品种的修正系数在实际应用中较难确定。2．串级比值送风控制系统（c）图：采用有燃烧经济性指标的校正调节器来修正送风量，使送风量与燃料量之间的比值达到最佳，采用氧量校正的送风控制系统。（d）采用氧量作为校正信号的送风控制系统如图12-11(d)所示。它是一个串级比值控制系统，主调节器(氧量校正调节器)接受氧量与氧量定值信号。副调节器接受燃料信号B，反馈信号V及氧量校正调节器的输出，副回路保证风煤的基本比例，起粗调作用，主回路用来进行氧量校正，起细调作用。

3.前馈+反馈的送风控制系统不同负荷下的最佳氧量值由锅炉热效率试验后确定，然后设置在函数器中。

负荷指令通过函数模块f2(x)的运算，送出在不同负荷下所需要的理论空气量，并把它作为送风调节器的给定值信号。另外为了克服送风调节通道中存在的迟延和惯性，系统中还引入了负荷指令Pb的前馈调节作用，以改善动态过程中的燃风配合。三、引风控制系统对于负压燃烧锅炉，如果炉膛压力接近于大气压力，则炉烟往外冒出，影响设备与工作人员的安全；反之，如果炉膛压力太低，又会使大量的冷空气漏入炉膛内，降低了炉膛温度，增大了引风机负荷和排烟带走的热量损失。一般炉膛压力维持在比大气压力低2～5毫米水柱左右。引风控制系统一般只需采取以炉膛负压Pf作为被调量的单回路控制系统。送风量作为前馈引入引风调节器有利于提高引风控制系统的稳定性和减小炉膛负压的动态偏差。二、燃烧过程自动控制系统的基本方案

(一)燃烧过程自动控制系统的基本组成原则(1)能迅速改变炉膛燃烧率，适应外界负荷变化。(2)能迅速发现并消除燃烧率扰动。(3)确保燃料、送风和引风等参数协调变化。(2)燃料控制子系统结构

2．送风控制子系统(1)总风量的测量(2)送风控制子系统结构

K为风煤比例系数具有氧量校正控制的送风控制系统3．引风控制子系统(三)燃烧过程控制系统基本方案

1．“燃料一空气”系统

2．具有氧量校正的“燃料一空气”系统第二节燃烧过程自动控制的典型系统一、有中间储粉仓锅炉的燃烧自动控制系统1．采用热量信号的燃烧控制系统

(1)燃料控制子系统。

(2)送风控制子系统。

(3)风煤交叉限制回路。

2．利用给粉机转速信号的燃烧控制系统

(1)燃料量测量回路(2)热值修正回路(3)送风量测量校正回路(4)一次风压控制子系统二、直吹式制粉锅炉燃烧自动控制系统

1．采用中速磨直吹式制粉锅炉的燃烧自动控制系统

2．采用风扇磨直吹式制粉锅炉燃烧自动控制系统第三节600MW机组燃烧控制系统实例

一、氧量校正及燃料量／风量指令交叉限制回路1.氧量校正回路2．燃料量，风量指令交叉限制回路3．主控指令的动态校正回路4．蒸汽流量一主燃料量偏差的动态校正5.加法器∑6-∑9的作用二、燃烧控制系统（一）燃油压力控制系统（二）燃料(煤)量控制系统1.煤量信号的测量2．燃料指令超前处理3．增益调整与平衡4.各给煤机控制三、磨煤机风量及风温控制系统

1．风温的调节2．风量的调节四、一次风压力控制系统五、总风量控制系统七、锅炉炉膛压力控制系统第九章单元机组协调控制系统第一节引言一、单元机组的特点和任务(1)单元制机组是一个相互关联的多变量控制对象，锅炉和汽轮发电机是一个不可分割的整体。(2)锅炉和汽轮发电机的动态特性存在较大的差异。(3)具有参加电网一次调频的能力。

协调控制系统作用：保证机组出力适应电网的负荷变化要求、维持机组稳定运行。具体地说就是对外保证单元机组有较快的功率响应和有一定的调频能力，对内保证主蒸汽压力偏差在允许范围内。协调控制系统任务：是协调地控制锅炉燃料量、送风量、给水量等，以及汽机调节阀门开度，使机组既能适应电网负荷指令的要求，又能保持单元机组在额定参数下安全、经济地运行。二、单元机组的基本控制方式1.炉跟机控制方式

图9-1'

炉跟机控制方式示意图炉跟机：炉调压，机调功，负荷响应快，可以利用锅炉蓄能，压力波动大。2．机跟炉控制方式机跟炉：机调压，炉调功，压力波动小，负荷响应慢，不能利用锅炉蓄能。图9-2‘机跟炉控制方式示意图3.机炉协调控制方式图9-3'机炉综合控制方式示意图二、单元机组的运行方式

1．定压运行方式

2．滑压运行方式

3．联合运行方式4．调频运行方式三、单元机组负荷控制对象的动态特性

1．锅炉燃烧率(及相应的给水流量)扰动下主蒸汽压力和输出电功率的动态特性（内扰）2．汽轮机调门开度扰动下主蒸汽压力和输出电功率的动态特性（外扰）汽压控制对象的动态特性

(1)内扰下汽压控制对象的动态特性

特点：(a)有迟延，惯性，无自平衡能力。(b)有迟延，惯性，有自平衡能力。(2）外扰下的汽压控制对象的动态特性

特点：(a)无迟延，有惯性，无自平衡能力。(b)无迟延，有惯性，有自平衡能力。a.汽轮机采用纯液压控制系统时的阶跃响应特性

b.汽轮机采用功频电液控制系统时的阶跃响应特性

四、单元机组负荷控制系统的组成处于上位级的机炉协调级，也叫作单元机组主控系统，是整个系统的核心部分。负荷控制系统又由二部分即负荷指令管理部分也称负荷管理控制中心和机炉主控制器组成。处于基础控制级的子系统包括锅炉子控制系统以及汽机子控制系统。负荷被控对象。负荷指令处理回路

对外部要求的负荷指令或目标负荷指令（电网调度分配指令、运行人员手动指令，一次调频所要贡献的负荷指令）进行选择，并根据机组主辅机运行的情况加以处理，使之转变为机、炉设备负荷能力，安全运行所能接受的实际负荷指P0。外部指令：外部负荷指令一般有电网调度所的负荷分配指令ADS(AutomaticDispathSystem)；机组运行人员手动增/减负荷的指令。

内部指令：机组辅机故障减负荷RunBack(快速返回)运行参数超过上限而引起的减负荷RunDown(迫降)指令主要运行参数低于下限而引起的增负荷RunUp(迫升)指令

2.机、炉主控制器的主要作用：根据锅炉和汽轮机的运行条件和要求，选择合适的负荷控制方式，按照实际负荷指令P0与实发功率信号PE的偏差和主汽压力的偏差p以及其它信号，进行控制运算，分别产生对锅炉子控制系统和汽轮机子控制系统的协调动作的指挥信号，分别称为锅炉指令(BoilerDemand)PB和汽轮机指令(TurbineDemand)PT

。

3.机炉的子控制系统：是协调控制的基础，它们的控制质量将直接影响负荷控制的质量。因此，只有设计好各子控制系统，并保证其具备较高控制质量的前提下，才有可能使协调控制系统达到要求的控制质量。第二节单元机组负荷控制方式一、负荷控制的基本原则二、负荷控制方式1．机炉分别控制方式(1)锅炉跟随方式(2)汽轮机跟随方式(3)其他方式

2．机炉协调控制方式(1)以锅炉跟随为基础的协调控制方式(2)以汽机跟随为基础的协调控制方式(3)综合型协调控制方式三、前馈控制回路

1．按负荷指令进行的前馈控制2．按蒸汽流量进行的前馈控制（1）轮机第一级压力与机前压力的比值可线性地代表汽轮机的有效阀位。（2）正确反映汽机对锅炉的能量需求，且只反映外扰(汽轮机调节汽门开度变化)，而不受锅炉侧内扰(燃烧扰动)的影响。（3）代表了汽轮机对锅炉的能量需求。第二章600MW机组主控系统实例一、负荷指令处理回路的主要功能

1．机组负荷指令的选择

2.最大／最小负荷限制3.负荷指令变化速率限制4．负荷返回(RB)

5.负荷增/减闭锁(BI／BD)6.负荷迫升／迫降(RU／RD)二、系统分析三、主要控制逻辑

1．机组负荷遥控逻辑2.RB／RD逻辑3．负荷的闭锁增减BI／BD

4.负荷指令的跟踪逻辑

四、机前压力设定点回路机组变压运行曲线图五、机炉主控制器

(一)机炉主控制器的主要功能

(1)接受LDC输出的负荷指令(LDCOUT)、机组实发电功率、主蒸汽压力、主蒸汽压力设定值等信号,运算产生锅炉主控指令和汽轮机主控指令，并送往炉和机的相关子系统。

(2)根据机组当前的运行条件及要求，选择合适的负荷控制方式(BASE、BF、TF、CCS)。

(二)系统分析第三章协调控制系统实例二

第一节概述

协调控制系统设计时将锅炉、汽轮机和发电机作为一个整体来考虑，使锅炉、汽机同时响应负荷要求，协调锅炉及其辅机与汽机的运行，以迅速、准确、稳定地响应负荷要求。此协调控制系统适用于定压或滑压运行，有四种控制方式。1.协调控制方式在此方式下，汽机和锅炉两侧并行地接受负荷指令。锅炉侧通过改变燃烧率来维持主汽压力，汽机侧通过改变调汽门开度来调整机组出力的大小。当汽机机前压力与设定值偏差超过一定限值时，汽机调汽门开度将受到限制。属于以锅炉跟随为基础的协调控制方案。2.锅炉跟随方式汽机主控手动，锅炉主控回路处于自动方式，通过改变锅炉燃烧率进行主汽压力调节。3.汽机跟随方式锅炉主控手动，汽机主控回路处于自动方式，通过改变汽机调汽门开度进行主汽压力调节。4.手动方式锅炉和汽机主控回路均处于手动方式。补充：自动发电量控制AGC（AutomaticGenerationControl）是能量管理系统EMS中的一项重要功能，它控制着调频机组的出力，以满足不断变化的用户电力需求，并使系统处于经济的运行状态。补充：图例说明一、机组负荷设定二、主汽压力设定三、锅炉主控四、汽机主控六、频率修正七、热值修正八、RUNBA