单元机组协调控制系统-(CCS)

第二部分：单元机组自动控制系统分析第五章单元机组协调控制系统(CCS)5.1协调控制系统的基本概念大容量机组的汽轮发电机和锅炉都是采用单元制运行方式。所谓单元制就是由一台汽轮发电机组和一台锅炉所组成的相对独立的系统。单元制运行方式与以往的母管制运行方式相比，机组的热力系统得到了简化，而且使蒸汽经过中间再热处理成为可能，从而提高了机组的热效率。一、单元机组负荷控制的特点在单元制运行方式中，锅炉和汽轮发电机既要共同保障外部负荷要求，也要共同维持内部运行参数(主要是主蒸汽压力)稳定。单元机组输出的实际电功率与负荷要求是否一致，反映了机组与外部电网之间能量的供求平衡关系；而主蒸汽压力是否稳定，则反映了机组内部锅炉与汽轮发电机之间能量的供求平衡关系。锅炉和汽轮发电机的动态特性存在着很大差异，即汽轮发电机对负荷请求响应快，锅炉对负荷请求响应慢，所以单元机组内外两个能量供求平衡关系相互间受到制约，外部负荷响应性能与内部运行参数稳定性之间存在着固有的矛盾，这是单元机组负荷控制中的一个最为主要的特点。所谓协调就是通过一套控制回路协调锅炉、汽轮机控制回路的工作，使机组能快速、安全、经济地对外界负荷作出响应。二、协调控制系统及其任务单元机组的协调控制系统(CoordinatedControlSystem，简称CCS)是根据单元机组的负荷控制特点，为解决负荷控制中的内外两个能量供求平衡关系而提出来的一种控制系统。协调控制系统的主要任务是：(1)接受电网中心调度所的负荷自动调度指令、运行操作人员的负荷给定指令、电网频差信号，及时响应负荷请求，使机组具有一定的电网调峰、调频能力，适应电网负荷变化的需要。(2)协调锅炉、汽轮发电机的运行，在负荷变化率较大时，能维持两者之间的能量平衡，保证主蒸汽压力稳定。(3)协调机组内部各控制子系统(燃料、送风、引风、给水、汽温等控制系统)的控制作用，在负荷变化过程中使机组的主要运行参数在允许的工作范围内，以确保机组有较高的效率和可靠的安全性。(4)协调外部负荷请求与主／辅设备实际能力的关系。在机组主／辅设备能力受到限制的异常情况下，能根据实际情况，限制或强迫改变机组负荷。这是协调控制系统的联锁保护功能。三、协调控制的基本原则从锅炉燃烧率改变到引起机组输出电功率变化，其过程有较大的惯性和迟延，如果只是依靠锅炉侧的控制，必然不能获得迅速的负荷响应。而汽轮机进汽调节阀动作，可使机组释放(或储存)锅炉的部分能量，使输出的电功率有较迅速的响应。因此，为了提高机组的响应性能，可在保证安全运行的前提下，充分利用锅炉的蓄热能力，在负荷变动时，通过汽轮机进汽调节阀的适当动作，即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，根据外部负荷请求指令，加强对锅炉侧燃烧率(及相应的给水流量)的控制，及时恢复蓄能，使锅炉蒸发量保持与机组负荷一致。这就是负荷控制的基本原则，也是机炉协调控制的基本原则。四、协调控制方式常见的机组协调控制方式有以下几种方案：1．以锅炉跟随为基础的协调控制方式汽轮机先动作，而锅炉随后动作的调节称为炉跟随调节模式，简称炉跟机。该方式是汽轮机控制系统控制负荷，锅炉控制系统控制主汽压力。这种炉跟随方式的特点是：充分利用锅炉蓄热，机组功率变化比较快，但主汽压力波动比较大。这种方式以满足负荷为主，适用于调峰机组。2．以汽轮机跟随为基础的协调控制方式锅炉调节在前，汽轮机调节在后，称为机跟随调节模式，简称机跟炉。该方式下，锅炉控制系统控制机组功率，汽轮机控制系统控制主汽压力。机跟随方式特点是：机组功率变化过程中，主汽压力波动比较小，但燃料的燃烧最终变成机组功率需要一定时间，所以机组功率对外界负荷适应性比较差。这种方式以保证汽压为主，适用于带基本负荷的机组。3．综合型协调控制方式该方式是上述两种协调控制方式的综合，前两种方式中，只有一个被调量是通过两个控制变量的协调操作来加以控制的，而另一个被调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。当负荷指令P0改变时，机、炉主控制器同时对汽轮机侧和锅炉侧发出负荷控制指令，改变燃烧率和汽轮机进汽调节阀开度，一方面利用蓄能暂时应付负荷请求，快速响应负荷，另一方面改变进入锅炉的能量，以保持机组输入能量与输出能量的平衡。由此可见，综合型协调控制方式能较好地保持机组内、外两个能量供求的平衡关系，既具有较好的负荷适应性能，又具有良好的汽压控制性能，是一种较为合理和完善的协调控制方式，但系统结构比较复杂。应当明确，无论是何种协调控制方式，都是从解决“快速负荷响应和主要运行参数稳定”这一对源于机、炉动态特性差异的矛盾而设计的。把握这一要点，对认识、分析、设计协调控制系统大有益处。5.2协调控制系统分析一、协调控制系统的基本组成单元机组协调控制系统是由负荷管理控制中心(LMCC)、机炉主控制器和相关的锅炉、汽轮机子控制系统所组成。负荷管理控制中心(LMCC)的主要作用是：对机组的各负荷请求指令进行选择和处理，并与电网频率偏差信号△f一起，形成机组负荷指令Po。Po作为机组实发电功率的给定值信号，送入机炉主控制器。二、协调控制系统分析1．负荷运算负荷运算电路只有在协调控制方式下才起作用，负荷运算的任务可以用一个操作、两个校正、一个限制来概括。一个操作是电路的中间部分，通过“操作员设定”的手动操作单元，运行人员使用鼠标或键盘可以设定机组负荷的大小。两个校正为主汽压力校正和频率偏差校正。当主汽压力不等于压力给定数值后，由负荷运算模块最左侧的压力校正支路对机组负荷进行校正，以保证主汽压力等于给定数值。当机组频率和电网频率出现偏差后，由负荷运算模块最右侧的频率偏差校正支路对机组负荷进行校正，以保证机组输出负荷和电网的负荷需求相平衡。一个限制是当负荷变化时，对负荷的变化速度加以限制，以保护汽轮机设备的安全。2．锅炉主控锅炉主控系统接收“负荷运算”模块输出的“LOADCMD”信号，通过相关运算后，将运算后的负荷指令输出给燃料主控，最终控制进入炉膛燃料的多少。3．汽轮机主控汽轮机主控输出指令通过增、减方式发送到DEH系统。DCS通过比较汽轮机主控指令与DEH负荷参考信号(相当于DEH阀门的位置反馈)的偏差决定是否发出DEH负荷增或DEH负荷降信号。当两者的偏差在调节的死区范围内时，不再发出增减信号。5.3锅炉控制子系统分析一、燃烧控制系统(一)燃烧控制的任务锅炉燃烧过程控制的基本任务是既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。每台锅炉燃烧过程的具体控制任务与制粉系统、燃烧方式以及机炉运行方式有着密切的关系。炉跟机方式：锅炉调汽压，汽轮机进汽阀门调负荷(1)维持机前压力PT，机前压力应保持在允许范围内。(2)维持炉内过剩空气稳定，以保证燃烧经济性，(3)维持炉膛负压，要求控制系统保持炉膛压力在允许范围内。机跟炉方式，锅炉调负荷，汽轮机调汽压(1)维持单元机组的负荷；(2)维持炉内过剩空气稳定，以保证燃烧经济性；(3)维持炉膛负压，控制系统应能保持炉膛压力在允许范围内。(二)燃烧控制对象的动态特性燃烧对象主蒸汽压力PT受到的主要扰动来源有二个，其一是燃烧率扰动，称为基本扰动或内部扰动；其二是汽轮机调节阀开度的扰动，称为外部扰动。(三)燃烧过程自动控制系统单元机组中各部分之间的联系密切，互相影响大，设计时不仅要考虑制粉系统是直吹式还是中间储仓式，机组运行方式是带变动负荷还是带基本负荷，滑压运行还是定压运行，因此设计的燃烧控制系统是不相同的。燃烧控制系统是由三个相对独立的子系统即燃料控制系统、送风控制系统、引风控制系统组成的。1、燃料控制系统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。2、送风控制系统送风调节的任务在于保证燃烧的经济性，具体地说，就是要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。只要调整比例系数K到适当的值，控制系统就能使进入锅炉的风量与燃料量保持最合适的比例，达到经济燃烧的目的。3、引风控制系统引风控制的任务是保持炉膛负压在规定的范围之内。由于引风调节对象的动态响应快，测量也容易，所以引风控制系统一般只需采取以炉膛负压声，作为被调量的单回路控制系统。二、汽包锅炉给水控制系统(一)给水控制的任务汽包锅炉给水自动控制的任务是使锅炉的给水量适应锅炉的蒸发量，以维持汽包水位在规定的范围内，保持给水流量的相对稳定。(二)给水控制对象的动态特性主要的扰动有：给水流量W、锅炉蒸发量D、炉膛热负荷等。1．给水流量扰动下水位的动态特性给水流量是调节机构所改变的控制量，给水流量扰动是来自控制侧的扰动，又称内扰。水位控制对象的动态特性表现为有惯性的无自平衡能力的特点，属于多容无自平衡能力对象。2．蒸汽流量扰动下的水位的动态特性蒸汽流量扰动主要来自汽轮发电机组的负荷变化，属外部扰动。当锅炉蒸汽负荷变化时，汽包水位的变化具有特殊的形式：在负荷突然增加时，虽然锅炉的给水流量小于蒸发量，但开始阶段的水位不仅不下降，反而迅速上升(反之，当负荷突然减少时，水位反而先下降)，这种现象称为“虚假水位”现象。3．炉膛热负荷扰动下水位控制对象的动态特性当燃料量扰动时，使蒸汽流量发生变化，因此其特性与蒸汽流量扰动时相似，也存在着“虚假水位”现象。(三)给水自动控制系统分析根据汽包锅炉给水控制对象动态特性的特点，我们可以提出确定给水控制系统结构的一些基本思想：(1)由于对象的内扰动态特性存在一定的迟延和惯性，所以给水控制系统若采用以水位为被调量的单回路系统，则控制过程中水位将出现较大的动态偏差，给水流量波动较大。因此，对给水内扰动态特性迟延和惯性大的锅炉应考虑采用串级或其他控制方案。(2)由于对象在蒸汽负荷扰动(外扰)时，有“虚假水位”现象。因此给水控制若采用以水位为被调量的单回路系统，则在扰动的初始阶段，调节器将使给水流量向与负荷变化方向相反的方向变化，从而扩大了锅炉进、出流量的不平衡。所以在设计给水控制系统时，应考虑采用以蒸汽流量D为前馈信号的前馈控制，以改善给水控制系统的控制品质。总之，由于电厂锅炉水位控制对象的特点，汽包锅炉的给水自动控制普遍采用三冲量给水自动控制系统方案。1．单级三冲量给水控制系统给水调节器接受汽包水位H、蒸汽流量D和给水流量w三个信号(所以称三冲量控制系统)。其输出信号去控制给水流量，其中汽包水位是被调量，所以水位信号称为主信号。为了改善控制品质，系统中引入了蒸汽流量的前馈控制和给水流量的反馈控制，这样组成的三冲量给水控制系统是一个前馈-反馈控制系统。可以看出，在单极三冲量给水控制系统中，水位、蒸汽流量和给水流量对应的三个信号VH、VD、Vw都送到PI调节器，静态时，这三个输入信号与代表水位给定值的信号相平衡。即VD－VW＋VH－V0＝0则有：VH－V0=0VD－VW=0即VH=V0VD=VW2．串级三冲量给水控制系统在单级系统的基础上再增加一个调节器，使两个调节器串行工作，可以打破静态的限制，提高控制品质。由于有两个调节器在工作，就得有两套整定参数，必须要协调好这两套参数。(四)全程给水自动控制系统1．全程控制的概念所谓全程控制系统是指机组在启停过程和正常运行时均能实现自动控制的系统。全程控制包括启停控制和正常运行工况下控制两方面的内容。常规控制系统一般只适用于机组带大负荷工况下运行，在启停过程和低负荷工况下，一般要由手动进行控制，而全程控制系统能使机组在启动、停机、不同负荷工况下自动运行。2．对给水全程控制系统的要求(1)锅炉刚启动时，蒸汽参数和负荷变化很大，这就使水位、给水流量和蒸汽流量的测量准确性受到影响，必须要求这些测量信号能自动地