火力发电厂协调控制系统的分析

大型火电厂锅炉-汽轮机组协调控制系统的分析1OF16大型火电厂锅炉-汽轮机组协调控制系统的分析上海发电设备成套设计研究所杨景祺目前我国火电站领域的技术具有快速的发展，单元机组的容量已从300MW发展到600MW，外高桥电厂单元机组容量已达到900MW。DCS系统在火电站的成功应用，大大提高了电站控制领域的自动化投入水平。本文主要对大型火电机组的两种主要炉型—汽包炉和直流炉机组的协调控制系统的设计机理进行概要性的说明。1.协调控制系统的功能和主要含义协调控制系统是我国在80年代引进的火电站控制理念，主要设计思想是将锅炉和汽机作为一个整体，完成对机组负荷、锅炉主汽压力的控制，达到锅炉风、水、煤的协调动作。对于协调控制系统而言包含三层含义：机组与电网需求的协调、锅炉汽轮机协调以及锅炉风、水、煤子系统的协调。1.1.机组与电网需求的协调机组与电网需求的协调主要是机组最快的响应电网负荷的要求，包括了电网AGC控制和电网一次调频控制两个方面。目前华东电网已实现了电网调度对电厂机组的负荷调度和一次调频控制。1.2.锅炉汽轮机的协调锅炉汽轮机的协调被认为是机组的协调，主要是协调控制锅炉与汽轮机，提高机组对电网负荷调度的响应性和机组运行的稳定性。从协调控制系统而言，对汽包锅炉和直流锅炉都具有相同的控制概念，但由于两种炉型在汽水循环上有很大的差别，导致控制系统具有很大的差别。1.3.锅炉协调锅炉协调主要考虑锅炉风、水、煤之间的协调。2.汽包锅炉机组的协调控制系统汽轮机、锅炉协调控制系统概念的引出，主要在于汽轮机和锅炉对于机组的负荷与压力具有完全不同的控制特性，汽轮机以控制调门开度实现对压力、负荷的调节，具有很快的调节特性，而锅炉利用燃料的燃烧产生的热量使给水流量变为蒸汽，其控制燃料的过程取决于磨煤机、给煤机、风机大型火电厂锅炉-汽轮机组协调控制系统的分析2OF16的运行，对压力、负荷的调节具有很慢的调节特性。因此协调控制系统就是要以优良的控制策略实现对锅炉-汽轮机的统一控制。以达到锅炉-汽轮机组对负荷响应的快速性和对压力控制的稳定性。协调控制系统的设计包含了两种协调控制方式，一种是以炉跟机为基础的协调控制系统，这种协调控制方式是建立在锅炉控制压力、汽机控制功率的基础上，具有负荷响应快的优点。另一种是以机跟炉为基础的协调控制系统，这种协调控制方式是建立在汽机控制压力、锅炉控制功率的基础上。对于炉跟机为基础的协调控制系统有必要提到80年代中期引用的直接能量平衡控制系统，该控制系统的引用，使汽包锅炉机组的协调控制系统从探索趋于成熟，使汽轮机-锅炉协调控制系统趋于简单、响应性快、稳定性高。直接能量平衡控制思想，选用汽机调速级压力（P1）与汽机自动主汽门前压力（Pt）之比乘以机前压力定值（Ps）作为汽机对锅炉的能量需求（该信号是直接能量平衡信号P1*Ps/Pt），该信号以动态前馈及控制指令的形式控制锅炉的燃料量。直接能量平衡的主要基础在于P1/PT代表了汽轮机调门的开度，在额定参数下，汽机调门开度的变化反映了汽机进汽量的变化，同样也反应了汽机对锅炉能量需求的变化。机前压力定值Ps的改变，反映了锅炉被控参数对锅炉输入量需求的变化。因此P1*Ps/Pt可以反映负荷对锅炉燃烧的需求量，也可以满足锅炉主汽压力对燃烧的需求量。而当燃料量发生改变时，由于调速级压力P1和机前压力Pt对燃料响应的在数量上和时间上的基本一直性，使P1/Pt基本不变，这样P1*Ps/Pt就仅仅反映负荷对锅炉燃烧的需求量，而不反映燃料量的变化。具有作为燃料需求指令的基本条件。仔细分析还可以看出，在汽机调门维持不变的情况下，P1/Pt维持一定，改变压力设定值Ps即改变了锅炉的燃料指令，从而达到了控制负荷的目的，也就是说直接能量平衡信号不但适用与定压控制方式，而且适用与滑压运行方式。直接能量平衡控制系统的另一个重要特点是采用热量信号（P1+dPd/dt）作为燃料的反馈信号。对于（P1+dPd/dt）进行适当的调整，可以使大型火电厂锅炉-汽轮机组协调控制系统的分析3OF16（P1+dPd/dt）在调门开度的扰动下，P1的正微分面积与dPd/dt负微分面积基本相等，使（P1+dPd/dt）在调门开度的扰动下基本不变，而仅反映燃料的变化。直接能量平衡系统就是利用P1*Ps/Pt仅反映汽机对锅炉能量需求的特点和（P1+dPd/dt）仅反映燃料变化的特点，实现了机组负荷对燃料的需求对于直吹式制粉系统锅炉燃烧系统，为克服燃料的扰动和磨煤机投运/切除过程中对负荷的影响，增加的燃料控制回路，充分利用了直吹式制粉系统锅炉燃料测量速度快的特点，可以更快的克服燃料扰动。机跟炉为基础的协调控制系统采用的是汽机控压力，锅炉控负荷的运行方式，这种控制方式由于充分利用了汽机调门动作对压力响应快的特点，因此能很好的控制机组压力，但由于锅炉的燃烧特性比较慢，因此机组对负荷的响应比较慢，在系统的设计上为提高锅炉的响应性，将机组指令信号以前馈和反馈的形式作用到锅炉控制，以加大前馈量的方式提高锅炉对负荷的响应性。3.汽包锅炉机组协调控制系统的示例3.1.锅炉操作主菜单在DCS的操作环境中，采用树状结构，协调控制系统的操作画面均从主菜单中调用。在锅炉操作环境中按下顶部菜单CCS软键，可调出锅炉操作主菜单，锅炉操作主菜单如图3-2所示：大型火电厂锅炉-汽轮机组协调控制系统的分析4OF16锅炉操作主菜单包含了锅炉的操作画面名称，运行人员只要移动球标到操作画面前的绿框（选择按钮），按下球标左键，就可以调出这幅操作画面。例如要调出机组指令操作画面，只要将球标移到机组指令给定前面的绿框，按下球标左键，就可以调出如图３－3所示的机组指令操作画面。3.2.机组指令操作画面机组指令操作画面如图３－3所示，它具有机组指令显示操作器及中调指令显示器、功率设定、功率测量、机组指令上限设定、机组指令下限设定、机组令变化率设定、ADS方式，机组运行状态及机组控制方式等状态显示及切换按钮按钮大型火电厂锅炉-汽轮机组协调控制系统的分析5OF163.2.1.机组指令显示操作器：操作画面中具有独立的机组指令显示操作器，用以实现运行人员对控制系统的操作和对机组运行状态的监视。3.2.2.中调指令显示器协调控制系统可接受电网中调的控制指令，电网中调的状态与指令在中调指令中显示。3.2.3.状态指示灯及操作按钮组介绍机组指令操作画面上还有六个按钮组，每组四个按钮，分别显示系统状态及方式选择。Ａ、ADS方式组（电网中调方式组）ADSAVAIL：状态指示灯，用来显示电网中调对机组AGC请求。ADSFAIL：状态指示灯。代表了AGC的解列信号。ADSACK：状态指示灯，显示系统的运行状态。若系统内无故障，系统协调控制投运，该指示灯亮，表明系统允许接受电网中调信号；ADSON：按钮。在ADSACK灯亮时，该按钮可以掀下并变亮，表明系统工作在电网中调给定负荷的工况下；Ｂ、机组状态组BLCOK：这是一个状态指示灯，代表了协调系统目前在闭锁状态，当系统检测到燃料，送引风机达上下限，机组指令达到上下限，出现闭锁状态，此时运行人图3-3大型火电厂锅炉-汽轮机组协调控制系统的分析6OF16员不能改变机组负荷指令。BLOCKINC：是一个状态指示灯，对应于方向闭锁，具体指示闭锁加。BLOCKDEC：是一个状态指示灯，对应于方向闭锁，具体指示闭锁减。BLOCKACK：按钮。用于消除AGC指令加减至240MW时的闭锁，持续按住有效。Ｃ、机组指令给定组TRACK：状态指示灯。表明机组指令目前处于跟踪方式，机组指令处于跟踪状态时该灯亮；MAN：状态指示灯。表明机组指令目前由运行人员给定；Ｄ、控制功能选择组：功能选择按钮键组具有四个有效按钮。滑压：状态指示灯，控制系统在滑压控制方式，该指示灯亮；定压：状态指示灯，控制系统在定压控制方式，该指示灯亮；RUNBACKON：功能选择按钮，代表RUNBACK功能选择，灯亮时代表该功能有效。需要说明的是只有在协调控制投运时，RUNBACK功能选择才有效，若机组发生RUNBACK条件：如一台送风机在运行中跳闸，在机组指令操作画面上会出现RUNBACK信息，RUNBACK信息见表３－２。C-INTLOCK：交叉联锁指示灯，代表风煤交叉联锁功能，该指示灯亮，代表风煤交叉联锁功能有效。Ｅ、控制方式状态组：这组状态指示灯反映了协调控制系统目前的工作状态及控制方式。CCS：代表系统目前工作在协调控制方式下。BFT：代表系统目前工作在锅炉自动调压，汽机手动的控制方式。TFB：代表系统目前工作在汽机自动调压，锅炉手动的控制方式。MAN：机组目前工作在手动控制方式。Ｆ、DEH状态按钮组：反映了DEH目前的控制状态和方式。PERIDEH：允许DEH遥控状态指示灯，代表协调控制系统目前运行状态良好，DEH可以参加遥控。DEH：状态指示灯反映了DEH工作在遥控方式。此时由协调控制系统控制向DEH发出控制指令。在机组指令显示操作画面中，除正常操作显示功能外，还应能显示机组故障运行的状态，RB是主要的故障运行显示状态。RUNBACK信息表FDFRUNBACK送风机跳闸AIRRUNBACK空预器跳闸IDFRUNBACK引风机跳闸MILLRUNBACK磨煤机跳闸BRPRUNBACK两台炉水泵跳闸BFPRUNBACK给水泵跳闸3.3协调主控操作系统大型火电厂锅炉-汽轮机组协调控制系统的分析7OF16协调主控操作系统主要完成了协调控制方式的选择、定/滑压方式选择、协调控制系统的投入。3.3.1功率控制器功率控制器接受机组指令控制器发出的负荷指令信号和机组的实发功率信号，控制器的输出给DEH，完成对汽机的控制。3.3.2DEH控制器DEH控制器是协调控制系统与DEH系统的控制接口。DEH操作器显示DEH系统的控制方式、锅炉控制系统的汽机侧的连锁关系。DEH控制器的手/自动按钮可以进行手/自动切换，当DEH在本机控制时，DEH控制器处于跟踪状态，T字符出现。在炉跟机控制方式且炉手动，手动按钮为粉红色。当DEH控制器自动时，代表汽机在自动控制方式。3.3.3滑压控制器协调控制系统具有滑压和定压两种压力控制方式。在滑压控制方式时，协调控制系统按照系统内设置好的负荷与压力的关系自大型火电厂锅炉-汽轮机组协调控制系统的分析8OF16动设定机前压力，控制锅炉燃烧，汽机控制机组负荷。3.3.4压力控制器压力控制器接受滑压控制器发出的压力指令信号和实测的机前压力信号，控制器的输出给燃料控制器，完成对压力的控制。3.5锅炉燃料控制系统在锅炉燃料控制系统操作画面上具有DEB控制器、燃料控制器和五台给煤机控制器。3.4.2DEB控制器DEB控制器作为锅炉主控，接受机组主控系统中定压控制器、滑压控制器的输出，向燃料控制器发出燃料指令。并且显示直接能量平衡信号和热量信号，表示压力的平衡状态。3.4.2燃料控制器燃料控制器控制进入炉膛的燃料，进入炉膛的燃料具有燃油量和燃煤量，系统中已将燃油按照两倍的燃煤折算为燃料量。在直接能量平衡系统中，利用直吹式制粉系统燃料可测量的特点，直接控制燃图3-5大型火电厂锅炉-汽轮机组协调控制系统的分析9OF16料量，可最大限度的克服燃料侧的扰动，这较好的补偿了直吹式制粉系统燃料延迟大的，不利于控制的弱点，较好的克服了燃料扰动对机组压力、负荷的影响。五台给煤机的控制采用了多输出系统，实现了任意台给煤机手自动切换的无平衡、无扰动。实现了系统的自动增益修正。在燃料系统的设计中，考虑了任一台给煤机跳闸，多输出系统的自动平衡作用，确保了在磨煤机跳闸时燃料的最小扰动。3.5送风控制系统送风控制系统主要控制炉膛氧量，保证锅炉的稳定经济燃烧。送风控制系统控制的是进入炉膛的总风量，包括一次风量和二次风量。系统的设计思想是在稳定氧量的前提下，尽量减少送风系统的不必要动作，考虑到在燃料控制的过程中燃料指令的变化比较频繁，因此系统设计中没有采用锅炉指令作为送风控制系统的指令信号，而是采用负荷指令作为送风控制系统的指令，氧量作为修正的设计方案，同时考虑风煤指令的交叉联锁，变负荷工况下风量优先的原则。为协调送