西门子1000MW机组闭环控制简介

1000MW机组闭环控制简介汤益琛一、机组协调控制协调控制的目的可以简单描述为：在维持机、炉能量平衡的前提下快速响应系统负荷需求。我厂1000MW机组的协调控制方式是以锅炉跟随为基础的机炉协调控制方式，即我们常说的锅炉控压力，汽机控负荷，特点是负荷响应快，主汽压力欠稳。动态补偿dN/dt变负荷幅度一次调频优化压力拉回回路压力调节器动态补偿dp/dt频率校正回路锅炉蓄热补偿变压速率P=f(N)机组负荷指令N滑压曲线主汽压力设定DEH和高旁控制△主汽压力+压力偏差+信号补偿++变负荷速率++++++DCS至DEH硬接线信号衰减补偿++锅炉主控DEH负荷控制变负荷时的响应优化++图1协调控制示意图1、负荷控制回路通过查看DCS和DEH控制画面中可以发现，机组负荷指令N与汽轮发电机组最终响应的负荷指令是有区别的，因为协调控制是一种智能控制，是会根据自身特点和能力来灵活响应系统负荷需求的。锅炉具有大惯性、大迟延的调节特性，压力拉回回路是当锅炉对主汽压力调节不足时，让响应速度快的汽轮机参与稳定主汽压力。即当主汽压力偏差较大时，汽机加负荷，开调门，抑制汽压上涨；反之，则减负荷、关调门。五号机的压力拉回回路的压力偏差动作值范围为0.35～0.8MPa，六号机为0.15～0.8MPa。该回路示意图如图2：图2压力拉回回路一次调频优化主要是针对投AGC时，AGC指令与一次调频方向不一致，引起调频效果差而设计。简单说，就是当一次调频响应幅值0.1MW时，暂停AGC指令响应，并增加1.5MW的一次调频效果。信号补偿是因为DEH的负荷指令是通过硬接线从DCS模拟量输出的，存在信号衰减。为了还原失真的信号，此处将DEH收到的信号通过跨服务器AP间通讯传回DCS，进行差额补偿。2、锅炉主控指令主要由以下几部分组成：（1）、基本指令：单元负荷指令和频率校正叠加作为B-MASTER的基本指令，是机组稳定运行时的锅炉负荷，即汽机发多少，锅炉就烧多少。（2）变负荷/压力速率：锅炉惯性、迟延大，加负荷若只靠基本指令作用，则变负荷、压力速度过慢，所以为了达到要求的变负荷/压力速率要求，必需增加额外的锅炉负荷。这与汽车提速的道理类似，起步时加大油门实现快速提速，等接近目标速度时逐渐减小油门，减小加速度。负荷和压力设定值产生的动态补偿就是为了实现这一过程，等到稳态时其输出为0.（3）锅炉蓄热补偿：锅炉压力的改变会引起锅炉蓄热的变化，变负荷（包括一次调频）初期都是通过增、耗锅炉蓄热来实现快速响应的。负荷变化幅度越大，压力变化越大，需补偿的锅炉蓄热就越大；一次调频幅度越大，需补偿的蓄热也就越大。六号机一次调频对锅炉蓄热的补偿是通过修正压力偏差实现的，五号机该回路未启用。锅炉蓄热补偿的数值和作用时间都很短，运行人员基本感觉不到它的作用。（4）压力调节：以上几部分指令实现了稳态或暂态过程中机、炉能量的基本平衡，实现粗调。压力调节则实现了机、炉能量平衡的精细调节，维持了主汽压力的稳定。简单说就是主汽压力低了就加点锅炉出力，反之就减点。一、汽轮机控制汽轮机控制器是DEH的核心部分。它通过控制一个或多个高、中压调门的开度来调整进入汽轮机的蒸汽量，达到调节汽轮机转速、负荷或主汽门前压力的目的。除此以外，西门子汽轮机控制器还具有限制高压叶片压力、高排温度等保护汽轮机的调节功能，并在电网频率出现偏离时能及时增、减机组出力来调整电网频率；机组出现负荷大扰动甚至发生甩负荷后仍能带厂用电或维持汽轮机定速运行。叶片压力控制器高排温度控制器前馈一次调频温度裕度转速/负荷控制器MINMIN转速设定0实际转速+转速偏差+K+2.5Mpa/min+++TAB中调阀位设定并网后，负荷控制器带负荷运行，且未出现电网瞬时中断+SPEEDV≯△不等率换算负荷设定LOADV≯速率设定MIN负荷上限20.8MW+△实发功率压力设定PressV≯1Mpa0+△主汽压力初压模式压力控制器中调进汽流量设定MIN高调阀位设定流量-阀位曲线补汽阀阀位设定补汽阀进汽流量设定流量-阀位曲线流量-阀位曲线速率限制速率限制高调进汽流量设定图3汽轮机控制简图1、TAB回路TAB即汽机启动和升程限制器，该回路在闭环控制中主要起到一个上限作用。并网前限制输出≤62%，并网后不再限制。TAB将各汽轮机启动的操作步骤按先后顺序给予固定，可以认为是汽轮机启动逻辑中的操作票。2、转速/负荷控制器转速与负荷的联系涉及到转速不等率概念，从调节系统静态特性曲线可以看到,单机运行从空负荷到额定负荷,汽轮机的转速由n2降到n1，该转速变化值与额定转速n0之比称为转速不等率，转速不等率过大，在甩负荷时容易超速，另一方面来说，转速不等率可以用来表征汽轮机转速与功率的对应关系。我厂的转速不等率为5%，即0到1000MW转速变化为150rpm，因此我厂在100%甩负荷时出现的动态飞升值应该在150rpm左右，即最大转速3150rpm左右。根据转速不等率的概念可以得到我厂转速与负荷的对应关系如下：△n＝△P×0.15DEH中的转速负荷控制回路比图3要复杂得多，但因为我厂并不需要考虑并网后转速控制（小电网系统）或甩负荷后带厂用电运行，所以我们将控制回路简化如图3，以下分析也仅针对我厂运行方式进行。（1）并网前转速回路的选择开关选择不等率换算回路，调节转速偏差。负荷回路将负荷设定为0，此时发电机实际负荷也为0，负荷回路偏差为0，实际不起作用，相当于只调节转速。在此阶段里，程序通过改变转速设定值来满足机组启动需要。转速设定值由程控自动设定暖机转速和同步转速，在同期并网时可以响应准同期装置请求的升、降转速信号。当汽轮机出现跳闸、TAB小于50%、过临界时升速率小于100rpm或TSE故障时，转速设定值将变为转速跟踪模式，转速设定值为当前转速-60rpm，以保证调门可靠关闭。汽轮机不在临界转速区出现TSE故障时，转速设定值将保持当前值不变。汽轮机甩负荷时转速设定会有约1秒跟踪实际转速的过渡过程，因为甩负荷的快速响应是通过开环回路快关调门来实现的，闭环回路跟踪即可。甩负荷后的运行方式属于并网前的一种工况，其转速设定为3000rpm，负荷设定为0。（2）并网后，限压模式转速回路的选择开关选择一次调频回路，转速设定值为3000rpm。负荷回路上的初压模式选择开关选择0MW，负荷设定值通过手动设定或由DCS（协调提供）。该模式下，汽轮机控制负荷并满足一次调频需要。该模式下，转速回路实际为一次调频回路，即当汽轮机转速（与系统同步）偏差超出2rpm时，汽轮机主动增/减负荷来进行系统调频，其增/减负荷的幅度同样由转速偏差通过转速不等率计算得出。其幅度不大于60MW，汽轮机功率在400MW到最大负荷限制之间有效。图4一次调频当系统频率偏差超出0.5HZ时，不论一次调频是否投入，汽轮机都将主动介入系统调频。该回路和一次调频使能开关未在图3中标明，如此大频率偏差一般不会有。在该模式下压力控制回路通过初压模式选择开关将压力设定值降低1MPa，使得压力控制器的输出较转速/负荷控制器要大而不起作用。当加负荷过程中出现主汽压力低于设定压力0.8MPa时，将触发限压信号，负荷速率限制器将保持当前输出，不再加负荷。当压力低于设定值1MPa以上时，压力控制器的输出将小于转速/负荷控制器，汽轮机开始调节主汽压力。3、压力控制器压力控制器相对比较简单，就是维持压力的稳定。当汽轮机运行于初压模式，压力控制器起作用，即TF运行方式时，一次调频回路自动退出，负荷设定值跟踪实际负荷，并且在负荷设定值基础上增加20.8MW，使得转速/负荷控制器输出大于压力控制器而不起作用。此时的压力设定值是由DCS根据当前负荷通过滑压曲线计算出来的。初压和限压的切换，实际就是通过改变负荷和压力设定值来实现控制回路的切换。4、叶片压力控制器汽轮机冲转初期，蒸汽与汽机与高压缸金属接触，遇冷凝结形成剧烈的热交换，此时蒸汽的饱和温度决定了热交换的剧烈程度。为了避免因剧烈换热造成缸体热应力过大，就需要对高压叶片压力进行限制，控制此阶段进汽的饱和温度。叶片压力控制器根据高压缸50%点温度、高压转子温度和对应的许可温差计算出高压缸金属内壁的最高允许值，以此作为汽轮机进汽饱和温度上限值，即进汽压力限制值（第五级压力）。随着高压缸整体温度的升高，它的介入逐渐减少。该控制器在汽机自启动顺控第三步投入，在汽机转速超过402r/min时退出。退出后，调节器的输出值始终是110％，不会对高调门进行限制。饱和温度计算压力叶片压力控制器+压力偏差+X△高压缸第5级压力MIN1.33+进汽压力计算许可温差高压缸50%温度饱和温度计算压力++X1.33高压转子温度高压缸50%温度高压缸50%温度计算许可温差图5叶片压力控制器示意图5、高排温度控制器在汽轮机通流量较小时，蒸汽流量不足以带走汽轮机叶片与蒸汽摩擦产生的热量，而导致叶片温度上升，热应力增大，甚至超出叶片许用温度，即我们常说的鼓风摩擦。鼓风热在汽轮机叶片转动线速度最大的末几级叶片最为明显。高排温度控制器的作用就是在汽轮机总输出功率不变的情况下（如维持3000rpm），通过降低中、低压缸通流量，增加高压缸通流量来降低高压缸末几级叶片温度。高排温度控制器根据高压转子温度计算出高压缸叶片温度（12级蒸汽温度）值限制值，温度超出限制值时，高排温度控制器开始介入调节。图6中，叶片温度超出蓝线进入控制运行区时，高排温度控制器开始调节。当高压缸叶片温度与保护值的差值-15K时，ASD报警，关高调门切高压缸，开高排通风阀；差值-10K时报警；0时，汽轮机跳闸。0100200300400500600370390410430450470490510530550正常运行区控制运行区禁止运行区高排温度控制值高压缸末级叶片温度高压转子温度汽轮机保护值图6高压缸叶片温度限制6、进汽流量设定形成回路TAB、转速/负荷控制器和压力控制器经中央小选后的输出值作为汽轮机各调门控制的总控制指令，由此指令分别计算出高压调门流量设定值、补气阀流量指令值和中压调门流量设定值。高压调门流量设定值形成的计算公式为：Y=X/0.8，其中X为当中央小选块输出值（受叶片压力控制器限制），即小选输出到80％以上时，高压调门全开。补汽阀流量设定值形成的计算公式为：Y=（X-0.78）/（1-0.78），补汽阀在中央小选输出到78%以上时开启。中压调门流量设定值的计算公式为：Y=（X-a）/（0.56-a），其中X为中央小选输出减去高排温度控制器输出后的值。a为一个常数，当汽轮机转速大于1998rpm时，a=0.16；转速不大于1998rpm时，a=0.04。由此可以看出，在汽轮机冲转初期，中调门在X输入达到4%即开启，这有利于在高压缸进汽压力受限时的汽轮机升速控制；汽轮机暖机结束后（1998rpm），中调门即恢复到正常的16%以后开启。当X值大于56%时，中调门全开。7、调门阀位设定各调门进汽流量设定形成后，并不能直接作为阀位信号，因为绝大部分调阀的开度与通流量并不成正比。所以流量指令还需通过阀门通流特性曲线转换成阀位指令，以实现精准调节。各调门在ATT试验该阀或汽轮机投入快冷时，调阀直接由阀位限制控制，而不再接受流量设定指令。各调门指令通过伺服阀来控制阀门油动机的活动，但伺服阀的控制并不能完全满足所有控制要求，在甩负荷等要求快速关闭调门的工况时，还需要通过跳闸电磁阀来实现快速关闭。当以下条件同时满足时，控制系统将跳闸电磁阀失电实现调门快关：（1）调门实际阀位大于3％。（2）根据调门实际阀位换算出来的调门通流量比调门的设定通流量超出30%以上，即调门关闭慢。（3）调门阀位测量和监视器无故障。（4）没有跳闸电磁阀已失电。（5）不在EH油顺控第52步，强制阀位输出最大。高调门的快关指令会发给中调门的阀位控制器子模块，引起中调门快关。三、给水控制我厂给水控制系统设计为全程自动，涉及到的控制对象和元件较多，控制回路比较复杂，特别是在启、停机过程中多个控制对象发生转变，使得运行人员在给水控制上颇感棘手。为此，特根据5号机给水控制系统将各主要控制对象和转换条件