【正文】 內蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設計說明書 1 引 言 電力工業(yè)的發(fā)展，高參數(shù)大容量的火力發(fā)電機組在電網(wǎng)中所占的比例越來越大，電網(wǎng)因用電結構變化，負荷峰谷差逐步加大，因此要求大型機組具有帶變動負荷運行的能力，以便迅速變化滿足負荷變化的需要及參加電網(wǎng)調頻。 大型的機組都是以鍋爐、汽輪機組成單元機組方式運行，機、爐之間相互聯(lián)系緊密，成為一個不可分割的整體。因此，必須將二者作為一個聯(lián)合的條件對象進行控制，又由于外部負荷變化時，機、爐的動態(tài)響應特性差別比較大，控制系統(tǒng)應該考慮兩者的特點做適當?shù)姆止f(xié)調，以提高機組適應負荷變化和保持內部能量平衡的能力，所以協(xié)調 控制就成為必然的趨勢，協(xié)調控制系統(tǒng)的控制策略設計直接決定了協(xié)調控制系統(tǒng)的調試及控制品質。 目前，大型單元機組已承擔了絕大多數(shù)的負荷。在單元機組協(xié)調控制系統(tǒng)中讓機、爐同時按照電網(wǎng)負荷的要求變化，接收外部負荷的指令，根據(jù)主要運行參數(shù)的偏差，協(xié)調進行控制，從而在滿足電網(wǎng)負荷要求的同時，盡最大可能發(fā)揮機組的調頻、調峰能力，保持主要運行參數(shù)的穩(wěn)定。因此，單元機組為了保證運行的高度安全、經(jīng)濟、穩(wěn)定，對其自動化水平提出了更高的要求。 火電廠大型的單元機組控制對象為強耦合、時變、滯后大的復雜系統(tǒng)，當各種擾動作用時，導致控制 對象參數(shù)不確定，模型難于準確建立。目前國內外對大型單元機組的研究投入了大量人力物力，但進展不大，應用主要控制策略仍為傳統(tǒng)的 PID 控制，很難使機組達到最佳狀態(tài)。因此，我們有必要不斷的探索，以尋求更好的控制策略，來滿足日益提高的電力系統(tǒng)要求。 內蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設計說明書 2 第一章 單元機組協(xié)調控制系統(tǒng) 單元機組協(xié)調控制的發(fā)展 國民經(jīng)濟不斷增長，增加了對能源的需求量，電力工業(yè)逐漸發(fā)展為大電網(wǎng)、大機組、高參數(shù)、高度自動化。由于高參數(shù)，大容量機組發(fā)展迅速，裝機容量日益增多，因此對機組的自動化需求也日益提高 。 與其它工業(yè)生產過程相比，電力生產過程更加要求保持生產的連續(xù)性，高度的安全性和經(jīng)濟性。單元機組協(xié)調控制系統(tǒng)已成為大型單元機組普遍采用的一種控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)把自動調節(jié)、邏輯控制、安全保護、監(jiān)督管理融為一體，具有功能完善、技術先進、可靠性高等特點，在工程應用中，協(xié)調控制系統(tǒng)能否成功的投入和運行，發(fā)揮其應有的功能，取決于機組主設備的可控性、系統(tǒng)控制設備的性能及可靠性、系統(tǒng)設計與整定的合理性等因素。大型單元機組從設計、制造、安裝都充分考慮到機組自動控制方面的需要，使機組可靠性得到了不斷改善和提高，為機組自動化水平 的提高奠定了基礎。 單元機組自動控制系統(tǒng)主要包括自動檢測與監(jiān)視系統(tǒng)、自動調節(jié)系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)、自動保護系統(tǒng)等等。 自動檢測與監(jiān)視系統(tǒng)：把反映運行工況的物理參數(shù)，比如、壓力、流量、轉速、位移、成分等，以及反映設備運行狀態(tài)的物理參數(shù)，比如設備運行 /停止、刀閘接通 /斷開、閥門開啟 /關閉等進行檢測。同時，也作為自動控制系統(tǒng)進行自動操作的依據(jù)。 自動控制系統(tǒng)：它也稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。在機組運行過程中，持續(xù)不斷的對主要運行參數(shù)進行調節(jié)，克服內部和外部各種擾動，維持各項參數(shù)在規(guī)定范圍內。 程序控制系統(tǒng)：它也叫做順序控制系 統(tǒng)。某些生產設備需要依照既定的操作步驟和順序進行一系列的操作，例如主輔機設備的順序的啟停等。 自動保護系統(tǒng)：為了確保設備安全，在發(fā)生故障時能夠自動地完成必要操作，使故障及時排除或防止故障擴大。例如汽輪機保護系統(tǒng)、鍋爐保護系統(tǒng)、繼電保護系統(tǒng)。 單元機組協(xié)調控制系統(tǒng)的基本概念 單元機組協(xié)調控制系統(tǒng)概述 1．協(xié)調控制的基本概念 單元機組的輸出電功率與負荷要求是否一致反映了機組與外部電網(wǎng)之間能量供求的平衡關系；主汽壓力反應了鍋爐和汽輪發(fā)電機組之間能量供求的平衡關系。協(xié)調控制系統(tǒng)就是為完成這 兩種平衡關系而設置的。使機組對外保證有較快的負荷響應和內蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設計說明書 3 一定的調節(jié)能力，對內保證主要運行參數(shù)穩(wěn)定的系統(tǒng)稱為協(xié)調控制系統(tǒng)。協(xié)調控制系統(tǒng)（ Coordinated Concror systemCCS） ,使將單元機組的鍋爐和汽輪發(fā)電機作為一個整體進行控制的系統(tǒng)。 生產過程是否正常進行，通常是用一些物理量來表征（例如：汽輪發(fā)電機的參數(shù)、鍋爐的汽壓、汽溫、爐膛負壓、煙氣成分、汽包水位等）。當這些物理量偏離所希望維持的數(shù)值時，就表示生產過程離開了規(guī)定工況，必須加以調節(jié)。因為調節(jié)的任務就是使表征生產過程是否正常 進行的這些物理量保持在所希望的數(shù)值上。而這種數(shù)值的控制中，協(xié)調控制是一種重要的方法。 從大系統(tǒng)理論出發(fā)，協(xié)調控制是一種解決大系統(tǒng)控制問題的基本策略。而大系統(tǒng)是指由若干相互關聯(lián)的子系統(tǒng)組成的復雜系統(tǒng)。應用大系統(tǒng)理論解決控制問題的基本方法就是分解 協(xié)調的方法。所謂分解是把大系統(tǒng)化為若干子系統(tǒng)，以便進行分塊處理與控制，求得各子系統(tǒng)的局部最優(yōu)解；而協(xié)調則是從系統(tǒng)的全局出發(fā)，合理地調整各子系統(tǒng)之間的和諧與統(tǒng)一，進而得到整個大系統(tǒng)的最優(yōu)解。 大系統(tǒng)中包含的各子系統(tǒng)之間相互關聯(lián)的結構有多種多樣的形式，其中最為普遍的形式 是遞階結構，也稱為多級控制。在這種遞階的結構中，各子系統(tǒng)處于不同級別的層次中，并具有不同的功能。如圖 11，處于上位協(xié)調的協(xié)調控制器職能，就如同總公司的董事長，其下協(xié)調級的控制器就相當于各子公司的總裁，處于局部控制級的控制器則相當于各部門的經(jīng)理。 圖 11 遞階控制系統(tǒng)結構框圖 常規(guī)的自動控制系統(tǒng)是汽輪機和鍋爐分別控制。汽輪機調節(jié)機組負荷和轉速，機組負荷的變化必然會反映到機前主蒸汽壓力的變化，即機前主蒸汽壓力反映了機爐之內蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設計說明書 4 間的能量平衡。主蒸汽壓力的控制由鍋爐燃燒調節(jié)系統(tǒng)來完成，燃燒調節(jié)系統(tǒng)一般又分為主蒸汽壓 力調節(jié)系統(tǒng)、送風氧量調節(jié)系統(tǒng)、爐膛負壓調節(jié)系統(tǒng)等子系統(tǒng)。隨著單元機組容量的不斷增大、電網(wǎng)容量的增加和電網(wǎng)調頻、調峰要求的提高以及自身穩(wěn)定（參數(shù)）運行要求的提高，常規(guī)的自動調節(jié)系統(tǒng)已很難滿足單元機組既參加電網(wǎng)調頻、調峰，又穩(wěn)定機組自身運行參數(shù)這兩個方面的要求，因此必須將汽輪機和鍋爐視為一個統(tǒng)一的控制對象進行協(xié)調控制。所謂協(xié)調控制，是指通過控制回路協(xié)調汽輪機和鍋爐的工作狀態(tài)，同時給鍋爐自動控制系統(tǒng)和汽輪機自動控制系統(tǒng)發(fā)出指令，以達到快速響應負荷的目的，盡最大可能發(fā)揮機組的調頻、調峰能力，穩(wěn)定運行參數(shù) [1]。 單 元機組協(xié)調控制系統(tǒng)是在常規(guī)機爐局部控制系統(tǒng)基礎上發(fā)展起來的新型控制系統(tǒng)。 單元機組在處理負荷要求并同時維持機組主要運行參數(shù)的穩(wěn)定這兩個問題時，是將機爐作為一個整體來看待的。然而汽機、鍋爐又是相對獨立的，它們通過各自的調節(jié)手段，如汽輪機調節(jié)閥開度、鍋爐燃燒率，滿足電網(wǎng)負荷的要求及主參數(shù)的穩(wěn)定，但它們的能力不盡相同，主要表現(xiàn)在鍋爐調節(jié)的相對滯后，如果在設計控制系統(tǒng)時能充分考慮它們的差異，采取某些措施（如引入某些前饋信號、協(xié)調信號），讓機爐同時按照電網(wǎng)負荷的要求變化，接收外部負荷的指令，根據(jù)主要參數(shù)的偏差，協(xié)調地進行控制，這樣的控制系統(tǒng)稱為協(xié)調控制系統(tǒng)。 協(xié)調控制系統(tǒng)是由負荷指令處理回路、機爐主控制回路、主壓力設定回路三部分組成。負荷指令處理回路接收中調指令、操作員指令和頻率偏差指令，通過選擇和計算，再根據(jù)機組主輔機運行情況，發(fā)出機組實際負荷指令，送給機爐主控制回路，改變調節(jié)閥的開度和鍋爐燃燒率。機前壓力設定回路，由運行人員選擇定壓 /滑壓運行方式，經(jīng)幅值和變化率處理后形成合適的機前壓力設定點，保證機組處于穩(wěn)定、經(jīng)濟的運行工況。 2． 單元機組協(xié)調控制系統(tǒng)的結構 單元機組協(xié)調控制系統(tǒng)的結構如下圖 12 所 示。圖中只給出了單 元機組鍋爐和汽輪發(fā)電機組最主要的控制系統(tǒng)部分。單元機組協(xié)調控制系統(tǒng)可認為是一種二級遞階控制系統(tǒng)。處于上位級的機爐協(xié)調級，也叫作單元機組主控系統(tǒng)，是整個系統(tǒng)的核心部分。處于局部控制級的子系統(tǒng)包括鍋爐燃料控制系統(tǒng)，風量控制系統(tǒng)，汽輪機功率 /頻率調節(jié)系統(tǒng)，以及直流鍋爐的給水控制系統(tǒng)。單元機組主控系統(tǒng)產生指揮機爐控制器動作的鍋爐指令和汽機指令。局部控制級的控制器執(zhí)行主控系統(tǒng)發(fā)出的指令，完成指定的控制任務。 單元機組協(xié)調控制系統(tǒng)的基本要求 內蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設計說明書 5 1．機組并網(wǎng)運行時， 應使機組滿足電網(wǎng)對機組負荷的要求，并具有較高 的負荷適應能力。在調節(jié)過程中，各調節(jié)機構的動作不應過分頻繁，不致出現(xiàn)過分超調。 2． 保證機組運行安全。當主機或主要輔機設備故障時，應自動采取相應的措施，把故障限制在最小的范圍內，保證設備安全的前提下，不致使機組全停。負荷變更時，變更幅度和速度必須限制在安全允許的范圍內。 3． 對于允許滑壓運行的單元機組，其協(xié)調控制系統(tǒng)應能滿足定壓和滑壓不同運行方式的需要。 4． 具有機爐間協(xié)調與能量平衡，實時監(jiān)視主機、輔機的運行能力。 5． 系統(tǒng)要方便于運行人員的干預，保證任何一臺執(zhí)行器手動、自動切換的自平衡、無擾動。 中調指令 操作員指令 頻差指令 汽機指令 鍋爐指令 進 燃 風 給 汽 料 量 水 量 量 量 圖 12 單元機組協(xié)調控制系統(tǒng)框圖 單元機組協(xié)調控制系統(tǒng)的特點 單元機組協(xié)調控制系統(tǒng)是在常規(guī)機爐控制系統(tǒng)基礎上發(fā)展起來的，其主要特點包括以下幾個方面： 單元機組主控系統(tǒng) 汽輪機 控 制 系 統(tǒng) 燃 料 控 制 系 統(tǒng) 風 量 控 制 系 統(tǒng) 給 水 控 制 系 統(tǒng) 機 爐 受 控 對 象 內蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設計說明書 6 1． 系統(tǒng)結構先進。采用了遞階控制結構，機爐協(xié)調控制器是一個多變量控制器，采用了前饋、反饋、補償以及變結構控制等技術，充 分利用了機爐動態(tài)特性的特點，克服系統(tǒng)內部耦合和非線性特性。 2． 系統(tǒng)功能完善。除了正常工況下的連續(xù)調節(jié)之外，系統(tǒng)根據(jù)需要設計了一整套邏輯控制系統(tǒng)。 3． 系統(tǒng)可靠性高。通過設置安全保護系統(tǒng)和采取一系列可靠性措施，可獲得很高的系統(tǒng)可靠性 [2]。 單元機組協(xié)調控制的任務 單元機組協(xié)調控制的任務有三項 :又能 迅速協(xié)調鍋爐、汽輪機之間的能量供求關系，使輸入機組的熱能盡快與機 組的輸出功率相適應；而且 在各種運行工況下，確保機組安全穩(wěn)定運行。 協(xié)調控制系統(tǒng)的任務是協(xié)調地控制鍋爐燃料量、送風量、給水量等，以及汽輪 機閥門開度，使機組既能保證機組輸出功率迅速滿足電網(wǎng)的要求，又能保證機組運行穩(wěn)定。 單元機組的運行方式 單元機組的運行方式有定壓運行和滑壓運行兩種。定壓運行是指無論機組負荷怎樣變動，始終維持主蒸汽壓力以及主蒸汽溫度為額定值，通過改變汽輪機調節(jié)門的開度，改變機組的輸出功率?；瑝哼\行則是始終保持汽輪機調節(jié)汽門全開，在維持主蒸汽溫度恒定的同時，通過改變主蒸汽壓力改變機組的輸出功率。 滑壓運行 采用滑壓運行方式和滑壓參數(shù)啟停是單元機組具有的特點之一。單元機組在滑壓運行方式下保持主汽門和調 節(jié)汽門全開。外界負荷變化時，通過調節(jié)鍋爐的燃料、風量、給水以及相應的輸入量，改變鍋爐的輸入量，改變鍋爐的蒸發(fā)量，進而改變汽輪機的進氣壓力，在維持汽溫為額定值的前提下，使進入汽輪機蒸汽能量改變，使汽輪發(fā)電機組的輸出功率適應外界負荷的需求。 由于鍋爐設備內部具有很大的蓄熱能力，熱慣性也大。當外界負荷需求變化時，雖然改變了鍋爐的能量輸入，但直到鍋爐輸出蒸汽能量的變化，還要經(jīng)過一段滯后時間和慣性過程。這就會使滑壓運行方式下，機組難以快速地響應。另外，如果使汽輪機總是處于全開位置，當電網(wǎng)頻率波動時，機組就不可能通過調 節(jié)進汽量，參與電網(wǎng)的一次調頻。所以不要使汽輪機的調節(jié)汽門處于全開位置，而是留出一定的調節(jié)余地。 滑壓運行方式具有以下主要特點： 內蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設計說明書 7 1．汽輪機調節(jié)汽門保持近似全開將會使進汽節(jié)流損失降低。 2．在部分負荷下主蒸汽和再熱蒸汽的壓力降低，容易保持蒸汽溫度不變。 3．部分負荷下給水泵的功耗比定壓運行時小。 4．負荷越低，滑壓運行的經(jīng)濟性越顯著。 5．調峰停機后再啟動快，可降低啟動損耗。 定壓運行 定壓運行方式的基本特征是機組負荷在任何穩(wěn)定工況下，均保持主蒸汽壓力和溫度為額定值。定壓運行機組的運行方 式有鍋爐跟隨、汽機跟隨、協(xié)調控制方式三種。 1．鍋爐跟隨方式 汽機控制手動，汽機調節(jié)器接受功率給定值與實發(fā)功率反饋信號，根據(jù)它們之間的偏差，調節(jié)汽門開度，從而改變進汽量，使發(fā)電機輸出功率迅速滿足負荷要求。鍋爐主控制器自動，鍋爐調節(jié)器接受機前壓力定值的機前壓力反饋信號，根據(jù)偏差，調整燃料量，從而保證