300MW火电机组协调控制系统的设计东北电力大学

目录1选题背景 .11.1 设计背景 .11.2 设计任务 .12方案论证 .12.1 协调控制系统的功能 .12.2 单元机组的运行方式 .22.2.1 定压运行方式 .22.2.2 滑压运行方式 .22.2.3 联合运行方式 .22.3 单元机组负荷控制方式 .32.3.1 以锅炉跟随为基础的协调控制方式 .32.3.2 以汽轮机跟随为基础的协调控制方式 .42.3.3 综合型协调控制方式 .53过程论述 .53.1 负荷指令管理部分 .63.1.1 负荷指令运算回路 .63.1.2 负荷指令限制回路 .73.1.3 负荷增减闭锁 BLOCK I/D .103.1.4 负荷迫升迫降 RUN UP/DOWP .113.2 机炉负荷控制部分 .123.2.1 锅炉主控制器 .123.2.2 汽轮机主控制器 .134结果分析 .145总结 .146心得体会 .147参考文献 .1511选题背景1.1 设计背景随着电力工业的发展，高参数、大容量的火力发电机组在电网中所占的比例越来越大。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。单元机组的协调控制系统（Coordinated Control Systen 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。从广义上讲，这是单元机组的负荷控制系统。它把锅炉和汽轮发电机作为一个整体进行综合控制，使其同时按照电网负荷需求指令和内部主要运行参数的偏差要求协调运行，即保证单元机组对外具有较快的功率响应和一定的调频能力，对内维持主蒸汽压力偏差在允许范围内。1.2 设计任务本设计要求通过运用过程控制的基本概念、基础理论与方法，根据大型火电机组的实际生产，对火电机组的过程控制系统进行分析，设计出原理正确，功能较为全面的 300MW 火电机组协调控制系统。2方案论证2.1 协调控制系统的功能现代大型锅炉 汽轮机单元机组属于多变量控制对象。机、炉相互影响，且机、炉的动态特性差异很大。广义的协调控制系统就是把锅炉 汽轮机在过程量调节、逻辑控制、联锁保护等各方面作为一个整体进行控制，使锅炉与汽轮机共同承担电网的负荷控制与机前压力的控制任务。通常所说的协调控制系统是只针对机组主要过程量调节的狭义系统，即实现机组负荷调节、机前压力调节以及机组一次调频的主控制系统。协调控制系统在机组运行中拥有如下功能：1）参与电网的调峰、调频22）实现机组稳定和经济运行。3）平衡机组出力与主辅机实际能力的差异。4）具有多种模式可供选择2.2 单元机组的运行方式单元机组可以按照若干不同的运行方式运行，不同的运行方式下，受控过程的动态特性往往差别很大。因此，这里首先介绍单元机组的几种典型运行方式。2.2.1 定压运行方式定压运行是指无论机组负荷怎样变动，始终维持主蒸汽压力以及主蒸汽温度为额定值，通过改变汽轮机调节汽门的开度，改变机组的输出功率。母管制连接的机组只能采用额定蒸汽参数下的定压运行方式。定压运行机组的运行方式有机跟炉，炉跟机和机炉协调方式三种。2.2.2 滑压运行方式单元机组在滑压运行方式下，保持主汽门和调节汽门全开。外界负荷需求变化时，通过调节锅炉的燃料、风量、给水以及相应的输入量，改变锅炉的蒸发量，进而改变汽轮机的进汽压力，在维持汽温为额定值的前提下，使进入汽轮机蒸汽的能量改变，使汽轮发电机组的输出功率适应外界负荷的需求。采取的办法是不使汽轮机调节汽门处于全开的位置，而是留出一定的调节余地。当外界负荷需求变更时，首先通过调整汽轮机调节汽门的开度，改变进汽量，利用锅炉内部的蓄热能量，较快地适应外界负荷的需求。与此同时，调整进入锅炉的输入量，使燃烧率改变，与外界负荷需求达到新的平衡。调节汽门的调节余地也为机组参与电网一次调频创造了条件。2.2.3 联合运行方式综合以上滑压和定压两种运行方式的特点，不难发现在低负荷时滑压运行有利，在高负荷时定压运行方式具有其优越性。比如，可有效地利用锅炉蓄热，提高对外界负荷需求的响应速度。如果根据机组的不同负荷水平，在低负荷下采用滑压运行方式，在高负荷下采用定压运行方式，就构成联合运行方式。3图 1 联合运行方式2.3 单元机组负荷控制方式2.3.1 以锅炉跟随为基础的协调控制方式该方式是在汽轮机侧控制负荷（输出电功率）N E、锅炉侧控制主蒸汽压力PT的基础上，让汽轮机侧的控制配合锅炉侧控制 PT的一种协调控制方式。以锅炉跟随为基础的协调控制方式如图 2 所示。图 2 以锅炉跟随为基础的协调控制方式利用P 对汽轮机进汽调节阀的限制作用，可减缓汽压的急剧变化，但同时4减缓了机组对负荷的响应速度。由此可见，该协调控制方式是以降低负荷响应性能为代价来换取汽压控制质量提高的。或者说是通过抑制汽轮机侧的负荷响应速度，使机炉之间的动作达到协调的，其结果兼顾了负荷响应和汽压稳定两个方面的控制质量。2.3.2 以汽轮机跟随为基础的协调控制方式该方式是在锅炉侧控制负荷（输出电功率）N E、汽轮机侧控制主蒸汽压力PT的基础上，让汽轮机侧的控制配合锅炉侧控制 NE的一种协调控制方式。以汽轮机跟随为基础的协调控制方式如图 3 所示。图 3 以汽轮机跟随为基础的协调控制方式及时改变汽轮机进汽调节阀开度的作用，可提高机组的负荷响应能力，但同时会引时主蒸汽压力较大的动态偏差，由此可见，该协调方式是以加大汽压动态偏差为代价来换取负荷响应速度提高的。由于这种协调控制方式直接由负荷指令控制燃烧率，可以说它是通过加快锅炉侧的负荷响应速度，使机炉之间的动作达到协调的。其结果同样是兼顾了负荷响应和汽压稳定两个方面的控制质量。52.3.3 综合型协调控制方式图 4 综合型协调控制方式在锅炉跟随为基础或汽轮机跟随为基础的协调控制方式中，只有一个被控量是通过两个控制变量的协调操作来加以控制的，而另一个被控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。当主蒸汽压力产生偏差时，机、炉主控制器对锅炉侧和汽轮机侧同时进行操作，一方面加强锅炉燃烧率的控制作用，补偿蓄能的变化，另一方面适当限制汽轮机进汽调节阀的开度，控制蒸汽流量，维持主蒸汽压力稳定，以保证机、炉之间的能量平衡。由此可见，综合型协调控制方式，能较好的保持机组内、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，都是从处理“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出发而设计的。把握这一要点，对认识、分析、设计协调控制系统大有助益。3过程论述单元机组负荷控制系统的组成如图所示：6图 5 单元机组负荷控制系统的组成3.1 负荷指令管理部分目标负荷指令是根据外界负荷需求设定的。系统必须根据机组自身当前的运行状况、负荷能力、设备的安全保护及变负荷承受能力等因素，对目标负荷指令进行必要的处理，以产生单元机组能够接受的实际负荷指令。负荷管理控制中心承担着协调内、外矛盾的任务，包括两部分：负荷指令运算环节和负荷指令限制环节。3.1.1 负荷指令运算回路负荷指令运算环节的主要任务是：（1）根据负荷控制的要求选择目标负荷指令的形成方式；（2）考虑到主设备的热应力变化要求和机组负荷的承受能力，对目标负荷指令的变化率进行适当限制；（3）对机组电网调频所需负荷指令的幅值及调频范围作出规定。通过切换器 T1 可以选择电网中心调度所的指令，或机组运行人员在给定器7A1 设定的负荷指令。所选中的目标负荷指令 P0 经负荷变化率限制器送至加法器。负荷变化率限制值可以手动设定，或根据锅炉、汽轮机热应力条件自动设定，也可由其它对目标负荷指令的变化有要求的因素确定。当目标负荷指令的变化率小于设定的负荷变化率值时，变化率限制器不起作用。只有当目标负荷指令的变化率大于设定值时才对它实行限制，使负荷指令的变化率等于设定的变化率。图 6 负荷指令运算回路函数发生器 f(x)用来规定调频范围和调频特性。其特性相当于失灵区和限幅环节特性的结合。当频率偏差较小、在失灵区所规定的范围内时，函数发生器输出为零，机组不参加调频；当频率偏差超出失灵区所规定的范围时，机组根据频率偏差大小调整机组负荷指令；当频率偏差超出限幅值规定的范围时，函数发生器输出保持不变，即不再继续增加机组调频出力。函数发生器的斜率代表了电网对本机组调频的负荷分配比例，斜率越大，机组的调频任务越重。因为电网要求机组具有快速调频能力，故调频信号一般不经过负荷变化率限制。当不参加调频时，可用由切换器 T2 切除调频信号。加法器的输出就是对机组发出的总的负荷指令 P。3.1.2 负荷指令限制回路在机组正常运行的情况下，负荷控制系统可以接受负荷指令运算环节的输出指令 P，作为机组实际负荷指令。但是，如果发生异常或者故障，负荷指令处理装置必须对负荷指令进行处理、限制。8负荷指令限制环节的主要作用是：对机组的主机和主要辅机的运行状况进行监视，一旦发生故障而影响机组的负荷、或危及机组的安全运行时，就对机组的负荷需求进行必要的限制，以保证机组能够继续安全、稳定地运行，协调内外供求矛盾。单元机组的主机、主要辅机设备的故障因素大致上有两类：第一类为跳闸或切除，这类故障的来源是明确的，可根据设备切投状况直接确定-RB；第二类为工作异常，这类故障往往无法直接确定，只能通过测量有关运行参数的偏差间接确定-BLOCK I/D 和 RUP/RD。负荷指令限制回路按其功能一般包括五个部分：最大最小允许负荷限制回路；负荷返回(Run Back，RB)；快速负荷切断(Fast Cut Back，FCB，快速甩负荷)；负荷闭锁增减(Block IncreaseBlock Decrease，BIBD)和负荷迫升迫降(Run UpRun Down，RURD)。其中，负荷返回 RB 和快速负荷切断FCB 是处理第一类故障的，负荷闭锁增减 BIBD 和负荷迫升迫降 RURD是处理第二类故障的。下面分别进行介绍。1）最大最小允许负荷限制环节该环节的主要作用是，保证机组的实际负荷指令不超过机组的最大/最小允许负荷值。负荷的低限值 Pmin 由给定器 A2 给定，高限值 Pmax 则是在给定器 A1 的输出 与机组最大出力计算环节输出的机组最大可能出力值之间取小值。双向限幅器的输入 P 为要求负荷指令，输出 PS 为实际负荷指令，两者的关系为：当 PPmax 时， P0 = Pmax；当 PPmin 时， P0 = Pmin；当 PminPPmax 时， P0 = P 。低值选择器保证了 P0 机组最大可能出力值。机组最大可能出力与主要辅机的投切状况有关。主要辅机故障切除时，机组最大可能出力值减小，为了保证机组能量力而行，应根据辅机运行情况，计算最大可能出力值，作为机组负荷上限。 9图 7 最大/最小负荷限制环节2）负荷返回 RB机组运行时，当机组的主要辅助设备突然发生故障，造成机组承担负荷能力下降时，就要求机组的负荷指令处理装置将机组的实际负荷指令下降到机组所能承担的水平，这种辅机故障引起机组实际负荷指令的快速下降称为快速返回，简称 RB(RUN BACK)。负荷返回的速率、以及返回到新的负荷水平与发生故障的辅机有关。其主要作用是：根据主要辅机的切投状况，计算出机组的最大可能出力值。若实际负荷指令大于最大可能出力值，则发生负荷返回，将实际负荷指令降至最大可能出力值，同时规定机组的负荷返回速率。因此，负荷返回回路具有两个主要功能：计算机组的最大可能出力值；规定机组的负荷返回速率。（1）最大可能出力值与在线识别与计算当机组运行正常时，机组的最大可能出力值与主要辅机的切投状况直接有关，主要辅机跳闸或切除，最大可能出力值就会减小。因此机组的最大可能出力由投入运行的主要辅机的台数确定。应随时计算最大可能出力值，并将它作为机组实际负荷指令的上限。发电机组的主要辅机设备有风