（电气工程专业论文）发电机组agc及一次调频的研究与应用.pdf

山东大学硕士学位论文 a b s t i 己a c t f r e q u e n c yi soneo ft h ei m p o r t a n te l e c t r i cp o w e rq u a l i t y i n d e x e s t h ea c t i v ep o w e ro ft h eg e n e r a t i n gs e t si nt h ep o w e r p l a n t sh a v ec l o s el i n kt ot h eg r i df r e q u e n c y a tp r e s e n t ， t h ea c ti v ep o w e ra n dp r i m a r yf r e q u e n c ya d j u s t m e n tc o n t r o l s y s t e m ，w h i c hu s e dw i d e l yf o r t h eg e n e r a t i n gs e t s ，w e r e b a s i c a ll yd e v e l o p e df r o mt h ei m p o r t e d3 0 0 m wu n i t s c o n t r o l s y s t e m t h i sa r t i c l ea n a l y z e dt h en e c e s s i t yo ft h ea c t i r e p o w e ra n dp r i m a r yf r e q u e n c ya d j u s t m e n tc o n t r o l ，t a k e n e x a m p l e so ft h e3 0 0 m wu n i t s c o n t r o ls y s t e m ，e x p a t i a t e dt h e t y p i c a la c ti v ep o w e ra n dp r i m a r yf r e q u e n c ya d j u s t m e n t c o n t r o lc o n f i g u r a t i o na n dw o r k i n gp r i n c i p l e s ，a n dd e e p l y a n a l y z e dt h ef u n c t i o no ft h ed e v i c e sa n dl o g i cd r a w i n g s i n o r d e rt om e e tt h eg r i d sr e q u i r e m e n tf o re l e c t r i cp o w e r q u a l i t y ，r e d e s i g n e da n dv a l i d a t e dt h ea c t i v ep o w e ra n d p r i m a r yf r e q u e n c ya d j u s t m e n tc o n t r o lo ft h eg e n e r a t i n gs e t s b a s e do nt h el a t e s tr e g i o n a ls t a n d a r d t og u a r a n t e et h e r e l i a b l er u n n i n go ft h eg e n e r a t i n gs e t sa f t e rt h ea c t i v e p o w e ra n dp r i m a r yf r e q u e n c ya d j u s t m e n tc o n t r o lb e i n gp u t i n t ou s e t h ea r t i c l ea n a l y z e da n dd e m o n s t r a t e dt h er e l e v a n t s a f e t ym e a s u r e sa c c o r d i n g l y k e yw o r d s ：p o w e rp l a n t ，p r i m a r yf r e q u e n c ya d j u s t m e n t ， a c t i v ep o w e r ，c o n t r o ls y s t e m i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名： ! 蔓日期：! ! ：尘! ! 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：址导师签名拙期：业 山东大学硕 学位论文 第一章电力系统有功功率和频率控制的必要性 在电力系统中，有功功率和电网频率的关系极其密切。电网频率不但对电 力用户有影响，而且对电网本身也有影响。频率变化会引起异步电动机转速变 化，影响部分工业产品的质量；同时，电厂内部使用的异步电动机驱动的风机、 水泵、磨煤机等厂用机械的出力也变化，使发电厂发出的有功功率变化，并进 一步影响电网的频率。这种趋势如果不能及时制止，就会在短时间内使电网频 率严重偏离正常值，影响整个电网的安全运行。所以，有必要对电力系统有功 功率和频率进行控制。 1 1电力系统有功功率控制的任务 电力系统有功功率控制的目的有三个： 一是维持电网频率在允许范围内。电网频率是靠系统内并联运行的所有发 电机组发出的有功功率总和与系统内所有负荷( 包括网损) 的有功功率总和之 间的平衡来维持的。电力系统有功功率控制的重要任务之一，就是要及时调节 系统内并联运行机组原动机的输入功率，保证电力系统频率在允许范围之内。 二是提高电力系统运行的经济性。也就是经济调度的问题。 三是保证联合电力系统的协调运行。各区域电力系统通过控制本区域内各 发电机组的有功功率，使不同区域间交换的电功率和电量按事先约定的协议进 行。 综上所述，电力系统频率和有功功率控制是密切相关和不可分割的，应统 一考虑并协调控制。 1 2单元机组在电网频率和有功功率控制中的作用 单元机组作为电力系统中最基本的组成部分，一方面，通过热工自动控制 系统调节机组各项参数在允许范围内运行，另一方面接受负荷调度中心的指令 山东大学硕士学位论文 或运行值班员的指令，按指令规定的有功功率调整机组实发功率，使之满足电 网负荷和频率的需要。同时，当电网因大容量机组故障退出运行或大负荷用户 突然断开，导致频率偏离规定值时，具备调频能力的各发电机组立即动作，快 速增减负荷。以使电网频率尽快向正常值靠近，也称为发电机组的一次调频。 实现上述功能的控制系统即为机组经济调度控制系统( 简称e d c ) 或自动发电 控制系统( 简称a g c ) 。 1 3本文主要工作 本文以3 0 万千瓦火电机组控制系统为例，对单元机组有功功率和一次调 频控制的必要性进行分析，阐述了电网和单元机组a g c 和一次调频控制系统的 典型组成及工作原理，对各组成部分的具体作用及逻辑图纸进行了详细分析。 为满足电网对电能质量的要求，依据最新的地区标准对单元机组有功功率和一 次调频控制进行了重新设计与验证。为保证a g c 和一次调频投入后电网和单元 机组的可靠运行，本文最后对机组投入有功功率和一次调频自动控制系统后的 可靠性措施进行了分析论证。本文主要内容如下； l 、分析研究燃煤机组a g c 性能提高需要解决的问题 2 、研究分析一次调频控制系统的组成与特点 3 、完成了一次调频控制系统参数的计算 4 、对有功功率和次调频控制系统可靠性分析 2 山东大学硕l 学位论文 第二章燃煤机组a g c 性能提高需要解决的问题 由于机组对锅炉燃烧率的响应有较大的延迟和惯性，而调门变化时，电 负荷变化较快，所以当有变负荷要求时，应适当动作汽机调门，在主蒸汽压力 允许的范围内，充分利用锅炉的蓄热加快机组初期的负荷响应速度。 变负荷时，如果燃烧率不超调，机组的负荷变化的平均速度比较慢，即 使用c c b f 方式，从能量平衡角度分析，变负荷时改变调门开度( 利用蓄热) 无非是使锅炉的热量提前释放出来一些，其平均变负荷速度不为提高，所以要 提高机组的变负荷速度必须适当超调锅炉的燃烧率，使锅炉热负荷快速跟上电 负荷的变化要求，及时与电负荷平衡，并使主蒸汽压力快速恢复。当机组负荷 接接近上限时，其燃烧率向上的超调较小，此时机组向上变负荷的速度较小； 同样，当机组负荷接接近上限时，机组向下变负荷的速度较小。 以上二点是提高机组负荷调节性能的基本思想，所有协调控制系统的控 制策略和调整试验都应实现这个基本思想。 2 i机跟炉为基础的协调控制系统的改进 在大部分机跟炉为基础的协调控制系统中，尽管系统在调门侧设计了前馈作 用，负荷指令变化时，系统能快速改变调门开度，使负荷马上变化。但由于主 蒸汽压力同时变化，主蒸汽压力调节系统又使调门朝负荷指令相反的方向变 化，出现负荷先变化，随后马上返回的现象，这样的负荷调节性能是不能满足 调度要求的。 为了改善这种调节方式下的初期负荷响应性能，对原系统进行改进，增 加其功能，在变负荷过程中，系统根据机组负荷与负荷指令的偏差改变主蒸汽 压力定值，避免了变负荷过程中调门返调现象，使系统能更好地利用锅炉蓄热， 来消除负荷响应的延迟，并且主蒸汽压力变化的幅度和速度限制在允许的范围 内。 3 山东大学硕士学位论文 2 2炉跟机为基础的协调和d e b 控制系统的改进 为了防止主蒸汽压力变化过大，在“炉跟机”为基础的协调控制系统中， 都设计了防止主蒸汽压力变化过大的功能。一般的做法是：当主蒸汽压力与其 定值偏差过大时，调门参与主蒸汽压力调节，同样出现调门变化方向与负荷指 令相反的现象。在大部分“直接能量平衡( d e b ) ”协调控制系统中也存在同样 的问题。 为此，对“炉跟机”为基础的协调控制方式进行改进，完成防止主蒸汽 压力变化过大的功能，在变负荷过程中，如果主蒸汽压力偏低，系统禁止调门 开；如果主蒸汽压力偏高，系统禁止调门关。这样系统避免了变负荷过程中调 门返调的现象，又保证了机组安全、稳定地运行。 以上三种协调控制系统都采用了前馈一反馈调节，以负荷指令作为前馈， 以电负荷和主蒸汽压力作为反馈量，构成一个完整的协调控制系统，由于汽机 指令调节负荷较快，当由调门调节负荷时，负荷指令的前馈可以不用。在负荷 指令变化时，系统通过合适比例前馈作用快速变化调门开度，达到消除或减小 负荷响应延迟的目的；与此同时，系统通过合适比例一微分前馈作用超调锅炉 燃烧率，及时恢复锅炉的蓄热，减小主蒸汽压力的动态偏差，并使机组负荷较 快地变化。对于“直接能量平衡( d e b ) ”协调控制系统，也可用能量信号作为 锅炉的前馈。 负荷指令的给定方式有两种，a g c 方式下，负荷指令由调度给定；非a g c 方式下，负荷指令由运行人员给定。为了保证机组的安全，负荷指令设置了高、 低限幅和速率限制，使机组以允许的负荷变化率运行在安全的负荷范围内。 2 3提高机组滑压方式下负荷响应速度的方案 前面已经提到滑压方式下机组的负荷晌应比较慢，为了提高滑压方式下 机组的负荷响应速度。在变负荷过程先保持定压运行，使机组达到定压时的变 负荷速度，待机组完成变负荷后再进行变压运行，这样即满足了快速变负荷的 4 山东大学硕士学位论文 要求，又能在稳态时实现机组的滑压运行要求。 2 4提高燃煤机变负荷速度的设想和方法 2 4 1改变汽机抽汽量来快速响应电负荷变化要求 改变汽机的抽汽量能快速改变机组的电负荷，减少抽汽量电负荷增加； 反之，增加抽汽量电负荷减少。汽机的抽汽主要用于高压和低压加热器，抽汽 量会随进入加热器的凝结水量和给水量变化。由于给水量必须要满足锅炉工质 平衡要求，所以改变高压加量的抽汽量来满足负荷要求会影响机组的安全运 行，而低加处于凝汽器和除氧器之间，这二个大容器对工质的平衡有较大的缓 冲作用，所以通过改变凝结水流量，使低加抽汽量变化，响应电负荷变化要求 应该是可行的，其负面影响是会降低机组的热效率。 另外可以在抽汽系统中设置一个大容量的加热器作为蓄能器，调节它的 抽汽量来快速响应电负荷变化要求，这一设想在己经投运的机组是很难实现 的，可以在新建机组上做试点。 2 4 2改变减温水量来快速响应电网的变负荷要求 由于减温水直接进入过热器，它对电负荷的影响是比较快的，尤其是一 级减温水由于其流量较大，对机组电负荷会有较大幅度的影响。对于汽包炉， 锅炉加负荷时，炉膛和烟道中的烟气热负荷同步增加，但锅炉的蒸发量增加有 一定的延迟，此时布置在烟道中的过热器吸热会相对过多，汽温会偏高，所以 加负荷时增加减温水一方面能有助于汽温调节，另一方面能较快地响应电负荷 变化要求；同理，减负荷时，可以减少减温水来较快地响应电负荷变化要求。 但由于锅炉的燃烧和汽水的动态变化比较复杂，此方法使用不当会引起 机组运行不稳定，所以电厂一般不愿意尝试。此方法不易在直流炉上使用。 2 4 3加速制粉系统的出粉速度 对于直吹式制粉系统，由于整个制粉过程有较大的延迟，严重影响机组 5 山东丈学硕士学位论文 的负荷调节性能，所以加快其制粉速度是很有用的。直吹式制粉系统由一次风 干燥和输送，变负荷时适当超调一次风量( 热风) 能加快直吹式制粉系统出粉 量的变化。一次风量的超调如过大，加负荷时，会降低煤粉细度，燃烧经济性 下降；减负荷时，会引起煤粉管堵塞，甚至造成磨煤机跳闸。 2 5a g c 对机组的影响 目前a g c 方式下，调度中心直接调度到某台机组( 在此称为单机a g c 方 式) ，电网的变负荷要求一般按比例分配给投入a g c 运行的机组，该方式存在 以下问题。 2 5 1a g c 对机组寿命的影响 由于电网负荷频繁变化，使投入a g c 的机组始终处于变化状态，机组的 煤、风、水频繁变化，蒸汽压力和温度大幅度频繁波动，对机组的寿命有较大 负面影响。另外辅机、阀门、挡板等设备频繁动作，降低了这些设备的使用寿 命。 2 5 2a g c 对机组运行经济性的影响 目前的a g c 没有考虑经济分配负荷，尽管调度的a g c 有经济分配功能，但 由于机组给调度的信息不够，在调度侧不可能做到各台机组的负荷经济分配。 在厂网分开后，全网负荷经济分配变成一个发电经济实体的负荷经济分配，所 以调度更不可能实现负荷的经济分配。 2 5 3 机组负荷调节存在断点 单机a g c 方式下，由于机组磨煤机的启动或停止，机组参数越限造成负 荷闭锁增或减，以及其他原因，机组有时不能响应调度的变负荷要求，所以每 台机组负荷调节是不连续的。另外由于煤质变化和机组运行工况变化，杌组的 负荷调节范围也会发生变化。 2 5 4a g c 对机组运行稳定性的影响 根据上面的分析，机组的负荷调节过程是下个相当长的过程，有一个变 6 山东大学硕士学位论文 负荷要求后，一般要半小时左右。调节系统才能达到稳定。按调节原理，上一 级( 电网a g c ) 调节系统的频率应比下一级( 机组c c s ) 调节系统低，机组c c s 才能达到稳定，但由于电网负荷变化比较频繁，实际a g c 负荷指令变化频率经 常会超过机组c c s 调节频率，调节系统始终处于频繁的调节状态，机组不能稳 定运行，主蒸汽压力和温度，再热温度大幅度频繁变化，严重影响机组的稳定 运行。 7 山东大学硕 学位论文 第三章有功功率和一次调频控制系统 的组成及工作原理 目前，3 0 万千瓦及以上火力发电机组的自动控制系统，大部分上实现了 计算机自动控制，并且绝大多数为分散控制系统( 即d c s 控制系统) ，机组控 制的安全性和可靠性大大提高。下面以采用分散控制系统的3 0 万千瓦火电机 组为例，分析有功功率和一次调频控制系统的组成和工作原理。 3 0 万千瓦火电机组有功功率和一次调频控制系统主要由以下几部分组 成： 机组参数采集及允许负荷计算回路；机组负荷指令接收及运算回路；负荷 限制回路；锅炉主控制器；汽机主控制器。其中，前三部分合起来又称为机组 负荷管理控制中心，它的功能是：根据汽机、锅炉的运行状态和调节任务，选择 机组的运行方式：同时，把外部的负荷指令进行处理，使之变成与机炉的运行状 态和变负荷能力相适应的，机组能接受的实际负荷指令，即目标负荷指令。典 型的有功功率和一次调频控制系统组成如图3 - 1 所示。 图3 - - 1 单元机组有功功率和一次调频控制系统原理框图 8 山东大学硕士学位论文 该控制系统的工作原理是：控制计算机首先采集机组辅助机械设备如锅炉 侧送风机、引风机、炉水循环泵，汽机侧给水泵等设备的运行状态和锅炉燃烧 率参数，分析机组当前负荷以及可以达到的最高负荷，将负荷上限值送到负荷 限制回路，作为负荷的上限，保证机组负荷上升时不致超过机组的出力限制： 同时，计算机还接收三个指令信号，一个是电网调度中心的负荷指令信号，它 由发电厂的远动装置接收后转换成标准的4 - 2 0 m a d c 信号送到计算机，再变换 成负荷指令；第二个信号是机组值班员( 也叫操作员) 的负荷指令：第三个是电 网频率偏差信号产生的机组功率补偿信号。这三个信号各自的作用是：当机组 控制计算机的自动发电控制系统功能投入( 即a g c 投入) 时，中调来的负荷指 令信号作为机组有功功率的目标值送至负荷限制回路进行运算；当机组的自动 发电控制系统不投入时，值班员的负荷指令信号送至负荷限制回路；计算机接 收的电网频率信号与频率的额定值即5 0 f 1 z 的差值，也就是频差信号，它反映 的是电网频率偏离额定值的程度，当机组的一次调频功能投入且该频差超过预 先规定的值时，机组一次调频功能开始动作，将该机组应该增加或减少的有功 功率指令信号送至负荷限制回路，并通过速率限制后，与当前的有功功率指令 信号相加，作为机组的目标负荷指令，控制机组的实发功率。 3 1机组参数采集和允许负荷运算回路 ( 见下页) 山东大学硕士学位论文 图3 - 2机组允许负荷运算回路( 一) 图3 - 3机组允许负荷运算回路( 二) l0 蛐 蚰 眦 岫 胁 哪 呻 雎 缸 l 鼠 虽 矗 舡 哪哪呲删 嘶一 懈 眦 眦 岫 佣 眦 嘣 眦岫 慵 帅 l l i i l i 一 一一一一一一il一一 山东大学硕士学位论文 图3 2 、图3 3 是3 0 万千瓦火电机组主要辅机运行参数采集和允许负荷 运算回路计算机软件实现的逻辑图。允许负荷运算回路有两部分组成，一部分 是控制计算机根据机组各主要辅助设备的运行台数而计算出的负荷上限值：另 外一部分是根据机组正常运行中辅助设备是否达出力上限或下限，从而对运行 值班员人工设置的机组目标负荷上限和下限进行限制。 3 0 万千瓦火电机组的主要辅机为送风机两台，引风机两台，一次风机两台， 汽动给水泵一台，炉永循环泵三台。相应地，该运算回路中表征设备状态的输入 信号共8 个，其中三台炉水泵运行中任两台停运时发一个减负荷信号。同时， 机组负荷大于5 0 作为闭锁信号。保证机组在低负荷下不因某一辅助设备停运 而误发减负荷信号。 由于机组运行中有时为了消除某设备缺陷，防止设备误发状态改变的信号， 从而使机组负荷下降，在控制计算机上均设有操作员手动投停是否具备快速减 负荷功能( r b 功能) 的按钮。当不投入该功能时，机组允许负荷运算回路不起 作用。在机组负荷大于5 0 且操作员已将机组快速减负荷功能投入，任一台设 备发生故障或锅炉燃烧率变化异常( 如某一台磨煤机虽然运行但由于堵煤造成 出力下降时) ，允许负荷运算回路均按照预先规定的负荷值，控制机组快速将负 荷调整到安全运行的范围，以防止设备故障或机组主要参数偏离正常值。 3 2机组负荷指令接收及运算回路和负荷速率限制回路 3 2 1回路的组成 图3 - 4 是3 0 万千瓦火电机组机组负荷管理控制中心的逻辑图，包括指令接 收及运算回路、负荷限制回路。 山东大学硕士学位论文 # 揩蛳自t t 蕾t m * 化# t t 扎聃8 ，ij mr i 图3 - 4负荷管理控制中心 为了提高电网的自动化水平，保证高质量的电力供应，要求电网中心调度 所发出的负荷分配指令和电网频差信号直接对火力发电机组进行连续控制。所 以，机组负荷控制回路接受二个外部信号，分别是：中调来的负荷指令( 图3 4 中的a d 4 0 0 1 ) 、一次调频功能动作产生的负荷指令( 图3 4 中t l 的输出) ，同 时，接收值班员手动调整的负荷指令( 图3 - 4 中的姗一s p ) 、。对应三个负荷指 令，控制系统中设置有切换开关，以满足不同的负荷控制要求。 3 2 2负荷调节方式的选择 单元机组投入自动发电控制( a g c ) 之前，必须投入协调控制系统，即c c s 控制方式，也就是汽机、锅炉协调运行方式，它要求锅炉的燃烧率和汽机蒸汽调 节阀的开度直接受负荷控制器的控制，二者共同随负荷的变化而变化，以保证 机组运行的经济性和安全性。根据机组的运行状态和电网对机组的要求，选 择其中一种指令或两种以上指令，来控制机组的有功功率。各种指令可手动选 山东大学硕士学位论文 择，也能自行选择。图3 4 中，切换开关t 1 用来选择是否投入一次调频功能。 当选择投入，电网频率变化越限时，则机组负荷指令为当前负荷与一次调频动 作功率补偿量的代数和。如果选择不投入，则切换开关打向另一侧，在计算机软 件中，设置的初始值是0 ，也就是无论电网频率是否越限，机组均不再参与一次 调频。这种工况一般是在机组启停机或主辅机有缺陷时发生。切换开关t 2 是用来选择机组接受调度中心的负荷指令还是接受值班员的负荷指令，也就是 选择机组是否投入自动发电控制( a g c ) 。当a g c 功能投入时，操作员发出的负 荷指令被屏蔽，此时，机组直接按照调度中心的负荷指令调节发电机的功率； 当切除a g c 功能时，操作员可手动调节机组的实发功率，调度中心的负荷指令 不再起作用。在上述两种运行方式下，一次调频功能均可单独投入或退出。 3 2 3负荷限制功能 当机组运行状态正常，调度中心要求机组改变发电机功率和参加一次调频 时，机组同时接受2 种或3 种负荷指令，以便于调节发电机的实发功率。为实 现这一功能。机组应首先实现协调控制方式，即发电机的负荷控制由汽机、锅 炉根据机组运行状态和负荷指令协同调节，并保持各主要参数在规定的范围和 速率变化；如果机组出力受到锅炉出力限制时，则外部指令一律不接受，即单 元机组不接受任何改变负荷的任务，只能在保证可能达到的实际出力的条件下 继续运行。完成这一功能的回路即为负荷限制回路。负荷限制包括两方面，一 。 个是目标负荷高低的限制，一个是负荷变化速率的限制。负荷数值过大过小不 仅会超出机组的出力，或低于机组稳定运行的最小出力，而且对机组的运行经 济性也有很大影响。同时，负荷变化太快，也可能导致蒸汽温度、压力等主要参 数的大幅度波动，造成参数越限，损坏锅炉或汽机叶片以及其他设备。所以，在 负荷指令送达锅炉和汽机前，必须对其进行限制。 3 2 3 1 目标负荷的限制 机组负荷指令转换为目标负荷之前，先经过多种限制。一个是操作员根据 13 山东大学硕士学位论文 设备运行状态、机组运行工况、机组运行的安全性和经济性手动设罨的目标负 荷的上限和下限。不论机组运行方式如何选择，该上、下限均可随时改变。另 外一个是机组允许负荷运算回路根据机组主要辅机设备的运行台数计算出的 机组实发功率的上限。只有当某主要辅机不正常退出运行时，该限制才起作用， 否则允许负荷运算回路的输出信号被切除。在图3 - 4 中由切换开关l d c 完成这 一功能。 3 2 3 2 负荷变化速率的限制 机组接收的三种负荷指令信号在转换为目标负荷时，不是直接跳变为目标 负荷，而是按照预先规定的速率逐渐变化。其中，调度中心来的负荷指令和操 作员手动设置的负荷指令经切换开关t 2 选择后，由限制功能块l i m i 进行速率 限制；一次调频功能动作后负荷速率限制功能由限制功能块l i m 2 进行速率限 制。限制功能块l i m i 中参数由操作员手动设置，限制功能块l i m 2 的参数根据 机组的额定功率和电网调度中心的要求进行设置。 通过上述负荷指令接收和处理回路、负荷限制回路、负荷速率限制回路及 相应的切换开关等选择回路，最终将负荷指令转换为目标负荷，来控制锅炉和 汽机调节相应的设备，从而调节发电机的实发功率。 3 3锅炉主控制器和汽机主控制嚣 图3 5 是3 0 万千瓦火电机组锅炉主控制器和汽机主控制器计算机软件实 现的逻辑图。 山东大学硕上学位论文 图3 - 5机炉主控制器 锅炉主控制器接受昀獭八佰号王墨有= 柙。分别是汽机入口的蒸汽压力信 号、汽机第一级压力信号和汽包压力信号，同时还包括机组负荷指令信号、操 作员设定信号、运行方式选择信号、跟踪信号等。其中汽机第一级压力信号代 表进入汽机的蒸汽流量，它间接代表了锅炉的出力。锅炉主控制器根据上述三 个信号，配合机组运行方式，进行运算和处理，输出锅炉出力的指令信号，送 至锅炉各辅机，转换为燃料量、送风量的指令信号，调节锅炉的燃烧，使之满 足负荷的需要。 汽机主控制器主要接收汽机入口蒸汽压力信号、机组负荷指令信号、发电 机功率信号、汽机侧返回的负荷参考信号，另外还接收运行方式选择信号、操 作员设定值信号等。根据机组运行方式和输入信号的变化，汽机主控制器将机 组负荷指令与汽机返回的负荷参考信号进行比较，二者有偏差时，向汽机发出 增减负荷信号，调节汽机入口蒸汽阀门的开度，从而调节发电机的实发功率。 15 山东大学颈上学位论文 第四章有功功率和一次调频控制 系统参数的计算 4 1 允许负荷运算回路参数的确定 在允许负荷参数运算回路中，待求的参数有5 个，即各主要辅机故障时允 许负荷的上限值。它们分别是任两台炉水循环泵跳闸后的负荷高限、任一台送 风机或任一台引风机或任一台一次风机跳闸时的负荷高限、汽动给水泵跳闸时 的负荷高限。根据3 0 万千瓦火电机组的设计，一台炉水泵运行时，最多可带 满负荷的5 0 ；一台送风机或一台引风机或一台一次风机运行时，最多带负荷 6 0 ；汽动给水泵跳闸，电动给水泵启动时，可最多带负荷6 0 。于是可确定， 5 个允许负荷的设定值分别为：1 5 0 m w 、1 8 0 m w 、1 8 0 m w 、1 8 0 m w 、1 8 0 b i w 。 4 2机组负荷指令接收及运算回路参数计算 4 2 1调度中心负荷指令信号转换系数的计算 调度中心送至发电厂的负荷指令信号首先由远动装置接收后，转换成 4 - 2 0 m a d c 的标准信号。对于额定功率3 0 力千瓦的火电机组，对应的负荷指 令信号不是3 0 万千瓦，而是o - 3 5 0 m w 。采用3 5 0 m w 作为负荷指令的上限，一 方面是为了确保信号传递的完整性，防止因信号传递的误差而导致发电机组达 不到额定的出力，另外也是由于发电机组一般可允许一定数量的超发。所以， 将4 - 2 0 m a d c 的电信号转换成o - 3 5 0 m w 的工程量的公式为： y = a x + b 式中，y 一机组的负荷指令； x 一远动装置传来的电流信号； a 、b 一转换系数。 将4 m a 、2 0 m a 和o t d w 、3 5 0 m w 分别代入上式的x 和y ，可解得： a = 2 1 8 7 5 l6 山东大学硕十学位论文 b = 一8 7 5 4 。2 2电网频率信号转换系数的确定 电网频率信号由频率变送器转换为标准的4 - 2 0 m a d c 信号，再通过计算 机软件转换成4 5 h z 一5 5 h z 的工程量。运用3 2 1 的计算方法，可求得其转换 系数分别为 a = o 6 2 5 b = 4 2 5 4 2 3 操作员负荷指令信号的确定 操作员的负荷指令信号在计算机图形化操作器上直接产生。与调度中心负 荷指令信号一样，其上下限分别规定为0 和3 5 0 m w 。 4 2 4一次调频投入时的技术要求和负荷指令的计算 4 2 ，4 1 山东电网发电机组一次调频技术要求： 1 ) 机组转速不等率为5 。 2 )机组一次调频的动作转速死区为：3 0 0 0 + _ 6 转分钟。 3 )具有d e h ( 汽轮机数字电液控制系统) 的机组，一次调频的功率补 偿量按转速不等率与转速偏差进行计算，但其最大值为额定容量的3 。 4 )具有d e h 的机组，一次调频功能动作时，机组增减负荷速度不低于 额定容量的3 分钟( a g c 功能投入时，可采用a g c 增减负荷速度+ 一次 调频增减速度) 。 4 2 4 2 一次调频投入时功率补偿量的计算 机组一次调频功能动作时，机组的负荷指令信号与机组一次调频功率补偿 量之和，才是机组的目标负荷。求取机组一次调频功率补偿量，即为求取图 3 4 中函数f x l 中输入和输出的对应关系。 机组一次调频功率补偿量，由机组转速不等率6 和电网频率偏差f ( 可 转换为转速偏差n ) 计算，其公式如下： 17 山东大学硕士学位论文 a n * 1 0 0 卸= 一t r 宰昂 其中，机组转速不等率6 是指机组调节系统给定值不变的情况下，机组功 率由0 至额定值对应的转速变化量( an ) 与额定转速( n o ) 的比值，通常以 百分数形式表示： 万：a n * 1 0 0 一次调频技术要求中已给定机组转速不等率为5 ； 为额定转速，3 0 0 0 转分钟； 转速偏差a n 由一次调频技术要求已知为6 转分钟，换算为电网频率为 a f ：4 - 0 1 h z 额定功率p n 为3 0 万千瓦； 则3 0 万千瓦发电机组一次调频的最大功率补偿量为： p ：6 3 0 0 _ _ 塑0 l o o p n ：4 p n ：1 2 m w 5 为安全起见，一次调频技术中规定了功率补偿量最大值为额定容量的 3 ，即4 - 9 m w 。 为实现一次调频技术要求的功率补偿，确定补偿函数f ( x ) 设置为下表： l8 山东大学硕l 学位论文 表3 - 1电网频率与机组功率补偿量的对应关系 x ( h z )f ( x )( m w ) 4 59 4 9 7 7 5 9 4 9 90 5 0 10 5 0 2 2 5- 9 5 5- 9 曲线表示如图4 - 1 所示： 一一 9 m w 4 9 7 7 54 9 9 掰 h z - 9 m w 图4 - 13 0 万千瓦机组一次调频功率补偿与频率的关系 4 2 5负荷限制回路参数计算 4 2 5 ，l 运行值班员设置的负荷上下限值的确定 为便于运行值班员( 操作员) 根据机组运行情况，调节机组的出力，在控 制系统中运行值班员可手动设置负荷上限和下限值，其数值是依据机组设计的 最小稳定运行负荷和最高出力来设置的。一般，3 0 万千瓦的火电机组在不投 助燃油稳定经济运行的负荷为1 5 0 m w c 0 1 8 0 m w ，各主要辅机正常运行时，可达到 l9 山东大学硕t 学位论文 或超过满负荷即3 0 万千瓦。所以在机组启动时，运行值班员手动设置的负荷下 限为o m w ，在机组正常运行中的负荷下限为1 8 0 m w 。上限为3 0 0 m w 或3 0 3 m w 。 4 2 5 2 一次调频功能动作时负荷变化速率的确定 根据一次调频技术要求，一次调频功能动作时，机组增减负荷速度不低于 额定容量的3 9 6 分钟。对于3 0 万千瓦的发电机组，其负荷变化速率为9 m w 分 钟。 4 2 5 3 机组自动发电控制功能投入时的负荷变化速率 机组a g c 功能投入时，为了快速调整机组实发功率，并兼顾主要热力参数 如蒸汽温度、压力等不超过规定值，一般通过试验来确定负荷速率限值。目前， 3 0 万千瓦燃煤直吹式制粉系统火电机组的负荷变化速率，在投入a g c 功能时， 不大于4 m w 分钟；不投入a g c 手动调整负荷时，负荷变化速率一般不大于l o m w 。 同时，运行值班员可手动调整负荷变化速率，以适应不同工况下的需要。 4 3锅炉主控制器和汽机主控制器参数确定 锅炉主控制器和汽机主控制器中的所有输入参数，均为4 - 2 0 m a d c 的标 准信号，可通过与相应的工程量的对应关系，列出方程组求解，即可确定信号 转换成工程量的转换系数。 锅炉主控制器为一p i 调节器，给定值为目标负荷指令变换成的主蒸汽压 力设定值，反馈量为代表负荷的汽机第一级压力值。二者存在偏差时，经p i 调节器的调节作用，输出指令到锅炉各辅机，调节锅炉的燃烧率。p i 调节器 的参数可通过试验来确定。目前，3 0 万千瓦直欧式制粉系统燃煤机组的锅炉 主控制器p i 参数一般设为： p = o 5 7 t = 2 2 0 s 汽机主控制器也是一p i 调节器。其给定值为机组目标负荷指令，反馈值 为机组实发功率。p i 调节器的输出与汽机负荷参考相比较，二者有偏差时， 山东大学硕l 学位论文 向汽机数字电液控制系统发出增减指令，调节汽机迸汽阀的开度，从而调节发 电机的实发功率。对于3 0 万千瓦中间再热凝汽式汽轮发电机组，其汽机主控 制器的p i 参数一般为： p = o 4 9 t i = 2 5 s 2l 山东大学硕t ：学位论文 第五章有功功率和一次调频控制 系统可靠性分析 机组运行中，数据采集和信号传送回路、现场设备及控制回路均可能发生 故障。同时，运行值班员在操作中也可能发生误操作现象。所以，机组自动控 制系统中均应对上述异常情况充分考虑，以保证设备的安全。对于现场设备发 生的故障，在允许负荷运算回路中己进行了考虑，其措施是快速减负荷至预先 规定的数值。 5 1数据采集和信号传输回路故障及防范措施 数据采集回路，包括电网频率信号的采集及转换、调度中心的负荷指令信 号的传送，发电机实发功率的信号采集及机组主要参数的采集回路等，一旦发 生故障，均可导致机组负荷控制系统异常动作。对于电网频率、机组实发功率、 调度中心来的负荷指令信号，在计算机软件中，可通过对信号进行质量监视的 方法，来判断数据是否可信，一旦认为数据不正常，可及时切除相应的功能并 保持机组现运行状态，同时向运行值班员发出报警，提醒值班员注意。 在图3 - 4 中，电网频率信号f r e q 、调度中心的负荷指令信号a d 4 0 0 1 的输 入处理回路中，模块q c 就具备质量监视功能。其中，当电网频率信号f r e q 越限( ) 2 0 m a 或 5 5 h z 或 4 5 h z ) 时，一次调频功能自动切除， 即图3 - 4 中的切换开关t 1 自动打向右侧，机组目标负荷不受电网频率信号变 化的影响。当调度中心的负荷指令信号a d 4 0 0 1 故障时，切换开关t 2 自动打向 上侧，其输出为运行值班员的手动负荷指令，自动发电控制功能( a g c ) 切除。 为了防止控制回路中切换开关动作时，机组目标负荷的扰动，在控制系统 中，所有的输入信号均具有自动跟踪功能。即切换开关不论打向哪一侧，另外 一侧输入信号均跟踪输出信号。 对于机组主要参数，一般采取多路信号输入，通过选择开关来保证信号的 22 山东大学颈t 学位论文 可靠。如图3 - 5 中锅炉主控制器的输入信号第一级压力，有两路输入，通过选 择开关自动选择在正常范围内变化的信号，两路信号只要有一个正常，就不会 影响回路的功能。 5 2防止运行值班员误操作的措施 随着发电厂自动化控制水平的提高，运行值班员的数量也在不断减少。目 前，每台3 0 万千瓦机组的运行值班员一般只有两人，甚至一人。值班员既要 负责锅炉设备的监控，也要负责汽机、发电机设备的监控。所以值班员的运行 操作非常多。为防止值班员的误操作，在控制系统中，一般是通过闭锁功能来 保证机组的安全可靠运行。 如图3 4 负荷管理控制中心中，当a g c 功能投入时，切换开关t 2 对运行 值班员改变目标负荷的操作进行闭锁；当机组负荷降低，使锅炉达稳定燃烧的 最低限时，切换开关t b d 闭锁值班员降低目标负荷下限的操作：当机组负荷上 升，直到汽机蒸汽调节阀全开时，切换开关t b i 闭锁值班员增加目标负荷上限 的操作。 5 3电网一次调频具体实施方案 为进一步提高供电质量，保证电网安全，对电网上的机组一次调频功能需 要进一步优化控制方案、提高控制质量，根据现场试验情况，证明如下控制修 改方案是切实可行的。 5 3 1 控制方案 d e h 修改方案 23 山东大学硕士学位论文 图1 ；d e h 一次调频控制方案 功率回路投入时，一次调频作为功率指令的校正信号加入到p i d 的设 定值端，通过p i d 控制运行，相应地调节汽轮机调门保证机组实际负荷等于 经校正后的功率指令。 功率回路解除时，一次调频作为功率调节器输出指令的校正信号，经校 正后的指令直接输出到阀门管理程序，保证机组调门开度指令( 指汽轮机 的流量指令) 等于经一次调频校正后的指令输出。 d c s 修改方案 24 山东大学硕j 学位论文 图2 ：d c s 一次调频控制方案 频率校正信号加在经速率限制后的功率指令上后作为设定值输入到 p i d 调节器的s p 端。 5 3 2 一次调频运行方式 机组一次调频功能由d e h 和d c s 共同完成。系统因此衍生出几种一次调频 运行方式： 1 ) d e h 系统手动或阀位控制方式时的d e h 一次调频功能，相当于以前同步 器液调机组的一次调频功能，优点是负荷响应速度很快，但由于非线性的阀门 流量特性及不同参数运行的工况，静态上不能准确地达到额定蒸汽参数的负荷 幅度要求： 2 ) d e h 系统功率回路自动方式时的d e h 频率校正( 调频) 功能，优点是负荷 响应速度快，静态上也可以达到负荷指标的幅度要求，但是该状态不能参加机 组的c c s 及a g c 调节： 3 ) d e h 系统在遥控方式，汽机主控在手动方式时的d e h 一次调频功能，此 时相当于方式1 ) ： 4 )协调控制方式下一次调频，c c s 频率校正( 调频) 功能要通过p i d 实现， 如果机组调频速度不能满足要求，则由协调控制的一次调频结合方式1 ) 的d e h 一次调频功能共同实现，以提高调频的响应速度，同时又保证参数指标的幅度 25 山东大学硕士学位论文 要求。 5 )a g c 方式频率校正( 调频) 功能，此时相当于方式4 ) 。只是机组负荷除既 要响应一次调频功能的负荷要求，又要满足a g c 的负荷要求。 5 3 3 控制方案修改及试验步骤 1 )按照图l 控制方案修改d e h 控制组态，保证在各种控制方式下一次调 频投入； 2 )按照图2 修改d c s 控制方案，注意去掉变负荷速度限制； 3 )软件修改完成进行静态仿真试验； 4 )开机进行机组一次调频热态试验并记录试验数据，编写试验报告。 5 3 4 参数说明与设置 5 3 4 1 参数说明 a ) 转速不等率 机组转速不等率( 6 ) ：是指机组调节系统给定值不变的情况下，机组功率由0 至额定值对应的转速变化量( an ) 与额定转速( n 0 ) 的比值，通常以百分数 形式表示。 万：a n , 1 0 0 咒0 ( 对承担基本负荷的机组，一般取其不等率大一些，以希望电网周波的变 化对其功率的影响要小，保证机组在经济工况下长期运行：对承担尖峰 负荷的机组，则不等率要小一些，在电网周波变化后希望多分担一点变动 负荷) b ) 功率补偿量 机组一次调频的功率补偿量( ap ) ：是由机组转速不等率6 和电网频率偏差 ( 可转换为转速偏差n ) 计算出来的，公式如下： 26 山东大学硕十学位论文 卸= 一 a n * 10 0 木昂 其中：为额定转速。 只 为机组的额定功率。 例如：额定容量为只= 3 0 0 m w 的发电机，当转速偏差为n 一6 转( 电网 卸：一( 里- 丛6 与* f 1 0 0 一木昂) ：。4 宰昂：4 昂 c ) 迟缓率 机组的迟缓率：是指由于调速器、传动放大机构和配汽机构部件有磨擦、日j 隙 等原因使输入信息与输出信息之间存在的迟缓现象，这种迟缓现象作用于调节 系统使在一定的转速变化范围a1 3 ，机组功率不变。迟缓率的计算公式如下： = ( a n 刀。) ，i c l o o 其中为额定转速。 d ) 调频死区 机组一次调频频率死区，是指系统在额定转速附近对转速的不灵敏区。为了在 电网频率变化较小的情况下提高机组稳定性，一般在电调系统设置有频率死 区。 e ) 响应滞后时间 当电网频率变化达到一次调频动作值到机组负荷开始变化所需的时间为一次 调频负荷响应滞后时间，应小于3 秒 f ) 稳定时间 27 山东大学硕士学位论文 机组参与一次调频过程中，在电网频率稳定后，机组负荷达到稳定所需时 间为一次调频稳定时间，应小于l m i n ，机组协调控制系统获自动发电控 制( a g c ) 运行时，应剔除负荷指令变化的因素。 5 3 4 2 参数设置 a ) 不等率 火电机组速度不等率一般为4 5 。 b ) 功率补偿量 额定负荷2 0 0 9 w 及以下的火电机组，限制幅度应为机组额定负荷的 1 0 ：额定负荷2 2 0 3 5 0 m w 的火电机组，限制幅度应为机组额定负 荷的8 ：额定负荷5 0 0 m w 及以上的火电机组，限制幅度应为机组额 定负荷的6 ；循环流化床机组限制幅度应为机组额定负荷的4 。 c ) 死区 火电机组一次调频死区不大于_ + 2 r m i n 。( 0 0 3 4 h z ) d ) 变负荷率 无 5 3 4 3 几点说明 a ) 在本方案中对目标负荷的上、下限迸行了设计，保证机组在一次调频 功能动