单元机组协调控制系统.ppt

单元机组协调控制系统 第一节概述 一 单元机组控制问题 单元机组的输出电功率与电网负荷要求是否一致反映了机组与外部电网之间能量供求的平衡关系 而主蒸汽压力反映了单元机组内的锅炉与汽轮机 发电机之间能量供求的平衡关系 机组的输出电功率PE和主蒸汽压力pT是单元机组控制的两个主要参数 二 单元机组协调控制系统基本组成 协调控制级 基础控制级 机炉主控制器 给水 空气 燃料 锅炉 汽轮机 发电机 锅炉控制系统 汽轮机控制系统 主蒸汽压力给定值po 负荷指令处理回路 ADS指令 值班员指令 外部负荷指令 电网频率 主蒸汽压力pT 实际负荷指令P0 机组输出电功率PE 图13 1单元机组协调控制系统的组成 单元机组 负荷控制系统 子控制系统 进汽量 锅炉指令BD 汽轮机指令TD 三 机组负荷控制系统被控对象动态特性 1 单元机组的动态特性 2 负荷控制系统被控对象动态特性 对于锅炉侧 由于各控制系统的动态过程相对于锅炉特性的迟延和惯性可忽略不计 因此可假设它们配合协调 能及时跟随锅炉指令BD 接近理想随动系统特性 故有 B BD 对于汽轮机侧 如果汽轮机控制系统采用纯液压调速系统 则汽轮机指令TD就是调门开度 T T TD 这样 负荷控制系统的广义被控对象的动态特性与单元机组的动态特性相同 如果汽轮机控制系统采用功频电液控制系统 则汽轮机指令TD就是汽轮机功率指令 这样 广义被控对象的动态特性会有很大改变 第二节负荷指令处理回路 负荷指令处理回路的主要作用是 对外部负荷要求指令进行选择并根据机组运行情况进行处理 使之转变为一个适合于机 炉运行状态的实际负荷指令P0 同时根据机组的运行方式 产生主蒸汽压力给定值po 一 正常工况下负荷指令处理 在机组的设备及主要参数都正常的情况下 机组通常接受的三个外部负荷指令为 电网调度所的负荷分配指令ADS 值班员手动指令 就地负荷指令 和电网调频所需负荷指令 正常工况下 负荷指令一般受到以下限制 负荷指令变化速率限制 运行人员所设定的最大 最小负荷限制 二 异常工况下的负荷指令处理 当机组的主机 主要辅机或设备发生故障 影响到机组的带负荷能力或危及机组的安全运行时 就要对机组的实际负荷指令进行必要的处理 以防止局部故障扩大到机组其他处 以保证机组能够继续安全 稳定地运行 单元机组的主机 主要辅机或设备的故障原因有两类 第一类为跳闸或切除 如某台风机跳闸等 这类故障的来源是明确的 可根据切投状况加以确定 第二类为工作异常 其故障来源是不明确的 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 对机组实际负荷指令的处理方法有四种 负荷返回 RunBack RB 快速负荷切断 FastCutBack FCB 快速甩负荷 负荷闭锁增 减 BlockIncrease BlockDecrease BI BD 和负荷迫升 迫降 RunUp RunDown RU RD 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BI BD和负荷迫升 迫降RU RD是处理第二类故障的 1 负荷返回RB 负荷返回 又称辅机故障减负荷或甩负荷 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 最大可能出力值的计算当锅炉和汽轮发电机组运行正常时 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 机组的主要辅机设备有风机 送 引风机 给水泵 电动 汽动给水泵 锅炉循环水泵 空气预热器以及汽轮机或电气侧设备等 因此 负荷返回RB的主要类型包括送风机RB 引风机RB 一次风机RB 给水泵RB 磨煤机RB等 对于某一台辅机 都有一个对应机组容量的负荷百分数 根据共同运行的台数 将它们的负荷百分数相加 即可确定该种辅机所能承担的最大可能出力 例如 一台锅炉配用两台容量百分数为50 的送风机 两台同时运行时 带100 负荷 若其中一台退出运行 则由送风机决定的机组最大可能出力值就减小到50 又如 配用五台容量百分数为25 的磨煤机 由磨煤机决定的机组最大可能出力值为n 25 其中n为投人运行的台数 当n 4时 最大可能出力值为100 再如 若配用三台给水泵 其中两台容量百分数为50 一台为30 则根据不同投运台数的组合 由给水泵决定的机组最大可能出力值有100 80 30 几档 其他辅机以此类推 从各种辅机负荷百分数中选出最小值 就是机组的最大可能出力值 FSSS furnacesafeguardsupervisorysystem 系统根据RB目标值将部分磨煤机切除 保留与机组负荷相适应的磨煤机台数 送风机 或引风机 一次风机 RB发生时 一般需要切掉对应侧的其他风机 以保证炉膛负压稳定 若风机的执行机构动作及时 也可以将对应侧的其他风机快关 以保证机组辅机RB发生之后能够快速恢复正常调节 当发生负荷返回时 会自动切换机组的运行方式 若锅炉辅机发生跳闸而产生负荷返回 则机组将以汽轮机跟随方式运行 这时因为此时锅炉担负机组负荷能力受到限制 同理 若汽轮机辅机发生跳闸而产生负荷返回 则机组将以锅炉跟随方式运行 2 负荷返回速率的规定 当机组的主要辅机跳闸或切除时 最大出力阶跃下降 这对于机组来说是一个较大的冲击 为保证负荷返回过程中机组能安全 稳定地继续运行 所以必须对最大可能出力值的变化速率进行限制 2 负荷快速切断FCB 负荷快速切断FCB 又称快速甩负荷 的作用是当机组突然与电网解列 送电负荷跳闸 或发电机 汽轮机跳闸时 快速切断负荷指令 实现机组快速甩负荷 主机跳闸的负荷快速切断通常考虑两种情况 一种是送电负荷跳闸 机组仍维持厂用电运行 即不停机不停炉 另一种是发电机跳闸 汽轮机跳闸 由旁路系统维持锅炉继续运行 即停机不停炉 负荷指令应快速切到0 锅炉仍维持最小负荷运行 负荷快速切断回路的功能与实现和负荷返回回路相似 只不过减负荷的速率要大得多 3 负荷闭锁增 减BI BD 第二类故障会造成诸如燃料量 空气量 给水流量等运行参数的偏差增大 负荷闭锁增 减指的是 当机组在运行过程中 如果出现下述任一种情况 1 任一主要辅机已工作在极限状态 比如给风机等工作在最大极限状态 2 燃料量 空气量 给水流量等任一运行参数与其给定值的偏差已超出规定限值 认为设备工作异常 出现故障 该回路就对实际负荷指令加以限制 即不让机组实际负荷指令朝着超越工作极限或扩大偏差的方向进一步变化 以防止事故的发生 直至偏差回到规定限值内才解除闭锁 这就是所谓的负荷指令闭锁或负荷闭锁 负荷指令闭锁分闭锁增BI 实际负荷指令上升方向被闭锁 和闭锁减BD 实际负荷指令下降方向被闭锁 引起机组实际负荷指令闭锁的原因主要有 1 闭锁增BI1 负荷BI 机组实际负荷指令达到运行人员手动设定的最大负荷限制值 或机组输出电功率小于机组实际负荷指令 且二者偏差大于允许值 2 主蒸汽压力BI 汽轮机负荷达到最大值 或在锅炉跟随方式下 机前主蒸汽压力小于给定值 且二者偏差大于允许值 3 燃料BI 燃料指令达到高限 给煤机工作在最大极限状态 或燃料量小于燃料指令 且二者偏差大于允许值 4 给水泵BI 给水泵输出指令达到高限 或给水量小于给水指令 且二者偏差大于允许值 5 送风机BI 送风机输出指令达到高限 或风量小于风量指令 且二者偏差大于允许值 6 引风机BI 引风机输出指令达到高限 或炉膛压力高于给定值 且二者偏差大于允许值 7 一次风机BI 一次风机输出指令达到高限 或一次风压小于给定值 且二者偏差大于允许值 4 负荷迫升 迫降RU RD对于第二类故障 采取负荷闭锁增 减BI BD措施是机组安全运行的第一道防线 当采用BI BD措施后 监测的燃料量 空气量 给水流量等运行参数中的任一参数依然偏差增大 这样需采取进一步措施 使负荷实际负荷指令减小 增大 直到偏差回到允许范围内 从而达到缩小故障危害的目的 这就是实际负荷指令的迫升 迫降RU RD 负荷迫升 迫降是机组安全运行的第二道防线 通常 下列情况之一发生 则产生实际负荷指令迫降RD 1 燃料RD 燃料指令达到高限 给煤机工作在最大极限状态 同时燃料量小于燃料指令的偏差大于允许值 2 给水RD 给水泵输出指令达到高限 给水泵工作在最大极限状态 同时给水量小于给水指令的偏差大于允许值 3 送风机RD 送风机输出指令达到高限 送风机工作在最大极限状态 同时风量小于风量指令 且二者偏差大于允许值 4 引风机RD 引风机输出指令达到高限 引风机工作在最大极限状态 同时炉膛压力高于给定值 且二者偏差大于允许值 5 一次风机RD 一次风机输出指令达到高限 一次风机工作在最大极限状态 同时一次风压小于给定值 且二者偏差大于允许值 调频投入 Pmax Y ADS 手动设定 Pmin BD BI RU RB速率 RD RU速率 热应力限制 手动速率 f P0 RB目标值 T T T RD T 速率限制回路 T RB T RD或RU f x A 0 T 图13 9负荷指令处理回路原则性构成功能框图 Y N N A A 100 0 A Y 第三节机炉主控制器 机炉主控制器是由汽轮机主控制器 TM TurbineMaster 和锅炉主控制器 BM BoilerMaster 两部分组成 机炉主控制器主要作用是 1 根据机组运行的条件和要求 选择合适的负荷控制方式 2 接受P0 PE pT和p0信号 并按照选择的负荷控制方式将这些信号送到机炉主控制器中的相应控制回路中 控制回路经过控制运算给出锅炉指令BD和汽机指令TD 从而完成负荷控制任务 负荷控制方式 机炉分别控制方式和机炉协调控制方式 一 机炉分别控制方式 1 锅炉跟随方式由汽轮机侧调功率 锅炉侧调汽压 P0改变时 汽轮机主控制器先发出改变调门开度的TD 改变汽轮机的进汽量 使机组PE迅速与P0趋于一致 调门开度改变后pT随即变化 这时 锅炉主控制器根据汽压偏差发出BD 改变锅炉的燃烧率 及相应的给水流量 使pT恢复到给定值p0 最后稳态时 PE P0 pT p0 当燃烧率扰动 内扰 时 汽压变化而产生偏差 蒸汽流量也变化 汽轮机侧为了保持输出电功率不变而要动作调门 其结果将进一步加剧汽压的变化 使偏差增大 造成较大的汽压波动 锅炉跟随方式一般用于蓄热能力相对较大的中 小型汽包锅炉机组 母管制运行机组常采用这种方式 大型单元机组蓄热能力相对较小 尤其是直流锅炉机组在负荷变化较剧烈的场合 正常情况下一般不采用这种负荷控制方式 锅炉跟随方式在大型单元机组负荷控制中只是作为一种辅助运行方式 一般当锅炉侧正常 机组输出电功率因汽轮机侧的原因而受到限制时 如汽轮机侧的主 辅机或控制系统故障 汽轮机控制系统处于手动状态 常采用锅炉跟随方式来维持主蒸汽压力稳定 2 汽轮机跟随方式 锅炉调节机组的输出电功率 汽轮机调节汽压 当P0改变时 锅炉主控制器先发出改变锅炉的燃烧率的指令BD pT改变后 汽轮机主控制器发出改变调门开度的指令TD 从而改变进入汽轮机的蒸汽流入量 使机组输出电功率PE改变 并与实际负荷指令P0趋于一致 最后稳态时 PE P0 pT p0 当燃烧率扰动时 汽压变化而产生偏差 蒸汽流量也变化 机组输出电功率随之变化 汽轮机主控制器为了保持汽压而要动作调门 其结果将进一步加剧蒸汽流量的变化 使机组输出电功率的变化加剧 偏差增大 造成较大的输出电功率波动 机组负荷响应速度慢 不利于带变动负荷和参加电网调频 这种负荷控制方式适用于带基本负荷的单元机组 在一些特殊场合被使用 如 1 新机组刚投人运行 机组特性尚未完全掌握的情况下 2 锅炉出力小于汽轮机出力 而且想让机组带最大可能的负荷运行时 3 在锅炉侧发生主机 辅机及控制系统故障 锅炉控制系统投入手动运行时 4 机组启动过程中采用滑压升负荷 当汽压达到额定值后 进行定压升负荷 3 其它方式 某些特殊条件下 机炉主控制器需要部分或全部切除自动控制 转为手动操作 在单元机组的启动和停止阶段 以及设备问题不能承担输出电功率自动控制任务时 将输出电功率自动控制作用切除 转为操作员手动操作 对于锅炉跟随方式 汽轮机主控制器切为手动 操作员手动改变汽机主控指令 调节机组输出功率 而汽压仍由锅炉侧进行自动控制 对于汽轮机跟随方式 锅炉主控制器切为手动状态 由操作员手动改变锅炉主控指令 调节机组的输出电功率 而汽压仍由汽轮机侧进行自动控制 以上两种方式 跟随特点没变 只是手动代替主控制器的自动控制 通常叫不带功率控制的锅炉跟随方式和汽轮机跟随方式 机炉主控制器全部解除自动控制 转为手动控制 主控指令由操作员手动改变 各自维持各子系统的运行参数稳定 而不参与机组输出功率和汽压的自动控制 负荷自动控制系统相当于被切除 这种方式称为基本控制方式 二 机炉协调控制方式 没有考虑机组的动态特性 并忽视了机炉之间的内在相互关联性 因此对带变动负荷的单元机组来说 其在输出电功率和汽压的控制性能方面存在顾此失彼的问题 机炉协调控制是将锅炉和汽轮机作为有机的整体进行系统设计 以解决负荷响应快速性和汽压运行稳定问题 由此要考虑汽轮机侧和锅炉侧同时兼有调功和调压的双重任务 PE反映了机组对外能量的输出量 故为外部参数 要迅速适应负荷变化的需要 pT反映机 炉之间用汽和产汽的能量平衡与否以及机组蓄能大小 是机炉运行是否协调的一个主要指标 从机组的动态特性知 从燃烧率改变到机组输出电功率变化有较大的惯性和迟延 如果只依靠锅炉侧的调节 必然不会获得迅速的负荷响应 而汽轮机调门动作可使机组释放部分蓄能 输出电功率暂时迅速增加 为提高负荷响应能力 在保证机组安全运行 即汽压在允许范围内变化 前提下 充分利用机组的蓄热能力 加快机组初期负荷的响应速度 与此同时 加强对锅炉侧燃烧率的调节 及时恢复蓄能 使蒸发量保持与机组负荷一致 协调控制系统的设计思想 就在于蓄能的合理利用和补偿 也就是 1 充分利用锅炉的蓄能 又要相应限制这种利用 2 补偿蓄能 动态超调锅炉的能量输入 协调控制系统的控制策略 在于尽可能减少和消除锅炉 汽轮机动作间的相互影响 采用扰动补偿 自治或解耦的控制原则 扰动应由扰动侧的控制回路自行快速消除 而非扰动侧的控制回路应少动或不动 以利于动态过程的稳定 为了提高负荷响应能力 在协调控制系统中多采用前馈控制技术 同时为了保证充分利用蓄热能力 并使汽压不超过允许范围 协调控制系统还引入了一些非线性环节 因此协调控制是以前馈 反馈控制为主的多变量控制系统 其中反馈控制是负荷控制的基础 通过它来确保机组内 外两个能量供求平衡关系 前馈控制主要是为了补偿机组的动态迟延 加快负荷响应 而非线性环节的引入是为了合理地利用机组蓄热能力 1 以汽轮机跟随为基础的协调控制系统 非线性环节的限幅值 pmax即为主蒸汽压力pT允许变化的范围 2 以锅炉跟随为基础的协调控制系统 从汽压偏差对汽轮机调门的限制作用可见 尽管这样可使汽压波动不超过允许范围 但同时也减慢了输出电功率的响应速度 实质上是以降低输出电功率响应性能作为代价来换取汽压控制质量的提高 3 综合型协调控制系统 4 负荷指令间接平衡的协调控制系统 由于锅炉的动态迟延和惯性是影响单元机组负荷特性的主要制约因素 因此 前馈控制的重点是锅炉侧 前馈信号来源有两种 1 按负荷指令进行的前馈控制 负荷指令反映电网对机组的负荷要求 将负荷指令作为锅炉侧的前馈信号 可加速平衡汽轮机与锅炉之间能量供求关系 进而加快锅炉侧的负荷响应速度 2 按蒸汽流量进行前馈控制 蒸汽流量反映汽轮机对锅炉的负荷要求 将蒸汽流量作为锅炉侧的前馈信号 也可加快锅炉侧的负荷响应速度 因此 虽然前馈信号不同 但作用都是使锅炉的输入能量与能量要求随时保持平衡 也就是使机炉之间能量保持平衡 以汽轮机跟随为基础的一种协调控制方式 锅炉侧是以P0 1 d dt 作为前馈信号 形成对锅炉侧的前馈控制作用 比例作用使得燃烧率与指令始终保持一致 微分作用用于补偿锅炉的动态迟延和惯性 加速锅炉的负荷响应 锅炉侧以功率偏差作为反馈信号 对功率偏差进行积分来校正锅炉指令BD 以保证机组的功率偏差在稳态时为零 此外 还根据汽压偏差来修正指令BD 即通过调整锅炉燃烧率来减少汽压波动 如当pT低于给定值时 应增大燃烧率使锅炉蓄能增加 使pT上升 锅炉指令为稳态时 积分控制使得PE P0 若汽压偏差为零 则BD P0 汽轮机侧以汽压偏差作为反馈信号 形成对汽轮机侧的PI反馈控制 而功率偏差作为前馈信号用来修正压力给定值 当P0改变时 引起压力给定值的改变 控制器发出的汽机指令TD的改变 这样能充分利用锅炉的蓄热能力提高机组负荷响应速度 汽轮机侧的PI调节器可保证稳态时 其调节器输入端信号的代数和近似为零 于是有 当P0增加时 P0 PE立即增加 暂时减少压力给定值 这时汽轮机侧的PI调节器输出立即增大调门开度指令TD 增大机组输出电功率 P0作为前馈信号送到机 炉控制回路中 使机 炉同时改变负荷 保证快速响应外界负荷要求 当燃烧率干扰为增加时 使pT上升 使得PE增加 由于中间再热机组功率滞后较大 pT的反应比PE灵敏 在扰动初期 汽轮机调门将开大 又对汽轮机是一扰动 使得PE增加 这种协调控制系统消除锅炉燃烧内扰能力相对较差 汽轮机汽机调门产生扰动时 pT与PE变化方向相反 一般控制回路能较快消除扰动 5 以能量平衡信号为基础的协调控制系统 以能量平衡信号为基础的协调控制系统是一种以汽轮机能量需求信号为基础的协调控制系统 其出发点是在任何工况下保证锅炉输入能量与汽轮机需求能量相适应 汽轮机耗汽量可作为对锅炉输入能量的要求信号 以保持锅炉产能与汽轮机耗能随时平衡 从而实现机 炉间的基本协调 汽轮机对锅炉的能量要求信号也称能量平衡信号 调