单元机组协调控制系统

协调控制系统2017 03 1 2 概述 单元机组动态特性 间接能量平衡协调系统 直接能量平衡协调系统 自动发电控制 协调系统实例分析1 协调控制系统 3 概述 4 一 协调控制的基本概念从大系统理论出发 协调控制是一种解决大系统控制问题的基本策略 所谓大系统可理解为由若干相互关联子系统组成的复杂系统 应用大系统理论处理这类庞大而复杂系统控制问题的基本方法就是分解 协调的方法 所谓分解就是把大系统化为若干子系统 以便进行分块的处理与控制 求得各子系统的局部最优解 而协调则是从系统的全局出发 合理地调整各子系统之间的关系 求得各子系统之间的和谐与统一 进而得到整个大系统的最优解 5 二 单元机组协调控制系统单元机组协调控制系统把锅炉和汽轮发电机组作为一个整体进行控制 采用了递阶控制系统结构 把自动调节 逻辑控制 联锁保护等功能有机地结合在一起 构成一种具有多种控制功能 满足不同运行方式和不同工况下控制要求的综合控制系统 单元机组协调控制系统的设计充分利用了机炉对象特性方面的特点 采用了前馈 补偿 多变量解耦等控制策略 使控制系统具有合理 可靠 易于维护调整等优点 建立在现代控制理论和方法基础上的单元机组协调控制系统也处于研究和发展之中 6 单元机组协调控制系统框图 7 单元机组协调控制系统可认为是一种二级递阶控制系统 处于上位级的机炉协调级 也叫作单元机组主控系统 是整个系统的核心部分 处于局部控制级的子系统包括锅炉燃料控制系统 风量控制系统 汽轮机功率 频率调节系统 以及直流锅炉的给水控制系统 单元机组主控系统产生指挥机炉控制器动作的锅炉指令和汽机指令 局部控制级的控制器执行主控系统发出的指令 完成指定的控制任务 协调控制主控系统结构框图 8 负荷管理中心结构图 9 单元机组协调控制系统简化框图 10 三 主要特点 1 系统结构先进 采用了递阶控制结构 在局部控制级的基础上引入了机炉协调级 把锅炉 汽轮发电机组作为一个整体进行控制 控制器设计主要采用了前馈 反馈 补偿以及变结构控制等技术 并充分地利用了机炉动态特性方面的特点 克服系统内部耦合和非线性特性 获得优良的控制品质 同时 又保留了控制器结构简单 易于工程实现和参数整定 便于操作 维护等优点 并能直接接收电网自动调度系统指令 为实现电网级自动调度和协调控制奠定了基础 11 2 系统功能完善 除了在正常工况下的连续调节功能之外 系统还设计有一整套逻辑控制系统 包括实际功率给定逻辑 局部故障处理逻辑 运行方式切换逻辑 以及显示报警 监督管理等功能 系统可根据实际需要和设备状况 选择不同的运行方式 比如机跟炉 炉跟机 机炉协调方式 定压运行或滑压运行方式 固定功率输出或可调功率方式 调频或非调频方式等 适应不同运行工况对控制功能的要求 3 系统可靠性高 通过设置安全保护系统和采取一系列可靠性措施 可获得很高的系统可靠性 比如 当主机或辅机设备故障时 可自动改变控制方式 对实际功率指令的幅值和变化速率进行改变 并通过相应的联锁保护 报警显示等措施 保证机组在安全范围内运行 并维持最佳的工况 12 单元机组动态特性 13 一 单元机组的运行方式单元机组的运行方式有定压运行和滑压运行两种 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 滑压运行则是始终保持汽轮机调节汽门全开 在维持主蒸汽温度恒定的同时 通过改变主蒸汽压力改变机组的输出功率 14 1 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 15 滑压运行方式具有以下主要特点 1 汽轮机调节汽门保持近似全开将会使进汽节流损失降低 负荷越低 节流损失的降低越明显 另外 汽轮机的级效率也要比定压运行时高 例如某机组在50 负荷下 滑压运行级效率比定压运行时要高出15 左右 2 在部分负荷下 主蒸汽和再热蒸汽的压力降低 容易保持蒸汽温度不变 可获得较高的循环效率 3 部分负荷下给水泵的功耗比定压运行时减小 因为滑压运行时给水压力与机组负荷成正比 在相同的机组部分负荷条件下 给水泵出口压力比定压运行时要低得多 例如 某机组在50 负荷下 滑压运行时给水泵的功耗仅相当于定压运行时的55 16 4 调峰停机后再启动快 降低了启动损耗 因为在低负荷下汽轮机的金属温度基本不变 若在机组最低负荷下打闸停机 可以在较高的金属温度下停机热备用 如重新热态启动 将大大缩短再启动时间 使启动损耗相应地降低 例如 一台600MW机组滑压停机8小时以后再启动 从锅炉点火到带额定负荷仅需35分钟 使机组的灵活调度能力大为增强 5 负荷越低 滑压运行的经济性越显著 其主要原因是在低负荷下滑压运行的调节阀节流损失比定压运行低得多 而在额定负荷下滑压运行的经济效益则不明显 因此 大容量单元机组参加电网调峰运行时 采用滑压运行方式是极为有利的 17 2 定压运行方式定压运行方式的基本特征是机组负荷在任何稳定工况下 均保持主蒸汽压力和温度为额定值 定压运行机组的运行方式有机跟炉 炉跟机和机炉协调三种方式 需要强调的是 使汽轮机调节汽门具有一定调节余量的滑压运行方式已不是单纯的滑压运行 也可分为机跟炉 炉跟机和机炉协调方式 1 机跟炉方式外界负荷需求变化时 首先改变锅炉负荷 当主蒸汽压力产生额定值偏差时 调整汽轮机调节汽门开度 维持汽轮机机前压力恒定 这种方式简单地称为锅炉保持负荷 汽机保持压力的方式 也称为锅炉基本 汽机跟随方式 该运行方式下 机组对外界负荷响应较慢 但主蒸汽压力稳定性好 18 2 炉跟机方式外界负荷需求变化时 首先改变汽轮机调节汽门的开度 改变进汽量 使机组输出功率与外界负荷需求相适应 此时势必造成机前压力偏离额定值 锅炉依据机前压力偏差调整燃烧率和给水流量 消除主蒸汽压力偏差 达到新的能量平衡 这种方式称为汽机保持负荷 锅炉保持压力方式 也称为汽机基本 锅炉跟随方式 这种运行方式的特点是机组响应外界负荷的速度快 但机前压力的波动性大 3 机炉协调方式当外界负荷需求变化时 同时改变机炉的负荷 既考虑到机组响应外界负荷的快速性 又不致造成机前压力的过分波动 使机炉之间出现的能量不平衡程度尽可能小 时间尽可能短 这样的运行方式则称之为机炉协调运行方式 19 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 4 调频运行方式电网规模的扩大和对供电质量的更高要求 对大机组参加电网调频的要求愈来愈迫切 单元机组参加电网调频的方式分为一次调频和二次调频 一次调频是指汽轮机电液调速系统根据电网频率的变化 自动地改变一部分负荷 以减小电网频率的波动 20 一次调频特性示意图 21 从控制特性角度来看 直流锅炉与汽包锅炉的主要不同点表现在燃水比例的变化 引起锅炉内工质储量的变化 从而改变各受热面积比例 影响锅炉内工质储量的因素很多 主要有外界负荷 燃料流量和给水流量 对于不同压力等级的直流锅炉 各段受热面积比例不同 压力越高 蒸发段的吸热量比例越小 而加热段与过热段吸热量比例越大 因而 不同压力等级直流锅炉的动态特性通常存在一定差异 下图为直流锅炉动态特性曲线 二 单元机组动态特性分析 22 图 直流锅炉动态特性曲线 a 调节汽门开度扰动 b 燃料量扰动 c 给水量扰动 实线 一般直流锅炉 虚线 带分离器的苏尔寿直流锅炉 23 四 直流炉与汽包炉机组动态特性区别 直流锅炉单元机组的汽水流程如下图所示 在直流锅炉中 锅炉给水转变为蒸汽的过程是一次性完成的 锅炉的蒸发量除了受燃烧率影响外 与给水流量直接有关 当给水流量和燃烧率的比例改变时 锅炉汽水流程中各个段的界面就发生移动 比如 给水流量减小 将使蒸发段向给水侧移动 汽水流程中各点的工质焓值将有所提高 汽温会随之上升 因此 在直流锅炉单元机组中 还应当把给水流量W和主蒸汽温度或中间点温度T也做为控制量和被控量 24 如果能做到燃水比恒定 就可由燃料量B代表给水量 相应地可保持汽水流程中各点温度的稳定 这样 就可以把直流锅炉单元机组受控对象简化为与汽包锅炉机组相类似的双输入 双输出模型 25 图 汽包锅炉与直流锅炉单元机组动态响应曲线比较1 汽包锅炉响应曲线 2 直流锅炉响应曲线 26 直流锅炉机组在汽机调节门开度扰动下 主蒸汽压力的变化很快 比汽包锅炉的幅度要大 这反映出其蓄热能力比汽包锅炉小得多 燃料量扰动时 送风量 引风量以及直流锅炉的给水量相应地变化 此时 直流锅炉机组汽压和功率的变化较快 幅度要高 一方面反映出直流锅炉的热惯性较小 同时 给水流量的增加直接使锅炉的能量输入有所增加 需要指出 对于直流锅炉机组来说 保证燃料量与给水量按适当比例变化 是机组正常运行与控制的前提 27 间接能量平衡系统 IEB 28 一 炉跟机控制系统基本点 汽轮机为基础 锅炉跟随的负荷控制方式 简称炉跟机方式 机接受负荷指令 负责调节功率 具有较好的负荷响应能力 炉负责调节汽压 维持汽压的稳定 由于锅炉动态响应慢 动态过程中汽压波动大 因机炉间的相互影响 燃料扰动 如增加 时压力 功率都有变动 上升 而为保持原有功率 汽轮机调节汽门要动作 关小 更使压力有所波动 增加 29 图 炉跟机方式 特点 充分利用锅炉蓄热量 机组能比较快地适应电网负荷的要求 但汽压波动大 由于汽压允许变化范围小 限制了机组对负荷的适应性 30 二 机跟炉控制系统基本点 锅炉为基础 汽轮机跟随的负荷控制方式 简称机跟炉方式 机跟炉方式 炉接受负荷指令 负责调节功率 负荷响应能力差 不仅不能利用锅炉蓄能 负荷增加时 还要先向锅炉附加蓄能 要先提高汽包压力 因机炉间的相互影响 燃料扰动时 机组功率波动也大 如燃料增加时 功率 汽压都上升 要保持原有汽压 汽轮机调节汽门开大 会使功率更为增加 对燃煤机组来说这个缺点比较突出 单纯的汽轮机跟踪运行方式对电网干扰较大 不利于电网周波的稳定 但因汽轮机调压的动态响应比锅炉调压快 不论负荷变化或燃料扰动 汽压波动都小 有利于机组本身运行参数的稳定 31 图 单元机组机跟炉方式 特点 汽压波动小 功率变化大 负荷适应性差 未利用蓄热 适用于带基本负荷的机组 32 三 协调控制系统协调控制方式就是一种较好地解决机组的负荷适应性与运行稳定性这一对矛盾的运行方式 协调控制系统的一个重要设计思想 就在于蓄能的合理利用和补偿 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 协调控制系统的一个关键控制策略 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 33 为了提高负荷响应能力 世界上越来越多的CCS设计采用前馈控制技术 使锅炉输入能被控制得很接近于届时要求的量 而不完全依赖于反馈控制的缓慢且往往会引起不稳定的积分过程 34 特点 允许汽压有一定波动 充分利用蓄热 使机组较快适应电网负荷要求 利用负的压力偏差能适当限制汽机调节阀动作 机前压力不致产生较大的偏差 确保汽压波动在允许范围之内 锅炉调节器接受功率偏差前馈信号 能迅速改变燃料量 使机组功率较快地达到功率给定值 35 直接能量平衡系统 DEB 36 一种以汽轮机能量需求信号直接对锅炉输入能量进行控制的协调控制系统 这种协调方式的基本出发点是在任何工况下均保证锅炉能量的输入与汽轮机能量的需求相平衡 这类控制系统的主要特点为 1 机组的功率由汽机调节汽门进行控制 具有炉跟机控制方式的特点 即机组对外界负荷的响应性好 2 采用了一个代表汽机能量需求的信号 这个信号作为机炉之间的协调信号 或称为能量平衡信号 控制锅炉的输入能量 保证任何工况下机组内部能量供需的平衡 37 38 美国Max控制系统公司 原利诺公司 采用MAX 1000分散控制系统的第四代直接能量平衡 directenengybalance DEB 协调控制系统 称为DEB 400 该系统的特点为 1 机组功率由汽轮机侧调节 负荷响应快 机侧采用串级控制 副环PI以第一级压力作反馈 39 2 以能量平衡信号作为锅炉侧的负荷前馈指令 以热量信号作反馈 直接接汽轮机的能量需求来控制锅炉的能量输入 系统无需机前压力的反馈控制 取消了世界上其他公司CCS系统都必须具有的机前压力闭环校正 上两式中 为汽轮机第一级压力 为汽包压力 40 一 DEB协调控制原理1 能量平衡信号 称为能量平衡信号 energybalancesignal 其中压力比线性地代表了汽轮机的有效阀位 可精确测量实际调节阀门开度 DEH系统取为适用于任何定压或滑压运行的能量平衡信号 以该信号响应汽轮机能量需求来调节锅炉的输入指令如燃料 送风等 41 图 协调控制系统原则性功能框图 42 能量平衡信号的特点有 1 正确反映汽轮机对锅炉的能量需求 且只反映外扰 汽轮机调节汽门开度变化 而不受锅炉侧内扰 燃料扰动 的影响 2 代表汽轮机对锅炉的能量需求 协调机炉间的能量平衡 能适用于所有运行工况 定压运行或滑压运行 汽轮机控制是液压调节或是DEH控制 都能使锅炉输入匹配汽轮机的需求 3 压力比代表的是汽轮机实际调节汽门开度 而非要求的开度 43 2 热量信号汽包锅炉的DEB控制系统 不论是中间贮仓式制粉系统 或是直吹式制粉系统 其锅炉的输入能量信号都采用热量信号 heatrelease 进行测量 热量信号的特点是 1 热量信号度量了锅炉总的能量输入 计及全部燃用燃料 煤 油 总的炉内放热 2 热量信号能识别燃料热值 水分 灰分等煤质以及燃烧工况变化的影响 任何燃料输入扰动 无须待燃烧率指令受影响发生变化 系统即可予以迅速消除 3 热量信号测量锅炉的能量输入 考虑到了锅炉的蓄能 因而既适用于静态 也适用于动态 具有实时性 44 4 用作燃料控制系统的反馈 热量信号只反映锅炉的内扰 燃料变化 而不反映外扰 3 机炉间能量平衡机炉间能量平衡 以机前压力稳定为标志 DEB 400CCS系统的锅炉侧燃料调节系统 其PI调节器输入信号为 前馈 指令 能量平衡信号 反馈 热量信号 HR 燃料偏差 45 式中 为机前压力偏差 对静态工况 有 0 0 则 0 由于 为汽轮机调节汽门开度 不可能为零 则必然是 0 即 所以DEB系统的锅炉燃料调节器 具有保持机前压力等于其给定值的能力 无需另外再加压力的积分校正 从而也就消除了带压力校正的串级控制所引起的问题 系统也最简单 46 二 结论DEB协调控制系统实际上也是一种利用物理规律巧妙构思的单向解耦系统 即按输出要求 能量增量与蓄能补偿 控制输入的机炉直接能量平衡原理 静态工况 机前压力总是等于压力定值 无需机前压力的闭环校正 这样 机前压力可以看成是DEB系统内部取决于定值的一个平衡参数 汽轮机侧功率指令ULD改变或调节汽门开度扰动 对机前压力静态没有影响 与静态无关 所以对DEB系统可以视作一个单向解耦系统 汽轮机侧扰动不影响机前压力 由于单向解耦DEB协调控制实际上已经由机炉相互影响的 MW多变量控制系统转化为一个单变量MW控制系统 因而在快速响应负荷的基础上 又大大提高了系统的稳定性和调节品质 47 3 取消主压力调节器的DEB协调控制系统 美国L N公司对DEB 300系统的改进型 命名为DEB 400 48 自动发电控制 AGC 49 现代电力系统的频率和功率的调整一般是按负荷变动周期的长短和幅度的大小分别进行调整 一次调频 对于幅度较小 变动周期短的微小分量 主要是靠汽轮发电机组调速系统来自动调整完成的 即所谓一次调频 一次调频的特点是由汽轮发电机组本身的调节系统直接调节 因此响应速度最快 二次调整 由于调速器为有差调节 因此对于变化幅度较大 周期较长的变动负荷分量 需要通过改变汽轮发电机组的同步器来实现 即通过平移调速系统的调节静态特性 从而改变汽轮发电机组的出力来达到调频的目的 称为二次调整 50 手动控制 当二次调整由电厂运行人员就地设定时称就地手动控制 自动发电控制 当二次调整由由电网调度中心的能量管理系统来实现遥控自动控制时 则称为自动发电控制 AGC 自动发电控制的系统示意图如下图所示 图 自动发电控制系统示意图 51 自动发电控制系统主要由三部分组成 电网调度中心的能量管理系统 EMS 电厂端的远方终端 RTU 和分散控制系统的协调控制系统 微波通道 实现自动发电控制系统闭环自动控制必须满足下列基本要求 1 电厂机组的热工自动控制系统必须在自动方式运行 且协调控制系统必须在 协调控制 方式 2 电网调度中心的能量管理系统 微波通道 电厂端的远方终端RTU必须都在正常工作状态 并能从电网调度中心的能量管理系统的终端CRT上直接改变机炉协调控制系统中的调度负荷指令 52 机炉协调控制系统能直接接收到从能量管理系统下发的要求执行自动发电控制的 请求 和 解除 信号 调度负荷指令 的模拟量信号 标准接口为4 20mA 能量管理系统能接收到机组协调控制系统的反馈信号 协调控制方式信号和AGC已投入信号 3 能量管理系统下达的 调度负荷指令 信号与电厂机组实际出力的绝对偏差必须控制在允许范围以内 4 机组在协调控制方式下运行 负荷由运行人员设定称就地控制 接受调度负荷指令 直接由电网调度中心控制称远方控制 就地控制和远方控制之间相互切换是双向无扰的 在就地控制时 调度负荷指令自动跟踪机组实发功率 在远方控制时 协调控制系统的手动负荷设定器的输出负荷指令自动跟踪调度负荷指令 53 单元机组协调系统实例分析1 54 主控系统由负荷指令处理回路和机 炉主控制器两部分组成 一 负荷指令处理回路1 CCS与ADS接口可接受电网负荷自动调度系统 AutomaticDispatchSystem ADS 给出的机组负荷指令 单元机组置于远方控制方式 55 CCS与ADS接口回路原理图 56 2 机组实际负荷指令的形成负荷指令处理回路的主要功能之一是对来自中调的负荷指令或机组值班员手动给定的负荷指令及电网频差信号进行处理 产生机组的实际负荷指令 实际负荷指令形成回路的组成原理框图 57 l 负荷主站 UM 负荷主站是协调控制系统中位于最高一级的人 机接口 它有三种工况 即机组目标负荷 自动设定 机组值班员手动设定和跟踪 自动工况下 负荷主站输出信号跟随中调负荷指令ADS变化 工况为单元机组负荷远方控制方式 当运行人员将UM切至手动 或切负荷主站于手动逻辑为1时 负荷主站工作到手动工况 目标负荷由机组值班员手动设定 单元机组负荷为就地控制方式 当负荷主站跟踪驱动逻辑为1时 UM切至跟踪状态 输出目标负荷跟随机组实发电功率 58 2 频差校正并网运行的火力发电机机组在电网频率变化时 其自身的电液调速系统会使机组自动改变一部分负荷 以减小电网频率的波动 这是机组的一次调频能力 汽轮机n NT特性 59 3 实际负荷指令限制实际负荷指令的变化速率是由常数A设定并作用于速率限制模块 即目标负荷的变动速率小于等于时 随变化而变化 当时 按设定的速度变化 当负荷主站处于跟踪状态时 图中非门2输出为0 解除速率限制 由常数块设定的负荷指令上限Nmax 下限Nmin分别通过切换开关T1 T2加至小选2和大选输入端 这样使实际负荷指令只能在Nmin Nmax间变化 对实际负荷指令的幅值及变化速度加了限制 目的是保证机组的安全运行 60 4 负荷指令的闭锁增 闭锁减 BI BD 机组在实际运行过程中 一些不明原因可能造成执行机构工作到极限状态 为防止事故的发生 必须对负荷指令进行方向闭锁 5 负荷指令的迫降 迫升 RD RU 如果在系统发生闭锁增或闭锁减的过程中 同时出现某些重要参数偏差大并超过设定的限值 为保证机组的安全运行 还必须将机组的负荷迫降或迫升到与其自身允许出力相适应的水平上运行 61 6 负荷指令保持 Hold 正常情况下 机组值班员随时按 保持 Hold 键 动作时刻的实际负荷指令值同时成为的上限限值和下限限值 因此实际负荷指令被闭锁在当前值 62 63 二 机 炉主控制器机 炉主控制器是单元机组协调控制系统的核心 它决定单元机组负荷控制的策略 控制器的给定输入是负荷处理回路输出信号 经运算处理后输出汽机负荷指令和锅炉负荷指令 汽机子控制回路和锅炉子控制回路在汽机指令和锅炉指令的作用下分工协调动作 共同响应外界对机组的负荷需求 同时维持机前压力在设定值 64 汽机主控 锅炉主控 65 1 主控制器组成及运行方式控制器输入信号