第10章 单元机组主控制系统

.,第十章单元机组主控制系统TheUnitMasterControlSystem,第一节概述(Overview)第二节调节对象的动态特性TheDynamicCharacteristicsoftheUnitLoadObject第三节负荷控制方式TheModesofUnitLoadControl第四节前馈控制的应用TheApplicationofFeedforwardControl,.,第五节滑压运行机组的协调控制方案TheSlidingPressureControlofUnitLoad第六节负荷指令处理ProcessingtheLoadInstruction第七节单元机组主控系统实例TheExamplesofTheMasterControlSystem,.,第十章单元机组主控制系统TheUnitMasterControlSystem,.,第一节概述Overview,一、单元机组主控制系统的概念,保证机组出力适应电网的负荷变化要求、维持机组稳定运行。具体地说就是对外保证单元机组有较快的功率响应和有一定的调频能力，对内保证主蒸汽压力偏差在允许范围内。,主控制系统（TheUnitMasterControlSystem）作用:,接受外部负荷要求指令，并发出使机炉调节系统协调动作的指挥信号，称其也称负荷自动控制系统(theunitloadcontrolsystem)。,大型机组负荷控制的首要任务:,主控系统向机炉调节系统发出的指挥信号分别称为汽轮机主控制指令MT和锅炉主控制指令MB。,.,机、炉主控制指令MT、MB分别代表了汽轮机调门开度（或汽轮机功率）指令和锅炉燃烧率（及相应的给水流量）指令。,二、主控系统与机、炉调节系统的关系,主控制系统相当于机炉调节系统的指挥机构，起上位控制作用；,机炉调节系统对于主控制系统相当于伺服机构，起下位控制的作用，是主控制系统的基础，两者构成分层控制的结构。,协调控制系统:,主控制系统和锅炉、汽轮机各自的调节系统的总称。,协调控制系统的基本结构如图10-1所示。,.,图10-1协调控制系统基本结构,NO实际负荷指令（即功率给定值）；MB、MT分别为主控制系统对锅炉、汽机各调节系统的主控制（负荷）指令；PO主蒸汽压力给定值；NE、PT分别为机组实发电功率和主蒸汽压力,单元机组主控系统由两大部分组成：,（1)负荷指令处理部分;(2)机炉主控制器。,.,第二节调节对象的动态特性TheDynamicCharacteristicsoftheUnitLoadObject,.,输出量（被调量）：单元机组的输出电功率NE和汽轮机前主蒸汽压力PT，如图10-2所示。,输入量：锅炉主控制指令MB和汽轮机主控制指令MT；,主控系统的调节对象包括机、炉调节系统和元机组，是一广义调节对象。,.,为了便于讨论问题，先分析单元机组的动态特性。,一、单元机组的动态特性,1.锅炉燃烧率（及相应的给水流量）B扰动下主蒸汽压力PT和输出电功率NE的动态特性,B扰动下的NE和PT的动态特性都可用高阶惯性环节的传递函数来描述。,2.汽轮机调门开度T扰动下主蒸汽压力PT和输出电功率NE的动态特性,T扰动下的PT动态特性可用比例加一阶惯性环节的传递函数来描述,NE的动态特性可用具有一定惯性的实际微分环节的传递函数来描述。,由以上分析可见，单元机组的动态特性有如下特点：,当汽轮机调门动作时，两个被控输出量NE和PT的响应均很快；,当锅炉燃烧率改变时，NE和PT的响应都很慢。这就是机、炉对象动态特性方面存在的较大差异。,.,二、主控制系统调节对象的动态特性,主控制系统调节对象包括机、炉调节系统和单元机组，是一广义调节对象，其控制输入量为锅炉主控制指令MB和汽轮机主控制指令MT。,主控制系统调节对象包括机、炉调节系统和单元机组，是一广义调节对象，其控制输入量为锅炉主控制指令MB和汽轮机主控制指令MT。,对于锅炉侧，由于各调节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，能及时跟随主控制指令MB,接近理想随动系统特性，,汽轮机侧，如果汽轮机采用纯液压调速系统,则主控制指令MT就是调门开度指令T，即。这样，广义调节对象的动态特性不会改变。,如果汽轮机采用功频电液控制系统，则主控制指令MT就是汽轮机功率指令。,.,MB扰动下，PT的动态特性近似为具有惯性的积分环节的特性，NE近似不变；MT扰动下，PT的动态特性近似为比例加积分环节的特性，NE的动态特性近似为惯性环节或比例加惯性环节的特性。,.,第三节负荷控制方式TheModesofUnitLoadControl,根据机组运行的条件及要求，选择合适的负荷控制方式，接受负荷指令处理部分发出的实际负荷指令N0，以及机组的实发电功率NE、和主蒸汽压力PT及其给定值P0信号，通过一定的运算回路，计算出锅炉和汽机的主控制指令MB和MT，以实现相应的负荷控制方式，从而完成负荷控制任务。请参阅图10-1。,机炉主控制器的主要作用：,.,机炉主控制器由两部分组成。,（1）锅炉主控制器：计算锅炉主控制指令MB的运算回路。,（2）汽轮机主控制器：计算汽轮机主控制指令MT的运算回路。,一、负荷控制方式,负荷控制方式可分为两类：机炉分别控制方式和机炉协调控制方式,1机炉分别控制方式,（1）锅炉跟随（boilerfollow，简写为BF）方式,锅炉跟随方式的基本工作原理是：由汽轮机调节机组的输出电功率、锅炉调节汽压。图10-6为锅炉跟随方式示意图,根据图10-6可画出其方框图10-7。,.,图10-7锅炉跟随方式方框图,锅炉跟随方式的特点:当N0改变时，由于利用了锅炉的蓄热能力，具有较好的负荷适应性，对机组调峰调频有利，但汽压波动较大；当有内扰（燃烧率扰动）时，汽压波动较大。,对于大型单元机组，锅炉的蓄热能力相对减小，当负荷要求指令N0变化幅度较小时，在汽压允许的变化范围内，充分利用锅炉的蓄热以迅速适应负荷的变化是有可能的，。在负荷要求指令N0变化幅度较大时，汽压波动就太大，会影响锅炉的正常运行。,.,当单元机组中锅炉设备运行正常，机组的输出电功率因汽轮机部分设备工作异常而受到限制时，可采用锅炉跟随方式。,（2）汽轮机跟随（turbinefollow,简写为TF）方式,汽轮机跟随方式的基本工作原理是：由锅炉调节机组的输出电功率、汽轮机调节汽压。,图10-9汽轮机跟随方式方框图,.,当负荷指令N0改变时，锅炉主控制器先发出改变锅炉的燃烧率（及相应的给水流量）的指令MB。待机前压PT改变后，汽轮机主控制器发出改变调门开度的指令MT，从而改变进入汽轮机的蒸汽流入量，使机组输出电功率NE改变，并与负荷指令N0趋于一致。最后稳态时，NE=N0，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。,汽机跟随方式的特点：汽压波动小。但由于没有利用锅炉的蓄热能力，有较大的迟延，因此适应负荷变化能力差，不利于带变动负荷和参加电网调频。,适用于:带基本负荷的单元机组或当机组刚投入运行时，采用这种控制方式保持机组有较稳定的汽压，为机组稳定运行创造条件。,.,当单元机组中汽轮机设备运行正常，机组的输出电功率因锅炉部分设备工作异常而受到限制时，可采用汽轮机跟随方式。,2机炉协调控制方式(Coordinatedcontrolmode),协调控制方式的控制策略是：,允许汽压有一定波动，以便能充分利用锅炉的蓄热量，使机组能较快地适应电网的负荷要求。但是，这里利用锅炉蓄热量是有限度的，必须保证机前压力与给定值的偏差不超过允许值。所以协调控制方式既能使机组较快适应电网的负荷要求，又能确保汽压的波动在允许的范围之内。,常见的机炉协调控制方式有三种方案：,（1）以锅炉跟随为基础的协调控制方式(BFCC),.,（a）,(b),图10-10(a)以锅炉跟随为基础的协调控制方式；(b)死区(deadzone)非线性环节特性,.,在动态过程中，当汽压偏差在死区非线性环节的不灵敏区范围内时，即时，对MT无影响，当时，将经非线性环节限制MT，从而限制汽轮机调门开度进一步变化，达到限制汽压偏差的目的。,不灵敏区的大小值粗略反映了机组运行时主汽压力偏差的允许变化范围。,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,（2）以汽轮机跟随为基础的协调控制方式(TFCC),控制方式图见下页,.,图10-12(a)以汽轮机跟随为基础的协调控制方式(b)限幅(saturation)非线性环节特性,（a）,.,当功率偏差信号送入锅炉调节器PIB的同时，也通过非线性环节送入汽轮机调节器PIT。在动态过程中，信号可看作是主汽压力给定值的一部分。,0（要求增加机组输出功率）时，主汽压力给定值降低。汽机主调节器PIT发出开大调节汽门的指令，增加机组输出功率；,当,当,当动态过程结束时，机组的实发功率与功率给定值相等,即,0（要求减少机组输出功率）时，主汽压力给定值暂时升高。汽机主调节器PIT则发出关小调节汽门的指令，减少机组输出功率。,为零，这时，机前压力仍恢复到给定值。,限幅非线性环节的限幅值,即为主汽压力PT允许变化的范围，这是因为：,在负荷指令,改变时，暂时利用了蓄热能力，所以功率响应加快；但是汽压偏差也因此加大，实质上是以加大汽压动态偏差作为代价来换取功率响应速度的提高。,（3）综合型协调控制方式,综合协调控制方式实现“双向”协调，即机、炉主控制指令信号MB、MT都是同时受N和P信号的协调控制。,.,图10-14为综合型协调控制方式的原则性方框图。,图10-14综合型协调控制方式原则性方框图,.,当负荷指令N0改变时，机、炉调节器PIT和PIB同时对汽轮机侧和锅炉侧发出负荷控制指令，并行地改变锅炉的燃烧率（及相应的给水流量）和汽轮机调门开度。同时为了使主汽压的变化幅度不致太大，还根据汽压PT偏离给定值P0的情况适当地限制汽轮机调门开度的变化，并适当地加强锅炉燃烧率的控制作用。当调节结束后，机炉主控制器共同保证输出电功率NE与负荷指令N0一致，汽压PT恢复为给定值P0。,综合型协调控制方式通过“双向”的机炉协调操作，具有较好的负荷适应性能和汽压控制性能，是一种较为合理和完善的协调控制方式。,.,.,2.将前馈信号作为机、炉主控制指令的基本组成部分，以保证机组的输入能量与能量需求基本一致，在变负荷控制过程中起“粗调”作用。,锅炉侧的前馈控制信号来源有两种：,1.负荷指令N0信号。,2.蒸汽流量信号。,一、前馈控制信号为负荷指令N0,例某350MW单元机组协调控制方案如图10-17（a）所示。此方案可用方框图10-17（b）来表示。,分析：1.由图(b)可见，该方案是在以锅炉跟随为基础的协调控制方案上，加以前馈控制回路而成。,1.补偿被控对象（主要是锅炉侧）动态特性的迟延和惯性，加快负荷响应。,采用前馈控制的目的：,.,图10-17某350MW单元机组协调控制方案(a)协调控制方案；（b）方框图,.,2.锅炉侧，对锅炉主控制指令MB加入了机组负荷指令N0的比例微分（PD）前馈信号，其中，比例（P）作用保证燃烧率（及相应的给水流量）与负荷要求始终一致；微分作用（D）补偿锅炉的动态迟延和惯性。,3.汽轮机侧，对汽轮机主控制指令MT加入了机组负荷指令N0的比例（P）前馈信号，N0经比例（P）环节直接作为汽轮机主控制指令MT的组成部分，以保证MT的基本部分与N0始终一致。,例10-2某320MW单元机组协调控制方案如图10-18（a）所示。经适当简化，此方案可用图10-18（b）传递方框图来表示。,方框图见下页,.,图10-18某320MW单元机组协调控制方案,.,分析：,1.锅炉主控制指令MB的形成,锅炉侧，负荷指令N0经比例微分（PD）控制器作用到锅炉主控指令端，形成对锅炉侧的前馈控制作用。,因为：,或,可见，汽压偏差,与功率偏差,仅相差一个比例常数,K，所以取,或,作为控制器输入信号时，效果近似相同。锅炉侧对功率偏差实行积分（I）控制；对汽压偏差实行（P）控制，两者合在一起，实质上构成了对功率偏差的比例积分控制。分开的目的是为了缩短功率控制过程的时间，因为在功率控制过程中，汽压的变化比功率的变化要早一些。,.,2.汽机主控指令MT的形成,汽轮机侧PI调节器的任务是维持机前压力PT等于给定值P0，但在负荷变化过程中，要利用功率偏差,信号修正汽压给定值，以便利用锅炉的蓄热量。压力给定值的修正作用是经由双向限幅器送到汽机调节器入口的加法器上。,3.在稳态时，汽轮机侧调节器（PI）保证PT=P0；锅炉侧调节器（I）保证NE=N0，这正是汽轮机跟随方式的特点。,二.前馈控制信号为蒸汽流量信号,能量平衡信号：汽轮机对锅炉的能量要求信号。,直接能量平衡(DirectEnergyBalance简称DEB)协调控制方式：用能量平衡信号作为锅炉主控制器前馈信号的控制方式。,为了克服正反馈作用，即应以蒸汽流量的需求（称为目标蒸汽流量）而不是实际蒸汽流量作为对锅炉的前馈控制信号。为此，必须进行修正，以形成目标蒸汽流量信号。,.,对调节级压力P1信号修正方法：压力比修正和压力差修正。,1.具有压力比修正的能量平衡信号,能量平衡信号：,能量平衡信号准确地代表了汽轮机的能量要求。调节级汽压P1与主汽压PT之比精确地表示汽轮机调门的有效通流面积或开度，即。,.,例10-3图10-20为采用为直接能量平衡信号的协调控制方案。,图10-20采用直接能量平衡信号的协调控制方案,.,分析：,（1）功率偏差送入汽轮机主控制器，机前压力给定值P0送入锅炉主控制器。属于以锅炉跟随为基础的协调控制方式。,(2)锅炉侧，锅炉主控指令MB信号为,式中K-比例系数,锅炉主控指令MB的前馈信号是能量平衡信号，式中微分项在动态过程中加强锅炉主控指令，以补偿机炉之间对负荷要求响应速度的差异。由于要求动态补偿的能量不仅与负荷变化量成正比，而且还与负荷水平成正比，所以微分项要乘以值。,汽压偏差积分项保证了稳态时能消除压力偏差。,.,(3)汽机侧，汽机调节器（PI）的输入信号为,式中，KP、Kn-比例系数。,汽轮机主控制器中，与负荷指令N0对应的反馈信号不是实发功率，而是汽轮机第一级后压力P1。由于P1对汽轮机调节汽门开度的响应比实发功率更灵敏，故汽机调节汽门能迅速而平稳地响应负荷指令N0的变化。,负荷指令N0的微分项是为了在动态过程中，汽轮机调节汽门产生过开（或过关），以加速功率响应。积分项用于消除稳态功率偏差。,需要说明的是：能量平衡信号与负荷指令信号性质不同，前者反映了汽轮机对锅炉的能量要求，后者反映的是电网对机组的负荷要求。因此采用能量平衡信号，就为锅炉主控制器和汽轮机主控制器在动态过程协调工作提供了一个直接的能量平衡信号。,.,2.具有压力差修正的能量平衡信号,.,第五节滑压运行机组的协调控制方案TheSlidingPressureControlofUnitLoad,.,在主控制系统结构上,第一,滑压与定压运行的区别仅在于汽压的给定值不同。后者为定值，而前者为负荷的函数。,第二，滑压运行要求稳态时汽轮机调门保持一定开度。,滑压运行时，除了应增设汽压给定值形成回路和调门开度调节回路，以实现给定的滑压运行曲线以外，定压运行机组负荷协调控制方案的其余部分对滑压运行机组都适用。,例10-5图10-24为一台300MW单元机组滑压运行时的负荷协调控制方案，其滑压曲线与图10-23相同。额定汽压pn=18.3MPa,在26%91%额定负荷范围内作滑压运行。,.,图10-24某300MW单元机组滑压运行时的负荷协调控制方案T0汽轮机调门开度T的给定值,.,分析：,（1）该方案为典型的以锅炉跟随为基础的协调控制方案。,(2)首先分析主汽压力给定值P0的形成。请见图10-24虚线框中的回路，PS由PS1和PS2迭加而成。N0经比例与惯性环节串联回路形成PS！。比例系数k为滑压阶段P-N特性曲线的斜率。,(3)汽轮机调门开度调节器（PI1）保证滑压阶段调门开度在稳态时等于给定值，即T=T0。因为T0=91%，所以在滑压阶段当需要改变负荷时，调门在开关两个方向都有余地，负荷变化的动态过程中，汽轮机调门开度会暂时改变，利用蓄热能力使机组负荷迅速响应。,稳态时，汽轮机调门保持在91%开度，减小了蒸汽的节流损失，解决了机组效率与负荷响应速度之间的矛盾。,(4)负荷指令N0经PD作用，对锅炉形成前馈控制，以使燃烧率（及相应的给水流量）与负荷指令一致，及补偿锅炉的动态迟延和惯性。N0还直接作用到汽轮机主控指令端，构成比例前馈控制。,.,第六节负荷指令处理ProcessingtheLoadInstruction,.,负荷指令处理部分(或负荷指令处理装置)的主要作用是：对外部负荷要求指令（目标负荷指令）进行选择并加以处理，使之转变为实际负荷指令N0，作为适合于机、炉运行状态的功率给定值信号。,一、正常工况下的负荷指令处理,在机组的设备及主参数都正常的情况下，机组的外部负荷要求指令来自三方面：,（1）电网中心调度遥控的负荷分配指令（ADS指令，即AutomaticDispatchSystem）；,（2）机组就地设定的负荷指令；,（3）电网调频所需负荷指令。,.,正常工况下的负荷指令一般受到以下限制：,1、负荷指令变化速率限制,2、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，影响机组的实际负荷，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它处，甚至引起单元机组停机事故。,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，只能通过测量有关运行参数的偏差间接确定。,.,针对以上两类故障，对机组实际负荷指令的处理方法有四种：,处理第一类故障的方法:,负荷返回（RUNBACKRB）（或称甩负荷）；,快速负荷切断（FASTCUTBACKFCB）；,负荷闭锁增/减（BLOCKINCREASE/DECREASE-BI/BD）和负荷迫升/迫降（RUNUP/DOWN）。,处理第二类故障的,负荷闭锁增/减（BLOCKI/D）和负荷迫升/迫降（RUNUP/DOWN-RU/RD）。,1.负荷返回（RUNBACK）,负荷返回，也常称为甩负荷或减负荷。它是指在机组运行时，如果某个影响机组出力的辅机跳闸，则主控系统迅速减小负荷指令，使负荷指令与机组此工况下最大可能出力相一致。,.,同理，若汽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.负荷快速切断（FCB）,负荷快速切断是指当主机（汽轮发电机）发生跳闸时，快速切断负荷指令，维持机组继续运行。,3.负荷闭锁增/减（BLOCKI/D）,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，第一，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。,第二，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，就认为设备工作异常，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。,负荷闭锁分增闭锁（BLOCKINCREASE，即实际负荷指令上升方向被闭锁）和减闭锁（BLOCKDECREASE，即实际负荷指令下降方向被闭锁）。,.,第七节单元机组主控系统实例TheExamplesofTheMasterControlSystem,.,某350MW单元式机组的主控系统方案，经过简化，如图10-27所示。,.,T1T8切换器；f(t)超前环节；f(x)死区非线性环节；M/A手动/自动器,一、负荷指令处理部分,（1）机组可能出力限制。锅炉、汽轮发电机组运行正常时，机组最大可能出力由投入运行的主要辅机台数确定，由负荷返回（RUNBACK）回路计算。（2）机组运行人员设定的最大、最小负荷限制。这是运行人员视机组运行情况而确定的（3）负荷指令变化速率限制。,1.正常工况下的机组负荷指令,图10-27350MW单元机组的主控系统方案,.,这一限制是为了避免负荷指令变化太快。在不同情况下，速率限制值不同。通常，这个限制值是取汽机应力计算得到的限制值和人为设定的限制值中的较小者。当出现RUNUP或RUNDOWN时，则分别采用不同的速率限制值。,2异常工况下的实际负荷指令,当机组发生局部故障时，应对机组实际负荷指令进行必要的处理。本主控系统，只设计了RUNUP/DOWN和RUNBACK两种处理方式。当进入RUNDOWN/RUNUP的条件出现时，相应的逻辑控制线路控制T3、T4的切换，T4的切换确定是RUNDOWN或RUNUP；T3切换到b，机组此时的实际负荷指令由RUNDOWN/RUNUP回路发出。而机组运行人员就地设定的负荷指令以及ADS指令被断开，不能被送往下一环节。运行人员可利用这个机会处理有关故障，直到RUNDOWN/RUNUP的条件消除。,.,当出现RUNBACK时，主控系统的控制方式，若原先为协调方式，则自动切换为汽机跟随方式。,二、机、炉主控制器,主控制系统有四种控制方式，即协调方式、汽机跟随、锅炉跟随和手动方式。它们之间可根据机组运行状况手动选择或自动切换，在不同的控制方式下，机、炉主控制指令的形成原理是不同的，分别说明如下：,1.协调控制方式（COORDINATION，简记COORD）。,在该方式下，汽机、锅炉主控制器都处于自动方式。在协调方式下，机组可以进行滑压运行或定压运行。如图10-27所示，由切换器T5进行切换。,.,当有影响锅炉出力的辅机故障时，可将系统切成TF方式运行，这种切换可能是自动进行的。,2.锅炉跟随方式（BoilerFollowing，简记BF）,当汽机部分出现某种异常时，就不能再以COORD方式运行，此时可改为BF方式（或手动）运行。,在BF方式时，汽机主控制器一定处于手动状态，汽机增、减负荷以及增减多少，应由运行人员根据汽机的状况决定。而锅炉主控制