热工控制系统课堂ppt_第十二章单元机组协调控制系统.ppt

第十二章单元机组协调控制系统,第一节协调控制系统的基本概念,第二节协调控制系统的基本方案分析,第三节单元机组协调控制系统实例分析,第四节协调控制系统的整定,第一节协调控制系统的基本概念,一、基本概念,单元机组在处理满足负荷要求并同时维持机组主要运行参数稳定这两个问题时，是将机炉作为一个整体来看待的。然而汽机、锅炉实际上又是相对独立的，它们通过各自的调节手段，如汽轮机调节阀开度、锅炉燃烧率，满足电网负荷的要求并保持机组主要参数（主蒸汽压力）的稳定，但它们能力不尽相同，差异较大。,当前随着大型发电机组的日益增多，大容量机组的汽机和锅炉都是组成单元制热力系统。,若在单元机组控制系统设计中，充分考虑它们差异，以及各自特点，采取某些措施（如引入某些前馈信号、协调信号），让机炉同时按照电网负荷要求变化，接收外部负荷指令，根据主要运行参数偏差，协调地进行控制，从而在满足电网负荷要求同时保持主要运行参数稳定，这样控制系统称为协调控制系统。,机炉主控制回路除接受负荷指令信号外，还接受主蒸汽压力信号根据这两个信号的偏差，改变汽机调节阀的开度和锅炉的燃烧率。,协调控制系统是由负荷指令处理回路和机炉主控制回路这两部分组成。,负荷指令处理回路接受中央调度所指令、值班员指令和频率偏差信号，通过选择和运算，再根据机组的主辅机实际的运行情况，发出负荷指令。,二、协调控制系统的分类,目前，各种不同单元机组协调控制系统的设计，都是从处理快速负荷响应和主要参数运行稳定这一矛盾出发的，一般协调控制系统可按反馈或前馈回路的不同进行分类。,（一）按反馈回路分类,按反馈回路分类可以将协调控制系统分为以汽机跟随（锅炉基本）为基础的协调控制系统和以锅炉跟随（汽机基本）为基础的协调控制系统。,1、以汽机跟随（锅炉基本）为基础的协调控制系统：,如上图所示，汽机跟随（锅炉基本）控制系统构成包括汽轮机侧的主蒸汽压力控制系统和锅炉侧机组功率控制系统。,锅炉调节器WT2(S)接受功率给定和功率反馈信号，当机组负荷发生变化时，首先通过锅炉调节器WT2(S)控制燃料量（此时给水和送粉也应相应调整）。,待机前压力pT改变后，再按机前压力与给定值的偏差，通过汽机调节器WT1(S)改变汽轮机调节阀的开度，从而改变机组功率。,如图12-2所示，功率偏差信号（P0PE）可以看作是暂时改变的汽机调节器的给定值，当（P0PE）0时，汽机调节器发出开大调节阀的指令，增加输出功率，反之亦然，当F(x)0时，前馈作用不存在。,显然，由于锅炉侧调节有较大的惯性，且汽轮机侧保持主汽压力稳定时没有利用机组蓄能，所以在负荷需求变化时机组响应较慢，但采用汽机的调节阀来控制主汽压力，使汽压波动较小。,汽机跟随（锅炉基本）为基础的协调控制系统，可以在汽机调节器前，加入功率偏差的前馈信号。,原理：利用锅炉蓄能，同时允许汽压在一定范围内波动。,2、以锅炉跟随（汽机基本）为基础的协调控制系统：,如上图,基本构成:两个反馈调节系统，即汽机侧的机组功率控制系统和锅炉侧的主汽压力控制系统。,基本工作原理:汽机调节器WT1(S)接受功率给定值与实发功率反馈信号，根据它们之间的偏差，调节汽机调节阀开度，从而改变进汽量使发电机输出功率迅速满足负荷要求。锅炉调节器WT2(S)接受机前压力定值与机前压力反馈信号，根据它们之间的偏差，调整燃料量从而保证主汽压力的稳定。,由于机组功率对汽机侧调节作用的响应迅速，当负荷要求变化时，本系统通过改变汽机调节阀开度，充分利用机组蓄能，就可以得到机组功率的快速响应。,但以牺牲主汽压力稳定为代价，又因为在锅炉侧调节作用下，主汽压力的响应有较大惯性。,所以，在锅炉跟随系统中，快速的功率响应和较大的主汽压力偏差是同时存在的，这就是锅炉跟随系统的特点。,为了减小主汽压力的波动，以锅炉跟随（汽机基本）为基础的协调控制系统可以采用机前压力的定值与机前压力的反馈值之间的偏差信号，通过函数模块F(X)，作用在汽机调节器的输出端。当汽压偏差超过非线性模块不灵敏区时，汽机调节器发出调节阀开度指令将受到限制。,（二）、按前馈回路分类,单元机组负荷控制系统的任务之一是保证汽机锅炉之间能量供求关系的平衡，为了改善控制系统的性能，增设了前馈回路，使能量的失衡限制在较小的范围之内，下面介绍两种基本的前馈回路方案。,1、按指令信号间接平衡的协调控制系统：,图12-4是指令信号间接平衡协调控制系统的原理图，系统的特点是用指令间接平衡机炉之间的能量关系，属于以汽机跟随为基础的协调控制系统。,返回26,汽机调节器PI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（P0PE）信号修正汽压给定值，以便利用锅炉蓄热量。,由图12-4可见，汽机调节器入口输入信号的平衡关系为：,（1+S）P0PEKP（pTp0）0,S微分算子KP加法器中比例系数,稳态时为：,式中：,由此可见，汽机功率控制回路实际上是一个汽压控制系统，功率的偏差信号是汽机调节回路的前馈信号，它用来修正压力给定值。当功率给定值P0增加时，实际压力给定值低于给定值p0，调节器将发出开大调节阀指令，增大实发功率。,锅炉燃烧率指令送往锅炉各子系统（燃料和送风系统）。由图12-4可见，燃烧率指令PM为：,式中：KP1、KP比例系数S微分算子,功率定值P0比例微分是前馈信号，微分在动态过程中加强燃烧率指令，以补偿机炉之间对负荷响应速度差异，稳态时汽压偏差（p0pT）信号为零，它在动态过程中有适当修正燃烧率指令作用。,2、能量直接平衡协调控制系统：,系统属于以锅炉跟随为基础的协调控制系统。,主要特点:能量平衡信号p1/pT取代功率给定信号P0，作为控制回路前馈信号。,功率偏差积分项用来校正燃烧率指令，以保证机组功率偏差和汽压偏差在稳态时都为零，其校正过程是通过锅炉和汽机两个回路完成的。,所以,无论在动态还是静态，p1/pT都能反映调节阀开度,即汽机输入能量。,由图12-5可见，汽机调节器输入信号的平衡关系为：,可见，汽机控制回路功率给定值P0反馈信号是p1，因p1对汽机调节阀开度响应比实发功率灵敏得多。故汽机调节阀能迅速而平稳地响应功率给定值的变化。,p1为汽机第一级后压力，两者比值p1/pT与汽机调节阀开度成正比，无论什么原因引起的调节阀开度变化，p1/pT都能对调节阀开度的微小的变化作出灵敏的反应。,锅炉燃烧指令PM为：,燃烧率指令前馈信号是能量平衡信号p1/pT，式中微分项在动态过程中加强燃烧指令，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率成正比，而且与负荷水平成正比，所以微分项要求乘以p1/pT值，汽压偏差积分项保证了稳态时能消除压力偏差。,能量平衡信号与功率给定信号性质不同。后者仅表示电网对机组负荷要求，前者反映了汽机对锅炉的能量要求，这就为机炉之间动态过程中协调控制两个控制回路的工作提供了一个比较直接的能量平衡信号。与指令信号间接平衡的协调系统相比，锅炉控制回路的前馈信号无论是动态还是静态的精度都比较高，整定也比较方便。,以锅炉跟随为基础的能量直接平衡协调控制系统，在快速适应负荷要求，以及克服系统内部扰动方面，有较大优势，是协调控制方案中较好的一种。,三、协调控制系统的作用,协调控制系统组成:负荷指令处理回路+机炉主控制回路,、负荷指令处理回路,（1）接受的外部指令:,各自作用：,电网调度所负荷分配指令;,电网频率自动调整指令;,机组运行人员改变负荷的指令;,根据机组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。,、机炉主控制回路的作用,（）根据机组输出功率与负荷要求之间的偏差，决定不同的运行方式。,（）接受经过处理负荷指令P0，对锅炉、汽机调节系统发出协调指挥信号锅炉指令PB和汽机指令PV。,(5)根据机组辅机运行状态，选择不同的运行工况。,(4)甩负荷保护;,(3)限制机组最高和最低负荷;,(2)限制负荷指令的变化率和起始变化幅度;,四、协调控制系统的运行方式,协调控制系统的设计不同，所供选择的工作方式也有所区别。但是，一般协调控制系统都具有下列五种工作方式：,（）方式I机炉协调控制方式,适用:机组运行情况良好,带变动负荷。机炉参加电网调频，调度所可以直接改变机组负荷，机组运行人员也可以改变机组输出功率，机炉自动调节系统都投入运行。,（）方式II汽机跟随锅炉而汽机输出功率可调方式,锅炉、汽机自动，机组不参加电网调频，调度所也不直接改变机组负荷。只有机组运行人员可以改变机组给定功率，机组输出功率能自动保持=给定功率。,（）方式III汽机跟随锅炉而机组输出功率不可调节方式,（）方式IV锅炉跟随汽机输出功率不可调节方式,锅炉工作正常，汽机部分设备工作异常，不接受外部负荷指令，锅炉燃烧率处于自动状态，维持机前压力。汽机主控制器处于手动状态。,（）方式V手动控制方式,锅炉和汽机都处于“手动”，单元机组的运行由运行人员手动操作，主控制系统中的负荷要求指令P0跟踪机组的实际出力，为投入自动作好准备。,汽机运行正常，锅炉部分设备有故障，机组维持它本身实际输出功率，不接受任何外部负荷要求指令。自动调节的主要目的是维持锅炉继续运行，以便排除锅炉的部分故障。此时只是汽机调节阀处于自动控制，锅炉燃烧率处于手动控制。,第二节协调控制系统的基本方案分析,根据单元机组的动态特性及其负荷控制系统的任务，已经设计出了多种不同类型的协调控制系统。目前协调控制系统的性能日趋完善，高性能的协调控制系统有以下主要特点：,（）为了迅速满足电网调频的要求，尽可能提高机组的负荷适应性，采用前馈回路，充分利用锅炉蓄热量。,（）负荷控制范围不断扩大，不仅在正常运行时能实现自动控制，而且在机组异常时能自动处理事故和系统切换。,（）不仅要求反馈回路能协调工作,而且要求提高前馈回路动、静态补偿精度，更好地适应电网负荷要求。,（）按平衡关系调节,在单元机组中，相互平衡的量比较多，例如送风量与引风量是一对相互平衡的量，给水量与产生的总的蒸汽量是一对相互平衡的量。这种调节的缺点是平衡关系绝对准确很困难，而且有些量很难测量。,能量平衡观点:输入能量与输出能量之间比例关系应能调节保持，变动工况下，由于机组蓄能变化，比例关系也会有变化，它们之间总关系为：能量输入=能量输出+能量储蓄。设计系统时可以把关系密切的两个相互平衡的量作为调节器的输入信号，也可以把这两者是否平衡的指标作为被调参数。,一、热工控制系统设计的基本方法,（）按平衡指标调节,缺点:指标测定有迟延和惯性，使控制系统的性能指标受到一定影响。,蒸汽压力:汽机负荷与锅炉负荷是否平衡的指标；,炉膛负压:送风量与引风量是否平衡的指标；,烟气含氧量:给煤量与送风量是否平衡的指标；,汽包水位:锅炉给水量与蒸汽流量是否平衡的指标;,综合以上两种方法，可以得到两种新的设计方法：,（）校正法,所谓校正法是将扰动量以前馈的形式，通过比例或比例微分作用，加入到控制系统中。图12-6是校正法调节系统原理示意图。,（）衰减法,衰减法是将扰动量以前馈的形式，通过微分作用，加入到控制系统中，图12-7是衰减法调节系统原理示意图。,二、协调控制系统的基本方案,纯粹“炉跟机”或“机跟炉”系统都有较大缺点:,我国单元机组协调控制系统都是在引进机组上设计和改进。,协调控制系统按反馈回路分类:,前馈回路设计不同分:按指令信号间接平衡系统（DIB）和按能量直接平衡系统（DEB）。,解决办法:加入前馈补偿信号作为机炉彼此协调动作的联系。,原因:炉机负荷之间是否保持平衡取决于汽压PT信号，PT有一定惰性;,（1）Bailey820协调控制系统,如前面图12-4所示，燃烧率指令PM为：,上式中第一项P0比例微分是前馈信号，微分作用在动态过程中加强燃烧率指令以补偿机炉之间对负荷相应速度的差异，汽压偏差（p0pT）在动态过程中有适当修正燃烧率指令的作用，上式中最后一项用来校正燃烧率指令，以保证机组功率偏差在稳态时为零。因为蓄热量与负荷成比例，故改变同样的负荷，锅炉在高负荷时的蓄热量变化要比低负荷时大，这就希望在高负荷时有较大的改变燃料量的速度。为此，上式中的最后一项乘以功率给定值P0，以便使积分速度随负荷变化。,汽机阀门开度指令P为：,从上式可以看出，当P0增加时，调节器将开大汽机调节阀，增大实发功率。上式中调节器入口信号的平衡关系为：,在稳态时上式化为：,可见，汽机功率控制回路是一个汽压控制系统，其压力的实际给定值是上式中方括号内部分，只有在功率偏差为零时才有pTp0，改变比例系数KP可调整功率偏差信号对压力给定值修正作用的大小。,从上面分析可以看出，Bailey820协调控制系统中锅炉主控器调整机组功率，汽机主控器维持机组压力，因此它是汽机跟随（机跟炉）协调控制系统。从前馈角度来看，它以功率指令信号为前馈量，因此它间接反映了机炉之间的能量平衡关系，是按指令信号间接平衡协调系统（DIB系统）。,（2）美国Foxboro公司的DEB协调控制系统,美国Foxboro公司的DEB协调控制系统如图12-8所示：,由上图可以看出，锅炉主控器接收汽压pT及汽压定值p0信号，它们的差值送到PID调节器的入口端，图12-8中的偏差比例乘法器输入信号为pT、p0及汽机第一级压力信号p1，输出信号I为：,前馈信号，作用到锅炉主控器回路来改变锅炉的燃烧率指令。,汽机主控器是串级控制系统,主调节器接收功率偏差信号（P0PE）,副调节器接收主调节器输出信号及前馈信号调节机组功率。,此系统锅炉主控器控制机组压力，汽机调节阀保证功率，因此是锅炉跟随协调控制系统。从前馈回路来看，它以汽机第一级压力信号p1为前馈信号，所以是能量直接平衡协调控制系统（DEB系统）。,（）美国Leeds和Northrap公司的DEB协调控制系统：,如上图所示，锅炉主控器接受p1/pT作为前馈信号，同时还接受压力定值信号p0，锅炉燃烧率指令PM为：,当机组负荷增加时，p1/pT增加，由上式可以看出，锅炉燃烧率指令增大，汽压偏差的积分作用是保证在稳态时，汽压等于给定值。,汽机主控器如图所示，它实际是一个串级控制系统。主调接收的信号是功率偏差信号，副调接收主调输出及p1信号。,在本系统中，引入汽轮机第一级后压力p1信号，用p1/pT作为机炉协调控制之间的联系，对锅炉来说是前馈信号，对汽机来说是反馈信号。按反馈回路分，汽压由锅炉的燃烧率维持，功率是由汽机调节阀来保证，因此它是炉跟机系统。按前馈信号分，本系统以直接能量信号p1/pT作为前馈信号，因此它是能量直接平衡协调控制系统（DEB系统）。,第三节单元机组协调控制系统实例分析,此外根据实际情况及保证机组安全，还有闭锁升、闭锁降、迫升、迫降等保护功能。以某电厂200MW机组协调控制系统为例，详细分析其的组成及工作过程。,一、负荷指令处理,其原理如图12-9。,协调控制系统=负荷指令处理回路+机炉主控回路,负荷指令处理回路:,机组发生闭锁升、闭锁降、迫升、迫降时，A/M处跟踪LD状态，值班员按下保持按键时，A/M处于既不能增也不能减的手动保持状态。,V速率限制模块，阶跃变化的负荷指令信号变成一个斜坡信号，斜坡速率整定在3%5%。,中心调度负荷指令又称-ADS信号,正常，A/M处自动状态，中心调度可以直接改变机组负荷;,异常，A/M处手动状态，由值班员直接改变负荷。,二、机组最大允许负荷运算回路,单元机组主要辅机:给水泵、送、引风机、给粉机运行台数等。,机组最大允许负荷计算-据机组辅机实际运行情况来进行。,其原理如图12-10所示：,负荷指令+各辅机投运台数经函数模块F1(X)F4(X)处理后经过限速模块-小值选择器-最小值-限幅器输出负荷给定值-机炉主控制器。,三、实际出力计算及处理回路,机组实际出力：M、V、W实际值与其给定值之间的偏差进行计算，其原理如图12-11所示：,在不发生迫升、迫降时积分器输出跟踪负荷指令LD信号以保证切换时无扰。,1、2、3三个加法模块进行代数运算，求出实际燃料量、风量、给水量与它们给定值之间的偏差。,积分器的作用是产生迫升迫降信号，定值整定为0%。,四、锅炉主控制器,发出指令：锅炉主控指令去控制燃料和送风两个子系统。,原理如下页图12-12,接收指令：主汽压力偏差信号+前馈信号,当低值作用时，积分器输入是正值，正向积分，为迫升工况。,当高值作用时，积分器输入是负值，反向积分，为迫降工况。,1、前馈信号的形成：,P1调速级压力，PT机前压力，PTS机前压力定值，K为补偿系数。F(X)是动态补偿模块，采用比例微分规律动作，F1(X)是函数模块。,作用：改善控制系统品质；,前馈信号：,2、压力定值的形成：,3、燃料、风量指令处理：,滑压、定压运行两种工况，压力定值也不相同：,滑压自动，F2(X)整定为滑压运行升压曲线；,其目:实现锅炉低过剩空气燃料控制。增负荷先增风后增燃料；降负荷，先减燃料后减风，提高燃烧的经济性。,燃料量指令+总燃料量信号大选模块较大作送风系统指令。,燃料指令+总风量信号小选模块较小作燃料系统指令信号。,锅炉主控制器输出（燃料量）信号分别大、小选模块。,防止改变太快，加速率限制模块。,定压手动，跟踪设定的压力定值，也可以就地直接设置；,五、汽机主控制器,组成：汽机节流压力调节器、电功率调节器、蒸汽流量调节器。,（1）汽机节流压力调节器：汽机调节阀前节流压力偏差,机跟炉时,T1ba接通，控制汽机调节阀,自动保持主蒸汽压力为定值。,功率可变协调控制工况中，串级控制，主信号实发功率W，副信号蒸汽流量,用P1代替，功率定值中加入频差信号f，提高调节速度，加入LD前馈信号。其它工况下，这两个调节器都处于跟踪状态，蒸汽流量调节器的加法器输出跟踪实发功率W，电功率调节器输出跟踪P1值。,（2）电功率、蒸汽流量调节器,第四节协调控制系统的整定,一、单元机组自动控制的对象特性,单元机组：发电机、汽轮机、锅炉共同适应电网负荷要求，共同保持机组的稳定运行，是一个互相关联的负载被控对象。,图中WPM为燃料量机前压力通道传递函数：,汽机调节阀开度机前压力通道传递函数为：,（12-3）,（12-4）,式12-3是汽机负荷随汽压变化时传函，最后负荷保持稳定。,WT(S)为蒸汽量实