电力工业信息化教案(new)2

1、电力工业信息化教 案,第一章 序论,一、电力系统的形成和发展 1831年法拉第发现了电磁感应定律，出现了原始的交流发电机，直流发电机和直流电动机。特点：低压直流输电（100-400V）距离近，功率小。 1882年出现第一次高压输电，法国弥斯巴赫-幕巴黑（57km），直流1500-2000V，输送功率1.5kW，可认为是世界上第一个电力系统，包含了发电，输电，用电设备等电力系统的各个重要组成部分。 对输送功率和输送距离的更高要求，交流输电代替直流输电，1885年制成变压器，单相交流输电，1891年三相变压器和三相异步电机，实现三相交流输电。,1891年近代电力系统雏形：德国起自劳芬镇水轮发电机组

2、，功率230kVA，电压95V，转速150r/min，升压至25000V，经直径为4mm的铜线输至178km外的法兰克福。法兰克福端，两台变压器降至112V，供白炽灯和异步电机驱动水泵（75kW）。 三相交流制发电机迅速发展；汽轮发电机组取代以蒸汽机为原动机的发电机组；发电厂之间出现并列运行；输电电压，输送距离和输送功率不断增大；出现了全国性和跨国性的电力系统。 二、近代电力系统 电源构成：不仅有燃烧煤、石油、天然气等利用化学能的火力发电厂，利用水能的水力发电厂，利用核能的原子能发电厂（传统能源）；还有利用太阳能、风能、生物质能、地热能、潮汐能等的发电厂（新能源）。 负荷成分：电动机、电灯、电

3、热电炉、整流装置等等。,运行管理高度自动化：日益数字化的测量保护控制装置，分散控制系统，监督管理系统（SIS），能量管理系统（EMS）等等。 输电电压电压已超过1000kV，输送距离已超过1000km，输送功率已超过5000MW。个别跨国电力系统中发电设备的装机总容量已超过400GW。 为彻底解决同步发电机并列运行的稳定性问题，提高输送能力，直流输电重新被启用。输电电压已超过正负600kV，输送距离已超过1000km，输送功率已超过3000MW。,三、能源概述 一次能源：以自然形式存在于自然界可以利用的能演，如煤炭、石油、天然气、水能、风能、核能、太阳能、生物质能、地热能、海洋能等。 二次能源

4、：由一次能源加工转换而来的能源，如电能、机械能、热能（蒸汽、热水）、煤气、焦炭以及石油提取出来的成品油类等。 非再生能源：一次能源中的煤炭、石油、天然气、原子裂变能随着人类的开发利用而逐渐减少。 可再生能源：水能、风能、聚变能、太阳能、生物质能、地热能、海洋能,电能是清洁、方便的能源，可很方便的转成其他形式的能，电能品质最高。可方便地实现远距离传输，生产使用上可进行有效的精确控制。 常规能源：人类能够大规模利用的能源，如煤炭、石油、天然气、水能、原子裂变能。 新能源：风能、太阳能、省物资能、地热能、海洋能等。 能源革命：化石燃料（煤炭、石油、天然气）在一次能源消费中占90%以上，产生的排放物（

5、粉尘、SO2、CO2、NOx）是引起环境污染、生态破坏的重要原因。新能源是清洁能源，其开发利用不会（或较少）污染环境。应大规模开发利用新能源和可再生能源并提高利用率和节约能源,电力弹性系数：指电力增长速度与国民经济总产值增长速度的比值。我国目前应接近1，低于0.8将制约国民经济的发展。电力是基础，电力要先行。,四、电力系统的组成：由各种发电厂和输配电网组成。 发电厂：把各种天然能源(煤、水能、原子能等)转换成电能的工厂。 火电厂的三大主机：机(汽轮机)、炉(锅炉)、电(发电机) 火电厂的主要生产系统：燃烧系统、汽水系统、电气系统 输配电网：简单的说，就是各种变压器和其相连的输电线及相关设备组成

6、。,五、电力系统运行的特点 1.电能不能储存。指的是不能大量储存。电能的生产、输送、分配和使用是在同一时刻完成的。 2.暂态过程非常迅速。电能以电磁波的形式传播。发电机、变压器、线路、用电设备的投入或者停运都在瞬间完成，故障的发生和发展十分短促，电力系统的暂态过程非常迅速。 3.电力和国民经济各部门间的关系密切。 六、动力系统与电力系统 动力系统：发电厂、变电所、电能用户之间用电力线路连接起来，发电厂与热能用户之间用热力管道连接起来，构成电能和热能的统一生产、输送、分配和使用的总体。,电力系统作为动力系统的一部分，包括发电厂的发电机、升压及降压变电所、电力线路及用电设备。电力网：是电力系统的一

7、部分，包括变电所及不同电压等级的电力线路。,用单线图表示为：,电 力 网：变电所+输配电线路,电力系统：发（电气部分）+变+输+配+用,动力系统：电力系统+发电厂动力部分,凝汽式火电厂生产过程示意图,1.热力网 2.变压器 3.负荷 4.高压电机 5.照明负荷 6.低压电机,第二节 火电厂基本知识,一、热力学基本定律 能够将热能转换成机械能的动力设备称之为“热力发动机”（热机），完成能量转换所必须借助的中间媒介物质称之为“工质”；工质应具有良好的流动性和膨胀性，因此热机都采用气（汽）态物质作为工质。火电厂的热机是汽轮机和燃气轮机，工质分别为水蒸汽和化石燃料燃烧后产生的烟气。,工质在进入热机前，

8、需从其他物质（如锅炉）吸取热量，这物体叫做“高温热源”（热源），而接受工质放出热能的物体（如凝汽器）称为“低温热源”（常称为冷源） 常用参数：压力（p，压强），温度（T，热力学温标），比容（v，与密度互为倒数），焓（h，比焓）；压力、比容是衡量单位工质做功能力大小的一个尺度；焓是用来衡量单位工质具有“热力势能”大小的一个尺度，国际单位为“J/kg、kJ/kg”。,如果一个热力系统在不受外界影响的条件下，其状态能保持长时间不变化，则系统处于“平衡状态”，这时可用参数来描述； 要实现热能与机械能的转换需通过工质状态的变化才能完成，热力系统由其初始平衡状态，经过一系列的中间状态而达到另一新的平衡状态

9、，其中间的物理变化过程称为“热力过程”（过程）。 常见的基本热力过程有：（1）定压过程(如工质在锅炉内的吸热过程）；（2）定温过程（如工质在凝汽器内的放热过程）；（3）定容过程（如工质在过热器内的加热过程）；（4）绝热过程（如工质在汽轮机内的膨胀做功过程）,热力学第一定律：是能量转换及守恒定律在热现象上的应用，“热可以变为功，功也可以变为热。一定量的热消失时，必产生与之数量相当的功；消耗一定量的功时，也必出现相应数量的热”。其基本表达形式为 进入系统的能量 - 离开系统的能量 = 系统储存能量的增加 当流动过程为稳定流动时，在开口系统可简化为 进入系统的能量 = 离开系统的能量 应用：忽略进出

10、口的势能差和动能差，在理想情况下单位工质对汽轮机所做的功为 w = h1 - h2,热力学第二定律：热量总是从高温物体传向低温物体，但反过来却不可能自发进行。一切自然过程都具有方向性。热力学第二定律指出了一切自然过程的不可逆性，是解决与热现象有关的各种过程进行的方向、条件和深度等问题的定律。有各种表述方法，但本质一样，典型的说法： (1)热不可能自发地、不付代价地从低温物体传向高温物体 (2)凡是有温度差的地方都能产生动力 (3)不可能制造出从单一热源吸热，使之全部转化为功而不留下其他任何变化的热力发动机。,热力学第二定律指出，只从一个热源吸热而连续做功的循环发动机是造不成功的（第二类永动机是

11、不可能存在的），热向功的转化过程是非自发的，要使过程得以进行，必须付出一定的代价，此代价就是使部分从高温热源获取的热量排向低温热源，即系统从高温热源吸取的热量中，除一部分转变为功外，另一部分必须排放到低温热源（冷源损失不可避免），热机不可能将热能全部转变为机械能。,著名的卡诺循环（由两个等温过程和两个绝热过程组成）是实际动力循环中效率最高的理想循环，它在理论上确定了一定范围内热能转变为机械功的最大限度，为实际循环的组成及热效率的提高指出了方向与途径，其循环的热效率表达式为 t = 1 - T2/T1,由上式得出的一些重要结论如下： (1)循环效率决定于高温热源与低温热源的温度T1和T2，提高工

12、质吸热温度并且尽可能降低工质排向冷源（大气环境）的温度，可提高循环热效率。 (2)循环热效率永远小于100%，因为T1为无穷和T2=0都是无法实现的，这真是热力学第二定律所揭示的规律。 (3)当T1=T2时，循环热效率为零。意即，在没有温度差存在的体系中，热能不可能转变为机械功，要利用热能来产生动力，就一定要有温度高于环境的高温热源。,(4)在两个不同温度的恒温热源间工作的一切可逆循环，均具有相同的热效率，且于工质的性质无关。 (5)在两个不同温度的恒温热源间工作的任何不可逆循环，其热效率必低于在两个同样恒温热源间工作的可逆循环。实际循环都是不可逆循环，其热效率必低于同温限的卡诺循环。,二、水

13、蒸气动力循环 水蒸气的定压加热过程：在常规火电厂的动力循环中以水蒸气作为工质，它是在锅炉中定压下由水加热而形成的。加热过程中的形态依次为过冷水（低于饱和温度的水，也称未饱和水）、饱和水（水开始沸腾，对应的温度叫饱和温度，与压力一一对应）、湿蒸气（湿饱和蒸汽，湿蒸气中饱和蒸汽占总量的份额用干度x来表示）、干饱和蒸汽（x=1，并且温度仍然是饱和温度）、过热蒸汽（过热蒸汽的温度与其饱和温度的差值，称为过热度）。 过冷水定压加热成过热蒸汽，经历了三个阶段： （1）过冷水加热到饱和水的预热阶段，所需热量为预热热； （2）饱和水汽化成干饱和蒸汽的汽化阶段，所需的热量为汽化潜热,（3）干饱和蒸汽加热成过热蒸

14、汽的过热过程，所需的热量为过热热。 临界点：在加热过程中，工质的比容、焓值持续增大，其中比容从过冷水到饱和水增加不大，而饱和水到饱和汽比容迅速增大，且压力值越低饱和汽和饱和水比容差值越大，压力提高，差值减小。当压力升高到某一值时，差值为零，饱和水与饱和汽具有相同参数且汽化潜热等于零，此时的状态点为“临界点”，所对应的临界参数即pcr=22.129MPa，tcr=374.15oC。这表明，当蒸汽温度大于临界温度时，加压不能使水蒸气液化。,朗肯循环：由水泵打出高压水，经锅炉加热、汽化、过热三个阶段被加热成高温、高压的过热蒸汽，送入汽轮机膨胀做功将蒸汽热能转换成机械能，从汽轮机排出的低温、低压蒸汽引

15、入凝汽器凝结成水再由水泵重新打入锅炉，完成封闭的朗肯循环。,由四个理想的基本热力过程构成： （1）12为过热蒸汽在汽轮机内的理想绝热膨胀做功过程，所做的功为w=h1-h2； （2）23为乏汽（汽轮机排汽）向凝汽器（冷源）的理想定压放热的完全凝结过程，其放热量为q2=h2-h3； （3）34为凝结水通过水泵的理想越热压缩过程，所消耗的功为wp=h4-h3； （4）41为高压水在锅炉内经定压加热、汽化、过热而成为过热蒸汽的理想定压过程，所吸收的热量为q1=h1-h4；,由此，1kg工质按照朗肯循环工作每循环一次向外输出的净功率w0为汽轮机输出功与水泵耗功之差，即w0=w-wp=（h1-h2）-（h

16、4-h3） 朗肯循环的热效率为 t = w0 / q1 =（h1-h2）-（h4-h3） / (h1-h4) 因水泵耗功所占比例很小，在分析时可忽略不计，上式可简化为 t = （h1-h2）/ (h1-h2 ) 可知，循环热效率t取决于h1、h2、h2 （排气压力下的饱和水焓）的大小，提高h1、h2 以及降低h2可以使t增加。,h1是汽轮机的进汽焓，其值取决于蒸汽的初压和温度； h2、h2分别是排汽压力下的排汽焓和饱和水焓，显然取决于排气压力的高低。 为了提高蒸汽动力装置循环的热效率，应尽可能提高蒸汽的初压和初温并降低排汽压力。现在压临界（17MPa左右）、超临界（23MPa以上）压力得到广泛

17、应用，但提高初温受金属材料耐热性能的限制，国内的蒸汽初温一般控制在540oC左右。 降低汽轮机的排汽压力可使工质向冷源的放热量减少，从而提高循环热效率。但排汽压力的降低受环境温度的限制，通常为5kPa左右。冬季温度低，相应的排汽压力也低，循环效率比夏季要高一些。,中间再热循环：降低排汽压力可以提高循环热效率，但蒸汽排出汽轮机的干度随之降低，使汽轮机的内部损失增加、末几级叶片受湿蒸汽的冲蚀加剧，影响汽轮机安全、经济运行。排汽干度不能太低（一般x0.88），适当改进朗肯循环，采取“再热”的方法，可提高排汽干度。,采用再热循环的最初目的是为了提高汽轮机的排汽的干度，如果再热压力选择得当（一般为新汽压

18、力的20%-30%），同样可以提高循环热效率（约4%-5%），再热循环是目前提高热力发电厂经济性的措施之一。 中间再热有利于提高初压、保证汽轮机末级蒸汽干度、提高循环热效率，此外因每公斤蒸汽的做功量增加，汽轮机的耗气量减少。但需要布置再热器、管道、阀门等设备，机组投资增大，运行管理复杂。参数低的小机组不用，只有超高压（13.7MPa）以上的火电机组采用一次中间再热。而超超临界（30MPa）火电机组，可采用二次中间再热,回热循环：朗肯循环中有相当一部分热量（50%以上）在凝汽器中被冷却水带走而损失掉，提高循环的效率是关键是如何减少这部分损失，在基本朗肯循环基础上采用“给水回热”的方法是有效手段。

19、具有给水回热的循环称为“回热循环”，所有以水蒸气为工质的动力循环都采用此方式。,回热循环是由两个循环组合而成：（1-）kg的工质按基本朗肯循环进行，其效率与朗肯循环相同；kg的工质仅吸热做功而不向冷源排热，它放出的热量为工质本身所吸收，这部分工质的循环效率可认为等于100%。两部分组合后的循环总效率必大于原基本朗肯循环，采用回热循环热效率可提高8%-15%。 实际应用不止一级给水回热，级数越多回热循环的热效率越高，越接近卡诺循环的热效率，但随着级数增加，回热循环热效率增加的幅度减少且投资及运行成本大幅增加，目前超高压以上机组一般采用7-9级抽汽的给水回热循环系统。,热电联产循环：由热力学第二定

20、律可知，冷源损失不可避免。蒸汽动力循环即使采用提高初参数、降低排气压力、再热、回热等措施，循环热效率很难超过50%，大量的蒸汽低温热量因其温度水平太低，没有利用的价值，只能通过凝汽器冷却水散失到环境中。 现实生活、生产中热能（蒸汽、热水）的利用非常广泛、需求量也很大，这些热能需求对工质参数的要求相对于动力循环中的蒸汽初参数要低很多，但又高于汽轮机的排气参数。,适当提高排气参数，将排汽直接送给热用户利用，既满足了热用户对热能的要求，又可避免动力循环中的冷源损失，这就是“热电联产循环”-将电能生产和热能联成一体，既供热又供电，这类火电厂叫做热电厂。 热用户自己生产热能（如常见的工业锅炉）通常存在能

21、耗高、环境污染严重的问题，热电联产是节约能源、改善环境质量的有效措施之一，具有很高的综合效益。,火电厂发电热效率：火电厂（凝汽式）的发电热效率为发出的电能与燃料供给的热量之比，或应是在循环效率的基础上再考虑各设备的效率，即发电热效率等于锅炉效率、管道效率和汽轮发电机组的绝对电效率的乘积；通常也用发电煤耗率（发电标准煤）来作为衡量个机组经济性的通用指标，即每发一度电需要消耗多少克的标准煤（两者指点的换算关系：发电煤耗率123/发电热效率）,目前，国内大机组（300MW和600MW）的发电热效率在37%41%左右，相应发电煤耗率在300 333g标准煤/（kWh）左右。 通常用厂用电率（厂用电量/

22、发电量）来说明机组的辅机设备和运行管理水平。凝汽式火电厂的厂用电率一般在4%10%。衡量电厂的热经济性应以对外所供电量为依据，扣除厂用电率的电厂热效率为发电厂的净效率或供电效率。目前，国内大机组的供电煤耗率在312 350g标准煤/（kWh）左右，相当或接近世界先进水平。全国平均供电煤耗率为370g标准煤/（kWh）。,第三节 火电厂的动力设备,锅炉将燃料的化学能转换为蒸汽热能，汽轮机将蒸汽热能转化为机械能，发电机将机械能转化为电能，锅炉、汽轮机、发电机是常规火力发电厂的三大主机。动力设备就是指锅炉、汽轮机及其附属设备与热力系统。（如下图） 火电厂的实际生产过程要复杂得多，还需要很多辅助系统以

23、维持其正常生产，如输煤系统、除灰系统、供水系统、水处理系统等。,火电厂的动力设备,火电厂的动力设备,一、锅炉设备 锅炉设备是火力发电厂的主要热力设备之一，其作用是：燃料在炉膛内燃烧将其化学能转变为烟气热能；烟气热能加热给水，水经过预热、汽化、过热三个阶段成为具有一定压力、温度的过热蒸汽。 锅炉由锅炉本体和辅助设备两大部分组成。 （1）锅炉本体实际上就是一个庞大的热交换器，由“锅”和“炉”两部分组成。 1）锅是指锅炉的汽水系统，完成水变为过热蒸汽的吸热过程。,锅主要由直径不等、材料不同的钢管组成形状不同的各种受热面，根据受热面内工质（汽、水）的不同状态以及受热面在锅炉中所处的不同位置，给出相应不

24、同的名称。如省煤器、汽包、水冷壁、过热器、再热器等。 2）炉是指锅炉的燃烧系统，完成煤的燃烧放热过程。由炉膛、燃烧器、烟道、风道、空气预热器等组成。 （2）锅炉的辅助设备主要包括供给空气的送风机、排除烟气的引风机、煤粉制备系统以及除渣、除尘设备等。 锅炉的主要生产过程通过下图来说明,火电厂的动力设备,火电厂的动力设备,火电厂的动力设备,锅本体部分 1.省煤器：省煤器是利用低温烟气加热给水的受热面，用来完成给水吸热的预热阶段，可以降低排烟温度、节省燃料、提高锅炉效率。,火电厂的动力设备,2.汽包：汽包是自然循环锅炉的控制循环锅炉蒸发设备中的重要部件，是汇集水和饱和蒸汽的一个厚壁圆筒形容器。其上半

25、部是汽空间，下半部是水空间，水空间的高度就是水位。,火电厂的动力设备,3.下降管：下降管的作用是把汽包中的水连续不断地供给水冷壁，布置在锅炉炉墙外不受热。大容量锅炉采用大直径下降管。 4.水冷壁：水冷壁是锅炉的蒸发受热面，依靠火焰对其的辐射传热，是未饱和水加热成饱和水，再部分蒸发成蒸汽。,火电厂的动力设备,5.过热器：过热器是将汽包引出的饱和蒸汽加热成为具有一定过热度的过热蒸汽的受热面。随着蒸汽参数的提高，过热段的吸热比例增加，大容量锅炉需要布置较多的过热器受热面，分布在炉内不同位置，给出相应的名称，系统相对复杂一些。 由于过热器内流经的是高压、高温的过热蒸汽，传热性能差，又处于高温烟气区，过

26、热器的管壁温度高，运行中要严格控制汽温，不允许超温。 过热器按换热方式不同，可以分为 （1）对流过热器 （2）半辐射过热器 （3）辐射式过热器,火电厂的动力设备,火电厂的动力设备,6.再热器：随着初参数的提高，机组普遍采用中间再热循环，再热器的作用就是将汽轮机高压缸的排气重新加热，使其温度提高后再回到汽轮机中低压缸继续膨胀做功。 炉本体部分 1.炉膛 2.燃烧器 3.空气预热器,火电厂的动力设备,锅炉主要辅助设备 1.通风设备：由送风机、引风机、风道、烟道、烟囱等组成。 2.除尘设备：大锅炉常用干式静电除尘器（效率大于99%），清楚排烟中的飞灰，减少对环境的污染。 3.制粉设备：是锅炉的主要辅

27、助设备，也成为制粉系统，其作用是将原煤磨成合格的煤粉连续不断地供给锅炉，并根据锅炉负荷的需要随时调节燃料量的大小。制粉系统有直吹式和中间储仓是两种。,火电厂的动力设备,火电厂的动力设备,锅炉设备的规范及其型号：锅炉设备的生产能力、产品规范及运行效益通常用下列特性指标表明： 1.蒸发量 2.蒸汽参数 3.锅炉效率 锅炉型号可在某种程度上反映出锅炉的容量和蒸汽参数等，如SG-1025/17.3/540/540表示“上海锅炉厂生产的、最大连续蒸发量1025t/H，过热器出口蒸汽压力17.3MPa、过热蒸汽温度/再热蒸汽温度都是540 oC”,火电厂的动力设备,锅炉的分类：电厂锅炉的种类很多，按不同分

28、类方法，常见的电厂锅炉有燃煤炉、燃油炉和燃气炉；超高压、亚临界、超临界压力锅炉；正压（微）燃烧、负压（微）燃烧锅炉等。另两种重要分类方式为： （1）按水循环的方式分：常见的电厂锅炉可分为自然循环锅炉和多次强制（控制）循环锅炉和直流锅炉。前两种都是汽包锅炉，也可以把后两种统称为强制循环锅炉。,火电厂的动力设备,火电厂的动力设备,（2）按燃煤炉燃烧方式分：电厂锅炉可分为室燃炉（悬浮燃烧煤粉炉）、层燃炉、旋风炉和流化床锅炉（沸腾炉）。,火电厂的动力设备,二、汽轮机设备 工作原理：汽轮机是将蒸汽热能转换成机械功的高速旋转设备，具有功率大、效率高、结构简单、运转平稳的优点，是火电厂及核电厂中采用的原动机

29、。汽轮机、燃气轮机、水轮机等都是涡轮机（又称透平），它们最基本的原理与风车相同，利用工质的动能做功，即利用具有一定速度的工质冲动其转动部分，从而输出机械功。汽轮机的基本工作原理如下图所示：,火电厂的动力设备,实现蒸汽热能到机械能的转换可分为两个阶段： （1）在喷嘴中蒸汽的热力势能（焓降）转变为高速汽流的动能。 （2）在动叶片流道中蒸汽的动能转变为旋转的机械能。,火电厂的动力设备,一列喷嘴和与之对应的一列动叶栅组成一个基本的做功单元，称之为汽轮机的“级”。 根据汽流在动叶流道内的膨胀程度和给予动叶作用力的形式，可将级分为三类： （1）纯冲动级 （2）反动级 （3）冲动级,火电厂的动力设备,汽轮机

30、设备的组成及工作过程：由汽轮机本体和汽轮机辅助设备两部分组成。汽轮机本体有静止部分、转动部分、主汽门、调节汽门等组成。辅助设备主要包括凝汽设备、回热加热设备、调节保安装置、供油系统等。本体及其辅助设备由管道和阀门连成一个整体，称为汽轮机设备。汽轮机与发电机的组合称为汽轮发电机组,火电厂的动力设备,汽轮机本体主要结构：汽轮机主体由静止、转动两大部分组成。静子主要包括汽缸、喷嘴、隔板、汽封、轴承等；转子主要包括主轴、叶轮、动叶、联轴器等。,火电厂的动力设备,1.汽缸 2.喷嘴与隔板,火电厂的动力设备,3.转子,火电厂的动力设备,火电厂的动力设备,4.汽封：是各动、静间隙处装设的密封装置，由很多薄金

31、属片与主轴的凹凸处形成多个曲折的空间，以减少漏气。 5.轴承：有支撑轴承和推力轴承两种。支撑轴承用于支撑整个转子的重量以及由于转子质量不平衡所引起的离心力，并固定转子的径向位置，使转子中心与汽缸中心保持一致；推力轴承则用于承受转子上的轴向推力，并确定转子的轴向位置，以保持动、静之间合理的轴向间隙。 6.联轴器及盘车装置：联轴器也叫靠背轮，其作用是将汽轮机的高、中、低转子以及发电机转子连接成一个整体。,火电厂的动力设备,汽轮机的调节保护系统 1.汽轮机的调节系统：根据电负荷的大小自动改变进气量，调整汽轮机的输出功率以满足用户数量上的要求；控制转速在额定范围以保证供电质量。其实质上就是转速调节，基

32、本原理是利用转速的变化作为调节信号，通过调节系统各部件的一系列连锁反应，最终改变汽轮机的进气量，以适应外负荷的变化。 按调节系统的结构可分为机械液压式、液压式和电液式三种，目前大型汽轮机采用数字电液调节系统（DEH） 2.汽轮机的保护装置：在事故或异常情况下及时切断汽源（关闭高中压主汽门和调节汽门），以保证汽轮发电机组的安全运行，系统主要由超速（110%-114%额定转速）保护和参数超限保护组成。,火电厂的动力设备,汽轮机的主要辅助设备 1.凝汽设备：凝汽设备是凝汽式汽轮机必不可少的辅助设备，其作用是：建立和保持汽轮机排气口的高度真空，获得较高的循环热效率；回收汽轮机排汽凝结的水，作为锅炉给水

33、循环使用。 2.回热加热系统：国内300MW、600MW机组，其回热系统采用八级回热，即三台高加、四台低加和一台除氧器，简称“三高、四低、一除氧”,火电厂的动力设备,火电厂的动力设备,汽轮机的分类和型号 （1）按工作原理分：冲动式和反动式两种。 （2）按初参数分：大型火电厂的汽轮机可分为超高压、亚临界压力及超临界压力、超超临界压力等几种。 （3）按热力过程的特点分：可分为凝汽式、背压式及调整抽汽式汽轮机。 型号用来表示汽轮机的热力特点、输出功率及进汽参数规范等，如N300-16.7/538/538表示凝汽式汽轮机、额定功率300MW，新蒸汽压力16.7MPa、温度538oC，再热蒸汽温度538

34、oC。,火电厂的动力设备,第二章 计算机监控系统第一节 计算机监测控制系统概述,一、监控计算机 从应用角度出发,计算机分为：面向事务处理的计算机,面向实时过程的计算机。前者大多采用通用计算机,包括通用大型机、小型机和微型机个人计算机PC；后者也称过程计算机或监测控制计算机,简称监控计算机,它除具有通用计算机的一些共同特性外,在系统结构、硬软件组成、设计思想、开发工具、使用方法等方面与通用计算机有许多不同。其主要差别可归纳为：丰富的过程输入输出(I/O)接口,多样的人机接口,严格的可靠性措施,实时操作系统或保证实时性的软件技术。,监测控制计算机所含的硬软件根据实际应用的需要而不相同,一种典型的分

35、类： 硬件：主机(CPU,内存储器,总线及控制器)；通用外部设备(硬盘,软盘,光盘,打印机);过程I/O接口(AI,AO,DI,DO,PI,PO,视频处理装置)；人机接口(键盘,鼠标,显示器,触摸屏,音频处理装置,声光显示装置)；通信控制器；电源；接插件,机箱,操作台(站或屏)。 软件：系统软件，支持软件，应用软件。,软 件 系统软件：操作系统(通用操作系统DOS,Windows实时操作系统)；系统通讯；网络连接与管理；人机交互。 支持软件：程序设计软件(VB,VC,BC等)；数据库管理软件(DBMS)；汇编语言；编译连接软件；编辑软件；测试和诊断软件。 应用软件：监测；监督；控制,应用软件

36、常规控制算法：PID控制，串级控制，前馈控制，比值控制，Smith控制，解偶控制。 现代控制算法：自适应控制，变结构控制，预测控制，容错控制，鲁棒控制。 智能控制算法：专家控制，模糊控制，神经网络控制，聚类融合控制。 通 信：计算机间信息控制，网络通信。,监测控制计算机的种类很多,在我国应用得较多的有下述几种类型: (1) 数字控制器：一类是专用的小型控制器,它一般是针对某些或某类应用系统专门设计制造的,性能专一,针对性强,操作简单,方便实用,因而有一定的应用范围,但通用性不强。另一类是可编程序控制器(programmable controller),也称可编程序逻辑控制器 PLC(Progr

37、ammable Logic Controller)。现代的PLC除具有逻辑、计时、计数等功能外,还充分应用了计算机技术,增加了运算、数据传送和处理、通信等功能,使其性能大大提高。PLC以标准模块的形式提供给用户,如中央处理模块、数字和模拟的输入输出模块、典型工业对象的控制功能模块、通信处理模块、测试模块等,并提供相应的PLC编程语言和组态工具,使用起来十分方便。,(2) 工业控制计算机：有各种总线的工业控制计算机产品,例如:VME总线工控机、MULTIBUS总线工控机、STD总线工控机、PC总线工控机等。PC总线工控机(Industrial Personal Computer,IPC)发展最快

38、,已成为当前工控机的主流。IPC有严格的标准,有丰富的外围接口板,有的还配有功能颇强的组态软件或工业控制软件包,给用户提供了良好的开发和应用条件。 (3) 嵌入式PC机：这是一种近年来发展起来的超小型化的 PC机,外形尺寸为95mm90mm,功耗小,无需机箱和底板就可以将有关的模块直接叠装组合成各种系统。目前嵌入式PC机处在迅速发展之中,产品种类很多,规格型号不统一。,二、计算机监控系统 计算机监测控制系统(简称计算机监控系统),是以监测控制计算机为主体,加上检测装置、执行机构,与被监测控制的对象(生产过程)共同构成的整体,下图示出了一个典型的计算机监测控制系统。在这个系统中,计算机直接参与生

39、产过程的检测(Monitor)、监督(Supervise)和控制(Control),或者说应具有下述三方面的功能: (l) 采集与处理功能 (2) 监督功能 (3) 控制功能,计算机监测控制系统示意图,(l)采集与处理功能：主要是对生产过程的参数进行检测、采样和必要的预处理,并以一定的形式输出(如打印制表和CRT屏幕显示),为生产人员提供详实的数据,以便于他们分析、了解生产情况,监视生产过程的进行。 (2)监督功能：将检测的实时数据、人工输入的数据等信息进行分析、归纳、整理、计算等二次加工,并制成实时和历史数据库加以存储。根据实际生产过程的需要及生产进程的情况,进行工况分析、故障诊断、险情预测

40、,并以图、文、声等多种形式及时作出报道,以进行操作指导、事故报警。监督系统的输出一般都不直接作用于生产过程,而是经过生产人员的判断后再由操作人员对生产过程进行干预。 (3)控制功能：在检测的基础上进行信息加工,根据事先决定的控制策略形成控制输出,直接作用于生产过程。,完整的计算机监测控制系统是上述三种功能的综合集成,它利用计算机高速度、大容量和智能化的特点,可以把一个复杂的生产过程组织管理成为一个综合、完整、高效的自动化整体。当然,在实际使用中,可以根据实际对象的需求情况,系统只具有上述一项或两项功能：或是以某一项为主,而辅以其他的功能。这样可以更针对实际应用的需要,以降低成本,减少复杂性,增

41、强可维护性。,1. 实时性 计算机监测控制系统是一种实时计算机系统,实时性是它区别于普通(通用)计算机系统的关键特点,也是衡量计算机监测控制系统性能的一个重要指标。实时性有下述几层涵义： 首先,是系统对外界激励(事件)及时作出响应的能力,即系统能在多少时间内响应外部事件的发生。这一涵义常用“系统响应时间”来衡量。计算机监测控制系统要直接从生产现场中采集各种信号,“不失时机”地获得随机的突发信号。及时地响应这些信号,是计算机监测控制系统必不可少的基本任务。,第二节 计算机监测控制系统的特点,其次,系统在所要求的时间内完成规定的任务的能力。计算机监测控制系统工作的正确性不仅依赖于它计算、推理结果的

42、逻辑正确性,而且还依赖于得出结果的时间。 最后,实时是与分时相对应的。在分时系统中,各种操作是按预先分好的时间片来处理的：实时系统中,各种操作(中断、任务调度等)具有不同优先级,在正常的工作情况下,如果高优先级的操作条件得到满足,系统将及时中断正常的运行而去执行高优先级的操作。,实时性与以下诸多因素有关。 在硬件方面,与CPU的时钟频率、中断优先级的处理电路等有关,也与字长、指令有关。 在系统软件方面,主要取决于操作系统对程序运行的调度方法。实时操作系统有实时调度管理功能、中断管理功能,并能根据各任务的实时性要求来划分优先级别。在实时性要求高的系统中,应首选实时操作系统为计算机的操作系统。 在

43、支持软件方面,合理地选用编程语言或采用棍合语言编程,可以提高程序的响应和处理速度。某些要求实时性很高的模块,用汇编语言编程可以得到好的效果。 在应用软件方面,程序结构、数据处理方法以及控制算法对程序的执行速度有很大影响,应当综合考虑,尽可能简化算法。有时为了保证实时性而不得不对一些理论上优秀而耗时过大的算法“割爱”。,2. 可靠性 计算机监测控制系统的可靠性是指系统无故障运行的能力。工业生产在连续运行,计算机系统也必须同步连续运行,对过程进行监测和控制。即使系统由于其他原因出现故障错误,计算机系统仍能作出实时响应并记录完整的数据。 可靠性常用“平均无故障运行时间”,即平均的故障间隔时间MTBF

44、(Mean Time Between Failures)来定量地衡量。,可靠性与硬件、软件、系统组成及使用等因素有关 在电气硬件方面： (1)从元器件选型到整机出厂,其质量标准就比商用计算机更高更严。元器件的挑选、老化：印制电路板的设计、制造：整机的安装、调试、测试等都要保证高水平的生产工艺和严格的质量标准。 (2)降低元器件的负荷率,特别是降低CPU负荷率是保证可靠性措施之一。CPU负荷率应小于60%。有些重要的系统采用双处理器或多处理器结构。 (3)增大系统内存,减少内存覆盖面和虚拟内存,以提高数据的准确可靠性。 (4)与现场有关的信号都要经过隔离后再送入计算机。 (5)计算机的电源。采用

45、特殊设计的高可靠专用电源。适应较宽电压波动,承受瞬间浪涌冲击：电源容量有足够的富裕：可靠的防干扰措施。,在机械结构方面： 高强度全钢抗震防磁结构是当前主控计算机的主流结构。工业环境往往很恶劣：电磁干扰强、温度高、湿度大、含腐蚀性物质、尘土多、颠簸振动厉害。为防电磁干扰,要求机箱屏蔽性能好,将机箱做成全钢的：为适应温度高,温度大,甚至空气中含腐蚀性物质的环境,采用不锈钢材料或抗腐蚀涂层加工机箱：为抵御尘土,机箱加滤网以过滤进入机箱内的空气,并采用双冷风扇：为消除颠簸、振动的影响,机箱加固,机箱内各电路板应安装可调整的弹性压条,使其抗冲击和振动性能提高。,在系统组成方面,采用冗余结构： (1) 双

46、机热备份：两套系统同时运行,正常情况下,备用机也随时在采集并保留实时数据,一旦主系统出现故障 , 切换装置立即把主控权切换到备用机使其成为主系统。双机热备份中还可采用带电拔插部件,维修快捷方便,减少断电带来的影响,使系统故障后能尽早恢复双机热备份状态。 (2) 双机冷备份：一套工作,保留另一套作备用。工作系统不正常时,备用系统可立即投入运行。 (3) 部分硬件冗余：例如磁盘比其他部件寿命短(正常读写寿命平均为5000小时),可采用硬盘镜像方式,即用双硬盘来保留同样的数据。有时还采用磁盘阵列形成冗余结构,其中个别硬盘损坏,不影响系统正常运转。,在软件设计方面： (1) 应用软件编写的质量、操作系

47、统对资源的管理方法、异常处理程序的检错纠错能力等,对系统可靠性影响极大。应用软件中,需要编写各种异常处理程序、适用的通信与容错支持程序、自诊断和自恢复程序等来提高系统的可靠性。 (2) 容错设计是实时系统提高可靠性的一个重要手段。容错指当系统内某些软、硬 件出现故障时,系统仍能正常运转,以完成预定的任务或某些重要的不允许间断的任务。容错能力包括系统自诊断、自恢复、自动切换等多方面能力,一般由软、硬件共同采取措施才能实现。 (3) 安全性控制是系统对自身文件和用户文件的存取合法性的控制,防止对应用系统的有意或无意的破坏。通常采用一些软件控制方法来保证系统安全性,如标记检查、多级口令设置、加密等。

48、,3. 可维护性 可维护性是指进行维护工作时的方便快捷程度。计算机监测控制系统的故障会影响工业生产过程的正常操作,有时会大面积地影响生产过程的进行,甚至使整个生产瘫痪。因此,在最短时间内排除它的故障成为计算机监测控制系统的一个重要特点。可维护性与诸多因素有关： 在硬件方面： 系统的整体结构要便于装卸和维修。 (2)尽可能使用拔插式模板结构,便于及时更换出故障的模板。所用的板级产品要具有较高的一致性。更换模板后,不必做过多的调整,能保证系统运行状态和性能不受影响。 (3)要有足够的信号显示出模板和部件的运行状态,有比较完善的诊断功能,便于准确查找故障,减少故障时间。 (4)尽可能使用能带电拔插的

49、模块和部件。,在软件方面： (1) 软件的可维护性,主要包括语言选用、程序结构、程序编写、规范制定、软件模块组成和接口等,应当使应用程序易阅读、易理解、易修改、易扩充、易移植。随着软件规模的日趋庞大,软件的可维护性更显重要,从软件开发阶段起就必须高度重视、仔细分析、精心设计,建立完整的资料文挡。 (2) 监测控制软件应具有在线实时诊断程序,可以在不影响系统运行的情况下及时发现故障。,4. 过程量采集及输出 监测控制系统的一个突出的特点是具有强大的I/0功能,即大量的现场信息要直接从工业现场采集并送入计算机中。从当前已有的应用来看,有两大类信息： (1) 数据信息：主要有三种类型的数据输入/出信

50、号：模拟量输入/出(AI/AO)、开关量输入/出(SI/SO)、脉冲量输入/出(PI/PO)。脉冲量输入不是开关状态,也不是连续变化的模拟量,而是脉冲序列。脉冲量有时直接代表某些物理量(如转速),有时是它的累计值表示某些物理量(如电量)。 (2) 图像信息：最常用的获取图像信息的设备是工业摄像机, 视频图像通过视频处理卡后可直接进入计算机在屏幕上显示。最近的技术发展中,视频图像经图像处理后再进行显示,或再与数据信息进行融合后作为控制信号使用。,5. 人机交互 在计算机监测控制系统中,人机交互的方式比较丰富。特别是在复杂、大型、综合、连续的生产过程中,操作人员要在短时间内接受多个信息, 进行分析

51、判断,完成有关操作,因此要求监测控制系统具有多种而不是单一的人机交互方式。除常规的键盘、鼠标、 CRT显示器外,通常还有触摸屏、专用键盘、大屏幕显示、语音等。,6. 通信功能 这里所说的通信,主要是指在监测控制系统中, 计算机与计算机之间、相同类型或不同类型总线之间以及计算机网络之间的信息传输。在实际应用中,往往有多种类型的多台监测控制计算机在一起联合工作,这时就需要在计算机之间进行通信,实时、可靠地传递信息。特别在分级计算机监测控制系统、分布式计算机监测控制系统中,通信是一个非常重要的问题。,7. 信息处理和控制算法 在设计计算机监测控制系统中,信息处理和控制算法的设计、开发、调试是最为核心

52、的内容,也是最花费时间的工作,它占据了开发调试的大部分工作量。信息处理和控制算法主要是软件工作,这些软件的开发编制除了和采用的操作系统、软件开发工具有关外,还和硬件(特别是接口部件) 以及生产工艺要求有密切关系。正因为如此,监测控制系统的软件开发往往难度更大,它要求开发设计人员具有更全面和广泛的知识。,2020/7/28,华北电力大学计算机系,92,可以从不同的出发点对计算机监测控制系统进行分类。 按控制形式分：开环系统、闭环系统、复合系统、单回路系统、多回路系统、串级系统； 按控制策略分：PID控制、自适应控制、预测控制、模糊控制、专家控制、聚类融合控制； 按被控量类型分：单变量系统、多变量

53、系统； 按处理的信息分：连续系统、离散系统； 按系统性质分：线性系统、非线性系统； 按完成功能分： 按系统结构分： 从应用的角度出发,后面两种分类较实用,下面对它们作简要讨论。,第三节 计算机监测控制系统的分类,按完成功能分类 根据对象的不同,监测控制要求、系统所完成的监测控制功能和基本特点,可分为下述4类。 1. 计算机监测系统 计算机监测系统(Computer Monitor System)又称计算机数据采集与处理系统(Computer Data Acquisition System)。它的主要功能是以计算机为核心对生产过程的参数和工况进行巡回检测。 监测系统的主要功能包括： 采集生产过程

54、的有关数据；接受操作人员的各种指令和信息；信息预处理；数据存储；数据和工况显示、报道；事故报警；报表打印。 信息处理：滤波、平滑、分类等,以适应显示和打印等的需要。监测系统是一个开环监测系统,生产过程的控制和调节由人工完成。,计算机监测系统示意图,2. 计算机监督系统 计算机监督系统(Computer Supervisory System)以具有分析决策功能为特点。它在检测系统的基础上,发挥计算机智能化特点,充分利用计算机快速计算、大量记忆、综合分析、逻辑判断等功能,对预处理后的信息进行二次加工,如各种常规计算、有关的性能指标计算、各种数据和指标的图形生成、数据的组织管理、事故状态判断和记录、

55、险情预测预报、根据历史数据及当前生产状况形成下一步应如何进行生产操作的建议等。 监督系统的输出除了监测系统所具有的内容外,主要还包括故障诊断、险情预报、生产操作指导等。在现代监督系统中,常以图、文、声的多媒体形式输出,达到友好的、人性化的人机交互。监督系统不直接作用于生产过程的执行机构,它仍是一个开环系统。,3. 计算机控制系统 计算机控制系统(Computer Control System)又称直接数字控制系统(Direct Digital Control,DDC)。它的特点是具有自动控制功能,即由计算机直接对生产过程进行控制。它是在监测系统的基础上根据事先决定并存储在计算机中的一种或多种控

56、制策略,输出控制信息,直接作用在执行机构上,完成自动控制和调节功能。它是一个闭环系统,不仅有从生产过程送至计算机系统的检测信息通道,如A/D,SI,脉冲量检测,视频处理等组成的通道,而且有从计算机系统送至生产过程的控制信息通道,如D/A,S0,脉冲量执行等组成的通道。,计算机控制系统示意图,4. 计算机监控系统 计算机监测控制系统(Computer Supervisory Control System)综合了上述三种系统的功能,由计算机完成输入处理、信息加工、分析决策以及输出控制调节。 系统所实现的主要功能可以简要地归纳成下表。其中,Y表示以此功能为主,N表示不以此功能为主。该表只是说明上述4

57、种系统的主要特点,在实际的工业监测控制系统中,各种系统所完成的功能有相当程度的交叉。某一个具体的系统往往以一种功能为主要完成目标,而辅以其他相关功能。例如控制系统往往有一定的分析决策能力,能进行数据的组织管理、故障分析诊断、险情预报等,而监督系统,特别是现代大型的监督系统,在某些局部或某些回路又具有自动控制功能。,计算机监测控制系统的主要功能,按系统组成的结构 1. 直接监控系统 直接监控系统(Direct Supervisory Control System) 往往是单机控制系统,它由一台计算机和有关的过程接口以及必要的外围设备组成,完成系统的全部功能。由于所有的功能都集中在一台计算机上,就

58、自然产生了“危险集中”的缺点,一旦计算机出现故障,整个生产系统就面临危险。但随着计算机硬软件技术的发展,计算机本身的性能和可靠性大大提高,使单机系统能完成的功能增强,可靠性己无需太多顾虑,从而直接监控系统使用范围也在不断增大。在我国计算机监测控制系统的应用还是以直接监控系统为主,特别是在大量的中小型企业中。 直接监控系统往往是下面要讲到的分级系统和分布式系统的最底层,因而也是后面两种系统的基础。,2. 分级系统 分级或多级计算机监控系统(Multi-level Computer Supervisory Control System)是一个综合的多机系统。它由多台计算机构成系统中的各个级以完成多

59、种功能,各级之间通过通信传送信息,相互协调。最常用的是上下两级计算机监测控制系统,包括直接测控级和过程监督级。 直接测控级：进行一数据采集、数据预处理、开环或闭环控制、设备单元的监测及故障诊断、事故报警等。同时它还接受和执行上级计算机(过程监督级)的指令,并向上级计算机传递实时信息。在许多情况下,直接测控级计算机都是专用控制器或者PLC,它可以安放在生产现场或设备附近,使用十分灵活。,过程监督级：为生产决策者提供有关信息,根据生产计划作出调度方案,进行各设备间的协调,使它们处于最佳运行状态；根据历史数据及当前生产状况进行优化控制或优化生产操作指导,给直接控制级计算机提供各种控制信息,如最优设定值及最优控制量等；进行有关性能指标计算,生成各种生产数据和指标的图形,数据的组织管理,生产过程事故状态判断和记录,险情预测预报,报表打印等。过程监督级的计算机可以采用标准的工业PC,在有些环境较好的地方,也可以考虑采用普通PC机。,分级计算机监测控制系统,3. 分布式系统 分布式控制系统(Distributed Control System,DCS)又称分散式控制系统或集散控制系统。它在体系结构上的特点是层次化,其基本思想是集中操作管理,分散控制。由于控制分散,就可以做到 “危险分散