单元机组的控制与调节
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一次调频——使系统的总发电出力满足系统 一 总负荷的要求
——主要由汽轮机的调速控制实现
二次调频——使电力系统运行频率与额定频 一 率之间的误差趋于零
——由调节发电机的频率特性实现
合理分配发电出力——在电力系统各成员之 一 间使联络线交换的功率满 一 足预先商定的计划值
——以此保证运行水平和各方利益
汽轮机调节系统培训课件
汽轮机调节系统培训课件
3、锅炉自动控制系统
包括：1）锅炉的调节控制系统（或称锅炉主控制器）
燃料量调节； 送风量调节； ——给水调节； 炉膛负压调节； 过热汽温和再热汽温调节；
——为单元机组协调控制系统的组成部分
2）炉膛安全保护监控系统（FSSS）
——又称：“锅炉燃烧器管理系统” ——包括燃烧器管理和安全保护两大部分 ——主要功能包括锅炉运行安全功能、操 一 作功能、和火焰检测
其相对值： K 1 PG G
汽轮机调节系统培训课件
ΔPG
f
PG
PGa PGb
（4）电气液压调速器
即：“电调”，如下 图： 为一功频电液调速器，有三部分组成： 若设置汽压给定和真空给定，可改善调节性能
2014-4-11
辽电大连培训中心
24
调差特性的实现： ——有多种不同的方法
一次调频的调节过程：
图
PG（f）为电力系统等效发电机组静态调节特性曲线 PL（f）为电力系统负荷的静态频率特性曲线 ——两条曲线的交点即为系统的运行点 PT为原动机输入功率 若：PTA= PGA= PLA ，则系统稳定 A 点运行 若电力系统负荷突然增加 ΔPL，则开始频率不变， 机组将转子中储存的一部分动能转换成电能；达 到 A 点。同时转速下降，又到 C 点。 若没有调速器调节，负荷增加完全由负荷频 率特性调节，则系统稳定在 B 点运行。
转动惯量
Δω=ω - ω0
转子以恒定转速 ω0 运行时： 输入的机械转矩 TG = 输出的电磁转矩 Te 输入功率PG（= ω0 TG） = 输出功率Pe （ = ω0 Te）
有扰动时，加速转矩、角速度偏移和相位的关系为：
d d T TG TE I I 2 dt dt
汽轮机调节系统培训课件
（2）发电机组的调速特性
——由调速器实现发电机转速（频率）的调整 如图：为一液压调速器，包括测量、放大、执行和整 一 定环节 转速测量（离心飞锤） 其调节原理为：…… 为“有差调节” 油 反馈系数为： 动
R
模型框图为：
Δω
P
机
K/S
-
ΔP
同步器
压 力 油
即：
R
1 1 Ts ΔP
汽轮机调节系统培训课件
2、频率的二次调节
图
概念：用手动或通过自动装置改变调速器频率（或 一 功率）给定值，调节进入原动机的动力元素 一 来维持电力系统频率的调节方法。 ——改变调速器频率给定值即为改变空载频率 ——即相当于机组静态特性向上平移 ——目的是保持系统频率不变或较少变化 结论：通过二次调频，系统的负荷变化可完全由等效机 一 组输入功率的增加承担了，即：
另外：
有功功率和频率的调节控制还涉及：
——机组调速器的结构和工作原理；
——调速系统的工作特性； ——电力系统负荷的频率特性；
——电力系统的调频方法；
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有功功率和频率的调节控制还与电力系统 的经济调度控制（电力系统运行方式）密 切相关
汽轮机调节系统培训课件
（二）单元机组的有功功率控制
1、电力系统的有功功率平衡
汽轮机调节系统培训课件
三、汽轮发电机组负荷的调节
（一）有功负荷与频率调节概述
通过控制发电机有功出力来跟踪 电力系统负荷变化，从而维持频 率等于额定值，同时满足互联电 力系统之间按计划要求交换功率 通常称为： 电力系统自动发电控制 或： 电力系统负荷与频率控制
汽轮机调节系统培训课件
有功功率和频率自动控制主要任务：
汽轮机自启停控制系统（保证机组安全短时启、停）
——控制热应力、延长机组寿命、实现寿命管理
汽轮机调节系统培训课件
5、发电机和电气控制系统
（1）发电机组自动控制系统
图
——励磁系统控制发电机电压和无功功率 ——调速系统控制发电机转速和有功功率 ——自动同期并列装置和断路器控制同期并列 ——自控系统控制经济运行组合和分配 （2）厂用电控制系统
单元机组的控制与调节 燃料 水
空气
锅 炉 发电机
电网
DCS
汽轮机调节系统培训课件
第一节
单元机组的负荷控制
一、单元机组负荷控制的特点
机组热控技术已达到了一个崭新的水平
——随着机组参数和容量的提高 ——随着计算机的采用和控制仪表的进步
以 DCS 为手段的自动控制系统有效地实 现机组安全经济运行 担负着：主、辅机参数控制、回路调节、 异常报警、 联锁保护、 顺序控制、 参数显示、 性能计算、 趋势记录、 报表输出等功能。
汽轮机调节系统培训课件
主要功能可以概括为……
自 动 检 测 自 动 保 护 顺 序 控 制 连 续 控 制
信 息管 处理 理和
汽轮机调节系统培训课件
二、单元机组负荷控制的 主要系统
——为一系列的自动化系统 这些系统用以实现机组负荷控制的功能
包括：计算机监视（数据采集）系统 机炉协调主控制系统 锅炉自动控制系统 汽轮机自动控制系统 发电机和电气控制系统 旁路控制系统 辅助设备及支持系统的自动控制系统 就地控制系统
汽轮机调节系统培训课件
4、汽轮机自动控制系统
汽轮机调节系统（调速系统，对转速和负荷连续调控） 汽轮机保护系统（保护动作时自动关闭主汽门，停机）
低真空保护
超速保护
其执行机构是自动主汽门
汽轮机监视系统（固有保护装置之外的安全监视、保护）
包括： 汽轮机转速； 轴向位移； 相对膨胀；轴承振动； 转子挠度；推力轴瓦和支持轴瓦温度；
f
.
Pw Pw
fw fw
汽轮机调节系统培训课件
o
Pe
（6）原动机的特性
汽容量影响：由于调节阀门与第一级喷嘴之间 存在一定的空间，当阀门开度变动时，进汽两 的变化不能促使汽压立即改变，形成机械功率 滞后于阀门开度变化的现象。
——机组容量越大，汽容影响越大。 ——可用一个 惯性环节 来表示 ——其时间常数为 TCH，一般为 0.2 ~ 0.3 s
——是一个功能齐全的综合体系
汽轮机调节系统培训课件
单元机组负荷控制系统有27种功能，如图：
主要功能有：
（1）数据采集系统（DAS） （2）模拟量控制系统（CCS） （3）炉膛安全保护系统（FSSS） （4）汽轮机控制系统（DEH） （5）汽轮机监测仪表（TSI） （6）汽轮机旁路控制系统（BPCS） （7）发电机氢水油监测系统 （8）辅机顺序控制系统（SCS） （9）给水泵小汽轮机控制系统（MEH）
——确保厂用电不致中断 ——厂用电包括备用电源和紧急直流电源 ——设有备用电源自动投入装置、蓄电池、UPS
汽轮机调节系统培训课件
6、辅助设备及各支持系统 的自动控制系统
——火电厂辅助系统的自动控制系统
大多属于顺序控制系统 作用：保证这些系统的安全运行 包括： ——输煤控制系统； ——锅炉吹灰控制系统； ——锅炉补给水处理控制系统； ——给水启停控制； ——风机启停控制； ——锅炉启停系统控制； ——煤粉制备系统控制；
若转速变化不大，可以近似地认为：
2
PG 0 TG
PE 0 TE
d 则：PG PE 0 I dt
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发电机特性框图：
ΔPG + - ΔPD
1 0 Is
Δω
KD
1 0 Is K D
Δω
即：
ΔPG +
ΔPD
其中：
PD 为负荷的频率调节系数 KD f ——衡量负荷调节效应的大小
——再热式汽轮机还要考虑再热段 一 的充汽时延
汽轮机调节系统培训课件
（三）电力系统频率控制
1、频率的一次调整：
——当电力系统负荷变化引起系统频率变化时， 系统内并联运行机组的调速器会根据电力系统 频率变化自动调节进入它所控制的原动机的动 力元素，，改变输入原动机的功率，使系统频 率维持在某一值运行， 一次调频：电力系统内并联运行机组的调速器在没 一 有手动和自动调节装置参与调节的情况 一 下，自动调节原动机的输入功率与系统 一 负荷功率变化相互平衡来维持电力系统 一 频率的一种调节 即：图中由 A 点到 D 点 再到 C 点的过 程…… 汽轮机调节系统培训课件
1 － 0 Is K D Δω
ΔPD
1 传 0 Is K D 递 1 1 1 1 函 PD 1 Is K 数 R 1 sT 1 sT CH 0 D
汽轮机调节系统培训课件
（1）发电机组特性
可将油动机行程经位移传感器反馈到频率 偏差的输入端 或用功率变送器的输出信号作为调差反馈 环节的输入信号，如图： 大功率机组必须采用直接功率反馈控制 ——因为蒸汽压力对机组处理的影响很大
频率给定 频率测量
Uf + +
- -
控制作用
UP
调差设定
-
+
功率给定 功率测量 25
2014-4-11
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PL3 PL2 PL1
（1）随机分量
（2）脉动分量
——调节的机组功率与PL2、PL3 之和相平衡的 一 ——须有足够的“热备用”
汽轮机调节系统培训课件
（3）持续分量
时间
2、电力系统频率特性
与频率变化基本无关的负荷，如：照明、电热、整流
与频率成正比的负荷，如：机床、球磨机、往复水泵
——负荷特点是阻力矩为常数 与频率2次方成正比的负荷，如：铁心涡流；份额小
特点： 1）增强了各仪表控制系统之间的联系
2）取代了大部分常规仪表 3）提高了对机组的监视能力 4）存贮了大量的历史数据 5）增强了数据处理能力
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2、机炉协调主控制系统
调节功能 两个功能： 逻辑判断功能（异常时联锁保护动作）
作用：根据负荷调度命令和电力系统频率，在 一 单元机组所能承担负荷的情况下，对汽 一 轮机自动控制系统和锅炉自动控制发出 一 指挥和控制指令 另：按负荷需求和机组运行状态采用不同的 一 运行方式
与频率3次方成正比的负荷，如：泵与风机
与频率更高次方成正比的负荷，如：特殊泵 将上述各类负荷综合，可得有功功率与频率的关系为：
f f f PD 0 PDe 1 PDe P P 2 De n De f f f e e e
（5）调节特性的失灵区
也称：“迟缓率”
如图：存在一个“失灵区”，其宽度为“Δfw”，可用ε表 示：
即： f w / f e 称之为调节器的 “迟缓率”
与调差率（速度变动率）的关系为：
P W /
注意：
1）δ* 不能取得太小，否 一 则功率分配误差大 2）失灵区太小对机组不 一 利，应适当
汽轮机调节系统培训课件
错油门
蒸汽
1 Δω R
（3）发电机组的静态调节特性
f a fb f PGb PGa PG ( Hz / MW )
——发电机输出功率和频率的静态关系 如图：可用调差系数（调差率）表示其倾斜程度。其定义为：
又 R / 2
相 f / f e f 或 f P 0 G 对 PG / PGe PG 值 f f 0 调差率：表示机组负荷变化时相应 a fa 一 的频率（转速）偏差。 Δf b fb PG 1 其倒数： KG ( MW / Hz ) f
——系统负荷功率变化是随机的 PL1——是持续负荷分量，变化缓慢、幅 一 度大，取决于生产和生活规律 PL3——是随机负荷分量，变化快、幅 一 度很小，引起频率偏移很小，可 一 有一次调频来调节 PL2——是脉动负荷分量，变化幅度大， 一 引起的频率偏移较大，须通过二 一 次调频来调节
负荷
PL
电力系统综合负荷
汽轮机调节系统培训课件
1、计算机监视系统
包括：厂级监视用计算机及分散控制系统的数字采集系统 作用：对锅炉、汽轮机、发电机及电气系统生产过程参数 一 和设备运行状态进行监视 主要功能：数字采集处理、越限报警、屏幕显示、性能计 一 算、操作指导、打印制表、事故追忆打印和事 一 件顺序记录和历史数据存储等
其相对值：P
d
2
n
0 1 f f ... f
2 2
汽轮机调节系统培训课件
n n
3、发电机组的功率调节控制特性
总框图：
——负荷变化与转速变化之间的关系
1/ R
调速器 原动机 发电机及负荷 +
ΔPG
1 K + － ΔP R 1 sT s
1 1 sTCH
——主要由汽轮机的调速控制实现
二次调频——使电力系统运行频率与额定频 一 率之间的误差趋于零
——由调节发电机的频率特性实现
合理分配发电出力——在电力系统各成员之 一 间使联络线交换的功率满 一 足预先商定的计划值
——以此保证运行水平和各方利益
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3、锅炉自动控制系统
包括：1）锅炉的调节控制系统（或称锅炉主控制器）
燃料量调节； 送风量调节； ——给水调节； 炉膛负压调节； 过热汽温和再热汽温调节；
——为单元机组协调控制系统的组成部分
2）炉膛安全保护监控系统（FSSS）
——又称：“锅炉燃烧器管理系统” ——包括燃烧器管理和安全保护两大部分 ——主要功能包括锅炉运行安全功能、操 一 作功能、和火焰检测
其相对值： K 1 PG G
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ΔPG
f
PG
PGa PGb
（4）电气液压调速器
即：“电调”，如下 图： 为一功频电液调速器，有三部分组成： 若设置汽压给定和真空给定，可改善调节性能
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调差特性的实现： ——有多种不同的方法
一次调频的调节过程：
图
PG（f）为电力系统等效发电机组静态调节特性曲线 PL（f）为电力系统负荷的静态频率特性曲线 ——两条曲线的交点即为系统的运行点 PT为原动机输入功率 若：PTA= PGA= PLA ，则系统稳定 A 点运行 若电力系统负荷突然增加 ΔPL，则开始频率不变， 机组将转子中储存的一部分动能转换成电能；达 到 A 点。同时转速下降，又到 C 点。 若没有调速器调节，负荷增加完全由负荷频 率特性调节，则系统稳定在 B 点运行。
转动惯量
Δω=ω - ω0
转子以恒定转速 ω0 运行时： 输入的机械转矩 TG = 输出的电磁转矩 Te 输入功率PG（= ω0 TG） = 输出功率Pe （ = ω0 Te）
有扰动时，加速转矩、角速度偏移和相位的关系为：
d d T TG TE I I 2 dt dt
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（2）发电机组的调速特性
——由调速器实现发电机转速（频率）的调整 如图：为一液压调速器，包括测量、放大、执行和整 一 定环节 转速测量（离心飞锤） 其调节原理为：…… 为“有差调节” 油 反馈系数为： 动
R
模型框图为：
Δω
P
机
K/S
-
ΔP
同步器
压 力 油
即：
R
1 1 Ts ΔP
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2、频率的二次调节
图
概念：用手动或通过自动装置改变调速器频率（或 一 功率）给定值，调节进入原动机的动力元素 一 来维持电力系统频率的调节方法。 ——改变调速器频率给定值即为改变空载频率 ——即相当于机组静态特性向上平移 ——目的是保持系统频率不变或较少变化 结论：通过二次调频，系统的负荷变化可完全由等效机 一 组输入功率的增加承担了，即：
另外：
有功功率和频率的调节控制还涉及：
——机组调速器的结构和工作原理；
——调速系统的工作特性； ——电力系统负荷的频率特性；
——电力系统的调频方法；
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有功功率和频率的调节控制还与电力系统 的经济调度控制（电力系统运行方式）密 切相关
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（二）单元机组的有功功率控制
1、电力系统的有功功率平衡
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三、汽轮发电机组负荷的调节
（一）有功负荷与频率调节概述
通过控制发电机有功出力来跟踪 电力系统负荷变化，从而维持频 率等于额定值，同时满足互联电 力系统之间按计划要求交换功率 通常称为： 电力系统自动发电控制 或： 电力系统负荷与频率控制
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有功功率和频率自动控制主要任务：
汽轮机自启停控制系统（保证机组安全短时启、停）
——控制热应力、延长机组寿命、实现寿命管理
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5、发电机和电气控制系统
（1）发电机组自动控制系统
图
——励磁系统控制发电机电压和无功功率 ——调速系统控制发电机转速和有功功率 ——自动同期并列装置和断路器控制同期并列 ——自控系统控制经济运行组合和分配 （2）厂用电控制系统
单元机组的控制与调节 燃料 水
空气
锅 炉 发电机
电网
DCS
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第一节
单元机组的负荷控制
一、单元机组负荷控制的特点
机组热控技术已达到了一个崭新的水平
——随着机组参数和容量的提高 ——随着计算机的采用和控制仪表的进步
以 DCS 为手段的自动控制系统有效地实 现机组安全经济运行 担负着：主、辅机参数控制、回路调节、 异常报警、 联锁保护、 顺序控制、 参数显示、 性能计算、 趋势记录、 报表输出等功能。
汽轮机调节系统培训课件
主要功能可以概括为……
自 动 检 测 自 动 保 护 顺 序 控 制 连 续 控 制
信 息管 处理 理和
汽轮机调节系统培训课件
二、单元机组负荷控制的 主要系统
——为一系列的自动化系统 这些系统用以实现机组负荷控制的功能
包括：计算机监视（数据采集）系统 机炉协调主控制系统 锅炉自动控制系统 汽轮机自动控制系统 发电机和电气控制系统 旁路控制系统 辅助设备及支持系统的自动控制系统 就地控制系统
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4、汽轮机自动控制系统
汽轮机调节系统（调速系统，对转速和负荷连续调控） 汽轮机保护系统（保护动作时自动关闭主汽门，停机）
低真空保护
超速保护
其执行机构是自动主汽门
汽轮机监视系统（固有保护装置之外的安全监视、保护）
包括： 汽轮机转速； 轴向位移； 相对膨胀；轴承振动； 转子挠度；推力轴瓦和支持轴瓦温度；
f
.
Pw Pw
fw fw
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o
Pe
（6）原动机的特性
汽容量影响：由于调节阀门与第一级喷嘴之间 存在一定的空间，当阀门开度变动时，进汽两 的变化不能促使汽压立即改变，形成机械功率 滞后于阀门开度变化的现象。
——机组容量越大，汽容影响越大。 ——可用一个 惯性环节 来表示 ——其时间常数为 TCH，一般为 0.2 ~ 0.3 s
——是一个功能齐全的综合体系
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单元机组负荷控制系统有27种功能，如图：
主要功能有：
（1）数据采集系统（DAS） （2）模拟量控制系统（CCS） （3）炉膛安全保护系统（FSSS） （4）汽轮机控制系统（DEH） （5）汽轮机监测仪表（TSI） （6）汽轮机旁路控制系统（BPCS） （7）发电机氢水油监测系统 （8）辅机顺序控制系统（SCS） （9）给水泵小汽轮机控制系统（MEH）
——确保厂用电不致中断 ——厂用电包括备用电源和紧急直流电源 ——设有备用电源自动投入装置、蓄电池、UPS
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6、辅助设备及各支持系统 的自动控制系统
——火电厂辅助系统的自动控制系统
大多属于顺序控制系统 作用：保证这些系统的安全运行 包括： ——输煤控制系统； ——锅炉吹灰控制系统； ——锅炉补给水处理控制系统； ——给水启停控制； ——风机启停控制； ——锅炉启停系统控制； ——煤粉制备系统控制；
若转速变化不大，可以近似地认为：
2
PG 0 TG
PE 0 TE
d 则：PG PE 0 I dt
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发电机特性框图：
ΔPG + - ΔPD
1 0 Is
Δω
KD
1 0 Is K D
Δω
即：
ΔPG +
ΔPD
其中：
PD 为负荷的频率调节系数 KD f ——衡量负荷调节效应的大小
——再热式汽轮机还要考虑再热段 一 的充汽时延
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（三）电力系统频率控制
1、频率的一次调整：
——当电力系统负荷变化引起系统频率变化时， 系统内并联运行机组的调速器会根据电力系统 频率变化自动调节进入它所控制的原动机的动 力元素，，改变输入原动机的功率，使系统频 率维持在某一值运行， 一次调频：电力系统内并联运行机组的调速器在没 一 有手动和自动调节装置参与调节的情况 一 下，自动调节原动机的输入功率与系统 一 负荷功率变化相互平衡来维持电力系统 一 频率的一种调节 即：图中由 A 点到 D 点 再到 C 点的过 程…… 汽轮机调节系统培训课件
1 － 0 Is K D Δω
ΔPD
1 传 0 Is K D 递 1 1 1 1 函 PD 1 Is K 数 R 1 sT 1 sT CH 0 D
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（1）发电机组特性
可将油动机行程经位移传感器反馈到频率 偏差的输入端 或用功率变送器的输出信号作为调差反馈 环节的输入信号，如图： 大功率机组必须采用直接功率反馈控制 ——因为蒸汽压力对机组处理的影响很大
频率给定 频率测量
Uf + +
- -
控制作用
UP
调差设定
-
+
功率给定 功率测量 25
2014-4-11
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PL3 PL2 PL1
（1）随机分量
（2）脉动分量
——调节的机组功率与PL2、PL3 之和相平衡的 一 ——须有足够的“热备用”
汽轮机调节系统培训课件
（3）持续分量
时间
2、电力系统频率特性
与频率变化基本无关的负荷，如：照明、电热、整流
与频率成正比的负荷，如：机床、球磨机、往复水泵
——负荷特点是阻力矩为常数 与频率2次方成正比的负荷，如：铁心涡流；份额小
特点： 1）增强了各仪表控制系统之间的联系
2）取代了大部分常规仪表 3）提高了对机组的监视能力 4）存贮了大量的历史数据 5）增强了数据处理能力
汽轮机调节系统培训课件
2、机炉协调主控制系统
调节功能 两个功能： 逻辑判断功能（异常时联锁保护动作）
作用：根据负荷调度命令和电力系统频率，在 一 单元机组所能承担负荷的情况下，对汽 一 轮机自动控制系统和锅炉自动控制发出 一 指挥和控制指令 另：按负荷需求和机组运行状态采用不同的 一 运行方式
与频率3次方成正比的负荷，如：泵与风机
与频率更高次方成正比的负荷，如：特殊泵 将上述各类负荷综合，可得有功功率与频率的关系为：
f f f PD 0 PDe 1 PDe P P 2 De n De f f f e e e
（5）调节特性的失灵区
也称：“迟缓率”
如图：存在一个“失灵区”，其宽度为“Δfw”，可用ε表 示：
即： f w / f e 称之为调节器的 “迟缓率”
与调差率（速度变动率）的关系为：
P W /
注意：
1）δ* 不能取得太小，否 一 则功率分配误差大 2）失灵区太小对机组不 一 利，应适当
汽轮机调节系统培训课件
错油门
蒸汽
1 Δω R
（3）发电机组的静态调节特性
f a fb f PGb PGa PG ( Hz / MW )
——发电机输出功率和频率的静态关系 如图：可用调差系数（调差率）表示其倾斜程度。其定义为：
又 R / 2
相 f / f e f 或 f P 0 G 对 PG / PGe PG 值 f f 0 调差率：表示机组负荷变化时相应 a fa 一 的频率（转速）偏差。 Δf b fb PG 1 其倒数： KG ( MW / Hz ) f
——系统负荷功率变化是随机的 PL1——是持续负荷分量，变化缓慢、幅 一 度大，取决于生产和生活规律 PL3——是随机负荷分量，变化快、幅 一 度很小，引起频率偏移很小，可 一 有一次调频来调节 PL2——是脉动负荷分量，变化幅度大， 一 引起的频率偏移较大，须通过二 一 次调频来调节
负荷
PL
电力系统综合负荷
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1、计算机监视系统
包括：厂级监视用计算机及分散控制系统的数字采集系统 作用：对锅炉、汽轮机、发电机及电气系统生产过程参数 一 和设备运行状态进行监视 主要功能：数字采集处理、越限报警、屏幕显示、性能计 一 算、操作指导、打印制表、事故追忆打印和事 一 件顺序记录和历史数据存储等
其相对值：P
d
2
n
0 1 f f ... f
2 2
汽轮机调节系统培训课件
n n
3、发电机组的功率调节控制特性
总框图：
——负荷变化与转速变化之间的关系
1/ R
调速器 原动机 发电机及负荷 +
ΔPG
1 K + － ΔP R 1 sT s
1 1 sTCH