第四讲MCS系统

第四讲：模拟量控制系统（MCS）
1、概述
模拟量控制系统将锅炉、汽轮机视为一个整体，使整个机组的实发功率能迅速跟踪给定功率的变化，同时又能维持锅炉输出蒸汽量与汽机输入蒸汽量的平衡，以便迅速、准确和稳定地响应中调系统(ADS)或操作员负荷指令。

同时，模拟量控制系统(MCS)还担负生产过程中各子控制系统的自动控制任务。

当发生主要附机故障或主要参数越限等影响负荷或危及机组安全运行的情况时，对机组的负荷指令进行及时的处理和限制，同时各子控制系统进行必要的调整，保证机组安全经济运行。

在机组启、停、正常运行和事故处理中，MCS和SCS、DEH配合，完成各种控制调节任务。

MCS对一些过程变量可以实现全程控制,减少人员的中间干扰，减轻了运行人员的劳动强度。

2、MCS 控制逻辑
MCS系统可以分为两大部分：负荷管理级和基础控制级。

2.1负荷管理级：分为机组指令管理和机炉主控系统。

2.1.1机组指令：对外部负荷指令或目标负荷指令进行选择，经处理后，转换成机组可接受的负荷指令，作为机组的实际负荷指令。

其主要功能有：
·AGC或操作员负荷指令选择
·频率控制
·最大、最小负荷限制及负荷速率限制
·闭锁增减
·快速减负荷
2.1.2机炉主控系统：根据机组运行条件及要求，选择合适的控制方式，按照实际负荷指令，分别输出汽机指令和锅炉指令至基础控制级。

机炉主控系统可以实现三种控制方式：
（１）基本方式(BASE)
在此方式下，机组的功率和汽压控制回路均被切除，机炉主控制器由操作员手动控制。

在炉侧，手动改变锅炉负荷指令，达到调节主汽压力的目的。

在机侧手动改变汽机指令，通过DEH 控制机组功率。

在下列任一条件满足时,机组切至基础控制方式：
MFT动作
操作员选中基本方式
锅炉主控制器和汽机主控制器同时手动
（２）协调控制方式(CCS)
在此方式下，汽机主控器在自动位置，根据机组的实际负荷指令对功率进行自动调节。

锅炉主控器也在自动位置，热量信号与能量平衡（DEB）指令比较并经运算后作为锅炉主控指令。

负荷改变时,先由汽机发出控制指令，利用锅炉的蓄热能力快速适应负荷的需要。

此时主汽压力逐渐降低，当主汽压力与给定值的偏差大于f(x)模块的死区范围时，f(x)的输出与机组功率指令累加后送至汽机侧,限制主汽压力的进一步变化。

与此同时，炉侧迅速改变燃烧率，使主汽压力恢复到给定值范围。

这种控制方式既利用了锅炉的蓄热能力，又保证了汽压的稳定，是一般单元机组常用的运行方式。

协调控制方式要求锅炉主控和汽机主控都在自动位置，否则协调控制不成立。

当下列任一条件成立时，汽机主控切手动：
·DEH自动不允许
·机组功率信号坏
·汽机同步器位置偏差大
·DEH参考负荷信号坏
·操作员选择基本方式
·功率偏差大
·MFT
当下列任一条件成立时，锅炉主控切手动：
·MFT
·调速级压力信号坏
·汽包压力信号坏
·给粉机全部手动
·主汽压力与设定值偏差大
·主汽压力高
·主汽压力信号坏
（３）锅炉跟随方式（BF）
在这种方式下，汽机主控在手动位置，机组功率控制回路被切除，机组负荷由操作员手动控制，控制指令直接送至DEH。

锅炉主控在自动位置，主汽压力调节回路投入，自动调节给粉机转速。

当负荷变化时，先由汽机发出控制指令，直至主汽压力发生变化后，再由锅炉跟随发出控制指令。

锅炉跟随控制方式充分利用了锅炉的蓄热能力，使机组功率有迅速的响应。

因此，这种方式具有较好的初期负荷响应特性，对带变动负荷及进行电网调频的机组有利。

但由于锅炉的热惯性很大，如果实际负荷指令（UD）变化过于剧烈，很容易造成锅炉蓄热的过分利用，从而导致主汽压力波动大，对机组的安全和稳定运行不利。

2.2基础控制级组成
MCS中由XDPS组态的控制系统共有37套,各系统如下:
A侧一级过热器温度
B侧一级过热器温度
A侧二级过热器温度
B侧二级过热器温度
A侧再热器微量喷水
B侧再热器微量喷水
A侧再热器事故喷水
B侧再热器事故喷水
连排水位调节
暖风器用汽调节
暖风器疏水调节
A引风机控制
B引风机控制
A送风机控制
B送风机控制
A二次风机控制
B二次风机控制
燃油压力调节
主汽压力调节
轴封温度调节
补水箱水位调节
凝汽器水位调节
协调控制系统
除氧器水位调节
除氧器压力调节
旁路给水
A泵耦合器
B泵耦合器
燃烧器摆角调节
3基础控制级总体方案
ADS或操作员给定的负荷指令经过负荷指令管理系统和机炉主控系统处理后，输出汽机指令和锅炉指令，分别送往DEH和锅炉侧。

假如负荷指令增加，DEH控制调门开大，主汽流量增大，调速级压力和主蒸汽压力必然降低。

此时，锅炉主控指令增加，送风机、二次风机先开大，增加送风量。

开大送风机、二次风机的同时，给引风机一个前馈指令，开大引风机，维持炉膛负压。

然后增加给煤机的转速，加大煤量。

汽包水位三冲量和单冲量交替全程控制。

正常运行时是三冲量调节，克服汽包水位的滞后和虚假水位的影响。

当锅炉处于启动或低负荷时，蒸汽流量与给水流量的测量误差较大，而且锅炉启动时汽、水流量差值大，所以无法引用蒸汽流量和给水流量这两个信号。

另外，此时虚假水位现象不严重，完全可以只根据汽包水位进行单冲量调节。

影响蒸汽温度的因素很多，而且喷水减温调节的延迟很大。

因此，过热蒸汽设置了两级减温控制，每一级都是串级调节。

代表负荷的调节级压力经函数修正后，与操作员指令迭加后作为汽温的给定值。

再热器减温调节的给定值也是这样处理。

再热汽温调节以摆脱燃烧器角度为主，微量喷水作为细调，危机情况下，打开事故喷水阀。

因为采用钢球式中间储仓式制粉系统，所以磨煤机和排粉机控制相对独立。

磨煤机的出口温度和入口负压由磨入口冷、热风挡板及磨煤机再循环门调节，分别满足磨煤机的干燥出力和通风出力。

排粉机的出口温度和出口压力，由排粉机入口冷、热风挡板控制，其作用分别是保证一次风温和建立制粉系统的负压。

MCS系统中除了控制回路外，还采用了信号品质检测技术和逻辑判断方法，对一些重要的过程变量或参数的信号进行在线质量监控，一旦偏离正常状态，自动采取相应措施。

或切换为手动方式，同时发出报警信号。

基础控制级的各控制系统下面再做分步介绍。

4过热汽减温控制系统(以A侧一级减温水控制为例)
由于不同负荷与汽温具有一定的函数关系，所以用代表负荷的调节级压力经函数变化后，再加上操作员的手动给定，作为汽温的给定值。

该系统以A侧一级减温器出口汽温为被控量，取A侧一级减温器入口温度为导前信号， A侧一级减温器出口汽温与给定值比较，经主调节器运算后，其输出作为副调节器的给定值，再与A侧一级减温器入口温度比较运算后，发出控制指令动作喷水调阀。

只要A侧一级减温器入口汽温发生变化，副调节器就去改变减温水流量，初步维持入口温度在一定范围内，起粗调作用。

A侧一级减温器出口温度的控制是通过主调节器来校正副调节器工作的，只要出口温度未达到给定值，主调节器的输出信号就不断变化，使副调节器不断去调整减温水量，直至出口汽温恢复到给定值。

稳态时，入口汽温可能稳定在与原来不同的数值上，但出口气温一定等于给定值。

在串级汽温控制系统中，由于两个回路的任务及动态特性不同，调节器的参数可以整定为不同数值。

副调的任务是快速消除内扰，要求控制过程的持续时间较短，但不要求无差，故一般可整定为纯比例调节器。

当出口汽温惯性较大时，也可整定为比例微分调节器，主调节器的任务是维持出口汽温恒定，一般整定为比例积分调节器。

在异常工况下，系统由逻辑控制回路自动切至手动方式。

下列任一条件成立时，回路切至手动方式：
·调节级压力品质坏
·A侧一级减温器出口汽温品质坏
·A侧一级减温器入口汽温品质坏
·负荷＜25%
·A侧一级减温水调门反馈偏差大
·A侧一级减温器出口汽温与给定值偏差大
·MFT
当负荷小于25%或者MFT动作后，除将系统切为操作员自动外，还将发出一个指令，超弛关闭减温水调节阀。

当减温水调阀开至99%时，对主调节器输出信号进行上限闭锁。

B侧一级减温水控制和A、B侧二级减温水控制的原理及实现方法与A侧一级减温水控制相同。

在二级减温控制中，为了提高系统的快速性，调节级压力经f(x)后作为前馈信号，加入副调节器的给定值。

5再热器温度控制
采用中间再热可以降低汽机末端叶片的蒸汽湿度、降低汽耗、提高整个机组的效率。

机组的再热汽温对上述各项影响很大，因而再热汽温的控制与调整对整个机组的安全、经济运行具有重要意义。

再热器由高温再热器和低温再热器组成。

在低温再热器进口集箱前设有事故喷水减温器，以保护再
热器；在低温再热器出口至高温再热器入口之间设置了微量喷水减温器，用作再热汽温的细调。

再热器由于结构特殊，所以影响其变化的因素很多。

汽机工况的变化直接影响再热汽温。

在其它工况不变的情况下，高压缸排汽温度升高，则再热器温必然上升，高压缸排汽温度随机组负荷的增加而上升，过热汽温的升高也将导致高压缸排汽温度的上升。

锅炉工况的变化也将影响再热器温。

再热器吸热越多，汽温越高，影响再热汽温的因素有燃料量、风量、受热面积灰等。

再热蒸汽温度正常情况下由喷燃器火嘴倾角的摆动来控制火焰中心的高度，使炉膛出口烟气温度得到改变，以达到调节再热汽温的目的。

但是燃烧器摆角有一定限制，向上倾角过大会增加机械不完全燃烧损失并易造成炉膛结渣；向下倾角过大时，可能造成冷灰斗结渣。

另外，由于炉膛内的温度很高，喷燃器受热膨胀，易出现卡涩现象，因此另外设置了旁路烟气档板。

喷水减温由于结构简单，调节方便，调节效果好而用作再热汽温的细调，但由于会降低机组的热效率，所以一般只用作再热汽温辅助调节手段或者事故喷水调节。

再热器喷水减温又分微量喷水和事故喷水两种。

再热器微量喷水通过控制喷水量的多少，调节再热器出口温度在规定范围内，是再热器温的细调。

当锅炉燃烧恶化引起烟道中二次燃烧或再热器前受热面积灰结焦引起再热器进口烟温严重升高时，或者高旁减温减压装置失灵，高温过热器的蒸汽直接进入再热器时，都可用事故喷水进行紧急降温，保护再热器。

5.1再热器微量喷水控制
微量喷水控制属于串级调节系统，同过热器减温很相似。

再热汽温的给定值用代表负荷的调节级压力经f（x）修正后,再加上操作员手动指令而形成。

被调量是高温再热器出口温度，导前信号取高温再热器入口温度。

如下列任一条件成立时，由逻辑控制回路产生一个切手动信号：
高温再热器出口温度品质坏
高温再热器进口温度品质坏
负荷小于25%
MFT
再热器微量喷水调门反馈偏差大
高温再热器出口汽温与给定值偏差大
调节级压力偏差大
当MFT动作或负荷小于25%时，除将系统切至手动外，还将喷水阀超弛全关。

3.5.2再热器事故喷水调节
再热器事故喷水同其它喷水减温控制系统一样，属于串级调节系统，被调量是高温再热器出口温度，导前信号取低温再热器入口温度。

当下列任一条件成立时，将系统切至手动：
高温再热器出口温度与设定值偏差大
事故喷水阀位反馈偏差大
调节级压力品质坏
高温再热器出口温度品质坏
负荷小于25%
MFT
再热器微量喷水和事故喷水A、B侧原理相同
3.6给水系统自动调节
汽包锅炉给水自动调节的主要任务是维持汽包水位在允许范围内变化。

汽包水位是表征锅炉安全运行的重要参数之一。

如果锅炉汽包水位过高，会降低汽水分离装置的分离效果，造成蒸汽带水，使含盐浓度增大，影响蒸汽品质。

造成过热器受热面结垢而导致过热器烧坏，同时还会引起过热汽温急剧变化。

过热蒸汽中含盐量增多会使汽轮机叶片结垢，降低汽轮机出力。

汽包水位过低，可能破坏某些水冷壁管束中的水循环，使上升管因温度过高而爆破。

所以水位过高或过低都会造成重大事故。

影响水位变化的主要因素有锅炉的蒸发量、给水流量和燃烧率等。

当蒸汽流量突然增大时，由于汽包水位对象是无自平衡能力的，这时水位应按积分规律下降。

但是当锅炉蒸发量突然增加时，汽包水面下的汽泡容积也迅速增大，即锅炉的蒸发强度增加，从而使水位升高。

因蒸发强度的增加是有一定限度的，故汽泡容积增大而引起的水位变化是惯性环节的特性。

实际水位变化的趋势是两种特性的迭加。

由此可以看出，当锅炉蒸汽负荷变化时，汽包水位的变化具有特殊的形式：在负荷突然增加时，虽然锅炉的给水流量小于蒸发量，但开始阶段的水位不仅不
下降，反而迅速上升（反之，当负荷突然减小时，水位反而先下降），这种现象就是“虚假水位”现象。

给水流量和燃烧率扰动由于水面下汽泡的原因，也能产生虚假水位，因此给水控制系统不能单单以汽包水位为被调量，为了减少或抵消虚假水位现象，就必须采用三冲量调节系统。

所谓三冲量，就是指汽包水位、蒸汽流量和给水流量。

蒸汽流量和给水流量是引起水位变化的原因，蒸汽流量作为水位调节的前馈信号，当蒸汽流量改变时，调节器立即动作，相应地改变给水流量，而当给水流量自发地变化时，调节器也立即动作，使给水流量恢复到原来数值，这样就有效控制了虚假水位的影响。

给水控制是串级调节系统，主调节器接受水位信号，对水位起校正作用，是细调；其输出作为副调节器的给定值，副调节器的被调量是给水流量，目的是快速消除来自水侧的扰动。

为了提高给水控制系统的可靠性，汽包水位测量使用了三个变送器。

三个经压力校正后的汽包水位信号取平均值，作为控制系统的被调量，当水位测量信号平均值超过±300mm，而且任意两个水位测量信号越限±280mm时，发出汽包水位MFT信号。

当给水温度不变，而压力在某个范围变化时，给水流量的测量误差很小，若给水压力不变，给水温度在某个范围内变化时，给水流量的测量误差较大，所以对给水流量信号只采取温度校正。

蒸汽流量采用汽机调节级压力的测量来表示，调节级压力经过温度修正后，可近似代表蒸汽流量测量值。

如果采用标准喷嘴测量蒸汽流量，一方面在高温高压下节流喷嘴容易磨损，检修维护也困难，测量误差较大，另一方面节流损失也大，一般不采用此种方法。

如果旁路投入，则锅炉的蒸发量包括进入汽机的蒸汽流量和流经汽机旁路的蒸汽流量。

蒸汽流量大于额定流量10%、小于30%时送出信号上网，供其它系统用。

当用蒸汽流量转换出负荷小于30%时，送至给水控制系统，切为三冲量调节汽包水位。

在启停炉或低负荷时，由于蒸汽流量信号没有或者蒸汽流量不稳定，水位采用手动调节。

当负荷大于10%时，可以投入旁路给水自动，采用单冲量调节水位，水位高时减少给水流量，水位低时增加给水流量，此时电动给水泵保持在某一固定转速。

水位与定值发生偏差时，经比例、积分运算后去控制旁路给水阀。

当机组负荷大于30%且给水调阀开度大于90%时，系统切为三冲量控制。

主调节器的输出加上蒸汽流量信号，作为负调节器的设定值，与给水流量比较，经过比例、积分运算后，输出控制电动给水泵转速。

此时单级调节器的输出跟踪负调节器的输出，如果负荷减小，三冲量系统可以自动切换到单冲量系统。

串级三冲量给水调节系统由两个闭合回路和一个前馈补偿回路组成，由给水流量、负调节器组成的回路是内回路，它能迅速消除内扰。

由于对象调节通道的迟延和惯性，在水位没有反应之前，内回路就可消除内扰。

由水位信号、内回路和主调组成的回路是外回路，它能消除各种内外扰动，保证水位在允许范围内。

由蒸汽流量作为前馈补偿回路，由于蒸汽流量信号不在系统闭合回路之内，因此它的大小不会影响控制系统的稳定性。

其作用有两个，其一作为前馈信号克服虚假水位的影响，改善负荷扰动下的调节品质，其二是和给水流量配合，消除系统静差。

串级调节系统的两个调节器任务不同，参数整定相对独立。

副调的任务是当给水扰动时，迅速动作使给水量不变，而当蒸汽流量改变时，副调改变给水量，保持给水量和蒸汽量平衡，一般副调整定为纯比例调节。

主调的作用是保持汽包水位始终等于给定值，一般主调整定为比例积分环节，串级的调节品质比单级好。

在负荷变化时，给水流量将随蒸汽流量的变化而变化，起粗调作用，静态水位则由于水位的校正作用总是等于给定值，这样蒸汽流量信号和给水流量信号的配比就要求的不太严格，而且可以根据锅炉虚假水位的具体情况，适当加强蒸汽流量信号以改善动态过程。

当下列任一条件满足时，给水调阀切手动：
A泵、B泵有一个在自动位置
负荷〈10%
给水调阀反馈偏差大
汽包水位品质坏
汽包压力品质坏
水位定值偏差大
MFT
主给水阀打开
当下列任一条件满足时，A给水泵切手动：
A泵反馈偏差大
汽包压力品质坏
主汽流量信号品质坏或总给水流量信号品质坏且三冲量投入
水位定值偏差大
当下列任一条件满足时，B给水泵切手动：
B泵反馈偏差大
汽包压力品质坏
主汽流量信号品质坏或总给水流量信号品质坏且三冲量投入
水位定值偏差大
3.7风烟系统自动调节
风烟系统控制主要包括送风机控制、引风机控制及磨煤机、排粉机的冷、热风控制。

磨煤机、排粉机控制在制粉系统中介绍，本节只介绍送风控制和引风控制。

3.7.1送风控制
送风控制的目的就是满足锅炉完全燃烧所需的空气量，实现经济燃烧。

系统配有两台轴流式风机。

送风控制由氧量校正回路、风量测量回路、主控制回路、风煤交叉限制回路组成。

3.7.1.1氧量校正回路
烟气中的含氧量可以正确的反映过量空气系数的大小，任何煤种在完全燃烧以后，送风量相对越多，过量空气系数就越大，烟气中的含氧量就越高，一般正常维持在4-6%。

氧量测量常用的是氧化锆探头，安装在烟道两侧。

锆头的安装位置很重要，直接影响到测量信号的准确性。

由于氧化锆测量不一定能真实反映炉膛的过量空气（炉膛有漏风等因素的影响），同时烟气中的含氧量还随锅炉负荷的增加而减少，所以要对氧量信号加以修正。

一般用能代表锅炉蒸汽负荷的调节级压力经函数修正后加入氧量调节器的给定值，经比例积分调节后，作为锅炉的实际氧量。

3.7.1.2主控制回路
从锅炉主控制器发出的锅炉指令送往给粉控制系统，控制给粉机转速的同时，又有一路送到送风控制系统。

该指令经过风煤交叉限制，再加上氧量信号，作为PID控制器的给定值，它与实际测量的总风量相比较，经过运算后，形成A、B送风机的自动控制指令。

该指令同时又送到引风调节系统，作为前馈控制信号，加快引风调节的响应速度。

3.7.1.3风煤交叉限制回路
为了保证燃烧的经济性，控制系统设置了风煤交叉限制。

锅炉指令同风量经过小选输出，作为燃料给定值；锅炉指令与热量信号经过大选输出，作为送风给定值，互相配合达到先减煤后减风，先加风后加煤的交叉限制功能。

当锅炉指令增加时，因为原来风粉处于相对稳定状态，所以不能通过小选来增加煤粉，而能通过大选先增加风量。

当风量增大以后，锅炉指令才能通过小选增加煤粉量。

当锅炉指令减小时，首先通过小选减少煤粉量，当热量信号减小以后，才能减小送风量，保证最佳
风煤交叉原理图
3.7.1.4风量测量回路
总风量包括一次风量和二次风量，由于温度对风量测量的影响较大，所以对热一次风和二次风进行温度补偿，补偿后的一次风量和二次风量相加就是系统的总风量。

总风量的测量值大于额定风量的40%时，发出逻辑信号送往FSSS，作为允许点火的一个条件，当总风量小于额定风量的30%时，信号送往FSSS，使MFT动作。

如果A、B送风机操作器任一个在自动位置，就可由上一级指令系统自动控制。

该级具有闭锁增、闭锁减、手自动切换功能，增禁止的条件是炉膛压力高；减禁止的条件是炉膛压力低，在A、B送风机都手动时，自动切手动；在A、B送风机都在自动位置时，切至自动位置。

A、B送风机切手动的条
件很多，当下列任一条件成立时，A、B送风机均切手动：
排粉机A出口温度坏
排粉机B出口温度坏
引风机在手动位置
MFT
A一次风温度坏
B一次风温度坏
A送风机电机事故跳闸
B送风机电机事故跳闸
当下列任一条件成立时，A送风机切手动：
送风机A液偶指令反馈偏差大
送风机A液偶指令与给定值偏差大
A送风机切手动信号
当下列任一条件成立时，B送风机切手动：
送风机B液偶指令反馈偏差大
送风机B液偶指令与给定值偏差大
B送风机切手动信号
3.7.2引风控制系统
炉膛压力采用平衡通风的方式进行调节，也就是说炉膛压力既不是正压，也不是负压，是炉膛内压力与外界压力的近似值，稍低于外界大气压。

炉膛压力太小易造成炉膛灭火，炉膛压力过大容易造成人和设备的不安全，所以对炉膛压力要进行控制。

引风控制的扰动来自送风和引风。

炉膛负压的测量采用两台变送器取平均值的方法，该平均值作为炉膛压力被调量的值。

引风控制系统是控制炉膛负压为给定值的单回路系统。

为防止炉膛压力波动较大，执行机构频繁动作，对炉膛压力测量值和给定值的差值信号加死区修正。

若偏差在死区之内，系统不予调节，偏差在死区之外，进行比例、积分调节，保证炉膛压力为给定值。

如果炉膛压力与给定值的偏差过大时，则启动另一支调节回路，偏差经f(x)修正并进行速率限制后，对引风机指令有大幅度的调节作用，以加快调节的反应速度。

该信号是通过两个加法器加到主回路的，偏差小的时候加进去的是零，对主回路无影响。

由于送风量的大小对炉膛压力影响较大，为了在送风量改变时引风系统跟随动作，把送风指令信号作为前馈送入引风系统，保持炉膛压力为给定值，这样就大大增加了引风系统的稳定性，减少了负压的动态偏差。

当炉膛压力测量值低限报警且炉膛压力信号品质好时，闭锁引风机增加指令；当炉膛压力测量值高限报警且炉膛压力信号品质好时，闭锁引风机减指令。

SCS来的信号也可直接关闭引风机入口挡板。

当下列任一条件满足时，A引风机切手动：
炉膛压力测量值品质坏
两个负压信号偏差大
引风机A液偶反馈指令偏差大
总风量品质坏
引风机指令与给定值偏差大
当下列任一条件满足时，B引风机切手动：
炉膛压力测量值品质坏
两个负压信号偏差大
引风机B液偶反馈指令偏差大
总风量品质坏
引风机指令与给定值偏差大
3.8制粉系统控制
3.8.1磨煤机控制
磨煤机的运行主要是完成三个任务：磨煤出力、干燥出力和通风出力。

它们之间是相互限制的。

排粉机的主要作用是建立制粉系统负压。

我厂一期是采用了钢球磨中间储仓式制粉系统，乏气送粉。

共有两台磨煤机、两台排粉机，即两套制粉系统。

从送风机出来的冷风经暖风器、空预器加热后成为热风，用来输送和加热煤粉。

原煤仓中的原煤。