300MW火电机组协调控制系统的设计说明

目录
1．选题背景 (1)
1.1 设计背景 (1)
1.2 设计任务 (1)
2．方案论证 (1)
2.1 协调控制系统的功能 (1)
2.2 单元机组的运行方式 (2)
2.2.1 定压运行方式 (2)
2.2.2 滑压运行方式 (2)
2.2.3 联合运行方式 (2)
2.3 单元机组负荷控制方式 (3)
2.3.1 以锅炉跟随为基础的协调控制方式 (3)
2.3.2以汽轮机跟随为基础的协调控制方式 (4)
2.3.3 综合型协调控制方式 (5)
3．过程论述 (5)
3.1负荷指令管理部分 (6)
3.1.1负荷指令运算回路 (6)
3.1.2负荷指令限制回路 (7)
3.1.3 负荷增／减闭锁BLOCK I/D (10)
3.1.4 负荷迫升／迫降 RUN UP/DOWP (11)
3..2机炉负荷控制部分 (12)
3.2.1 锅炉主控制器 (12)
3.2.2 汽轮机主控制器 (13)
4．结果分析 (14)
5．总结 (14)
6．心得体会 (14)
7．参考文献 (15)
1．选题背景
1.1 设计背景
随着电力工业的发展，高参数、大容量的火力发电机组在电网中所占的比例越来越大。

大容量机组的汽轮发电机和锅炉都是采用单元制运行方式。

所谓单元制就是由一台汽轮发电机组和一台锅炉所组成的相对独立的系统。

单元制运行方式与以往的母管制运行方式相比，机组的热力系统得到了简化，而且使蒸汽经过中间再热处理成为可能，从而提高了机组的热效率。

单元机组的协调控制系统（Coordinated Control Systen简称CCS）是根据单元机组的负荷控制特点，为解决负荷控制中的外两个能量供求平衡关系而提出来的一种控制系统。

从广义上讲，这是单元机组的负荷控制系统。

它把锅炉和汽轮发电机作为一个整体进行综合控制，使其同时按照电网负荷需求指令和部主要运行参数的偏差要求协调运行，即保证单元机组对外具有较快的功率响应和一定的调频能力，对维持主蒸汽压力偏差在允许围。

1.2 设计任务
本设计要求通过运用过程控制的基本概念、基础理论与方法，根据大型火电机组的实际生产，对火电机组的过程控制系统进行分析，设计出原理正确，功能较为全面的300MW火电机组协调控制系统。

2．方案论证
2.1 协调控制系统的功能
现代大型锅炉——汽轮机单元机组属于多变量控制对象。

机、炉相互影响，且机、炉的动态特性差异很大。

广义的协调控制系统就是把锅炉——汽轮机在过程量调节、逻辑控制、联锁保护等各方面作为一个整体进行控制，使锅炉与汽轮机共同承担电网的负荷控制与机前压力的控制任务。

通常所说的协调控制系统是只针对机组主要过程量调节的狭义系统，即实现机组负荷调节、机前压力调节以及机组一次调频的主控制系统。

协调控制系统在机组运行中拥有如下功能：
1）参与电网的调峰、调频
2）实现机组稳定和经济运行。

3）平衡机组出力与主辅机实际能力的差异。

4）具有多种模式可供选择
2.2 单元机组的运行方式
单元机组可以按照若干不同的运行方式运行，不同的运行方式下，受控过程的动态特性往往差别很大。

因此，这里首先介绍单元机组的几种典型运行方式。

2.2.1 定压运行方式
定压运行是指无论机组负荷怎样变动，始终维持主蒸汽压力以及主蒸汽温度为额定值，通过改变汽轮机调节汽门的开度，改变机组的输出功率。

母管制连接的机组只能采用额定蒸汽参数下的定压运行方式。

定压运行机组的运行方式有机跟炉，炉跟机和机炉协调方式三种。

2.2.2 滑压运行方式
单元机组在滑压运行方式下，保持主汽门和调节汽门全开。

外界负荷需求变化时，通过调节锅炉的燃料、风量、给水以及相应的输入量，改变锅炉的蒸发量，进而改变汽轮机的进汽压力，在维持汽温为额定值的前提下，使进入汽轮机蒸汽的能量改变，使汽轮发电机组的输出功率适应外界负荷的需求。

采取的办法是不使汽轮机调节汽门处于全开的位置，而是留出一定的调节余地。

当外界负荷需求变更时，首先通过调整汽轮机调节汽门的开度，改变进汽量，利用锅炉部的蓄热能量，较快地适应外界负荷的需求。

与此同时，调整进入锅炉的输入量，使燃烧率改变，与外界负荷需求达到新的平衡。

调节汽门的调节余地也为机组参与电网一次调频创造了条件。

2.2.3 联合运行方式
综合以上滑压和定压两种运行方式的特点，不难发现在低负荷时滑压运行有利，在高负荷时定压运行方式具有其优越性。

比如，可有效地利用锅炉蓄热，提高对外界负荷需求的响应速度。

如果根据机组的不同负荷水平，在低负荷下采用滑压运行方式，在高负荷下采用定压运行方式，就构成联合运行方式。

图1 联合运行方式2.3 单元机组负荷控制方式
2.3.1 以锅炉跟随为基础的协调控制方式
该方式是在汽轮机侧控制负荷（输出电功率）N
E 、锅炉侧控制主蒸汽压力P
T
的基础上，让汽轮机侧的控制配合锅炉侧控制P
T
的一种协调控制方式。

以锅炉跟随为基础的协调控制方式如图2所示。

图2 以锅炉跟随为基础的协调控制方式
利用P对汽轮机进汽调节阀的限制作用，可减缓汽压的急剧变化，但同时减缓了机组对负荷的响应速度。

由此可见，该协调控制方式是以降低负荷响应性能为代价来换取汽压控制质量提高的。

或者说是通过抑制汽轮机侧的负荷响应速度，使机炉之间的动作达到协调的，其结果兼顾了负荷响应和汽压稳定两个方面的控制质量。

2.3.2以汽轮机跟随为基础的协调控制方式
该方式是在锅炉侧控制负荷（输出电功率）N
E 、汽轮机侧控制主蒸汽压力P
T
的基础上，让汽轮机侧的控制配合锅炉侧控制N
E
的一种协调控制方式。

以汽轮机跟随为基础的协调控制方式如图3所示。

图3 以汽轮机跟随为基础的协调控制方式
及时改变汽轮机进汽调节阀开度的作用，可提高机组的负荷响应能力，但同时会引时主蒸汽压力较大的动态偏差，由此可见，该协调方式是以加大汽压动态偏差为代价来换取负荷响应速度提高的。

由于这种协调控制方式直接由负荷指令控制燃烧率，可以说它是通过加快锅炉侧的负荷响应速度，使机炉之间的动作达到协调的。

其结果同样是兼顾了负荷响应和汽压稳定两个方面的控制质量。

2.3.3 综合型协调控制方式
图4 综合型协调控制方式
在锅炉跟随为基础或汽轮机跟随为基础的协调控制方式中，只有一个被控量是通过两个控制变量的协调操作来加以控制的，而另一个被控量是单独由一个控制变量来控制的，因而，它们只是实现了“单向”协调。

“单向”协调控制在负荷的响应过程中，机组或机炉之间的能量供求仍存在较大的动态失衡现象。

为避免这一问题，综合协调控制方式采用的是“双向”协调，即任一被控量都是通过两个控制变量的协调操作加以控制的。

当主蒸汽压力产生偏差时，机、炉主控制器对锅炉侧和汽轮机侧同时进行操作，一方面加强锅炉燃烧率的控制作用，补偿蓄能的变化，另一方面适当限制汽轮机进汽调节阀的开度，控制蒸汽流量，维持主蒸汽压力稳定，以保证机、炉之间的能量平衡。

由此可见，综合型协调控制方式，能较好的保持机组、外两个能量供求的平衡关系，既具有较好的负荷适应性能，又具有良好的汽压控制性能，是一种较为合理和完善的协调控制方式，但系统结构比较复杂。

应当明确，无论是何种协调控制方式，都是从处理“快速负荷响应和主要运行参数稳定”这一对源于机、炉动态特性差异的矛盾出发而设计的。

把握这一要点，对认识、分析、设计协调控制系统大有助益。

3．过程论述
单元机组负荷控制系统的组成如图所示：
图5 单元机组负荷控制系统的组成
3.1负荷指令管理部分
目标负荷指令是根据外界负荷需求设定的。

系统必须根据机组自身当前的运行状况、负荷能力、设备的安全保护及变负荷承受能力等因素，对目标负荷指令进行必要的处理，以产生单元机组能够接受的实际负荷指令。

负荷管理控制中心承担着协调、外矛盾的任务，包括两部分：负荷指令运算环节和负荷指令限制环节。

3.1.1负荷指令运算回路
负荷指令运算环节的主要任务是：
（1）根据负荷控制的要求选择目标负荷指令的形成方式；
（2）考虑到主设备的热应力变化要求和机组负荷的承受能力，对目标负荷指令的变化率进行适当限制；
（3）对机组电网调频所需负荷指令的幅值及调频围作出规定。

通过切换器T1可以选择电网中心调度所的指令，或机组运行人员在给定器A1设定的负荷指令。

所选中的目标负荷指令P0经负荷变化率限制器送至加法器。

负荷变化率限制值可以手动设定，或根据锅炉、汽轮机热应力条件自动设定，也可由其它对目标负荷指令的变化有要求的因素确定。

当目标负荷指令的变化率小于设定的负荷变化率值时，变化率限制器不起作用。

只有当目标负荷指令的变化率大于设定值时才对它实行限制，使负荷指令的变化率等于设定的变化率。

图6 负荷指令运算回路
函数发生器f(x)用来规定调频围和调频特性。

其特性相当于失灵区和限幅环节特性的结合。

当频率偏差较小、在失灵区所规定的围时，函数发生器输出为零，机组不参加调频；当频率偏差超出失灵区所规定的围时，机组根据频率偏差大小调整机组负荷指令；当频率偏差超出限幅值规定的围时，函数发生器输出保持不变，即不再继续增加机组调频出力。

函数发生器的斜率代表了电网对本机组调频的负荷分配比例，斜率越大，机组的调频任务越重。

因为电网要求机组具有快速调频能力，故调频信号一般不经过负荷变化率限制。

当不参加调频时，可用由切换器T2切除调频信号。

加法器的输出就是对机组发出的总的负荷指令P。

3.1.2负荷指令限制回路
在机组正常运行的情况下，负荷控制系统可以接受负荷指令运算环节的输出指令P，作为机组实际负荷指令。

但是，如果发生异常或者故障，负荷指令处理装置必须对负荷指令进行处理、限制。

负荷指令限制环节的主要作用是：对机组的主机和主要辅机的运行状况进行监视，一旦发生故障而影响机组的负荷、或危及机组的安全运行时，就对机组的负荷需求进行必要的限制，以保证机组能够继续安全、稳定地运行，协调外供求矛盾。

单元机组的主机、主要辅机设备的故障因素大致上有两类：第一类为跳闸或切除，这类故障的来源是明确的，可根据设备切投状况直接确定----RB；
第二类为工作异常，这类故障往往无法直接确定，只能通过测量有关运行参数的偏差间接确定-----BLOCK I/D和RUP/RD。

负荷指令限制回路按其功能一般包括五个部分：最大／最小允许负荷限制回路；负荷返回(Run Back，RB)；快速负荷切断(Fast Cut Back，FCB，快速甩负荷)；负荷闭锁增／减(Block Increase／Block Decrease，BI／BD)和负荷迫升／迫降(Run Up／Run Down，RU／RD)。

其中，负荷返回RB和快速负荷切断FCB 是处理第一类故障的，负荷闭锁增／减BI／BD和负荷迫升／迫降RU／RD是处理第二类故障的。

下面分别进行介绍。

1）最大／最小允许负荷限制环节
该环节的主要作用是，保证机组的实际负荷指令不超过机组的最大/最小允许负荷值。

负荷的低限值Pmin由给定器A2给定，高限值Pmax则是在给定器A1 的输出与机组最大出力计算环节输出的机组最大可能出力值之间取小值。

双向限幅器的输入P为要求负荷指令，输出PS为实际负荷指令，两者的关系为：当P>Pmax 时， P0 = Pmax；
当P<Pmin 时， P0 = Pmin；
当Pmin<P<Pmax 时， P0 = P 。

低值选择器保证了P0 ≤机组最大可能出力值。

机组最大可能出力与主要辅机的投切状况有关。

主要辅机故障切除时，机组最大可能出力值减小，为了保证机组能量力而行，应根据辅机运行情况，计算最大可能出力值，作为机组负荷上限。

图7 最大/最小负荷限制环节
2）负荷返回RB
机组运行时，当机组的主要辅助设备突然发生故障，造成机组承担负荷能力下降时，就要求机组的负荷指令处理装置将机组的实际负荷指令下降到机组所能承担的水平，这种辅机故障引起机组实际负荷指令的快速下降称为快速返回，简称RB(RUN BACK)。

负荷返回的速率、以及返回到新的负荷水平与发生故障的辅机有关。

其主要作用是：根据主要辅机的切投状况，计算出机组的最大可能出力值。

若实际负荷指令大于最大可能出力值，则发生负荷返回，将实际负荷指令降至最大可能出力值，同时规定机组的负荷返回速率。

因此，负荷返回回路具有两个主要功能：计算机组的最大可能出力值；规定机组的负荷返回速率。

（1）最大可能出力值与在线识别与计算
当机组运行正常时，机组的最大可能出力值与主要辅机的切投状况直接有关，主要辅机跳闸或切除，最大可能出力值就会减小。

因此机组的最大可能出力由投入运行的主要辅机的台数确定。

应随时计算最大可能出力值，并将它作为机组实际负荷指令的上限。

发电机组的主要辅机设备有风机(送、引风机)、给水泵(电动、汽动给水泵)以及汽轮机或电气侧设备等。

因此，负荷返回RB的主要类型包括送风机RB、引风机RB、给水泵RB、汽轮机RB等。

对于某一台辅机，都有一个对应机组容量的负荷百分数。

根据共同运行的台数，将它们的负荷百分数相加，即可确定该种辅机所能承担的最大可能出力。

从各种辅机负荷百分数中选出最小值，就是机组的最大可能出力值。

FSSS(furnace safeguard supervisory system)系统根据RB目标值将部分磨煤机切除，保留与机组负荷相适应的磨煤机台数。

送风机(或引风机、一次风
机)RB发生时，一般需要切掉对应侧的其他风机，以保证炉膛负压稳定。

若风机的执行机构动作及时，也可以将对应侧的其他风机快关，以保证机组辅机RB发生之后能够快速恢复正常调节。

当发生负荷返回时，会自动切换机组的运行方式。

若锅炉辅机发生跳闸而产生负荷返回，则机组将以汽轮机跟随方式运行，因为此时锅炉担负机组负荷能力受到限制。

同理，若汽轮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）负荷返回速率
当机组的主要辅机跳闸或切除时，最大出力阶跃下降，这对于机组来说是一个较大的冲击，为保证负荷返回过程中机组能安全、稳定地继续运行，所以必须对最大可能出力值的变化速率进行限制。

一般对于不同辅机的跳闸，要求的负荷返回速率是不同的。

图8 负荷返回回路
3.1.3 负荷增／减闭锁BLOCK I/D
第二类故障的特点：导致机组实际负荷的增减受到限制、但又不能立即直接加以识别的故障因素，例如，风机挡板卡涩、执行器连杆折断、给水调节机构故障等等。

这类故障属设备工作异常情况，即第二类故障。

出现这类故障时会造成诸如燃料量、给水流量、给水量等运行参数与其给定值的偏差增大，因而影响机组出力。

负荷增／减闭锁环节的主要作用是，对这些运行参数的偏差大小和方向
进行监视。

如果其中任何一个超出规定限值，就认为设备工作异常，或出现故障。

这时，环节根据偏差的方向，对实际负荷指令实施增或减方向的闭锁，以防止故障危害的进一步扩大，直到偏差回到规定限值才解除闭锁。

表现形式：辅机出力超正常围，主要参数不匹配。

还有一种引起过程闭锁的原因是由于各辅机动作速率不一致或者负荷指令变化过快。

图9 负荷增／减闭锁回路
3.1.4 负荷迫升／迫降 RUN UP/DOWP
对于第二类故障，采取BI／BD措施是机组安全运行的第一道防线。

当采用BI／BD措施后，监测的燃料量、空气量、给水流量等运行参数中的任一参数依然偏差增大，这样需采取进一步措施，使负荷实际负荷指令减小／增大，直到偏差回到允许围。

从而达到缩小故障危害的目的。

这就是实际负荷指令的迫升／迫降RU／RD，负荷迫升／迫降是机组安全运行的第二道防线。

其主要作用是对有关运行参数的偏差大小和方向进行监视，如果它们超越限值，且相应的控制器输出已达到极限位置，不再有调节余地，则环节根据偏差的方向，对实际负荷指令实施迫升或迫降，以使偏差回到允许围，从而达到缩小故障危害的目的。

负荷的迫升／迫降是在发生过程变化闭锁的情况下，工况进一步恶化的结果。

图10 负荷迫升/迫降回路
3..2机炉负荷控制部分
3.2.1 锅炉主控制器
锅炉主控制器接受注气压力偏差信号和汽包压力，发出锅炉主控指令和热量信号。

机前设有滑压和定压运行两种工况，因此具有不同的压力定值。

当24逻辑条件为真时，机组处于定压运行方式，此时，机前压力定制器给出的设定值通过速率限制器后作为压力定值。

设置速率限制器的目的在于防止在压力定值变化时，输出压力定值信号发生突变，实际上是一个斜坡处理过程。

这对控制系统的工作是有利的。

同样道理，对于由定压到滑压之间的切换过程来说，速率限制器也将信号突变转换为一个渐变过程。

当24逻辑条件为假时，机组处于滑压运行方式。

滑压运行曲线由调节器。

函数发生器及高低值限幅器实现。

先暂不考虑PI作用调节器，则由负荷指令通过函数发生器可建立一定的斜率曲线，此斜率按给定的负荷压力关系确定。

曲线中水平部分由高低值限幅器产生。

函数发生器来的信号大于高值限幅器设定信号
时，信号以高值限幅设定值为输出；函数发生器来的信号小于低值限幅器设定信号时，信号以低值限幅器设定值为输出。

因此，在不考虑调节器条件下，利用上述原理可实现事先设定的滑压曲线。

实际情况是，由于种种原因，在给定负荷时，按照滑压曲线上压力运行的话，调节阀开度并不一定能保证所要求的数值。

为此，设定一个比例积分调节器，其入口信号为调节阀门开度和滑压运行时的调节阀给定值。

当调节阀门开度偏离其给定值时，通过调节器输出信号与函数发生器来的信号相加，改变滑压曲线斜率，以保证调节阀开度为定值。

3.2.2 汽轮机主控制器
1）汽轮机机前压力调节器。

它接受汽机调节阀前节流压力偏差，在机跟炉工况时，T2的bc接通，控制汽机调节阀，自动保持主蒸汽压力为定值。

2）电功率调节器和蒸汽流量调节器。

在功率可变协调工况时，这两个调节器构成串级控制，目的是提高系统的品质和可靠性。

主信号是实发功率，副信号是整齐流量。

功率定值中加入频差信号f，这是为与汽机液压系统中飞锤调频信号平衡而设置的。

为了提高调解速度，加入了负荷的前馈信号，在非电功率控制的其它四种工况下，这两个调节器处于跟踪状态，电功率调节器输出跟中P1值，蒸汽流量调节器输出跟踪实发功率。

图11 汽机控制回路
4．结果分析
根据各继电器节点接通状态的不同，控制系统可以有多种控制方式。

1）以锅炉跟随为基础的CCS（功率控制）
2）锅炉跟随（非电功率）
3）汽机跟随（电功率）
4）手动控制
系统跟踪方式为：
1）汽机基本，且汽机处于（就地）控制时，实际负荷指令跟踪DEH负荷基准
2）炉基本时，锅炉主控指令跟随锅炉负荷指令
3）非功率控制方式时，电功率调节器输出跟踪P1，蒸汽流量调节器输出跟踪DEH负荷基准。

4）在炉基本或功率控制时，实际负荷指令跟踪DEH负荷基准。

此系统从前馈角度看，为能量直接平衡协调控制系统。

从反馈角度看，是炉跟随为基础的协调控制系统。

5．总结
这次我的课程设计题目是“300MW火电机组协调控制系统的设计”，经过资料查询，了解了300MW发电厂的协调控制系统的基本原理，逻辑关系和具体工作流程。

使我对所学的知识有了更进一步的理解。

为今后的工作打好了坚实的基础。

6．心得体会
通过本次课程设计更加让我认识到过程控制在实际生产生活中的广泛应用和重要作用，它是一门十分重要的课程。

这次的课程设计，不仅巩固了我以前所学习的理论知识，更加深了理解，我们学习的目的是要学以致用，学习理论知识用于实践，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

在设计过程过查找资料，同学间的讨论让我学到了很多知识。

这学期由于之前面临就业，考研，所以做这次课设的时间有点紧，在设计方面有些不足的地方。

经过努力实现了设计要求，达到了预期目标。

这次课程设计让我在对书本上纯理论的知识有了更深层的认识，使我收获颇多。

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