过程控制课设(协调控制系统)

课程设计说明书

学生姓名:学号：

学院:自动化工程学院

班级:

题目: 300MW火电机组协调控制系统的设计

刘丽丽

2011年 12 月 21 日

目录

1. 协调控制系统简介 (1)

1.1 协调控制系统的任务 (1)

1.2负荷控制对象的动态特性 (1)

1.3协调控制系统的主要功能 (2)

1.3.1 参与电网调峰、调频 (2)

1.3.2 稳定机组运行...................................................

3 1.3.3 具有多种选择运行方式..........................................

3 1.4 协调控制系统的组成 (3)

2.协调控制系统主控制系统 (5)

2.1负荷管理控制中心 (5)

2.2 机、炉主控制器 (5)

2.2.1以炉跟机为基础的协调控制 (6)

2.2.2 以汽轮机跟随为基础的协调控制 (6)

3．30MW单元机组协调控制系统设计 (11)

3.1协调控制系统的组成 (11)

3.2 协调控制系统的控制方式 (12)

3.3负荷管理控制中心 (13)

3.3.1 机组最大负荷/最小负荷限制 (14)

3.3.2 负荷要求指令的增/减闭锁 (15)

4.收获、体会和建议 (16)

5.参献 (17)

1.协调控制系统简介

1.1协调控制系统的任务

单元机组的输出电功率与负荷要求是否一致反映了机组与外部电网之间能量供求的平衡关系；主汽压力反映了机组内部锅炉和汽轮发电机之间能量供求的平衡关系。协调控制系统就是为完成这两种平衡关系而设置的。

使机组对外保证有较快的负荷响应和一定的调频能力；对内保证主要运行参数（主汽压力）稳定的系统称为协调控制系统。协调控制系统（Coordinated C ontrol System----CCS）是将单元机组的锅炉和汽轮机作为一个整体来进行控制的系统。

1.2负荷控制对象的动态特性

在单元机组中，锅炉和汽轮机是两个相对独立的设备。从机组负荷控制角度来看，单元机组是一个存在相互关联的多变量控制对象，经适当假设可以看作是一个具有两个输入和两个输出的互相关联的被控对象，其方框图如图1所示。

对象的输入量μB为锅炉燃料量调节机构开度，代表锅炉燃烧率（及相应的给水量），μB的变化将引起机前压力ＰT的变化，用WPB(S)描述该通道的特性,在汽轮机调节阀开度μT不变时, W PB(S)具有以下形式:

W PB(S)= K1／(T1 s + 1)2 (1)

式(1)是一个简化了的和二阶系统,它表明燃料------压力通道具有较大的惯性和迟延.

在燃烧率变化后,在汽轮机调门开度μT不变时,pT的变化也将引起机组实发功率PE的变化。图1中, WNB(s)是燃料一切通道的传递函数,它具有如下形式: W NB(S)= K2／(T2 s + 1)2 (2)

在机组燃烧率保持不变,将汽轮机调节阀门开度通常用同步器位移量表示μT改变,它将引起机前压力pT的变化,以及机组实发功率PE的变化,这两个通道的传递函数WNμ(S)、WPμ(S)形式如下:

W Pμ(S) = —［K3 +（K4／T4s + 1）］ (3)

WNμ(S) =［K5／（T5s+ 1）］—［K6／( T6s + 1)2］ (4) 以上四个式子是通过实验方法得到的,通过理论分析和线性化处理也可得出以上关系。以上用传递函数表示单元机组的动态特性,也可用阶跃响应来表示.

1.3协调控制系统的主要功能

1.3.1 参与电网调峰、调频

特别使随着电网负荷昼夜峰谷差的急剧上升，电网对机组参与调峰要求日益增高，世界上出现了各种夜间低负荷运行，两班制运行，周末停运…….的中间负荷机组。

要求机组控制具有更快速、更灵活的负荷响应，并且在更大的负荷变化范围里，甚至0—100%全程，CCS能够投入自动。

调峰使按电网昼夜的负荷变化，视该机组在电网中的地位与经济效益，有计划地，大幅度地进行调度控制。而调频则是瞬时的，有限制地，按该机组CCS

系统设定的频差校正特性（不等率、死区、限幅值）校正机组负荷。

1.3.2 稳定机组运行

CCS系统检测与消除机组运行的各种内外扰动，协调锅炉与汽机的能量平衡。协调锅炉内部燃料、送风、引风、给水…….各子回路的能量平衡与质量平衡。机组的稳定运行，机炉的能量平衡就是以机前压力的稳定为标志。

1.3.3 具有多种选择的运行方式

CCS系统设计，必须满足机组各种工况运行的需要；提供可供运行人员选择或联锁自动切换的相应控制方式。系统方式的切换，均为无扰动过程；并且，切除机或炉的某一部分自动，并不影响CCS系统的稳定运行，使CCS具有在各种工况下，正常运行启动、低负荷或局部故障条件，都投入自动的适应能力。

1.4 协调控制系统的组成

单元机组协调控制系统是由负荷控制系统也称主控系统，常规控制系统也称子控制系统和负荷控制对象三大部分组成的。如图6所示。负荷控制系统又由二部分即负荷指令处理部分也称负荷管理控制中心和机炉主控制器组成。

负荷管理控制中心(Load Management Control Center——LMCC)接受的是外部负荷指令、根据机组和控制系统本身需要所设的内部负荷指令。内部负荷指令一般有机组辅机故障减负荷Run back（快速返回）指令，与机组负荷有关的主要运行参数超过上限而引起的减负荷Run down（迫降）指令。主要运行参数低于下限而引起的增负荷Run up（迫升）指令，负荷控制系统处于手动状态时，负荷控制系统本身跟踪实发功率的信号。外部负荷指令一般有电网调度所的负荷分配指令ADS(Automatic Dispath System)、机组运行人员手动增/减负荷的指令。

负荷管理管理控制中心的主要作用是对外部要求的负荷指令或目标负荷指令TLD(Target Load Demand)进行选择，并根据机组主辅机运行情况加以处理，

使之转变为机、炉设备负荷能力，安全运行所能接受的实际负荷指令ALD(Actua l Load Demand)P0,实际负荷指令又称ULD(Unit Load Demand)单元机组实际负荷指令。

机、炉主控制器接受LMCC发出的实际负荷指令P0，为了使锅炉和汽轮机的控制作用更好地协调，在协调控制方式情况下，汽轮机主控制器接受汽轮机的D EH(Digital Electro Hydraulic即数字电液调节)来的频率偏差信号Δf,还接

受汽轮机首级后压力p1与主汽压力pT的比值p1/pT的反馈信号，即汽轮机阀位的反馈信号，以及实发功率信号PE和主汽压力的偏差Δp。机、炉主控制器的主要作用是根据锅炉和汽轮机的运行条件和要求，选择合适的负荷控制方式，按照实际负荷指令P0与实发功率信号PE的偏差和主汽压力的偏差Δp以及其他信号，进行控制运算，分别产生对锅炉子控制系统和汽轮机子控制系统的协调动作的指挥信号，分别称为锅炉指令（Boiler Demand）PB和汽轮机指令(Turbine D emand)PT。

单元机组主控制系统是单元机组协调控制系统的核心。在单元机组协调控制系统中无论是调频和调负荷、机组的启动和停止、故障情况下的安全运行、锅炉燃烧率的变化、汽轮机调节汽阀开度的变化都是在主控制系统统一的指挥下达到协调一致的，即机组的输入能量和输出能量在满足电网负荷要求的前提条件下总是保证平衡的。完成主控制系统与子系统之间的协调。

一般汽轮机和锅炉的控制系统都是比较简单的单、回路和常规的控制系统，这些系统能克服由于内、外扰动造成的参数波动，使之保持在允许的范围之内。同时也适应负荷控制系统发来的变负荷指令信号，使每个子系统都能在主控制系统的统一指挥下协调动作，完成子系统与单元机组（控制对象）之间的协调，使整个单元机组安全经济运行。

机炉的子控制系统是协调控制的基础，它们的控制质量将直接影响负荷控制的质量。因此，只有设计好各子控制系统，并保证其具备较高控制质量的前提下，才有可能使协调控制系统达到要求的控制质量。

图2 协调控制系统组成框图

2.协调控制系统主控制系统

2.1负荷管理控制中心

负荷管理控制中心是协调控制系统的指挥机构,它的主要功能是根据电网调度中心的要求负荷指令或机组运行人员要求改变负荷的指令以及机组主辅机运行情况,处理成合适于机炉运行状态的实际负荷指令ALD或ULD(P0)。具体来讲,LMCC能完成以下功能：

(1)最大/最小负荷限制

协调控制系统提供机组最大/最小负荷限制值，运行人员上可通过设定器调整机组最大/最小负荷限制值，限制值的增减直接影响实际负荷指令。当实际负荷指令等于最大或最小限制值，实际负荷指令不论要增加或减少都将受到闭锁。当实际负荷指令等于运行人员设置的最大/最小负荷限制值时，设定器上的限制红灯点亮。

（2）负荷返回回路

当机组主要辅机（如送风机、引风机、一次风机、磨煤机、空气预热器、给水泵等）出现故障时，机组就不能满负荷运行，必需迅速减负荷。CCS设计了快速返回信号，以保护机组的安全。如果是锅炉侧主要辅机发生故障，则将在汽轮机跟随方式下完成负荷快速返回，即锅炉需要迅速减负荷，而汽轮机应跟着迅速把负荷降下来。负荷降低的幅度要看主要辅机故障的情况而定。

（3）负荷快速切断回路（Fast Cut Back------FCB）

机组在运行时，如果发生严重故障，例如机组突然与电网解列（即送电负荷突然跳闸），或汽轮机跳闸，这时快速返回就已不能适应迅速减少负荷的要求。CCS设计了快速切回信号，以实现机组快速甩负荷。

FCB的设计分两种情况，一种是甩负荷至厂用电，当机组甩负荷突然跳闸，为了使机组仍能维持厂用电运行，即不停炉不停机，FCB使机、炉巨维持在最小负荷。另一种是发电机、汽轮机跳闸，这时FCB使汽轮机快速甩负荷或停机。锅炉产生的蒸汽通过旁路系统输出，锅炉继续维持最小负荷运行，即停机不停炉。（4）闭锁增/减回路

当发生煤输送管道或燃烧喷嘴堵塞，挡板卡死，执行机构、调节机构等设备工作异常的故障时，将会造成燃料量、空气量、给水量等运行参数的偏差增大。CCS设计了负荷增/减闭锁信号，对这些运行参数的偏差大小和方向进行监视，如果出现故障，负荷增/减闭锁回路根据偏差的方向，将对实际负荷指令实施增或减方向的闭锁，以防止故障的危害进一步扩大，直至偏差回到规定限值内才解除闭锁。

（5）负荷迫升/迫降回路

对于负荷增/减闭锁所谈到的一类故障，除了采用增/减闭锁措施外，CCS通常还采用迫升/迫降措施。当有关的运行参数偏差超过了允许值，同时有关的控制输出已达到极限位置，不再有调节余地。则迫升/迫降回路根据偏差的方向，

将对实际负荷指令实施迫升/迫降，使偏差回到允许值范围之内，从而达到缩小故障危害的目的。当发生迫升/迫降后，CCS将使负荷指令处于保持状态。

2.2 机、炉主控制器

机、炉主控制器是协调控制系统的控制机构,机、炉主控制器的主要功能是根据机组的运行条件和要求,运行人员可选择协调、锅炉跟随、汽轮机跟随等控制方式给出合理的控制方案提供机组全面的协调控制.

机炉主控制器的设计从其控制结构出发有两种指导思想，一种是以反馈控制为基础的，适当加入一些前馈信号作为辅助调节以改善控制品质；另一种则是从能量平衡的角度考虑前馈的控制，力争做到前馈补偿后，锅炉和汽轮机就能协调一致地达到所要求的负荷，反馈作用仅在此基础上起校正作用。这样机炉主控制器就有二种分类方法，一种以反馈回路分类，一种以能量平衡分类。按反馈回路分类有以炉跟机为基础的控制方式和以机跟炉为基础的控制方式。以能量平衡分类有能量间接平衡控制方式和能量直接平衡控制方式。

主控制系统类型各异。主要反映在机炉主控制器上，因此，主控制系统或协调控制系统的类型是以机炉主控制器的控制方式而命名。下面对各类机炉主控制器进行原理介绍。

2.2.1以炉跟机为基础的协调控制

单元机组以炉跟机为基础的协调控制系统示意图如图7（a）所示。它是以炉跟机控制方式为基础加入一个非线性环节形成的。

锅炉跟随控制方式的特点是机组能比较快地适应电网负荷的要求。但汽压波动大，为了限制汽压变化，增加了非线性元件。如果负荷要求增长的速率和幅度较大，可能引起汽压pT的变化幅值过大。当汽压偏差｜p0-pT｜≥死区组件的△时,死区组件将发出限制汽轮机调节汽阀继续开大或回关的信号,以保证汽压pT

在允许的范围内变化.当汽压偏差不太大时,不去限制调节阀门开度μT的变化,以使PE尽快响应P0。以上分析可以看出,机组在共同保持汽压的过程中采用了炉跟机协调的控制动作,故称为炉跟机为基础协调控制。

从汽压偏差对汽轮机调节阀门开度μT可以看出,尽管可以减少汽压的较大波动,但同时也减慢了输出功率PE响应负荷要求指令P0的速度,实质上是以降低功率响应性能为代价来提高汽压控制的品质。因此协调的结果是功率和汽压两方面性能指标的折衷。

图3为又一种炉跟机为基础的协调控制系统的示意图。它是以炉跟机控制方式为基础将功率偏差信号P0-PE并行地送入汽轮机控制器和锅炉控制器,加入非线性环节和前馈信号P0的比例微分作用形成的。设“负荷要求”P0增大,功率偏差信号P0-PE并行地送入汽轮机控制器和锅炉控制器,汽轮机控制器迅速开大汽轮机调节汽阀,机前压力pT降低,锅炉放出蓄热,蒸汽流量增大,以暂时适应负荷要求增大的需要。由于锅炉对负荷变化的响应较汽轮机慢,采用负荷要求P0通过比例微分作用作为送往锅炉的前馈信号,以补偿锅炉的惯性和迟延。如果负荷要求增长的速率和幅度较大,可能引起汽压pT的变化幅值过大。当汽压偏差｜p0-pT｜≥死区组件的△时,死区组件将发出限制汽轮机调节汽阀继续开大或回关的信号,以保证汽压pT在允许范围内变化。汽压偏差信号p0-pT同时送入锅炉控制器,加强对锅炉的调节作用,以补充由于汽压变化引起锅炉蓄热量变化附加的燃料量。调节结束时,达到P0=PE，pT=p0的平衡状态。图3所示系统的特点是嫩黄补偿锅炉的惯和迟延，加强对锅炉的控制作用。目前，以炉跟机为基础的协调控制系统得到广泛应用。

图3 以炉跟机为基础的协调控制系统示意图

2.2.2 以汽轮机跟随为基础的协调控制

单元机组以机跟炉为基础的协调控制系统示意图如图4所示，它是在机跟炉控制方式为基础加入一个非线性环节形成的。

汽轮机跟随控制方式的特点是适应电网负荷需求能力较差而波动小，不能充分利用锅炉的蓄热量。为了提高适应电网负荷的能力，通过非线性元件将功率信号引入汽轮机控制回路。当负荷要求P0增大是，功率偏差信号P0-PE送入锅炉控制器。增大燃烧率。与此同时，通过非线性元件暂时降低主汽压力给定值，汽轮机控制器就发出开大汽轮机调节汽阀的指令，使输出功率PE迅速增加。反之，当减小负荷即P0-PE＜0时，增大汽压给定值，汽轮机控制器发出关小调节汽阀的指令，迅速减小输出功率PE。非线性元件是一个双向限幅的比例器，它可以输出一个与△P成比例的信号，暂时地改变pT的定值p0,从而使锅炉的蓄热得到利用,用以提高负荷适应性。当P0-PE超过这个区域时,非线性环节的输出不再变化(水平段饱和区),即汽压给定不再变化.看来这种pT定值的改变只限定在一定

的范围内,以免汽压偏离给定值超过允许范围。增加一个限幅非线性元件的作用是限起始控制过程中,

功率变化△P对调节阀门开度μT的影响以保证△p不会波动太大。从以上分析可以看出，在响应负荷要求指令时,机炉采用了共同的协调控制动作,故称为机跟炉为基础协调控制。

由于负荷要求指令改变时,汽轮机侧配合锅炉侧燃烧率μB的改变同时改变调节阀门开度μT,暂时利用了锅炉的蓄热能力,所以功率响应速度加快。但同时汽压波动也因此加大,实质上是以降低汽压控制的品质为代价来提高功率响应的速度。因此协调的结果是功率和汽压两方面性能指标的折衷。为了补偿锅炉负荷响应的惯性和汽轮机调节汽阀开度变化对锅炉控制系统的影响,可采用图4 所

示以机跟炉为基础的协调控制系统。它是以机跟炉控制方式为基础加入非线性环节和前馈P0的比例微分作用、机前压力pT的微分作用形成的。采用P0经比例微分(PD)作用后作为前馈信号,这样能提前和加强调节锅炉的燃烧率，改善锅炉负荷响应特性的惯性。

由于当负荷要求P0不变时,如果某种扰动使汽轮机调节阀门开度变化,机组实发功率PE随之变化。这个扰动将使锅炉控制系统动作,不利于机组稳定运行。为了减少汽轮机调节阀门开度对锅炉控制系统的干扰,在锅炉控制器入口加入p T的微分信号,用以补偿PE变化的影响。只要微分器参数KD、TD选择得合适,当汽轮机后调节汽阀动作时,可使锅炉控制器入口△PE+p’T≈0(p’T为pT的微分信号),即不受调节汽阀动作的干扰。

图4 以机跟炉为基础的协调控制系统示意图

3．30MW单元机组协调控制系统设计

3.1协调控制系统的组成

1．负荷管理控制中心（LMCC）

负荷管理控制中心包括如下几个部分：

（1）机组负荷指令的方式及处理。根据机炉状态，选择机组可能接受的外部负荷指令（ADS及运行人员设定负荷指令。△f调频指令等），将机组的外部负荷指令处理成能够接受的机组负荷指令P0。

（2）机组最大负荷/最小负荷限制。运行人员可根据运行情况设置机组的最大/最小负荷限制值。

（3）负荷要求指令的增/减闭锁。根据机组运行时产生的某些故障，对实际负荷指令实施增或减的方向的闭锁，以防止故障的危害进一步扩大。

2．机炉主控制器

机炉主控制器的主要任务是产生各种控制策略和控制方式的切换。控制策略是前馈控制、反馈控制、非线性元件以及多变量控制理论的应用。

机炉主控制器主要有以下两个部分组成：

（1）机炉正常运行情下的负荷指令PB、PT的形成。

（2）机炉的实际负荷指令P′B、P′T的形成。

3.2 协调控制系统的控制方式

在单元机组的协调控制系统的设计中为保证机组的安全运行，应设计多种控制方式，尤其是汽轮机侧或锅炉侧出现故障时，应能自动地无扰动切换成其他控制方式。不同的机组，控制方式有所不同，本机组有以下几种运行方式和控制方式。

1．定压运行方式

单元机组定压运行时有4种机炉负荷控制方式。

（1）基本控制方式。当机组由于某些故障（如主燃料跳闸——MFT）不能正常运行时，常采用此种控制方式。

（2）锅炉跟随控制方式。当炉侧主机和辅机运行正常，而汽轮机侧主机或辅机有某些不正常情况而使机组不能达到额定负荷运行时，常采用此种控制方式。

（3）汽轮机跟随控制方式。当机组汽轮机侧主机和辅机运行正常，而锅炉侧主机或辅机有某些不正常情况而使机组不能达到额定负荷运行时，常采用此种控制方式。

（4）协调控制方式。当单元机组锅炉侧和汽轮机侧主机和辅机均处于正常运行状态时，且机、炉主控制器均投入自动的情况下，机组可采用协调控制方式。2．滑压运行方式

单元机组滑压运行时有两种机炉负荷控制方式：（1）锅炉跟随控制方式。（2）协调控制方式。

3.3负荷管理控制中心

单元机组的负荷控制受到两个方面的制约，一方面是电网的需求，另一方面是机组本身的能力。反映电网需求的有运行人员的手动给定负荷信号（一般按电网规定的负荷曲线操作），频差信号以及来自中调的负荷要求。反映机组本身负荷能力的有机组运行参数和辅机状态。负荷管理控制中心用来综合这两方面的信息，产生一个机组能接受的实际负荷指令P0，完成机组与电网之间的协调。

负荷管理控制中心功能框图如图10所示，从图10可以看出，主要包括负荷指令的方式及处理部分，负荷要求指令的增/减闭琐部分，机组最大负荷/最小负荷限制部分。

3.3.1 机组最大负荷/最小负荷限制

协调控制系统提供机组最大/最小负荷限制值，运行人员可通过设定器调整机组最大/最小负荷限制值，限制值的增减直接影响机组实际负荷指令。当实际负荷指令等于最大或最小限制值，实际负荷指令不论要增加或减少都将受到闭锁。当实际负荷指令等于由运行人员设置的最大/最小负荷限制值时，设定器上

的限制红灯点亮。最大/最小负荷限制值将分别通过小值选择器和大值选择器，起到限制机组最大负荷及最小负荷的作用。

3.3.2 负荷要求指令的增/减闭锁

在机组运行中产生某种故障时，使机组实际负荷的增减受到限制。例如输煤管道或喷燃器堵塞，风机挡板卡住、执行机构和调节机构故障等，这类设备工作异常，常会造成燃料量、空气量、给水量运行参数的偏差增加。如果对这些运行参数的偏差大小和方向进行监视，就可判断设备工作是否异常，是否出现故障。这样就可以根据运行参数的偏差大小和方向对实际负荷指令实施增或减方向的闭锁，以防止故障的危害进一步扩大。

增闭锁是由转换器T9和小值选择器实现，减闭锁是由转换器T8和大值选择器实现。当只有转换器T8切换在A端时，负荷指令不能减只能升。当只有切换器T9切换在A端时，负荷要求指令不能增只能减，增减负荷的幅度决定与最大最小负荷限制设定器的取值。当T8、T9都置为A端时负荷指令处于保持状态。

切换器T8或T9切换到A端是自动进行的，切换器T9自动切换到A 端的条件是如下任一条件满足。

（1）当主汽压力小于给定值的差值大于1MP；

（2）当空气流量小于送风指令时；

（3）送风机动叶在最大开度；

（4）煤量主控制器输出在最大（燃料量在最大值）；

（5）燃料量小于燃料量指令；

（6）锅炉给水泵最大（给水量在最大值）；

（7）给水量；小于给水量指令；

（8）引风机入口导叶在最大开度（表示引风机出力以达最大）；

（9）当功率控制器投入自动时，若机组实发功率始终小于其指令（功率控制器在手动时，由运行人员手动改变负荷的增减）；

（10）负荷指令达到最大值（表示负荷指令以不能增加）；

（11）汽轮机出力达最大；

（1）～（8）条件正好与“增”闭锁相反，这里不在赘述。

（9）煤量主控在自动方式时，负荷指令在最小；

（10）当功率控制器投入自动时，若机组实发功率大于功率指令；

以上条件均不满足时T8自动切换到B端。

图5 负荷指令形成及处理

4.结论

协调控制系统是协调机组各生产环节的能量及质量的全面控制，主要起到稳定机组运行，部分提升机组经济性及安全性的作用，在实际应用中因为工况的差

异，需要采用不同的具体控制方案和控制参数以满足实际对象的不同特性。这样就要求在应用典型控制方案的时候依据实际效果灵活的加以改进，除了改进主控制系统外，锅炉子控制系统和DEH系统均需整体考虑，使整个控制流程各环节的调节匹配良好。尽量减少由于各环节整定不当而产生的内扰。总之，机组协调控制系统发展到现在，虽然已形成了多种经典的控制方案，但同时也衍生了不可记数的变异方案，这说明了在实际应用中其方案的改进是非常灵活的，也是非常必要的。

5.参考文献

[1] 王建国等编.电厂热工过程自动控制.北京：中国电力出版社，2009

[2] F.G. Shinskey 著.过程控制系统——应用、设计与整定.北京：清华大学出版社，2004

[3] D. E. Seborg 等著.过程的动态特性与控制.北京：电子工业出版社，2006

[4] 边立秀等编著.热工控制系统.北京: 中国电力出版社，2002

[5] 林文孚等编著.单元机组自动控制技术.北京: 中国电力出版社，2008

[6] 张磊编. 超超临界火电机组集控运行. 北京: 中国电力出版社，2008.9