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1、内蒙古工业大学本科毕业设计说明书1引 言近年来，随着国民经济的飞速发展，电力工业也在迅猛发展，不仅大容量、高参数的单元机组日益增多，而且电网的结构和运行模式也发生了很大变化，要求单元机组应具有大幅度的快速调峰能力，并具有更高的自动化水平，实现电网的自动发电控制(AGC)。火力发电厂的工艺过程是一个能量转换与平衡的过程。储存在燃料(煤)中的化学能，通过锅炉燃烧、传热，转换成蒸汽的热力势能又通过汽轮机，将热力势能转换成机械能，再通过发电机，将机械能转换成电能，最后将电能传输给用户。在每个能量转换的环节中，包含着能量转换与能量储存和释放，如果将整个电站看作是一个能量储存与转换系统，那么它的输出能量(
2、电能)与输入能量(化学能)以及中间蓄能应是平衡的。因此，电力生产过程是一个能量输入与输出、储存与释放的动态平衡过程。由于电厂热工控制对象是复杂、时变动态过程。存在非线性、大时延、强耦合及大干扰。协调控制系统就是为了适应当前的电力发展趋势所实施的单元机组负荷控制方案。但是，锅炉和汽轮发电机在响应外界负荷时的动态特性存在很大差异。在单元机组内部，锅炉和汽轮机是相对独立的对象。从控制负荷的角度看，它们的动态特性很不一样。锅炉的动态特性从燃烧率的改变到锅炉出口压力的改变，惯性很大；而汽轮发电机组的动态特性从蒸汽流量的改变到输出功率的改变，惯性相对较小。因而单元机组内外两个能量供求平衡关系互相制约，即机
3、组响应外部负荷变动与保持机组内部参数稳定之间的矛盾。根据这一特点，单元机组在实施负荷控制时，必须很好的协调机、炉两侧的控制动作，保持内外两个能量供求平衡关系，兼顾负荷响应和内部运行参数的稳定。单元机组负荷控制的任务就是保证主蒸汽压力偏差在允许的范围内的同时，使机组输出功率快速响应外部负荷变动。机炉协调控制系统为单元机组的安全、稳定、经济运行提供了可靠的保证。随着电网技术的发展，大中型机组的运行方式也逐步发生变化，电网要求这些机组要有良好的负荷适应能力，承担较高的负荷变化率，其主要运行参数如主汽压力、汽包水位、主汽温度等在负荷的变化过程中保持相对稳定，以保证机组在整个负荷变化范围内有较高的稳定性
4、和安全性，从而保证机组有较高的效率。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书2第一章 单元机炉机组协调控制系统概述1.1 单元机组协调控制的发展国民经济不断增长，增加了对能源的需求量，电力工业逐渐发展为大电网、大机组、高参数、高度自动化。由于高参数，大容量机组发展迅速，装机容量日益增多，因此对机组的自动化需求也日益提高。与其它工业生产过程相比，电力生产过程更加要求保持生产的连续性，高度的安全性和经济性。单元机组协调控制系统已成为大型单元机组普遍采用的一种控制系统，该系统把自动调节、逻辑控制、安全保护、监督管理融为一体，具有功能完善、技术先进、可靠性高等特点，在工程应用中，协调控制系统能否成功的投入和运
5、行，发挥其应有的功能，取决于机组主设备的可控性、系统控制设备的性能及可靠性、系统设计与整定的合理性等因素。大型单元机组从设计、制造、安装都充分考虑到机组自动控制方面的需要，使机组可靠性得到了不断改善和提高，为机组自动化水平的提高奠定了基础。 1.2 单元机组协调控制系统的概念从大系统理论出发，协调控制是一种解决大系统控制问题的基本策略。所谓大系统可理解为由若干相互关联子系统组成的复杂系统。应用大系统理论处理这类庞大而复杂系统控制问题的基本方法就是分解协调的方法。所谓分解是把大系统化为若干子系统，以便进行分块的处理与控制，求得各子系统之间的局部最优解。而协调则是从系统的全局出发，合理地调整各子系
6、统之间的关系，求得各子系统之间的和谐与统一，进而得到整个大系统的最优解。常规的自动控制系统是汽轮机和锅炉分别控制。汽轮机调节机组负荷和转速，机组负荷的变化必然会反映到机前主蒸汽压力的变化，既机前主蒸汽压力反映了机炉之间的能量平衡。主蒸汽压力的控制由锅炉燃烧调节系统来完成，燃烧调节系统一般又分为主蒸汽压力调节系统、送风氧量调节系统、炉膛负压调节系统等子系统。随着单元机组容量的不断增大、电网容量的增加和电网调频、调峰要求的提高以及自身稳定（参数）运行要求的提高，常规的自动调节系统已很难满足单元机组既参加电网调频、调峰又稳定机组自身运行参数这两个方面的要求，因此必须将汽轮机和锅炉视为一个统一的控制对
7、象进行协调控制。所谓协调控制，是指通过控制回路协调汽轮机和锅炉的工作状态，同时给锅炉自动控制系统和汽轮机自动控制系统发内蒙古工业大学本科毕业设计说明书3出指令，以达到快速响应负荷的目的，尽最大可能发挥机组的调频、调峰能力，稳定运行参数。单元机组协调控制系统是在常规机炉局部控制系统基础上发展起来的新型控制系统。单元机组在处理负荷要求并同时维持机组主要运行参数的稳定这两个问题时，是将机炉作为一个整体来看待的。然而汽机、锅炉又是相对独立的，它们通过各自的调节手段，如汽轮机调节阀开度、锅炉燃烧率，满足电网负荷的要求及主参数的稳定，但它们的能力不尽相同，主要表现在锅炉调节的相对滞后，如果在设计控制系统时
8、能充分考虑它们的差异，采取某些措施（如引入某些前馈信号、协调信号） ，让机炉同时按照电网负荷的要求变化，接收外部负荷的指令，根据主要参数的偏差，协调地进行控制，这样的控制系统称为协调控制系统。 1.3 单元机组协调控制系统的功能与任务为了保证实现对机组负荷的有效控制，对大型单元机组协调控制系统的功能一般有以下几个方面的要求：（1）建立电网调度中心与机组锅炉控制和汽机控制系统之间的通信联系，实施机组负荷控制，参与电网调频。（2）在异常情况下，对单元机组及其锅炉和汽机负荷需求指令进行限制。（3）改善机组对外界负荷扰动的向应能力，及其克服各种扰动影响，提高机组对负荷变化的适应能力。（4）使机组具有较
9、高的运行效率。（5）减小锅炉和汽机的热应力。（6）减轻运行人员的劳动强度，确保机组的安全运行。为了达到上述几方面的功能要求，大型单元机组协调控制系统必须完成下列主要任务：（1）协调控制系统能协调机、炉的控制，在定的负荷范围内响应来自电网调度的负荷指令或机组运行人员就地设定的负荷指令，对机组进行负荷控制，并参与电网调频，同时保证机组的稳定运行，维持运行参数不超出允许的变化范围。（2）对某些需要在整个负荷变化范围内进行控制的过程变量，采用全程控制、以尽可能减少运行人员的劳动强度。（3）在机组设备异常或事故情况下，CCS 越过保护、连锁等逻辑控制回路，确保机组安全地继续远行，或使生产设备处于安全状态
10、而不致造成损害。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书4（4）当机组主要辅机，如送风机、引风机、磨煤机、给水泵、炉水循环泵、一次风机等发生故障而不能满足机组出力要求时，CCS 的负荷指令处理回路能产生负荷快速返回信号，使机组实际负荷指令降至机组的最大可能出力值，以确保机组的安全运行。（5）对设计有足够容量的汽轮机旁路系统的机组，当汽轮机或电气故障致使汽轮机快速甩负荷时，锅炉有必要维持最低的燃烧率继续稳定运行，使机组带厂用电远行或停机不停炉，以便故障消除后能快速带上负荷。（6）当机组运行参数，如燃料量、空气量、给水量等，其实际值与给定位的偏差超出规定的允许值范围，或执行机构位置达到预先设定的最大或最小
11、限值时，CCS的负荷指令处理回路能产生负荷增减闭锁信号，根据偏差的方向，对机组实际负荷指令的增加或减小加以闭锁，以防止物料或能量的不平衡进一步扩大和引发事故，直至异常消除，偏差回到限位内才解除闭锁。（7）对于机组设备工作异常的一类故障，CCS 除了采用负荷增减闭锁措施外，还应进步采取机组负荷迫升迫降措施。（8）协调控制系统对机组的一些重要过程变量的信号进行在线监控，一旦偏离正常状态，就自动采取措施、或切换至冗余部分(即备用设备)。或将控制系统切为手动方式，同的发出报警信号。（9）对于重要参数的测量采用三变送器或双变选器。（10）重要凹路的执行机构监控具有阀位指今与实际阀位的偏差监控、方向闭锁、
12、超池开关、后备直接手操、失电、断气或断信号保护等功能。（11）为了使机组能稳定运行，协调控制系统 X、f 所有控制回路的自动手动切换均具有无扰切换的功能，即当某控制回路切换到手动方式时。（12）有比较完备的防运行人员的误操作连锁保护措施。（13）协调控制系统还配备有必须的逻辑控制功能，它们能根据规定的逻辑条件自动地判断并执行系统的切换、操作、跟踪、保护、连锁、闭锁、监控、报警等等功能，如主燃料跳间处理、防炉膛内爆控制、风煤交叉连锁、汽轮机防进水保护等。 1.4 单元机组协调控制系统的特点单元机组协调控制系统是在常规机炉控制系统基础上发展起来的，其主要特点包括以下几个方面：（1）系统结构先进。采
13、用了递阶控制结构，在局部控制级的基础上引入了机炉内蒙古工业大学本科毕业设计说明书5协调级，把锅炉，汽轮发电机组作为一个整体进行控制。机炉协调控制器是一个多变量控制器。采用了前馈、反馈、补偿以及变结构控制等技术，充分利用了机炉动态特性的特点，并充分地利用了机炉动态特性方面的特点，克服系统内部耦合和非线性特性。获得优良的控制品质。（2）系统功能完善。除了正常工况下的连续调节之外，系统根据需要设计了一整套逻辑控制系统。包括实际功率给定逻辑，局部故障处理，运行方式切换逻辑，以及显示报警等，系统可根据实际需要和设备状况，选择不同的运行方式，比如机跟炉，炉跟机，机炉协调方式；定压运行或滑压运行方式；固定功
14、率输出或可调功率方式。（3）系统可靠性高。通过设置安全保护系统和采取一系列可靠性措施，可获得很高的系统可靠性。综上所述，目前广泛应用的单元机组协调控制系统中，控制规律仍属于经典控制规律的范畴。系统分析设计与综合的方法多采用多变量频域法和常规的工程方法。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书6第二章 单元机组机炉协调控制系统的结构2.1 单元机组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制系统、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。如图 2-1 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。其中，负荷指令管理中心的结构图如图
15、2-2 所示，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，处理成适合于机炉运行状态的实际负荷要求指令。负荷控制系 统协调控制级子控制系统局部控制级TBN0负荷指 令处理 部分机炉主 控制器锅炉控制系统汽轮机控制系统被控 对象NBNT NEPT外埠负荷指令图 2-1 单元机组协调控制系统简图内蒙古工业大学本科毕业设计说明书7图 2-2 负荷指令管理中心的结构图其中，单元机组协调控制系统简化框图如图 2-3。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
16、行人员通过选择控制方式，给出合理的控制方案提供机组全面的协调控制。图 2-3 单元机组协调控制系统简化框图 2.2 单元协调控制控制系统的原理内蒙古工业大学本科毕业设计说明书8图 2-4 协调控制系统工作原理图协调控制系统工作原理图如图 2-4 所示。协调控制系统是由负荷指令处理回路和机炉控制回路这两部分组成。负荷指令处理回路可以接受 3 个负荷指令信号，即电网调度负荷指令信号，电网频差信号和值班员指令信号，电网频差信号和值班员改变负荷的指令信号。它们的总和反映了外界对机组负荷的要求。机组功率运算回路将这个负荷要求处理成为机组可能接受的功率信号。机组能否接受这个指令还要由机组允许负荷能力运算回路决定，允许负荷能力取决于当时的主要辅机运行台数及锅炉燃烧率的偏差。若负荷要求在机组所能承担的允许范围内，则可按负荷要求发出机组功率指令，否则，按机组允许负荷能力发出机组功率指令，这个任务由限制回路来完成。经上述运算处理后的机组功率指令（功率给定值 N0）分别送往锅炉调节器和汽机调节器。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书9机炉主控制回路由锅炉调节器和汽机调节器组成，它们
