控制系统(MCS)

火电厂生产过程：实现生产过程自动化是非常有必要的火电厂热力过程自动化可以分为四个部分：(1)热工检测：是自动化操作的依据。(2)自动调节：是自动化操作的主体。(3)远方控制及程序控制：是自动化操作的重要补充。(4)自动保护：是自动化操作的重要保障。自动控制系统综述6学时单元机组模拟量控制系统(MCS)18学时单元机组热工保护系统10学时期中测试炉膛安全监控系统(FSSS)4学时汽轮机数字电液控制系统(DEH)6学时顺序控制系统(SCS)6学时实验6学时第三章单元机组模拟量控制系统(MCS)模拟量控制系统(ModulationControlSystem，MCS)是通过前馈和反馈作用对机、炉及辅助系统的过程参数进行连续自动调节的控制系统的总称，包含过程参数的自动补偿和计算、自动调节、控制方式、无扰动切换以及偏差报警等功能。模拟量控制系统一般包括负荷控制系统(协调控制系统)、燃烧控制系统、给水控制系统、过热汽温控制系统、再热汽温控制系统、除氧器压力控制系统、除氧器水位控制系统、加热器水位控制系统、凝汽器水位控制系统、轴封压力控制系统、润滑油温控制系统等。3.1协调控制系统概述随着电力工业的发展，高参数、大容量火力发电机组在电网中所占的比例越来越大。大容量机组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。一、单元机组负荷控制的特点在单元制运行方式中，锅炉和汽轮发电机既要共同保障外部负荷要求，也要共同维持内部运行参数(主要是主蒸汽压力)稳定。单元机组输出的实际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的供求平衡关系；而主蒸汽压力是否稳定，则反映了机组内部锅炉与汽轮发电机之间能量的供求平衡关系。锅炉和汽轮发电机的动态特性存在着很大差异，即汽轮发电机对负荷请求响应快，锅炉对负荷请求响应慢，所以单元机组内外两个能量供求平衡关系相互间受到制约，外部负荷响应性能与内部运行参数稳定性之间存在着固有的矛盾，这是单元机组负荷控制中的一个最为主要的特点。所谓协调就是通过一套控制回路协调锅炉、汽轮机控制回路的工作，使机组能快速、安全、经济地对外界负荷作出响应。二、协调控制系统的定义单元机组的协调控制系统(CoordinatedControlSystem，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内外两个能量供求平衡关系而提出来的一种控制系统。协调控制系统是单元机组的负荷控制系统。协调控制系统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内部主要运行参数的偏差要求协调运行，既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，又保证对内维持主蒸汽压力偏差在允许范围内。三、协调控制系统的主要功能是：(1)接受电网中心调度所的负荷自动调度指令、运行操作人员的负荷给定指令、电网频差信号，及时响应负荷请求，使机组具有一定的电网调峰、调频能力，适应电网负荷变化的需要。(2)协调锅炉、汽轮发电机的运行，在负荷变化率较大时，能维持两者之间的能量平衡，保证主蒸汽压力稳定。(3)协调机组内部各控制子系统(燃料、送风、引风、给水、汽温等控制系统)的控制作用，在负荷变化过程中使机组的主要运行参数在允许的工作范围内，以确保机组有较高的效率和可靠的安全性。(4)协调外部负荷请求与主／辅设备实际能力的关系。在机组主／辅设备能力受到限制的异常情况下，能根据实际情况，限制或强迫改变机组负荷。这是协调控制系统的联锁保护功能。四、协调控制的基本原则从锅炉燃烧率改变到引起机组输出电功率变化，其过程有较大的惯性和迟延，如果只是依靠锅炉侧的控制，必然不能获得迅速的负荷响应。而汽轮机进汽调节阀动作，可使机组释放(或储存)锅炉的部分能量，使输出的电功率有较迅速的响应。因此，为了提高机组的响应性能，可在保证安全运行的前提下，充分利用锅炉的蓄热能力，在负荷变动时，通过汽轮机进汽调节阀的适当动作，即释放或吸收部分蓄能，加快机组初期负荷的响应速度；与此同时，根据外部负荷请求指令，加强对锅炉侧燃烧率(及相应的给水流量)的控制，及时恢复蓄能，使锅炉蒸发量保持与机组负荷一致。这就是负荷控制的基本原则，也是机炉协调控制的基本原则。五、协调控制系统的基本组成1．协调控制系统的分层设计原则(1)最高层为机组级的CCS主控系统，也称协调层。(2)第二层为汽轮机主控TM和锅炉主控BM级，也称组控层，分别控制汽轮机或锅炉。(3)第三层为锅炉给水、燃烧、送风等各个子回路的控制，也称基础自动层。(4)第四层为控制驱动级，也称执行层，包括操作员站以及执行机构。2．协调控制系统的功能组成单元机组协调控制系统的功能系统范围包括负荷控制系统、子控制系统和负荷控制对象三大部分。负荷管理控制中心(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快速返回(RunBack)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迫降(RunDown)指令，主要运行参数低于下限而引起的增负荷迫升(RunUp)指令。外部负荷指令一般有电网调度所的负荷分配指令(AutomaticDispatchSystem，ADS)、机组运行人员手动增／减负荷的指令、电网频率偏差信号△f。负荷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(TargetLoadDemand，TLD)进行选择，并根据机组主辅机运行的情况加以处理，使之转变为机、炉设备负荷安全运行所能接受的实际负荷指令(ActualLoadDemand，ALD)P0。实际负荷指令又称单元机组负荷指令(UnitILoadDemand，ULD)。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，无论是调频或调负荷、机组的启动或停止、故障情况下的安全运行、锅炉燃烧率的变化，还是汽轮机调节汽阀开度的变化，都是在主控制系统统一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。3.2单元机组负荷控制系统协调控制系统的设计是将锅炉与汽轮机作为一个整体进行控制，使在机组的届时实际能力下，能最大限度地满足电网对机组的发电量要求，确保机组的安全、稳定、经济运行。协调控制系统的主控系统在检测、调节、保护、联锁、通信、显示、报警以及监控管理的各个方面将机、炉作为一个整体控制。主控系统(负荷控制系统)的组成主要有两部分：第一部分为负荷管理控制中心(机组指令处理回路)，用以协调机组能力与电网需求的平衡第二部分为机炉主控制器，根据机组功率指令ULD、机组的运行工况、运行方式以及机、炉不同的动态特性，协调锅炉与汽轮机间的能量平衡，提供机组级的输出功率与机前压力的联合控制，从而使机组的负荷适应性与运行稳定性兼优。一、负荷管理控制中心负荷管理控制中心(LMCC)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ALD或ULD(P0)。LMCC的主要功能包括以下几个方面:1．实际负荷要求指令ULD的产生在机组正常运行工况下，电网调度来的负荷分配指令(ADS)或机组运行人员设定的负荷指令，通过负荷变化速率限制器、电网频率校正(如果机组参与电网调频)最小最大负荷限制回路，即产生实际负荷要求指令。如果机组主、辅机发生故障或事故而产生快速返回(RB)、快速切回(FCB)、迫升(RU)、迫降(RD)、主燃料跳闸(MFT)等信号时，机组将自动地切换到手动方式运行，这时实际负荷要求指令将跟踪锅炉实际负荷指令μB。2．负荷的增加和减少协调控制系统提供运行人员增／减负荷按钮，来指明机组“目标负荷指令”的增加和减少。3．最大／最小负荷限制机组的实际出力是有限的，为使机组在允许的出力范围内正常工作，LMCC设置了出力限制回路，运行人员可通过分散控制系统的人机接口，根据机组运行情况设定最大／最小负荷限值。4．负荷变化速率限制机组在不同的运行情况下对负荷变化速率的限制有不同的要求，为避免负荷变化太快引起机组故障，LMCC设置了负荷指令变化速度限制回路，它可根据机组当前变负荷的能力，对负荷指令的变化速率进行限制。运行人员通过分散控制系统的人机接口设定负荷变化速率的限制值。5．远方／就地控制机组运行人员可操作按钮来选择就地或远方控制。在“就地”控制时，运行人员可操作“增加”和“减少”按钮来改变“目标负荷指令”。6．负荷快速返回(RunBack，RB)当机组主要辅机(如送、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。7．负荷快速切回(FastCutBack，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。8．负荷增／减闭锁当发生煤输送管道或燃烧喷嘴堵塞，挡板卡死，执行机构、控制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。9．负荷迫升(RunUp)／迫降(RunDown)当有关的运行参数偏差超过了允许值，同时有关的控制器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。10．负荷保持／恢复CCS还设置了负荷的保持和恢复按钮，其作用是在各种控制方式下切换或发生负荷指令的迫升／迫降后，暂时维持切换前的负荷指令不变，待切换完毕后再进行控制。二、机炉主控制器(一)机炉主控制器的功能机炉主控制器由汽轮机主控制器(TM)和锅炉主控制器(BM)两部分组成，是机炉协调控制思想的具体体现之处。机炉主控制器的功能主要包括：(1)接受LMCC输出的负荷指令P0、机组实发电功率PE和机前主蒸汽压力偏差信号，按照选定的基本控制方式(锅炉跟随或汽轮机跟随方式)进行常规的反馈控制运算。(2)根据机、炉之间能量供求关系的平衡要求，在反馈控制的基础上，引入某种前馈控制，使机、炉之间能量在失去或刚要失去平衡时，及时按照机炉双方的特性采取前馈控制运算，以产生一种限制能量失衡在较小范围内的控制作用。这一功能是协调控制的核心。(3)根据不同的控制方式和前馈-反馈控制运算结果，发出适应外部负荷需求或满足机组运行要求的汽轮机负荷指令PT和锅炉负荷指令PB，以指挥各子控制系统的运算。(4)实现不同控制方式(如锅炉跟随、汽轮机跟随、协调控制等方式)之间的切换。控制方式的切换可根据机组的运行状况手动或自动进行。(三)协调控制系统运行方式的管理为了调节锅炉和汽轮机以适应机组输出功率的变化和保持主蒸汽压力稳定，就产生了单元机组的不同的运行方式。运行方式的管理是单元机组主控制器的任务。为了适应不同的机组、不同的运行工况和要求，单元机组主控制器应当能使机组具备多种运行方式，并能根据需要选择相应的运行方式。因此，机组运行方式的管理是必不可少的。2．单元机组运行方式的种类及特性通常，根据机炉主控制器控制方式的不同，单元机组具有4种基本运行方式：手动方式(Manual)锅炉跟随(BF)；汽轮机跟随(TF)；协调控制(COORD)。(1)手动方式手动方式也称基础方式，锅炉主控制器(BM)为手动方式，汽轮机主控制器(TM)也为手动方式。机炉的主控制器指令都由操作员手动改变。锅炉和汽轮机的子控制系统各自分别维持本身运行参数的稳定，没有机、炉的协调动作。(2)以锅炉跟随为基础的协调控制方式(BF)汽轮机