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大滞后特性的单元机组协调控制设计
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2010-06-06
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随着我国电力工业的迅速发展,大容量火力发电厂中,大型单元机组已成为电网中的骨干机组。单元机组正常运行的高度安全性、经济性,对其自动化水平提出了更高的要求。在常规局部控制系统的基础上,大型单元机组协调控制系统的应用越来越普遍,同时协调控制理论和技术的研究也得到了更多的完善和发展,已成为现代过程控制领域的重要内容。协调控制系统的控制策略设计直接决定了机组的运行状况及控制品质。 大型单元机组控制系统是一种多变量复杂控制系统,受控过程是一个多输入多输出过程。在输入和输出之间存在着交叉的关联和耦合。只有通过合理的简化与近似处理,采用理论建模或实验的方法,才能建立起满足一定精度要求的动态特性数学模型。本设计是通过对单元机组动态特性和机组数学模型的分析,应用多变量解耦理论和方法消除了输入与输出之间强烈耦合带来的不利影响,并增加了史密斯预估控制器环节将大延迟消除,通过进行 MATLAB 仿真,验证设计方案的有效性。
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内蒙古工业大学本科毕业设计说明书
引 言
当今大型的单元制火力发电机组已经成为电网中的骨干机组。为了适应电网负
荷变化的需要,火电机组必须改变过去只带基本负荷的运行方式,而要根据电网或
中调的要求,参与电网的调峰和调频。这样就必然对单元机组的调节系统提出新的、
更高的要求。
单元机组的协调控制系统(CCS)是把锅炉及汽轮机作为一个统一的整体来进行综
合控制的负荷控制系统,是整个火电单元机组控制系统的一个重要部分。协调控制
系统的调节对象是作为一个整体的锅炉和汽轮发电机,它所控制的参数就是机组的
负荷,协调控制系统的基本任务就是协调好锅炉与汽轮发电机这两个不同的生产过
程,使得他们对外界负荷表现出尽可能好的整体性和适应性。
目前,大型单元机组已承担了绝大多数负荷需要。在单元机组协调控制系统中
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,根据主要运行参数
的偏差,协调的进行控制,从而在满足电网负荷要求的同时,尽最大可能发挥机组
的调频、调峰能力,保持主要运行参数的稳定。因此,单元机组为了保证运行的高
度安全、经济、稳定,对其自动化水平提出了更高的要求。
火电厂大型的单元机组控制对象为强耦合、时变、滞后大的复杂系统,当各种
扰动作用时,导致控制对象参数不确定,模型难于准确建立。目前国内外对大型单
元机组的研究投入了大量人力物力,但进展不大,应用主要控制策略仍为传统的
PID 控制,很难使机组达到最佳状态。因此,我们有必要不断的探索,以寻求更好
的控制策略,来满足日益增加的电力系统要求。
第一章 单元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
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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
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
[3]
。
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。
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(4)使机组具有较高的运行效率。
(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而不致造成损害。
(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、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:
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(1)系统结构先进。采用了递阶控制结构,在局部控制级的基础上引入了机炉
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
[1]
。
4
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第二章 单元机组动态特性及运行方式
2.1 单元机组动态数学模型的分析
大型单元机组控制系统是一种多变量复杂控制系统,滞后大,受控过程是一个
多输入多输出过程。在输入和输出之间存在着交叉的关联和耦合。只有通过合理的
简化与近似处理,采用理论建模或实验的方法,才能建立起满足一定精度要求的动
态特性数学模型。
汽包锅炉单元机组可简化为一个具有双输入双输出的被控对象。如图 2-1 所示。
图中,机组的输出功率 N 和机前压力 P 为被控量;主汽门调节阀开度 u
T
和燃料量 u
B
为控制量。WNT 和 WNB 分别为发电机实发功率对调门开度和燃料量的传递函数;WPT
和 WPB 分别为机前压力对调门开度和燃料量的传递函数。这种合理简化的前提是:
1.送风量与燃料量相适应,保持燃烧稳定;
2.引风量与送风量相适应,保持炉膛压力;
3.给水量通过保持汽包水位进行控制,使给水流量与蒸汽流量相平衡;
4.主蒸汽温度控制相对独立。
图 2-1 单元机组负荷控制对象数学模型
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