基于DCS的300MW火力發電廠機組協調控制系統的設計與實現?

耿茜茜 何波

（西安建筑科技大學信息與控制工程學院西安710055）

基于DCS的300MW火力發電廠機組協調控制系統的設計與實現?

耿茜茜 何波

（西安建筑科技大學信息與控制工程學院西安710055）

目前DCS系統被廣泛運用于火力發電廠熱工自動化過程控制領域中，為電廠熱工控制系統自動化的實現提供了強有力的硬件、軟件平臺。而機組協調控制系統更是對整個DCS系統和火力發電廠各設備間的協調起到了至關重要的作用。論文將根據實際某電廠的實際要求對其協調控制系統進行設計，主要是從機組負荷指令的形成、機組壓力指令的形成以及鍋爐主控、汽機主控等方面進行設計。

火力發電廠；DCS系統；機組協調控制系統

Class NumberTM621

1 引言

隨著計算機技術和現代控制技術的飛速發展，集散控制系統（DCS）已成為火力發電廠控制系統的一種標準模型。而火力發電是現代電力生產中的一種主要形式，火力發電廠運行系統多而且復雜，各系統之間要協調運行又要對負荷變化具有很強的適應能力，因此有效地控制火力發電廠運行極其重要。因此機組協調系統更是對于火力發電廠的整個DCS系統中起了至關重要的作用。并且在實際應用中，由于各種因素的影響，會出現負荷響應延遲和實際負荷調節速率達不到要求，因此需要進一步完善機組協調控制系統來提高機組的負荷響應性能。本文則是結合實際電廠的設備需求進行整個機組協調控系統的軟件組態的設計，從而使該電廠能安全穩定的運行。

2 機組協調控制系統的設計

整體設計方法則是根據分層的設計方法，機組負荷指令系統為最高層機組級的主控系統，它根據電網負荷要求和機組運行狀態，自動或手動給出機組負荷指令ULD，并送至鍋爐主控（BM）和汽機主控（TM）系統。第二層即鍋爐主控BM與汽機主控TM級，用以分別控制鍋爐和汽機的負荷。以下從機組負荷指令的形成、機組壓力指令的形成以及鍋爐主控、汽機主控等方面進行詳細設計。

2.1 機組運行方式

基本方式（BASE方式）：在BASE方式時，機前壓力通過鍋爐主控操作器手動控制，機組負荷通過汽機主控操作器手動控制。

1）鍋爐主控手動；2）汽機主控手動。

爐跟隨方式（BF方式）：在BF方式時，機前壓力由鍋爐BF調節器自動控制，壓力控制僅允許定壓方式；機組負荷通過汽機主控操作器手動控制。

1）鍋爐主控自動；2）汽機主控手動。

機跟隨方式（TF方式）：在TF方式時，機前壓力由汽機TF調節器自動控制，壓力控制僅允許定壓方式，但在RB動作發生時，必須使用滑壓方式；機組負荷通過鍋爐主控操作器手動控制。

1）鍋爐主控手動；2）汽機主控自動。

協調控制方式（CCS方式）：在CCS方式時，機前壓力由鍋爐BM調節器自動控制，壓力控制可以選擇定壓方式和滑壓方式；機組負荷通過汽機主控操作器TM調節器自動控制。

1）鍋爐主控自動；2）汽機主控自動。

從機爐協調控制系統需要控制的兩個主要過程參數（機組功率和機前主蒸汽壓力）來說，在基本方式下，鍋爐燃燒率指令手動給定，汽機調門由DEH獨立控制。在汽機跟隨控制方式下，主蒸汽壓力由汽機調門自動控制，機組功率由運行人員手動控制。在鍋爐跟隨控制方式下，主蒸汽壓力由鍋爐燃燒率自動控制，汽機調門由DEH獨立控制。在協調控制方式下，主蒸汽壓力和機組功率均為自動控制。本設計采用以鍋爐跟隨為基礎（CBF）的協調控制方式，即主蒸汽壓力通過鍋爐燃燒率自動控制，機組功率通過汽機調門自動控制。具體組態邏輯如圖1。

圖1機組運行方式

2.2 機組負荷指令的形成

2.2.1 機組負荷信號處理

負荷信號由電氣送入三個信號三選中后得出，測量范圍0～480MW。

包括負荷信號的協調控制系統的所有信號都要對信號視其必要性進行掃描周期檢查設定，傳輸分辨率檢查設定，尖波平滑處理等。

2.2.2 機組負荷設定

機組負荷設定來源于兩種方式：操作員手動設定和AGC設定。

第一種：在機組協調控制方式（本機方式）下，操作人員在操作畫面上進行設定的負荷指令，稱為操作員手動設定。

第二種：在AGC方式（亦即遙控方式）下，由調度通過遠動裝置設定的負荷指令，稱為AGC設定。

1）AGC投入時，負荷設定操作器跟隨自動設定（調度負荷目標值）；

2）AGC退出，但仍在CCS方式時，負荷設定由運行人員手動設定；

3）在以下情況時，負荷設定操作器跟蹤發電機實測功率：

（1）CCS方式退出；（2）RB/RD/RU。

機組負荷設定只是個目標負荷設定，經過“負荷上下限功能限制功能”“GO/HOLD功能”“變負荷率功能”等環節處理后才能成為真實的負荷給定值。

2.2.3 AGC投切

當機組協調控制系統具備AGC控制條件時，運行人員在將“AGC”投入自動，此時機組協調控制系統進入“AGC方式”，畫面“AGC投入”底色由灰色變為紅色。在AGC方式下，機組負荷目標值由調度給出，給出方式一般有兩種，一種是由調度人員直接手動設定給出，一種是由網上已投入AGC方式的機組根據負荷調度分配模塊自動給出，機組協調控制系統根據負荷目標值進行自動調節。

當出現AGC退出條件時，“AGC”切為手動，機組進入CCS方式或其他，畫面“AGC退出”底色由灰色變為綠色。

AGC退出條件（任一滿足）：

1）ADS負荷指令壞質量；2）ADS負荷指令與機組負荷偏差＞100MW；3）CCS方式退出。

2.3 機組負荷指令限制功能

由于協調控制系統只有在較高負荷范圍下才能使用，且單元機組負荷設定關系整個機組及電網的安全，所以設計了機組負荷指令限制功能，以避免和防止調度指令和操作員的不當輸入。

1）機組負荷上限設定

機組負荷上限設定是由操作員設定的，設定范圍為0～330MW。當機組在非CCS模式下時，上限的最大值自動跟蹤為“當前負荷+20MW”。

2）機組負荷下限設定

機組負荷下限設定是由操作員設定的，設定范圍為0～300MW。當機組在非CCS模式下時，下限的最大值自動跟蹤為“當前負荷-20MW”。

上限設定不能低于下限設定，否則上限設定優先。

2.3.1 機組負荷指令回路

由手動設定或AGC設定的機組負荷指令，先和機組負荷上下限值比較，再經過負荷變化率限速塊，形成機組負荷給定值。

2.3.2 機組負荷變化率設定

機組負荷變化率設定由操作員手動完成。范圍0～10MW/min。

RB動作發生時，或在非協調方式下，負荷變化率切換至3000MW/min，目的是為了負荷指令便于跟蹤實發功率。

2.3.3 機組負荷GO/HOLD回路

在機組CCS控制方式下，操作員設定目標負荷后，需要按下“進行”按鈕，指令才按事先設定的負荷變化率逐漸轉化為負荷設定值，如果在指令執行過程中需要暫停，操作員通過按下“保持”按鈕。

1）在AGC方式投入時，會強制“進行”1s，切入到“進行”方式。

2）當負荷目標值與負荷給定值（無一次調頻修正）小于±0.5MW時，自動退出“進行”狀態。

3）當出現負荷閉增和閉減時，也不允許“進行”。

2.3.4 汽機轉速處理

由于DCS和DEH為同一系統，可直接從DEH取汽機轉速信號。

2.3.5 頻率校正回路

邏輯組態參照華北電網相關文件設計：

調頻死區要求±2r/m，對應頻率偏差為± 0.033Hz。

調頻功能對應的功率幅度為±26.4MW，對應轉速偏差為：±14r/m。

調頻功能對應的功率范圍為165～346.5MW。一次調頻投入、退出：

一次調頻在負荷≥150MW時，自動投入。

一次調頻退出條件：1）非CCS控制方式；2）汽機轉速故障；3）負荷小于150MW。

上面條件任一不滿足時，頻率校正回路立即退出。但是該一次調頻的退出僅指CCS側的一次調頻功能退出，不代表DEH側的一次調頻退出。

一次調頻校正函數，根據網調函數設置如表1，其中負號代表頻率校正時的誤差。

表1 一次調頻校正函數

主汽壓力指令的形成。

機組運行方式分為定壓方式和滑壓方式：

定壓方式時，壓力設定由運行人員手動設定；

滑壓方式時，由機組負荷指令經過一個設定函數，然后經過滑壓方式時，壓力變化率限制后作為壓力設定值。

當RUNBACK發生時，進入滑壓方式；

當機組為非CCS方式或者RUNDOWN時，強制進入定壓方式。

2.3.6 壓力變化率設定

在定壓方式下，由運行人員手動設定壓力變化率。

在RB發生時，系統轉入滑壓方式運行，但壓力變化率由程序設定為0.2MPa/min。運行人員無法改變；

在CCS方式下，如果投入滑壓運行時，由操作員選擇設定。

在TF方式下，設計推薦使用定壓方式運行。

具體組態邏輯如圖2機組負荷指令的形成1和圖3機組負荷指令的形成2。

圖2機組負荷指令的形成1

圖3機組負荷指令的形成2

2.4 鍋爐主控

鍋爐主控操作器有二路信號進行切換：來自BF、CBF的控制指令。機組運行在汽機跟隨或基本方式時，鍋爐主控指令不接受自動控制信號，由運行人員在鍋爐主控操作器上手動設定，來控制鍋爐的燃燒率。

當機組在CCS方式時，鍋爐主控接受來自鍋爐CCS調節器的指令。

機組在BF方式時，鍋爐主控接受來自鍋爐BF調節器的指令。

當燃料主控手動時，鍋爐主控輸出跟蹤校正后總燃料量f（x）。

切手動條件（任一滿足）：

1）燃料主控切手動；

2）RB動作時；

3）主汽壓力信號故障；

4）BF方式下：

（1）調節級壓力壞質量；

（2）主汽壓力偏差≥±3MPa

5）CCS方式下：主汽壓力偏差≥±3MPa；

6）主汽壓力高于17.4MPa；

7）送風控制全手動；

8）MFT。

具體組態邏輯如圖4鍋爐主控。

2.5 汽機主控

汽機主控操作器有二路信號進行切換：來自TF、CTF的控制指令。機組運行在鍋爐跟隨或基本方式時，汽機主控指令不接受自動控制信號，由運行人員在汽機主控操作器上手動設定，來控制汽機進汽量。汽機主控的輸出將作為DEH的輸入，去進行汽機調門的開關。

當汽機為TF方式時，汽機主控接受汽機TF調節器的控制指令。

當機組為協調方式時，汽機主控接受汽機CCS調節器的控制指令。

當DEH遙控切除后，汽機主控輸出跟蹤DEH送來的負荷參考值（0%～100%）。

具體組態邏輯如圖5汽機主控。

圖4鍋爐主控

圖5汽機主控

3 機組協調控制系統的實現

由圖6協調控制系統和圖7主要參數趨勢。當該火力發電廠的負荷為281.91MW（接近于滿負荷）時，所設計的協調控制系統的邏輯組態使其各主要參數滿足該火力發電廠機組安全運行的要求，并得到了控制系統的最佳參數。

圖6協調控制系統

圖7主要參數趨勢

4 結語

火力發電廠的機組協調控制系統是一個復雜的多變量控制系統。其控制對象具有非線性、時滯、時變、強耦合的特點。而本文則是根據實際某發電廠的需求，將分層的設計方法貫穿到協調控制系統的設計中，而此種設計方法能讓電廠中的操作人員對整個協調控制系統的邏輯組態和畫面更加直觀易懂，且更易操作和控制。并且在設計過程中為了使機組控制系統達到最優化，在設計時必須要仔細研究機組被控參數之間的適應性，這樣才能使該電廠穩定安全的運行。

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Design and Implementation of Thermal Power Plant Unit Coordinated Control System Based on DCS 300MW

GENG QianqianHE Bo
（School of Information and Control Engineering，Xi'an University of Architecture and Technology，Xi'an710055）

The DCS system is widely used in thermal power plants in the field of process control automation，for the realization of the control system of power plant automation provides a powerful hardware and software platform.The unit coordinated control sys?tem for the whole of DCS system and the coordination between the various equipment of coal-fired power plants has played a vital role.In this paper，according to the actual requirements of a certain power plant in the coordinated control system design，mainly from the formation of the load instruction，the formation of unit pressure instruction and boiler master control，turbine master control design.

coal-fired power plants，DCS system，the unit coordinated control system

TM621

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.07.047

2017年1月11日，

2017年2月23日

耿茜茜，女，碩士研究生，研究方向：過程自動化與智能系統。何波，男，副教授，研究方向：過程自動化與智能系統。