锅炉闭环控制系统.docx
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锅炉闭环控制系统
华能玉环电厂
锅炉闭环控制系统
的认识
华能股份公司工程部
二00四年十月
1.0概述
1.1目的和范围
华能玉环电厂为4x1000MW（一、二期）超超临界机组，从控制原理上讲USC和TB的控制与超临界的机炉控制相近，但是控制目标实现策略和途径上更加复杂，具体体现在：
1.超大容量和超高参数机组对闭环控制系统可靠性，控制功能要求更高：
●主汽温度高：
对“煤/水比”的动态控制水平要求高，
●否则温度变化快或波动幅度大会对锅炉设备造成很大的损坏；
●主汽压力高：
要求控制系统具有良好的调节品质，要符合对象特性的控制策略。
2.直流锅炉的控制的特点：
●汽水共存，机组是个3X3的多变量控制系统。
●机组启动控制复杂。
●汽水分离器（内置式/外置式）FlashTank/SeparateTank
●高压旁路HPBypass
●低压旁路LPBypass
锅炉蓄能能力相对小，锅炉跟随系统有局限性。
但允许的压力变化速率相对亚临界锅炉较大。
对于大容量机组的基本控制目标是将锅炉和汽机作为一个整体操作运行。
机、炉相互配合协调。
机组负荷变化时，要同时考虑稳态偏差和动态偏差。
其最主要的控制是抓住温度/压力。
为使机炉同时响应，机组负荷指令可同时送到锅炉和汽机的主控系统。
送到锅炉的就是作为前馈信号，以便将过程控制变量：
发电机功率、主蒸汽压力、烟汽含氧量、炉膛风量和主蒸汽温度等信号及时采集到控制系统中。
USC的蓄热能力相对较小，因而，表现出锅炉跟随系统的局限性。
解决这个问题需改进协调控制系统。
USC的协调控制系统的基本目标是将锅炉和汽轮发电机作为一个整体操作运行，锅炉和汽机的控制指令，既应考虑稳态偏差也要考虑动态偏差。
为了在机组负荷变化时机炉同时响应，机组负荷指令要作为前馈信号分别送到锅炉和汽机的主控系统，以便将过程控制变量（机组发电量、蒸汽压力、烟气含氧量、炉膛风量和蒸汽温度）维持在一个可接受的限度内。
汽轮机调节汽门不参与负荷调整，相反负荷由流量来调整。
升负荷或降负荷时，流量由锅炉给水泵改变。
也就是说，代表发电量命令的MWD信号，直接发送到汽轮机调节汽门，有效地改变机组发电量的唯一途径就是改变锅炉的能量输出。
如果在所要求的输出负荷指令与实际功率之间存在偏差，则将偏置锅炉和汽轮机指令，重新校正由于循环系统变化后的系统。
同样，节流压力误差用来校正蒸汽生成量和蒸汽使用量之间的平衡。
为补偿锅炉和汽轮机不同的响应时间，这两个误差信号作为一个过渡过程变量使用，以便于利用锅炉蓄能变化使汽轮机快速响应，从而使负荷指令与实际功率之间的误差减到最小。
协调控制系统设计不仅要完成定压运行，而且还要完成滑压运行。
超超临界直流炉的压力由汽轮机阀门控制，开始这个阀门作为前压调节阀门方式运行。
汽轮机阀门控制的唯一变量就是节流压力。
对于超超临界机组，这个压力大约为24.13MPa。
在正常运行（大于30％）时，这些阀门用于控制锅炉压力。
阀门关小压力升高，阀门开大压力降低。
在定压运行时，机组启动后的全部负荷范围内，协调控制系统将节流压力调整到一个固定的设定点：
机组负荷升高时，汽轮机调速器开大。
在负荷产生瞬时波动时，定压运行方式使锅炉有能力在不对过多的过程变量进行调整的情况下更有效地做出反应。
在滑压运行方式下，节流压力按负荷成直线斜率变化，汽轮机调速器在整个直线斜率调节范围内固定在一个精细调整的开度位置（正常时为90％开）。
10％的裕量允许用来缓冲机组负荷的变化。
汽轮机调速器的位置在机组负荷按照MWD变化率而改变时会受到暂态影响。
被控参数
机组
主控模式
发电机负荷
蒸汽压力
主蒸汽温度
再热蒸汽温度
水冷壁出口蒸汽温度
协调模式
汽机主控
锅炉主控
给水/给煤比例，过热器喷水阀
烟气分配挡板，再热器喷水阀
给水/给煤比例，过热器喷水阀
锅炉跟随模式
－
锅炉主控
给水/给煤比例，过热器喷水阀
烟气分配挡板，再热器喷水阀
给水/给煤比例，过热器喷水阀
汽机跟随模式
汽机主控
－
给水/给煤比例，过热器喷水阀
烟气分配挡板，再热器喷水阀
给水/给煤比例，过热器喷水阀
上图为电站USC对应控制回路P&I图
本说明的目的就是为锅炉和汽机的协调控制系统和锅炉的闭环控制系统提供一个总的概貌，并对主要的控制部分进行描述。
协调控制系统的功能就是根据机组运行工况形成一个适合与锅炉和汽机要求的需求指令。
锅炉闭环控制系统的功能就是控制整个锅炉和电厂设备，以确保锅炉和电厂设备安全、高效运行。
协调整个机组运行的主要控制功能包括：
。
机组（锅炉和汽轮发电机）负荷控制的协调
。
给水控制
。
水分离器控制
。
汽机旁路控制
。
燃料控制
。
煤粉燃烧控制
。
轻油控制
。
风量和炉膛通风控制
。
主蒸汽温度控制
。
再热蒸汽温度控制
。
一次风控制
。
风箱挡板控制
。
锅炉其它方面控制
协调控制和闭环控制的控制回路是模拟量信号控制的。
在机组启停和运行期间它开关量逻辑功能相结合。
在启动和切除过程中，逻辑的先后顺序由单独提供的开环控制系统来完成。
1.2基本功能的的说明
1.2.1双冗余测量
选择器
本系统使用一个控制两台变送器（或温度元件）之间切换的手动选择信号。
如果比较两台变送器发现一台故障并且联锁开关处于“闭合”位，那么相应的控制回路被强制切换到手动方式，并发出“变送器不正常”的报警信号。
手动选择正常的变送器信号后，自动控制方式可再次投入。
故障变送器修好后，双重监视系统再次恢复。
按钮状态
选择A
ON
OFF
选择B
OFF
ON
输出
A
B
平均值
这是一个特殊的情况，只用在燃烧风和烟气温度的测量，而这些地方可能出现测量误差。
如果把A和B传感器投入可用方式，则把两个信号的平均值送给控制回路。
如果比较两
台变送器发现一台故障，那么相应的控制回路被强制切换到手动方式，并发出“变送器不正常”的报警信号。
按钮状态
A可用
ON
ON
OFF
B可用
ON
OFF
ON
输出
（A+B）/2
A
B
1.2.2三冗余测量
这是一个特殊的情况，只用在燃烧风和烟气温度的测量，而这些地方可能出现测量误差。
或用于锅炉联锁的测量。
按钮状态
A可用
ON
ON
ON
OFF
ON
OFF
OFF
A可用
ON
ON
OFF
ON
OFF
ON
OFF
A可用
ON
OFF
ON
ON
OFF
OFF
ON
输出
（A+B+C）/2
（A+B）/2
（A+C）/2
（B+C）/2
A
B
C
1.2.3流量测量的补偿
使用下列补偿作为可压缩的流量要求.
Y=
Y：
补偿过的流量
X：
测量流量
PM：
测量压力（bar）
TM：
测量温度（℃）
PD：
设计压力（bar）
TD：
设计温度（℃）
1.2.4典型的控制回路功能
⑴自动/手动/自动备用方式
PI或PID调节器在自动方式下完成比例+积分（微分）操作，以消除设定值和过程值之间的偏差。
在VDU控制站上通过增/减操作进行手动控制。
在手动控制期间，PI调节器的输出跟随手动输出信号。
运行方式的切换，一般情况下，在VDU（VisualDisplayUnit）控制站上通过方式开关来完成方式的切换。
方式的切换应该是无扰动的。
也就是说，去控制装置的输出信号在手动（自动）切换到自动（手动）时不受影响。
手动＝＞自动；在自动方式运行期间，手动控制站的输出信号跟踪调节器的输出信号。
自动备用方式
当操作人员将手动方式切换到自动方式而不需要相应的允许条件时，就选择自动备用方式。
建立起允许条件后，方式会自动地从自动备用方式转换到自动方式。
在自动备用方式下，装置会保持在预先设定的开度上。
PI控制不起作用，PI调节器跟踪预先设定的开度。
⑵P,I,D调节器的说明
过程反馈控制显示如下。
比例控制（P作用）
这个值是输入信号乘以比例增益后的输出值。
a）积分控制（I作用）
把输入信号经积分计算的值加起来的输出。
b）微分控制（D作用）
输入信号不完全微分值的输出。
1.3参考资料
1.3.1P&D图
雇主图号MHI图号图纸名称
97000－2110流程图图例
97000－2111锅炉流程图
97000－2116启动系统流程图
97000－2131风和烟流程图
1.3.2仪表和控制（I&C）文件
雇主图号MHI图号图纸名称
61000－0006I&C失常清单
61000－0007MHI图上使用的逻辑符号说明
61000－0131典型的功能逻辑图
61000－1021锅炉本体监控仪表图
61000－1032锅炉联锁图和系统说明
61000－3011锅炉本体报警清单
61000－3021锅炉本体设定值清单
61000－3031锅炉本体设定值偏值清单
61110－1003锅炉控制逻辑图
61110－1013锅炉控制功能逻辑图
61120－0011BMC基本方案
61120－1001MBC功能逻辑图
61120－1002风挡板控制方法和控制要求
61130－0011APS的基本方案和锅炉本体顺序控制
61130－0052机组（锅炉）启动/切除控制
61130－1001锅炉APS功能逻辑图（方案）
61130－1002锅炉APS功能逻辑图（工作）
61130－1003锅炉辅机功能逻辑图
61150－0202控制回路画面方案
61150－0212顺序主控画面方案
61150－0222P&ID画面方案
2.0控制回路的功能说明
2.1机组协调控制
⑴机组运行方式
机组协调控制就是用来根据机组运行工况形成一个下列适合与锅炉和汽机要求的需求指令。
●锅炉输入需求指令
●汽机主控需求指令
●锅炉输入率需求指令
这些需求指令间的关系完全取决于选择的运行方式。
●协调控制方式（CC）
●锅炉跟随控制方式（BF）
●锅炉输入控制方式（BI）：
包括汽机跟随方式
●锅炉手动方式（BM）：
包括汽机跟随方式
a．协调控制（CC）方式：
这是机组正常运行方式。
把机组负荷需求指令（就是功率需求）送给锅炉和汽机，以便使输入给锅炉的能量能与汽机的输出能量相匹配。
汽轮发电机控制将直接跟随MW（功率）需求指令。
锅炉输入控制将跟随经主蒸汽压力偏差修正的MW需求指令。
期望在这种方式下能稳定运行，因为汽机调速器的阀门能快速响应MW需求指令，因此也会快速改变锅炉负荷。
这种控制方式可以极大地满足电网的需求（MW需求指令来自NLDC，即NationalLoadDispatchCenter，频率稳定要求）。
为了投入协调控制（CC）运行方式，不仅要把锅炉输入控制和汽机主控投入运行，而且还要把所有的主要控制回路投入运行。
诸如给水、燃料量、风量和炉膛压力控制。
这些控制回路都应处于自动方式。
下面要说的另一个控制方式使用一个不同的控制策略，因为从NLDC发来的和/或操作人员手动设定的MW需求指令是不能用的。
取而代之的是协调汽机和锅炉的需求信号，用自动方式下的主汽压力控制回路控制压力，而其它的控制方式则处于手动。
通常采用这种模式.
Ø根据负荷指令,控制调节.
Ø根据负荷指令增加主蒸汽压力，并根据负荷信号控制水/燃料控制阀
●优秀的负荷跟踪性能
●稳定的电厂运行
b．锅炉跟随控制（BF）方式：
汽机主控在协调控制方式运行期间切换到手动时，运行方式就会从CC方式切换到BF方式。
在这种运行下，机组负荷通过手动的汽机主控由操作人员手动来改变。
在“锅炉输入控制自动”和“汽机主控手动”条件下，自动地设定去锅炉的需求指令，来控制用实际的MW信号所修正的主蒸汽压力。
在这种方式下，实际的MW信号跟踪MW需求信号。
为防止汽机主控制系统问题，应采用以上模式；
Ø根据负荷指令控制发电机；
Ø优秀的负荷跟随性能；
Ø水/燃料控制阀由主蒸汽压力信号控制.这样有可能造成锅炉不能跟随汽机蒸汽需要；.
在这种模式下运行，可能造成电厂生产的不稳定
c．锅炉输入控制（BI）方式：
在这种运行方式下，锅炉的输入指令是由操作人员手动操作给出的。
这意味着机组负荷的改变是由操作人员通过锅炉输入控制来完成的。
在“锅炉输入控制手动”和“汽机主控自动”的条件下，自动地设置去汽机调速器的需求指令来控制主蒸汽压力。
由于直接调整锅炉的输入，可以预料在这种运行方式下极大的稳定运行机组。
然而，这种运行方式对机组负荷要求做出反应这方面却不如协调控制（CC）和锅炉跟踪（BF）方式。
在这种方式下，实际的MW信号跟踪MW需求信号。
当发生锅炉辅机故障快速减负荷（RB）时，会自动地选择锅炉输入控制方式。
如下图所示：
Ø为防止锅炉控制问题或者RB运行，采用以上模式；
Ø根据负荷指令,控制水/燃料进给；
Ø负荷跟踪性能不好
Ø汽机跟随锅炉；
在这种模式下运行的电厂生产稳定；
d．锅炉手动（BM）方式
在机组启动和停止期间使用这种方式。
当给水控制在干态方式运行期间切换到手动时，或燃料量控制在湿态运行期间切换到手动时，会自动的地选择这种方式。
在这种运行方式下，机组负荷是不受控的。
如果汽机主控处于自动方式，那么汽机调速器将控制主蒸汽压力。
⑵机组主控
表示可允许的负荷范围和负荷变化率的限制的MW需求信号是由操作人员手动给出的，或者来自于NLDC发出的需求指令。
a．负荷目标设定
在协调运行方式下，借助于操作人员手动操作（室内方式）或来自于NLDC发出的需求指令就可以设定负荷目标值。
如果选择了除协调方式外的方式选择，那么实际的MW信号跟踪负荷目标值。
如果在室内方式下，那就可以在VDU（VisualDisplayUnit）的控制站上进行负荷目标的设定。
NLDC的切换操作可在VDU的控制站上进行。
b．负荷变化率设定
负荷变化率的限制加在负荷目标信号上，以消除负荷需求信号的突然变化。
可以用手动或自动的方法设定负荷变化率。
在自动方式情况下，给出了由MW需求指令或锅炉输入指令所形成的已编制好的变化率。
在手动方式情况下，操作人员可以在VDU（视频显示单元）提供的控制站上设定负荷变化率。
作为速率限制条件还要考虑汽机应力情况。
在MT-DEH系统的汽机应力控制处于投入方式（INmode）期间，由汽机应力所引起的负荷率的上限送给负荷目标信号。
c．频率偏置
为了适应汽机调速器完成的频率自动调节功能，频率偏差信号加在负荷需求信号上。
汽机调速器有一个固定偏差控制回路。
根据电网频率波动的范围，汽机调速器将调整输出功率。
如果通过锅炉控制修改并回复功率的变化，由汽机调速器所完成的固定偏差控制将被取消。
因此符合固定偏差设定置的频率偏置加在了负荷需求信号上，以维持汽机调速器特有的固定偏差控制功能（调速器不起作用）。
频率偏置只用于协调控制方式被选择时。
应考虑主蒸汽压力的修正，以致由于不同的运行压力能被减到最小而影响负荷。
提供频差的高/低和速率限制，防止锅炉输入控制需求指令的波动，以维持锅炉在安全的范围内运行。
d．负荷的高低限制
另外给出了对负荷需求信号的高值和低值的限制。
可以由操作人员手动操作给出，并且只能在协调控制运行方式下使用。
加上高低限制的负荷需求信号转换成所谓的MW需求信号。
⑶负荷增/减闭锁
负荷增/减闭锁功能的作用就是维持稳定的电厂运行，并把这看作电厂控制系统的保护功能的一部分。
如果某些子控制回路，如汽机调速器、给水、燃料和风，在协调控制方式或者锅炉控制输入方式下达到了其控制范围的限制，那么电厂就不能稳定运行。
因此，当负荷增/减闭锁条件存在时，负荷变化率被强制设置为零，并且闭锁负荷变化。
如果有关的子控制回路回复到其控制的范围内，那么这个功能得以复位并且将对负荷变化起作用。
⑷汽机主控
当选择了协调控制方式时，汽机主控将跟随从机组主控和功率控制（发电机负荷），以便使实际功率与功率需求信号（MWD）相匹配。
汽机调速器需求指令
控制方式
汽机调速器指令
控制回路的自动/手动状态
汽机调速器
给水
燃料
风
协调控制（CC）
由功率需求令（MWD）控制功率
自动
自动
自动
自动
锅炉跟随（BF）
手动设定
手动
自动
自动
自动
锅炉输入（BI）
如果汽机主控在自动，控制主蒸汽压力
自动/手动
自动
自动
自动
锅炉手动（BM）
如果汽机主控在自动，控制主蒸汽压力
自动/手动
任何一个在手动
汽机调速器超驰控制
当主汽压力偏差在协调控制运行期间超出了预先确定的范围时，汽机主控将控制主汽压力而不是功率，以稳定锅炉输入与汽机输出之间的平衡。
这被称之为汽机调速器的超驰控制。
为功率控制（协调控制方式）和主汽压控制（锅炉输入或锅炉手动）各自提供单独的PI调节器，以改进控制性能，作为二选一的控制方法。
修正功率功能也被考虑。
就是用主汽压力偏差来修正实际功率，并对汽机调速器阀功能给出某些限制。
通过增加了这个限制，汽机调速器的过调动作就可以避免，就可能快速地控制功率。
⑸锅炉主控
锅炉输入需求（BID）信号在协调控制方式下由功率需求信号（MWD）和主汽压力修正信号组成，在锅炉跟随方式下由实际功率和主蒸汽压力修正信号组成。
在锅炉输入方式下，锅炉输入需求指令可由操作人员通过BID设定器来设定。
当发生了RB工况时，锅炉输入需求指令是根据预先设定的RB目标负荷和负荷变化率产生的。
在锅炉手动方式下，锅炉输入需求指令在干态运行时靠给水流量（MW偏置）产生，而在湿态运行时靠实际功率产生。
⑹主汽压力控制
主汽压力的设定值作为可变的压力编程是通过下列两种方法设定并给出的。
在协调控制方式时根据功率需求设定。
在除协调控制方式以外的其它方式下根据锅炉输入需求设定。
主蒸汽压力的设定值也可以在设定器处在手动方式时由操作人员手动设定。
与锅炉时间常数有关的滞后功能是为主蒸汽压力设定值考虑的。
这是因为由于锅炉时间常数的原因主蒸汽压力设定值对锅炉输入需求来说响应滞后。
如果不考虑这些，就有可能切换到汽机调速器超驰控制。
那么这就把机组负荷的限制连接在一起。
⑺锅炉输入率需求（BIR）
每一负荷下的锅炉输入静态平衡由与各自相关的子控制回路如给水、燃料量和风的需求信号来维持。
然而，在负荷变化期间这还不够。
考虑到锅炉的动态平衡，还要提供锅炉输入速率需求指令并将其加到各自子控制回路需求信号上作为前馈信号。
下面是BIR功能说明的一个例子。
⑻湿态与干态的切换
作为超超临界锅炉的一个特征就是采用了两种运行形式。
两种形式的分界在锅炉蒸汽流量近似等于锅炉最小给水量时。
如果锅炉蒸汽流量低于最小给水量，此时就是通常所说的“湿态”运行；锅炉蒸汽流量大于最小给水量，这就是所谓的“干态”运行。
作为汽包形式的锅炉可以考虑湿态运行。
因此，其控制方法基本上要根据每种运行方式来设计。
方式的切换基本上将由MW需求指令来判断。
对于从湿态切换到干态方式这种情况，也要考虑分离器液位作为两种切换选择的方法。
a．湿态运行方式
Ø类似汽包锅炉
Ø主蒸汽压力由燃料量控制
Ø主蒸汽温度由过热器喷水量控制
调节
给水
燃料
风量
喷水
发电负荷
◎
——
◎
○
——
主蒸汽压力
——
——
◎
○
——
主蒸汽温度
——
——
——
——
◎
氧气
——
——
——
◎
——
b．干态运行方式
Ø给水流量=通过汽水分离器的蒸汽流量
Ø主蒸汽压力由燃料量和给水量控制
Ø主蒸汽温度由燃料/给水比率控制
调节
给水
燃料
风量
喷水
发电负荷
◎
◎
○
○
——
主蒸汽压力
——
◎
○
○
——
主蒸汽温度
——
——
◎
○
◎
氧气
——
——
——
◎
——
c．湿/干态运行方式
Ø锅炉汽机协调控制模式（CC）
Ø锅炉跟随模式（BF）
Ø汽机跟随模式（TF）
CC
BF
TF
干蒸汽
①
③
⑤
湿蒸汽
②
④
⑥
①②锅炉/汽机协调控制模式（CC）：
⑼快速减负荷（RB）运行
快速减负荷
“快速减负荷”是用来实现下列动作的；
当锅炉和汽机的辅机在正常负荷运行期间出现意外事故时，将由这种功能根据预先设定的符合每种跳闸情况的变化率迅速减少去锅炉的输入需求指令。
否则的话，电厂将不能连续稳定的运行。
在这种工况下，应减少锅炉的输入需求指令，直到机组负荷达到电厂余下的辅机设备的出力水平。
为了产生一个迅速减少的锅炉输入需求指令，锅炉输入指令去的每个子回路（给水控制、燃料和风的供给控制和炉膛压力控制）处于自动运行方式这是最基本得的。
此外，为了达到快速稳定压力控制以防止由于锅炉输入变化造成主蒸汽压力波动的目的，还需要使汽机主控处于自动运行方式。
在协调控制不起作用时，要根据RB的内容在锅炉输入方式下以预先设定的目标值和变化率来减少锅炉的输入需求指令。
RB项目说明如下（仅供参考）。
显示的变化率是假设值。
最终的目标负荷和变化率在调试期间确定。
RB发生后的运行情况
发生RB的原因
目标负荷
变化率
备注
一台汽动泵运行
汽动泵跳闸或电动泵跳闸
50％ECR
100％ECR/min.
电动泵运行
汽动泵跳闸
*%
100％ECR/min.
一台汽动泵加上电动泵运行
汽动泵跳闸
*%
100％ECR/min.
一台引风机运行
引风机跳闸
50％ECR
100％ECR/min.
由锅炉工程师核定
一台送风机运行
送风机跳闸
50％ECR
100％ECR/min.
由锅炉工程师核定
*将根据电动泵的容量确定。
2）空白
⑽交叉限制功能
交叉限制功能目的是在诸如给水、燃料和风的每个流量需求指令上加上一些限制，以保证这种功能只用于相应的回路运行在自动方式下。
—限制由于燃料量所引起的给水流量的偏高或偏低
－限制由于总给水量的滞后所引起的燃料量指令偏高
－限制由于总风量的滞后所引起的燃料量指令偏高
－限制由于燃料量所引起的风量指令偏低
⑾协调控制回路的总体说明
协调控制回路使用“功率需求指令”作为一个与实际机组功率负荷相比较的负荷目标指令。
负荷目标信号通常由操作人员手动给出或来自于电网调度指令。
这个负荷目标信号通过一个速率限制器，该限制器根据预先设定的限值限制目标负荷的变化率。
只要增加的目标负荷率低于所选定的限制率，就可以传送目标负荷信号。
当目标负荷率的增加超过所选定的限制率时，速率限制器将阻止不安全的信号通过而选择安全的预先设定的限制信号通过。
于是，该目标负荷信号被送到一个加法器中。
在引入的目标负荷信号上，加法器加上一个频率误差信号，以补偿系统频率偏差。
然后两个信号的和通过“负荷限制器”的选择器（高值和低值选择器）。
来自“负荷限制器”的输出信号改变成所谓的“功率需求信号”。
然后功率需求信号分配给汽机主控和锅炉主控。
去汽机主控的功率需求信号用于与机组发出的实际功率相比较的负荷设定值。
将主蒸汽压力的误差信号加到所产生功率信号以补偿主蒸汽压力的偏差。
来自加法器的输出信号就是所谓的修正的功率
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