北京贝利在过去十多年中为火电厂用户提供几十套DCS系统,其中模拟量控制系统(MCS)设计在满足合同要求的基础上,考虑一定的前瞻性,形成了自己的风格,逐步走向定型化,大大提高了合同执行速度和合同完成的质量。如今年4月在上海威钢高炉煤气发电机组调试期间,就曾以协调方式将机组升至满负荷,从而进入168计时。
本文拟对北京贝利火电机组的模拟量控制系统的主要设计思想作一概述。
一、机组主控系统(UM)
图一是高炉煤气发电机组操作台上运行员使用的动态SAMA图,它粗略地显示了高炉煤气发电机组主控系统的逻辑关系。图二则是典型300MW机组主控系统的操作面板画面。机组主控系统的目的是产生机组的负荷指令(ULD)。当机组主控与就地运行员接口时,运行员只需要输入目标兆瓦数;当机组主控与远方指令如中调调度员接口时,调度员只需要输入目标兆瓦数,并发出请求遥控脉冲给DCS,其它的事情都由DCS按预设的方式安全平稳地做好。机组主控也可以与厂级控制中心接口。图一是特例,该机组不受电网调度限制并且与电网约定,机组可以尽其所能发电,因此机组的远方目标负荷指令就是高炉煤气压力的函数。
为此机组主控系统就应具有以下功能:
1.机组负荷指令高低限幅
高低限可调。当机组负荷指令达到高限或低*,被阻止进一步增加或减小,并报警。迫降(RD)时,不受低限值限制,并以实际指令修正低限值,以通知远方指令系统,及实现从RD到协调方式的无扰切换。,发生迫升(RUP)时,不受高限值限制,并以实际指令修正高限值,以通知远方指令系统,及实现从RUP到协调方式的无扰切换。
2.机组负荷指令变化率机组负荷指令变化率规定当前ULD向目标负荷指令趋近的速率。此变化率可由运行员随时调整,但受zui大变化率限制,当变压方式运行时,还进一步锅炉材料允许的温度变化率限制。负荷变化率的预设值如下:
(1)正常负荷变化率
定压运行时为3%/分
变压运行时为2.5%/分
正常负荷单方向升或降允许持续5分钟,然后保持5分钟(可调)
(2)zui大负荷变化率
定压运行时为5%/分
变压运行时为3%/分
设计采用限制变化率为零的手段实现负荷指令的闭锁加、闭锁减和保持功能。
3.辅机故障减负荷RB
在协调方式下,当两台引风机突然有一台跳闸,仅有一台维持运行,而这时机组负荷指令ULD又大于单台引风机所能承受的负荷时,发生引风机RB。相似的有送风机RB,一次风机RB,除氧器和凝汽水位同时高RB,发电机定子冷却水流量低RB等,每种设备对应一种RB速率,当发生几种设备RB时,与RD速率比较,取zui大者为zui终减负荷速率,将机组负荷指令减下来,直到新的负荷指令等于或小于单台辅机的承受能力而停止RB。在非协调方式下,发生RB条件虽不能减机组负荷指令,但可以发出类似RB的信号给BMS和DEH,以便BMS切除若干层给粉机,DEH给汽机减负荷。
4、迫降负荷RD
RD的目的是在协调方式下使机组指令与投运设备能力匹配,在以下情况下,发生RD:
A.给水泵指令在zui高限,而实际给水流量比设定值低一定量
B.燃料主控器在指令zui高限,而实际燃料量比设定值低一定量
C.送风机指令在在zui高限,而实际风量比设定值低一定量
D.引风机指令在zui高限,而实际炉膛压力比设定值高一定量
E.当送风机接近喘振工况时
F.给水泵指令在zui高限,而实际汽包水位比设定值低一定量
RD的结果是使机组负荷指令以一定速率降下来,从而减小上述设备过程变量的偏差或脱离喘振工况而停止RD。
5、迫升负荷RUP
RUP的作用与RD相反,是在协调方式下提高机组负荷指令,以适应辅机当前工况,在以下情况下发生RUP:
A.燃料主控器指令在zui低限,而实际燃量比设定值高一定量
B.给水泵指令在zui低限,而实际给水流量比设定值高一定量
C.送风机指令在zui低限,而实际风量比设定值高一定量
6、机组负荷指令方向闭锁
在下列情况下机组负荷指令闭锁加:
A.燃料量为zui大值
B.送风机指令为zui大值
C.送风机绝热压头比极限值高一个预定值
D.引风机指令为zui大值
E.给水流量比设定值小一个预定值
F.给水泵指令在zui大
G.汽机调门位置在zui大
H.机组指令比实发功率大一定值
I.机前压力比设定值低一定值
J.燃料量比设定值低一定值
K.风量比设定值低一量值
L.炉膛压力比设定值低一定量
M.炉膛压力比设定值高一定量
N.机组指令被上限幅
在下列情况下机组负荷指令闭锁减:
A.燃料量在zui低点
B.两台汽泵的指令都在zui低点
C.机前压力比设定值高一定值
D.实发MW比机组指令高一定值
E.燃料量比设定值高一定量
F.给水流量比设定值高一定值
G.炉膛压力比设定值高一定值
H.炉膛压力比设定值低一定值
I.风量在zui低点
J.机组负荷指令被低限幅
K.两台送风机的指令都在zui低点
L.汽机调门开度在zui低点
M.引风机指令在zui低点
设有GO/HOLD按钮,当按下HOLD时,同时发生闭锁加和闭锁减。上述闭锁加、闭锁减不阻碍RD和RUP的进行。
7.与调度中心(或厂级控制中心)接口
A、RTU到DCS的信号
1.发电机功率设定值:
中调调度员可以在本机组允许的zui大功率和zui小功率范围内,任意一个设定值作为机组目标负荷,然后投遥控。DCS接受此指令,按预设的负荷变化率升降负荷,zui终达到中调指令要求的值。发电机功率设定值在投遥控前不必跟踪DCS发来的机组实际
2.中调请求遥控机组:
这是一脉冲信号。DCS接受此信号后将机组主控站置成自动,接受中调遥控指令。此后机组运行员也可以将机组主控站置成手动,不接受中调遥控指令。运行员可以再次置成自动,又接受中调遥控指令。或者由中调再发脉冲信号,也同样可以实现中调遥控。
B、DCS到RTU的信号
1.机组允许投入中调遥控:
这是一电平信号,产生该电平信号的条件是同时存在:
·机组已实现就地机炉协调控制
·机组不在调频方式
·无RB,RD,RUP条件
·中调信号无坏质量
中调收到此信号后,再发“中调请求遥控机组”脉冲信号,遥控才有效。
2.机组“已经投入中调遥控”证实:
这是一电平信号,实质上就是DCS中机组主控站处于自动状态。机组主控站处于自动状态的条件是同时存在:
·机组已实现就地机炉协调控制
·机组不在调频方式
·无RB,RD,RUP条件
·中调信号无坏质量
·机组运行员将机组主控站置于自动状态或收到中调请求遥控机组的脉冲信号
3.机组指令增闭锁:
这是一电平信号。向中调显示,机组的负荷指令在趋近遥控指令(或机组运行员的目标兆瓦指令)的升降过程中,处于增闭锁状态。
4.机组指令减闭锁:
这是一电平信号。向中调显示,机组的负荷指令在趋近遥控指令(或机组运行员的目标兆瓦指令)的升降过程中,处于减闭锁状态。
5.机组当前负荷(功率值)
6.机组zui大允许负荷(功率值)
7.机组zui小允许负荷(功率值)
8.机组允许的负荷变化率。
机组主控手自动站以下设汽机主控手自动站和锅炉主控手自动站。汽机主控自动,锅炉主控手动为汽机跟踪方式;锅炉主控自动,汽机主控手动为锅炉跟踪方式;两者均自动为协调节方式;两者均手动为手动方式。在图一和图二中均有表示。
二、汽机主控(TM)
汽机主控系统的目的是建立汽机阀位指令。只有用软开关发出数字量输出(DO)信号到DEH,请求遥控汽机,并且收到DEH来的数字输入(DL)信号应答后汽机主控手动站才有效,否则它的输出跟踪DEH的“负荷参考”信号。汽机主控制站有效后,可以手动或自动。手动方式时,由运行员给出汽机高压调门的开度指令。自动方式时,接收两个PlD调节中一个的输出:“协调方式汽机调节器”或“汽机跟踪方式汽机调节器”。
1.协调方式下的汽机指令
遵循以下模型:
汽机指令=ULD+Mwe—Tpe+∫(Mwe—Tpe)
其中:ULD一机组负荷指令。
Mwe一机组负荷指令减去实发功率所得之差。
Tpe一机前压力设定值减去机前压力所得之差。
汽机参与消除MW余差,而不参与消除主汽压余差。
2.汽机跟踪方式下的汽机指令
锅炉主控在手动,汽机主控在自动,汽机主控用来控制机前压力,这属于汽机跟踪方式。用机前压力偏差的比例积分作用实现。锅炉指令除以机前压力设定值作前馈。机组指令跟踪实发功率。
3.锅炉跟踪方式下的汽机指令
锅炉主控在自动,汽机主控在手动,运行员在汽机主控器上设置汽机阀门指令,或者由DEH控制着汽机,这属于锅炉跟踪方式。锅炉主控器的任务是维持主汽压力。机组指令跟踪实发功率。
4.基本方式下的汽机指令
这时锅炉和汽机的功能独立,锅炉主控和汽机主控均手动,可分别改变锅炉和汽机的负荷。
5.机前压力设定前的形成
机前压力设定值由运行员在操作台上用TPSP给定形器给定,但在基本方式下,跟踪实测机前压力。当运行员选择变压运行方式时,TPSP给定器跟踪ULD的F(x)函数即滑压曲线。如同机组负荷指令一样,机前压力设定值也有运行员可调的上限器、下限器和变化速率设定器。从TPSP给定器送出的信号经高低幅及限速后作为zui终机前压力设定值。如果希望机前压力设定值不再变化,运行员可按动机前压力GO/HOLD按扭。
6.自动升负荷方式
在变压运行方式被选定后,运行员可以选择三种方式升负荷:
a.固定阀位/可变压力方式
运行员将汽机调门置于某一固定位置,系统升负荷过程中,主汽压力按滑压曲线随负荷升压。负荷升至83%时,主汽压力设定值达额定值,此时系统进入定压运行方式,汽机调门无扰动地开始参与调节机组负荷。
b.固定阀位±10%/调节
在升负荷至83%期间,为了响应机组负荷波动和保证频率稳定,汽机调门可在土10%范围内调节。升负荷过程与方式a相同。
c.程序方式升负荷
在低负荷情况下(低于22%负荷),保证主汽压力在一低压设定值,调整汽机调门去满足负荷命令,负荷上升至22%时,以方式b运行。
7.与DEH接口
1)DO,MCS请求遥控汽机:
这是一电平信号,产生该电平信号的条件是同时存在:
·主汽压不过高过低
·主汽压偏差不过高过低
·主汽压信号无坏质量
·无MFT
·汽机阀位不过高过低
·运行员按动了“请求遥控汽机”按钮
上述任一条如不存在,汽机主控手自动站将被强制成手动,并跟踪汽机负荷参考。
2)DO,MCS请求DEH减负荷:
等宽脉冲序列,将使汽机调门关小。由汽机主控手自动站产生的汽机指令如果低于汽机负荷参考,将产生此类脉冲。脉冲频率正比于指令与汽机负荷参考之差。
3)DO,MCS请求DEH加负荷:
等宽脉冲序列,将使汽机调门开大。由汽机主控手自动站产生的汽机指令如果高于汽机负荷参考,将产生此类脉冲。脉冲频率正比于指令与汽机负荷参考之差。
4)DI,DEH在遥控状态:
电平信号。DEH收到“MCS请求遥控汽机”信号后的响应。MCS收到此信号后,运行员可以对汽机主控手自动站进行手自动操作。
5)DI,DEH请求闭锁加:
电平信号。MCS收到此信号将闭锁组负荷和汽机指令的增加。
6)DI,DEH请求闭锁减:
电平信号。MCS收到此信号将闭锁机组负荷和汽机指令的减小。
7)DI,DEH请求负荷保持:
电平信号。MCS收到此信号将闭锁机组负荷和汽机指令的增加和减小。
8)AI,汽机负荷参考:
模拟量。代表汽机的负荷。
汽机主控系统的上述功能在图一和图二中均有表示。
三、锅炉主控(BM)
锅炉主控系统的目的是产生燃烧率指令,以控制燃烧。它是燃料、送引风、给水等系统的指令来源,只有这些子系统置成自动方式后,“锅炉主控手自动站”才有效,否则它跟踪一个恰当值,使“燃料主控制器”输入偏差为零。“锅炉主控手自动站”有效后,可以手动或自动。手动方式时,由运行员在100%范围内,给出锅炉的整体负荷指令,它决定着锅炉的出力。自动方式时,接收两个PID调节器中的一个输出:“协调方式锅炉调节器”或“炉跟踪方式锅炉调节器”。
1.协调方式下的锅炉指令
遵循如下模型:
锅炉指令=ULD+MWe+TPe+∫(TPe+MWe)
锅炉参与消除主汽压余差,而不参与消除MW余差。
2.锅炉跟踪方式下的锅炉指令
锅炉主控在自动,汽机主控在手动,以目标负荷作机组燃烧率的前馈指令。机组燃烧率被Tpe的比例积分校正。目标负荷是汽机要求的蒸汽流量而非已有的负荷。实际的目标负荷由下式给出:
目标负荷=(TPd/FSPd)X(FSPa/TPa)
其中:TPd一机前压力设定值
TPa一机前压力实际值
FSPd一一级压力设定值(满负荷)
FSPd一一级压力实际值
四、燃料量控制(FF)
本系统的目的是产生燃料流量指令,以满足锅炉指令的要求。
1.燃料主控
燃料主控由燃料主控调节器和燃料主控手/自动站组成。以蒸汽流量加汽包压力的微分代表的锅炉发热量视为总燃料量,它作为燃料主控调节器的PV,主控器的SP和前馈基本上是锅炉指令,但经给水温度的函数,以考虑给水所含热量。经PI校正后由总风量交叉限幅,通过燃料主控手/自动站送出总燃料指令。前馈的目的是加快燃料控制阀对负荷变化的响应。总燃料量如果超过上下限幅燃料主控手/自动站不能投入自动。燃料主控制器输出的总燃料量指令减去燃油BTU,经增益自动补尝,控制各给粉机转速。控制煤粉总流量。运行员可以任意调整各台给粉机转速偏置,甚至起/停一台给粉机,在这种情况下,增益自动补偿器能保证煤粉总流量不变。
2.给粉机控制
调节给粉机转速实现燃料量的控制。为每台给粉机设置偏置功能,使运行员能改变各给粉机负荷的分配,也可以根据“送粉一次风流量”偏移平均值的多少,反过来自动微调给粉机的转速偏置。每层设层操站,每角设角操站。每站都有偏置功能,设计中考虑zui大限度地避免偏置饱和。
五、送风机控制
FDF控制系统的目的是控制送风机动叶,满足燃料的风量要求及保证锅炉的安全。
1.氧校正/风燃料比
烟气氧含量设定值SP随蒸气流量变化,并具有操作员偏置,加大偏置可增加系统的过剩空气。SP与实测的烟气氧含量比较,对偏差进行PI校正,得出氧修正系数,送往手/自动站,这也就是“风燃料比”。经给水温度修正后的锅炉指令在产生燃料指令的同时,与“风燃料LL"相乘,得到风指令。实际总燃料量也与“风燃料比”相乘参加风指令的高选。风对燃料的交叉限制也是通过“风燃料比”将风量转换为燃料纲的。“风燃料lb"概念的引入,保证了双交叉限制的正确执行,在风量增、减或燃料量增、减过程中始终保持稳定的风燃料比,保证燃烧稳定。
2.送风指令的形成
进入锅炉的总风量由zui终进入炉膛的一次风量和二次风量相加组成。送风调节系统的PV是总风量,SP是风指令,偏差经PI校正,用于调节两台送风机动叶控制风量,以获得*风燃料比。
炉膛压力低时,闭锁送风机动叶关小,炉膛压力高时,闭锁送风机动叶开大。每台送风机设一台软手操站,可以无扰动地调整两台之间的差置。为防止喘振,每台送风机动叶要受“zui大动叶转角”限制。zui大动叶转角随风机流量而变,并扣除一个安全边界偏置。
3.轴流风机喘振保护
喘振zui容易发生在风机进出口差压高而出口流量低的异常工况下。有两种方法防止轴流风机喘振,一种如上节所述,限制站输出。另一种方法是在协调方式下修正风量指令。这种方法是计算出与风机进出口压力比有关风的风机“绝热压头”,喘振工况的绝热压头与风机流量大致成抛物线关系。当实际绝热压头升到足够靠近喘振曲线、机组又在协调方式时,则产生RD,将机组指令减下来,直至实施绝热压头处于远离喘振曲线的安全范围内。
六、炉膛压力控制
系统提供平衡的引风操作。通过调节引风机动叶,控制炉膛压力在设定值。
1.三冗余的炉膛压力测量
运行员在操作台上可选择A、B、C或中值作被控变量。当被选值突然变成坏质量时,系统自动切换到好质量的测量值上,A,B,C值之一与中值偏差超过预定范围时报警。如其余二个信号与中值信号的偏差均超限报警时,炉膛压力控制系统切换至手动。A,B,C及中值选择的所有自动及手动均是平滑过渡无冲击。A、B、C值全部变坏质量的瞬间,系统自动追忆正常工作时的控制输出,并切换到手动。
2.引风机指令的形成
被选炉膛压力与运行员可调的SP比较,驱动PI调节器。调节器的前馈是送风机平均指令,使控制系统预先作出响应,减少炉压波动。
3.方向闭锁
方向闭锁在炉膛压力异常时有效,炉膛压力低于若干Pa时闭锁引风机动叶开大,炉膛压力高于若干Pa时闭锁引风机动叶关小。方向闭锁位于站的下游,以提高保护动作的优先级。
4.炉膛压力超驰
MFTKICKER的目的是防止内爆。在MFT发生瞬间迅速减小引风机动叶指令。减小量与灭火前的机组负荷有关。经过一段时间延迟(时间可调),动叶恢复正常调节。正常工作时,若炉膛压力低于一个预定的负极限值,则将发生炉膛压力超驰。与差值成比例的一个负值迭加到两台引风机动叶指令上,使动叶关小,不论站手动或自动均有效。
七、主汽温度控制
本系统控制zui终的二级过热器出口温度。锅炉一般设有二级喷水,两个调节系统均为串级,以减温器下游温度(即过热器入口温度)作为付调参数。有的减温带有两侧喷水,则可将串级系统设计成带两个并行的副环。在两副环设定值之间设偏置器。为了减小喷水压力等的影响,在副调节器后均再加一级副调节器,控制参数为喷水流量。
为了更有效地控制二级过热器出口温度,利用热平衡原理估算减温器出口温度设定值是可取的。二级减温器出口温度的设定值是通过计算进人二级过热器蒸量应具焓值得到的。根据应具焓值及过热器人口压力,由蒸气表的内插函数可以确定二级过热器人口温度的设定值。二级过热器人口压力等于机前压力加二级过热上的压力降估算值;二级过热器应具入口焓等于主蒸汽焓减去二级过热器焓升的期望值,再加上焓值的动态修正。这样计算得到的减温器出口温度设定值经饱和保护(防止喷水阀在饱和区打开)作为主调节器的前馈。
主蒸汽的焓值,代表锅炉蒸汽应提供的KJ/Kg数。将机前压力设定值和主汽温度设定值输入5X5内插器,即得到要求的焓。
二级过热器焓升的期望值取决于二级过热器的入口烟温及过热器列管吸热性能。影响入口烟温的参数有:燃烧率,再热控制特性,过量风和投入的燃烧器层。这些参数都用于确定通过二级过热器的焓升的期望值。焓升还与负荷直接有关,风量作为负荷的代表也被用来确定焓升的期值。
当负荷快速变化时,常常需要锅炉过燃烧或久燃烧,引起主汽温偏移。例如负荷升高时,过量热供给过热器,以适应蒸汽流量的增加(蒸汽流量冷却过热器)。这种不平衡使主汽温升高。为避免温度的偏移,用机前压力偏差进行焓值动态校正:当机前压力升高时,偏差信号指示对过热器的加热大于冷却,应减小过热器人口温度设定点,从而增大喷水,补偿汽温的上升。当锅炉主控手动,不对机前压力进行自控时,动态校正忽略。
主调节器输出与“偏置设定器”相加减作两个副调节的SP。当两个付环均自动时,运行员可用“偏置设定器”调整两个付环温度SP的正负偏质量,使一侧略高另一侧略低,从而改变两个阀喷水量的分配。
八、给水控制
给水控制满足全程给水自动的要求。
机组启动或低负荷时(如<14%),根据汽包水位冲量来控制旁路给水阀,根据汽包压力及给水管路系统的阻力来控制电动给水泵转速,以保证电动水泵出口对汽包有足够的但不过于富裕的稳定压差。
系统脱离低负荷状态时,自动打开主路给水电动门,压差控制器退出工作,单冲量(汽包水位)调节器控制电动泵转速。主路给水电动门打开期间,旁路阀仍自动状态,之后保持其阀位不变。当机组负荷>20%时,给水控制系统自动地由单冲量转为三冲量(汽包水位、主汽流量、给水流量)控制。当汽泵与电泵同时运行时或者两台汽泵同时运行时,各台泵的转速同时受三冲量给水控制器控制。
三台泵的负荷分配按流量计算,即各台泵的末级是流量调节器。借用前置泵流量测量值。zui小流量再循环阀非关闭状态,流量视为零。
以三台泵当前流量总和为100%,电泵所承担比率是可调的。当两台汽泵均手动时,电泵自动承担其余负荷。当有一台或两台汽泵投入自动且未被限幅,则电泵所承担总负荷的比率不变,但可由运行员修改。当两台汽泵自动而电泵突然停止,则电泵承担的原流量负荷平均地分配到两台汽泵。在控制台上显示各泵的“相对流量”,即前置泵当前流量与机组额定给水流量之比。自动工作的两台汽泵,它们的相对流量可以用偏置器再调整。以上切换和调整均不改变控制器输出,因而无扰动。
启动完毕,两台汽泵正常运行以后,如果运行员按动一个“电泵紧急起动允许”按钮,那未,随后一旦一台汽动给水泵跳闸、将引起RB之前,电动给水泵将紧急起动,按承担100%负荷的要求,升速10秒(可调),之后进入自动状态并承担50%负荷。5秒之内电动给水泵如不能紧急起动,将发生给水RB。
九、协调系统的升级一自由压力运行方式的机炉协调控制系统
自由压力运行方式的机炉协调控制系统新型节能性控制系统。它与本文开头所述的传统协调系统不同,是原有系统的升级。是对传统协调系统的改进和提高,特别适用于调峰机组。该系统兼有传统协调系统的全部功能和运行方式。对运行员来说,*不同的是增加了一个人机接口软开关,用于在两种运行方式之间切换。
传统协调系统控制主汽压和兆瓦输出而不管汽机高压调门是否处于半开关状态,因而存在节流损失。当选定自由压力运行方式后,系统可以将“顺序阀门”运行方式的汽机高压调门位置地控制在“分程转换点”上,使汽机各高压阀门或者全开或者全关,避免处于半开半关状态,从而减少能量损失。系统通过控制燃烧使锅炉主汽压在一定范围内滑动,以满足兆瓦指令的要求。对于不同的兆瓦指令要求,系统自动寻找适当的汽机高压调门分程转换点和对应的主汽压上下限,直至高负荷时全开所有高压调门。在运行过程中及分程转换点变化过程中,系统严格控制主汽压变化速率,因而不会影响锅炉寿命。
在日益重视保护环境、节省资源、降低成本的今天,自由压力运行方式的机炉协调制系统必将在火电机组特别是调峰机组中得到推广应用。