某火力電廠機組控制系統的設計與實現

王 林，胡 哲 ，張捍東

(1.神華神皖安徽安慶皖江發電有限責任公司，安徽 安慶246000；2.安徽工業大學 電氣信息學院,安徽 馬鞍山 243000)

1 研究背景

近年來，我國電力工業持續發展，發電量已多年位居全球前列。伴隨著我國發電單元機組整體控制水平的不斷提高，特別是其自動化控制水平，可以預見的是火電廠熱工自動化的功能必將會與調度自動化系統相互協調進行控制，最終實現整體電廠能夠自動進行相關的發電控制。

但是，由于計算機自身僅僅只是一部機器，只能按照人工的設定，依據一定的控制邏輯程序進行必要的操作，而實際發電機組運行情況是一個復雜、隨機的過程。所以，不能夠完全依靠相關的自動化控制系統。因此，如何通過合理的設計的過程，降低相關工作人員不必要的勞動，就由顯重要。那么也就要求我們設計人員通過設計一個合理的控制系統，以最大限度的降低這種勞動的數量，最終實現生產力的解放。所以，以下將以某一電廠實際建設過程為背景，利用MaxDNA控制系統，結合相關控制算法，展開對整個控制系統相關的設計，在保證完成相關工藝要求的基礎之上，實現最大程度的降低相關工作人員的工作強度。

2 系統設備簡介

火力發電的過程就是一個能量轉換的過程，也就是將燃料(如煤炭、石油、天然氣等)中的化學能通過鍋爐燃燒轉化，轉化為高溫蒸汽中的熱能，通過水蒸氣的流動帶動汽輪機的旋轉，實現到機械能的轉化，然后通過帶動發電機的轉動發電，實現火力發電過程。由此可見，火力發電的這一過程之中，鍋爐、汽機和發電機這三個部件在電廠所有設備中的重要性。

我們使用的是上海鍋爐廠有限公司的鍋爐。該鍋爐亞臨界自然循環汽包鍋爐，是一種單爐膛、四角切向燃燒、一次中間再熱、平衡通風系統、燃燒器擺動調節溫度、全鋼架懸吊結構的固態鍋爐。

汽輪機機組采用的是上海汽輪機有限公司的汽輪機型式，這是一種單軸、反動式、雙缸雙排汽、一次中間再熱的凝汽機組。該機組可以做為常規發電機組,在某些特定情況下可作為調峰機組使用,可以輕松的實現對于定壓和滑壓這兩者運行方式,能夠實現基本的發電運行方式。

發電機組采用的是上海汽輪發電機有限公司的發電機，發電機的具體為型號：QFSN-300-2，發電機勵磁方式采用無刷勵磁方式。各個部分的冷卻方式為定子繞組采用的是水內冷方式,轉子繞組采用的是氫內冷方式,定子鐵芯采用的是氫冷方式。

輔機設備包括有一次風機兩臺、送風機兩臺、引風機兩臺、送風機兩臺和空氣預熱器兩臺，具體型號在此不做過多的說明了。

3 控制系統軟件設計

火力發電機組集散控制控制系統中，它的主要控制功能可分為以下幾大塊，依次為鍋爐爐膛安全監控部分(FSSS)、數據采集部分(DAS)、模擬量控制部分(MCS)、順序控制部分(SCS)、汽機旁路控制部分(TBC)、鍋爐吹灰控制部分(SBC)和電氣控制部分(ECS)。

結合以往的設計經驗，其中主要以鍋爐爐膛安全監控部分(FSSS)、順序控制部分(SCS)、模擬量控制部分(MCS)這三個部分最為重要，它們的設計工作量幾乎占到了整體軟件設計全部，因此主要以這三個部分展開分析。

3.1 順序控制部分

順序控制部分是對火力發電機組各單元機組的熱力系統和輔機的啟停進行自動控制，包括發電機、閥門、擋板等設備。由于順序控制部分(SCS)的涉及面很廣，系統中有大量的需要邏輯判斷的功能和需要輸入、輸出信號的部分。特別是隨著控制系統的巨型化的發展，以及對于具體控制系統的控制參數數目的提高，此外輔機數量和熱力系統的復雜程度也較以往有了很大的增加，例如對于我們設計的系統中，一臺上海電氣的300MW機組，約有輔機、電動、氣動執行器等各種設備兩百多臺套。

順序控制部分主要是與熱工設備的啟、停、開、關等操作有關。計算機直接根據被控設備的狀態、生產過程的工況和生產工藝的要求等條件，依據預先設定好的次序，依次完成啟、停、開、關被控設備。

其中，為了防止回轉式空預器轉子受熱不均而膨脹變形，保證鍋爐在負壓下長期運行，各功能子組順序控制要求如圖1和圖2所示：

圖1冷態啟動順序圖

圖2 熱態停止順序圖

通過以上的順序控制思路，能夠在保證機組設備安全的基礎之上，長期可靠運行，提高系統運行的經濟效益。

3.2 鍋爐爐膛安全監控部分

鍋爐爐膛安全監控部分在鍋爐運行的各個階段,連續不間斷地監測鍋爐的各部分運行參數，結合防爆規程所規定的安全條件等要求，不間斷地進行邏輯判斷、運算與分析，通過控制相應聯鎖裝置，保證燃燒設備依據既定程序完成必要操作，尤其是避免爆炸性的氣體(空氣與燃料混合氣)在爐膛及煙道內累計。更為重要的是，當發電機組出現危及鍋爐安全的工況時，能夠迅速切斷進入爐膛的所有燃料，及時當相關氣體排除，防止爐膛爆炸事故的發生，保證系統的穩定運行。爐膛安全監控部分有兩項非常重要作用，依次是鍋爐安全保護作用、鍋爐安全管理作用。

其中，主燃料跳閘(MFT)是其中非常重要的組成部分。主燃料跳閘，其是鍋爐安全監控系統的一個重要組成部分，決定了鍋爐是否能夠安全可靠運行。它通過連續不斷的監測事先預定的各種安全運行條件是否滿足要求，當系統一旦出現可能會危及鍋爐或整體系統安全運行的危險情況時，能夠快速準確的切斷進入爐膛的燃料的通道，防止鍋爐熄滅后發生爆燃情況，從本質上避免發生人身傷亡事故和設備的損壞，或者防止生產事故的進一步擴大，造成更大的經濟損失。表1主燃料跳閘就是一個系統跳閘條件表。

表1 主燃料跳闡條件

其中，為了保證不是因為不必要的誤操作，提高發電的經濟效益，我們采用延遲觸發這一技術手段，提高系統的控制準確性。

3.3 模擬量控制部分

模擬量控制主要包括機組協調控制、鍋爐給水控制、燃燒控制、風量控制、爐膛負壓控制、汽溫控制、除氧器凝汽器水位等幾部分組成。其中，以機組協調控制為重心，以下將主要以該方面展開對于這部分的設計的過程。

圖3 協調控制系統框圖

使用傳感器測得功率信號P實和主汽壓信號N實，送到DPU控制器——汽機調節器和鍋爐調節器 。當系統處于穩定工況下，機組實際發電功率應等于功率設定值P額，而機前壓力也等于壓力設定值N額。圖1就是該系統的控制框圖。但是當要求增加負荷時，系統將會將出現一個正的功率偏差信號(實際功率P實應減功率設定值N實)，直接通過汽機調節器調節調節閥，增大機組機組實際發電功率。與此同時，通過網絡將這個信號也作用到鍋爐調節器，使給煤量增加，增大給水量，從而增加蒸汽總量。但是當調節閥開大時，就會馬上造成機前壓力下降，即使此時鍋爐部分已經開始增加給煤量，但是由于慣性作用(燃料和機前壓力通道之間，就會造成控制的滯后)，這種情況仍將不可避免。在以上情況下，將會仍有正的壓力偏差信號存在，情況嚴重時會造成系統的超調，影響系統的控制效率，為此我們引入前饋-反饋控制。這樣的話，該信號將會仍然按照正方向作用到鍋爐調節器，繼續增加燃料量，但是由于前饋的作用，會反方向作用到汽機調節器之上，力圖將汽壓迅速的恢復到正常數值水平。由于正功率偏差信號與的負壓力偏差信號之間的相互作用，就會使得調節閥開大到一定程度后自動停止增大，維持恒定。雖然此時汽機實際發電功率沒有達到我們設定的功率給定值，但是這種狀態只能是暫時的，很快就會消失。此外，為了防止負壓力偏差信號對于調節閥的影響，必須引入反饋的控制，消除負壓力偏差信號對于系統的影響，從而提高系統的控制效果。因此以上過程，就是負的汽壓偏差信號和正的功率偏差信號兩者同時作用，通過鍋爐調節器使鍋爐增加給煤量，同時隨著機前壓力逐漸恢復，測量得到的壓力偏差信號將會逐漸減小，在正的功率偏差信號持續作用下，汽機調節閥繼續開大，提高實際發電功率，最終實現功率和主汽壓等于設定值，這時機組也就達到了新的穩定狀態，完成整個機組協調控制的過程。此外， 依次是被控對象和解耦傳遞函數。

4 控制系統硬件設計

通過對系統關鍵部位的軟件之后，本節將主要對于系統硬件配置展開分析。主要包括有輸入輸出點(I/O)配置、DPU機柜布置和系統硬件配置等幾部分。為了保證系統運行的穩定性和可靠性，硬件系統中采用了現行通用的處理方法——冗余配置。

4.1 輸入輸出點統計

該系統總共使用的輸入輸出點點數為8212點，其中包括了單元機組和公用系統兩個部分，為了實現冗余配置，實際使用過程中一共配置了輸入輸出點點數為10721點，通過點數冗余量約為30.55%，具體如表2所示。

表2 輸入輸出點統計表

4.2 工作站配置

根據實際需求，整個發電機組一共配置11臺工作站，依次是2臺工程師站、1臺歷史站、1臺LINK通訊站、1臺SIS站、5操作員站、1臺大屏顯示站和1臺值長站等。通過這些工作站的配置，協調各工作站之間的工作，合理的對它們進行配置，就可實現對于模擬流程圖顯示、工藝曲線趨勢顯示、參數列表顯示、工藝報警、日志和事件查詢、控制調節和參數整定和點詳細顯示等功能。同時，為了方便報表的輸出，系統中設計了3臺打印機，提供打印輸出存檔等服務，提高系統工作效率。

5 運行結果分析

以下將主要對整體控制系統在某電廠實際運行情況展開分析與說明，以驗證該控制系統的穩定性、可靠性。主要以穩態、暫態和故障三種情況為列，結合實際監控畫面的運行效果圖，展開運行結果的分析。

其中，各參數的設定值依據公式1和公式2進行實時計算，調節各變量的設定值，以保證機組的穩定運行。

(1)

(2)

公式具體變量的意義如下所示：

EDS(S)表示的是鍋爐能量的需求大??；

HD(S)表示的是鍋爐能量的輸入大?。?/p>

Pd、P1、PT分別表示的是汽包壓力、調節級壓力和機前壓力的大小；

Kd、K1、KT分別代表的是前者的放大系數；

Td、T1、TT分別代表前者的微分時間常數，S為微分算子。

實際使用時，主要依據公式1和公式2計算所得的設定值，給出系統中的部分變量的設定值，以滿足發電機組的發電要求，提高機組控制質量。

5.1 穩態分析

圖4 穩態功率曲線

圖4為穩態功率曲線圖，從圖中可知，可以清楚分辨出發電機機組的輸出功率持續穩定在310MW的水平上，即使有波動，也是很小的，誤差小于1%，可以忽略不計，。因此，可以實現系統的控制目標，也就是保證輸出穩定在設定的某一數值之上(也就是圖中的設定功率線上)。

圖5 穩態主汽壓曲線圖

圖5為穩態主汽壓曲線圖，根據其可以清晰的看出，穩態時，主蒸汽壓力基本保持不變，波動量很小，幾乎不發生變化，實際運行過程中，誤差小于0.1Mpa。即使部分時刻出現了不穩定的情況，也可以迅速地按照設定值的變化，最終穩定在設定值的附近。

圖6 穩態爐膛負壓曲線圖

圖6為穩態爐膛負壓曲線圖，從中可以看出，主蒸汽壓力隨著設定值的變化而變化，能夠滿足負荷的變化而變化。由于系統的波動性，即使與設定值有一定的偏差(±0.1之間)，但是誤差還是在可以接受的范圍之內的，符合工藝的要求。其中，爐膛的壓力穩定在微負壓的狀況下，保證了機組的安全可靠的運行。

圖7 穩態氧量曲線圖

圖7為穩態氧量曲線圖，根據其可以看出，氧量供應基本穩定在設定值附近，雖然有所波動，但是基本穩定在設定值附近，誤差小于10%。因此保證的氧量供應的基本穩定，也就保證了發電機組在穩態下的穩定燃燒，同時，更為重要的是保證了機組的安全穩定的長期運行。

5.2 暫態分析

圖8為暫態功率和爐膛壓力曲線圖，從圖中可發現，實際功率能夠迅速的隨著設定值的變化而變化，保證了變負荷條件下的控制要求。同時，圖中還反映了爐膛壓力的設定值的變化情況，再次說明機組協調控制策略的優越性，利用該種控制策略，保證了機組穩定隨著輸出功率降低而變化，維持了整體發電機組的穩定性，提高了發電機組運行的經濟性。

圖8 暫態功率和爐膛壓力曲線

5.3 故障分析

圖9 給水泵I故障時汽包水位波動曲線

圖9是給水泵I故障時汽包水位波動曲線圖，從圖中可以看出，某一時刻，給水泵I由于故障造成了設備停機，這時報警系統自動運行，直接啟動備用泵，保證了給水泵在斷流前，其能夠穩定的切入到了系統之中，保證了汽包水位在設定值附近的穩定，同時也保證了爐膛供水流量的穩定。雖然這一過程中，存在著一定的超調，但是還是保證了整體系統的穩定運行，提高了系統的穩定運行的質量。

6 結語

經過以上的分析，通過對系統的設計，基本實現了相關的火力發電機組的穩定工作狀態下的工藝要求。通過引入協調控制策略，保證系統的運行效率。使得機組的控制系統更加智能化，保證了無論是從機組的變負荷性能，還是穩定性方面，又或是經濟性等多方面都達到了比較滿意的的效果，得到了相關工作人員的認可。

系統在硬件設計方面上，實現了對于控制器、網絡、電源、機組保護和重要檢測點等部分的冗余，保證了系統在某些部分出現故障的情況下，依舊可以實現對于關鍵部位的檢測與控制，防止連鎖事故的發生，提高了整體系統的可靠性和安全性。在軟件設計方面，根據現場工藝要求，通過相關的組態程序實現了鍋爐爐膛安全監控、順序控制和模擬量控制部分的組態，以及人機界面的搭建。為了有關工作人員操作的方便，引入了趨勢圖，以方便工作人員在工作站上的操作，降低了勞動強度。

同時，對于該系統的整體的設計思路和過程，可以給相關設計人員在類似火力機組控制系統設計的過程中，帶來一種好的思路與有益的借鑒。

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