超临界大型机组的控制特点及对策

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超临界大型机组的控制特点及对策


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一．超临界参数大型机组控制工程的基本特点

二．快速协调控制的基本方法

三．闭环控制中的重要概念

四． AGC 及协调控制在 HIACS 系统中的实现方法

五 . HIACS － 5000M 系统的实时性对策

目录


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一．超临界、直流炉大型机组控制工程的基本特点：

1. 对象特点：- 输入 /输出工艺变量多。- 动态过程快：由于没有汽包环节，作功工质占汽－水循环总工质的比例增大，动态过程加快。需要更快速的控制作用，更短的控制周期。- 主汽压参数上升（ 246Kg/cm2），工作介质刚性提高，动态过程加快，同样需要更快的控制作用及更快的控制周期。 - 数学模型不精确。

2. 机组控制系统 (DCS) 面临的主要问题 - DCS 系统的实时性更好：快速的 I/O 处理；快速的 CPU 处理；更短的控制周期； - 快速控制、快速保护 - 汽机－锅炉－发电机总体优化的快速控制策略 - 快速响应负荷需求 - 总体协调 - 高可靠性


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二．快速协调控制的基本方法

1. 对控制策略的基本要求 - 具有成功地投运经验 - 对数学模型的精度要求不高 - 对负荷需求指令，有快速的响应 - 能够实现炉－机－电之间的稳态、动态功率平衡

2. 四种机组运行方式 - 协调方式 - 锅炉跟踪汽机的工作方式 - 汽机跟踪锅炉的工作方式 - 锅炉、汽机手动状态方式

3. 二类基本控制策略 - 采用 P1 信号的控制策略 - 日立公司的控制策略


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∑

DPC FG PI

PI

A

A∑

pZMW

D

MW - +

+ -

MSP

BI D

自动

DEH 自动

< >协调方式

FG

PI

PI

H A

∑

ZMW

- +

+ -

BI D自动DEH 手动

<B >跟踪方式 <T >跟踪方式

MW

+-

PI

A

DEH 手动自动 BI D

H

∑

PI

FG + -pp

Z

HH

PI

PI

FG

< >手动

+ -

+-

DEH 手动手动BI D

机组运行方式及转换


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辅机

空气

燃料

水

锅炉

BCS

T ∑ PI

AM FX XY

超前滞后

PTS

AH

AM

T ∑ PI

MWD+-

MW~

G

P1

PT

+

-

P1/PT : 代表了调节门开度

P1/PT.PTS: 代表了蒸汽流量

=P1/P

Y=P1[1+K(PTS-PT)] (F 算法 )当 K=1/PT时

Y=P1[1+1/PT(PTS-PT)]

T*PTS (L-N 算法 )

以 P基本思想：

1作为 Boiler 功率需求信号，协调 B-T 侧的能量平衡。

采用汽机调节级压力 P1信号的协调控制策略


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辅机

空气

燃料

水

锅炉

BCS

T ∑ PI

AM

AH

AM

T ∑ PI MWD

MW~G

P1

MSP

+

-

MW'

加速信号

前馈信号

△ P P0 SP设定电路

形成

非线性△ mw

DEH 负荷基准

+

-

X

日立公司超临界、直流炉的协调控制思想

1设计思想：、前馈信号加快了协调特性机锅炉动态特性；

2 △ MSP、消除了锅炉内扰；

3 、和非线性环节改善了控制特性；

4 MW' MW 1+k )、＝（ △ P=P； 0- PMS

△ P

P0


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三 .闭环控制工程中的几个重要概念1. 可控性（ controllability ）、快速性和控制周期。现代控制理论中，可控性是个最基本的概念。在实际工程中，非常有意义的有两点： - 不可观测的变量及工艺过程是不可控制的； - 在一定意义下可控性等价于控制的快速性： - 控制的快速性越好，可控性越好。 - 控制周期实质上是不可控环节，控制周期越短越好，当然为此要付出经济代价。一般说来，以受控工艺时间常数 T为准则，控制周期 TO以不大于 T/10 为好。


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• 例如：汽机转子运动方程、时间常数分析及 DEH 控制周期的要求：

汽机转子运动方程：

其中： I：汽机转子的转动惯量；　　 ω：转子角速度；　　 Mh：蒸汽主动力矩；　　 Me ：电负荷力矩；　　　 Mf：摩擦力矩；

对应减速状态；时； 00 << dtd

Mω

令：M ― Me―Mf＝△M 当

对应恒定转速状态；＝时；＝

对应升速状态；时；

00

00 >>Δ

dtd

M

dtd

M

ω

ω

Δ

Δ

h

(1)MMeMdtωdI f h


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-蒸汽主动力矩（Mt）

)()(

1)( 2

0 秒量纲： SMK

SMSK

M

I

g

g

H

)4(

)3(

0

0

00

0

H

a

aH

T

h

H

M

IT

TMI

dtMdI

Mdt

dI

a

）（米公斤η 2)(13.1 00 imn

HGMh

其中： n：转速；

同样的蒸汽流量，低转速下产生的蒸汽力矩 M 高，高转速下，产生的蒸汽力矩低。M因此，这是一类自平衡系统。- 全飞升时间（Ta）的物理意义：定义：若M =M =0 时，在额定蒸汽力矩（M ）的条件下，汽机转速从零上升到额定值

ω0时所需要的时间。此时（ 1）转化为：

G ：蒸汽流量；0 ：焓降；ηim H0

Hfe

h h


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经验数值：200MW： Ta≈7～ 8秒300MW： Ta≈6～ 7秒600MW： Ta≈5～ 6秒

日立 DEH 控制周期的确定：

这是一个理论上的极限数值，实际上是不可能达到的。因此，日立公司 HIACS 系统 DEH 的设定值为 50～ 60ms。为 600MW机组全飞升时间 Ta的 1/100 。这一数据是有理论依据的。


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2.串级调节系统中的工作周期概念

　　串级反馈系统中，工作周期是个重要的物理概念。控制系统测点及执行器的位置设计时，直接影响工作周期，因此，应遵守如下准则：

- 副环路工作周期 τ 尽可能地短；

- 主环路工作周期 τ »τ ，此时，对主环路而言副环路可以简化为一个比例环节。主、副环路本质上解耦，可以分别镇定、分别调试，系统工作稳定，调试方便。反之系统工作不稳定，调试困难。

3. 小偏差调节状态

　　从数学模型分析，电站工艺过程与其它工艺过程相同，必然是个非线性过程。线性仅是在某稳态工作点 X 邻域内的性质。当系统负荷大范围变化时，要使调节过程符合线性化性质，控制系统必需处在小偏差工作状态，这样才能得到正确的模型预测及好的调节品质。

1

1

2

0


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MWD

MSP

MSP调节器

汽机调节

给水调节

燃料调节

通风调节

FG1 FG2 FG3

∑

∑ ∑ ∑

其它系统

稳态前馈及小偏差调节方式

给水指令 =锅炉输入主指令


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四． AGC 及协调控制在 HIACS 系统中的实现方法

A. 协调控制的功能：

- 接受中调或操作员指令；

- 产生控制系统可以接受的负荷指令；

- 平衡汽机和锅炉侧的稳态、动态响应；

- 各种运行方式的合理切换；

- 参与电网调频的功能；

- 加快机组对负荷的响应；

- 辅机故障状态下的减负荷控制；


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B.HIACS 系统协调控制：

指令切换

变化率限制

负荷跟踪

调频功能

上下负荷限制

RB回路

MSP信号

锅炉主控 BI DMSP

校正

RB信号

MWD（）

f电网

LD2LD1中调指令

操作员指令

不同运行方式下的负荷跟踪MW

LD3 LD4

( DPC指令）

锅炉动态加速

汽机指令形成

BI R（）

DEH

锅炉输入加速指令

锅炉主指令

图 1 ：单元主控框图


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AGC装置

DCS系统

AGC-DCS 之间的信号连接

有功MW

无功MW

HL负荷

负荷变化率

负荷设定

ON- OFF信号

负荷指令

LL负荷

机组故障（否）CCS机组方式（可以）

AGC故障AGC正常


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C. 锅炉动态加速信号（ BIR）生成回路

目的：加速锅炉对负荷指令的响应速度；

功能：变负荷时具有强化微分环节的作　　　　　用，稳态负荷下，不发生作用；

指令种类： - 燃料 BIR； - 通风 BIR； - 给水 BIR； - 减温喷水 BIR等；


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出力目标值提前量

提前量

切除时刻切除时刻

切除速率

投入速率

投入定时TP1（调整）

投入定时TP1（调整）

负荷指令

出力目标

BI Rt

tBIR 信号的设计思想


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BIR 生成程序框图

DPC<MW

DPC

负荷跟踪

UD

单元机组负荷指令

中给目标指令

+-SUB

DF X2 ASW

0%X1

G- 1 CMP2

TP2

CMP1

TP1LI M

负荷下降中

负荷上升中

到达目标切除时间

到达目标前的切除定时

,降负荷时BI R投入定时

负荷下降时的BI R回路

LI MASW2 RL ML AW

FG2FG10% FG3

I R

负荷上升时BI Rt投入时刻

变化率限制

+

+

依照负荷量进BI R行投入量的增益校正

BI R信号

依负荷额BI R定变化率


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五 . HIACS － 5000M 系统的实时性对策HIACS 控制器（ R600C ）快速性设计：

1。高速并行 I/O 总线结构

高速并行总线结构

速率＞ 100Mbps

并行总线扩展

最多扩展

七个机箱

CPU模件

I/O模件

总线扩展板

I/O模件

总线扩展板

CPU模件


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2 。提高 CPU 处理速度•　采用 RISC 芯片•　主频 160MHz ，相当于一般芯片 500MHz 以上

3。提高软件管理效率：•　采用专用高效实时管理软件（ PMS ）•　处理效率高，实时性好•　内存效率高，不产生任何内存垃圾


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HISEC- 04M / CX / R600C

控制器特征

型号 R-600C

处理器 32 bit RISC

内存 16MB

ROM 512KB

网络连接 μΣ-100

时钟 100MHZ

控制周期20、 50 、 100 、 200 、

250 、 500ms

冗余方式热运行备份方式最小设定

间隔10ms


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望亭 14# CTL 负荷实测结果

NO. CTL控制运算周期(ms)

实测负荷率（ r1）

1 MCS1 2002345678

MCS2 100MCS3 200

100200200100200

9 10010 20011

BMS&MILL1

BMS&MILL2

SCS1

SCS2

SCS3

SCS4

SCS5

DAS

20012

FSS

200

10.23 10.1812.32 11.8610.9611.45 10.976.38 6.205.66 5.499.86 9.505.36 5.1811.50 10.986.12 5.965.60 5.4414.02 13.58

Max(%) 平均 (%)

11.27


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华能南京电厂 1＃ CTL 负荷实测结果

NO. CTL控制运算周期(ms)

实测负荷率（ r1）

1 OPC 202

3

4

5

6

7

8

BTC 200

通风 A 200

100

200

200

100

100

9 200

10 100

11

BMS

BMS

CCS

给水辅机 1

辅机 2

辅机 3

DAS

100

12

通风 B

100

28.84 28.0610.69 10.44

8.52

6.32 6.11

7.52 7.32

7.03 6.83

17.55 17.09

10.15 9.88

5.38 5.13

19.83 19.20

13.28 12.94

18.68 18.53

Max(%) 平均 (%)

8.30


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望亭电厂CTL 内存占用率实测数据（一）

NO CTL 功能内存区已占用(%) 未用区(%)逻辑区 6 94

1 BTC 通讯区 1 99I / O 区 1 99逻辑区 6 94

2 MCS1 通讯区 2 98I / O 区 2 98逻辑区 4 96

3 MCS2 通讯区 1 99I / O 区 1 99逻辑区 3 97

4 MCS3 通讯区 1 99I / O 区 1 99逻辑区 6 94

5 BMS1 通讯区 2 98I / O 区 1 99


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望亭电厂CTL 内存占用率实测数据（二）

NO CTL 功能内存区已占用(%) 未用区(%)逻辑区 7 93

BMS2 通讯区 1 996I / O 区 1 99逻辑区 6 96

7 SCS1 通讯区 2 98I / O 区 1 99逻辑区 6 94

8 SCS2 通讯区 2 98I / O 区 1 99逻辑区 8 92

9 SCS3 通讯区 12 88I / O 区 1 99逻辑区 4 96

10 DAS 通讯区 2 98I / O 区 3 97


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高效、快速传输的机组控制级网络（μΣ-100 Nwtwork) ：

•　采用国际校准的环形令牌（ Token-Ring ）网络　执行标准的 IEEE802.5 协议　　 -　不用 HUB ；　　 -　不用交换机；　　 -　光纤介质环形连接的物理结构；•　双重化 IEEE802.5 网络接口卡　　 -　双重化光 /电转换接口；　　 -　双重化处理电路；　　 -　独立的网络处理器，与 CPU 处理器并行总线连接，实现了快速数据交换；


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•　采用光纤令牌协议的μΣ-100 Nwtwork ，传输处理的效率高，实时性好，可靠性及传输数据的稳定性能好，使得不同控制子系统之间的协调信息加快，协调周期缩短，有利于超临界、直流炉的快速控制。•　控制级通讯网络可靠性措施

　　 -　 CRC 校验

　　 -　应答校验

　　 -　网间冗余、备份

　　 -　 Loop Back 功能•　μΣ-100 Nwtwork 网络技术特性附后。


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典型的控制级通讯网络特性 (μΣ-Network 100)

速率： 100M bps

规约： IEEE 802.5 （环形令牌网）

介质：光纤（ GI—50/125μm ）

挂站数： 255

站间距离： Max 2KM

总长： Max 100KM

通讯方式： 1： N， 1 ： 1 均可

网络结构：双重化环形网

通信内存： Max 256KB

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