基于DCS的300MW火力发电厂机组协调控制系统的设计与实现

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计算机与数字工程

Computer & Digital Engineering

总第333期2017年第7期

基于

DCS

的

300MW

的

火力发电厂机组协调控制系统

设计与实现*

耿茜茜何波

(西安建筑科技大学信息与控制工程学院西安

710055)

摘要目前DCS系统被广泛运用于火力发电厂热工自动化过程控制领域中，为电厂热工控制系统自动化的实现提供 了强有力的硬件、软件平台。而机组协调控制系统更是对整个DCS系统和火力发电厂各设备间的协调起到了至关重要的作 用。论文将根据实际某电厂的实际要求对其协调控制系统进行设计，主要是从机组负荷指令的形成、机组压力指令的形成 以及锅炉主控、汽机主控等方面进行设计。

关键词火力发电厂；DCS系统；机组协调控制系统中图分类号 TM621

DOI： 10. 3969/j. issn. 1672-9722. 2017. 07. 047

Design and Implementation of Thermal Power Plant Unit

Coordinated Control System Based on DCS 300MW

GENG Qianqian HE Bo

(School of Information and Control Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology，Xi’an 710055)

Abstract 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 sys­tem 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.

Key Words coal-fired power plants, DCS system, the unit coordinated control system Class Number TM621

1引言

应延迟和实际负荷调节速率达不到要求，因此需要 进一步完善机组协调控制系统来提高机组的负荷 响应性能。木文则是结合实际电厂的设备需求进 行整个机组协调控系统的软件组态的设计，从而使 该电厂能安全稳定的运行。

随着计算机技术和现代控制技术的飞速发展，

集散控制系统(DCS)已成为火力发电厂控制系统 的一种标准模型。而火力发电是现代电力生产中 的一种主要形式，火力发电厂运行系统多而且复 杂，各系统之间要协调运行又要对负荷变化具有很 强的适应能力，因此有效地控制火力发电厂运行极 其重要。因此机组协调系统更是对于火力发电厂 的整个DCS系统中起了至关重要的作用。并且在 实际应用中，由于各种因素的影响，会出现负荷响

2机组协调控制系统的设计

整体设计方法则是根据分层的设计方法，机组

负荷指令系统为最高层机组级的主控系统，它根据 电网负荷要求和机组运行状态，自动或手动给出机

组负荷指令ULD，并送至锅炉主控(BM)和汽机主

收稿日期：017年1月11闩，修回日期：2017年2月23日

作者简介:耿茜茜，女，硕士研究生，研究方向：过程自动化与智能系统。何波，男，副教授，研究方向:过程自动化与智

能系统。

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控(TM)系统。第二层即锅炉主控BM与汽机主控

TM

1)锅炉主控手动;2)汽机主控自动。

协调控制方式(CCS方式）：在CCS方式时，机 前压力由锅炉BM调节器自动控制，压力控制可以 选择定压方式和滑压方式;机组负荷通过汽机主控 操作器TM调节器自动控制。

1)锅炉主控自动;2)汽机主控自动。

从机炉协调控制系统需要控制的两个主要过 程参数(机组功率和机前主蒸汽压力)来说，在基本 方式下，锅炉燃烧率指令手动给定，汽机调门由 DEH独立控制。在汽机跟随控制方式下，主蒸汽 压力由汽机调门自动控制，机组功率由运行人员手 动控制。在锅炉跟随控制方式下，主蒸汽压力由锅 炉燃烧率自动控制，汽机调门由DEH独立控制。 在协调控制方式下，主蒸汽压力和机组功率均为自 动控制。本设计采用以锅炉跟随为基础（CBF)的 协调控制方式，即主蒸汽压力通过锅炉燃烧率自动 控制，机组功率通过汽机调门自动控制。具体组态 逻辑如图1。

级，用以分别控制锅炉和汽机的负荷。以下从

机组负荷指令的形成、机组压力指令的形成以及锅 炉主控、汽机主控等方面进行详细设计。

2.1机组运行方式

基本方式(BASE方式）：在BASE方式时，机前 压力通过锅炉主控操作器手动控制，机组负荷通过 汽机主控操作器手动控制。

1)锅炉主控手动;2)汽机主控手动。

炉跟随方式(BF方式）：在BF方式时，机前压 力由锅炉BF调节器自动控制，压力控制仅允许定 压方式；机组负荷通过汽机主控操作器手动控 制。

1)锅炉主控自动;2)汽机主控手动。

机跟随方式(TF方式）：在TF方式时，机前压 力由汽机TF调节器自动控制，压力控制仅允许定 压方式，但在RB动作发生时，必须使用滑压方式； 机组负荷通过锅炉主控操作器手动控制。

图1机组运行方式

2.2机组负荷指令的形成2.2.1 机组负荷信号处理

负荷信号由电气送入三个信号三选中后得I

测量范围0~480MW。

包括负荷信号的协调控制系统的所有信号都 要对信号视其必要性进行扫描周期检查设定，传输 分辨率检查设定，尖波平滑处理等。2.2.2 机组负荷设定

机组负荷设定来源于两种方式:操作员手动设 定和AGC设定。

第一种：在机组协调控制方式(本机方式)下， 操作人员在操作画面上进行设定的负荷指令，称为 操作员手动设定。

第二种:在AGC方式(亦即遥控方式)下，由调 度通过远动装置设定的负荷指令，称为AGC设定。

1) AGC投人时，负荷设定操作器跟随自动设 定(调度负荷目标值）

2) AGC退出，但仍在CCS方式时，负荷设定由 运行人员手动设定；

3)

实测功率：

(1) CCS方式退出；（2) RB/RD/RU。

机组负荷设定只是个目标负荷设定，经过“负 荷上下限功能限制功能”“GO/HOLD功能”“变负荷 率功能”等环节处理后才能成为真实的负荷给定值。 2.2.3

AGC 投切

在以下情况时，负荷设定操作器跟踪发电机

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耿茜茜等:基于DCS的300MW火力发电厂机组协调控制系统的设计与实现

第45卷

当机组协调控制系统具备AGC控制条件时， 运行人员在将“AGC”投人自动，此时机组协调控制 系统进人“AGC方式”，両面“AGC投人”底色由灰 2) 3)

当负荷目标值与负荷给定值(无一次调频

W

修正)小于±0.5M时，自动退出“进行”状态。

当出现负荷闭增和闭减时，也不允许“进行”

色变为红色。在AGC方式下，机组负荷目标值由 调度给出，给出方式一般有两种，一种是由调度人 员直接手动设定给出，一种是由网上已投人AGC 方式的机组根据负荷调度分配模块自动给出，机组 协调控制系统根据负荷目标值进行自动调节。

当出现AGC退出条件时，“AGC”切为手动，机 组进人CCS方式或其他，両面“AGC退出”底色由灰 色变为绿色。

AGC

退出条件(任一满足）：

1) ADS负荷指令坏质量；2) ADS负荷指令与 机组负荷偏差>100MW;3) CCS方式退出。2.3机组负荷指令限制功能

由于协调控制系统只有在较高负荷范围下才 能使用，且单元机组负荷设定关系整个机组及电网 的安全，所以设计了机组负荷指令限制功能，以避 免和防止调度指令和操作员的不当输人。

1) 机组负荷上限设定

机组负荷上限设定是由操作员设定的，设定范 围为0~330MW。当机组在非CCS模式下时，上限 的最大值自动跟踪为“当前负荷+20MW”。

2) 机组负荷下限设定

机组负荷下限设定是由操作员设定的，设定范

围为0~300MW。当机组在非CCS模式下时，下限 的最大值自动跟踪为“当前负荷-20MW”。

上限i设定不能低于下限i设定，否则上限设定优先。 2.3.1 机组负荷指令回路

由手动设定或AGC设定的机组负荷指令，先 和机组负荷上下限值比较，再经过负荷变化率限速 块，形成机组负荷给定值。2.3.2机组负荷变化率设定

机组负荷变化率设定由操作员手动完成。范 围 0~10MW/min。

RB

动作发生时，或在非协调方式下，负荷变化

率切换至3000MW/m

in，目的是为了负荷指令便于

跟踪实发功率。

2.3.3 机组负荷GO/HOLD回路

在机组CCS控制方式下，操作员设定目标负荷 后，需要按下“进行”按钮，指令才按事先设定的负 荷变化率逐渐转化为负荷设定值，如果在指令执行 过程中需要暂停，操作员通过按下“保持”按钮。

1)在AGC方式投人时，会强制“进行” 1s，切人 到“进行”方式。

2.3.4汽机转速处理

由于DCS和DEH为同一系统，可直接从DEH

取汽机转速信号。

2.3.5 频率校正回路

逻辑组态参照华北电网相关文件设计： 调频死区要求± 2r/m，对应频率偏差为± 0.033Hz。

调频功能对应的功率幅度为±26.4M

W

，对应转

速偏差为：±14r/m。

调频功能对应的功率范围为165~346.5MW。 一次调频投人、退出：一次调频在负荷^ 150M

W

时，自动投人。

一次调频退出条件：）非CCS控制方式;2)汽 机转速故障;3)负荷小于150MW。

上面条件任一不满足时，频率校正回路立即退 出。但是该一次调频的退出仅指CCS侧的一次调 频功能退出，不代表DEH侧的一次调频退出。

一次调频校正函数，根据网调函数设置如表 1，其中负号代表频率校正时的误差。

表1 一次调频校正函数

转差(3000-n)r/m功差MW转差(3000-n)r/m功差MW-30026.420-1426.414-26.4-2

0

300

-26.4

主汽压力指令的形成。

机组运行方式分为定压方式和滑压方式： 定压方式时，压力设定由运行人员手动设定;滑压方式时，由机组负荷指令经过一个设定函 数，然后经过滑压方式时，压力变化率限制后作为 压力设定值。

当RUNBACK发生时，进人滑压方式；

当机组为非CCS方式或者RUNDOWN时，强 制进人定压方式。2.3.6压力变化率设定

在定压方式下，由运行人员手动设定压力变化 率。

在RB发生时，系统转人滑压方式运行，但压力 变化率由程序设定为0.2MPa/min。运行人员无法 改变；

在CCS方式下，如果投人滑压运行时，由操作 员选择设定。

在TF方式下，设计推荐使用定压方式运行。

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具体组态逻辑如图2机组负荷指令的形成1和 图3机组负荷指令的形成2。

图2机组负荷指令的形成1

图3机组负荷指令的形成2

2.4锅炉主控

锅炉主控操作器有二路信号进行切换：来自 BF、CBF的控制指令。机组运行在汽机跟随或基木 方式时，锅炉主控指令不接受自动控制信号，由运 行人员在锅炉主控操作器上手动设定，来控制锅炉 的燃烧率。

当机组在CCS方式时，锅炉主控接受来自锅炉

CCS调节器的指令。

调节器的指令。

当燃料主控手动时，锅炉主控输出跟踪校正后

总燃料量/(X)。

切手动条件(任一满足）：1) 燃料主控切手动；2) RB动作时；

3) 主汽压力信号故障；4) BF方式下：

(1)调节级压力坏质量；

机组在BF方式时，锅炉主控接受来自锅炉BF

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第45卷

(2)主汽压力偏差2 ±3MPa

5) CCS方式下：主汽压力偏差2 ±3MPa;6) 主汽压力高于17.4MPa;7) 送风控制全手动；8) MFT〇

具体组态逻辑如图4锅炉主控。2.5汽机主控

汽机主控操作器有二路信号进行切换：来自

TF、CTF的控制指令。机组运行在锅炉跟随或基木

行人员在汽机主控操作器上手动设定，来控制汽机

进汽量。汽机主控的输出将作为DEH的输人，去 进行汽机调门的开关。

当汽机为TF方式时，汽机主控接受汽机TF调 节器的控制指令。

当机组为协调方式时，汽机主控接受汽机CCS

调节器的控制指令。

当DEH遥控切除后，汽机主控输出跟踪DEH 送来的负荷参考值(〇%~1〇〇%)。具体组态逻辑如图5汽机主控。

方式时，汽机主控指令不接受自动控制信号，由运

图5汽机主控

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3机组协调控制系统的实现

由图6协调控制系统和图7主要参数趋势。当

DONG Jian. Automatic generation control (AGC) system in thermal power plant development putting-in-service

该火力发电厂的负荷为281.91MW(接近于满负荷) 时，所设计的协调控制系统的逻辑组态使其各主要 参数满足该火力发电厂机组安全运行的要求，并得 到了控制系统的最佳参数。

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图6协调控制系统

图7

主要参数趋势

4结语

火力发电厂的机组协调控制系统是一个复杂

的多变量控制系统。其控制对象具有非线性、时 滞、时变、强耦合的特点。而木文则是根据实际某 发电厂的需求，将分层的设计方法贯穿到协调控制 系统的设计中，而此种设计方法能让电厂中的操作 人员对整个协调控制系统的逻辑组态和両面更加 直观易懂，且更易操作和控制。并且在设计过程中 为了使机组控制系统达到最优化，在设计时必须要 仔细研究机组被控参数之间的适应性，这样才能使 该电厂稳定安全的运行。

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(上接第1443页）

5结语

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采用脉冲法数字化电能表，消除齿轮传动环节

影响和无电流电压变化，采样等多个环节误差， (6)：38-41.

[5] 张玉杰，张攀峰.过采样2-AADC的原理及单片机实现 AD减少环节误差，提高整体仪器计量精度。在同规格 3000r/kw.h的电表盘上打1孔，到轴心距离从0.2cm 以0.2cm为间隔变化到2.8cm,并在相同负载消耗 相同10kw.h等条件下进行仿真，脉冲数恒为 30000，表明脉冲计数不受距离的影响；6孔、12孔 各自产生脉冲间隔时间相等分别为0.2s、0.1s，则相 邻两孔间距相等，几何作图法在理论上消除等分误 差别且成倍增加孔数。降低机械打孔要求和加工 难度，方便批量化生产。而数字电表采用高精度 AD转换器来提高计量精度，以24位AD转换器为 例，其对信号处理电路和传感器精度等要求较高， 导致配套器件成木上升。同时还有电流电压的转 换，单纯提高AD转换器精度不能提高仪器整体精 度。脉冲法数字化电表通过增加孔数和提高每度 电所需转盘转数达到高精度AD转换器效果。因此 在提高精度上，该改进方案成木低廉。结构简单， 测量精度较高。

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