汽轮机调节系统DEH课件.ppt

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1、摘要,汽轮机数字电液控制系统是当今汽轮机特别是大型汽轮机必不可少的控制系统，是电厂自动化系统最重要的组成部分之一。随着电网峰谷差的增加，火电站中大机组的调峰任务艰巨，采用液压调节系统难以满足调峰要求，因此，DEH控制系统在国产机组的技术改造中得到了广泛的应用.,现代DEH系统 采用计算机控制技术为核心的分散控制系统结构。新华公司引进了西屋技术，它的逻辑设计充分的体现了西屋公司的设计思想。本文介绍了汽轮机数字电液控制系统的一般功能及硬件、软件的结构。分析了新华DEH控制逻辑中给定值处理逻辑的特点；转速和负荷控制的逻辑组成；单阀和顺阀控制的优缺点以及组态图的实现；最后，介绍了一次调频和低气压保护的

2、特点。关键词：DEH, DCS, 西屋公司,前言,汽轮机是带动发电机旋转发电的原动机，由于外界负荷随时都可能发生变化，而且不能大量存储，所以要求发电量与外界负荷随时保持平衡；同时要保证供电质量(频率和电压)。这些任务主要由汽轮机调节系统完成,汽轮机调节系统发展简介,第一代汽轮机调节系统是机械离心式调速器，至今已有一百多年历史。第二代是液压式汽轮机调节系统，大约出现在二、三十年代。第二代调节系统中均采用了机械传动或感应环节。因此也可称为机械、液压式调节系统。它相对第一代调节系统而言，在响应速度、调节精度和减小迟缓方面有了很大的提高。,第三代汽轮机调节系统是模拟式电液调节系统，大约出现在四十年代。

3、这种系统采用有运算功能的电气元件取代了第一、二代系统中的感应、传递放大的机械、液压环节，而仍保留了液压执行器油动机。,功频电液控制系统原理图,到50年代中期，才出现了不依靠机械液压式调节系统的纯电调系统。此后，随着数字计算技术的发展及其在过程自动控制领域的应用，尤其是计算机容量、速度和可靠性的飞速发展。出现了以数字计算机作为主要控制装置，以模拟式电气系统作为手操后备，采用液压执行机构的第四代汽轮机控制系统简称DEH系统 。,汽轮机调节系统应用现状,随着电网峰谷差的增加及核电站和水电站的增多，小火电厂的相继关闭，火电站中大机组的调峰任务艰巨，采用液压调节系统难以满足调峰要求，因此，DEH控制系统

4、在国产机组的技术改造中得到了广泛的应用。,DEH的组成,控制运算部分 是DEH系统的核心，由控制柜(包含分散控制单元DPU、通讯板、I用板)、端子柜、跳闸控制柜等构成，完成对现场采集信号的目标值、转速升速率，汽轮机逐步打开处理、网上传送、控制回路运算、逻辑功能运算等。 执行机构 包括主汽门、调节门、油动机、电液伺服闽及供油系统等。 跳闸回路 完成机组危急遮断功能。,DEH的功能,新型的DEH系统，除了能够完成负荷控制、转速控制等常规控制功能外，一般还具有各种汽轮机功能试验、阀门试验和超速试验等许多附属功能。,升速 自动方式 投操作员自动、挂闸，选择控制方式，操作员设定转速调节门，自动提升转速。

5、在此过程中，当目标值通过临界转速区时，系统自动设置升速率为最大值。此时设置其它转速目标值无效，保证汽轮机以最快的速度通过临界转速区。 程控方式 汽轮机挂闸启动后，如选择程控启动方式、系统值、各阶段暖机的转速及时间，实现启动冲转过程的全程自动。另外，由于考虑了机组本身热力特性，对延长机组本体使用寿命，提高热效率也有很大帮助。,摩擦检查 机组在操作员自动状态挂闸，操作员投入摩擦检查功能。自动设置某一转速目标值及升速率，转速升到后，目标值置零，调门关下，进行摩擦检查。再按摩擦检查按钮，退出摩擦检查方式。自动同期 机组升速到同期转速区，电气专业投入同期装置后，向DEH发出“同期允许”信号，DEH系统接

6、收此信号并投入“自动同期”功能，并将此“投入”信号返回电气控制系统。同期装置根据机组转速与网频的差距，向DEH发送“同期增减”信号以调整机组转速与网频同步，准备机组并网。此时DEH处于一种“遥控”状态。,并网带负荷 机组并网成功后，控制系统将功率目标值设定为额定功率的2一5，目标值和给定值为相应功率的阀位开度。投入功率回路后，操作员可设定负荷目标值及升降负荷率，机组功率值将以此速率向目标值变化。投入功率回路瞬间，给定值、目标值应该自动跟踪机组功率值，实现回路投切过程无扰动。,参与一次调频 DEH系统均设计有一次调频回路，其工作原理是：机组转速以3000 rmin为目标值，频差以一定的函数对应为

7、负荷指令叠加到目标值上。为防止反复调节引起目荡，应设置一定的频差控制死区。,参与协调控制 大型机组的协调控制是机组必备的功能之一。协调控制的实现，综合考虑了机组与炉膛不同被控对象的特性，在很大程度上改善了机组的负荷响应能力，也减少了运行人员由于负荷变动进行的运行操作，降低了劳动强度。,多阀控制和单多阀切换 机组运行过程中可工作在“单阀”、“顺序阀”两种阀门开度方式。在“多阀”方式下，机组升降负荷时，应按阀门流量特性要求顺序开启关闭相应阀门，以减小截流损失，提高机组运行的稳定性。投入“单阀”，各阀门恢复开度一致。切换过程中，应尽量保持功率值无扰。,主汽压控制(TPL) 阀位控制、额定主汽压、满负

8、荷工况时，可投入主汽压控制。具体方法是设定主汽压定值，按“主汽压控制”钮，当主汽压小于定值时，调门开度减小，保证主汽压不会出现过低的情况。汽轮机调压力(TCP) 设定主汽压值，投入TCP，当主汽压高于设定时，调门开大；主汽压低于设定时，调门开小，以维持主汽压波动小于一定值。,超速保护和超速试验 阀门在线试验,第一章 给定值的产生,目标值与给定值的区分目标值是由程序员在显示屏上给定的值，它和速率一起给出，来作为汽轮机的原始控制信号。给定值是目标值经过处理，即给定值处理后得到的值。,汽机的启动方式,冷态启动又叫BYPASS OFF(旁路关闭)方式启动。当高压主器阀前的压力和温度达到要求时（以300

9、MW汽轮机为例，主气压4.2MP,主气温350摄氏度），RSV、GV、IV均开启。由GV控制汽机转速从盘车转速上升到2900 r/min.在2900 r/min 时，进行阀切换。GV 全开，由TV 控制汽机继续升速。,汽轮机的操作方式和目标值的产生,CCS 机组协调控制方式由CCS指令直接控制高压调门的开度。OA 操作员自动控制方式操作员直接设置目标值和速率。并网前，设定的是目标速度和升速率；并网后，设定的是目标负荷和升负荷率。AS 自同期方式接受自同期装置来的增减命令，调节机组的电压频率。ATC汽机自启动程序控制控制系统根据汽机的状态和转子的应力来设转速升率或升负荷率，达到自动控制的目的,机

10、组的运行方式,可以协调控制 当投入协调控制系统CCS时，DEH只需投入速率反馈回路（起到保护作用）。这时，DEH 接收来自CCS的负荷值领取控制汽轮机的阀位。以汽机为主 这种运行方式是以汽机调功率，汽机可以参加一次调频。这时，可以投入主蒸汽压力低保护功能。保护的原理是：当主蒸汽压力降到设定值的90%时，汽轮机自动降低负荷，以保持锅炉的出口压力。注意，最多降到20%额定负荷为止。机跟炉 汽机不参加电网的一次调频，只维持锅炉出口汽压的稳定。,汽机转速的目标值一般依次设为以下四个转速摩擦检查转速600 r/min暖机转速 2040 r/min 阀门切换转速2900 r/min额定转速3000 r/m

11、in,新华DEH 给定值控制,新华DEH系统给定值产生指令的具体算法与一般使用斜坡增减函数发生器产生按一定速率增减指令的方法不同，指令变化采用类似“循环增量法”的方法，即在每个运算周期中将经过速率选择运算的变化速率累加到指令上。运算周期是分散控制单元DPU的“页周期”，对于每一个“页周期”，DPU中所有的页都会执行一次。“页周期”一般取50200ms，所以若变负荷速率取为6MWmin，页周期取200ms，即每秒完成5次页计算，则折算到DUP页中的速率为6(605)0.02。无论是CCS的负荷指令，还是RB、FCB开关指令，都是经过这样的指令形成逻辑转换为DEH自身的负荷指令的。,转速控制时给定

12、值的产生,当机组从盘车转速上升到2900 转的过程中，高压调门全开，由高压主汽门控制蒸汽流量。这时由操作员给出目标转速 和升速率 。当经过临界转速时，升速率加快，一般为600转每分钟，以使汽机快速通过临界区，减少机组振荡。转速值和给定值的反馈值相累加，是给定值不断增加。具体过程如下 当升速率设为100转每分钟时，经过除法器的运算，每一个周期0.2秒内转速给定值增加三分之一转，一分钟之内实现升速率为100转。要想改变升速率，就要改变除法器的参数，除数该为150时，能实现升速率为200转每分钟。,当转速上升到了2900转，以一定速率关小GV，TV开度不变，转速下降。当转速下降到2850 r/min

13、时，GV保持不变，TV以一定速全开。当TV全开后,阀门切换结束。在以后的升速率和升负荷的过程中，均由高压调门GV来控制汽机的进汽量。阀门切换以后，自动准同期投入，自动准同期的增减信号直接和转速给定值的返回值想累加，形成下一个周期即0.2秒以后的给定值输出。,负荷控制时给定值的产生,自动同期方式下 ，机组实现并网，并且带上初始负荷。DEH 控制方式下，操作人员直接给出升负荷率。当主汽压力控制投入时，则由双向的TCP 速率来代替升负荷率，这样能有效控制主汽压力的波动。如果此时汽机辅机故障，主要是凝汽汽真空低，则会产生RB 信号来关小阀门。,如果此时主汽压力过低，当主汽压力低保护投入时，则会产生TP

14、L信号来关小阀门。注意，主汽压低保护信号TPL 是单向的，它为负值，它只在气压很低的时候才动作；主气压控制信号时双向，它投入时，当压力出现波动时，就不断频繁动作。OA(RATE)/TCP TPL RB 三个信号之一能够与给定值的返回值相累加，形成下一个周期即0.2 秒以后的给定值输出。,当机组不是处于以汽机为主的DEH控制方式时，而是协调控制方式时，则CCS 系统在每个周期都产生脉冲信号，即CCS增减信号，该信号与给定值的返回值相累加，形成下一个周期0.2秒以后的给定值输出 。,以上过程中产生的累加值还要经过三个步骤的修正：1 跳闸的情况下，上面过程产生的输出无效，给定值输出强制为零。2 上述

15、值还需要经过负荷高限和负荷低限的限制3 再经过一次调频的修正。最后才形成负荷给定值。见附图,负荷控制 给定值产生中需要说明的几个问题,TPL 低蒸汽压力低保护速率的产生主汽压控制(TPL)的原理 阀位控制、额定主汽压、满负荷工况时，可投入主汽压控制。具体方法是设定主汽压定值，按“主汽压控制”钮，当主汽压小于定值时，调门开度减小，保证主汽压不会出现过低的情况。,主汽压控制(TPL)的逻辑图,如图所示 必须将蒸汽压力信号转变成功率信号。如本图中 操作员压力限制一般为额定主蒸汽压力的90%，加法器的系数设为-0.1和+0.1。设额定主蒸汽压力为10MW，TPL投入，正常运行时，实际主蒸汽压力为10M

16、W左右,输出的TPL速率为 10*0.1-9*0.1=0.1 MW.一分钟之内，TPL 速率值为 0.1 * 5 * 60 = 30 MW 这个速率是很快的，小选中一般不会选定。,但是，当实际主蒸汽压力降低到9.4MW时，输出的TPL速率为9.4*0.1-9*0.1=0.04MW.一分钟之内，TPL 速率值为0. 01* 5 * 60 = 12 MW当它小于升负荷率值的时候，就可能通过小选选上。,功率初值的产生,产生功率初值的原理 机组并网成功后，控制系统将功率目标值设定为额定功率的2一5，目标值和给定值为相应功率的阀位开度。,产生功率初值的逻辑,该逻辑设计的精华在于 乘法器中的定压修正因子修

17、正因子=额定主汽压/平均主气压 当平均主气压偏小时，功率初值小于5%，阀门开度小，有利于恢复主气压，保证机组的发电能力。当平均主气压偏大时，功率初值大于5%，阀门开度大，有利于降低主气压，充分发挥机组的发电能力,第二章 转速和负荷控制,DEH速度控制系统 DEH系统处于速度控制状态时，设定值是目标转速，它和转速反馈信号构成反馈控制回路。,当机组转速小于2900 rmin时，由主汽门来执行调速任务，调节阀门处于全开状态。当汽轮机转速升至2900 rmin后，DEH系统将进行主汽门与调门的切换，由调门控制转速，主汽门全开。DEH系统输出调门开度需求信号。这时需判断是单阀控制方式还是顺序阀控制方式。

18、如果是顺序阀控制方式，调门接受经阀门管理程序运算后的开度指令信号。,转速控制系统的特点,1 转速控制器一般为纯积分作用2 转速控制器的输出有限制器的作用3 在手动方式时，转速控制器跟踪实际阀位。4 转速超过103%时，或BR=1,转速控制强制输出为0,第二节 新华DEH负荷控制系统,新华DEH控制系统的负荷控制系统主要由转速控制、功率控制、压力控制、阀门控制和被控对象（汽轮发电机组）等五个环节组成。它是一个多参数、多回路的反馈系统。其中转速、功率和压力控制是闭环方式，而阀门控制是开环方式。,负荷控制系统中的负荷指令信号,负荷控制系统中的负荷指令信号包活两部分：一是机组在稳定运行状态下，运行人员

19、或电网调度给出的负荷指令；二是反映电网负荷要求的频差信号，它反映电网负荷变化的大小和方向。,反应快的PI回路对机组起了粗调作用；反应慢的电功率回路起细调作用。两个控制回路都采用PID控制，细调是通过电功率回路的PID输出与负荷设定值相乘后作为PI回路设定值。,转速控制回路,负荷控制回路通常是在机组并网后开始工作的，这是转速控制回路的转速偏差实际上反映的是汽轮机转速与同步转速的偏差，也就是发电机输出功率的实际频率和额定频率（50HZ）之间的频率偏差n。为了使机组的出力随电网频差变化及时修正，达到机组参与一次调频的目的。当出现频差时应通过负荷控制回路去改变进汽量以维持汽轮机转速在同步转速，因此，频

20、差信号必须转换成对应的功率频差形式才能送入负荷控制回路。这就要实现一次调频信号的转变.,当汽轮发电机并网运行时，速度控制回路（也称一次调频回路）自动投入。一旦该回路投入，运人员无法切除该回路。只有当油开关跳闸，或速度通道故障后，该回路才会自动切除。,功率和压力控制回路,对于只采用速度反馈信号的汽轮机控制系统。不但由于中间再热机组蒸汽容积很大，会在动态过程中产生功率滞后，而且新蒸汽压力变化，还会引起机组功率波动，这不利于保持电网频率稳定，也不利于机组稳定运行。为此，DEH设计了功率和压力控制回路，二者组成了负荷控制的串级系统。,功率 给定值经过一次调频的修正，输出值 N0表示开大或关小阀门的程度

21、。负荷回路的设计特色：1机组负荷率以20%为界限，分段控制调节器的积分系数2根据主汽压力 来控制功率的调节力度。解释如下,功率和速度级压力闭环控制逻辑图中，Y 的产生过程为 MW Y = a a的值在附近，是一个无量纲的数。它跟主气压的关系如下图，符合函数F(X),汽压低时，a小于，值变大，调节器动作大主汽压高时，a 大于，Y值变小，调节器动作小这样，根据主蒸汽压力来控制功率的调节力度，可以使功率控制更加平滑。,第三章 一次调频和主蒸汽压力低保护,一次调频的原因 汽轮机发电机组的出力除满足负荷指令的要求外，当电网负荷变化引起周波变化时，网内各机组相应改变其出力以维持电网频率稳定。也就是说，并网

22、运行的机组应参与电网的一次调频。因此，DEH系统的负荷指令应该经过频率的矫正。DEH系统中的一次调频回路-速度反馈回路，在机组并网运行时是自动投入的，会使SPI=1。 一旦一次调频投入-速度反馈回路投入，除非油断路器跳闸-BR=0或速度通道故障，否则该回路不会自动切除。,一次调频的原理,它是将机组的实际转速与额定转速（WS0=3000rpm）比较后的差，经过“死区-线性-限幅”的非线性处理后，得到速度补偿数x ，x 与负荷设定值REFDMD之和形成了频率校正后的负荷设定值。,大型中间在热机组参与电网的一次调频，采用了“死区-线性-限幅”的频率校正。,将速度偏差经过一死区处理，以滤掉速度信号中的

23、高频低幅干扰。当速度偏差经过不灵敏区后，则速度校正量 x 与偏差WS 之间呈线性关系。在频差超出一定范围时，因中间再热机组的负荷适应能力受锅炉的限制而采取了限幅措施。,DEH 控制器中，在校正环节不灵敏区的宽度和线性放大系数，可以很方便地由程序员或工程师通过键盘调整 .死区越宽，机组参与电网调频的能力越差. 死区趋向无穷时，相当于速度反馈回路已切除，机组带基本负荷运行。,线性放大系数可根据机组在电网中承担调频任务的大小来选择，机组所承担的一次调频区百分 调频任务重，放大系数大，不等率小，静态特性曲线越倾斜 一般情况下，减负荷时的放大系数大于加负荷的放大系数。 调整放大系数，就改变了机组的不等率

24、，即改变了机组的一次调频能力。,新华DEH的逻辑图,蒸汽压力低保护,主蒸汽压力突然下降很多对汽轮机的末级叶片运行将产生不利的影响。为了防止此种情况的发生，DEH中设计了其压低保护逻辑。当主蒸汽压力低于运行的要求时，产生一个逻辑信号，此信号使功率给定值REF1保持不变，并且产生一个以一定变化率向负方向变化的百分比信号，此信号在加法器重与不变的REF1相加，减少了功率给定值，变为REF1，产生了一个关闭调门的信号，直到主蒸汽压力恢复到安全值为止。逻辑图如下,主蒸汽压力低保护图如下,第四章 阀门管理,调节阀的控制方式有两种：节流调节和喷嘴调节。,节流调节方式 因为调节阀同时开启，使汽轮机全周进汽。因

25、此汽缸受热膨胀均匀，有利于提高启动和变负荷速度。但是，在部分负荷时各阀门都有节流损失，因而经济性较低。 喷嘴调节方式 因为各调节门顺序开启 部份负荷时，只有一个阀门有节流损失，其余阀门或者全开，或者全关，因而经济性较高。但是部份阀门开启，高压进汽为部份进汽，使喷嘴和高压缸各部分受热不均，不利于快速启动和变负荷,单阀/顺阀流量关系图,单阀和顺序阀的热耗率曲线,阀门管理问题的提出,为了保证经济性的要求，汽轮机传统的调节方式是采用喷嘴调节，并通过凸轮配汽机构保证各调节门按预定的顺序开启。过去，大型机组一般是带基本负荷，喷嘴调节方式尚能适应。然而，大机组发展至今，对快速变负荷，如调峰的要求越来越高。喷

26、嘴调节方式就很难适应了。而采用节流调节，部分负荷时要牺牲经济件，这是设计师和用户都难以接受的事。,阀门管理的原理,为了解决快速性和经济性的矛盾 ,在启动、升速和升负荷过程，采用节流调节，当升负荷稳定后，将节流调节方式转换为喷嘴调节。 就是说，要求在机组运行中实现节流调节和喷嘴调节的无扰转换，这就是阀门管理的思想。,阀切换逻辑原理图,乘法器说明,输出Y = (K1*X1+ t1)（K2*X2+ t2) 顺阀 K1 = -1, K2=1, t1 = 1, t2 = 0 时 Y=(-X1+1)X2 单阀 K1 = 1, K2 = 0, t1 = 1 ,t2 =0 Y= X1*X2上式中X1 由专门的

27、逻辑电路产生X2 指PI 输出由单阀向顺序阀切换的过程，实质上就是系数X1 由向转换的过程。系数XI 和时间的关系图如下,系数X1从向转变的过程逻辑原理图,说明,在没有并网或跳机时是单阀控制低负荷时，一般也是单阀控制假设此时PI输出为的开度。现在单阀向顺序阀转变。t=0 时顺阀Y= 0 单阀Y=30 各阀门开度等于单阀模块的值。GV1到GV4 执行机构按照单阀时流量和开度关系f(x)进行开启,t = 12 S, X1= 1-(0.2/120) * (1/0.2) *12 =0.9此时顺序阀Y0.1*30%=3%F(x)单阀Y0.9*30%=27%f(x) 阀门开度为 3%F(X)+27%f(x),