基于DCS的300MW火力发电厂机组协调控制系统的设计与实现∗

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）

基于DCS的300MW火力发电厂机组协调控制系统的设计与实现∗

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）

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。

火力发电厂；DCS系统；机组协调控制系统

Class NumberTM621

1 引言

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。本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。

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）和汽机主控（TM）系统。第二层即锅炉主控BM与汽机主控TM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。

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。

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出，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投入时，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）在以下情况时，负荷设定操作器跟踪发电机实测功率：

（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

当机组协调控制系统具备AGC控制条件时，运行人员在将“AGC”投入自动，此时机组协调控制系统进入“AGC方式”，画面“AGC投入”底色由灰色变为红色。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，一种是由网上已投入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，机组进入CCS方式或其他，画面“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入。

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”。

上限设定不能低于下限设定，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/min，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方式投入时，会强制“进行”1s，切入到“进行”方式。

2）当负荷目标值与负荷给定值（无一次调频修正）小于±0.5MW时，自动退出“进行”状态。

3）当出现负荷闭增和闭减时，也不允许“进行”。

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±26.4MW，对应转速偏差为：±14r/m。

调频功能对应的功率范围为165～346.5MW。一次调频投入、退出：

一次调频在负荷≥150MW时，自动投入。

一次调频退出条件：1）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

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，进入滑压方式；

当机组为非CCS方式或者RUNDOWN时，强制进入定压方式。

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，系统转入滑压方式运行，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，如果投入滑压运行时，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。

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本方式时，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。

机组在BF方式时，锅炉主控接受来自锅炉BF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f（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；

（2）主汽压力偏差≥±3MPa

5）CCS方式下：主汽压力偏差≥±3MPa；

6）主汽压力高于17.4MPa；

7）送风控制全手动；

8）MFT。

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本方式时，汽机主控指令不接受自动控制信号，由运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的输入，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（0%～100%）。

具体组态逻辑如图5汽机主控。

图4锅炉主控

图5汽机主控

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。

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。而本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画面更加直观易懂，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。

［1］蒋甲丁.火力发电厂协调控制系统的设计与实现［D］.厦门：厦门大学，2014. JIANG Jiading.The design and realization of the coordinat⁃ed control system in thermal power plant［D］.Xiamen：Xia⁃men University，2014.

［2］董键.自动发电控制（AGC）系统在火力发电厂中的开发投用研究［D］.南京：南京理工大学，2001. DONG Jian.Automatic generation control（AGC）system in thermal power plant development putting-in-service proactively research［D］.Nanjing：Nanjing University of Science and Technology，2001.

［3］赵志强，秦义.火力发电机组协调控制系统浅析［J］.东北电力技术，2002（11）：39-41. ZHAO Zhiqiang，QIN Yi.Shallow of coordinated control system for coal-fired power units［J］.Journal of Northeast Electric Power Technology，2002（11）：39-41.

［4］任雪林.关于火力发电机组CCS控制系统的优化改进分析［J］.科技传播，2014（19）：171-193. REN Xuelin.About CCS optimization to improve the analy⁃sis of the control system for coal-fired power units［J］.Sci⁃ence and Technology，2014（19）：171-193.

［5］王蕾，白志伟.火力发电厂DCS系统应用可靠性分析［J］.山东工业技术，2015（8）：214. WANG Lei，BAI Zhiwei.Application of thermal power plant DCS system reliability analysis［J］.Journal of Shan⁃dong Industrial Technology，2015（8）：214.

［6］王鹏.火力发电单元机组协调控制系统研究［D］.兰州：兰州理工大学，2008. WANG Peng.Thermal power unit coordinated control sys⁃tem［D］.Lanzhou：Lanzhou Univesity of Technology，2008.

［7］荆涛，朱振林.火力发电厂协调控制系统应用［J］.热电技术，2015（4）：36-39. JING Tao，ZHU Zhenlin.Coordinated control system in thermal power plant applications［J］.Journal of Thermo⁃electric Technology，2015（4）：36-39.

［8］邓莎.660MW单元机组综合控制系统研究［D］.长沙：长沙理工大学，2011. DENG Sha.Comprehensive control system of 660 MV unit study［D］.Changsha：Changsha University of Science and Technology，2011.

［9］许云鹏.600MW火力发电机组协调系统优化及合理调节［D］.上海：上海交通大学，2012. XU Yunpeng.600 MV thermal power unit coordinate sys⁃tem optimization and reasonable regulation［D］.Shanghai：Shanghai Jiaotong University，2012.

［10］庄子丰.火电机组协调控制系统研究［J］.机电信息，2014（9）：36-37. ZHUANG Zifeng.Thermal power unit coordinated con⁃trol system research［J］.Mechanical and Electrical Infor⁃mation，2014（9）：36-37.

［11］贾贵华.发电厂火电机组中锅炉和汽轮机组的协调控制系统分析［J］.科技致富向导，2015（3）：266. JIA Guihua.Power plant boiler and steam turbine unit in the thermal power unit coordinated control system analy⁃sis［J］.Science and Technology Guide and Become Rich，2015（3）：266.

［12］吴桐国，王友权.协调控制系统在伊敏发电厂中的应用［J］.电力技术，2010（19）：86-90.WU Tongguo，WANG Youquan.Coordinated control sys⁃tem in the application of the sensitive plant［J］.Electric Power Technology，2010（19）：86-90.

［13］陈双一.900MW超临界机组AGC与协调控制节能优化［D］.天津：天津大学，2014. CHEN Shuangyi.A 900 MV supercritical unit AGC and coordinated control and energy saving optimization［D］. Tianjin：Tianjin University，2014.

Design and Implementation of Thermal Power Plant Unit Coordinated Control System Based on DCS 300MW

GENG QianqianHE Bo
（School of Information and Control Engineering，Xi'an University of Architecture and Technology，Xi'an710055）

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 sys⁃tem 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.

coal-fired power plants，DCS system，the unit coordinated control system

TM621

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.07.047

2017年1月11日，

2017年2月23日

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。