某火力电厂机组控制系统的设计与实现

王 林，胡 哲 ，张捍东

(1.神华神皖安徽安庆皖江发电有限责任公司，安徽 安庆246000；2.安徽工业大学 电气信息学院,安徽 马鞍山 243000)

1 研究背景

近年来，我国电力工业持续发展，发电量已多年位居全球前列。伴随着我国发电单元机组整体控制水平的不断提高，特别是其自动化控制水平，可以预见的是火电厂热工自动化的功能必将会与调度自动化系统相互协调进行控制，最终实现整体电厂能够自动进行相关的发电控制。

但是，由于计算机自身仅仅只是一部机器，只能按照人工的设定，依据一定的控制逻辑程序进行必要的操作，而实际发电机组运行情况是一个复杂、随机的过程。所以，不能够完全依靠相关的自动化控制系统。因此，如何通过合理的设计的过程，降低相关工作人员不必要的劳动，就由显重要。那么也就要求我们设计人员通过设计一个合理的控制系统，以最大限度的降低这种劳动的数量，最终实现生产力的解放。所以，以下将以某一电厂实际建设过程为背景，利用MaxDNA控制系统，结合相关控制算法，展开对整个控制系统相关的设计，在保证完成相关工艺要求的基础之上，实现最大程度的降低相关工作人员的工作强度。

2 系统设备简介

火力发电的过程就是一个能量转换的过程，也就是将燃料(如煤炭、石油、天然气等)中的化学能通过锅炉燃烧转化，转化为高温蒸汽中的热能，通过水蒸气的流动带动汽轮机的旋转，实现到机械能的转化，然后通过带动发电机的转动发电，实现火力发电过程。由此可见，火力发电的这一过程之中，锅炉、汽机和发电机这三个部件在电厂所有设备中的重要性。

我们使用的是上海锅炉厂有限公司的锅炉。该锅炉亚临界自然循环汽包锅炉，是一种单炉膛、四角切向燃烧、一次中间再热、平衡通风系统、燃烧器摆动调节温度、全钢架悬吊结构的固态锅炉。

汽轮机机组采用的是上海汽轮机有限公司的汽轮机型式，这是一种单轴、反动式、双缸双排汽、一次中间再热的凝汽机组。该机组可以做为常规发电机组,在某些特定情况下可作为调峰机组使用,可以轻松的实现对于定压和滑压这两者运行方式,能够实现基本的发电运行方式。

发电机组采用的是上海汽轮发电机有限公司的发电机，发电机的具体为型号：QFSN-300-2，发电机励磁方式采用无刷励磁方式。各个部分的冷却方式为定子绕组采用的是水内冷方式,转子绕组采用的是氢内冷方式,定子铁芯采用的是氢冷方式。

辅机设备包括有一次风机两台、送风机两台、引风机两台、送风机两台和空气预热器两台，具体型号在此不做过多的说明了。

3 控制系统软件设计

火力发电机组集散控制控制系统中，它的主要控制功能可分为以下几大块，依次为锅炉炉膛安全监控部分(FSSS)、数据采集部分(DAS)、模拟量控制部分(MCS)、顺序控制部分(SCS)、汽机旁路控制部分(TBC)、锅炉吹灰控制部分(SBC)和电气控制部分(ECS)。

结合以往的设计经验，其中主要以锅炉炉膛安全监控部分(FSSS)、顺序控制部分(SCS)、模拟量控制部分(MCS)这三个部分最为重要，它们的设计工作量几乎占到了整体软件设计全部，因此主要以这三个部分展开分析。

3.1 顺序控制部分

顺序控制部分是对火力发电机组各单元机组的热力系统和辅机的启停进行自动控制，包括发电机、阀门、挡板等设备。由于顺序控制部分(SCS)的涉及面很广，系统中有大量的需要逻辑判断的功能和需要输入、输出信号的部分。特别是随着控制系统的巨型化的发展，以及对于具体控制系统的控制参数数目的提高，此外辅机数量和热力系统的复杂程度也较以往有了很大的增加，例如对于我们设计的系统中，一台上海电气的300MW机组，约有辅机、电动、气动执行器等各种设备两百多台套。

顺序控制部分主要是与热工设备的启、停、开、关等操作有关。计算机直接根据被控设备的状态、生产过程的工况和生产工艺的要求等条件，依据预先设定好的次序，依次完成启、停、开、关被控设备。

其中，为了防止回转式空预器转子受热不均而膨胀变形，保证锅炉在负压下长期运行，各功能子组顺序控制要求如图1和图2所示：

图1冷态启动顺序图

图2 热态停止顺序图

通过以上的顺序控制思路，能够在保证机组设备安全的基础之上，长期可靠运行，提高系统运行的经济效益。

3.2 锅炉炉膛安全监控部分

锅炉炉膛安全监控部分在锅炉运行的各个阶段,连续不间断地监测锅炉的各部分运行参数，结合防爆规程所规定的安全条件等要求，不间断地进行逻辑判断、运算与分析，通过控制相应联锁装置，保证燃烧设备依据既定程序完成必要操作，尤其是避免爆炸性的气体(空气与燃料混合气)在炉膛及烟道内累计。更为重要的是，当发电机组出现危及锅炉安全的工况时，能够迅速切断进入炉膛的所有燃料，及时当相关气体排除，防止炉膛爆炸事故的发生，保证系统的稳定运行。炉膛安全监控部分有两项非常重要作用，依次是锅炉安全保护作用、锅炉安全管理作用。

其中，主燃料跳闸(MFT)是其中非常重要的组成部分。主燃料跳闸，其是锅炉安全监控系统的一个重要组成部分，决定了锅炉是否能够安全可靠运行。它通过连续不断的监测事先预定的各种安全运行条件是否满足要求，当系统一旦出现可能会危及锅炉或整体系统安全运行的危险情况时，能够快速准确的切断进入炉膛的燃料的通道，防止锅炉熄灭后发生爆燃情况，从本质上避免发生人身伤亡事故和设备的损坏，或者防止生产事故的进一步扩大，造成更大的经济损失。表1主燃料跳闸就是一个系统跳闸条件表。

表1 主燃料跳阐条件

其中，为了保证不是因为不必要的误操作，提高发电的经济效益，我们采用延迟触发这一技术手段，提高系统的控制准确性。

3.3 模拟量控制部分

模拟量控制主要包括机组协调控制、锅炉给水控制、燃烧控制、风量控制、炉膛负压控制、汽温控制、除氧器凝汽器水位等几部分组成。其中，以机组协调控制为重心，以下将主要以该方面展开对于这部分的设计的过程。

图3 协调控制系统框图

使用传感器测得功率信号P实和主汽压信号N实，送到DPU控制器——汽机调节器和锅炉调节器 。当系统处于稳定工况下，机组实际发电功率应等于功率设定值P额，而机前压力也等于压力设定值N额。图1就是该系统的控制框图。但是当要求增加负荷时，系统将会将出现一个正的功率偏差信号(实际功率P实应减功率设定值N实)，直接通过汽机调节器调节调节阀，增大机组机组实际发电功率。与此同时，通过网络将这个信号也作用到锅炉调节器，使给煤量增加，增大给水量，从而增加蒸汽总量。但是当调节阀开大时，就会马上造成机前压力下降，即使此时锅炉部分已经开始增加给煤量，但是由于惯性作用(燃料和机前压力通道之间，就会造成控制的滞后)，这种情况仍将不可避免。在以上情况下，将会仍有正的压力偏差信号存在，情况严重时会造成系统的超调，影响系统的控制效率，为此我们引入前馈-反馈控制。这样的话，该信号将会仍然按照正方向作用到锅炉调节器，继续增加燃料量，但是由于前馈的作用，会反方向作用到汽机调节器之上，力图将汽压迅速的恢复到正常数值水平。由于正功率偏差信号与的负压力偏差信号之间的相互作用，就会使得调节阀开大到一定程度后自动停止增大，维持恒定。虽然此时汽机实际发电功率没有达到我们设定的功率给定值，但是这种状态只能是暂时的，很快就会消失。此外，为了防止负压力偏差信号对于调节阀的影响，必须引入反馈的控制，消除负压力偏差信号对于系统的影响，从而提高系统的控制效果。因此以上过程，就是负的汽压偏差信号和正的功率偏差信号两者同时作用，通过锅炉调节器使锅炉增加给煤量，同时随着机前压力逐渐恢复，测量得到的压力偏差信号将会逐渐减小，在正的功率偏差信号持续作用下，汽机调节阀继续开大，提高实际发电功率，最终实现功率和主汽压等于设定值，这时机组也就达到了新的稳定状态，完成整个机组协调控制的过程。此外， 依次是被控对象和解耦传递函数。

4 控制系统硬件设计

通过对系统关键部位的软件之后，本节将主要对于系统硬件配置展开分析。主要包括有输入输出点(I/O)配置、DPU机柜布置和系统硬件配置等几部分。为了保证系统运行的稳定性和可靠性，硬件系统中采用了现行通用的处理方法——冗余配置。

4.1 输入输出点统计

该系统总共使用的输入输出点点数为8212点，其中包括了单元机组和公用系统两个部分，为了实现冗余配置，实际使用过程中一共配置了输入输出点点数为10721点，通过点数冗余量约为30.55%，具体如表2所示。

表2 输入输出点统计表

4.2 工作站配置

根据实际需求，整个发电机组一共配置11台工作站，依次是2台工程师站、1台历史站、1台LINK通讯站、1台SIS站、5操作员站、1台大屏显示站和1台值长站等。通过这些工作站的配置，协调各工作站之间的工作，合理的对它们进行配置，就可实现对于模拟流程图显示、工艺曲线趋势显示、参数列表显示、工艺报警、日志和事件查询、控制调节和参数整定和点详细显示等功能。同时，为了方便报表的输出，系统中设计了3台打印机，提供打印输出存档等服务，提高系统工作效率。

5 运行结果分析

以下将主要对整体控制系统在某电厂实际运行情况展开分析与说明，以验证该控制系统的稳定性、可靠性。主要以稳态、暂态和故障三种情况为列，结合实际监控画面的运行效果图，展开运行结果的分析。

其中，各参数的设定值依据公式1和公式2进行实时计算，调节各变量的设定值，以保证机组的稳定运行。

(1)

(2)

公式具体变量的意义如下所示：

EDS(S)表示的是锅炉能量的需求大小；

HD(S)表示的是锅炉能量的输入大小；

Pd、P1、PT分别表示的是汽包压力、调节级压力和机前压力的大小；

Kd、K1、KT分别代表的是前者的放大系数；

Td、T1、TT分别代表前者的微分时间常数，S为微分算子。

实际使用时，主要依据公式1和公式2计算所得的设定值，给出系统中的部分变量的设定值，以满足发电机组的发电要求，提高机组控制质量。

5.1 稳态分析

图4 稳态功率曲线

图4为稳态功率曲线图，从图中可知，可以清楚分辨出发电机机组的输出功率持续稳定在310MW的水平上，即使有波动，也是很小的，误差小于1%，可以忽略不计，。因此，可以实现系统的控制目标，也就是保证输出稳定在设定的某一数值之上(也就是图中的设定功率线上)。

图5 稳态主汽压曲线图

图5为稳态主汽压曲线图，根据其可以清晰的看出，稳态时，主蒸汽压力基本保持不变，波动量很小，几乎不发生变化，实际运行过程中，误差小于0.1Mpa。即使部分时刻出现了不稳定的情况，也可以迅速地按照设定值的变化，最终稳定在设定值的附近。

图6 稳态炉膛负压曲线图

图6为稳态炉膛负压曲线图，从中可以看出，主蒸汽压力随着设定值的变化而变化，能够满足负荷的变化而变化。由于系统的波动性，即使与设定值有一定的偏差(±0.1之间)，但是误差还是在可以接受的范围之内的，符合工艺的要求。其中，炉膛的压力稳定在微负压的状况下，保证了机组的安全可靠的运行。

图7 稳态氧量曲线图

图7为稳态氧量曲线图，根据其可以看出，氧量供应基本稳定在设定值附近，虽然有所波动，但是基本稳定在设定值附近，误差小于10%。因此保证的氧量供应的基本稳定，也就保证了发电机组在稳态下的稳定燃烧，同时，更为重要的是保证了机组的安全稳定的长期运行。

5.2 暂态分析

图8为暂态功率和炉膛压力曲线图，从图中可发现，实际功率能够迅速的随着设定值的变化而变化，保证了变负荷条件下的控制要求。同时，图中还反映了炉膛压力的设定值的变化情况，再次说明机组协调控制策略的优越性，利用该种控制策略，保证了机组稳定随着输出功率降低而变化，维持了整体发电机组的稳定性，提高了发电机组运行的经济性。

图8 暂态功率和炉膛压力曲线

5.3 故障分析

图9 给水泵I故障时汽包水位波动曲线

图9是给水泵I故障时汽包水位波动曲线图，从图中可以看出，某一时刻，给水泵I由于故障造成了设备停机，这时报警系统自动运行，直接启动备用泵，保证了给水泵在断流前，其能够稳定的切入到了系统之中，保证了汽包水位在设定值附近的稳定，同时也保证了炉膛供水流量的稳定。虽然这一过程中，存在着一定的超调，但是还是保证了整体系统的稳定运行，提高了系统的稳定运行的质量。

6 结语

经过以上的分析，通过对系统的设计，基本实现了相关的火力发电机组的稳定工作状态下的工艺要求。通过引入协调控制策略，保证系统的运行效率。使得机组的控制系统更加智能化，保证了无论是从机组的变负荷性能，还是稳定性方面，又或是经济性等多方面都达到了比较满意的的效果，得到了相关工作人员的认可。

系统在硬件设计方面上，实现了对于控制器、网络、电源、机组保护和重要检测点等部分的冗余，保证了系统在某些部分出现故障的情况下，依旧可以实现对于关键部位的检测与控制，防止连锁事故的发生，提高了整体系统的可靠性和安全性。在软件设计方面，根据现场工艺要求，通过相关的组态程序实现了锅炉炉膛安全监控、顺序控制和模拟量控制部分的组态，以及人机界面的搭建。为了有关工作人员操作的方便，引入了趋势图，以方便工作人员在工作站上的操作，降低了劳动强度。

同时，对于该系统的整体的设计思路和过程，可以给相关设计人员在类似火力机组控制系统设计的过程中，带来一种好的思路与有益的借鉴。

[1] 周小谦．2l世纪中国电力工业前景展望[J].机电信息，2003(2)：8-11．

[2] 姚振．火力发电企业生产运营模式优化研究[D]．大连：大连海事大学，2012．

[3] 佟学宜．火力发电项目风险管理的研究[D]．保定：华北电力大学，2012．

[4] 李美叶．火力发电企业环境成本及控制研究[D]．保定：华北电力大学，2007．

[5] 杨勇平，杨志平，徐钢，等．中国火力发电能耗状况及展望[J]．中国电机工程学报，2013(23):1-11,15．

[6] 宋刚奇．试论火力发电厂燃料管理系统优化与研究[J]．河南科技，2013(5):106．