CN1008550B - 热电厂的自动控制系统 - Google Patents

Abstract

一热电厂的自动控制系统包括根据外加负载指令信号控制一汽轮机和在产生于锅炉的主蒸汽检测压力的基础上通过修正负载指令信号产生一锅炉输入指令信号的控制器，一水/蒸汽过程控制器，一燃烧过程控制器和一通风过程控制器，锅炉输入指令信号从主控制器被施加到上述所有控制器中。过程控制器将控制信号施加到设备上在锅炉不同部件的终端驱动设备中分别控制水/蒸汽过程、燃料过程、燃烧过程和通风过程。

Description

本发明涉及热电厂的自动控制系统，更具体地说，涉及能有效地减少各过程之间的相互影响，适用于对各过程进行分散控制的那种自动控制系统。

为了使热电厂产生所需的电力输出，有必要控制例如燃料量、给水量和空气量的过程变量，以产生其温度和压力与所需电力输出相匹配的蒸汽。然而，上述的过程变量相互之间有很密切的联系，很难同时实现对所有过程变量进行稳定的控制。例如，给水量的增加会导致主蒸汽温度的相应降低。为了补偿这种主蒸汽的温度下降，必须增加燃料量，同样，燃料的增加，必须相应增加空气的供应量。正如以上所述的那样，过程变量互相之间密切相关。因为过程变量密切地相互关联，热电厂的控制就需要有结构很复杂的自动控制系统。“日立评论”杂志第65卷、第9期（1983年第9期），第603-608页所报道的一种具有下述结构的系统就是已有技术中这种系统的一个例子。

在该系统所用的方法中，汽轮机进汽控制阀的开度是根据加到热电厂的负载指令信号进行控制的。另一方面，在锅炉方面，向锅炉给水的流速是由锅炉输入指令信号进行控制的，这个输入指令信号是通过在负载指令信号上加上压力补偿信号进行修正后得到的，而压力补偿信号本身又是将主蒸汽压力偏离需要值的偏差值进行比例积分运算后得出的。燃料流速则由燃料指令信号进行控制，这个指令信号是通过在锅炉输入指令信号上加上温度补偿信号进行修正而得，而后者又是将主蒸汽温度偏离需要值的偏差进行比例积分后得出的。另外，供给气体和空气的流速是由空气流速指令信号进行控制的，这个空气流速指令信号是通过在燃料指令信号上加上氧浓度信号进行修正后得到的，而后者是将炉子通风气流中氧浓度偏离需要值的偏差值进行比例积分运算而得。按照上述已有技术所用的方法，进行控制后可以产生高质量的主蒸汽。然而，所报道的系统是不完善的，因为需要很长一段时间才能正确地修正所有相关的过程变量，亦即需要很长一段时间才能完全稳定电厂的电力输出。甚至当电厂的电力输出稳定时，与电厂控制有关的许多终端设备可能仍未稳定，从而造成了整个电厂的效率很低。另外，根据测得的主蒸汽的温度和压力以及炉中气体氧气浓度所产生的用于修正给水、燃料、气体和空气的流速的补偿信号中，任何一个补偿信号产生部份不能正常工作或变得不正常时，例如，当与主蒸气的压力有关的补偿信号的产生部份变为不正常时，该不正常的补偿信号产生部份以下的所有的给水、燃料、气体和空气的控制部份都将受到不利的影响。这意味着必须采用多路控制系统或分散控制系统才能保证控制系统的可靠性，这就必然会使系统变得十分昂贵。

为了避免上面指出的已有技术的不足，本发明的主要目的是提供一个用于热电厂的自动控制系统，其中对电厂的一个个过程进行独立控制，以尽量减少它们之间的相互关联。

本发明所提供的热电厂的自动控制系统，具有根据外来的电力指令产生与热电厂应发电的电量相对应的指令信号的主控制器及接受从上述主控制器 来的指令信号、就上述热电厂的各种过程量产生与上述应发电的电量相对应的过程量的目标设定值的过程控制器，且作成通过从上述过程控制器来的表示目标设定值的信号在可以对上述过程量进行控制的情况下驱动上述热电厂的设备，上述过程控制器包含：控制水/蒸气过程的水/蒸气过程控制器，控制燃料过程的燃料过程控制器，控制燃烧过程的燃烧过程控制器和控制通风过程的通风过程控制器;其特征在于上述各过程控制器为相对于其他过程控制器相互独立地对属于上述各过程的设备的操作进行控制的装置。

在已有技术的控制系统中，锅炉输入指令、燃料流速指令和空气流速指令信号都是通过压力补偿信号、温度补偿信号和氧气浓度补偿信号对负载指令信号依次地进行修正而得到的，而本发明的电厂控制系统的特征在于锅炉输入指令、燃料流速指令和空气流速指令是通过各自的函数发生器直接从负载指令信号获得的。其后，如果有必要，各控制信号可以各自由压力、温度和炉内气体氧气浓度补偿信号进行修正。

图1是按照本发明的热电厂自动控制系统的最佳实施例的结构的方块图。

图2是应用本发明的热电厂的结构的示意图。

图3a到3h是各函数发生器分别相对于锅炉输入指令信号的输出特性。

应用本发明的热电厂有如图2所示的结构。

参见图2，热电厂包括由点划线表示的锅炉1，汽轮机2，发电机3，包括汽轮机4a、4b、4c的给水泵4，喷阀5，燃料阀6a、6b，强制通风扇7a、7b和气体环流风扇8a、8b。空气预热器301a和301b用燃烧废气通过热交换预热燃烧空气。燃烧器部件302被分成多个燃烧器级，在每一级内控制空气-燃料比例以使炉子脱硝。窗-盒式（W/B）进口空气调节器303在相应的燃烧器装置中调节燃料空气的流速。混合气体（GM气体）调节器304调节喷入燃烧空气的燃烧废气的流速。主气体调节器305调节直接喷入燃烧器部件302的燃烧废气的流速。该热电厂还包括冷凝器306，低压给水加热器307，排气器308，供水阀309，高压给水加热器310，蒸发器311，第一过热器312，第一级过热蒸汽降温器313，第二过热器314，第二级过热蒸汽降温器315，第三过热器316，再热器317和汽轮机进口控制阀330。当根据与锅炉的操作有关的变量分类时，热电厂可分为四个过程，即，燃烧过程9，水/蒸汽过程10，燃烧过程11和通风过程12。

图2所示的热电厂的结构并不是一个特殊的例子，下面将要详细描述的本发明的控制系统可广泛地适用于目前已投入实际使用的热电厂。

按照本发明的热电厂控制系统的一个最佳实施例将参照图1进行描述。

参见图1，体现本发明的热电厂控制系统包括主控制器201，控制图2中所示的水/蒸汽过程10的水/蒸气过程控制器202，控制图2中所示的燃料过程9的燃料过程控制器203，控制图2中所示的燃烧过程11的燃烧过程控制器204，控制图2中所示的通风过程12的通风过程控制器205。这些从201到205的控制器都属于过程一级的控制器。

电厂控制系统还包括控制主汽轮机2的速度调节控制器206，分别控制给水泵4的汽轮机4a-4c的控制器207a-207c，控制与第二级过热蒸汽降温器315相连的喷阀5的控制器208a-208b，控制与第一级过热蒸汽降温器313相连的喷阀5的控制器209a-209b，控制供给主燃烧器M的燃料流速的控制器210，控制供给行星燃烧器P的燃料的流速的控制器211，控制空气和再循环气体流速及控制在相应燃烧级中的燃烧器的控制器212a-212n，控制相应强迫通风扇7a和7b的控制器213a和213b，控制相应气体再循环风扇8a和8b的控制器214a和214b。这些从206到214的控制器都属于设备一级的控制器。

通常，电力发电公司有一个中心负载分配站，该站根据要求由公司供给的总电力量来决定各个有关电厂的输出，并根据已决定的发电量发出相应的电力指令信号给各电厂。每个电厂所生产的电力受发送给它们的电力指令所控制，使它们的实际发电量不超过由电力指令所指示的电力水平的预定的上限和下限。在图1中，这样一个中心负载分配站用编号40表示，分配站的电力指令加到主控制器201上，根据电力指令所指出的特定电力水平，主控制器201中的电路41考虑电厂目前状况及上述上下限，产生一具有预定负载变化率的斜波状负载指令信号L_d。电厂的电力生产就是由这样产生的 负载指令L_d，控制的。这个负载指令信号L_d。在减法器42中与从发电机3测得的电力输出信号43相比较。减法器42的输出信号加到电路44进行比例积分运算，比例积分电路44的输出信号通过选择器45加到主汽轮机控制器206以控制如图2所示的汽轮机进口控制阀330。选择器45的转换由联锁装置进行。检测器46检测主蒸汽的压力（在锅炉出口的主蒸汽的压力）。代表测得蒸汽压力值的信号在减法器47中与由设定电路48提供的设定值作比较，代表两者之间的误差的输出信号加到电路49进行比例积分运算。比例积分电路49的与负载指令的输出信号有同类物理量的输出信号L_p在加法器50中与负载指令信号L_d相加，从而产生锅炉输入指令信号L_B。比例积分电路49的输出信号L_p也通过选择器45加在主汽轮机控制器206上。这个选择器45按照电厂的操作模式进行转换。更确切地说，热电厂的操作分为两个模式，一种为协调模式，其中主汽轮机中的控制和锅炉的给水和燃料等的控制都是通过负载指令信号执行的;另一种是汽轮机跟踪模式，其中负载指令信号只对锅炉进行控制，如果所得的主蒸汽压力偏离其所需值，就对汽轮机进口控制阀的开度进行控制以获得所需的压力值。因此，在汽轮机跟踪模式中，主蒸汽的压力可通过汽轮机进口控制阀330进行控制，选择器45的输出信号是来自比例积分电路49的输入信号。另一方面，在协调模式中，比例积分电路44的输出信号直接成为选择器45的输出信号。加法器50的输出是锅炉输入指令信号L_B，它是通过把代表主蒸汽压力与设定值的偏离误差修正量的信号L_p和电路41所提供的电厂负载指令信号L_d相加得出的。这个锅炉输入指令信号L_B加到所有的过程控制器202-205上面。

水/蒸汽过程控制器202包括用于产生给水流速指令信号的第一函数发生器215，这一给水流速指令信号是加法器50输出的锅炉输入指令信号L_B的函数，并如图3a所示。代表给水流速测得值的信号66在减法器216中与函数发生器215输出的给水流速指令信号作比较，代表两者之间的误差的信号加到比例积分电路217。这个比例积分电路217的输出提供给水泵流速指令信号L_W。这个指令信号由负载分配控制电路218分配到分别控制汽轮机4a、4b和给水阀309的给水泵控制器207a-207c。在图1中，比例积分电路217的输出是给水流速的指令信号。然而，通常给水是由多个水泵控制的，因此电路217的输出由负载分配控制电路218考虑相应水泵的容量及泵操作的当前状况分成一个个控制信号，以控制各相应水泵的输出。第二函数发生器219被设计成用来产生代表主蒸汽的所需温度的信号，此信号如图3b所示是锅炉输入指令信号L_B的函数。代表主蒸汽测得的温度的信号52在减法器220中与由函数发生器219的输出信号提供的温度设定值作比较，所产生的表示两者之间的误差的信号加于比例积分电路221。第三函数发生器222被设计成能产生代表喷阀开度的信号，该信号如图3c所示为锅炉输入指令信号L_B的函数。并决定第二级过热蒸汽降温器315的出口温度，函数发生器222的输出信号在加法器223中与代表主蒸汽温度的测得值和设定值之间的偏离误差的修正量的比例积分电路221的输出信号相加。加法器223的输出提供第二级过热蒸汽降温器315的出口温度的设定值的信号。该信号加到过热蒸汽降温器出口温度控制器208a和208b上以控制从喷阀5向第二级过热降温器315喷流的流速。

在水/蒸汽过程控制器202中，类似于函数发生器219的第四函数发生器224被设计成能产生作为锅炉输入指令信号L_B的函数的第二过热器314的出口温度的信号，该过热器如图2所示。比例积分电路221的输出信号代表由于从主蒸汽测得的温度值与设定值有偏差而产生的第二级过热蒸汽降温器315的出口温度修正量。这个输出信号加到修正电路225。根据从比例积分电路221所加来的信号，修正电路225修正第二过热器314的出口温度（函数发生器224的输出信号）的设定值，以获得提供给第一级和第二级过热蒸汽降温器313和315的喷流之间的平衡。也就是说，如果锅炉特性较好，这种平衡是没有必要的。然而，当因为例如老化等原因而使锅炉特性变化时，函数发生器的输出由修正电路225进行调整以便在提供的喷流之间取得平衡。代表第二过热器314的出口测得温度的信号226在减法器227中与从修正电路225来的已修正的设定信号作比较，表示两者之间的误差的信号加到比例积分电路228上。类似于函数发生器222的第五函数发生器229被设 计成可以产生一决定第一级过热蒸汽降温器313出口温度的信号，该信号为锅炉输入指令信号L_B的函数。代表第二过热器314的出口温度修正量的比例积分电路228的输出信号在加法器230中和函数发生器229的输出信号相加以提供代表第一级过热蒸汽降温器313的出口温度设定值的信号，加法器230的输出信号加到过热蒸汽降温器出口温度控制器209a和209b上，该两控制器控制从喷阀5向第一级过热蒸汽降温器313提供的喷流的流速。

燃料过程控制器203包括第六函数发生器231，该发生器被设计成能产生燃料流速指令信号L_F，如图3d所示L_F为锅炉输入指令信号L_B的函数。代表第一级过热蒸汽降温器313的出口温度的设定值的修正量的比例积分电路228的输出信号，与函数发生器231的输出信号一起加到修正电路233上，后者在比例积分电路228的输出信号的基础上修正燃料流速指令信号L_F以便使喷流恒定。燃料分配电路234把燃料流速指令信号分配至主燃烧器M的燃料阀6b和行星燃烧器P的燃料阀6a。代表供给主燃烧器M的燃料流速测得值的信号73在减法器235中与从燃料分配电路234来的指令信号作比较，比较结果加到比例积分电路236，后者产生一加到主燃烧器燃料流速控制器210的指令信号。代表供给行星燃烧器P的燃料流速测得值的信号75在减法器237中与来自燃料分配电路234的指令信号相比较，比较结果加到比例积分电路238，后者产生一加到行星燃烧器燃料流速控制器211的指令信号。

燃烧过程控制器204包括被设计成能产生空气流速指令信号L_A的第七函数发生器239，如图3e所示这一信号是锅炉输入指令信号L_B的函数。第八函数发生器240被设计成能产生一设定废气中氧气（O₂）浓度的信号。如图3f所示该信号为锅炉输入指令信号LB的函数。代表测得氧气（O₂）浓度的信号58在减法器241中与从函数发生器240来的设定值作比较，比较结果加到比例积分电路242。比例积分电路242的输出信号与来自函数发生器239的空气流速指令信号L_A一起加到修正电路243。在修正电路243中，对空气流速指令信号L_A进行修正以提供经修正的空气流速指令信号L_AA。代表空气总流速测得值的信号63在减法器244中与从修正电路243来的设定信号作比较，比较结果加到比例积分电路245，其输出作为经修正过的空气流速信号送给每个燃烧级。这样的指令信号加到每个空气和气体流速控制器212a-212n。控制器212a-212n的输出信号分别控制窗-盒式进口空气调节器303、GM调节器304和第一气体调节器305。在锅炉输入信号L_B的基础上，电路247对燃烧器的最佳个数以及每个燃烧器级的最佳模式作出决定。预置控制电路248防止燃烧器在点火和熄火时空气和燃料的流速之间产生不平衡。

在通风过程控制器205中，第九函数发生器249被设计成能产生在强迫通风扇（FDF）7a和7b的出口设定通风流速的信号，该信号如图3g所示为该锅炉输入指令信号L_B的函数。代表在强迫通风扇7a和7b的出口上测得的通风流速的信号100，在减法器250中和从函数发生器249来的设定信号作比较，比较结果加到比例积分电路251上。比例积分电路251产生控制强迫通风扇7a和7b的转子叶片的角度位置的指令信号，这个指令信号通过负载分配电路252加到强制通风扇控制器213a和213b上，由此控制强迫通风扇7a和7b。第十函数发生器253被设计成能产生在气体再循环风扇（GRF）8a和8b的出口上设定通风流速的信号，该信号如图3h所示为锅炉输入指令信号L_B的函数。代表在气体再循环风扇8a和8b的出口上测得的通风流速的信号106在减法器254中与来自函数发生器253的设定信号相比较，比较结果加到比例积分电路255中。比例积分电路255产生控制气体再循环风扇8a和8b的进口调节器的开度的指令信号，该指令信号通过负载分配电路256加到气体再循环风扇控制器214a和214b上，从而控制气体再循环风扇8a和8b。

现在将描述体现本发明的电厂控制系统的优点。

主控制器201控制的对象限为负载和主蒸汽的压力，而锅炉输入指令信号L_B只从主控制器201加到过程控制器202-205。过程控制器202-205能根据所加的锅炉输入指令信号L_B同时对各有关设备设定被控参数。因此，与已有技术的系统相比较，该系统的响应特性有了改进，而在已有技术的系统中，是在收到负载指令信号后陆续设 定各种参数的。另外，由于这些原因，某个处理器相对于其他处理器对其参数进行修正控制几乎是不必要的，从而提高了系统操作的稳定性。

属于一些过程控制器的设备控制器控制多个同样的设备。因此，一个控制器的设计可以用于N个控制器的所谓的N：1设计，可实现设计标准化和简单化。

另外，锅炉中每个燃烧器级的燃烧器的控制以及空气和气体的流速的控制可由同一个控制器获得，因此大大地减少了所需要的信号线的数目。

前面详细描述的本发明表明，在热电厂中各种过程和设备能在相互影响最小的情况下分别进行独立控制。

按照本发明，主控制器参与对负载和主蒸汽压力的控制且只有锅炉输入指令信号从主控制器加到各过程控制器上。根据所加的锅炉输入指令信号，各过程控制器相互独立地控制有关过程，它们也控制对附属设备控制器的负载分配。属于一些过程控制器的设备控制器的所谓N∶1设计可实现标准化设计。因此，本发明提供的电厂控制系统操作高度可靠，而又无需多用主控制器及过程控制器，且容易设计。

Claims (3)

1、一种热电厂的自动控制系统，具有根据外来的电力指令产生与热电厂应发电的电量相对应的指令信号的主控制器[201]，及接受从上述主控制器来的指令信号、就上述热电厂的各种过程量产生与上述应发电的电量相对应的过程量的设定值的过程控制器，且作成通过从上述过程控制器来的表示设定值的信号在可以对上述过程量进行控制的情况下驱动上述热电厂的设备，上述过程控制器包含：

控制水/蒸气过程的水/蒸气过程控制器[202]，

控制燃料过程的燃料过程控制器[203]，

控制燃烧过程的燃烧过程控制器[204]，和

控制通风过程的通风过程控制器[205]；

其特征在于：

上述各过程控制器为相对于其他过程控制器相互独立地对属于上述各过程的设备的操作进行控制的装置。

2、如权利要求1所述的自动控制系统，其特征在于上述过程控制器各自输入从上述主控制器发来的同一指令信号〔L_B〕。

3、如权利要求1所述的自动控制系统，其特征在于还备有接受从上述过程控制器来的表示设定值的信号、在可对上述过程量进行控制的情况下驱动上述热电厂的设备的设备控制器。

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