单元机组协调控制系统 .doc

第十三章 单元机组协调控制系统 第一节 引言 一、协调控制系统的任务单元机组的输出电功率与负荷要求是否一致反映了机组与外部电网之间能量供求的平衡关系；主汽压力反映了机组内部锅炉和汽轮发电机之间能量供求的平衡关系。协调控制系统就是完成这两种平衡关系而设置的。使机组对外保证有较快的负荷响应和一定的调频能力；对内保证主要运行参数(主蒸汽压力)稳定的系统称为协调控制系统。协调控制系统（Coordinated Control system-CCS）是将单元机组的锅炉和汽轮机做为一个整体来进行控制的系统。协调控制系统的任务是协调地控制锅炉燃料量、送风量、给水量等，以及汽机调节阀门开度，使机组既能适应电网负荷指令的要求，又能保持单元机组在额定参数下安全、经济地运行。 二、负荷控制对象的动态特性在单元机组中，锅炉和汽轮机是两个相对独立的设备，从机组负荷控制角度来看，单元机组是一个存在相互关联的多变量控制对象，经适当假设可以看作是一个具有的两个输入和两个输出的互相关联的被控对象，其方框图如图13-1所示。+WN(s)图 13-1 单元机组负荷控制对象原理方框图TWP(s)WNB(s)WPB(s)BNEPT 对象的输入量B为锅炉燃料量调节机构开度，代表锅炉燃烧率(及相应的给水流量),B的变化将引起机前压力PT的变化，用WPB(s)描述该通道的特性，在汽机调节阀开度T不变时，WPB(s)具有以下的形式：式(13-1)是一个简化了的二阶系统，它表明燃料压力通道具有较大的惯性和迟延。在燃烧率变化后，在汽机调门开度T不变时，PT 的变化也将引起机组实发功率NE的变化。图13-1中，WPB(s)是燃料一功率通道的传递函数，它具有如下的形式：在机组燃烧率保持不变，将汽机调门开度通常用同步器位移量表示T改变，它将引起机前压力PT的变化，以及机组实发功率NE的变化，这两个通道的传递函数WN(s)、WP(s)形式如下： 以上四个式子是通过实验方法得到的，通过理论分析和线性化处理也可得出以上关系。以上用传递函数表示单元机组的动态特性，也可用阶跃响应来表示单元机组的动态特性如图13-2所示。NE000B图 13-2 单元机组负荷控制对象的阶跃响应特性BtttPTNE000TTtttPT(a)(b) （一）燃烧率B扰动下主蒸汽压力PT 和输出电功率NE的动态特性当汽轮机调门开度不变，而B发生阶跃扰动时，主蒸汽压力PT和输出电功率NE的响应曲线如图13-2(a)所示。增加锅炉的燃烧率，必定使锅炉蒸发受热面的吸热量增加，汽压经一定迟延后逐渐升高。由于汽轮机调门开度保持不变，进入汽轮机的蒸汽流量增加，从而自发地限制了汽压的升高。当蒸汽流量与燃烧率达到新的平衡时，汽压PT 就趋于一个较高的新稳态值，具有自平衡能力。由于蒸汽流量的增加使汽轮机输出功率增加，输出电功率NE也增加。当蒸汽流量不变时，输出电功率也趋于一个较高的新稳态值，具有自平衡能力。 （二）调门开度T扰动下主蒸汽压力PT 和输出电功率NE的动态特性 当锅炉燃烧率B保持不变，而T发生阶跃扰动时，主蒸汽压力PT 和电功率NE的响应曲线如图13-2(b)所示。汽轮机调门开度阶跃增加后，一开始进入汽轮机的蒸汽流量立刻成比例增加，同时汽压PT 也随之立刻阶跃下降PT (PT阶跃下降的大小与蒸汽流量的阶跃增量成正比，且与锅炉的蓄热量大小有关)。由于锅炉燃烧率保持不变，所以蒸发量也不变。蒸汽流量的增加是因为锅炉汽压下降而释放出一部分蓄热，所以只是暂时的。最终，蒸汽流量仍恢复到与燃烧率相应的扰动前的数值，主汽压力PT也逐渐趋于一个较低的新稳态值。因蒸汽流量在过渡过程中有暂时的增加，故输出功率NE相应也有暂时的增加。最终，输出功率NE也随蒸汽流量恢复到扰动前的数值。可以看出机组增加负荷时，初始阶段所需的蒸汽量主要是由于锅炉释放蓄热量而产生的。然而，随着汽轮机容量的日益增大，锅炉蓄热量越来越小，单元机组负荷适应能力与保持汽压不变之间的矛盾越来越突出。 通过以上分析，可以看出负荷控制对象的动态特性的特点是，当汽轮机调门开度动作时，被控量NE和PT的响应都很快即热惯性小；当锅炉燃烧率改变时，NE和PT的响应都很慢即热惯性大，一快一慢就是机炉对象动态特性方面存在的较大差异。如果我们把机、炉子控制系统包括在负荷控制对象之内，就构成了广义负荷控制对象如图13-3所示，其控制输入量为锅炉主控制指令NB和汽机主控制指令NT 。B+WN(s)图 13-3 广义负荷控制对象方框图TWP(s)WNB(s)WPB(s)NEPT机子系统炉子系统NB NT 锅炉侧的各子控制系统的动态过程特性迟延惯性很小(相对于锅炉特性)，可以使B及时地跟随炉主控制指令 NB，接近快速随动系统特性。这样就有B NB 。汽机侧，如果汽轮机采用纯液压调速系统，则机主控制指令NT就是调门开度(或同步器位移)指令T，故有TNT 。这样广义被控对象的动态特性不会改变。如果汽轮机采用功频电液控制系统，则机主控制指令NT就是汽轮机功率指令。这样被控对象的动态特性就有很大变化。如图13-4所示。由图13-4可以看出，汽轮机采用功频电液控制系统时，广义被控对象动态特性的改变是由于汽轮机功率调节回路的存在，假设功率调节回路能保持汽轮机功率与功率指令一致，那么，机主控制指令NT和炉主控制指令NB就分别代表锅炉的输出与输入能量。_+NB _ nt+ n0B+图 13-4 汽轮机采用功频电源控制系统时的广义负荷控制对象方框图TNEPTWT(s)炉子系统NT WN(s)WP(s)WNB(s)WPB(s) 若保持其中任一指令不变而另一指令阶跃扰动，则会因锅炉输入与输出能量终始不平衡，主蒸汽压力PT随时间一直变化，没有自平衡能力。如图13-5所示。图13-5(a)表示NT不变，NB阶跃扰动下主蒸汽压力PT 和电功率NE的响应特性，PT的动态特性近似为具有惯性的积分环节特性，NE近似不变；图13-5(b)表示NB不变，NT阶跃扰动下主蒸汽压力PT和电功率NE的响应特性，PT的动态特性近似比例加积分环节的特性，NE的动态特性近似为惯性环节或比例加惯性环节的特性。NE000NB 图 13-5 汽机采用功频电液调节系统时广义负荷控制对象的阶跃响应特性NB tttPTNE000NT NT tttPT(a)(b) 锅炉和汽轮发电机的动态特性存在很大差异，即汽轮发电机负荷响应快，锅炉负荷响应慢，所以单元机组内部两个能量供求关系互相制约，外部负荷响应性能与内部运行参数稳定性之间存在固有的矛盾。根据这一特点，单元机组在实施协调控制时，必须很好地协调机炉两侧动作，合理地保持好两个能量供求平衡关系，以兼顾负荷响应性能和内部运行参数稳定两个方面。三、协调控制系统的组成单元机组协调控制系统是由负荷控制系统也称主控制系统、常规控制系统也称子控制系统和负荷控制对象三大部分组成。如图13-6所示。负荷控制系统又由二部分即负荷指令处理部分也称负荷管理控制中心和机炉主控制器组成。负荷管理控制中心(LMCC)接受的是外部负荷指令、根据机组和控制系统本身需要所设的内部负荷指令。内部负荷指令一般有机组辅机故障减负荷Run Back(快速返回)指令，与机组负荷有关的主要运行参数超过上限而引起的减负荷Run Down(迫降)指令，主要运行参数低于下限而引起的增负荷Run Up(迫升)指令，负荷控制系统处于手动状态时，负荷控制系统本身跟踪实发功率的信号。外部负荷指令一般有电网调度所的负荷分配指令ADS(Automatic Dispath System)；机组运行人员手动增/减负荷的指令。负荷控制系统协调控制级子控制系统局部控制级TBN0负荷指令处理部分机炉主控制器锅炉控制系统汽轮机控制系统被控对象NBNTNEPT外埠负荷指令图 13-6 单元机组协调控制系统简图负荷管理控制中心的主要作用是，对外部要求的负荷指令或目标负荷指令TLD(Target Load Demand)进行选择，并根据机组主辅机运行的情况加以处理，使之转变为机、炉设备负荷能力，安全运行所能接受的实际负荷指令ALD(Actual Load Demand )N0，实际负荷指令又称ULD(Unit Load Demand)单元机组实际负荷指令。对于上述内、外部负荷指令的选择是由负荷管理控制中心根据机组的运行状态和电网对机组的要求以及机炉本身运行安全性要求的优先级来选定的。 除了选择负荷指令外，负荷管理控制中心对于选择的内、外部负荷指令还需进行处理，主要是对负荷指令的变化率和起始变化幅度进行限制，使之与机组的负荷能力相适应。机、炉主控制器接受LMCC发出的实际负荷指令N0，为了使锅炉和汽轮机的控制作用更好地协调，在协调控制方式情况下，汽轮机主控制器接受汽轮机的DEH(Digital Electro-Hydraulic即数字电液调节)来的频率偏差信号Df，还接受汽轮机首级后压力P1与主汽压力PT的比值P1/ PT的反馈信号，即汽轮机阀位的反馈信号，以及实发功率信号NE 和主汽压力的偏差DP 。 机、炉主控制器的主要作用是根据锅炉和汽轮机的运行条件和要求，选择合适的负荷控制方式，按照实际负荷指令N0与实发功率信号NE 的偏差和主汽压力的偏差DP以及其它信号，进行控制运算，分别产生对锅炉子控制系统和汽轮机子控制系统的协调动作的指挥信号，分别称为锅炉指令(Boiler Demand)NB 和汽轮机指令(Turbine Demand)NT 。 单元机组主控制系统是单元机组协调控制系统的核心，在单元机组协调控制系统中无论是调频和调负荷、机组的启动和停止、故障情况下的安全运行、锅炉燃烧率的变化、汽机调节汽阀开度的变化都是在主控制系统统一指挥下达到协调一致的，即机组的输入能量和输出能量在满足电网负荷要求的前提条件下总是保证平衡的。完成主控制系统与子系统之间的协调。 一般汽轮机和锅炉的控制系统都是比较简单的单回路和常规的控制系统，这些系统能克服由于内、外扰动造成的参数波动，使之保持在允许范围之内。同时也适应负荷控制系统发来的变负荷指令信号，使每个子系统都能在主控制系统的统一指挥下协调动作完成子系统与单元机组（控制对象）之间的协调使整个单元机组安全经济运行。 机炉的子控制系统是协调控制的基础，它们的控制质量将直接影响负荷控制的质量。因此，只有设计好各子控制系统，并保证其具备较高控制质量的前提下，才有可能使协调控制系统达到要求的控制质量。根据单元机组的容量、控制对象动态特性的特点、控制系统功能要求不同等组成的协调控制系统的方案各异，但将这些协调控制系统进行分类，一般有按反馈回路和能量平衡两种分类方法。按反馈回路分类可将协调控制系统分为汽轮机跟随为基础的协调控制系统和锅炉跟随为基础的协调控制系统。按能量平衡分类可将协调控制系统分为间接能量平衡的协调控制系统和直接能量平衡的协调控制系统。 第二节 主控制系统 一、负荷管理控制中心负荷管理控制中心是协调控制系统的指挥机构，它的主要功能是根据电网调度中心的要求负荷指令或机组运行人员要求改变负荷的指令以及机组主辅机运行情况，处理成适合于机炉运行状态的实际负荷要求指令ALD或ULD(N0）。具体来讲，LMCC能完成以下功能：1实际负荷要求指令（ALD或ULD）的产生在机组正常运行工况下，电网调度来的负荷分配指令（ADS）或机组运行人员设定的负荷指令，通过负荷变化速率限制器，电网频率校正（如果机组参与电网调频）最小最大负荷限制回路，即产生实际负荷要求指令。如果机组主、辅机发生故障或事故而产生快速返回(RB)、快速切回(FCB)、迫升(RU)、迫降(RD)、主燃料跳闸(MFT)等信号时，机组将自动地切换到手动方式运行，这时实际负荷要求指令将跟踪锅炉实际负荷指令mB 。 2负荷的增加和减少协调控制系统提供运行人员增减负荷按钮，来指明机组“目标负荷指令”的增加和减少。“目标负荷指令”在控制站屏幕上显示。3最大/最小负荷限制协调控制系统提供机组最大/最小负荷限制值，运行人员可通过设定器调整机组最大/最小负荷限制值，限制值的增减直接影响实际负荷指令。当实际负荷指令等于最大或最小限制值，实际负荷指令不论要增加或减少都将受到闭锁。当实际负荷指令等于由运行人员设置的最大/最小负荷限制值时，设定器上的限制红灯点亮。4负荷变化速率限制 协调控制系统提供机组最大负荷变化速率，运行人员可通过设定器调整机组最大负荷变化速率。它是对运行人员手动或ADS指令改变负荷的速率进行限制。机组最大负荷变化速率是根据机组变负荷的能力而确定的。 当实际负荷指令的变化速率在运行人员设定的最大速率时，速率设定器上的限制红灯点亮。 5远方/就地控制 机组运行人员可操作按钮来选择就地(Local)或远方(Remote-ADS) 控制。在“就地”控制时，运行人员可操作“增加”和“减少”按钮来改变“目标负荷指令”。这时，“目标负荷指令”将根据运行人员设定的允许的最大变化速率来改变。在“远方”控制时目标负荷指令将根据运行人员设定的允许的最大变化速率响应ADS指令。6负荷快速返回当机组主要辅机例如送风机、引风机、一次风机、磨煤机、空气预热器、给水泵等出现故障时，机组就不能满负荷运行，必需迅速减负荷CCS设计了快速返回信号，以保护机组的安全。如果是锅炉侧主要辅机发生故障，则将在汽轮机跟随方式下完成负荷快速返回，既锅炉需要迅速减负荷，而汽轮机应跟着迅速把负荷降下来。负荷降低的幅度要看主要辅机故障的情况而定。 7负荷快速切回（Fast Cut Back-FCB） 机组在运行时，如果发生严重故障，例如机组突然与电网解列(既送电负荷突然跳闸)，或汽轮机跳闸，这时快速返回已不能适应迅速减少负荷的要求。CCS设计了快速切回信号，以实现机组快速甩负荷。FCB的设计分两种情况，一种是甩负荷至厂用电；当机组用电负荷突然跳闸，为了使机组仍能维持厂用电运行，既不停炉不停机， FCB使机、炉均维持在最小负荷。另一种是发电机、汽轮机跳闸，这时FCB使汽轮机快速甩负荷或停机。锅炉产生的蒸汽通过旁路系统输出，锅炉继续维持最小负荷运行，既停机不停炉。8负荷增/减闭锁 当发生煤输送管道或燃烧喷嘴堵塞，挡板卡死，执行机构、调节机构等设备工作异常的故障时，将会造成燃料量、空气量、给水量等运行参数的偏差增大。CCS设计了负荷增/减闭锁信号，对这些运行参数的偏差大小和方向进行监视如果出现故障，负荷增/减闭锁回路根据偏差的方向，将对实际负荷指令实施增或减方向的闭锁，以防止故障的危害进一步扩大，直至偏差回到规定限值内才解除闭锁。9负荷迫升/迫降对于负荷增/减闭锁所谈到的一类故障，除了采用负荷增/减闭锁措施外，CCS通常还采用迫升/迫降措施，当有关的运行参数偏差超过了允许值，同时有关的控制输出已达到极限位置，不再有调节余地。则迫升/迫降回路根据偏差的方向，将对实际负荷指令实施迫升/迫降，使偏差回到允许值范围之内，从而达到缩小故障危害的目的。 当发生迫升/迫降后，CCS将使负荷指令处于保持状态。10负荷保持/恢复CCS还设置了负荷的保持和恢复按钮，其作用是在各种控制方式下切换或发生负荷指令的迫升/迫降后，暂时维持切换前的负荷指令不变，待切换完毕后再进行控制。二、机、炉主控制器机、炉主控制器是协调控制系统的控制机构，机、炉主控制器的主要功能是根据机组的运行条件和要求，运行人员可选择协调、锅炉跟随、汽机跟随等控制方式，给出合理的控制方案提供机组全面的协调控制。机炉主控制器的设计从其控制结构出发有二种指导思想，一种是以反馈控制为基础的，适当加入一些前馈信号作为辅助调节以改善控制品质；另一种则从能量平衡的角度考虑前馈的控制，力争做到前馈补偿后，锅炉和汽机就能协调一致地达到所要求的负荷，反馈作用仅在此基础上起校正作用。这样机炉主控制器就有二种分类方法，一种以反馈回路分类一种以能量平衡分类。按反馈回路分类有以炉跟机为基础的控制方式和以机跟炉为基础的控制方式。以能量平衡分类有能量间接平衡控制方式和能量直接平衡的控制方式。主控制系统类型各异。主要反映在机炉主控制器上，因此，主控制系统或协调控制系统的类型是以机炉主控制器的控制方式而命名。下面对各类机炉主控制器进行原理介绍。（一）以炉跟机为基础的协调控制单元机组以炉跟机为基础的协调控制系统示意图如图13-7(a)所示。它是在炉跟机控制方式为基础加入一个非线性环节形成的。锅炉跟随控制方式的特点是机组能比较快地适应电网负荷的要求。但汽压波动大，为了限制汽压变化，增加了非线性元件。如果负荷要求增长的速率和幅度较大，可能引起汽压PT的变化幅值过大。当汽压偏差P0 PT死区组件的时，死区组件将发出限制汽机调节汽阀继续开大或回关的信号，以保证汽压PT 在允许的范围内变化。当汽压偏差不太大时，不去限制调节阀门开度mT的变化，以使NE 尽快响应N0。从以上分析可以看出，机组在共同保持汽压的过程中采用了炉跟机协调的控制动作，故称为炉跟机为基础协调控制。从汽压偏差对汽轮机调节阀门开度mT变化的限制可以看出，尽管可以减少汽压的较大波动，但同时也减慢了输出功率NE响应负荷要求指令N0的速度，实质上是以降低功率响应性能为代价来提高汽压控制的品质。因此协调的结果是功率和汽压两方面性能指标的折衷。图13-7（b)为又一种炉跟机为基础的协调控制系统的示意图，它是以炉跟机控制方式为基础将功率偏差信号N0NE并行地送入汽机控制器和锅炉控制器，加入非线性环节和前馈信号N0的比例微分作用形成的。 图 13-7 以炉跟机为基础的协调控制系统示意图+BTPT_+_NE+ N0锅炉控制器P0汽机控制器锅炉P0-PT汽机_(a)+BTPT_+_NE+ N0锅炉控制器P0汽机控制器锅炉P0-PT汽机_PD(b) 设“负荷要求” N0增大，功率偏差信号N0NE 并行地送入汽机控制器和锅炉控制器，汽机控制器迅速开大汽机调节汽阀，机前压力PT降低，锅炉放出蓄热，蒸汽流量增大，以暂时适应负荷要求增大的需要。由于锅炉对负荷变化的响应较汽机慢，采用负荷要求N0通过比例微分作用作为送往锅炉的前馈信号，以补偿锅炉的惯性和迟延。如果负荷要求增长的速率和幅度较大，可能引起汽压PT的变化幅值过大。当汽压偏差|P0PT|死区组件的时，死区组件将发出限制汽机调节汽阀继续开大或回关的信号，以保证汽压PT在允许范围内变化。汽压偏差信号P0PT同时送入锅炉控制器，加强对锅炉的调节作用，以补充由于汽压变化引起锅炉蓄热量变化所需附加的燃料量。调节结束时，达到NEN0，PTP0的平衡状态。 图13-7(b)所示系统的特点是能补偿锅炉的惯性和迟延，加强对锅炉的控制作用。 目前，以炉跟机为基础的协调控制系统得到广泛应用。 （二）以汽机跟随为基础的协调控制单元机组以机跟炉为基础的协调控制系统示意图如图13-8(a)所示，它是在机跟炉控制方式为基础加入一个非线性环节形成的。 汽机跟随控制方式的特点是适应电网负荷需求能力较差而汽压波动小，不能充分利用锅炉的蓄热量。为了提高适应电网负荷的能力，通过非线性元件将功率信号引入汽机控制回路。当负荷要求N0增大时，功率偏差信号N0NE 送入锅炉控制器。增大燃烧率。与此同时，通过非线性元件暂时降低主汽压力给定值，汽机控制器就发出开大汽机调节汽阀的指令，使输出功率NE 迅速增加。反之，当减负荷即N0NE 0时，增大汽压给定值，汽机控制器发出关小调节汽阀的指令，迅速减小输出功率NE 。非线性元件是一个双向限幅的比例器，它可以输出一个与N成比例的信号，暂时地改变PT的定值P0，从而使锅炉的蓄热得到利用，用以提高负荷适应性。当N0NE超过这个区域时，非线性环节的输出不再变化(水平段饱和区)，即汽压给定不再变化。看来这种PT定值的改变只限定在一定的范围内，以免汽压偏离给定值超过允许范围。增加一个限幅非线性元件的作用是限制起始控制过程中，功率变化DN对调节阀门开度mT的影响，以保证DP不会波动太大。从以上分析可以看出，在响应负荷要求指令时，机炉采取了共同的协调控制动作，故称为机跟炉为基础协调控制。 +图 13-8 以机跟炉为基础的协调控制系统示意图PD(b)_+BTPT_NE+ N0P0汽机控制器锅炉汽机(a)锅炉控制器PN0-NE_+BTPT_NE+ N0P0汽机控制器锅炉汽机锅炉控制器PN0-NE 由于负荷要求指令改变时，汽轮机侧配合锅炉侧的燃烧率mB 的改变同时改变调节阀门开度mT，暂时利用了锅炉的蓄热能力，所以功率响应速度加快，但同时汽压波动也因此加大，实质上是以降低汽压控制的品质为代价来提高功率响应的速度。因此协调的结果是功率和汽压两方面性能指标的折衷。为了补偿锅炉负荷响应的惯性和汽机调节汽阀开度变化对锅炉控制系统的影响，可采用图13-8(b)所示以机跟炉为基础的协调控制系统。它是以机跟炉控制方式为基础加入非线性环节和前馈信号N0的比例微分作用、机前压力PT 的微分作用形成的。 采用N0经比例微分(PD)作用后作为前馈信号，这样能提前和加强调节锅炉的燃烧率，改善锅炉负荷响应特性的惯性。当负荷要求N0不变时，如果由于某种扰动使汽机调节汽阀开度变化，机组实发功率NE随之变化。这个扰动将使锅炉控制系统动作，不利于机组稳定运行。为了减少汽机调节阀开度扰动对锅炉控制系统的干扰，在锅炉控制器入口加入PT的微分信号，用以补偿NE变化的影响。只要微分器参数KD、TD选择得合适，当汽机调节汽阀动作时，可使锅炉控制器入口NE PT0（PT为PT的微分信号），即不受调节汽阀动作的干扰。（三）按指令间接平衡的协调控制(DIB)按指令间接平衡的协调控制系统的示意图如图13-9（a)所示。从图中可以看出此系统是以锅炉跟随的控制方式工作的。锅炉侧是以(1d/dt) N0作为前馈信号，以(P0PT)作为反馈信号。锅炉侧的反馈回路中，由锅炉控制器前的乘法器引入N0信号，其目的是使其放大倍数与N0成正比改变，以补偿不同负荷下对象动态特性放大倍数的非线性特性。锅炉侧前馈信号的引入目的是促使燃烧量随负荷变化及早动作补偿锅炉的惰性。锅炉燃烧率指令NB为：式中 KP 锅炉控制器的比例增益 KI 锅炉控制器的积分增益稳态时，主汽压力PT等于给定值P0 ，锅炉的燃烧率指令等于负荷指令N0即 NBN0 可见锅炉控制中把负荷指令信号N0(1d/dt)作为前馈信号，其中微分作用在动态过程中加强燃烧率指令，以补偿机炉之间对负荷响应速度的差异，式(13-5)中汽压偏差信号和汽压偏差信号的积分有二个作用，其一，反映了使汽压恢复到给定值对锅炉蓄热量变化所需要的燃料量，其二，保证稳态时汽压等于汽压的给定值。图13-9(a)所示系统中汽机控制器入口信号的平衡关系如下： N0NB NB(P0PT)0 (13-6)可见，汽机控制回路实际是一个功率控制系统只有在汽压偏差为零时才有NBN0。在动态过程中采用两个方法防止调速汽门动态开得过大。第一个方法是引入压力偏差信号，作为负荷变化时的限制信号，限制汽机调速汽门动作的范围不能超过双向限幅器的限定值，即当汽压超过规定值时(10公斤厘米2)限制汽面调速汽门进一步开大。第二个方法是引入(P0PT)的反馈信号，其目的是根据汽压偏差变化的情况确定调速汽门的开度，限制调速汽门动态开得过大。XPddtIP0XPIAAN0NE锅炉 汽机+10kg/cm2-PTPT-10kg/cm2B图 13-9(a) 间接平衡的协调控制系统示意图_XPIP0DPIN0NE锅炉 汽机+-PTPT_B图 13-9(b) 间接平衡的协调控制系统示意图T- NE_+_ 图13-9(b)为按指令间接平衡的协调控制的另一种方案，从图中可以看出此系统是以汽机跟随的控制方式工作的。锅炉侧是以N0(1d/dt)作为前馈信号，形成对锅炉侧的前馈控制作用。其中比例作用使得燃烧率与负荷指令始终保持一致，微分作用用于补偿锅炉的动态迟延和惯性，加速锅炉的负荷响应。锅炉侧以功率偏差作为反馈信号，形成对锅炉侧的积分()反馈控制(积分增益同P0成正比。以适应不同负荷下的对象特性的改变，实现变参数控制) 用来校正燃烧率指令，以保证机组的功率偏差在稳定时为零。锅炉燃烧率根据汽压偏差而修正，例如，当PTP0时应使燃烧率适当增加以补足由于汽压偏低而使锅炉蓄能的减少。锅炉燃烧率指令为：在稳态时锅炉控制器保证NE = N0，若汽压偏差为零，那NB= N0。汽机侧以汽压偏差作为反馈信号，形成对汽机侧的PI反馈控制。功率偏差是前馈信号，用来修正压力给定值，当功率给定值 N0改变时，引起压力给定值的改变，控制器发出 汽机调节阀门的改变指令。这样能充分利用锅炉的蓄热能力提高机组负荷响应特性。 汽机侧的PI控制器可保证稳态时其输入端信号的代数和近似为零，即有 - K(N0 - NE) + (P0- PT) 0 (13-8)或 P0-PT K(N0 - NE) 可得 PT P0-KDN (13-9)当N0增加时, DN= N0 - NE立即增加，相当于暂时减小压力给定值P0-KDN。这时PI控制器立即增大调节阀门的开度，增大实发功率。另外，使汽压PT跟随定值而变，从而也就利用了机组蓄热能力。在一定范围内，K值反映了在一定功率偏差下可利用的蓄热量的大小。 在稳态时汽机侧控制器保证PT = P0 从图13-9()可以看出，负荷要求指令N0(功率给定值)作为前馈信号分别送到机、炉控制回路,使机炉同时改变负荷,以保证快速响应外界负荷要求。当燃料内扰使机前压力及实发功率都增加时，由于中间再热机组功率滞后较大，机前压力响应比实发功率灵敏。因此在汽机调节阀开大克服燃料内扰的同时，又产生对汽机的扰动。所以这种负荷控制系统 消除锅炉内扰能力较差。当汽机调节阀产生扰动时，机前压力与实发功率变化方向相反，控制回路能较快地消除扰动。 （四）按指令直接平衡的协调控制(DEB) 按指令直接平衡的协调控制系统示意图如图13-10所示。这种系统的一个主要特点是采用能量平衡信号P1PT取代功率给定信号NO，作为锅炉控制回路的前馈信号，其中P1为汽机第一级后的汽压，PT为机前压力，两者的比值P1PT与汽机调节阀开度成正比，无论什么原因引起的调节阀开度变化，P1PT都对调节阀开度的微小变化作出灵敏的反应。所以，无论在动态还是在静态，P1PT都反映了调节阀的开度，即汽机输入的能量。 在该系统中，功率偏差(N0- NE)送入汽机控制回路，机前压力PT与给定值的偏差作为锅炉的燃烧率指令，该系统属于以锅炉跟随为基础的协调控制。从图13-10可知，汽机控制器输入信号的平衡关系：DPP0DPIN0NE锅炉 汽机+P1PT_B图 13-10 直接平衡的协调控制系统示意图IIT_+式中 P1 汽机第一级后压力，此信号可以用P1PT 取代。 KP P调节器的比例系数 KI 积分通道的比例系数。该机侧设计两个反馈回路，即由P1作为反馈信号的内回路和以NE作为反馈信号的外回路。由于P1（P1PT )信号对汽机调节阀开度的响应比实发功率灵敏得多即响应快，故汽机调节阀能迅速而平稳地响应负荷指令的变化。上式中负荷指令的微分项可使汽机调节阀产生动态过开，能提高汽机的负荷适应性。而(N0-NE)的积分则用来校正功率偏差，使稳态时功率偏差为零。锅炉燃烧率指令的形成如下式： 可见，锅炉燃烧率指令的前馈信号不是式(13-7)那样的负荷指令N0，而是P1PT 的能量平衡信号。式中的微分项作用在动态过程中加强燃烧率指令，以补偿机炉间对负荷要求的响应速度的差异。由于要求动态补偿的能量不仅与负荷变化量成正比，而且还与负荷大小成正比，所以微分项要乘以P1/PT 值。差压的积分项保证稳态时，机前压力等于给定值。 能量平衡信号与功率给定值信号性质不同，后者仅表示电网对机组的负荷要求，前者反映了汽机对锅炉的能量要求。这就为机炉之间动态过程中协调两个控制回路的工作提供了一个比较直接的能量平衡信号，故称为直接能量平衡的协调控制。从锅炉内扰来看，当燃烧率自发增加时，机前压力PT和汽机调节级压力P1均增大，由于P1与NE相比对扰动的响应更快一些。因此汽机控制器由P1作为反馈的内回路动作，调整汽机调节阀开度变小，使P1复到负荷指令N0相适应的水平。与此同时，锅炉侧因负的压力偏差(P0PT)和由于P1恢复而使P1PT 减小的信号共同作用。减小燃烧率指令B，所以锅炉侧消除内扰的能力较强。 从汽轮机调节阀扰动来看，由于采用了P1作为汽机主控制器的反馈信号，则消除汽机调节阀自发扰动的能力是较强的。通过以上分析可以看出，采用炉跟机为基础的直接能量平衡的协调控制系统，能快速适应负荷要求和克服内扰，是各种负荷控制方式中较好的一种。 前面我们介绍了几种单元机组的协调控制系统，尽管形式各异，但有一些共同点：1 前面介绍的系统都为前馈反馈的协调控制系统，一般还带有非线性控制环节。前馈、反馈和非线性控制部分各自分担着不同的任务，其作用都是为实现机、炉的协调控制。 2前馈控制的作用是补偿机组的动态迟延和惯性，加快负荷响应，以及保持负荷指令与机、炉主控制指令之间满足一定的静态关系，在控制过程中起“粗调”作用； 3采用非线性控制环节可使汽压在规定的允许偏差范围内变化，以利用机组的蓄热能力，提高负荷响应速度。4协调控制系统的控制精度和克服内扰的能力主要靠反馈控制保证，反馈控制是协调控制的基础，在控制过程中起“细调”作用。综上所述，组成单元机组协调控制系统的基本方案有两个，其一是以锅炉跟随为基础的协调控制系统，在这类协调控制系统中，往往以P1PT (P1）这样的能量平衡信号作为锅炉控制中的前馈信号，以便在变工况下，协调机、炉之间的能量供求关系构成直接能量平衡的协调控制系统。其二是以汽机跟随为基础的协调控制系统，在这类系统中，往往负荷指令作为锅炉的前馈信号，以负荷指令来间接协调机、炉在能量需求方面的关系构成能量间接平衡的协调控制系统。第三节 600MW机组协调控制系统实例一、概述某600MW单元机组协调控制系统如图1311、图1312所示。从结构与工作原理上看，该系统是以锅炉跟随为基础的协调控制系统。该协调控制系统是由负荷管理控制中心(Load Management Control Center简写LMCC)和机炉主控制器及机炉子控制系统组成。该机组有二种运行方式，即定压运行和滑压运行方式，定压运行时有4种控制方式即协调控制方式、锅炉跟随控制方式、汽轮机跟随控制方式、基本控制方式；在滑压运行时有2种控制方式即锅炉跟随控制方式和协调控制方式。协调控制系统的控制方式选择可由运行人员操作按钮进行手动切换，也可以由逻辑控制电路自动进行切换。(一)协调控制系统的组成1.负荷管理控制中心(LMCC)负荷管理控制中心包括如下几个部分：(1)机组负荷指令的方式及处理根据机炉运行状态，选择机组可能接受的外部负荷指令(ADS及运行人员设定负荷指令、f调频指令等)，将机组的外部负荷指令处理成能够接收的机组负荷指令N0。(2)机组最大负荷/最小负荷限制运行人员可根据运行情况设置机组最大/最小负荷限制值。(3)负荷要求指令的增/减闭锁根据机组运行时产生的某些故障，对实际负荷指令实施增或减的方向的闭锁，以防止故障的危害进一步扩大。2.机炉主控制器机炉主控制器的主要任务是产生各种控制策略和控制方式的切换。控制策略是前馈控制、反馈控制、非线性元件以及多变量控制理论综合的应用。机炉主控制器主要有以下两部分组成(1)机炉正常运行情况下的负荷指令NB、NT的形成。(2)机炉的实际负荷指令NB、NT的形成。(二)协调控制系统的控制方式在单元机组协调控制系统的设计中为保证机组的安全运行，应设计多种控制方式，尤其是汽机侧或锅炉侧出现故障时，应能自动地无扰动切换成其它控制方式。不同的机组，控制方式有所不同，本机组设有以下几种运行方式和控制方式 。1.定压运行方式：单元机组定压运行时有4种机炉负荷控制方式。(1)基本控制方式当机组由于某些故障(如主燃料跳闸MFT)不能正常运行时，常采用此种控制方式。(2)锅炉跟随控制方式当锅炉侧主机和辅机运行正常，而汽机侧主机或辅机有某些不正常情况而使机组不能达到额定负荷运行时，常采用此种控制方式。(3)汽机跟随控制方式当机组汽轮机侧主机和辅机运行正常，而锅炉侧主机或辅机有某些不正常情况而使机组不能达到额定负荷运行时，常采用此种控制方式。(4)协调控制方式当单元机组锅炉侧和汽轮机侧主机和辅机均处于正常状态，且机、炉主控制器均投入自动的情况下，机组可采用协调控制方式。2.滑压运行方式单元机组滑压运行时有2种机炉负荷控制方式。(1) 锅炉跟随控制方式。(2) 协调控制方式。二、负荷管理控制中心单元机组的负荷控制受到两个方面的制约，一方面是电网的需求，另外一方面是机组本身的能力。反映电网需求的有运行人员的手动给定负荷信号(一般按电网规定的负荷曲线操作)频差信号以及来自中调的负荷需求。反映机组本身负荷能力的有机组运行参数和辅机状态。负荷管理控制中心用来综合这两方面的信息，产生一个机组能接受的实际负荷指令N0，完成机组与电网之间的协调。负荷管理控制中心功能框图如图1311所示，从图中可以看出，主要包括负荷指令的方式及处理部分，负荷要求指令的增/减闭锁部分，机组最大负荷/最小负荷限制部分 。频差信号fB最小负荷限制设定器BA速率限制器C锅炉实际负荷指令BAK + _H L1ADS运行人员ULD设定器三态信号发生器A变化率限制设定器0%T2A最大负荷限制设定器N0AA0%100%BAAT8T9 1.机组负荷指令的方式及处理(1)电网调度负荷指令、机组运行人员手动负荷指令、负荷要求指令跟踪锅炉实际负荷指令的切换。切换器T1有三个状态，即A、B、C，当选择T1的A端时，机组负荷将由ADS直接控制，即由ADS直接控制机组的负荷变化。当选择T1的B端时，由运行人员用手动改变负荷。负荷是由负荷设定器确定的，负荷设定器是一个三态信号发生器，它有三种状态，当将设定器切换在状态1时，则输出信号以一定的速率增加(也即要求负荷以一定的速率增加)，当设定器切换在状态3时，则输出信号以一定的速率减少(也即要求负荷以一定的速率减少)，切换至状态2时，则输出信号大小保持不变，即固定在某一负荷。由于运行人员对机组运行的情况比较了解，所以采用这种设定器增、减负荷时的速率能较好地确定。当切换器T1切到C时，这时负荷要求指令跟踪锅炉实际负荷指令，此时不管运行人员还是电网调度负荷指令ADS都无法改变机组负荷。选择切换器T1为A的条件是满足下述所有条件时运行人员按下“ADS负荷设定”方式按钮。a. 汽机不在“保持”状态；b. 没出现迫升、迫降、快速返回、快速切回指令；c. 当机组以锅炉跟随或汽机跟随或协调方式运行；d.有“允许ADS”信号，则切换器T1选通A，机组负荷可由ADS遥控改变。选择切换器T1为B的条件是满足下述所有条件：a. 汽机不在“保持”状态；b. 没出现迫升、迫降、快速返回、快速切回指令；c.以下任一条件满足；（a）ADS故障或出现“ADS关闭”；（b）机组以基本方式运行；（c）汽轮机或燃料主控非自动控制时；（d）出现快速返回或快速切回；（e）运行人员按下“运行人员手动指令”按钮；（f）非锅炉跟随、汽机跟随、协调控制方式；（g）迫升或迫降或快速切回或快速返回。选择切换器T1为C的条件是：a. 当机组出现快速切回、快速返回、迫升、迫降等信号；b.汽轮机在“保持”状态。以上任一条件满足切换器下将自动切换到C端，使得机组负荷要求指令跟踪锅炉实际负荷指令。综上所述，在机组运行过程中若出现快速返回，快速切回或迫升、迫降等信号，或汽轮机处于“保持”状态，则机组负荷要求指令被保持(即T1置C)。此时，运行人员和ADS指令都无法改变机组负荷。如果上述信号不出现，则按下“运行人员手动指令”按钮，运行人员即可改变机组负荷(T1置B)。在这种情况下，同时满足“允许ADS”和“机组在锅炉跟随、汽机跟随或协调方式”的条件，则当运行人员按下“ADS负荷设定”按钮时，T1置A即ADS遥控改变负荷。(2)变负荷速率的限制及调频机组的最大变负荷速率是要受到机组运行状况的限制，即不允许变负荷的速率过大。这里采用速率限制器来实现速率限制，速率限制器的最大速率限值是由运行人员根据机组状况手动设定的，当切换器T1送出的变负荷信号的变化速率小于允许的最大变化速率时，速率限制器的输出信号变化速率与输入信号的变化速率相同，当输入信号变化速率大于允许的最大变化速率时，输出信号将以允许的最大变化速率变化。机组是否参与电网调频是由切换器T2实现的。当机组满足条件a.机组在协调方式运行；b.汽轮机及燃料控制均为自动；c.没有发生快速返回、快速切断；d.功率信号可靠。这时运行人员按下“能够频率校正”按钮，切换器T2自动切换到A端，使机组可以参与电网调频，当机组满足下列条件之一a.机组在非锅炉跟随、汽轮机跟随、协调方式；b.机组在基本方式；c.汽轮机不在自动；d.燃料控制非自动；e.功率测量信号不可靠；f.运行人员按下“不能频率校正”。这时切换器T2自动切换到B端，使机组不能参与电网调频。2.机组最大负荷/最小负荷限制运行人员可根据机组运行情况，由最大/最小负荷设定器设置机组最大/最小的负荷值。最大/最小负荷限制值将分别通过小值选择器和大值选择器，起到限制机组最大负荷及最小负荷的作用。3.负荷要求指令的增/减闭锁在机组运行中产生某种故障时，使机组实际负荷的增减受到限制。例如输煤管道或喷燃器堵塞，风机挡板卡住、执行机构