单元机组的协调控制

1、 火电厂单元机组的协调控制系统浅析（东南大学 南京 211189）摘 要： 本文介绍了火力发电机组由母管制运行到协调控制系统的发展，单元机组协调控制系统的基本组成部分，以及锅炉跟随，汽轮机跟随，机炉协调三种负荷控制方式。关键词： 协调控制系统的发展；协调控制系统的组成部分；控制方式CCS of Unit Aircrew in Coal-fired Power Plants (SEU, Nanjing, 211198)Abstract: This paper introduced the development from mother tube to CCS, the parts of CCS,

2、 and the three kinds of control modes of BF, TF, and CCS.key words: the development of CCS; the parts of CCS; control modes 在单元机组的运行过程中，引起被调量（如主蒸汽压力、温度）变化的原因是各种扰动，而控制系统的任务则是要克服扰动对被调量的影响，使被调量始终保持在生产过程允许或希望的范围内。机组运行过程中经常出现的最主要得扰动之一是外界电负荷的变化。当电网负荷发生变化时，就需要调整电网中运行的发电机组的负荷，即相应地改变气轮机进气量，以调整汽轮机的输出功率，或相应地改变

3、锅炉以及给水流量，以调整锅炉的负荷。1. 单元机组协调控制系统的发展如何保证在维持机组稳定运行的条件下，尽可能快速地响应负荷的需求，始终是单元机组负荷控制的中心问题。在锅炉和汽轮机以母管制方式运行时，当某台机组的负荷需求改变时，由汽轮机调节系统改变调节汽门的开度，以适应负荷需要，而由各台并列运行锅炉保证母管汽压。在这种情况下，汽轮机负荷变化初期完全依靠改变锅炉的蓄能，而不是改变燃烧率与给水量。因此，当汽轮机调节汽门工作时，随着输出功率的变化，虽然母管汽压也同时改变，但由于并列运行锅炉贮备能量相对较大，所以汽压变化较小。这就允许汽轮机和锅炉在负荷变化时相对独立地进行调节。随着国民经济的发展和电力

4、工业技术的进步，为了提高机组运行的经济性，高参数、大容量的单元火力发电机组在电网中所占的比例越来越大，母管制运行的机组几乎淘汰了。同时，电网因用电结构变化，负荷峰谷逐步加大。因此，要求提高现代化大型单元机组带变动负荷能力，以迅速满足电网负荷的负荷要求。在单元机组运行过程中，锅炉和汽轮机发电机组共同适应外部电荷需要，也要共同保证内部参数，特别是主蒸汽压力的稳定。单元机组的输出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；而主蒸汽压力则反映了机组内部锅炉与汽轮发电机之间能量供求平衡关系。只有锅炉燃烧产生的热能与进入汽轮机的蒸汽带走的热能相平衡，主汽压力才能稳定。因此，就单元机组

5、的负荷控制而言，锅炉和汽轮发电机是一个不可分割的整体，是一个联合的被控对象。但是，锅炉和汽轮发电机在响应外界负荷时的动态特性存在很大的差异。在单元机组内部，锅炉和汽轮机是相对独立的对象，它们有各自的调节机构。从控制负荷的角度看，它们的动态特性很不一样。锅炉的动态特性从燃烧率的改变到锅炉出口压力的改变，惯性很大；而汽轮发电机组的动态特性从蒸汽流量的改变到输出功率的改变，惯性相对较小。即汽轮发电机响应快而锅炉负荷响应慢。所以单元机组内外两个能量供求平衡关系互相制约，机组外部负荷需求的适应性和机组内部运行参数稳定性之间存在固有矛盾。反映在控制特性上，就是单元机组控制对象的两个被调量机组输出功率和主蒸

6、汽压力的控制之间存在矛盾。根据这一特点，单元机组在实施负荷控制时，必须很好地协调机、炉两侧的动作，合理地维持好内外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。具体来说，就是对内保证主蒸汽压力偏差在允许范围内，对外使单元机组有尽可能快的功率响应和一定的调频能力。当然，主蒸汽压力的相对稳定是机组稳定运行的标志。机组只有运行稳定，才能有效控制负荷。所以，要保证主蒸汽压力偏差在允许范围内的前提下，使机组的输出功率尽快适应电网负荷变化的需要，这就是单元机组负荷控制的任务。所谓“协调”，就是要协调机组内、外能量平衡，以及压力控制与功率矛盾的矛盾，以期得到满意的控制过程。2. 单元机

7、组协调控制系统的基本组成与DEH的设定值形成的回路类似，在图4-3中，负荷指令P0不能直接引用外界负荷需求，P0的确定还必须考虑机组实际可能出力大小。同时，机炉主控制器输出的PB与PT如何改变成燃烧率、给水流量和汽轮机调节冷门开度得变化，还必须有子系统与之配套，所以，单元机组实际使用的负荷控制系统（又称主控系统）要比图4-3所描述的基本系统复杂得多。单元机组负荷控制系统的组成框图如图4-4所示，它由负荷管理控制中心和机炉负荷控制系统两大部分组成，机炉负荷控制部分又由机炉主控制器和锅炉、汽轮机子系统组成。一般把机组负荷管理控制中心和机炉主控制器合起来称为协调控制级，称为CCS系统，而把锅炉、汽轮

8、机子控制系统称为基础控制级。但习惯上也把协调控制级和基础控制级称为CCS。由于这些系统输出的控制指令都是模拟信号，所以也称为模拟控制系统，简称MCS。机组负荷管理控制中心（LMCC）又称机组负荷指令处理装置，其主要作用是：根据机组运行状态，对机组的外部需求指令PD（称为目标负荷指令），如电网中心调度的负荷调度（ADS）指令或者运行人员设定的负荷指令进行选择和处理，形成机组主/辅设备负荷能力和安全运行所能接受的机组实际负荷指令P0，作为机炉主控制器的机组功率给定值信号。当机组参加电网一次调频时，该功率给定值信号还需经过电网频差修正。所以，负荷控制中心是用来协调机组内、外矛盾，也就是协调供与求的矛

9、盾。机炉主控制器的主要作用是：接受机组实际负荷指令P0、机组实际功率PE、主蒸汽压力给定值信号P0和实际主蒸汽压力PT等信号。根据机组运行条件及要求，选择合适的负荷控制方式；根据机组的功率偏差P（P0PE）和主蒸汽压力偏差p(p0pT)进行控制运算，产生锅炉主控负荷指令PB和汽轮机主控负荷指令PT，作为机炉协调控制动作的指挥信号，分别送往锅炉和汽轮机子控制系统。可见，机炉主控器协调的是机和炉的内部矛盾。锅炉、汽轮机的子控制系统，就是在前面已经介绍过的基础级控制系统。锅炉的子控制系统包括：燃料量控制系统、送风量控制系统、炉膛压力控制系统、一次风压控制系统、二次风量控制系统、过热汽温控制系统、再热

10、汽温控制系统、给水控制系统等。汽轮机子系统包括汽轮机数字电液调节系统DEH、除氧器水位和压力控制系统、凝气器水位控制系统、发电机氢气冷却控制系统、给水泵的密封水压差压和再循环流量控制系统等。负荷管理控制中心和机炉主控制器是机组的协调级，是机组负荷控制系统的核心，决定着机组变负荷的数量和变化速度，故直接将其称为协调控制系统；机炉子控制系统直接与控制对象相联系，执行协调级的指令，使燃烧量、送风量、给水量、蒸汽流量等与负荷控制指令相适应，实现负荷控制的任务。因此，协调级和子系统的控制质量都直接影响机组负荷控制的品质，只有保证在都具备较高控制质量的前提下，才可能有较高的负荷控制质量，完成机组负荷控制任

11、务。3. 单元机组高级的控制方式单元机组高级的控制方式有三种，分别是锅炉跟随的负荷控制方式、汽轮机跟随的负荷控制方式和机炉协调的负荷控制方式，其中第三种方式较前两种方式适用范围更为广泛。下面分别就三种方式进行说明。3.1 锅炉跟随的负荷控制方式锅炉跟随的负荷控制方式(Boiler Follow Mode),简称BF方式，这种方式是由锅炉控制主汽压力，由汽轮机来控制机组负荷。由于机组的发电量要与负载功率相适应，当负载需求功率变化时，机组出力必须与之相协调。以增加为例，功率偏差信号为正值，功率调节器受到该信号，处理后发出信号来开大汽轮机调节汽门，加大进汽量来增加汽轮机输出功。此时主汽压力下降，压力

12、偏差信号为正值，主汽压调节器变发出信号开大燃烧率调节机构，增加锅炉供气量，开增加主汽压力。这种方式由于锅炉的热惯性大，汽轮机的时间常数小，所以其虽然能在扰动初期较快的适应负荷，但其主汽压力变化较大，造成机组运行不稳定。使用情况： a.当单元机组中的锅炉设备正常运行，机组的输出功率受到汽轮机限制时。b.承担变功负荷的机组，锅炉蓄热能力较大时。3.2 汽轮机跟随的负荷控制方式汽轮机跟随的负荷控制方式(Turbine Follow Mode),简称TF方式，这种方式由汽轮机控制主汽压力，由锅炉控制机组负荷。该方式同样以增加为例说明：当增加，功率偏差信号为正值，功率调节器输出信号使燃烧率调节机构开大，

13、这样锅炉功率增加，主汽压力增大，为了维持主汽压力不变，主汽压调节器输出指令开大汽轮机调节汽门，增大汽轮机进汽量，使汽轮机输出功增加，发电功率增加与相适应。该方式的主汽压力变化较小，对锅炉的稳定有利，但是由于锅炉燃料量输送及传热过程有较大滞后，使得机组输出功率响应有较大滞后，调频能力差。适用情况：a.承担基本负荷的单元机组。b.当新机组刚刚投入运行，经验还不足时，采用这种方式可使机组运行比较稳定。c.当单元机组中汽轮机运行正常，机组输出功率受到锅炉限制时。3.3 机炉协调的负荷控制方式工作者们把上述两种方式结合起来，取长补短，设计出了机炉协调的负荷控制方式(Coordinated Control System),简称 CCS。当外界要求机组增加出力时增加，功率偏差信号为正值，汽门开大，同时锅炉功率增加，这样，所引起的压力变化比主汽压力下降后在增大锅炉功率（BF方式）所引起的压力变化小得多。当汽门开大，立刻会引起的下降，锅炉虽然已经加料，但反应有一定延迟，因此还是会出现正的压力偏差信号，该信号正向作用