D-E-B400直接能量平衡控制策略

1、D-E-B/400直接能量平衡控制策略来自能量控制中心发电功率控制发电机能量需求信号需求限制调节器节流压力控制过量空气校正放热量计算锅 炉汽轮机去燃料输入去空气输入D-E-B/400锅炉 汽轮机控制锅炉-汽轮机控制思想 - 23 - 总体概念D-E-B/400在正常运行时采用炉跟机的协调方式，而在故障时采用机跟炉的方式。正常运行时，发电功率的控制直接施加到汽机调速器，以获得最佳的功率响应。这种方案是通过采用一种独特的算法实现的。该算法产生一个正确的能量需求信号（Energy Demand Signal）来协调炉跟机的运行。能量需求信号通过计算汽机第一级压力与机前压力之比（P1/Pt）求得。这个

2、压力比体现了汽机控制阀的有效开度，而P1/Pt与节流压力设定值（Ps）的乘积则代表汽机的能量需求。在负荷变化期间，这个信号的动态补偿增加了改变锅炉储能所需的瞬态能量需求。总的能量需求被送到燃料和空气控制系统。P1/Pt 能对汽机阀门开度最微小的变化作出反应，不管这个变化是由调速器速度元件还是由负荷控制系统或是由手操引起的。与蒸汽信号不同的是压力比不受锅炉扰动的影响，压力比总是代表正确的汽机能量需求，而且在锅炉或燃料扰动时仍是一个稳定的前馈信号。燃料和空气量对公共的能量需求信号作出响应。测到的空气流量与需求相匹配，实际燃烧的燃料量（放热量）也同能量需求保持一致。由于测量到的燃料量和空气量与公共的

3、能量需求信号平衡，所以燃料空气比能得到有效的调节，燃料量与空气量相互保持平衡。不管在固定负荷还是变负荷运行时，对燃料空气比的控制总是连续的。由于燃料热值改变以及其它因素引起燃料量的变化，都可以由燃料控制器直接检测和校正，因此燃料空气比的控制是有效的。这使得过量空气与其它主要变量包括功率、机前压力和温度等一起保持稳定。D-E-B/400与常规控制策略相比，它在变负荷时响应得到改善，而在固定负荷时运行更稳定。由燃料控制器直接平衡能量需求与放热量（Heat Release）信号，稳定了机前压力。这种精确的能量平衡可以防止在负荷作斜坡变化时机前压力的超调，因而它能调整得比通常采用独立的压力控制器使机前

4、压力更快的恢复。在锅炉任一输入受到限制而不能跟随需求信号时，需求限制调节器（Demand Limit Regulator）通过向汽机和锅炉施加适当的校正作用，保持汽机和锅炉之间以及锅炉各输入之间的平衡。锅炉不能满足发电功率需求时，机前压力将出现过量偏差，这将通过对汽机适当控制得到校正。值得注意的是D-E-B/400系统与任何形式的发电功率控制相兼容，其中包括汽机手动调节。唯一需要的接口是在锅炉出力受限制的条件下，对汽机调速器进行监督调节。因此，D-E-B/400是一个对锅炉进行控制和对汽机进行监督的系统，它能在各种运行条件下保证安全运行。优点概述D-E-B/400是一种综合的、行之有效的控制策

5、略。它为电厂运行带来如下重要好处：1、 发电功率与负荷需求相匹配。2、 有效的燃料空气比控制。3、 稳定主要变量。4、 保安控制。D-E-B/400带来上述优点的主要因素概述如下：n 发电功率与负荷需求相匹配。在正常固定负荷运行、负荷需求变化以及燃料或锅炉扰动等各种情况下，通过应用一个独特的能量需求信号使锅炉和汽机协调运行。采用D-E-B/400，汽机调节器自由地使电功率输出与负荷需求匹配。n 有效的燃料空气比控制。这是因为无论在固定负荷还是变负荷需求变化和燃料扰动过程中，都是对炉膛中的实际放热量进行计算，并且直接让它与能量需求相匹配。n 稳定主要变量。D-E-B/400对主要变量电功率MW、

6、含氧量O2、机前压力以及蒸汽温度能稳定地控制，这是由于燃料控制器同时兼有燃料控制和机前压力控制两个功能，从而消除了通常采用独立的汽压控制器所产生的不稳定影响。主要变量的稳定也由于计算的是实际放热量，这使得供给能量的任何变化立即被校正。最后，由于燃料扰动会使基于蒸汽流量前馈的控制不稳定，而能量平衡协调信号则不受燃料扰动的影响，因而控制稳定。由于D-E-B/400使主要变量稳定，从而提高了电厂和设备的寿命。D-E-B/400用MAX来实现D-E-B/400可以由MAX分散控制系统精确而又方便地实现。MAX为D-E-B/400的控制思想提供了可靠-安全-有效的实施。MAX利用一个先进的操作员/工程师

7、站来强化对电厂的监督，该站提供由简单键盘功能进行选择的彩色图形和多变量的趋势。L&N公司开发了专门的算法以方便地实现其D-E-B/400。例如：能量需求、放热量以及需求限制调节器都分别由一种算法实现。D-E-B/400直接能量平衡控制策略P1PT÷×××SPd/dt节流压力设定值动态补偿能量需求燃料量需求空气量需求燃料 / 空气比能量需求信号能量平衡采用D-E-B/400时，能量平衡是通过直接控制输入炉膛的能量使之与能量需求信号相匹配而实现的。汽机的能量需要通过改变汽机控制阀的开度获得，所需的储能改变由动态补偿提供，送入锅炉的能量是通过对锅炉放热

8、量的连续计算确定的，直接能量平衡由燃料控制器维持。压力比汽机的能量需要由两个部分组成。第一部分是汽机第一级压力与节流阀入口压力（即节流压力）之比。这两个压力之比测定了节流阀的有效开度，在节流压力设定值为常数时，压力比正比于汽机需要的能量。压力比不受送入炉膛能量扰动的影响，因为当送入炉膛的能量变化时，节流压力和第一级压力测量值都与之成比例变化，因而它们的比值并不改变。与之相反，单单基于第一级压力的前馈信号（即汽机蒸汽流量）在燃烧侧扰动时是正反馈信号，它将使得燃烧朝着错误的方向改变，从而使机组控制趋向不稳定，使主要变量发生很大波动。基于P1 和Pt的能量平衡信号，使得在锅炉扰动的情况下控制稳定。例

9、如，如果由于锅炉供给能量的自发性减少而使得第一级压力降低，这时功率控制系统将开大汽机阀门，使之与机组输出设定值相适应。这将使得压力比增加，从而使锅炉输入能量相应增加。压力比前馈信号的使用使控制稳定，从而使主要被控制变量稳定。汽机能量需求的第二个部分是节流压力设定值。压力比乘以这个设定值提供了负荷与汽机阀门位置之间正确的增益值。汽机能量需求表示为：(P1 / Pt )* Ps 其中P1 为汽机第一级压力Pt 为实际机前压力PS 为节流压力设定值动态补偿锅炉储能随负荷增加而增加。如果当负荷改变时，燃料率除适应负荷改变外，再增加储能改变所需的量，则蒸发量将更加紧密地适应能量需求，而蒸汽压力将更加紧密

10、地趋近设定值。动态补偿提供了所需要的过燃（overfiring）。在定压运行时，动态补偿基于汽机能量需求的变化率。动态补偿使燃料率的改变量与锅炉储能的改变量相等。这个锅炉储能的改变量是由于蒸汽流量变化引起的。P1PT÷××SPd/dt能量需求算法能量需求能量需求信号能量需求信号基于压力比与机前压力设定值的乘积，再加上动态补偿以适应负荷改变所引起锅炉储能改变的需要。在稳态和动态过程中，能量需求均要求所需要的精确的能量输入。能量需求信号无论在稳定负荷或负荷变化过程中以及在燃料和锅炉扰动过程中均提供对锅炉和汽机的有效协调。能量需求信号的精确而又简单的构成在MAX分散控制

11、系统中，一个功能很强的算法库用于实现系统组态和精确实现锅炉控制策略。能量需求信号只用一个算法实现。D-E-B/400直接能量平衡控制策略P1PD×d/dt能量需求燃料量需求空气量需求燃料 / 空气比d/dt燃料控制第一级压力汽包压力放热量放热量算法放热量放热量计算输入能量必须同能量需求相匹配。有很多变量影响输入的能量，例如当燃煤时：n 燃煤的热值会发生变化。n 磨煤机的响应不恒定。n 炉膛中实际能量释放发生在输入燃料流量变化被观察到之后。油和天然气的流量测量仪表可以准确测量送入炉膛的燃料流量，然而仪表不能辨认在稳态或动态能量输送过程中惯性的变化。由于这些原因，Leeds &

12、Northrup采用了放热量计算。炉膛中放热量可以由两个测量值导出，其中一个测量值是输入汽机的能量，而另一个是储能的变化。这两个测量值的总和就是输入能量。汽机第一级压力与输入汽机的能量成正比，因此第一级压力的测量值为放热量中的稳态成分储能的变化可以由汽包压力变化率确定，当储能增加时汽包压力变化率为正值，降低时则相反。当储能稳定时汽包压力的变化率等于零。因此，放热量为：P1+ PD其中P1 为第一级压力 PD为汽包压力变化率L&N已经把基于放热量测量的控制方法应用于200多台锅炉-汽轮机机组上，这些机组使用各种形式的燃料，包括煤、油、天然气和废气。L&N放热量计算的优点：n 测量

13、所有燃烧的燃料量。n 能辨认和校正燃料质量的变化。n 在稳定负荷和在负荷变化过程中均能维持燃料-空气比。n 测量实际燃烧的燃料量而与燃料输送系统的响应无关。实现采用MAX分散控制系统，放热量计算可以方便地由一个控制算法实现。D-E-B/400直接能量平衡控制策略P1PT÷×SPd/dt节流压力设定值PDP1燃料控制节流压力汽机第一级压力能量需求 = 放热量汽包压力汽机第一级压力图1机前压力控制目标D-E-B/400控制思想目标是以一种反应迅速而又稳定的方式，使锅炉燃料输入与汽机能量需求相匹配，并且不会产生机前压力的超调或振荡。常规锅炉控制系统在持续的负荷变化下会出现超调和振

14、荡，这是因为机前压力控制器和燃料控制器是以串级控制的方式工作的。任何持续的节流压力偏差（在负荷变化过程中会出现）都会导致机前压力控制器输出饱和。D-E-B/400则能消除这个缺点，从而提高了整个电站控制的性能。能量需求=放热量P1*PS / PT = P1+ PDP1汽机第一级压力PD汽包压力变化率PT节流压力PS节流压力设定值图2能量平衡当机组装备了特别适合于经济调度控制的D-E-B/400控制系统后，机组的实际发电功率将紧密地与计划发电功率保持一致。放热量计算在全负荷范围内都是线性的。这使得装备D-E-B/400系统的机组更适于周期性运行和低负荷运行。由于放热量计算准确而且具有动态校正，因

15、此空气流量能够更准确地与燃料需求相匹配，易于实现恒定的过量空气。这就使得机组可以在较低的过量空气下运行，从而提高了锅炉热效率，并使蒸汽温度控制得到显著的改善。运行如图1所示，D-E-B/400使放热量计算值与能量需求相匹配。能量需求信号已在“能量需求信号”应用说明书中讨论。概括地说，能量需求可以表示为汽机第一级压力与机前压力之比与机前压力设定值的乘积。放热量计算已在“放热量计算”应用说明书中讨论。放热量计算是由汽机第一级压力（代表输入汽机的能量）加上汽包压力变化率（代表锅炉储能的改变）组成。能量平衡燃料控制器将汽机能量需求的计算与锅炉放热量计算值相比较。图2表示燃料控制器的功能。等号右边的放热

16、量计算同等号左边的能量需求信号相比较。如果机前压力低于它的设定值，则比值PS / PT将大于1。由于第一级压力P1 出现在方程式两边，因此只有获得汽包压力的正向变化率，方程式才能平衡。换句话说，要恢复机前压力必须过燃（即燃烧率过调）。注意只要过燃量使关系式平衡，即使存在机前压力偏差，控制器仍能保持平衡。当机前压力接近它的设定值时，过燃量即减少，这意味着该结构是自阻尼的。当机前压力等于设定值时，这时就不存在过燃，锅炉在没有超调、没有任何震荡（这里指压力和功率）的情况下稳定在设定值运行。D-E-B/400直接能量平衡控制策略空气流量放热量空气流量控制燃料控制燃料 / 空气比空气量需求燃料量需求节流

17、压力设定值d/dtSP×××÷PTP1过量空气校正过量空气校正送入炉膛的燃料不能完全燃尽就会降低锅炉的效率，然而过多的过量空气将增加烟气量和排烟损失，这也会使锅炉的效率降低。当蒸汽温度与设计值保持一致时，总体能量可以得到提高。为了达到最佳的蒸汽温度，需要频繁的设定过量空气的设定值，所以对应于最高效率的合适的过量空气量是许多因素的函数。一旦确定了希望的过量空气校正值，重要的问题就是要使得实际的过量空气量与需求值紧密地保持一致。由于放热量计算保证了对燃料精确的动态调节，因此能量需求信号可以作为空气流量的需求，过量空气校正加到这个能量需求信号上，这个校正将烟气

18、中的氧量或 一氧化碳含量维持在设定值。D-E-B/400独特的燃料输入测量方法保证对过量空气的“紧”控制，“紧”控制可以使得机组在接近理想的状态连续运行，这样就提高了机组的整体效率，即使在机组负荷变化过程中也是这样。最小空气流量国家防火协会(NFPA)要求最小的空气输入量为满负荷的25%。D-E-B/400能自动维持这个最低值，并保持过量空气校正的平衡和跟踪，这就保证了自衡无扰切换。当低于最小空气流量运行时，过量空气自动校正即被禁止。D-E-B/400直接能量平衡控制策略SP需求限制调节器（DLR）需求限制调节器去汽机调速器需求锅炉需求ffaaLHOROR 锅炉需求去汽机调速器faa能量限制调

19、节器×空气流量放热量空气流量控制燃料控制燃料 / 空气比空气量需求燃料量需求×节流压力设定值d/dt×÷PTP1需求限制调节器D-E-B/400通过需求限制调节器在异常情况下保持锅炉各输入流量以及锅炉和汽机之间的平衡，从而提高了设备的安全性和可靠性。这种附加的保护适合于应付诸如失去风机或其它影响输入必要的燃料和空气进入锅炉的能力的情况，这个保护是通过直接测量不平衡来实现的，而不是通过设备的限位开关或状态触点。在正常运行工况下，燃料和空气的输入流量与能量需求信号相平衡，从而它们之间相互平衡。在异常工况下，当被控设备受到限制时就不可能调节流量使它与需求平衡，

20、这时就必须调节需求使它与受限制的能量相匹配。在这种方式下，所有的流量都与限制的流量相平衡。当流量的大小和变化率由于某种原因而受限制或者由于辅机跳闸而失去时，这种保护是必不可少的。当任一流量偏差值达到允许的界限时，需求限制调节器（DLR）的输出就立即改变至与受限制的流量相匹配，使偏差限制在允许界限内。这个动作也去调节其它相关的流量使之与受限制的流量相平衡。可以用一个例子来说明这种平衡保护。假定由于某个风门挡板被卡住而使空气流量不能增加，当这个流量限制导致空气流量与燃料量偏差达到预先设定的允许界限时，需求限制调节器就去控制燃料量使之与受限制的空气流量相匹配。当发生了由于一台风机跳闸而使空气流量大量

21、减少这一个更严重的情况时，DLR将随着实际空气流量的减少而降低需求信号，使燃料流量降至与实际空气流量相适应，燃料流量减少的速率与空气流量减少的速率是相同的。在上述各种情况下，前面所讨论的仅限于在锅炉异常情况下多个锅炉输入流量之间的相互平衡。另一个最基本的要求是要在各种运行工况下，即无论是正常工况还是异常工况下，使锅炉与汽机保持平衡，以及当出现锅炉某个输入流量受到限制的异常工况时，DLR也能保持锅炉/汽机的平衡。在正常运行工况下，需求限制调节器对那里没有影响。然而当由于锅炉输入流量受限制而由DLR建立需求信号时，汽机将按照使能量需求信号等于由DLR建立的锅炉流量受限制的需求信号的要求运行。这样，

22、在正常运行工况下锅炉/汽机的平衡是通过对锅炉的调节维持的。而在异常工况下，即当锅炉流量受限制时，锅炉/汽机的平衡是通过调节汽机维持的。该系统的独到之处在于它不是依靠设备的限位开关或状态触点提供保护性限制和自动减负荷（run-back）动作，它对任何阻止燃料、空气或给水跟随相应的需求信号的限制提供保护。D-E-B/400直接能量平衡控制策略发电功率控制和汽机阀门的线性化图1“以前”-仅采用常规浮动的控制的发电功率响应50 100 150 200 250 300 350 MW起始9:23 AM停止10:15 AM起始10:42停止11:00保持3小时11分2:31PM开始下降3:24PM停止要点l

23、 优化汽机响应l 消除电功率超调l 补偿锅炉扰动l 维持按计划发电l 减少锅炉扰动l 提高系统稳定性问题大多数能量管理中心（Energy Management Center）通过向被控的汽机发出增加/减少脉冲信号改变负荷，这些脉冲信号发送到汽机参考负荷（转速变换器，同步器）马达，直到已观察到希望的发电功率变化。这种浮动控制方式具有多个缺点。首先，汽机阀门实际位移与负荷参考马达的位移是不一致的，它与死区、阀门工作和滞后等因素有关。因此发电功率的实际变化与给出的控制脉冲也不一致，而且无法预测。其次，当负荷参考马达移动后，要经过相当长的延迟，发电功率才达到最终稳态值。该延迟对于有中间再热器的机组则更

24、为显著。发电功率响应的延迟引起超调，从而可能把不稳定因素引入电网和锅炉控制。第三，在负荷变动时，当节流压力偏离设定值而后的恢复过程中，会造成发电功率的过校正。一个采用浮动控制方式的机组的典型发电功率响应如图1所示。这种不应有的动作降低机组的热功率，并使得按电力系统计划发电更为困难。建立发电功率需求汽机调速器的非线性影响可通过加入发电功率控制进行补偿，如图2所示。从能量管理中心来的加/减脉冲被累计后产生一个期望的发电功率值，它与由操作员调整的最高、最低负荷限值进行比较，然后再与设定的最大变化速率相比较。这些限值是为了保证发电功率的改变保持在机组及其辅机的变负荷能力范围之内。系统频率偏差是以与调速

25、器的不等率特性一致的方式引入，这个频率偏置能防止功率控制超弛正常调速器的作用，从而使得机组仍能按参考频率调节。在某些装置中，对最大变化率进行动态控制，使之与瞬态工况相匹配。例如蒸汽压力和温度的偏离可以施加一个预先选定的较慢的变化率直到偏离消除。此外，在某些装置中，操作员设定的限值可以通过远方终端单元（Remote Terminal）送到能量管理中心。125MW锅炉需求150MW最高负荷限制50MW最低负荷限制18MW/分125MW实际发电功率汽 机锅 炉增加减少发电功率需求信号系统频率从能量管理中心来的脉冲信号图2 发电功率需求信号的产生汽机阀门的线性化实际的发电功率通过常规的三功能控制器的作

26、用与发电功率需求相匹配。三功能控制器参数可以通过校准而与机组响应相匹配。需求信号作为一个很强的前馈信号以保证汽机阀门的快速响应。发电功率控制器输出作为第一级压力控制的设定值，第一级压力控制器根据需要移动汽机阀门以获得合适的过程反馈。汽机阀门的任何非线性都被克服了，汽机可直接改变到要求的负荷。这种控制有效地将汽机阀门组件变成如同一个简单的线性阀门。汽机阀门线性化的结果为图4所示，它是真实的现场测试数据，所测试的调速器就是图1中所用的那个。图4 “以后”- 与图1同一系统，但采用了L&N线性化控制后的发电功率响应50 100 150 200 250 300 MW起始9:55 AM11:07

27、开始下降11:47停止PIDTPI发电功率需求汽机跟踪方式汽机第一级压力机组发电功率去负荷参考马达的脉冲信号汽机阀门驱动器图3 汽机阀门线性化的实现图3 汽机阀门线性化的实现去负荷参考马达的脉冲信号机组发电功率汽机第一级压力汽机跟踪方式D-E-B/400直接能量平衡控制策略P1PT÷×SPd/dt节流压力设定值×燃料量需求空气量需求燃料 / 空气比燃料控制空气流量控制放热量空气流量×需求限制调节器aaf去汽机调速器锅炉需求d/dt负荷动态补偿PT变压运行图1 D-E-B/400控制储能管理（如图2）所示当机组在恒定的节流压力下运行时，负荷每变化1%，锅炉

28、的汽包压力必须改变3个PSI（磅寸2）（节流压力为2500PSI）。然而，当机组在变压方式运行时，负荷每改变1%，汽包压力必须改变40PSI，而且要求必须迅速达到，以使负荷需求斜坡改变，结束时不造成超调。一个有效的控制策略变压运行时的D-E-B/400控制策略如图1。节流压力的设定值根据负荷确定。操作员能够对斜率、最低限值和最高限值的设定值进行调整。一个增加的压力斜坡信号需要较大量的过热。对于一个下降的压力斜坡信号则相反。过燃量的大小取决于要求的压力变化率以及过程时间常数。需要对锅炉的能量输入进行适当的控制，以防止在压力斜坡改变时过度地超调，既要使得节流压力维持在要求的斜坡设定值，同时要提供适

29、当的功率响应是困难的。因此，如何组织控制系统使它能够避免在斜坡信号结束时压力超调，这一点很重要。D-E-B/400具有在变压和定压运行下优化动态补偿的能力。取消常规的节流压力调节器可以避免在斜坡结束时压力超调。节流压力由燃料控制器控制，该控制器能够使放热量始终直接与能量需求相匹配。流体和热量分布的管理根据未加控制的蒸汽温度在节流压力斜坡变化时的特性，单采用常规的反馈控制技术不能满足要求。在压力斜坡变化时，与之相关的未加控制的蒸汽温度如图3所示。要控制这个温度必须采用强的和合理选择的前馈信号。在起始段，过热会使得蒸汽温度上升，然而，当斜坡信号继续作用时，饱和蒸汽的潜热和焓值的减少将比过热的影响更

30、大，其结果使得蒸汽温度长时期降低。蒸汽温度前馈信号的效果D-E-B/400通过引入节流压力设定值变化率和汽包压力等主要前馈信号，改善了主蒸汽温度的控制。这些前馈控制信号及其对蒸汽控制的效果如图4所示。小结D-E-B/400为变压运行提供1. 锅炉与汽机的最佳协调2. 发电功率与能量需求的匹配3. 稳定节流压力控制4. 改善蒸汽温度控制 直接能量平衡法（DEB）协凋控制系统分析 中国电力科学研究院 李希武 摘要：从单元机组控制系统设计的基本方法和思路出发，介绍DEB协调控制系统的结构、基础概念和主要特性，通过系统的动态行为分析，阐述单向解耦、主蒸汽压力稳定性和负荷适应性的机理，认为DEB这一控制

31、策略是火电厂自动化的基础，对于保证机组稳定、可靠、安全经济运行，提高利用率和延长寿命都有很重要意义，经济效益明显。 关键问：协调控制；直接能量平衡；负荷要求；热量信号随着电网容量扩大和对电能质量要求的提高，对电力系统自动发电控制（AGC）的要求日益迫切。圆满解决AGC问题的基础在于单元机组负荷控制。单元制结构引入火电厂半个多世纪以来，其自动控制一直是关注的焦点。但最巧妙、最完满的解决方案是MCS公司（即前LN公司）发明的、闻名于世的直接能量平衡（DEB）协调控制系统。它于1957年由L&N首次提出，经20多年改进和完善，最终的DEB系统称DEB/400，于80年代初形成。现在DEB/5

32、00则把协调范围扩大到整个发电机组的异常工况和启仃工况。除满足电力系统发电控制需要外，更为了满足发电机组运行的可靠性、安全性、运行寿命和最佳化要求及环境保护要求。现在，为解决发电厂自动化问题，过程工程师们拥有2套强大的工具：第1套是实现自动化的物质手段，是硬件，即DCS；第2套是一种控制策略，是软件，即DEB。这2D技术是半个世纪以来，在火电厂自动化领域取得的最大成就，它们构成了当前火电厂自动化的基础。关于DCS的应用，几年来已有较多文章介绍并已普遍接受；关于DEB的认识，还远远未达到应有的高度。本义在这方面提供一些分析，抛砖引玉，以期对火电厂自动化发展起到一定的促进作用。1 单元机组协调控制

33、系统设计的基本思路保持运行参数稳定是保证发电机组运行安全性和经济性的基本措施，采用能量（物质）平衡方法是设计控制系统的主要途径，而其实现方案可以在保持两两平衡的基础上辅之以校正信号或渐衰信号。单元机组控制系统设计的困难，在于它是一个具有强烈交叉影响的双输入双输出系统，负荷和主蒸汽压力控制相互依赖、相互制约，很难达到双满意。古典控制理缺乏多变量系统综合的直接方法。解决问题的途径有2种基本思路：一是实现“汽轮机跟踪”或“锅炉跟踪”以达到能量平衡；二是采用补偿阵解耦的方法（前补偿阵或后补偿阵），变多变量系统为单变量系统，达到自治。仿真分析和应用研究表明，2种思路都是可行的，但也存在较大缺点。“锅炉跟

34、踪”系统的负荷适应性较好，但主蒸汽压力的稳定性无法保证；相反，“汽轮机跟踪”可保持主蒸汽压力稳定，但负荷适应性较差。采用前补偿器的系统，被调参数可保持得较稳定，但控制机构动作频繁、幅度较大；相反，后补偿器系统控制机构动作较稳定，但被调参数不一定能保持。所以最终方法是在上述2种思路的2种方案基础上增加辅助信号，实现控制作用的组合、协调或再采用某些极限限制措施，通称为协调控制，实质是一种折衷的解决方案。可以认为，这2种系统设计思路的方向是明确的、但缺乏确切的量化概念，具有较多的技巧成分和一定的主观随意性，系统的调试整定变成一种漫长的、不断摸索、改进的过程。随着现代控制理论的发展，人们尝试采用最佳控

35、制理论的方法。例如，一种带有观察器的、具有前馈、反馈信号的综合系统，一种具有动态补偿器的极点配置设计方造及其他一些最佳控制方法都被提出来，也获得了一定结果。但这种解决方案过于复杂，并不直观简捷，也不便于掌握应用，不是真正实用的解决方案。2 基础概念 虽然DEB这一名称和其所采用的方法仍是能量平衡，但这里所说的能量平衡具有更深刻的机理。它是建立在下述3个基本概念基础之上的。第一，P1/PT，汽轮机第1级汽压对主蒸汽压力之比作为调速器阀门开度的有效测量值。实验证明，这一比率在汽轮机运行范围内具有线性特性，而且由于这一测量值直接取自汽轮机工艺机理本身，而不是人为构成的阀位信号，不会受到阀门本身的非线

36、性和其他机械问题影响，也不会受锅炉侧的任何扰动或燃料系统存在问题的影响，因为在这种扰动下，第1级的汽压和主蒸汽压力变化是成比例的，比值不变。第二， PS·P1/PT，汽压比值乘以主蒸汽压力定值，表示汽轮机向锅炉索求能量的需求信号。这一信号建立了汽轮机负荷和调速门开度之间正确的比例关系，不受锅炉侧扰动影响、不论在恒定负荷或负荷改变时还是常压运行或滑压运行时，都是正确的，它为锅炉和汽轮机之间的协凋提供了一种有效手段。在DEB系统中，它用作燃料控制器的给定值。PI2DPI1BDQDQ=P1+ dPd / dt-+-PSNSNPTDT=P1 / PT图2 DEB协调控制系统动态方框图PI调节

37、器； D=d/dt-微分器；相应部分的动态环节第三，P1+dPd/dt，热量释放信号或简称热量信号，它用第1级汽压P1加上锅炉蓄能变化（用汽包压力Pd 的微分表示）来测量，间接代表了进入锅炉的燃料量（和相应风量）测量。不管燃用何种燃料，这种测量都是正确的，它可反映燃料数量的改变，同时也反映出燃料成份的改变，包括其发热量的改变。燃料输送系统的机械故障也可获得快速反映。正像能量需求信号必须免除锅炉扰动的影响一样，热量信号也必须免除汽轮机侧扰动的影响，以确切表述锅炉供应的能量。事实情况也正如此，汽门开大时，P1升高，汽包压力却在减少，两者正好平衡，热量信号不变，这表示汽轮机阀门的动作对热量信号没有影

38、响。PID/dtPIDPID×÷PIDD/dtSPSPMINMAXROC发电功率第一级汽压需求功率系统频率需求负荷第一级汽压主汽压力动态补偿频率偏置热量释放汽包压力空气流量PID第一级汽压脉冲LDO烟气含氧量汽轮机负荷给定值去燃料调节机构去送风调节机构图1 DEB协调控制系统原理图这3个概念的提出不单是丰富实际经验的总结升华，也是对过程机理深刻分析的理论创新。所谓“直接能量平衡”（DEB）正是指的锅炉“热量释放”应该和机组能量需求相平衡，即P1+dPd/dt = PS·P1/PT (1)这一公式是DEB协调控制系统的核心内容和设计基础。LN公司最终推荐的DEB协调

39、控制系统示于图l，称为DEB/400。正像该图所示的那样，汽轮机负荷控制系统和送风控制系统两者都采用了串级结构，包括粗调控制层和细调校正层2级。至于燃料控制系统，除具有式(1)表述的基本内容外，还有2个特点：第一，它没有引入PT这一细调控制校正信号，对此在下面的分析中再作说明；第二，系统中增加了一个“能量需求”的微分信号，它是作为“动态补偿”用的。负荷增加时，锅炉蓄能也将增大，所以必须加强燃烧，满足这种蓄能变化需要。此外，在DEB/400中还有一负荷限值调节器（DLR），在图上未表示，它在机组处于异常工况时对关键控制回路进行协调以保证运行的安全性。3 动态行为分析单元机组和其DEB控制系统的连

40、接用图2所示的动态结构框图表示。机理分析和试验研究表明，单元机组的工艺流程可分解为燃料输送、燃烧和传热过程，锅炉汽包，过热器和管道的蓄热过程及再热器蓄热过程等环节。锅炉释热量或热量信号DQ以往常用 D+Pd/dt表示，D的测量具有平方关系，且还有参数校正问题。在DEB系统中，它用P1+dPd/dt测量，P1的变化与负荷成正比，可相当正确地代表负荷量。为获得数量概念，现把望亭发电厂燃油直流锅炉300MW单元机组动态特性试验数据拟合的传递函数列举如下： dDQ/dB = k1/(1+20S)； dPT /dDQ = k2/(1+100S)； dPT/d=-k3(1+20S)/(1+100S)； d

41、DT/dDQ=1/(1+100S)； dDT/d= k5100S/(1+100S)； dN/dDT =k6(1+3.4S)/(1+100S)； dDQ/d=0环节中均有一个时间常数为100S，汽包锅炉蓄热容量较大，这一时间常数可能达到130S，甚至150S。对于燃煤锅炉，环节中可能会含有25S。的煤量输送延迟。第一，从形式上看，燃料控制系统的控制对象是锅炉热负荷，不是主蒸汽压力PT，系统中也无单独存在的PT信号，但实质上，这一控制回路是为控制PT服务的，能最终保持PT恒定。该控制器的任务是保证式（l）成立，由此PS·P1/PT-(P1+dPd/dt)=0，在稳态下，dPd/dt=0，

42、故PS·P1/PT= P1/PT(PS-PT)=0即PT=PS 。而且PT的偏差信号还乘了一个与负荷成正比的系数P1/PT，这表示控制作用将与负荷成正比变化，这有利于PT控制的进一步稳定。第二，框图中环节特性表明燃料控制B和汽轮机阀门控制同时对负荷N和PT都有强烈的作用，即相互间有强烈的交叉影响。但在DEB的燃料控制回路中没有引入PT信号，而对DQ信号却毫无影响。这表明对燃料控制回路不产生任何作用，从而实现了单向解耦，更进一步，这一单向解耦把一个具有双输入双输出的多变量系统化解为一个以燃料控制器为内环，以负荷控制器为外环的双回路串级系统，这一化解对实际工作具有重要意义，使得DEB系统

43、的整定变得非常简单、明确、快捷。常现单变量系统的方法可继续采用，对DEB系统，它包括下列4个步骤：第1步，调整热量信号P1+dPd/dt，方法是调整两者的关系，使在汽轮机阀门扰动下，该信号动态为0；第2步，整定内环；第3步，调整微分信号d(PS·P1/PT)/dt，使PT的动态偏差尽可能小，而燃料的过调又仍未超出设备条件所允许的范围；第4步，整定外环，外环的等效控制对象包括在图2虚线之内的部分，可看成一阶非周期环节。无论内环或外环的等效控制对象都相当于一个快速反映的一阶非周期环节，而信号d(PS·P1/PT)/dt则不包含在燃料控制系统的闭合回路之内，所以系统的调整、整定将

44、是直观、方便的，不存在任何困难。 第三，单元机组的协调控制系统的主汽压稳定性和负荷适应性这一对最基本、最主要的矛盾在DEB系统获得取完满的解决。 主蒸汽压力的稳定性是依赖于燃料控制器这一快速反映的回路得到保证的。它的控制过程很短，早早就可结束，这时主蒸汽压力的变化过程还远远没有结束，但负荷达到平衡，大局已定，完全可以不必再去操心主蒸汽压力，任凭它自然地、缓缓地恢复，最后达到给定值。锅炉蓄热过程（时间参数达到 100S或更长）就像一个强大的高频、滤波器，对PT的变化起一个平滑作用。当燃料系统侧有任何扰动时，不等PT发生变化，燃料控制器就自动地、及时将它们消除，这就是主蒸汽压力稳定机理。汽轮机阀门

45、跳跃变化会直接导致主蒸汽压力的微小跳跃变化，这一客观存在的特性，任何控制器都来不及去克服，所以在实际运行中，要求负荷增减只能按一定速率变化，不允许跳跃改变。至于负荷适应性的提高，除得到快速反映的燃料系统保证外，还有赖于下述2个动态环节的作用，一个是在方框图中环节所代表的锅炉蓄热的利用；另一个就是要求负荷PS·P1/PT的微分信号所引发的锅炉强化燃烧，而且这一微分信号的整定参数可视主蒸汽压力控制的需要和锅炉燃烧条件允许范围按意愿选择。可以说，以上3点DEB系统构思的独到之处，都是在实施式(1)这一控制策略后所产生的效果，式(1)是DEB系统的核心。4 功能扩展 DEB系统把内在联系非常

46、紧密的汽轮机负荷需求和锅炉热量释放两者在概念上进行了清晰区分，在实施上又非常巧妙地找到了测量这2个量的具体方法，两者之间没有相互干扰影响。有负荷改变要求时，通过这2个信号的传递，把汽轮机负荷要求迅速反映到锅炉；没有负荷改变要求时，各自的内扰由各控制器自行消除达到自治，系统工作平衡。 锅炉和汽轮机间的能量平衡是单元机组一切平衡的基础，主蒸汽压力稳定是机组一切关键参数（包括主蒸汽温度、汽包水位、烟气含氧量等）稳定的基础。大局平衡、稳定是单元机组运行的核心问题和主要矛盾。DEB系统解决了单元机组运行这一主要矛盾，所以它是单元机组自动化的基础。运行和参数稳定了，机组运行的可靠性和经济性都可大大提高。D

47、EB系统不但保证正常运行范围内的协调，而且还通过DLR保证异常工况下的协调。必要时可根据自身条件控制负荷增减，以保持各种条件下的平衡，包括运行方式改变、辅机撤出运行的负荷限制、甩负荷等，毋需运行人员干预，实现无扰自动切换。 DEB/500则更进一步把锅炉汽轮机的协调整合为全厂范围的控制策略，除以上介绍的内容外，还包括以下3个主要方面；（l）电厂评估监视，提供设备“健康水平在线校核”及运行性能评估；（2）过程限制协调，计算暂态过程最高和最低负荷限值，负荷变化最大允许速率限值，实时计算设备的可用率；（3）电厂启停自动化协调，提供用于电厂主要辅机启动和停机的、具有专家水平的运行经验指导，包括风机、水

48、泵、磨煤机和小汽轮机等。基于以上分析和归纳可看出，DEB系统已从单纯作为负荷和主蒸汽压力控制协调的基础上扩展到整个运行范围，从正常运行工况到异常运行工况及启停工况，以保持机组健康水平和优化运行，提高机组可用率和延长运行寿命。5 经济效益估计 DEB系统的实现将从下列几方面带来经济效益，即提高机组效率，降低燃料费用；提高机组可用率；提高负荷适应性；延长设备寿命；降低运行费用。 MCS公司提供的经济分析表明：一台周期启停运行的500NW单元机组采用DEB系统改进控制后，每年运行费用的节省可达80150万美元。现对国产300MW机组的运行情况进行类似分析，从下列3方面着手进行：(1) 关键参数稳定和

49、风煤比的有效控制。以望亭电厂14号机组（300MW）获得的数据作为例子。热耗计算的经验公式为：HR2,185+49,847/Nkcal/(kw·h)假定负荷因子为80%，其热耗或煤耗将为：HR2,18549,847/(300x0.8) 2,392.7341.8l g(kw·h） 降低过热汽温和再热汽温的控制误差各5，提高允许的运行温度各5时，对机组热耗的改善分别为0.103和0.107%。降低主蒸汽压力控制误差，提高其定值1kg/cm2。可改善机组热耗约0.0467。在符合环保要求条件下，降低烟气含氧量1%，可改善机组热耗约0.215。4项合在一起的热耗降低为0.472，由

50、此可计算出每年标准煤的节省约为3,391.2 t，按市价标准煤的价格可估计为500元/ t，由此每年燃料费的节省大约为170万元。(2)降低事故停机时间，提高机组可用率。设每年累计多运行1d，即每年累计多发电量720万kw·h，按电价0.40元/(kw·h）计算，则每年增发电量的经济效益为288万元。(3)降低在负荷急剧变化下暂态过程的热应力，以保护设备，延长运行寿命。一台300MW发电机组的造价假定15亿元，设计寿命为30a，延长寿命1a相当于减少设备消耗的经济效益为5,000万元。按30a平均，每年设备费的节省约167万元。从以上3方面衡量，DEB协调控制系统采用后，一

51、台300MW机组年经济效益约为625万元。6 结束语DEB协调控制系统是通过对单元机组运行机理的深刻分析。在丰富的实践经验基础上总结提出的一种综合控制策略，解决了机组运行大局和平衡大局稳定问题，既保证了主蒸汽压力稳定，又大大提高了机组负荷快速跟踪的适应性，是单元机组实现自动化的基础和核心内容。而且，从保证机炉能量平衡协调运行开始，扩展到全部关键控制回路的协调，从正常运行工况扩展到异常运行工况和启停工况的协凋。这一协调控制策略符合单元机组运行的自然规律，对于保持设备健康水平，延长寿命和保持最佳运行工况，提高经济性都十分有利，经济效益明显。参考文献：1 李希武单元机组协调控制系统的分析与综合R保

52、定：华北电力学院19832 H C GeryThe Evolution of Coordinated ControlCISA Symposium on Instrumentation in the Power Industry， 19883 郑 旭，曹在基DEB协调控制系统JI动力工程19894 LI XiwuSynthesis of Multivariable Control System for Boiler Turbine UnitCInternational Conference on Power System Technology19915 李希武火电厂自动化的现状及其发展C中国自动

53、化学会成立三十周年暨第三届学术年会1991大型火电机组协调控制策略及RB功能实用化研究安徽省电力试验研究所 陈胜利摘要：本文阐述了 DEB400协调控制策略的基本原理与特点；介绍了铜陵电厂在该策略下的 RB功能试验，并结合试验对RB功能的实用化进行探讨。关键词：DEB/400 协调控制 RB 实用化1 前言 现代电网对大型火电机组可靠地投入AGC运行以参与调峰稳定电网运行的要求日益提高，这就要求各火电机组协调控制系统具有快速且稳定的负荷响应，并且具有较灵活的运行方式。而锅炉一汽轮机单元机组是一个相互耦合的多变量控制对象，锅炉、汽机的动态特性相差很大。协调控制系统就是将其作为一个整体进行控制，共

54、同参与负荷控制、维持机前压力稳定；并且当机组在运行过程中出现故障（即主、辅机或子回路控制受到限制）的异常情况下，协调控制系统应自动联锁切换运行方式，将其“按需要控制”变成“按可能控制”。2 DEB/400协调控制 DEB/400协调控制系统在机组正常运行时实质上是以炉跟机为基础的协调控制系统，而在机组故障时采用机跟炉方式。正常运行时，由汽机控制机组功率，这样可提高负荷的响应速率，而锅炉侧则采用“汽机所需能量信号”及采用独特的前馈控制技术处理后的复合信号作为锅炉指令（BD）去控制燃料、送风、引风及给水系统。 DEB400采用独特的算法模块NRGD产生能量需求信号EDS（Energy Demand Signal）来协调炉跟机的运行。 EDSP1/ PT·PSl+KD1TD1 S·(P1/PT·PS )+ KDTD S·PS P1 / PT 体现了汽机阀门的有效开度，能对汽机阀门开度最微小的变化作出反应，不论这个变化是由负荷自动控制系统调节还是由手操引起的，其不受锅炉内扰影响。在负荷变化期间，EDS中的动态补偿增加了改变锅炉蓄能所需的瞬态能量需求，DEB/400采用燃料控制