协调控制系统讲义

协调限制系统

第一章概述

1.1、单元机组协调限制的任务和要求

单元机组协调限制的任务有三项：（1）保证机组输出功率快速满意电网的要

求；（2）快速协调锅炉、汽轮机之间的能量供求关系，使输入机组的热能尽快及

机组的输出功率相适应；（3）在各种运行工况下，确保机组平平稳定运行。

随着电力工业自动化水平的提高，发电自动限制（AGC）对单元机组协调限制

系统的限制品质提出了越来越高的要求、这些要求主要包括：大范围的负荷变动，

良好的负荷静态、动态跟踪性能、稳定性能等。

1）负荷范围

志向状况下，我们希望能够在整个机组的负荷范围内进行全程限制，但是有

许多实际因素限制了机组协调限制系统和AGC的投运范围，例如燃烧制粉系统在

大范围变更负荷时，需运行人员手动干预。对于直吹式制粉系统，涉及磨煤机组

切、投的操作；对于中间储仓式制粉系统，须要给粉机切、投和相关风门的操作；

当锅炉负荷低于确定值后，为稳定锅炉的燃烧，则须要投油助燃（即锅炉最低稳

燃负荷），依据各厂锅炉的实际状况，CCS及AGC的正常负荷调整范围一般在60%

额定负荷以上。

2）负荷指令的变更幅度和变更速率

锅炉是一个具有很大热惯性的大拖延对象，从变更锅炉燃烧率指令到其负荷

发生变更的动态调整过程周期较长，因此须要对机组负荷变更的幅度和变更的速

率有所限制⑼，一般负荷变更的幅度应保证在10%~15%额定负荷以上。而且

负荷调整的时间间隔也要大于锅炉主要参数的动态调整过程周期。对于负荷变更

的速率及机组的类型有很大的关系，一般应为l%MCR/min~3%MCR/min。

3）动静态指标

目前我国电网调度系统对负荷限制系统的限制指标尚没有严格的要求，为保

证电网的平安、稳定运行，规定在10%〜15/MCR的负荷变动工况下：

——负荷响应速率21.5%MCR/min；

——负荷响应滞后时间W15s；

——负荷动态偏差W3%MCR；

——负荷静态偏差W1.5%MCR；

——主蒸汽压力动态偏差W0.6MPa；

——主蒸汽压力静态偏差＜0.3Mpa

1.2协调限制系统的探讨现状

单元机组协调限制系统可按反馈和前馈回路进行不同的分类：按反馈回路可

分为以汽机跟随为基础的协调限制系统和以锅炉跟随为基础的协调限制系统；按

前馈回路可分为能量干脆平衡的协调限制系统和指令信号间接平衡的协调限制系

统。随着电力工•业的发展，电网中大容量的单元机组的数量增加，国内外对整个

单元机组的自动限制系统的探讨也达到了一个新的阶段，

1.2.1干脆能量平衡的广泛应用（DEB）

火力发电厂通过锅炉的燃烧把储存在煤或油中的化学能转换成蒸汽的热力势

能；汽轮机将蒸汽的热力势能转变为旋转机械能，汽轮机带动发电机，将机械能

转换成电能，最终将电能输送给用户。我们可以看出整个生产过程是一系列的能

量转换及平衡的过程。我们知道，整个电网中全部的机组的发电量要及电网中的

负荷随时保持平衡，电站无法储存它所发出的电能，因此它也应当满意输出能量

及输入能量以及中间蓄能的动态平衡关系。

通常状况下，汽轮发电机通过汽轮机调整系统，限制进入汽轮机的蒸汽量以

达到蒸汽量及输出的电能相平衡。影响到主汽压力的参数后，锅炉调压系统为了

维持压力参数的稳定，通过调整燃烧率指令变更输入的燃料量以维持输入的热量

及汽轮机消耗的蒸汽能量相平衡。这种通过单独限制方式实现能量平衡的方式，

可称为间接能量平衡②（IEB）。明显该平衡过程的动态响应较慢，而且及锅炉惯

性和制粉系统的拖延有很大的关系，是一种被动适应的平衡方式。

及间接能量平衡的方法不同，干脆能量平衡（DirectEnergyBalance）的方

法是基于物理意义上的一种协调限制方法，它奇异的解决了锅炉主汽压的稳定性

和负荷的适应性的冲突。

汽机的第一级压力P及主蒸汽压力Pr的比值得线性的代表了汽轮机的有效阀

位，能灵敏反映阀位的微小变更，而且只对阀门的开度变更有反映，不受燃料量

变更（内扰）的影响。将&乘以主汽压力的给定值Ps，即构成了汽机的能量需求

PT

信号与亲。它精确反映了汽机对锅炉的能量需求，可以作为燃料限制器的给定值。

用汽包压力P.的微分蛆代表锅炉蓄能的变更，然后利用第一级汽压B加上蓄能

dt

代表进入锅炉的燃料量。最终依据进入锅炉的能量及汽机能量需求平衡得到关系。

这一从实践中总结出来的规则，得到了理论上的认同，并且在实践中取得了良好

的效果。

1.2.2指令信号间接平衡的日趋应用（DIB）

该系统的特点是用功率信号间接平衡机、炉之间的能量关系，当电网要求机

组出力增加，先增大功率设定值Ng,它及发电机实际功率Ne的偏差信号AN,一

方面经汽机主控系统，增大汽机调门开度，使汽轮机出力增加；另一方面通过前

馈作用到锅炉主控系统，使燃料量增加，以增大锅炉出力。由于锅炉的热惯性及

拖延，其出力增加的速度要比汽轮发电机慢的多，因此主汽压力Pt下降，及其设

定值Pg之间出现偏差AP,一方面通过锅炉主控系统进一步加大燃料量，促使主

汽压力回升；另一方面又经汽机主控系统关小调汽门，限制主汽压力下降。

当锅炉本身出现干扰，如燃烧率自发增加时，主汽压力Pt将会上升，一方面

通过锅炉主控系统减小燃料量；另一方面又经前馈到汽机主控系统开大调汽门，

以减小主汽压力的波动。在这个过程中机组出力同短暂增加，但最终同稳定到设

定值。

由于这种限制方式具有机、炉兼顾，相互协调的特点，在大型单元机组中得

到普遍应用。

1.2.3DCS系统的日渐成熟和广泛的应用

DCS系统的日渐成熟和广泛的应用，为整个机组的自动化水平的提高打下了良

好的硬件和软件基础，尤其是基于快速以太网的高速数据采集和传输，提高了整

个系统的实时性。集中化的工艺画面参数显示给操作人员和运行人员带来了很大

的便利；紧急分散的系统结构以及系统冗余大大提高了系统的牢靠性。同时基于

计算机的数据处理使得一些新的限制理论和限制算法能够很便利的应用及生产实

际中。

1.2.4新的限制理论应用

早在上个世纪70年头国外的机组就突破了传统的炉跟机或机跟炉模式，在大

型单元机组上接受了协调限制系统。限制理论也突破了经典PID算法，引入了现

代限制理论和最优限制理论的内容。用最优线性调整理论分析和设计20万千瓦火

力发电机组的限制系统，把状态空间描述为基础的时域法应用于火力发电机组的

自动限制中；另外，接受现代频率法对火电厂协调限制中的应用探讨，也取得了

有意义的成果。

由于协调限制系统是一个典型的多输入多输出系统，为了消退耦合作用对整

个系统限制效果的影响，依据多变量过程限制系统解耦埋论，首先要疝限制系统

进行解耦。因此接受解耦理论对单元机组协调限制系统进行分析和设计是一个很

重要的方向。依据现代限制理论的解耦理论，利用状态方程解除限制系统中各对

象之间的耦合关系，实现限制回路之间的相互独立。由于传统的解耦理论要求建

立被控对象的精确数学模型，按动态解耦原理设计出的补偿环节可能会因在物理

上不行能实现或实现过于困难而退求静态解耦，为克服这个问题一些新的解耦策

略被提出来，应用BP神经网络对机炉协调限制系统进行动态解耦，使得调整器参

数整定简便易行。由于解耦限制系统对参数变更特别敏感，而模糊限制系统的突

出特点之一就是其不敏感性，因此将模糊理论用于多变量系统的解耦限制成为一

个重要探讨方向。

1.2.5智能协调限制系统探讨

还有一类是智能限制理论在协调限制系统中的应用，例如基于模糊一神经网

络的单元机组协调限制系统方法的探讨，基于速率优化的智能协调限制系统的探

讨和应用，基于模糊PID的协调限制系统。

智能限制理论理论仿照人类所特有的逻辑思维、逻辑推理、综合推断实力，

在解决非线性、不确定性的的困难系统的问题时，具有很大的优越性，自提出以

来已经在诸多领域取得了很大的成功。从多变量系统的特点和多变量的限制理论

动身，运用专家系统的原理对负荷限制系统的PID限制器的参数进行自整定，以

达到提高系统鲁棒性和完整性的目的。将模糊推理、解耦限制、参数自适应自整

定等先进限制方法及传统限制技术有机结合起来，经现场实际应用取得了令人满

意的限制效果。接受干脆能量平衡限制方式和模糊PID(FuzzyPID)复合限制策略,

成功地实现了200M『断元机组协调限制系统的限制，满意了机组协调限制系统的

快速性和稳定性的要求。

1.3协调限制系统的探讨方向：

电力系统作为一个高维非线性动态系统，是各种高度困难，慢时变和不确定

的多变量限制对象的集合体。单元机组协调限制系统是大型火力发电机组的主要

限制系统之一，是实现整个电网调度自动化的基础条件。

H前协调限制系统的设计主要是基于经典的限制理论，由于限制对象是多输

入多输出的耦合对象，具有不确定性和非线性和很大的滞后特性，而且在实际运

行过程中存在着许多干扰，汽机侧主要有电网方面的扰动，锅炉侧主要有煤质干

扰和给煤量以及炉膛积灰等干扰，而这种干扰属于一种非确定性的干扰，运行过

程中难以测量和预料。从而使限制系统的设计比较困难⑴，而且限制效果也不近

人意。现代限制理论供应了多输入多输出系统的解决方法，但须要严格的数学模

型，对于具有时变特性和非线性特性的限制对象显得无能为力，而且因为牵扯到

困难的矩阵运算，因而在实际应用中受到很大的限制。

系统和工艺的日益困难为限制系统的发展提出了更高的要求。现代计算机科

学技术的发展，为各种限制限制理论的发展和应用供应了良好的基础，从古典限

制论到现代限制论、到最优限制论以及预料和自适应限制，同时现代的大规模集

散限制系统也都基于日益发展的计算机技术。然而计算机所擅长的是数值运算和

逻辑运算，对于困难多变的限制对象，其只能够依据预定的限制逻辑进行限制，

缺乏灵敏应变的机制和策略，缺乏总结和学习的实力、缺乏分析推断实力，同时

又过于死板和教条。利用人工智能，赐予其分析和推断的实力，有助于变更其不

能适应对象的变更或被动的适应对象的变更，借助于各种信息，对整个系统目前

所处的状态作出恰当的衡量；赐予其综合规划实力，使其能够理顺限制关系，在

主动寻求主要目标时莱顾总体目标的协调，及早作出正确的决策；赐予其学习和

组织的实力，在实施限制的过程中，对各种信息进行识别、记忆、学习，积累的

阅历进一步改善系统的性能；赐予其推理功能，不单纯依据数学模型，而是利用

学问是对收集来的信息进行分析处理，优化形成结构信息，进行在线推理，确定

或变换限制策略，形成新的学问。这些是智能限制理论在实际限制过程中的应用

设想，有助于解决包含困难性、不完全性、模糊性、不确定信息生产过程的限制

问题

智能限制的主要探讨内容包括：模糊限制、遗传进化计算、粗糙集、神经网

络限制、专家限制系统等。把限制论、人工智能、信息论以及运筹学等许多相关

学科领域的理论和方法进行有机的结合，接受人工智能的方法探讨困难、非线性、

不确定性的被控对象，仿照人类所特有的逻辑思维、逻辑推理、综合推断实力解

决数学模型未知或对象时变的限制系统的不确定性问题，自提出以来已经在诸多

领域取得了很大的成功。

对于单元机组协调限制系统这样一个困难的非线性多变量限制系统，要想建

立一个精确的线性系统模型以满意经典限制系统或现代限制理论的要求是不行能

的。建立一个完备的非线性模型，例如模糊模型，存在以下问题，一是多变量耦

合系统的模糊限制规则很难提取或是规则不精确，二是随着变量的增多用于存储

规则的计算机内存增大和进行解耦的运算量的噌大。从而难以完全应用及实践中。

但是我们可以将智能限制的思想引入到协调限制系统中，同时找寻对象适应性、

鲁棒性更好的常规限制算法，来解决实际工作中的问题。

在现有调整系统的基础上，结合一些新的限制理论，将智能限制方法应用到

协调限制系统中，弥补和解决常规限制系统的不足，以提高协调限制系统的整体

性能，是协调限制系统的探讨方向。

其次章协调限制系统的特点

2.1单元机组对象的特点

火力发电厂的工艺过程是•个能量转换及平衡的过程。储存在燃料（煤）中

的化学能，通过锅炉燃烧、传热，转换成蒸汽的热力势能；又通过汽轮机，将热

力势能转换成机械能，再通过发电机，将机械能转换成电能，最终将电能传输给

用户。所以单元机组是由发电机、汽轮机和锅炉来共同适应电网的能量需求，共

同保持机组的稳定运行的，我们应将其看作一个有机的整体，而不能将汽轮机和

锅炉的负荷分割开探讨。图2-1给出了一个单元机组的主要组成环节以及简化的

数学模型⑵。据此，我们可对单元机组的特性进行简洁的了解。

图2-1机炉整体调整对象的工艺特性

1)汽轮发电机特性

由于现代大型汽轮发电机组，总是在大电网中并列运行，电网的频率变更很

小，在分析机炉自动限制对象时可以认为电网频率不变。依据同步发电机并列运

行特性，可以认为汽轮机实发功率等于发电机输出电功率。又依据中间再热机组

的特性，高压缸可近似为一个纯比例环节，中、低压缸可近似为一个一阶惯性环

节，由此可知汽轮机的功率特性如下：

(2.1-1)

其中：

NE一一汽轮机实发功率

H一—调整级压力，它代表了进入汽轮机的蒸汽流量

Q——汽轮机高压缸功率占整机总功率的比例，约为0.3

第一一汽轮机中、低压缸功率占整机总功率的比例，约为0.7

射一一中间再热器容积时间，约为10秒

留意，这里全部变量均取相对值，下同。

进入汽轮机的蒸汽流量，及机前蒸汽压力和调门开度成正比：

PFPTT(2.1-2)

其中：

Pr一一机前蒸汽压力，即新汽压力

——汽轮机高压调门开度

2)锅炉对象

锅炉的能量转换过程，即工质从水变更为蒸汽，可以简化为以下三个主要环

节⑶：

(1)锅炉热容

燃料在炉膛燃烧，转换成热能。热能通过水冷壁，将水加热，然后在汽包中

蒸发为蒸汽。蒸发量及燃烧量成正比。转换过程中，部分热量变为金属及水的蓄

能。

(2.1-3)

其中：

D-蒸发量

u,-燃料量

。-热容时间常数，约为40秒

(2)汽包热容

汽包蒸汽压力取决于进入汽包的蒸发量及从汽包流出的蒸汽量的平衡，后者

即为汽轮机进汽量：

⑵1-4)

其中

匕~汽包蒸汽压力

。-汽包涵积时间常数，约为400秒

(3)过热器

汽包出来的蒸汽经过过热器加热为过热蒸汽。过热器加热过程中，金属和蒸

汽容积要吸取蓄能，同时，过热器出口压力(即机前压力要受过热器流淌阻

力的影响，使出口压力随蒸汽流量的增加而降低:

(2.1-5)

其中

&-过热器容积时间，约为10秒

R-过热器阻力系数，约为0.26

式(2.1T)〜(2.1-5)代表了机炉整体对象能量转换过程特性，其输入量

为燃料量如输出量为汽轮机实发功率经过简洁转化，可将图27转换成图

2-2的形式，有助于从双输入双输出的角度来理解单元机组的工艺特性。从图中

我们可以看出在两个主要组成对象锅炉和汽机的耦合特性。

锅炉热容汽包汽容过热器蓄能机前压力

图2-2单元机组的主要组成环节以及简化的数学模型

经过适当抽取，可以得到用图2-3方框图表不的对象特性框图，便于从从多

变量耦合系统角度进行分析。

图2-3单元机组被控对象方框图

UT一汽机调整阀开度；NF.一汽机实发功率；方一燃料量；PT一机前压力

(一调门开度对应于汽机进汽蒸汽量的传递函数；K一锅炉出口蒸汽压力对负

荷的扰动

M(s)一进汽量〃对应于实发功率M的传递函数；

W,-u(s)—调门开度对机前压力的扰动

\M(s)一燃料量4对应于机前压力先通道的传递函数

由对象框图可以看出，汽轮机调整阀的开度和燃料量变更，将同时影响机组

实发功率仇和机前压力分参数的变更彼此相互关联。为了便于分析，对图2-3

进行等效变换，将上支路的汇交点由M(s)之前移到其后，下支路的分支点由%B(s)

之后移至其前，则图2-3框图等效为图2-4的形式⑷。

图2-4单元机组限制对象等效框图

%(s)二而伤(s)-汽轮机调整阀开度及机组实发功率通道的传递函数;

猊(s)二的以(s)%(s)-燃料量及实发功率通道传递函数

由等效框图可见，定压运行的单元机组对象为一双输入、双输出的双变量对

象，其动态特性可以用以下传递函数矩阵来表示。

NE

%⑸心8（叩『］(2.1-6)

PTWp“（s）W.（s山」

对一台125MW机组的数学模型⑸进行仿真试验，阶跃响应曲线如图2-5。

68.815

Wnt=

(1+12s)(l+82s)

0.0640.936

Wpt=-2A94+

(1+35)1+1245

图2-5单元机组对象特性仿真曲线

响应曲线表明，由于锅炉尤其是汽包锅炉较汽轮发电机有较大的热惯性，使

得主汽压力修和机组负荷凡在调门阀位〃,不变时，对于燃料量外扰动的动态响应

较为相像，可近似为一个带有纯拖延的有自平衡的过程。而当燃料量仍保持不变

时，调整门开度s发生扰动时，负荷反响应特性为一个实际的微分过程，压力片

的响应特性为一个比例加惯性的有自平衡过程。

从工艺特性分析和多变量耦合系统分析得到的协调限制系统的对象特性存在

着以下几个特点：

结构和参数失配，由于锅炉侧的时间常数要远大于汽机侧时间常数，而且还

带有确定的纯滞后特性，从燃烧率指令的变更到机前压力的变更相当于阅历一个

很大的惯性环节，响应特性很慢。而汽机侧的惯性要小许多，其时间常数很小。

从对象结构上来看炉侧对象可视为三阶或四阶的高阶对象，汽机侧一般可等效为

两阶对象。

机前压力调整回路和功率调整回路之间存在强耦合关系。无论锅炉还是汽机

侧产生扰动，由于两回路的耦合，导致限制质量下降，系统稳定性变差，这种

状况在高负荷时尤其严峻。

由于锅炉的热惯性比汽轮机的热惯性大得多，使压力和负荷对于燃料量扰动

的动态特性特别接近。

机组的负荷和运行工况并非一成不变，而且要参及调峰、调频，经常在大范

围内升降负荷，这时限制对象会呈现不行忽视的非线性特性和时变特性。单元机

组参数随负荷变更的特性主要来自锅炉的非线性特性。

由于煤质的变更以及锅炉受热面的积灰和结焦也使对象特性表现出不确定

性。同时给煤机、磨煤机运行工况及效率的变更将会使实际的供煤量和燃烧率指

令产生不符，形成确定程度的不确定关系，给系统的限制效果带来不利的影响。

2.2单元机组负荷限制的基本方式

单元机组负荷限制主要由其协调限制系统来完成和实现的，为保证负荷限制

指标和机组的平安性，应设计多种运行方式，除取次于锅炉的动态特性、燃料的

种类和供应方式外，还及单元机组的汽压运行方式有关。不同的机组不同的阶段,

协调限制系统运行的方式可能不同，但基本的组成方式有以下几种。

2.2.1炉跟机负荷限制方式

这类方式是用调整汽轮机调整阀开度来变更单元机组的发电功率的，由锅炉

调整来维持机前压力，因此负荷限制系统由汽轮机调功系统和锅炉调压系统构成,

其工作原理如图2-6所示。

图2-6炉跟机负荷限制方式系统原理图

图2-7炉跟机负荷限制方式系统原理方框图

乙(s)-汽轮机调整器；J(s)一锅炉调整器;

No一功率定值信号；Po~机前压力定值信号；M-实发功率；弓一机

前压力

由图可见，系统中用汽轮机调整其町（S）来调整功率输出，当功率指令可发

生变更时，汽轮机调整器通过变更调整气阀的开度火来变更汽轮机的进汽量，使

发电机输出功率快速满意电网的负荷要求。汽轮机调整阀开度的变更将使机前压

力发生变更，于是锅炉调整器变更燃料量来尽快复原机前压力。在燃料量调整的

同时，锅炉其他调整系统也相应地变更送风量、引风量、给水量等。

该限制方式系统的负荷适应性较好、适用于带变动负荷的调频机组。在负荷

变更的起始阶段，主要靠汽轮机调门动态过开释放锅炉的蓄热量，以快速适应负

荷要求，但这样必定会引起机前压力波动，假如负荷变更过大，机前压力波动太

大，将影响锅炉的平安运行。在通常状况下，炉跟机负荷限制方式适用于汽轮机

由于故障出力受到限制小于锅炉出力，机组带上最大可能出力时，汽轮机功率调

整手动，通过锅炉调压系统来维持机前压力稳定。

2.2.2机跟炉负荷限制方式

机跟炉负荷限制方式系统原理方框图如图2-8所示。

图2-8机跟炉负荷限制方式系统原理图

图2-9机跟炉负荷限制方式系统方框图

这类方案由汽轮机调压系统和锅炉调功系统组成。当功率指令从变更时，锅

炉调整器"As)调整燃料量B,同时锅炉的送、引风量，给水量等也相应变更。等

到机前压力片变更后，汽轮机调整器叫/(s)才去调整调整阀的开度，使机组的输

出功率等于功率指令。

由以上分析可以看出，汽轮机调压系统能较快地消退各种扰动因素引起的汽

压偏差，使其机前压力保持稳定。在负荷变更过程中，锅炉并不利用蓄热量，而

是依据功率偏差大小，先调整锅炉的燃烧率，待汽压变更后，才渐渐增大机组的

功率输出。所以机跟炉负荷限制方式的负荷适应实力差，仅适用于带基本负荷的

单元机组。

在通常状况下，机跟炉负荷限制方式适用于锅炉由于故障等其它因素出力受

到限制小于出力汽轮机，机组带上最大可能出力时，锅炉功率调整手动，通过汽

轮机调压系统来维持机前压力稳定。此时汽轮机调压系统能较好地维持机前压力,

有利于机组的稳定运行，削减运行人员的操作，这种运行方式在实际中运用较多,

特别适用于以下几种状况：

1)在机组启动期间，接受这种方式可以使机组运行参数稳定，为机组稳定运

行创建条件；

2)当机组由于辅机故障发生RunBack(RB)时，协调限制系统自动切换在

机跟炉限制方式，即锅炉限制系统手动(开环)迫降负荷至预定值，汽机调压系

统维持当时的主汽压力，不仅可使负荷快速将至预定值，还能保证各运行参数的

稳定，特别是蒸汽品质及汽水系统的稳定。

2.2.3机炉协调限制方式

前面的两类负荷限制方式各有优缺点，炉跟机方式适应负荷快，但机前压力

波动大，不利于机组的稳定运行；机跟炉方式能较好地稳定机前压力，然而其负

荷响应速度过慢，两者均不能圆满地完成单元机组负荷限制任务。于是出现了以

前馈一反馈复合限制为基础的单元机组协调限制。协调限制综合了机跟炉和炉跟

机负荷限制系统的优点，克服了各自的缺点，将锅炉和汽轮机作为有机的整体进

行系统设计，其限制性能优于前两种方式。

单元机组协调限制的基本方案许多，这里仅介绍接受负荷指令信号间接平衡

的以炉跟机为基础协调限制方式的工作原理。系统原理图如图2-10所示。

图2-10机炉协调限制方式系统原理方框图

%(s)-汽轮机调整器；心(s)-锅炉调整器;

No-功率定值信号；Po-机前压力定值信号；

NE—实发功率；PT—机前压力

功率偏差和汽压偏差信号同时送到汽轮机调整器玲（S）和锅炉调整器期（S）,

在稳定工况下，机组的实发功率M等于功率定值此,机前压力PT等于压力定值

Po.当增加负荷时，将出现一个正的功率偏差信号（乂-M）,该信号通过汽轮机

调整器心（S）去开大汽轮机调整阀门，增加机组的实发功率。同时♦，此信号也作

用到锅炉调整器心（s）入口，增加燃料量，以多产生蒸汽。随着调整汽阀开度出

的增大，机前压力匕将立刻随之下降，尽管此时锅炉已经起先增大燃烧率，但由

于燃料量一机前压力通道存在较大惯性，所以负荷扰动出现初期仍会有正的压力

偏差（Pi）出现，该信号以正向作用于锅炉调整器心（s）,接着加大锅炉的燃

烧量，以尽快复原机前压力。同时，此信号按反方向作用于汽轮机调整器的（S）

入口，调整器鱼（s）在正向功率偏差和反方向压力偏差的共同作用下，会使调整

阀开大到确定程度后停止动作，但此时汽轮机的实发功率尚未到达给定值，所以

这种状态是短暂的。随着锅炉侧燃料量的增加，机前压力渐渐复原，压力偏差渐

渐减小，汽轮机调整阀在正的功率偏差信号的作用下会接着开大，以提高机组的

实发功率，直至使实发功率及机前压力均及其该定值相等时，机组重乂进入新的

稳定状态。

依据以上分析可以看出，单元机组协调限制有以下几个特点：

在机组适应负荷变更的过程中，协调方式允许汽压有确定幅度的波动，以便

充分利用锅炉的蓄热量，使机组较快地适应电网的负荷要求。但在利用锅炉蓄热

上又有确定的限度，不使机前压力产生过大偏差。所以机组协调限制方式既能使

机组较快地适应负荷，又能确保汽压波动在允许范围以内;

协调限制方案中，锅炉调整器引入了功率偏差作为前馈调整信号，使燃烧率

能快速变更，克服锅炉侧的较大惯性，使机组功率能较快地达到功率定值；

协调限制方案的性能优于机跟炉和炉跟机负荷限制方案。但系统结构困难，

调试工作量大，要求机组主、辅设备性能良好，各个自动调整子系统均能牢靠投

入运行。

2.3影响系统限制效果的因素

2.3.1滑压运行影响

目前大容量的单元机组，为提高机组的热效率和经济性，一般状况下均接受

有滑压运行方式，滑压运行的区间依据机组的特性可在40%〜90%MCR中选定，

在滑压运行阶段机组的负荷的变更主要是依靠主蒸汽的热力参数的变更来实现，

汽机调门基本不发生大的变更。机组负荷变动在滑压运行阶段，锅炉蓄热实力将

随参数的变更而变更，变更方向恰好及负荷需求方向相同；当须要增加负荷时，

锅炉同时须要吸取一部分热量来提高参数，使其蓄热实力增加，反之，在降低负

荷时，参数降低，释放蓄热。这两种结果都阻碍机组对外界负荷需求的响应，降

低了负荷响应速率。志向的状况是机组的负荷及锅炉的燃料量成确定的线性关系,

即在任何一个负荷水平上，负荷变动过程中的须要的燃料量和定负荷过程中所需

的燃料量应相等。但实际的过程中，假如要想在负荷的变动过程中保持实发功率

及定值相同，所供应的燃料量要高于（升负荷阶段）或低于（降负荷阶段）定负

荷阶段相应的燃料量。

2.3.2锅炉响应的拖延特性

火电机组对负荷响应的拖延主要取决于锅炉在接到负荷指令后，变更煤量到

蒸汽流量发生变更所须要的时间，即蒸汽产生的纯拖延时间。蒸汽产生的拖延时

间及锅炉的结构有很大的关系，如制粉系统和送风系统。一般而言，中储式制粉

系统要比直吹式制粉系统的拖延要小许多。但是该拖延时间难以从工艺上得到很

大的改进和克服。因此它从根本上确定了负荷响应的滞后。

2.3.3锅炉蓄热实力

母管制机组把若干台锅炉联结成一体，蓄热量很大，而单元制机组锅炉的蓄

热量很有限并且机炉连接的管道又短，蓄热量很小，而且随着机组容量的增大，

同所带负荷相比，其相对可用蓄热就更小。机组的蓄热主要表现在：燃料的化学

能转化为热能，将水加热蒸发，使水的蒸发量随燃料量的增加而增加，同时锅炉

金属和介质吸取确定的热量转化为蓄热；汽包的汽容容积积蓄了一部分热力势能;

过热器所积累的热力势能。

总体而言，锅炉的蓄热实力来自两个方面：其一是锅炉受热面金属热容量的

存储和释放，特别是机组在滑压运行阶段，该方面蓄热实力将随参数的变更而变

更，变更方向恰好及负荷的需求方向相同，不仅无法利用以适应负荷要求，而且

是造成锅炉惯性较大的主要缘由之一；其二是汽机侧的扰动造成主汽压力的突然

变更，相应变更了汽包压力和饱和温度，使汽包的蒸发量突然变更，以适应负荷

要求，可有效缩短负荷响应的滞后时间，但必需通过试验，对可利用蓄热实力进

行测试，以合理利用，否则将会造成机、炉之间的能量供求不平衡，调整过程波

动，动态过程时间增加，影响机组的稳定运行。

2.3.4系统的困难性

负荷限制系统作为单元机组的主控系统，在其下层还有其它诸多及其紧密相

关的限制子系统，如燃烧、给水、送风、汽温限制系统等，每个系统限制性能的

好坏干脆影响着整个机组的限制效果。它不单是考虑正常工况下系统稳定的问题,

同时还得考虑异样工况下的各种参数的稳定及运行的平安性的要求。

单就负荷限制系统来说，其本身是一个猛烈耦合多变量系统，主汽压力限制

回路和负荷限制回路相互之间存在着严峻的耦合关系，两个对象特性上的差异和

时变性使解耦和匹配变的很困难。

系统存在着众多的不确定的干扰，燃煤煤质的变更、给煤量的扰动、炉膛积

灰、给水扰动、风烟系统的扰动。

2.3.5对象的时变及非线性

尽管我们在分析和处理对象时总是把它近似为一个线性定常的对象，但事实

上这是不行能的，机组在整个动态过程中是一个时变和非线性的对象，假如依据

某一点或某儿个工作点的线性化模型来设计系统，很难适应在整个过程中的不同

的工作状态，势必不能满意整个过程的调整指标最优化的要求。这也是目前大范

围升降负荷时限制效果不好的主要缘由。

对象的时变及非线性也给对象的数学模型的辨识带来很大的困难，同时由于

不确定因素的影响，即便在获得几个工作点的数学模型后，也给整个限制过程中

对象参数的拟合带来内在的不确定性。一些先进的在线辨识算法，由于限制系统

软硬件的不兼容性，也无法进行有效的实施。这样无法获得对象的精确的数学模

型，使得严格基于对象模型的限制算法只能停留在理论探讨阶段，实际中应用较

少。

2.3.6能量的欠缺和累积

锅炉侧存在着很大的拖延和大的惯性，现有的限制系统一般接受常规的PID

限制器进行限制，很难解决这个问题，尤其是积分作用常使系统产生过量的能量

累积和欠缺，导致调整过程中参数的大幅度波动。前馈补偿环节在实际中被广泛

用来解决这个问题，并取得确定的效果，但是笥洁和机械的前馈补偿环节在适应

困难多变的对象时有些力不从心。从根本上讲，它只能起到补偿作用，而非消退

作用；干脆能量平衡限制策略从物理意义的角度动身，找到了机炉能量的平衡点,

在试验充分、参数计算和整定正确的状况下，不失为一种较好的方法。但同时须

要留意到，它对解决锅炉的滞后还是乏力，因为只有在汽机的能量需求变更后，

才能作出反映；SMITH补偿算法从理论上很好狗解决了这个问题，但由于它对对

象模型的精确要求，使得模型存在误差时，限制效果不好，甚至产生震荡，过于

敏感。

第三章协调限制系统的解决方案

为了满意电网调度的要求，目前单元机组CCS方案设计大部分是以锅炉跟随

为基础，接受负荷指令信号间接平衡及能量干脆平衡动、静态相结合的限制方案,

主要特点在于负荷指令经幅值限制、速率限制等处理后作用于汽机主控和压力定

值形成回路，而锅炉主控同时接受负荷指令及能量需求信号分别作为动、静态前

馈，使负荷要求变更时，机、炉协调动作；并在上述回路中接受微分环节和多级

惯性环节补偿、拟合机、炉热力系统的特性差异，使微分时间和惯性时间为锅炉

的惯性时间（包括热量产生时间和蓄热时间），保证机、炉动作从时间上匹配。综

合接受前馈限制（包括比例前馈和比例微分前馈等），有利于提高系统的动态特性

和系统的鲁棒性，使PID反馈限制只起静态微调作用。锅炉通过限制燃料量变更

锅炉负荷，维持主汽压力，以适应汽机的能量需求；汽机在负荷响应起始阶段，

通过调汽门动态过开，利用锅炉的蓄热，快速响应负荷，在负荷响应过程中，维

持汽机能量需求量及机组负荷要求相平衡。

上述限制方案突出表现在CCS的负荷响应特性不能满意电网的要求；CCS的

限制品质不能适应机组的实际状况。为此，通过大量的现场试验和探讨，得出以

下儿方面的结论：

1）负荷响应速率的提高关键在于锅炉负荷响应速率的提高；

1）缩短负荷响应的滞后时间关键在于通过调汽门的动态过开，合理利用

锅炉的蓄热；

2）减小系统的动、静态偏差，提高系统的