摘要：大型單元機組是一個多變量控制對象。機、爐的控制動作相互影響，且動態(tài)特性差異較大。為把爐、機的參數(shù)檢測、過程調(diào)節(jié)、聯(lián)鎖保護、邏輯控制等各個方面作為一個整體進行控制，使爐、機控制更具靈活性、快速性和準確性，既能滿足電網(wǎng)調(diào)峰和調(diào)頻的需求，又能保證機組安全、經(jīng)濟運行，建立合理的機、爐協(xié)調(diào)控制策略是至關(guān)重要的。

關(guān)鍵詞：協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)（CCS）；機組負荷；RB；RD/RU；燃燒率；能量平衡

1　協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的功能及要求

單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)要求實現(xiàn)如下基本功能：

（1）參與電網(wǎng)的調(diào)峰和調(diào)頻，快速響應(yīng)電網(wǎng)負荷的需求

調(diào)峰是電網(wǎng)根據(jù)負荷需求對機組進行的負荷調(diào)度；調(diào)頻則是機組按頻差特性根據(jù)網(wǎng)頻變化自動完成的負荷調(diào)整。因此，調(diào)頻是隨機發(fā)生的，調(diào)峰則是人為組織的。

（2）穩(wěn)定機組運行

檢測與平抑機組運行中的各種內(nèi)、外擾動，協(xié)調(diào)爐、機的能量平衡，協(xié)調(diào)鍋爐內(nèi)部燃料、送風(fēng)、引風(fēng)、給水、汽溫等各子系統(tǒng)的能量平衡和質(zhì)量平衡。

（3）機組出力與主輔機實際運行能力的平衡

機組運行中可能出現(xiàn)局部故障，或負荷需求超過了機組實時的負荷能力，使某些參數(shù)產(chǎn)生供需偏差。CCS設(shè)計應(yīng)有：

• 方向閉鎖（in-crease block,、decreaseblock）；

• 機組指令迫升/迫降（run up/run down）；

• 輔機故障減負荷（runback）。

使機組在主、輔機或子回路控制受到限制的異常情況下，自動過渡到安全狀態(tài)穩(wěn)定運行。

（4）具有多種選擇運行方式

協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)應(yīng)滿足機組各種工況運行的要求，提供可方便選擇且具有自動聯(lián)鎖切換的控制方式。

2　協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的對象特性

從機組負荷控制角度來看，單元機組是一個相互關(guān)聯(lián)、多變量耦合控制對象，為便于分析，經(jīng)適當假設(shè)可簡化表示為圖1方框圖所示被控系統(tǒng)。

圖1 單元機組負荷控制對象方框圖

圖中：μB 鍋爐燃料量；

μT 汽輪機調(diào)節(jié)閥開度；

Ne 機組實發(fā)功率；

pT 汽輪機機前壓力 。

2.1　鍋爐燃燒率μB擾動時的對象特性

當鍋爐燃燒率μB變化時，將引起機前壓力pT和機組實發(fā)功率Ne的變化。

pT通道用WPB（s）、Ne通道用WNB（s）分別描述通道轉(zhuǎn)換特性。 維持汽機調(diào)閥開度μT不變時：

WPB（s）=K1/（T1s+1）2

WNB（s）=K2/（T2s+1）2

上兩式描述的通道轉(zhuǎn)換特性均是簡化了的二階慣性環(huán)節(jié)，它表明從鍋爐燃料投入至機前壓力和機組功率變化，轉(zhuǎn)換通道具有較大的慣性和遲延。對象具有自平衡能力。

汽機調(diào)門開度不變，鍋爐燃燒率μB階躍擾動時，對象響應(yīng)曲線示于圖2。

圖2 燃料擾動對象響應(yīng)曲線

由響應(yīng)曲線可以看出，增加爐燃料量，爐的吸熱量將增加，汽壓經(jīng)遲延后漸升高。由于汽機調(diào)門未變，蒸汽流量僅隨汽壓的上升而增加，從而自發(fā)的限制了汽壓的升高。對象表現(xiàn)出自平衡作用。當蒸汽流量與燃燒率達到新的平衡時，汽壓PT就趨于一個較高的新穩(wěn)態(tài)值。

由于蒸汽流量的增加使輸出功率Ne增加，當蒸汽流量不變時，輸出電功率也趨于一個較高的新穩(wěn)態(tài)值。

綜上分析：鍋爐燃燒率改變時，Ne和PT的響應(yīng)很慢，即熱慣性大，對象有自平衡能力。

2.2　汽輪機調(diào)門開度μT擾動時的對象特性

當汽輪機調(diào)門開度μT改變時，也將引起機前壓力PT和機組實發(fā)功率PE的變化。PT通道用WPμ(s)、Ne通道用WNμ(s)分別描述通道轉(zhuǎn)換特性。維持爐燃燒率μB不變時：

WPμ(s)=-[K3+( K4/(T4s+1))]

WNμ(s)= K5/(T5s+1)- K6/(T6s+1)2

由上兩式傳遞函數(shù)可知，維持爐燃燒率μB不變，汽輪機調(diào)門開度μT改變時，PT通道表現(xiàn)為比例慣性特性，Ne通道表現(xiàn)為一階慣性減二階慣性的綜合特性，近似于一個微分作用。汽輪機調(diào)門開度μT擾動時，PT和Ne傳遞函數(shù)均表現(xiàn)出較快的響應(yīng)特性。鍋爐燃燒率不變，汽機調(diào)門開度μT階躍擾動時，對象響應(yīng)曲線示于圖3。

圖3 機調(diào)門擾動對象相應(yīng)曲線

由響應(yīng)曲線看出，汽機調(diào)門階躍增加后，蒸汽流量立刻成比例增加，汽壓PT也隨之階躍下降。汽壓PT下降使增加的蒸汽流量回降，逐漸穩(wěn)定到與燃燒率相適應(yīng)的較擾動前稍大的流量值，主汽壓力PT也逐漸趨于一個較低新的穩(wěn)態(tài)值。對象表現(xiàn)出自平衡作用。其曲線為比例慣性特性。

輸出功率Ne隨蒸汽流量的變化，開始有所增加。最終，由于稍大的主汽流量被較低主汽壓力所沖銷，維持機輸入能量不變，輸出功率Ne也漸恢復(fù)到擾動前的數(shù)值。

圖3輸出功率Ne過渡過程包絡(luò)線多出的面積，即是過渡過程中機組多發(fā)的功率，這是鍋爐汽壓下降而釋放出的蓄熱。

綜上分析：汽機調(diào)門改變時， Ne和PT的響應(yīng)較快，即熱慣性小，對象有自平衡能力。

2.3　廣義負荷控制對象特性

如果把機、爐子控制系統(tǒng)包括在負荷控制對象之內(nèi)，就構(gòu)成了廣義負荷控制對象，如圖4所示。其控制輸入量為鍋爐主控制指令BLD和汽輪機主控制指令TLD。

圖4 單元機組廣義負荷控制對象方框圖

鍋爐側(cè)子系統(tǒng)如送風(fēng)、引風(fēng)、給水等，與燃燒控制特性相比，其遲延和慣性相對很小，可近似視為μB及時地跟隨爐主控制令BLD。爐側(cè)子系統(tǒng)接近比例跟隨特性。即

μB≈BLD

汽輪機側(cè)，如果汽輪機采用純液壓調(diào)速系統(tǒng)，則機主控指令TLD就是調(diào)門開度（或同步器位移）指令μT。即　　　　

μＴ≈ＴLD

這樣廣義被控對象的動態(tài)特性仍同上述分析，未發(fā)生改變。

如果汽輪機采用功頻電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)，則機主控指令TLD就是汽輪機功率指令。這樣被控對象的動態(tài)特性就有很大變化。如圖5所示。

圖5 采用DEH的廣義負荷控制對象方框圖

由圖5可以看出，汽輪機采用功頻電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)時，由于汽輪機功率調(diào)節(jié)回路的存在，保證了穩(wěn)態(tài)時功率與功率指令一致。那么，機主控指令TLD和爐主控指令BLD就分別代表鍋爐的輸出與輸入能量。若機主控指令TLD和爐主控指令BLD任一指令保持不變，而另一指令階躍擾動，則會因鍋爐輸出與輸入能量不平衡，主汽壓力pT呈積分變化。沒有自平衡能力。

圖6為TLD不變，BLD階躍擾動下主汽壓力pT和電功率Ne的響應(yīng)特性。BLD階躍擾動后，由于鍋爐燃燒具有較大的遲延和慣性，擾動對系統(tǒng)的影響較為緩慢。由于BLD>TLD，爐過剩能量驅(qū)動pT上升。而TLD不變，隨PT上升，機將關(guān)小汽門，維持負荷不變。

圖6 BLD擾動TLD不變響應(yīng)曲線

因此，PT近似為慣性積分環(huán)節(jié)，Ne近似不變。

圖7為BLD不變，TLD階躍擾動下主汽壓力PT和電功率Ne的響應(yīng)特性。TLD階躍擾動后，擾動對系統(tǒng)的影響將迅即呈階躍發(fā)生。機開大汽門，企圖加大蒸汽流入量，推動汽輪發(fā)電機組使負荷與階躍后的TLD要求相適應(yīng)。由于BLD<TLD，爐能量不足將拉動PT下降。隨汽門的開大PT將加速繼續(xù)降低。當負荷Ne與階躍的TLD相等后，PT下降與汽門開大最終將達到相互耦合作用的穩(wěn)定過程。即PT下降與汽門開大一直進行，但汽輪機輸入能量隨PT下降的減少量與汽門開大的增加量相平衡，負荷Ne=TLD不再變化。

圖7 TLD擾動BLD不變響應(yīng)曲線

因此，pT近似為比例慣性積分環(huán)節(jié)，Ne近似為比例慣性環(huán)節(jié)。

2.4　單元機組負荷控制系統(tǒng)的對象特點

單元機組是一個多變量耦合控制對象，鍋爐和汽輪機的動態(tài)特性存在很大差異，汽輪發(fā)電機負荷響應(yīng)快，鍋爐由于受制于燃燒過程的較大遲延和慣性，負荷響應(yīng)較為緩慢。所以單元機組能量供求關(guān)系出現(xiàn)制約，外部負荷響應(yīng)需求與內(nèi)部運行參數(shù)穩(wěn)定性之間存在著固有矛盾。這些就是單元機組負荷控制系統(tǒng)對象的突出特點。

根據(jù)單元機組對象的特點，在實施控制時必須很好地協(xié)調(diào)機、爐兩側(cè)動作，合理的保持好爐、機能量供求平衡關(guān)系，以兼顧負荷響應(yīng)和機組的穩(wěn)定運行。

3　協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的組成

單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)（Coordinated ControlSystem,CCS）的結(jié)構(gòu)如圖8所示，是由負荷主控制系統(tǒng)、子控制系統(tǒng)和被控對象三大部分組成。

圖8 單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

負荷主控制系統(tǒng)又包括兩部分，即負荷指令處理部分（也稱負荷管理控制中心）和機爐主控制器。

負荷管理控制中心（LMCC）根據(jù)機組實際情況，完成外部負荷指令A(yù)DS（Automatic DispathSystem）和運行設(shè)定的負荷指令A(yù)LR的分選，并進行設(shè)定值的變化率限制、上下限限制和一次調(diào)頻量修正，生成機組負荷執(zhí)行命令A(yù)LD（Actual LoadDemand）。

當出現(xiàn)機組主、輔機或子回路控制受到限制的異常情況時，負荷管理控制中心（LMCC）設(shè)計有機組輔機故障減負荷Run Back（快速返回）功能，有關(guān)的主要運行參數(shù)越限強制減負荷Run Down（迫降）或增負荷Run Up（迫升）功能，對負荷執(zhí)行命令A(yù)LD進行符合機組實際狀況的有效修正。

負荷主控制系統(tǒng)的機、爐主控制器是協(xié)調(diào)的執(zhí)行運算單元，接受負荷執(zhí)行命令A(yù)LD（或稱ULD—Unit Load Demand），根據(jù)鍋爐和汽輪機的運行條件和要求，選擇合適的運行方式，產(chǎn)生鍋爐子控制系統(tǒng)的爐指令BLD（Boiler Load Demand）和汽輪機子控制系統(tǒng)的機指令（Turbine Load Demand）TLD。協(xié)調(diào)指揮爐、機各子系統(tǒng)同步實施調(diào)節(jié)，控制機組輸入、輸出能量平衡，控制汽壓偏差Δp和功率偏差ΔN在允許的范圍內(nèi)，滿足電網(wǎng)負荷需求，保證機組安全、經(jīng)濟運行。

根據(jù)單元機組容量、特性和合同規(guī)定的控制功能的不同，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計方案各異。歸納起來，從反饋控制角度來說設(shè)計有機跟隨為基礎(chǔ)的和鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。從能量平衡控制的角度來說設(shè)計有間接能量平衡和直接接能量平衡的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。

4　單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計的基本策略

建立合理的協(xié)調(diào)系統(tǒng)控制策略，關(guān)鍵在于處理機組的負荷適應(yīng)性與運行穩(wěn)定性間的矛盾。一般設(shè)計時應(yīng)注意以下三個要點：

• 機控要充分利用鍋爐蓄能，滿足機組負荷要求；

• 爐控要動態(tài)超調(diào)鍋爐的能量輸入，盡快合理補償鍋爐蓄能的變化；

• 要盡可能減少或消除爐、機的相互影響，采用擾動補償、自治或解耦的控制原理，使擾動在控制回路中得到有效抑制或快速消除，非擾動控制回路應(yīng)不動或少動。

不同的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)負荷管理控制中心基本是相同的，往往機、爐主控制器在落實上述控制要點的控制策略上有所區(qū)別。從控制結(jié)構(gòu)出發(fā)，機、爐主控制器設(shè)計一般有兩種指導(dǎo)思想：

（1）前饋-反饋控制

這種協(xié)調(diào)系統(tǒng)往往著力于發(fā)揮前饋控制技術(shù)和變參數(shù)控制技術(shù)的優(yōu)勢，以負荷指令作為爐控的前饋信號，間接協(xié)調(diào)機、爐之間能量供求的平衡。因此，也稱為間接能量平衡控制系統(tǒng)（DIB）。

這種系統(tǒng)以主控參數(shù)如壓力和負荷偏差反饋控制為基礎(chǔ)，作為系統(tǒng)控制的細調(diào)，保證系統(tǒng)有足夠克服內(nèi)擾的能力和的較高的控制精度。

系統(tǒng)比較著力于引入前饋控制為輔助調(diào)節(jié)手段，對系統(tǒng)進行快而基本準確的粗調(diào)，以提高負荷響應(yīng)的速度。

系統(tǒng)前饋信號往往采用主被調(diào)量或其它相關(guān)的中間變量，使鍋爐燃料超調(diào)于主被調(diào)量的波動輸入，調(diào)節(jié)回路能提前動作，以擬合機組的動態(tài)遲延和慣性。系統(tǒng)前饋量應(yīng)遵循滿足負荷指令與機、爐主控指令之間一定的靜態(tài)關(guān)系。若控制適當，將可直接抵消或有效抑制擾動，加快補償負荷擾動時鍋爐蓄能的變化。

一般系統(tǒng)還設(shè)計有非線性控制環(huán)節(jié)，在充分利用鍋爐蓄熱提高負荷響應(yīng)速度的同時，注意控制主汽壓力在允許的偏差范圍內(nèi)。

（2） 能量平衡控制

這種協(xié)調(diào)系統(tǒng)也稱為直接能量平衡控制系統(tǒng)（DEB）。

系統(tǒng)組成以能量平衡信號作為爐、機控的前饋指令，力爭在能量平衡前饋作用下，爐、機能協(xié)調(diào)一致地滿足電網(wǎng)負荷變化的需求。

能量平衡控制協(xié)調(diào)系統(tǒng)中，主控參數(shù)反饋控制僅起輔助、消差作用。

5　單元機組協(xié)調(diào)控制的原則方案

（1）鍋爐跟隨控制的原則方案

單元機組的鍋爐跟隨控制原則方案如圖9所示。

圖9 鍋爐跟隨控制方式

由機主控調(diào)整功率，爐主控調(diào)整汽壓。機主控動作在前，爐主控動作在后。當機組負荷指令改變時，機主控首先改變汽機調(diào)門開度，改變進汽量，從而迅速改變發(fā)電機的輸出功率，使其負荷和指令相一致。隨著汽機調(diào)門開度的變化，主汽壓力隨之改變。爐主控則根據(jù)主汽壓力的變化去增減燃燒率，并協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)動作，以補償鍋爐蓄能的變化。使輸入鍋爐的能量與汽輪機的需求能量相平衡，維持主蒸汽壓力的穩(wěn)定。

這種控制系統(tǒng)的特點是：對于功率給定的變化，能充分利用鍋爐蓄熱，使機組實發(fā)功率迅速隨動響應(yīng)。系統(tǒng)對電網(wǎng)的頻率調(diào)整有利，但對較大的給定功率變化適應(yīng)性差，主蒸汽壓力和溫度變化大，不利于機組穩(wěn)定運行。

（2）汽機跟隨控制的原則方案

單元機組的汽機跟隨控制原則方案如圖10所示。

圖10 汽機跟隨控制方式

由爐主控調(diào)整功率，機主控調(diào)整汽壓。爐主控動作在前，機主控動作在后。

當機組負荷指令改變時，爐主控使進入鍋爐的燃料量改變，從而改變鍋爐的蒸發(fā)量，以適應(yīng)負荷變化的能量需求。這將引起主汽壓力的變化。這時機主控“量入為出”，根據(jù)主汽壓的變化去改變調(diào)速門的開度，以維持主蒸汽壓力的穩(wěn)定。

其間，由于進入汽機的蒸汽量變化，改變了發(fā)電機的功率，使其和負荷指令相一致。綜觀其因，機主控的調(diào)整是隨動的，功率的變化始發(fā)于鍋爐的燃料量的改變。這即是說爐主控調(diào)整功率的原因。這種控制系統(tǒng)的特點是：采用控制汽機調(diào)速汽門來維持主汽壓力，汽壓控制速度快，有利于機組的穩(wěn)定運行。但沒有充分利用鍋爐蓄熱，是先補充而后釋放蓄熱。特別是當功率給定值改變后，功率調(diào)節(jié)器先改變鍋爐燃料，由于鍋爐燃燒與熱傳導(dǎo)均有慣性，待主汽壓力慢慢變化后，機主控才隨動改變汽機調(diào)門，使輸出功率改變。這樣，系統(tǒng)不利于電網(wǎng)的頻率調(diào)整，負荷的適應(yīng)性差。

（3）機爐協(xié)調(diào)控制的原則方案

單元機組的爐機協(xié)調(diào)控制原則方案如圖11所示。

圖11 爐機協(xié)調(diào)控制方式

采用單元機組的爐機協(xié)調(diào)控制原則方案，機組功率和主汽壓力的調(diào)節(jié)任務(wù)由爐主控和機主控共同完成。即機組負荷指令和主汽壓偏差信號同時作用到鍋爐控制器和汽機控制器，并行改變鍋爐輸入能量和汽機調(diào)門開度。以期盡快使功率和汽壓等于設(shè)定值。

爐機協(xié)調(diào)方式下，在負荷變化過程中，允許主汽壓在一定范圍內(nèi)變化，從而充分利用鍋爐蓄熱，使機組能較快地適應(yīng)負荷指令的需求。一般來說，機組功率和主汽壓力調(diào)節(jié)完全對等的由爐主控和機主控共同完成，控制結(jié)構(gòu)組織比較困難，也無這種特殊必要。實際應(yīng)用中，往往發(fā)揮機跟隨方式和爐跟隨方式的特點，組織以機跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)或爐以跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。

6　結(jié)束語

為改善機組負荷響應(yīng)能力，越來越多的工程設(shè)計采用了以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。由于反饋控制過程緩慢，傳遞時滯和慣性易引起調(diào)節(jié)過度積分和系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)里，采用反饋控制僅為了消除穩(wěn)態(tài)時主被調(diào)量的偏差。現(xiàn)代控制一般均比較著力于引用前饋控制技術(shù)和變參數(shù)控制技術(shù)，使組織的協(xié)調(diào)系統(tǒng)更適應(yīng)不同工況下對象特性的變化；直接或間接地快速完成爐、機能量需求的平衡控制。

作者簡介：

李高平（1972-），男，甘肅敦煌人，現(xiàn)任中國人民解放軍63621部隊電氣熱控高級工程師，從事電力設(shè)備狀態(tài)檢修、自動控制、繼電保護和信息系統(tǒng)技術(shù)研究工作。

魏　東（1982-），男，甘肅榆中人，現(xiàn)任中國人民解放軍63621部隊熱工控制工程師，從事智慧電廠DCS 、SIS 、MIS 系統(tǒng)技術(shù)研究，實時數(shù)據(jù)集成平臺研究，發(fā)電信息管理系統(tǒng)研究等工作。

王　亮（1987-），男，黑龍江哈爾濱人，現(xiàn)就職于中國人民解放軍63621部隊，從事智能設(shè)備管理方案研究、全廠統(tǒng)一校時方案研究、全廠信息安全研究、機組協(xié)調(diào)控制研究、現(xiàn)場問題協(xié)調(diào)處理等工作。

姜國巖 （1987-），男，河北石家莊人，現(xiàn)任杭州和利時自動化有限公司副總經(jīng)理，從事控制系統(tǒng)技術(shù)研究、全廠統(tǒng)一校時方案研究、全廠信息安全研究、機組協(xié)調(diào)控制研究、應(yīng)用培訓(xùn)、技術(shù)支持、現(xiàn)場問題處理、產(chǎn)品銷售管理、工程質(zhì)量管理、軟件業(yè)務(wù)銷售管理等相關(guān)工作。

張鵬程 （1982-），男，陜西西安人，現(xiàn)任杭州和利時自動化有限公司工程管理經(jīng)理，從事智能設(shè)備管理技術(shù)的研究、自動控制、全廠信息安全研究、機組協(xié)調(diào)控制研究、應(yīng)用培訓(xùn)、技術(shù)支持、現(xiàn)場問題處理等工作。

張樹強（1987-），男，陜西安康人，現(xiàn)任杭州和利時自動化有限公司技術(shù)支持工程師，從事智能設(shè)備管理技術(shù)的研究、全廠統(tǒng)一校時方案研究、全廠信息安全研究、機組協(xié)調(diào)控制研究、應(yīng)用培訓(xùn)、技術(shù)支持、現(xiàn)場問題處理等工作。

參考文獻：

[1] 畢貞福. 火力發(fā)電廠熱工自動控制使用技術(shù)[M]. 北京: 中國電力出版社, 2008.

[2] 肖平. 協(xié)調(diào)控制與提高機組負荷響應(yīng)性能探討[J]. 江西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報, 2006.

[3] 翁思義, 楊平, 自動控制原理[M]. 北京: 中國電力出版社, 2001.

[4] 陳厚肇. 自動發(fā)電控制機協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)[J]. 江蘇機電工程, 2004.

摘自《自動化博覽》2020年9月刊