第十三章单元机组协调控制系统

1、 第十三章第十三章 单元机组协调控制系统单元机组协调控制系统 第一节第一节 引言引言 一、协调控制系统的任务一、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；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。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协调控制系统就是完成这两种平衡关系而设置的 协调控制系统（协调控制系统（Coordinated Control system-CCS）

2、是将单元机组的锅炉和汽轮机做为一个整体来进行控制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、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。参数下安全、经济地运行。 二、负荷控制对象的动态特性二、负荷控制对象的动态特性+WN(s)图图 13-1 单元机组负荷控制对象原理方框图单元机组负荷控制对象原理方框图TWP(s)WNB(s

3、)WPB(s)BNEPTNE000B图图 13-2 单元机组负荷控制对象的阶跃响应特性单元机组负荷控制对象的阶跃响应特性BtttPTNE000TTtttPT(a)(b)B+WN(s)图图 13-3 广义负荷控制对象方框图广义负荷控制对象方框图TWP(s)WNB(s)WPB(s)NEPT机子系统机子系统炉子系统炉子系统NB NT _+NB _ nt+ n0B+图图 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)炉子系统炉子系统NT WN(s)WP(s)WNB(s)WPB(s)1NE000NB 图图 13-5

4、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)三、协调控制系统的组成三、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单元机组协调控制系统是由负荷控制系统也称主控制系主控制系统统、常规控制系统也称、常规控制系统也称子控制系统子控制系统和和负荷控制对象负荷控制对象三大三大部分组成。负荷控制系统又由二部分即负荷指令处理部部分组成。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。分也称负荷管理控制中心和机炉主控制器组成。负荷控制系

5、统负荷控制系统协调控制级协调控制级子控制系统子控制系统局部控制级局部控制级TBN0负荷指令负荷指令处理部分处理部分机炉主机炉主控制器控制器锅炉控制系统锅炉控制系统汽轮机控制系统汽轮机控制系统被控被控对象对象NBNTNEPT外部负荷指令外部负荷指令图图 13-6 单元机组协调控制系统简图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负荷管理控制中心的主要作用对外部要求的负荷指令或目标负荷指令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

6、所以处理，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。能接受的实际负荷指令。 机、炉主控制器的主要作用机、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，按照实际负荷指令与实发功率信号控制方式，按照实际负荷指令与实发功率信号 的偏差的偏差和主汽压力的偏差和主汽压力的偏差 P以及其它信号，进行控制运算，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，分别称为锅炉指令和汽轮机指令。动作的指挥信号，分别称为锅炉

7、指令和汽轮机指令。 第二节 主控制系统 一、负荷管理控制中心一、负荷管理控制中心1实际负荷要求指令（实际负荷要求指令（ALD或或ULD）的产生）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）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）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，即产生最小最大负荷限制回路，即产生实际负荷要求指令实际负荷要求指令。如。如果机组主、辅机发生故障或事故而产生快速返回果机组主、辅机发生故障或事

8、故而产生快速返回(RB)、快速切回快速切回(FCB)、迫升、迫升(RU)、迫降、迫降(RD)、主燃料跳闸、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，等信号时，机组将自动地切换到手动方式运行，这时这时实际负荷要求指令将跟踪锅炉实际负荷指令实际负荷要求指令将跟踪锅炉实际负荷指令 B 。 2负荷的增加和减少负荷的增加和减少 提供运行人员增减负荷按钮，来指明机组提供运行人员增减负荷按钮，来指明机组“目标负荷指目标负荷指令令”的增加和减少。的增加和减少。 3最大最大/最小负荷限制最小负荷限制 提供机组最大提供机组最大/最小负荷限制值，运行人员可通过设定最小负荷限制值，运行人员可通过设

9、定器调整机组最大器调整机组最大/最小负荷限制值，限制值的增减直接最小负荷限制值，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。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当实际负荷指令等于由运行人员设置的最大/最小负荷最小负荷限制值时，设定器上的限制红灯点亮限制值时，设定器上的限制红灯点亮 . 4负荷变化速率限制负荷变化速率限制 提供机组最大负荷变化速率，运行人员可通过设定器调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

10、变化速率。它是对运行人员手动或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。是根据机组变负荷的能力而确定的。 5远方远方/就地控制就地控制 机组运行人员可操作按钮来选择就地机组运行人员可操作按钮来选择就地(Local)或远方或远方(Remote-ADS) 控制。控制。 在在“就地就地”控制时，运行人员可操作控制时，运行人员可操作“增加增加”和和“减少减少”按钮来改变按钮来改变“目标负荷指令目标负荷指令”。这时，。这时，“目标负荷指令目标负荷指令”将根据运行人员设定

11、的允许的最大变化速率来改变。将根据运行人员设定的允许的最大变化速率来改变。 在在“远方远方”控制时目标负荷指令将根据运行人员设定的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允许的最大变化速率响应ADS指令。指令。 6负荷快速返回负荷快速返回 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，必需迅速减负荷如果是锅炉侧主要辅机发负荷运行，必需迅速减负荷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，生故障，

12、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。下来。 负荷降低的幅度要看主要辅机故障的情况而定。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，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。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

13、设计了快速切回信号，以实现机组快速甩负荷。快速甩负荷。8负荷增负荷增/减闭锁减闭锁 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。量等运行参数的偏差增大。CCS设计了负荷增设计了负荷增/减闭锁信号，对减闭锁信号，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/减闭锁回路减闭锁回路根据偏差的方向根据偏差的方向，将对实际负荷指令实施

14、增或减方，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。值内才解除闭锁。9负荷迫升负荷迫升/迫降迫降 当有关的运行参数偏差超过了允许值，同时有关的控制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。则迫升输出已达到极限位置，不再有调节余地。则迫升/迫降迫降回路回路根据偏差的方向根据偏差的方向，将对实际负荷指令实施迫升，将对实际负荷指令实施迫升/迫迫降，使偏差回到允许值范围之内，从而达到缩小故障危降，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

15、害的目的 10负荷保持负荷保持/恢复恢复 是在各种控制方式下切换或发生负荷指令的迫升是在各种控制方式下切换或发生负荷指令的迫升/迫降迫降后，暂时维持切换前的负荷指令不变，待切换完毕后再后，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进行控制。二、机、炉主控制器二、机、炉主控制器二种指导思想，一种是以反馈控制为基础的，适当加入一二种指导思想，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，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

16、一致地达到所要求的负荷，反馈作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。用仅在此基础上起校正作用。二种分类方法，按反馈回路分类有以炉跟机为基础的控制二种分类方法，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。能量间接平衡控制方式和能量直接平衡的控制方式。（一）以炉跟机为基础的协调控制（一）以炉跟机为基础的协调控制 图图 13-7 以炉跟机为基础的协调控制系统示意图以炉跟机为基础的协调控制系统示意图+BTPT_+_NE+ N0锅炉控制

17、器锅炉控制器P0汽机控制器汽机控制器锅炉锅炉P0-PT汽机汽机_(a)+BTPT_+_NE+ N0锅炉控制器锅炉控制器P0汽机控制器汽机控制器锅炉锅炉P0-PT汽机汽机_PD(b) （二）以汽机跟随为基础的协调控制（二）以汽机跟随为基础的协调控制+图图 13-8 以机跟炉为基础的协调控制系统示意图以机跟炉为基础的协调控制系统示意图PD(b)_+BTPT_NE+ N0P0汽机控制器汽机控制器锅炉锅炉汽机汽机(a)锅炉控制器锅炉控制器PN0-NE_+BTPT_NE+ N0P0汽机控制器汽机控制器锅炉锅炉汽机汽机锅炉控制器锅炉控制器PN0-NESTSTKDDD1（三）按指令间接平衡的协调控制（三）按

18、指令间接平衡的协调控制(DIB) XPddtIP0X PIAAN0NE锅炉锅炉 汽机汽机+10kg/cm2-PTPT-10kg/cm2B图图 13-9(a) 间接平衡的协调控制系统示意图间接平衡的协调控制系统示意图_ sNPPKKPPsNNTIPTB00001锅炉燃烧率指令锅炉燃烧率指令NB为为 稳态时，主汽压力稳态时，主汽压力PT等于给定值等于给定值P0 ，锅炉的燃烧率指令等于负荷指令锅炉的燃烧率指令等于负荷指令N NBN0汽机控制器入口信号的平衡关系如下：汽机控制器入口信号的平衡关系如下： N0NE NE(P0PT)0 在动态过程中采用两个方法防止调速汽门动态开得过大。在动态过程中采用两个

19、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器的限定值，即当汽压超过规定值时(10公斤厘米公斤厘米2)限制汽面调速汽门进一步开大。限制汽面调速汽门进一步开大。第二个方法是引入第二个方法是引入(P0PT)的反馈信号，其目的是根据汽的反馈信号，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。动态开得过大。 按指令

20、间接平衡的协调控制的另一种方案按指令间接平衡的协调控制的另一种方案XPIP0D PIN0NE锅炉锅炉 汽汽机机+-PTPT_B图图 13-9(b) 间接平衡的协调控制系统示意图间接平衡的协调控制系统示意图T- NE_+_锅炉燃烧率指令为：锅炉燃烧率指令为： EITBNNsNKPPNsN000011在稳态时锅炉控制器保证在稳态时锅炉控制器保证NE = N0，若汽压偏差为零，若汽压偏差为零，NB= N0。 汽机侧的汽机侧的PI控制器可保证稳态时其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：输入端信号的代数和近似为零，即有： K(N0 NE) + (P0 PT) 0 或或 P0 PT K(

21、N0 NE) 可得可得 PT P0 K N 当当N0增加时增加时, N= N0 NE立即增加，相当于暂时减小压力给定立即增加，相当于暂时减小压力给定值值P0 K N。这时。这时PI控制器立即增大调节阀门的开度，增大实发控制器立即增大调节阀门的开度，增大实发功率。利用了机组蓄热能力。在一定范围内，功率。利用了机组蓄热能力。在一定范围内，K值反映了在一定值反映了在一定功率偏差下可利用的蓄热量的大小。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在稳态时汽机侧控制器保证PT = P0 。 负荷要求指令负荷要求指令N0作为前馈信号分别送到机、炉控制回路作为前馈信号分别送到机、炉控制回路,使

22、机炉使机炉同时改变负荷同时改变负荷,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，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

23、地消除扰动。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（四）按指令直接平衡的协调控制(DEB)TITTBPPsKPPsPPN0111锅炉燃烧率指令的形成如下式：锅炉燃烧率指令的形成如下式：DPP0DPIN0NE锅炉锅炉 +P1PT_B图图 13-10 直接平衡的协调控制系统示意图直接平衡的协调控制系统示意图IIT_+汽汽机机汽机控制器输入信号的平衡关系：汽机控制器输入信号的平衡关系：01010EIPNNsKPKNs 机侧设计两个反馈回路，即由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。由于作为反馈信号

24、的外回路。由于P1信号对汽机调节阀开度的响应比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。而动态过开，能提高汽机的负荷适应性。而(N0 NE)的积分则用来的积分则用来校正功率偏差，使稳态时功率偏差为零。校正功率偏差，使稳态时功率偏差为零。 炉燃烧率指令的前馈信号不是负荷指令炉燃烧率指令的前馈信号不是负荷指令N0，而是，而是P1PT 的能量的能量平衡信号。微

25、分项的作用在动态过程中加强燃烧率指令，以补偿平衡信号。微分项的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，机前压力等于给值。差压的积分项保证稳态时，机前压力等于给定值。定值。 能量平衡信号与功率给定值信号性质不同能量平衡信号与功率给定值信号性质不同. 功率给定值信号仅表示电网对机组的负荷要求功率给定值信号仅表示电网对机组的负

26、荷要求. 能量平衡信号反映了汽机对锅炉的能量要求。能量平衡信号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。衡的协调控制。 协调控制系统一些共同点：协调控制系统一些共同点：1。都为前馈。都为前馈反馈的协调控制系统，一般带有非线性控制环节。反馈的协调控制系统，一般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

27、协调控制。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，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，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，在控制过程中起在控制过程中起“粗调粗调”作用作用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，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。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