單元機(jī)組的協(xié)調(diào)控制-供參考

1、火電廠單元機(jī)組的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)淺析（東南大學(xué) 南京 211189）本文介紹了火力發(fā)電機(jī)組由母管制運(yùn)行到協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的發(fā)展，單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的基本組成部分，以及鍋爐跟隨，汽輪機(jī)跟隨，機(jī)爐協(xié)調(diào)三種負(fù)荷控制方式。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的發(fā)展；協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的組成部分；控制方式CCS of Unit Aircrew in Coal-fired Power Plants (SEU, Nanjing, 211198)This paper introduced the development from mother tube to CCS, the parts of CCS, and the three kinds

2、of control modes of BF, TF, and CCS.the development of CCS; the parts of CCS; control modes在單元機(jī)組的運(yùn)行過程中，引起被調(diào)量（如主蒸汽壓力、溫度）變化的原因是各種擾動(dòng)，而控制系統(tǒng)的任務(wù)則是要克服擾動(dòng)對(duì)被調(diào)量的影響，使被調(diào)量始終保持在生產(chǎn)過程允許或希望的范圍內(nèi)。機(jī)組運(yùn)行過程中經(jīng)常出現(xiàn)的最主要得擾動(dòng)之一是外界電負(fù)荷的變化。當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，就需要調(diào)整電網(wǎng)中運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷，即相應(yīng)地改變氣輪機(jī)進(jìn)氣量，以調(diào)整汽輪機(jī)的輸出功率，或相應(yīng)地改變鍋爐以及給水流量，以調(diào)整鍋爐的負(fù)荷。單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的發(fā)展如何

3、保證在維持機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的條件下，盡可能快速地響應(yīng)負(fù)荷的需求，始終是單元機(jī)組負(fù)荷控制的中心問題。在鍋爐和汽輪機(jī)以母管制方式運(yùn)行時(shí)，當(dāng)某臺(tái)機(jī)組的負(fù)荷需求改變時(shí)，由汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)改變調(diào)節(jié)汽門的開度，以適應(yīng)負(fù)荷需要，而由各臺(tái)并列運(yùn)行鍋爐保證母管汽壓。在這種情況下，汽輪機(jī)負(fù)荷變化初期完全依靠改變鍋爐的蓄能，而不是改變?nèi)紵逝c給水量。因此，當(dāng)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)汽門工作時(shí)，隨著輸出功率的變化，雖然母管汽壓也同時(shí)改變，但由于并列運(yùn)行鍋爐貯備能量相對(duì)較大，所以汽壓變化較小。這就允許汽輪機(jī)和鍋爐在負(fù)荷變化時(shí)相對(duì)獨(dú)立地進(jìn)行調(diào)節(jié)。隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和電力工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，為了提高機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，高參數(shù)、大容量的單元火力發(fā)電機(jī)

4、組在電網(wǎng)中所占的比例越來越大，母管制運(yùn)行的機(jī)組幾乎淘汰了。同時(shí)，電網(wǎng)因用電結(jié)構(gòu)變化，負(fù)荷峰谷逐步加大。因此，要求提高現(xiàn)代化大型單元機(jī)組帶變動(dòng)負(fù)荷能力，以迅速滿足電網(wǎng)負(fù)荷的負(fù)荷要求。在單元機(jī)組運(yùn)行過程中，鍋爐和汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組共同適應(yīng)外部電荷需要，也要共同保證內(nèi)部參數(shù)，特別是主蒸汽壓力的穩(wěn)定。單元機(jī)組的輸出功率與負(fù)荷要求是否一致反映了機(jī)組與外部電網(wǎng)之間能量供求的平衡關(guān)系；而主蒸汽壓力則反映了機(jī)組內(nèi)部鍋爐與汽輪發(fā)電機(jī)之間能量供求平衡關(guān)系。只有鍋爐燃燒產(chǎn)生的熱能與進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽帶走的熱能相平衡，主汽壓力才能穩(wěn)定。因此，就單元機(jī)組的負(fù)荷控制而言，鍋爐和汽輪發(fā)電機(jī)是一個(gè)不可分割的整體，是一個(gè)聯(lián)合的被控對(duì)

5、象。但是，鍋爐和汽輪發(fā)電機(jī)在響應(yīng)外界負(fù)荷時(shí)的動(dòng)態(tài)特性存在很大的差異。在單元機(jī)組內(nèi)部，鍋爐和汽輪機(jī)是相對(duì)獨(dú)立的對(duì)象，它們有各自的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。從控制負(fù)荷的角度看，它們的動(dòng)態(tài)特性很不一樣。鍋爐的動(dòng)態(tài)特性從燃燒率的改變到鍋爐出口壓力的改變，慣性很大；而汽輪發(fā)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)特性從蒸汽流量的改變到輸出功率的改變，慣性相對(duì)較小。即汽輪發(fā)電機(jī)響應(yīng)快而鍋爐負(fù)荷響應(yīng)慢。所以單元機(jī)組內(nèi)外兩個(gè)能量供求平衡關(guān)系互相制約，機(jī)組外部負(fù)荷需求的適應(yīng)性和機(jī)組內(nèi)部運(yùn)行參數(shù)穩(wěn)定性之間存在固有矛盾。反映在控制特性上，就是單元機(jī)組控制對(duì)象的兩個(gè)被調(diào)量機(jī)組輸出功率和主蒸汽壓力的控制之間存在矛盾。根據(jù)這一特點(diǎn)，單元機(jī)組在實(shí)施負(fù)荷控制時(shí)，必須很

6、好地協(xié)調(diào)機(jī)、爐兩側(cè)的動(dòng)作，合理地維持好內(nèi)外兩個(gè)能量供求平衡關(guān)系，以兼顧負(fù)荷響應(yīng)性能和內(nèi)部運(yùn)行參數(shù)穩(wěn)定兩個(gè)方面。具體來說，就是對(duì)內(nèi)保證主蒸汽壓力偏差在允許范圍內(nèi)，對(duì)外使單元機(jī)組有盡可能快的功率響應(yīng)和一定的調(diào)頻能力。當(dāng)然，主蒸汽壓力的相對(duì)穩(wěn)定是機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的標(biāo)志。機(jī)組只有運(yùn)行穩(wěn)定，才能有效控制負(fù)荷。所以，要保證主蒸汽壓力偏差在允許范圍內(nèi)的前提下，使機(jī)組的輸出功率盡快適應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷變化的需要，這就是單元機(jī)組負(fù)荷控制的任務(wù)。所謂“協(xié)調(diào)”，就是要協(xié)調(diào)機(jī)組內(nèi)、外能量平衡，以及壓力控制與功率矛盾的矛盾，以期得到滿意的控制過程。單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的基本組成與DEH的設(shè)定值形成的回路類似，在圖4-3中，負(fù)荷指令

7、P0不能直接引用外界負(fù)荷需求，P0的確定還必須考慮機(jī)組實(shí)際可能出力大小。同時(shí)，機(jī)爐主控制器輸出的PB與PT如何改變成燃燒率、給水流量和汽輪機(jī)調(diào)節(jié)冷門開度得變化，還必須有子系統(tǒng)與之配套，所以，單元機(jī)組實(shí)際使用的負(fù)荷控制系統(tǒng)（又稱主控系統(tǒng)）要比圖4-3所描述的基本系統(tǒng)復(fù)雜得多。單元機(jī)組負(fù)荷控制系統(tǒng)的組成框圖如圖4-4所示，它由負(fù)荷管理控制中心和機(jī)爐負(fù)荷控制系統(tǒng)兩大部分組成，機(jī)爐負(fù)荷控制部分又由機(jī)爐主控制器和鍋爐、汽輪機(jī)子系統(tǒng)組成。一般把機(jī)組負(fù)荷管理控制中心和機(jī)爐主控制器合起來稱為協(xié)調(diào)控制級(jí)，稱為CCS系統(tǒng)，而把鍋爐、汽輪機(jī)子控制系統(tǒng)稱為基礎(chǔ)控制級(jí)。但習(xí)慣上也把協(xié)調(diào)控制級(jí)和基礎(chǔ)控制級(jí)稱為CCS。由于

8、這些系統(tǒng)輸出的控制指令都是模擬信號(hào)，所以也稱為模擬控制系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱MCS。機(jī)組負(fù)荷管理控制中心（LMCC）又稱機(jī)組負(fù)荷指令處理裝置，其主要作用是：根據(jù)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)機(jī)組的外部需求指令PD（稱為目標(biāo)負(fù)荷指令），如電網(wǎng)中心調(diào)度的負(fù)荷調(diào)度（ADS）指令或者運(yùn)行人員設(shè)定的負(fù)荷指令進(jìn)行選擇和處理，形成機(jī)組主/輔設(shè)備負(fù)荷能力和安全運(yùn)行所能接受的機(jī)組實(shí)際負(fù)荷指令P0，作為機(jī)爐主控制器的機(jī)組功率給定值信號(hào)。當(dāng)機(jī)組參加電網(wǎng)一次調(diào)頻時(shí)，該功率給定值信號(hào)還需經(jīng)過電網(wǎng)頻差修正。所以，負(fù)荷控制中心是用來協(xié)調(diào)機(jī)組內(nèi)、外矛盾，也就是協(xié)調(diào)供與求的矛盾。機(jī)爐主控制器的主要作用是：接受機(jī)組實(shí)際負(fù)荷指令P0、機(jī)組實(shí)際功率PE、主蒸

9、汽壓力給定值信號(hào)P0和實(shí)際主蒸汽壓力PT等信號(hào)。根據(jù)機(jī)組運(yùn)行條件及要求，選擇合適的負(fù)荷控制方式；根據(jù)機(jī)組的功率偏差P（P0PE）和主蒸汽壓力偏差p(p0pT)進(jìn)行控制運(yùn)算，產(chǎn)生鍋爐主控負(fù)荷指令PB和汽輪機(jī)主控負(fù)荷指令PT，作為機(jī)爐協(xié)調(diào)控制動(dòng)作的指揮信號(hào)，分別送往鍋爐和汽輪機(jī)子控制系統(tǒng)?？梢?，機(jī)爐主控器協(xié)調(diào)的是機(jī)和爐的內(nèi)部矛盾。鍋爐、汽輪機(jī)的子控制系統(tǒng)，就是在前面已經(jīng)介紹過的基礎(chǔ)級(jí)控制系統(tǒng)。鍋爐的子控制系統(tǒng)包括：燃料量控制系統(tǒng)、送風(fēng)量控制系統(tǒng)、爐膛壓力控制系統(tǒng)、一次風(fēng)壓控制系統(tǒng)、二次風(fēng)量控制系統(tǒng)、過熱汽溫控制系統(tǒng)、再熱汽溫控制系統(tǒng)、給水控制系統(tǒng)等。汽輪機(jī)子系統(tǒng)包括汽輪機(jī)數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)DEH、除

10、氧器水位和壓力控制系統(tǒng)、凝氣器水位控制系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)氫氣冷卻控制系統(tǒng)、給水泵的密封水壓差壓和再循環(huán)流量控制系統(tǒng)等。負(fù)荷管理控制中心和機(jī)爐主控制器是機(jī)組的協(xié)調(diào)級(jí)，是機(jī)組負(fù)荷控制系統(tǒng)的核心，決定著機(jī)組變負(fù)荷的數(shù)量和變化速度，故直接將其稱為協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)；機(jī)爐子控制系統(tǒng)直接與控制對(duì)象相聯(lián)系，執(zhí)行協(xié)調(diào)級(jí)的指令，使燃燒量、送風(fēng)量、給水量、蒸汽流量等與負(fù)荷控制指令相適應(yīng)，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷控制的任務(wù)。因此，協(xié)調(diào)級(jí)和子系統(tǒng)的控制質(zhì)量都直接影響機(jī)組負(fù)荷控制的品質(zhì)，只有保證在都具備較高控制質(zhì)量的前提下，才可能有較高的負(fù)荷控制質(zhì)量，完成機(jī)組負(fù)荷控制任務(wù)。單元機(jī)組高級(jí)的控制方式單元機(jī)組高級(jí)的控制方式有三種，分別是鍋爐跟隨的負(fù)荷控

11、制方式、汽輪機(jī)跟隨的負(fù)荷控制方式和機(jī)爐協(xié)調(diào)的負(fù)荷控制方式，其中第三種方式較前兩種方式適用范圍更為廣泛。下面分別就三種方式進(jìn)行說明。鍋爐跟隨的負(fù)荷控制方式鍋爐跟隨的負(fù)荷控制方式(Boiler Follow Mode),簡(jiǎn)稱BF方式，這種方式是由鍋爐控制主汽壓力，由汽輪機(jī)來控制機(jī)組負(fù)荷。由于機(jī)組的發(fā)電量要與負(fù)載功率相適應(yīng)，當(dāng)負(fù)載需求功率變化時(shí)，機(jī)組出力必須與之相協(xié)調(diào)。以增加為例，功率偏差信號(hào)為正值，功率調(diào)節(jié)器受到該信號(hào)，處理后發(fā)出信號(hào)來開大汽輪機(jī)調(diào)節(jié)汽門，加大進(jìn)汽量來增加汽輪機(jī)輸出功。此時(shí)主汽壓力下降，壓力偏差信號(hào)為正值，主汽壓調(diào)節(jié)器變發(fā)出信號(hào)開大燃燒率調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，增加鍋爐供氣量，開增加主汽壓力。這

12、種方式由于鍋爐的熱慣性大，汽輪機(jī)的時(shí)間常數(shù)小，所以其雖然能在擾動(dòng)初期較快的適應(yīng)負(fù)荷，但其主汽壓力變化較大，造成機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定。使用情況： a.當(dāng)單元機(jī)組中的鍋爐設(shè)備正常運(yùn)行，機(jī)組的輸出功率受到汽輪機(jī)限制時(shí)。b.承擔(dān)變功負(fù)荷的機(jī)組，鍋爐蓄熱能力較大時(shí)。汽輪機(jī)跟隨的負(fù)荷控制方式汽輪機(jī)跟隨的負(fù)荷控制方式(Turbine Follow Mode),簡(jiǎn)稱TF方式，這種方式由汽輪機(jī)控制主汽壓力，由鍋爐控制機(jī)組負(fù)荷。該方式同樣以增加為例說明：當(dāng)增加，功率偏差信號(hào)為正值，功率調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)使燃燒率調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)開大，這樣鍋爐功率增加，主汽壓力增大，為了維持主汽壓力不變，主汽壓調(diào)節(jié)器輸出指令開大汽輪機(jī)調(diào)節(jié)汽門，增大汽

13、輪機(jī)進(jìn)汽量，使汽輪機(jī)輸出功增加，發(fā)電功率增加與相適應(yīng)。該方式的主汽壓力變化較小，對(duì)鍋爐的穩(wěn)定有利，但是由于鍋爐燃料量輸送及傳熱過程有較大滯后，使得機(jī)組輸出功率響應(yīng)有較大滯后，調(diào)頻能力差。適用情況：a.承擔(dān)基本負(fù)荷的單元機(jī)組。b.當(dāng)新機(jī)組剛剛投入運(yùn)行，經(jīng)驗(yàn)還不足時(shí)，采用這種方式可使機(jī)組運(yùn)行比較穩(wěn)定。c.當(dāng)單元機(jī)組中汽輪機(jī)運(yùn)行正常，機(jī)組輸出功率受到鍋爐限制時(shí)。機(jī)爐協(xié)調(diào)的負(fù)荷控制方式工作者們把上述兩種方式結(jié)合起來，取長補(bǔ)短，設(shè)計(jì)出了機(jī)爐協(xié)調(diào)的負(fù)荷控制方式(Coordinated Control System),簡(jiǎn)稱 CCS。當(dāng)外界要求機(jī)組增加出力時(shí)增加，功率偏差信號(hào)為正值，汽門開大，同時(shí)鍋爐功率增加，這樣，所引起的壓力變化比主汽壓力下降后在增大鍋爐功率（BF方式）所引起的壓力變化小得多。當(dāng)汽門開大，立刻會(huì)引起的下降，鍋爐雖然已經(jīng)加料，但反應(yīng)有一定延遲，因此還是會(huì)出現(xiàn)正的壓力偏差信號(hào)，該信號(hào)正向作用于鍋爐控制器，負(fù)向作用于汽輪機(jī)控制器抑制汽門的過分開大。此過程將成波動(dòng)狀遞減，并很