單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)

曹雪偉　周愛強

[摘 要]單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)把鍋爐、汽輪發(fā)電機組作為一個整體進行控制，采用了遞階控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，把自動調(diào)節(jié)、邏輯控制、連鎖保護等功能有機地結(jié)合在一起，構(gòu)成一種具有多功能控制功能，滿足不同運行方式和不同工況下控制要求的綜合控制系統(tǒng)。

[關(guān)鍵詞]協(xié)調(diào) 控制 系統(tǒng)

一、單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的概述

（一）協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的概念

單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)把鍋爐、汽輪發(fā)電機組作為一個整體進行控制，采用了遞階控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，把自動調(diào)節(jié)、邏輯控制、連鎖保護等功能有機地結(jié)合在一起，構(gòu)成一種具有多功能控制功能，滿足不同運行方式和不同工況下控制要求的綜合控制系統(tǒng)。

1．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),它是建立在汽機控制子系統(tǒng)和鍋爐控制子系統(tǒng)基礎(chǔ)上的主控系統(tǒng)和機、爐子控制系統(tǒng)組成的二級遞階控制系統(tǒng)。處于調(diào)節(jié)級的主控系統(tǒng)是協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的核心，它對負荷指令進行運算處理形成控制決策，給出汽機負荷指令和鍋爐負荷指令。處于局部控制級的各子系統(tǒng)在機爐主指令下分工協(xié)調(diào)動作，完成給定的控制任務(wù)。

隨著電網(wǎng)運行自動化水平的提高，以單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，構(gòu)成電網(wǎng)級協(xié)調(diào)控制與管理已成為電力生產(chǎn)過程自動化的發(fā)展趨勢。

對單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)功能上的基本要求有以下幾個方面：

（1）當外界負荷需求改變時，機爐協(xié)調(diào)動作使單元機組的輸出功率盡快地滿足外界負荷需求；與此同時保證機組主要運行參數(shù)在允許范圍內(nèi)變化。

（2）當部分主要輔機故障或其他原因造成機組處理不足時，應(yīng)能自動按規(guī)定的速率將機組承擔的負荷降低到適當水平繼續(xù)運行。在任意主要輔機工作到極限狀態(tài)或主要運行參數(shù)的偏差超過允許范圍時，應(yīng)對負荷指令進行方向閉鎖或迫降，以防止事故發(fā)生。

（3）具備多種運行方式可供選擇，以適應(yīng)機組的不同工況需要。

（4）系統(tǒng)要方便于運行人員的干預(yù)，如進行運行方式的切換，進行手動操作等。

以上要求由單元機組主控系統(tǒng)的功能來實現(xiàn)。單元機組主控系統(tǒng)分為兩大部分，它由負荷指令處理回路和機爐主控制器組成。

2．單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的特點

在單元機組負荷控制的問題上，采用協(xié)調(diào)控制可以說是使電力生產(chǎn)過程自動化水平上了一個新臺階，其特點可歸納如下：

（1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)先進。采用遞階控制結(jié)構(gòu)，在機爐子控制回路基礎(chǔ)上引入機爐協(xié)調(diào)級，把鍋爐、汽輪機、發(fā)電機組作為一個整體加以控制。能直接接收電網(wǎng)中調(diào)指令，為實現(xiàn)電網(wǎng)自動調(diào)度和協(xié)調(diào)控制奠定了基礎(chǔ)。

（2）控制策略合理。機爐主控制器的設(shè)計中根據(jù)機爐動態(tài)特性方面的特點引入前饋、補償及變結(jié)構(gòu)控制等技術(shù)，克服系統(tǒng)的耦合和非線性因素，因而可獲得良好的控制品質(zhì)。

（3）系統(tǒng)功能完善。除正常功能調(diào)節(jié)外，還具備局部故障處理，各種運行方式切換、選擇等管理功能。由于目前采用先進的分散控制系統(tǒng)實現(xiàn)，完備的畫面顯示功能，報警打印功能以及人機接口等形成先進的自動化系統(tǒng)。

二、單元機組協(xié)調(diào)控制策略

根據(jù)機組的容量、控制對象動態(tài)特性的特點、控制系統(tǒng)功能要求的不同等組成的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的方案各異，將協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進行分類，一般有兩種分類方法。

（一）按反饋回路分類

1．汽機跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)

汽機跟隨控制方式的特點是功率改變時，功率響應(yīng)緩慢而汽壓波動小，不能充分利用鍋爐的蓄熱量。要想改善這種控制系統(tǒng)的功率響應(yīng)特性，必須設(shè)法利用鍋爐蓄熱量，為此，在汽機跟隨控制方式的基礎(chǔ)上，允許汽壓在一定范圍內(nèi)波動，構(gòu)成以汽機跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。

2．以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)

這種協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是在原有的鍋爐跟隨控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加一個非線性元件形成的。早期多采用以汽機跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，但其負荷跟蹤性能較差。近年來，為了進一步提高負荷跟蹤的快速性，以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)越來越受到人們的重視。

（二）按前饋回路分類

單元機組負荷控制系統(tǒng)的任務(wù)之一是保證汽機鍋爐之間能量供求關(guān)系的平衡。為了改善控制系統(tǒng)的性能，在上述兩種反饋回路的基本方案基礎(chǔ)上，增設(shè)了前饋回路，使機爐之間能量平衡關(guān)系在將要失去平衡或者不平衡剛剛發(fā)生的時候，即可按照機爐雙方的特性，采用適當?shù)那梆佇盘枺鼓芰康氖Ш庀拗圃谳^小的范圍之內(nèi)。

下面分析兩種基本的前饋回路方案：

1．間接能量平衡的協(xié)調(diào)控制策略

這種系統(tǒng)的特點是用指令間接平衡機爐之間的能量關(guān)系，屬于以汽機跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。汽機調(diào)節(jié)器 PI 的任務(wù)是維持機前壓力 PT等于給定值PO，但在變化過程中，還要利用功率偏差（NONB）信號修正汽壓給定值，以便利用鍋爐的蓄熱量。

2．直接能量平衡的協(xié)調(diào)控制策略

直接能量平衡的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是一種以汽輪機能量需求信號直接對鍋爐輸入能量進行控制的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。這種協(xié)調(diào)方式的基本出發(fā)點是在任何情況下均保證鍋爐能量的輸入與汽輪機能量的需求平衡。

直接能量平衡協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式和方法有許多種：

（1）以（P1/PT）P0為能量平衡信號的協(xié)調(diào)系統(tǒng)

這種系統(tǒng)的一個主要特點是采用能量平衡信號 P1/PT取代功率給定信號NO，作為鍋爐控制回路的前饋信號，其中 P1為汽機第一級后的汽壓，PT為機前壓力，兩者的比值 P1/PT與汽機調(diào)節(jié)閥開度成正比，無論什么原因引起的調(diào)節(jié)閥開度變化，P1/PT 都能對調(diào)節(jié)閥開度微小的變化做出靈敏的反應(yīng)。所以，無論在動態(tài)還是在靜態(tài)，P1/PT 都反映了調(diào)節(jié)閥的開度，即汽機輸入的能量。汽壓的比值乘以主汽壓力定值 P0(P1/PT)，可表示汽輪機向鍋爐索求能量的需求信號，這一信號建立了汽輪機負荷和調(diào)門開度之間正確的比例關(guān)系，不受鍋爐側(cè)擾動的影響。它可以替代功率信號作為燃料信號的給定值。

以P1作為反饋信號的內(nèi)回路，由于P1不僅與機組負荷成正比，而且對汽機調(diào)節(jié)閥的動作響應(yīng)很快，所以汽機調(diào)節(jié)閥能迅速而平穩(wěn)地響應(yīng)負荷指令的變化。此外，P1作為汽機閥位控制器的反饋信號，可有效地克服鍋爐側(cè)擾動對機組輸出功率產(chǎn)生影響。

在該系統(tǒng)中機組實發(fā)功率Ne由汽機控制器保證，機前壓力PT由鍋爐控制器保證。因此，它是在鍋爐跟隨基礎(chǔ)上加入以（ P1/PT）P0為前饋信號的直接能量平衡協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。

（2）以P1[1+k（P0- PT）] 為能量平衡信號的協(xié)調(diào)系統(tǒng)

以P1[1+k（P0- PT）] 作為鍋爐的前饋信號，除了代表汽機能量需求的P1外，加入機前壓力偏差（P0- PT）的修正，即可以滿足機組穩(wěn)態(tài)時的能量平衡要求，又能滿足機組動態(tài)過程能量要求。

鍋爐側(cè)，壓力調(diào)節(jié)器PIb為比例積分作用，穩(wěn)態(tài)時機前壓力PT等于給定值P0。前饋控制回路輸出信號P1[1+k（P0- PT）]經(jīng)f（t）、f（x）處理形成。f（t）為實際微分環(huán)節(jié)和一階慣性環(huán)節(jié)的迭加，微分處理目的是前饋作用在機組負荷變化初期階段有一定過調(diào)，以利于克服鍋爐對象的慣性；慣性作用可使輸出曲線峰值前后移動；合理整定f（t）的參數(shù)，可使鍋爐前饋控制作用具有更為理想的動態(tài)特性。函數(shù)f（x）的作用是將前饋信號轉(zhuǎn)化為與鍋爐燃燒率相匹配的信號。

它是在鍋爐跟隨基礎(chǔ)上加入以P1[1+k（P0- PT）]為前饋信號的直接能量平衡協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。