1、1协调控制系统直接能量平衡方法研究摘要：随着近些年来火电厂领域科技的不断成熟与创新，单元机组容量一步步由之前 300MW 为主逐渐发展到 600MW 机组的广泛采用。同时，DCS 系统在火电厂的成功应用也大大提高了火电厂控制领域的自动化水平。本文主要针对汽包炉式单元机组协调控制系统进行简要分析。通过针对主要汽包炉火电厂单元机组控制动态特性分析，充分考虑当前火电厂当前主要的运行模式，引入直接能量平衡算法概念，建立在直接能量平衡能量信号计算方式下机组协调控制的数学模型，阐述这种控制方式下的具体方法策略的同时分析其控制性能与其改进的方向。 关键词：火电厂；协调控制；直接能量平衡； 引言 负荷协调控制
2、系统（Coordinated Control System）作为满足电厂负荷变化要求的先进控制系统，是上个世纪末我国才引进的火电站控制技术，它的主要功能是把电厂主要设备锅炉部分与汽机部分整合为统一的被控对象。以实现对机组负荷、锅炉主汽压力的整体控制，达到锅炉风、水、煤的协调动作。协调处理电网负荷需求与机组实际出力、锅炉燃料输入与汽轮发电机输出功率以及机组各子控制回路间的平衡。在保证机组具备快速负荷响应能力的同时，维持机组主要运行参数的稳定。其主要调节回路包括：负荷指令处理回路、主汽压力设定回路、锅炉主控器回路、汽机主控制器回路。淮北第二电厂 2300MW 单元机组，采用2WDPF 分散控制系统
3、作为控制设备，自动化水平高，在机组负荷控制方面功能也相对全面。在下文各节中，将通过对该机组主要闭环控制系统的设计思想对其采用协调控制系统进行分析。 1、DEB 直接能量平衡原理 直接能量平衡（Direct Energy Balance 即 DEB）协调控制系统是由美国原 Leeds&Northrup 公司创立的专有技术。其主要设计思想是选用汽轮机调节级压力（P1）与汽轮机机前压力（Pt）之比乘以机前压力的设定值（Ps）用作汽轮机对锅炉的能量需求信号，即直接能量平衡信号（） 。该信号以动态前馈及控制指令的形式控制锅炉的燃料量。直接能量平衡下得主要基础还是在于代表了汽机调门的开度，在一定的参数下，
4、汽机调门开度的变化反应了汽机进气量的变化，同时也反应了汽轮机对锅炉能量需求的变化。而采用信号来检查测量汽机调门的开度，其相应速度快，可克服直接测量阀位存在的死区和非线性影响。机前压力定值的变化，会反应锅炉被控参数对锅炉输入量需求的变化。因此可以反映负荷对锅炉燃烧的需求，也能满足主汽压力对燃烧的需求量。而当燃料量变化时，由于调节级压力和机前压力对燃料的相应速度基本一致所以使基本不变，这样就仅仅反应了负荷对锅炉燃烧热量的基本需求，而不反应燃料量的变化。因此可以作为燃料需求指令的基本条件。同时在汽机调门不变的条件下，维持一定，改变压力设定值即改变的锅炉的燃料指令，从而达到控制负荷的目的。 2、协调控
5、制系统的具体应用 2.1 运行方式 3单元机组负荷协调控制系统一般有下列几种运行方式： （1）手动方式： 汽机指令和锅炉指令都是手动发出，此时，运行人员兼顾汽压和负荷，手动调节汽机指令（调门开度指令）及锅炉指令，使压力基本稳定，并使机组负荷按照电网需要变化。 （2）机跟炉方式（汽机跟随锅炉）： 锅炉侧根据电网需求来调节锅炉指令（增/减燃烧率） ，而汽机则根据主汽压力的变化，自动调节汽机调门开度。可以看出，这种方式下，当外界需要机组增加负荷时，锅炉开始加强燃烧，压力渐渐升高，汽机则根据压力升高情况，自动地调整汽机指令，渐渐开大调门开度，负荷随之增加，由于锅炉响应较慢，所以使负荷增加得较慢，但是由
6、于汽机调门变化对压力的影响较快，所以压力显得十分稳定。该方式的特点是：压力稳定，但负荷响应慢。 （3）炉跟机方式（锅炉跟随汽机）： 汽机侧根据电网负荷需求来调节汽机调门开度，而锅炉则根据主汽压力的变化自动地调整燃烧。当外界负荷需求增加时，汽机可以很快地升高机组的负荷，但压力将下降，由于锅炉惯性较大，它虽然根据压力变化进行调节，但压力难以很快补上来，可能导致压力下跌较多。该方式的特点是：负荷响应快，但压力不稳定。 （4）协调控制方式（即 CCS 模式）： 协调方式则是综合机跟炉和炉跟机方式的优点，尽可能地克服它们的缺点。协调方式下，机、炉主控都将处于自动方式，即机指令和炉指4令都是自动调整的。协
7、调控制方案较多：例如同时将外界负荷变化指令送达机侧和炉侧；采用直接能量平衡信号（DEB） ；进行压力限制；采用各种前馈、微分环节，用以改善系统特性。 2.2 协调控制系统的构成及功能 协调控制系统主要由三部分构成：负荷指令的形成；压力定值的形成；机、炉主控制指令的形成。此外，还有一个功能全面的逻辑控制系统，用来实现方式切换和跟踪等功能。 2.2.1 负荷指令的形成 正常情况下负荷指令的形成（CCS 方式下）指令的来源由运行人员手动给定或者来自自动调度系统。当投入自动发电控制后，机组将由电网调度发出的负荷指令直接控制。机组主控站投自动意味着自动调度系统的投入。但是当汽机主控站在手动或锅炉主控站在
8、手动，机组主控站不能投自动。另外也要考虑调度系统故障或不可用的（例如来自调度系统的遥调信号质量坏、遥调信号不在正常范围等）以及出现 RD、RU、RB、机组负荷指令 LDC OUT 超过高限等情况。如图 1： 上述构成的负荷指令还不能直接用于 CCS 的负荷指令，它还要受到下列限制：负荷变化速率限制（速率可以由运行人员设定） ；负荷指令受到最大负荷、最小负荷的限制；当不在 CCS 方式时，机组负荷指令跟踪实发功率信号。当出现异常情况时，例如当出现 RD/RU/RB 时，负荷指令按照事先规定好的 RD/RU/RB 速率改变。 2.2.2 主汽压力设定值的形成 如图 2，机组主汽压力可以由运行人员从
9、燃料主控站（即锅炉主控站）5上设定。当要求机组以滑压运行方式运行时，压力定值将根据负荷指令自动设定。 如何选择滑压方式？当在 CCS 方式，或在 BF 方式时，只要主汽压力与其设定值没有大的偏差，一般情况则可进入滑压方式。不在 CCS 或 BF方式，或在出现 RD、RU、RB 时，将退出滑压运行方式。另外，选择定压方式时，则退出滑压运行方式，进入定压运行方式。无论是手动给定，还是根据运行人员的给定，都要经过一个速率限制以及最大、最小限制。当在手动方式时或旁路打开时，压力定值将跟踪实际压力。 2.2.3 机、炉控制指令的形成及 DEB 直接能量平衡的应用 （1）锅炉指令 当锅炉主控投自动后，有两
10、种情形： A、若汽机主控站在手动，则为 BF 方式（炉跟机方式） B、若汽机在自动，则为 CCS 方式（协调方式） 不管是上述哪种情形，此时，都由锅炉侧自动调节主汽压力，锅炉指令的形成原理如图 3 所示。这里有两种做法。 第一种是采用锅炉主汽压力控制器。将主汽压力测量值（三测量）与主汽压力设定值求偏差，在锅炉主汽压力控制器中进行 PI 运算，其输出为锅炉指令 BD，主汽压力控制器最终使得主汽压力 Pt 等于主汽压力设定值 PS。为了提高锅炉的负荷响应速度，改进压力调节品质，将机组的负荷指令用作锅炉指令的前馈信号，而且采用了一个超前环节。 另外一种就是采用 DEB 即直接能量平衡信号。要使汽压稳
11、定，最好能做到锅炉的能量输入始终与锅炉的能量输出相平衡。锅炉的能量输出6一般就是指汽机的能量输入，而汽机能量输入可以用汽机一级压力 P1 来表示，所以可以考虑用 P1 信号直接控制锅炉指令，但仅用 P1 是不够的，它可能产生正反馈影响。例如，由于锅炉自身扰动，燃烧短暂加强，这会使 Pt 上升，又会使 P1 上升，按照上述设计，锅炉侧则理解为汽机所需要的能量增加了，这就会使锅炉指令再增加，结果使 Pt 继续上升。所以这样的设计是不稳定的，应进行改进。 汽机的能量需求，应体现在对汽机阀门的开度变化上。在某一主汽压力 Pt 下，调门开度越大，调节级压力 P1 越大，或者说，调门开度与成比例。在当前要
12、求的主汽压力下，汽机的能量需求应为调门开度主汽压力设定值，即。锅炉应根据这个需求增加锅炉指令 BD，才能使锅炉的能量输入与输出能量相平衡，显然用这个信号具有直接和快速的优点。所以被称为直接能量平衡信号 DEB。为了改善动态品质，所以采用了直接能量平衡 DEB 微分信号与其 DEB 本身叠加，最终成为锅炉指令 BD。另外，这里没有了锅炉主汽压力控制器，压力还能维持在定值上，从图 4 中 可见，此时，锅炉指令 BD 为，这个指令经交叉限制后，成为即燃料指令，与 HR 求偏差后进行 PI 运算，并输出给粉机指令。因此最终应有（2）汽当汽机主控站投自动时，又有两种情形： A、锅炉主控在手动。此时为单纯
13、的汽机跟随方式方式，汽机将自动维持主汽压力，主汽压力 Pt 与其设定值 Ps 求偏差，然后交给汽机主汽压力控制器运算，输出指令去汽机，最终使 Pt=Ps。 B、若锅炉主控也投自动，此时为 CCS 方式，主汽压力将由锅炉主控去调，汽机侧将根据机组负荷及负荷指令调节。测量到的实际 MW 与设定7值求偏差，并由汽机功率（MW）控制器进行 PI 运算，其输出去控制汽机负荷基准，继而改变机组负荷。 为了提高负荷响应速度，将负荷指令用作汽机主控指令的前馈信号。可以看出，这里的 CCS 方式特点是机调功，炉调压，即 CCS 是建立在 BF基础之上的。而采用 DEB 信号可以大大改善压力调节品质。但仍需注意负
14、荷需变化过大，或其它特殊情况的发生。 结论 综上所述，汽机跟锅炉为基础的协调控制系统采用的是汽机控压力，锅炉控负荷的运行方式，这种控制方式由于充分利用了汽机调门动作对压力响应快的特点，因此能很好的控制机组压力，但由于锅炉的燃烧特性比较慢，因此机组对负荷的响应比较慢。在系统整体设计上，直接能量平衡提高了锅炉的响应性，将机组指令信号以前馈的形式作用到锅炉控制，以加大前馈量的方式提高锅炉对负荷的响应性。对于整个系统的控制目的和控制品质起到了至关重要的作用。 参考文献 l王付生.热工自动与保护M.北京：中国电力出版社，2009. 2孙奎明，时海刚.热工自动化M.北京：中国电力出版社，2006. 3齐宪
15、华，王硕.协调控制系统几种方案的分析J.制造业自动化，2010，32（12）. 4刘吉臻.协调控制与给水全程控制M.北京：中国电力出版社，1995. 5房方.单元机组协调控制系统的先进控制策略研究D.北京：华8北电力大学，2005. 6肖寒，马平，刘建国.300MW 机组 MCS 系统优化设计及应用J.重庆电力高等专科学校学报，2009，14（4） 7李遵基.热工自动控制系统M.北京：中国电力出版社，2004. 8郭颖，吕剑虹，张铁军.热力过程控制系统多目标优化及其在机炉协调控制中的应用研究J.热力发电，2008，37（2）. 9朱小娟，高庆忠，来福圣.基于自适应混合遗传算法的协调控制系统【J】.自动化与仪器仪表，2009（3）. 作者简介 郝江波，男， （1985-） ，硕士研究生，研究方向为控制理论与控制工程。 梁伟平，男，副教授，华北电力大学自动化系。
