1、单元机组协调控制系统讲 义2005 年 9 月2单元机组协调控制系统什么是控制？什么是控制系统？“协调”的含义是什么？单元机组协调控制系统的任务和要求是什么？如何进行协调？1 单元机组协调控制的基本概念1.1 单元机组负荷控制的特点一、单元机组自动控制的基本任务.维持机组输出功率 PE为给定值 P0-外界对机组的负荷需求-外部需求.维持主汽压力 pT为给定值 p0-机组安全运行的基本要求-内部要求主汽压力是表征机组运行是否稳定的标志在单元机组的运行过程中，引起被调量变化的原因是各种扰动。而控制系统的任务则是要克服扰动对被调量的影响，使被调量始终保持在生产过程允许或希望的数值。单元机组运行过程中
2、经常出现的最主要的扰动之一是外界电负荷的变化。当电网负荷发生变动时，就需要相应地调整电网中运行的发电机组的负荷，即相应地改变汽轮机进汽量、以调整汽轮机的输出功率；相应地改变锅炉的燃烧率以及给水流量、以调整锅炉的负荷。如何快速地响应外界负荷的需求，同时尽可能地保持机组稳定运行始终是单元机组负荷控制的中心问题。二、单元机组负荷调节特点在单元机单元组运行过程中，锅炉和汽轮发电机组共同适应外部负荷需要，也要共同保证内部参数、主要是主蒸汽压力的稳定。单元机组的输出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；而主蒸汽压力则反映了机组内部锅炉与汽轮发电机之间能量供求的平衡关系。只有锅炉
3、燃烧产生的热能与进入汽轮机的蒸汽带走的热能相平衡，主汽压力才能稳定。因此，就单元机组的负荷控制而言，锅炉和汽轮发电机是一个不可分割的整体，是一个联合的被控对象。 但是，锅炉和汽轮发电机在响应外界负荷时的动态特性存在很大差异。在单元机组内部，锅炉和汽轮机是相对独立的对象，它们有各自的调节机构。从控制负荷的角度看，它们的动态特性很不一样。 .锅炉的动态特性从燃烧率 的改变到锅炉出口压力 的改变，惯Bp性 很大；bT.汽轮发电机组的动态特性从蒸汽流量 的改变到输出功率)(G的改变，惯性 相对较小。EPtT汽轮发电机负荷响应快而锅炉负荷响应慢。所以单元机组内外两个能量供求平衡关系互相制约。即外部负荷响
4、应性能与内部运行参数稳定性之间存在固有的矛盾。反映在控制特性上，就是单元机组控制对象的两个被调量机组输出功率和主蒸汽压力的控制之间存在矛盾。根据这一特点，单元机组在实施负荷控制时，必须很好地协调机、炉两侧的控制动作，合理地保持好内外两个能量供求平衡关系，以兼顾负荷响应性能31-1 单元机组的动态特性和内部运行参数稳定两个方面。具体来说，就是对外保证单元机组尽可能有较快的功率响应和一定的调频能力；对内保证主蒸汽压力偏差在允许范围内。主蒸汽压力的相对稳定是机组稳定运行的标志。机组只有运行稳定，才能有效控制负荷。所以，要在保证主蒸汽压力偏差在允许范围内的前提下，使机组的输出功率尽快适应电网负荷变化的
5、需要。这就是单元机组负荷控制的任务。所谓“协调”，就是要协调机组内、外能量平衡，以及压力控制与功率控制的矛盾，以期得到满意的控制过程。1.2 单元机组负荷控制方式一、锅炉跟随的负荷控制方式单元机组锅炉跟随负荷控制的方式，简称 BF 方式。当负荷要求 PS 改变时，首先改变汽轮机调节汽门的开度，以改变汽轮机的进汽量，使发电机的输出功率 PE 迅速与负荷要求相适应。当汽轮机调节汽门开度变化的同时，锅炉出口主蒸汽压力 pT 随即改变，通过汽压调节器改变加入锅炉的燃料量、送风量和给水量。这种由汽轮机来控制机组的输出功率，而锅炉调节汽压的方式也就是常规的机、炉分别控制方式。在负荷要求改变时，汽轮发电机组
6、输出功率的改变很大程度上依靠锅炉的蓄热。1、控制分工：锅炉控制主汽压力，汽轮机控制机组负荷。2、控制特点:因为锅炉热惯性大，汽轮发电机时间常数小，所以这种方式虽能较快适应负荷，但汽压变动较大。在大型单元机组中，锅炉的蓄热能力相对减小，对于较小的负荷变化，在汽压允许的变化范围内，充分利用锅炉的蓄热以迅速适应负荷是有可能的，对电网的频率控制也是有利的。但是，在负荷需求变化较大时，汽压变化就太大，会影响机组的正常运行。对直流炉而言,热惯性较小,但蓄热能力也小,负荷变动时燃烧率调节不及时，或燃水比失衡，将引起汽压汽温大幅波动。3、适用场合 当单元机组中的锅炉设备正常运行，机组的输出功率受到汽轮机限制时
7、； 承担变动负荷的机组，锅炉蓄热能力较大时。1-2 锅炉跟随的负荷调节方式锅炉跟随的负荷调节方式也叫锅炉跟随汽轮机方式，由于这种方式机组负荷由汽轮机决定，所4以又称为汽机基本的负荷控制方式，简称 TB 方式。 二、汽机跟随的负荷控制方式汽机跟随的控制方式简称 TF 方式。当外界负荷突然增加时，给定功率信号 PS 增加，首先是锅炉的控制信号增大，即功率控制器的输出增大，增加燃烧率。随着炉内燃烧加强，主汽压力pT 升高，为了维持主汽压力不变，主汽压力调节器输出指令开大汽轮机调节汽门，增大汽轮机的进汽量，以增加汽轮发电机的输出功率 PE，使发电机输出功率与给定功率 PS 逐步平衡。1、控制分工：锅炉
8、控制机组负荷，汽轮机控制主汽压力。2、调节特点：用控制汽轮机调节汽门开度来保持主汽压力，主汽压力变化小，这对锅炉运行的稳定有利。但是汽轮发电机出力必须等待主汽压力升高后才能增加上去，由于锅炉燃料量输送、燃烧及传热过程较大的延迟，而使机组输出功率响应有较大的延迟。这样，对发电机出力控制的反应就比较慢，这对电力系统的负荷控制与频率调整是不利的。3、适用场合：汽机跟随的负荷控制方式一般用于下列情况：承担基本负荷的单元机组；当新机组刚投入运行，经验还不足时，采用这种方式可使机组运行比较稳定。当单元机组中汽轮机运行正常、机组输出功率受到锅炉限制时，也可采用汽机跟随的负荷控制方式。1-3 汽机跟随的负荷调
9、节方式汽机跟随的负荷调节方式也叫汽机跟随锅炉方式，由于这种方式机组负荷由锅炉决定，所以又称为锅炉基本的负荷控制方式，简称 BB方式。 三、机炉协调的负荷控制方式上述两种控制方式中，由于机炉分别承担负荷调节和压力调节的任务，因而没能很好地协调负荷响应的快速性和机组运行的稳定性之间的矛盾。锅炉跟随方式虽然对电网负荷变化的有较快的响应，但动用锅炉蓄热量过大时，会使主汽压力产生大幅度波动，造成机组运行不稳定；而汽机跟随控制方式，根本不利用锅炉的蓄热量，汽压可以十分稳定，但负荷响应太慢，不能及时满足电网负荷需求，调频能力差。能否适度利用锅炉蓄热，在保证不致使汽压产生大幅度的波动的前提下，最大限度地满足外
10、界负荷变动的需求呢？机炉协调的负荷控制方式就是为了解决这个问题而提出的。把锅炉、汽轮机视为一个整体，把上述两种负荷控制方式结合起来，取长补短，使整个机组的实发功率能迅速响应给定功率变化的同时，又能保持锅炉产生的蒸汽的变化量与汽机输入蒸汽的变化量及时平衡，维持主汽压基本稳定。这种能将功率控制与压力控制结合起来的系统是比较理想的控制系统，即协调控制系统，或称机炉协调负荷调节方式，简称 CCS 方式，或 COORD 方式。在机炉协调的负荷调节方式中，锅炉与汽机的调节器同时接受机组功率与压力的偏差信号。在稳定工况下，机组的实发功率等于给定功率，主汽压力等于给定汽压，其偏差信号为零。当外界要求机组增加出
11、力时，给定功率 PS 增加，出现正的功率偏差信号，它加到汽机控制器，会使汽轮机调节汽门开大，增加汽轮发电机组的出力，使输出功率 PE 增加；功率偏差信号加到锅炉控制器，使锅炉燃烧率在汽机调门开大的同时也相应地增加，以提高锅炉的蒸发量。毫无疑问，这比锅炉跟随的负荷调节方式要等到汽压下降后才增加燃料，5所引起的压力变化要小得多。汽轮机调节汽门开大时，会立即引起主汽压力 pT 的下降，这时锅炉虽已增加了燃料，但锅炉汽压的变化是有一定延迟的，因而此时会出现正的压力偏差信号(实际汽压 pT 小于给定汽压 p0)。压力偏差信号按正方向加在锅炉控制器上，促使燃料加得更多；压力偏差信号按负方向作用在汽轮机控制
12、器上，因而产生关小调节汽门的指令，抑制了调节汽门的过份开大，有效防止汽压大幅度波动。正的功率偏差使汽机调门开大，而开大的结果导致产生正的压力偏差，正的压力偏差作用于汽机调节器又使该阀门关小。因此这两个偏差信号对汽机调节汽门作用的结果是力图使调节汽门开大一定程度后继续开大受到一定限制。这就是说，当外界负荷需求增加时，调节汽门在功率调节信号作用下迅速开大，机组利用锅炉蓄热及时响应负荷需求，而当锅炉蓄热的利用导致汽压明显下降时，主汽压信号的作用就抑制了调节汽门的过调，从而防止主汽压大幅度的变化，这就从一个方面体现了协调控制的基本思想显然，上述情况是不能长时间维持下去的。因为此时功率偏差信号和压力偏差
13、信号均使锅炉燃料量加大，经过定时间延迟后，主汽压力将升高，压力偏差信号将逐渐消失。同时汽轮机调节汽门在功率偏差和逐步上升的主汽压力信号作用下，将继续开大，以提高机组出力，使功率偏差逐渐减小。最后功率偏差与压力偏差均趋于零，机组在新的出力下达到新的平衡状态。由于功率调节信号是同时作用于汽轮机和锅炉的，所以它比锅炉跟随方式有更快的功率响应。从协调控制方式的上述动作过程可以看出，这种控制方式一方面利用调节汽门动作，在锅炉允许的汽压变化范围内，利用锅炉的一部分蓄热量，适应负荷的需要；另一方面又向锅炉迅速补进燃料(压力与功率偏差信号均使燃料量迅速变化)。通过这样的协调方式，单元机组实际输出功率能迅速响应
14、给定功率的变化，又能保持主汽压的相对稳定。1-4 机炉协调负荷调节方式当单元机组正常运行需要参加电网调频时，应采用机炉联合的协调控制方式。为了适应单元机组的不同运行工况，单元机组的负荷调节系统应当考虑同时具备几种调节方式的可能，以便运行人员可根据机组运行实际，任意选择其中一种调节方式。所谓机炉协调，就是要在保证主蒸汽压力偏差在允许范围内的前提下，使机组的输出功率尽快适应电网负荷变化的需要。机、炉究竟是如何协调的？首先看控制系统的组成？P 0 应如何选择？13 单元机组负荷控制系统的基本组成单元机组实际使用的负荷控制系统(又称主控系统) 要比图 1-4 所描述的基本系统复杂得多。单元机组负荷控制
15、系统的组成框图如图 1-5 所示，它由负荷管理控制中心和机炉负荷控制系统两大部分组成，机炉负荷控制部分又由机炉主控制器和锅炉、汽轮机6子系统组成。一般把机组负荷管理控制中心和机炉主控制器合起来称为协调控制级，简称 CCS 系统，而把锅炉、汽轮机子控制系统称为基础控制级。但习惯上也把协调控制级和基础控制级统称为 CCS 系统。由于这些系统输出的控制指令都是模拟量信号，所以也称为模拟量控制系统，简称 MCS。1、负荷管理控制中心(LMCC)的作用主要作用：根据机组运行状态，对目标负荷指令 Pd进行选择和处理，形成机组机组实际负荷指令 P0 。目标负荷指令 Pd：机组的外部负荷需求指令：如电网中心调
16、度的负荷调度（ADS ）指令；运行人员设定的负荷指令； 当机组参加电网一次调频时，该功率给定值信号还需经过电网频差修正。实际负荷指令 P0：机组主辅设备负荷能力和安全运行所能接受的负荷指令，作为机炉主控制器的机组功率给定值信号。1-5 单元机组负荷控制系统的组成框图2、机炉主控制器的主要作用： 根据机组运行条件及要求，选择合适的负荷控制方式； 接受机组实际负荷指令 P0 、机组实际功率 PE ；主蒸汽压力给定值信号 p0 和实际主蒸汽压力 pT 等信号，根据机组的功率偏差 P 和主蒸汽压力偏差 p 进行控制运算，产生锅炉侧负荷指令 PB 和汽轮机侧负荷指令 PT 。作为机炉协调动作的指挥信号，
17、分别送往锅炉和汽轮机子控制系统。可见，负荷管理控制中心和机炉主控制器是机组的协调级，是机组负荷控制系统的核心，决定着机组变负荷的数量和变化速度，故直接将其称为协调控制系统；机炉子控制系统直接与控制对象相联系，执行协调级的指令，实现负荷控制的任务。因此，协调级和子系统的控制质量都直接影响机组负荷控制的质量，只有保证在都具备较高控制质量的前提下，才可能有较高的负荷控制质量，完成机组负荷控制任务。控制系统是如何协调内外矛盾,处理供与求的关系的?实际负荷指令的大小和变化率是怎样确定的?72 单元机组负荷管理控制中心目标负荷指令 与机、炉当前运行状态相适应的机组实际负荷指令.目标负荷指令是根据外界负荷需
18、求设定的。系统必须根据机组自身当前的运行状况、负荷能力、设备的安全保护及变负荷承受能力等因素，对目标负荷指令进行必要的处理，以产生单元机组能够接受的实际负荷指令。负荷管理控制中心承担着协调内、外矛盾的任务。2.1负荷管理控制中心的基本原理两部分组成：负荷指令运算环节和负荷指令限制环节。一、负荷指令运算环节负荷指令运算环节的主要作用有以下三个方面：根据负荷控制的要求选择目标负荷指令的形成方式；考虑到主设备的热应力变化要求和机组负荷的承受能力，对目标负荷指令的变化率进行适当限制；对机组电网调频所需负荷指令的幅值及调频范围作出规定。通过切换器 T1可以选择电网中心调度所的指令，或机组运行人员在给定器
19、 A1设定的负荷指令。所选中的目标负荷指令 P0经负荷变化率限制器送至加法器。负荷变化率限制值可以手动设定，或根据锅炉、汽轮机热应力条件自动设定，也可由其它对目标负荷指令的变化有要求的因素确定。当目标负荷指令的变化率小于设定的负荷变化率值时，变化率限制器不起作用。只有当目标负荷指令的变化率大于设定值时才对它实行限制，使负荷指令的变化率等于设定的变化率。2-1 负荷指令运算环节函数发生器 f(x)用来规定调频范围和调频特性。其特性相当于失灵区和限幅环节特性的结合。当频率偏差较小、在失灵区所规定的范围内时，函数发生器输出为零，机组不参加调频；当频率偏差超出失灵区所规定的范围时，机组根据频率偏差大小
20、调整机组负荷指令；当频率偏差超出限幅值规定的范围时，函数发生器输出保持不变，即不再继续增加机组调频出力。函数发生器的斜率代表了电网对本机组调频的负荷分配比例，斜率越大，机组的调频任务越重。因为电网要求机组具有快速调频能力，故调频信号一般不经过负荷变化率限制。当不参加调频时，可用由切换器 T2切除调频信号。加法器的输出就是对机组发出的总的负荷指令 P。 二、负荷指令限制环节在机组正常运行的情况下，负荷控制系统可以接受负荷指令运算环节的输出指令 P，作为机组实际负荷指令。但是，如果发生异常或者故障，负荷指令处理装置必须对负荷指令进行处理、限制。负荷指令限制环节的主要作用是：对机组的主机和主要辅机的
21、运行状况进行监视，一旦发生故障而影响机组的负荷、或危及机组的安全运行时，8就对机组的负荷需求进行必要的限制，以保证机组能够继续安全、稳定地运行。-协调内外供求矛盾。单元机组的主机、主要辅机设备的故障因素大致上有两类：第一类为跳闸或切除，这类故障的来源是明确的，可根据设备切投状况直接确定-RB；第二类为工作异常，这类故障往往无法直接确定，只能通过测量有关运行参数的偏差间接确定。-BLOCK I/D 和 RUP/RD。1、最大最小允许负荷限制环节该环节的主要作用是，保证机组的实际负荷指令不超过机组的最大/最小允许负荷值。负荷的低限值 Pmin由给定器 A2给定，高限值 Pmax则是在给定器 A1
22、的输出 与机组最大出力计算环节输出的机组最大可能出力值之间取小值。双向限幅器的输入 P为要求负荷指令，输出 PS为实际负荷指令，两者的关系为：当 PPmax 时， P 0 = Pmax；当 PPmin 时， P 0 = Pmin；当 PminPPmax 时， P 0 = P 。低值选择器保证了 P0 机组最大可能出力值。机组最大可能出力与主要辅机的投切状况有关。主要辅机故障切除时，机组最大可能出力值减小，为了保证机组能量力而行，应根据辅机运行情况，计算最大可能出力值，作为机组负荷上限。2-2 最大/最小负荷限制环节 2、负荷快速返回 RB机组运行时，当机组的主要辅助设备突然发生故障，造成机组承
23、担负荷能力下降时，就要求机组的负荷指令处理装置将机组的实际负荷指令下降到机组所能承担的水平，这种辅机故障引起机组实际负荷指令的快速下降称为快速返回，简称 RB(RUN BACK)。负荷返回的速率、以及返回到新的负荷水平与发生故障的辅机有关。2-3 辅机故障甩负荷逻辑9图（a）所示，记忆复位元件的作用是记忆住曾经有两台送风机在运行，以区别正常运行只有一台风机运行的情况。图（b）只要确认是任意一台送风机跳闸，且实际负荷指令大于甩负荷指令，就发出送风机跳闸 RB信号。因为只要确认实际负荷大于设定的甩负荷值，就说明曾有两台辅机在运行。为了保证机组在负荷返回过程中能够安全、稳定地继续运行，必须对最大可能
24、出力值的变化速率进行限制。一般对于不同辅机的跳闸，要求的负荷返回速率是不同的。例如，正常工况下，跳一台同容量百分数的给水泵所要求的减负荷速率通常比跳一台送风机的要大。因为，当一台给水泵跳闸时，流入锅炉的给水量比锅炉流出的蒸汽量小许多，因此，必须快速减小汽轮机负荷，以防锅炉缺水而使事故扩大，而一台送风机跳闸则可相对较慢地减负荷，否则会造成燃烧过大的波动。3、负荷增减闭锁 BLOCK I/D第二类故障的特点：导致机组实际负荷的增减受到限制、但又不能立即直接加以识别的故障因素，例如，风机挡板卡涩、执行器连杆折断、给水调节机构故障等等。这类故障属设备工作异常情况，即第二类故障。出现这类故障时会造成诸如
25、燃料量、给水流量、给水量等运行参数与其给定值的偏差增大，因而影响机组出力。负荷增减闭锁环节的主要作用是，对这些运行参数的偏差大小和方向进行监视。如果其中任何一个超出规定限值，就认为设备工作异常，或出现故障。这时，环节根据偏差的方向，对实际负荷指令实施增或减方向的闭锁，以防止故障危害的进一步扩大，直到偏差回到规定限值内才解除闭锁。表现形式：辅机出力超正常范围，主要参数不匹配。例如，送风调节器输出的送风量指令达高限，说明送风机的出力己达极限，送风量已不可能再随负荷指令增加而增加了，这时若负荷指令再增加，必然导致风量与燃料量不适应，造成燃烧不经济，甚至熄火。所以，在这种情况下必须闭锁负荷指令的增加。
26、又如，给水泵指令达下限，如果再减小负荷指令，给水量不会再随之减少，这样就会引起汽包水位升高。因此，这时就必须限制负荷指令的进一步减小。直流炉燃水比失衡。还有一种引起过程闭锁的原因是由于各辅机动作速率不一致或者负荷指令变化过快。如在升负荷过程中，送风量比送风量定值低超过允许偏差，也要闭锁负荷指令增加。因为送风量和燃料量指令都是根据负荷指令成比例增加的，如果送风量低于定值必然导致实际风量小于燃料燃烧所需的风量，影响正常燃烧。此时必须闭锁负荷指令增加，以暂时限制燃料量的增长。如果送风系统无异常，则经过一段延时，风量就会自动增加到与燃料量匹配。这时，就可以解除闭锁信号。在变负荷过程中，要选择适当的负荷
27、变化率，使机组主要过程参数互相保持匹配。负荷指令增/减闭锁的实现，是增/减闭锁逻辑信号作用于负荷指令限制环节的结果。如图 2-4(a)102-4增/减闭锁与迫升迫降逻另一种实现负荷增/减闭锁的方案如图 2-4（b）所示。4、负荷迫升迫降 RUN UP/DOWP对于第二类故障，除采取负荷增减闭锁措施外，通常还可能进一步采取迫升迫降措施。负荷迫升迫降环节的主要作用是对有关运行参数的偏差大小和方向进行监视，如果它们超越限值，且相应的控制器输出已达到极限位置，不再有调节余地，则环节根据偏差的方向，对实际负荷指令实施迫升或迫降，以使偏差回到允许范围内，从而达到缩小故障危害的目的。由此可见，如果说负荷增减
28、闭锁是“消极防守”性措施，那么负荷迫升迫降则是“积极进攻”性措施。从偏差允许限值范围看，前者为第一道防线；后者为第二道防线。负荷的迫升迫降是在发生过程变化闭锁的情况下，工况进一步恶化的结果。如图 19 中，送风量指令达高限，或者送风量小于定值超过允许偏差，都产生负荷增闭锁信号，如果上述两种情况同时出现，就说明在送风机最大出力情况下，送风量还不能满足正常燃烧的需要，因此必须迫降机组负荷，把燃料量降到与风量相适应的水平。又如，燃料量指令达低限，实际燃料量比定值高超过允许值时，说明燃料量已高于送风量且不可能再减少了，必须迫升机组负荷，以增加送风量，保持锅炉的稳定燃烧。 再低，要投油。2.2负荷管理控制中心实例一、RD/RUP 逻辑2-6 RD/RUP逻辑炉压低，说明引风机出力大。二、RB 逻辑在协调方式下，如辅机出力小于机组目标负荷的需求，则机组 RUN BACK动作。RB动作时，有三层以上煤投运行，自动跳煤层 C;经延时,若还有三层以上煤投运行，且 RB信号仍在,自动跳煤层 E; 经延时,若 C、E 层全跳仍有 RB信号，若还有三层以上煤投运行，自动跳煤层 D。最终保持三层煤运行。RB时，锅炉主控强制手动，锅炉主控输出跟踪 RUN BACK目标值（燃料量） ，RUN BACK目标值和燃料变化率由不同 RUN BACK原因决定。实际应用中,PAF RB 未成功,去掉电泵和空预器 RB
