单元机组协调控制系统(二)

单元机组协调控制系统作者：曹雪伟周爱强来源：《消费导刊·理论版》2009年第03期[摘要]单元机组协调控制系统把锅炉、汽轮发电机组作为一个整体进行控制，采用了递阶控制系统结构，把自动调节、逻辑控制、连锁保护等功能有机地结合在一起，构成一种具有多功能控制功能，满足不同运行方式和不同工况下控制要求的综合控制系统。

[关键词]协调控制系统一、单元机组协调控制系统的概述（一）协调控制系统的概念单元机组协调控制系统把锅炉、汽轮发电机组作为一个整体进行控制，采用了递阶控制系统结构，把自动调节、逻辑控制、连锁保护等功能有机地结合在一起，构成一种具有多功能控制功能，满足不同运行方式和不同工况下控制要求的综合控制系统。

1．协调控制系统的组成单元机组协调控制系统,它是建立在汽机控制子系统和锅炉控制子系统基础上的主控系统和机、炉子控制系统组成的二级递阶控制系统。

处于调节级的主控系统是协调控制系统的核心，它对负荷指令进行运算处理形成控制决策，给出汽机负荷指令和锅炉负荷指令。

处于局部控制级的各子系统在机炉主指令下分工协调动作，完成给定的控制任务。

随着电网运行自动化水平的提高，以单元机组协调控制系统为基础，构成电网级协调控制与管理已成为电力生产过程自动化的发展趋势。

对单元机组协调控制系统功能上的基本要求有以下几个方面：（1）当外界负荷需求改变时，机炉协调动作使单元机组的输出功率尽快地满足外界负荷需求；与此同时保证机组主要运行参数在允许范围内变化。

（2）当部分主要辅机故障或其他原因造成机组处理不足时，应能自动按规定的速率将机组承担的负荷降低到适当水平继续运行。

在任意主要辅机工作到极限状态或主要运行参数的偏差超过允许范围时，应对负荷指令进行方向闭锁或迫降，以防止事故发生。

（3）具备多种运行方式可供选择，以适应机组的不同工况需要。

（4）系统要方便于运行人员的干预，如进行运行方式的切换，进行手动操作等。

以上要求由单元机组主控系统的功能来实现。

单元机组协调控制系统概述定义：锅炉和汽机相互配合接受外部负荷指令，共同适应电网对负荷的需求，并保 证机组本身安全运行的控制系统。

协调控制系统（CCS 是整个单元机组自动化系统的一个重要组成部分，CCS 与 FSSSDEH 等的联系如图所示：其组成如下。

手设 动 定ADS行政管理中心逋 监视保护 系统汽包水位 汽水取样 连续分析I 示记录仪表音 亍响灯光报警锅炉 及给水 控制操 作 中 心汽轮发电机控制CCSPASS SSS TISDEH MEHMARC「级管理计算机火焰BTGCRT控制室机房组成：主控制系统锅炉的燃料控制系统风量控制系统给水控制系统和汽温控制系统汽机侧的数字功频电液控制正常运行时，锅炉和汽机控制系统接受来自主控制系统的负荷指令。

主控制系统是协调控制系统的核心部分，有时把主控制系统直接称为协调控制系统。

协调控制系统的方框图如下：主控系统图1单元机组协调控制系统方框图一、主控系统的组成1、任务：（1）产生负荷控制指令（2 ）选择机组负荷控制方式2、组成：负荷（功率）指令处理装置机炉主控制器二、负荷指令处理装置（一）负荷指令运算回路输入信号：机组值班员手动给定的负荷指令ADS△ f输出信号：机组负荷指令NN负荷指令处理回路实例图工作过程：运行人员输入T负荷率限止T上下限限止T机组负荷出力。

增减（出力变化率限止）图2负荷指令处理回路实例（二） 机组最大可能出力运算回路定义：考虑各种辅机的运行状况而计算出的机组出力。

机组最大可能出力运算回路原理图（三） 机组的允许最大负荷运算回路定义：考虑锅炉燃烧器等不可测故障时，使锅炉的实际出力达不到机组功率指令 N o的要求，而设置的机组负荷运算回路，简称返航回路。

返航回路的工作过程：（1） 正常运行：N 允许=N 最大，4接通6（2） 大于5%勺燃烧率，积分器 2的输出为机组允许最大负荷信号。

运算过程示意图如下：运行人 员要求 负荷指 令减增I I-PR-I100% 24 n0% G21给水泵100%50%O 燃烧率偏差信号19 2364士A士A -1%-4%f回转式空气预热器100%13燃烧器221450%100%锅炉循环泵47%CU-33%Q25 凝结水泵0%310G100%dd50%■ <t -1LJ卓9—118G30%12机组最大可能出力1 "30 31AT允许最大负荷U、U3、U4、U6分别为积分器2、反向器3、偏置器4和6的输出信号T 0出现6%然烧率偏差T 1监控器31动作时间，切换器5将燃烧率偏差信号直接送入偏置器4T 2燃烧率偏差信号=1%机组允许最大负荷信号停止下降，机组稳定T 3、故障排除，燃烧率偏差信号V 1%积分器输入为正值，直至允许最大出力等于最大可能出力。

第二章机炉负荷协调控制系统2.1任务机组负荷协调控制系统的任务是使机组尽可能快地响应电网对该机组的负荷要求，同时，应能保证主汽压力尽量稳定，以保证机组的安全稳定运行。

22单元机组对象的动态特性：2.2.1当其它输入不变时，改变汽机调门开度，例如，将调门开大，主蒸汽流量将迅速增加，这表明汽轮机能迅速响应负荷要求变化，但由于燃烧未能相应加强，主汽压开始下跌，蒸汽流量也渐渐下跌，最后又回到了原来的值，没有能满足电网的长期需要，而压力则降到了一个相对较低的值如图 13- 1 （a）。

2.2.2若其它输入不变，增加燃烧率（锅炉指令BD）,主汽压力将逐渐升高，主蒸汽流量也逐渐增加，负荷逐渐增加，说明锅炉改变燃料量后，负荷响应比较缓慢，如图13 - 1 （c）。

2.2.3当外界要求增加负荷时，由于一个负荷特性快（汽轮机），一个特性慢（锅炉），就难以满足既快速，又稳定的要求，如果仅满足快速的要求，可通过不断开大汽机调门开度来实现，虽可保证负荷需求（也不可能长久），但压力将一路下跌，如图13- 1 （b），会影响机组安全。

所以机炉两者之间应协调控制调门开度指令和锅炉指令。

BD仏切；t迪滝机调门膽跃藏动（h）汽机■调门姜藝升大图13- 1 单元机组对象动态特性2.3运行方式单元机组负荷协调控制系统一般有下列几种运行方式：2.3.1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。

2.3.2机跟炉方式（汽机跟随锅炉）此时，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。

调节对象的动态特性大中小主控系统的调节对象包括机、炉调节系统和元机组，是一广义调节对象，其控制输入量为锅炉主控制指令M B和汽轮机主控制指令M T；输出量（被调量）为单元机组的输出电功率NE和汽轮机前主蒸汽压力P T，如图10-2所示。

为了便于讨论问题，先分析单元机组的动态特性。

一、单元机组的动态特性单元机组是一个相互关联的多输入多输出调节对象，对象的两个控制输入量（调节量）为：μT—汽轮机调门开度，μB—锅炉燃烧率（及相应的给水流量）。

两个被控输出量（被调量）：NE—单元机组的输出电功率；PT—汽轮机前主蒸汽压力，参见图10-2。

下面对两个控制输入量（μB、μT）扰动下，被控输出量（NE、PT）变化的动态特性进行分析。

1.锅炉燃烧率（及相应的给水流量）μB扰动下主蒸汽压力PT和输出电功率NE的动态特性当汽轮机调门开度μT保持不变，而μB发生阶跃扰动时，主蒸汽压力PT和输出电功率NE的响应曲线如图10-3（a）所示。

燃烧率（及相应的给水流量）增加，锅炉蒸发受热面的吸热量增加，汽压PT经一定迟延后逐渐升高。

由于汽轮机调门开度保持不变，进入汽轮机的蒸汽流量随之增加，从而自发地限制了汽压的升高。

最终，当蒸汽流量与燃烧率（及相应的给水流量）达到新的平衡时，汽压就趋于一个较高的新稳态值，具有自平衡能力。

蒸汽流量的增加使汽轮机功率增加，输出电功率也跟着增加。

最终，当蒸汽流量不变时，输出电功率也趋于一个较高的新稳态值，具有自平衡能力。

μB扰动下的NE和PT的动态特性都可用高阶惯性环节的传递函数来描述。

NE的惯性比PT的惯性稍大，这主要由中间再热器的惯性决定。

根据阶跃响应曲线的特征参数（?、τ或K、Tc、τ），可以求得对应的传递函数：(a) (b)图10-3单元机组调节对象阶跃响应特性(a) μT不变，μB阶跃扰动下PT和NE的响应；（b）μB不变，μT阶跃扰动下PT和NE的响应；2.汽轮机调门开度μT扰动下主蒸汽压力PT和输出电功率NE的动态特性当锅炉燃烧率（及相应的给水流量）μB保持不变，而μT发生阶跃扰动时，主蒸汽压力PT和电功率NE的响应曲线如图10-3（b）所示。

一、单元机组协调控制系统（理论部分，仅供参考）1基本概念：1．1 协调控制系统：在单元机组控制系统的设计中，考虑锅炉和汽轮机的差异和特点，采取某些措施，让机炉同时按照电网负荷的要求变化，接受外部负荷的指令，根据主要运行参数的偏差，协调地进行控制，从而在满足电网负荷要求的同时，保持主要运行参数的稳定，这样的控制系统，称为协调控制系统。

1．2 协调控制系统是由负荷指令处理回路和机炉主控制回路这两部分组成。

负荷指令处理回路接受中央调度所指令、值班员指令和频率偏差信号，通过选择和运算，再根据机组的主辅机实际的运行情况，发出负荷指令。

机炉主控制回路除接受负荷指令信号外，还接受主蒸汽压力信号，根据这两个信号的偏差，改变汽轮机调节阀的开度和锅炉的燃烧率。

2协调控制协调的作用2.1负荷指令处理回路的作用：2.1.1该回路接受的外部指令是电网调度的负荷分配指令、机组运行人员改变负荷的指令、电网频率自动调整的指令。

根据机组运行状态和电网对机组的要求，选择一种或几种。

2.1.2限制负荷指令的变化率和起始变化幅度，根据机组变负荷的能力，规定对机组负荷要求指令的变化不超过一定速度，以及起始变化不超过一定幅度。

2.1.3限制机组最高和最低负荷。

2.1.4甩负荷保护，在机组辅机故障时，不管外部对机组的负荷要求如何，为保证机组继续运行，必须把负荷降到适当水平。

2.1.5根据机组的辅机运行状态，选择不同的运行工况。

2.2机炉主控制回路的作用：2.2.1经过处理得负荷指令Po，对锅炉调节系统和汽机调节系统发出协调的指挥信号锅炉指令Pb和汽机指令Pv2.2.2根据机组输出功率与负荷要求之间的偏差，决定不同的运行方式3协调控制系统的运行方式：3.1机炉协调控制方式：如下图所示，包括机组功率运算回路机组允许负荷能力运算回路功率限制回路：若负荷要求在机组所能承受的允许范围内，按负荷要求发出功率指令；否则，按机组允许负荷能力发出机组功率指令锅炉主控制器汽机主控制器3.2汽机跟随锅炉而汽机输出功率可调方式：这种调节方式，锅炉、汽机自动系统都投入，但不参加电网调频，调度所也不能直接改变机组的负荷。

可编辑修改精选全文完整版引言单元机组协调控制系统是大型火力发电机组的主要控制系统之一，是实现整个电网调度自动化的基础条件。

由于协调控制系统是一个典型的多输入多输出系统，为了消除耦合作用对整个系统控制效果的影响，根据多变量过程控制系统解耦理论，首先要对控制系统进行解耦。

因此采用解耦理论对单元机组协调控制系统进行分析和设计是一个很重要的方向。

【3】由于高参数，大容量机组的迅速发展，装机容量也日益增多，因此对机组的自动化需求也日益提高。

与其他工业生产过程相比，电力生产过程更加要求保持生产的连续性，高度的安全性和经济性。

单元机组协调控制系统已成为大型单元机组普遍采用的一种控制系统，该系统把自动调节、逻辑控制、安全保护、监督管理融为一体，具有功能完善、技术先进、可靠性高等特点。

在工程应用中，单元机组协调控制系统是在常规机炉局部控制系统基础上发展起来的新型控制系统。

单元机组在处理负荷要求并同时维持机组主要运行参数的稳定这两个问题时，是将机炉作为一个整体来看待的，必须要考虑协调控制，共同响应外界负荷的需求。

它是一个复杂的多变量强耦合控制对象，存在着大滞后、多扰动、时变等特性。

目前新投产项目中国产机组所占比例越来越高，研究国产燃煤单元机组的生产特性，对于实现机组的协调控制，以及机组的安全、稳定、经济运行意义重大。

第一章火电厂燃煤机组简介1.1火电厂锅炉【10】锅炉是利用燃料或其他能源的热能，把水加热成为热水或蒸汽的机械设备。

锅炉包括锅和炉两大部分，锅的原义是指在火上加热的盛水容器，炉是指燃烧燃料的场所。

锅炉中产生的热水或蒸汽可直接为生产和生活提供所需要的热能，也可通过蒸汽动力装置转换为机械能，或再通过发电机将机械能转换为电能。

提供热水的锅炉称为热水锅炉，主要用于生活，工业生产中也有少量应用。

产生蒸汽的锅炉称为蒸汽锅炉，又叫蒸汽发生器，常简称为锅炉，是蒸汽动力装置的重要组成部分，多用于火电站、船舶、机车和工矿企业。