单元机组的负荷控制方式

单元机组的负荷控制方式（东南大学南京211189）摘要：本文主要介绍了单元机组的五种负荷控制方式：两种机炉分别控制方式，锅炉跟随的负荷控制方式、汽轮机跟随的负荷控制方式；三种机炉协调控制方式，以锅炉跟随为基础的协调控制方式、以汽轮机跟随为基础的协调控制方式和综合型协调控制方式。

关键词：负荷控制分别控制协调控制The Load Control Mode of a Power Unit(SEU, Nanjing, 211189)Abstract: This article mainly introduces five Power Unit Load Control modes: Two turbine and boiler separate control modes, the load control of boiler follow mode (BF) and turbine follow mode (TF); three coordinated control ways, coordinated control mode based on the boiler follow, coordinated control mode based on the turbine follow and comprehensive coordination of control.Key words: Load control, separate control, coordinated control单元机组的负荷控制方式的发展经历了原始的手动控制方式、机炉分别控制方式、机炉协调控制方式。

现如今，经过四十多年的发展历程，锅炉与汽机间的协调控制已发展成为建造现代大型蒸汽发电机组的基础之一，并且在实际工程应用中取得了卓有成效的进展。

1、机炉主控制器简介机炉主控制器是实现负荷控制的核心部件，我们有必要对其有所了解。

机炉主控制器由两部分组成：锅炉主控制器、汽轮机主控制器。

锅炉主控制器实际上就是计算锅炉主控制指令M B的运算回路，同样的，汽轮机主控制器实际上就是计算汽轮机主控制指令M T的运算回路。

机炉主控制器的主要作用是，接受机组实际负荷指令N0、机组实际发电功率N E、主蒸汽压力P T 及其给定值P0信号，通过一定的运算回路，计算出锅炉和汽机的主控制指令M B和M T，作为机炉协调控制动作的指挥信号，分别送往锅炉和汽轮机子控制系统，以实现相应的负荷控制方式，从而完成负荷控制任务。

2、负荷控制方式负荷控制方式可分为两类：机炉分别控制方式和机炉协调控制方式。

2.1机炉分别控制方式所谓分别控制，指的是一个被调量只有一个调节量来控制。

机炉分别控制方式分两种，即锅炉跟随的负荷控制方式（简称锅炉跟随方式或炉跟机方式）和汽轮机跟随的负荷控制方式（简称汽轮机跟随方式或机跟炉方式），这是两种基本的控制方式。

2.1.1锅炉跟随的负荷控制方式（Boiler Follow，BF）锅炉跟随方式的基本工作原理是：由汽轮机调节机组的输出电功率、锅炉调节汽压。

其示意图如下：当负荷指令（功率给定值）N0改变时，汽轮机主控制器先发出改变调门开度的指令M T，从而改变汽轮机的进汽量，使机组输出电功率N E迅速与N0趋于一致。

调门开度改变后汽压P T随即变化，这时，锅炉主控制器根据汽压偏差发出控制指令M B，改变锅炉的燃烧率（及相应的给水流量），使P T恢复到给定值P0，最后稳态时，N E=N0，P T=P0。

当燃烧率扰动（内扰）时，汽压变化而产生偏差，蒸汽流量也变化。

汽轮机侧为了保持输出电功率而要动作调门，其结果将进一步加剧汽压的变化，使偏差增大，造成较大的汽压波动。

锅炉跟随方式的特点是，当N0改变时，由于利用了锅炉的蓄热能力，具有较好的负荷适应性，对机组调峰调频有利，但汽压波动较大；当有内扰（燃烧率扰动）时，汽压波动较大。

对于大型单元机组，锅炉的蓄热能力相对减小，当负荷要求指令N0变化幅度较小时，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的变化是有可能的，这对电网频率调节也是有利的。

在负荷要求指令N0变化幅度较大时，汽压波动就太大，会影响锅炉的正常运行。

尤其对于直流锅炉，蓄热能力比汽包锅炉小得多，采用锅炉跟随的方式，要想适应较大的负荷变化，实际上是不可能的。

当单元机组中锅炉设备运行正常，机组的输出电功率因汽轮机部分设备工作异常而受到限制时，可采用锅炉跟随方式。

2.1.2汽轮机跟随的负荷控制方式（Turbine Follow，TF）汽轮机跟随方式的基本工作原理是：由锅炉调节机组的输出电功率、汽轮机调节汽压。

其示意图如下：当负荷指令N0改变时，锅炉主控制器先发出改变锅炉的燃烧率（及相应的给水流量）的指令M B。

待机前压P T改变后，汽轮机主控制器发出改变调门开度的指令M T，从而改变进入汽轮机的蒸汽流入量，使机组输出电功率N E改变，并与负荷指令N0趋于一致。

最后稳态时，N E=N0，P T=P0。

当燃烧率扰动时，汽压变化而产生偏差，蒸汽流量也变化，机组输出电功率随之变化。

汽轮机主控制器为了保持汽压而要动作调门，其结果将进一步加剧蒸汽流量的变化，使机组输出电功率的变化加剧，偏差增大，造成较大的输出电功率波动。

汽机跟随方式的特点是：汽压波动小。

但由于没有利用锅炉的蓄热能力，而只有当锅炉的燃烧率改变之后，主蒸汽压力变化时，才改变机组的输出电功率，有较大的迟延，因此适应负荷变化能力差，不利于带变动负荷和参加电网调频。

这种控制方式适用于带基本负荷的单元机组或当机组刚投入运行时，采用这种控制方式保持机组有较稳定的汽压，为机组稳定运行创造条件。

当单元机组中汽轮机设备运行正常，机组的输出电功率因锅炉部分设备工作异常而受到限制时，可采用汽轮机跟随方式。

2.2机炉协调控制方式锅炉跟随和汽轮机跟随的负荷控制方式，是两种比较极端的控制方式，两者对于变动负荷运行工况，在输出电功率和汽压的控制性能方面存在顾此失彼的问题。

因此，在采取控制策略时，应考虑对象内在的相互关联性和机炉动态特性上的差异，采用机炉协调控制方式。

协调控制方式的控制策略是：允许汽压有一定波动，以便能充分利用锅炉的蓄热量，使机组能较快地适应电网的负荷要求。

但是，这里利用锅炉蓄热量是有限度的，必须保证机前压力与给定值的偏差不超过允许值。

所以协调控制方式既能使机组较快适应电网的负荷要求，又能确保汽压的波动在允许的范围之内。

常见的机炉协调控制方式有三种方案：以锅炉跟随为基础的协调控制方式、以汽轮机跟随为基础的协调控制方式和综合型协调控制方式。

2.2.1以锅炉跟随为基础的协调控制方式前已讲述，锅炉跟随方式的负荷控制方式的特点是：负荷要求变化时，负荷响应速度快，但机前压力波动大。

因此给汽轮机调节汽门开度信号（汽轮机主调节器PI T的输出）设置一个限制环节，如下图所示。

在动态过程中，当汽压偏差△P(△P=P0-P T)在死区非线性环节的不灵敏区范围时，即∣△P∣≤∣A∣时，对M T无影响，当∣△P∣﹥∣A∣时，将经非线性环节限制M T，从而限制汽轮机调门开度进一步变化，达到限制汽压偏差的目的。

不灵敏区的大小值粗略反映了机组运行时主汽压力偏差的允许变化范围。

这种控制方式是在锅炉跟随方式的基础上改进形成的。

由于机、炉在共同保持汽压过程中采取了协调的控制动作，因此，称这种控制方式为以锅炉跟随为基础的协调控制方式。

从汽压偏差对汽轮机调门的限制作用可见，尽管这样可使汽压波动不超过允许范围，但同时也减慢了输出电功率的响应速度，实质上是以降低输出电功率响应性能作为代价来换取汽压控制质量的提高。

在此意义上，协调控制的结果是兼顾电功率和汽压两方面的控制质量。

2.2.2以汽轮机跟随为基础的协调控制方式前已述及汽轮机跟随的负荷控制方式的特点：当负荷要求变化时，负荷响应速度慢，但主汽压波动小。

要想使这种控制系统的负荷响应速度加快，必须设法利用锅炉的蓄热量。

为此，在汽轮机跟随方式的基础上，允许主蒸汽压力在一定范围内变化，构成以汽轮机跟随为基础的协调控制方式，如下图所示。

当功率偏差信号△Ｎ（△Ｎ＝N0-N E）送入锅炉调节器PI B的同时，也通过非线性环节送入汽轮机调节器PI T。

在动态过程中，信号△Ｎ可看作是主汽压力给定值的一部分。

当△Ｎ>0（要求增加机组输出功率）时，主汽压力给定值降低△Ｎ。

汽机主调节器PI T发出开大调节汽门的指令，增加机组输出功率；当△N<0（要求减少机组输出功率）时，主汽压力给定值暂时升高∣△N∣。

汽机主调节器PI T则发出关小调节汽门的指令，减少机组输出功率。

当动态过程结束时，机组的实发功率与功率给定值相等，即△N为零，这时，机前压力仍恢复到给定值。

限幅非线性环节的限幅值±△Nmax即为主汽压力P T允许变化的范围。

在负荷指令改变时，汽轮机调门配合锅炉侧同时动作，暂时利用了蓄热能力，所以功率响应加快；但是汽压偏差也因此加大，实质上是以加大汽压动态偏差作为代价来换取功率响应速度的提高。

2.2.3综合型协调控制方式前述两种协调控制方式只实现了“单向”的协调，机、炉主控制指令信号M T和M B中，只有一个指令信号同时受△N和△P信号的协调控制，而另一指令信号单独受△N或△P的控制。

综合协调控制方式实现“双向”协调，即机、炉主控制指令信号M B、M T都是同时受△N和△P信号的协调控制。

其原则性方框图如下：当负荷指令N0改变时，机、炉调节器PI T和PI B同时对汽轮机侧和锅炉侧发出负荷控制指令，并行地改变锅炉的燃烧率（及相应的给水流量）和汽轮机调门开度。

同时为了使主汽压的变化幅度不致太大，还根据汽压P T偏离给定值P0的情况适当地限制汽轮机调门开度的变化，并适当地加强锅炉燃烧率的控制作用。

当调节结束后，机炉主控制器共同保证输出电功率N E与负荷指令N0一致，汽压P T恢复为给定值P0。

综合型协调控制方式通过“双向”的机炉协调操作，具有较好的负荷适应性能和汽压控制性能，是一种较为合理和完善的协调控制方式。

参考文献：【1】赵志强、秦义火力发电机组协调控制系统浅析东地电力技术 2002年第11期【2】李树春、苟小龙火力发电集控运行重庆：重庆大学出版社 2006.2【3】陈庚单元机组集控运行北京：中国电力出版社 2003。