大型火电厂锅炉-汽轮机组协调控制系统的分析
上海发电设备成套设计研究所杨景祺
目前我国火电站领域的技术具有快速的发展，单元机组的容量已从300MW 发展到600MW，外高桥电厂单元机组容量已达到900MW。DCS系统在火电站的成功应用，大大提高了电站控制领域的自动化投入水平。本文主要对大型火电机组的两种主要炉型—汽包炉和直流炉机组的协调控制系统的设计机理进行概要性的说明。
1.协调控制系统的功能和主要含义
协调控制系统是我国在80年代引进的火电站控制理念，主要设计思想是将锅炉和汽机作为一个整体，完成对机组负荷、锅炉主汽压力的控制，达到锅炉风、水、煤的协调动作。对于协调控制系统而言包含三层含义：机组与电网需求的协调、锅炉汽轮机协调以及锅炉风、水、煤子系统的协调。
1.1.机组与电网需求的协调
机组与电网需求的协调主要是机组最快的响应电网负荷的要求，包括了电网AGC控制和电网一次调频控制两个方面。目前华东电网已实现了电网调度对电厂机组的负荷调度和一次调频控制。
1.2.锅炉汽轮机的协调
锅炉汽轮机的协调被认为是机组的协调，主要是协调控制锅炉与汽轮机，提高机组对电网负荷调度的响应性和机组运行的稳定性。从协调控制系统而言，对汽包锅炉和直流锅炉都具有相同的控制概念，但由于两种炉型在汽水循环上有很大的差别，导致控制系统具有很大的差别。
1.3.锅炉协调
锅炉协调主要考虑锅炉风、水、煤之间的协调。
2.汽包锅炉机组的协调控制系统
汽轮机、锅炉协调控制系统概念的引出，主要在于汽轮机和锅炉对于机组的负荷与压力具有完全不同的控制特性，汽轮机以控制调门开度实现对压力、负荷的调节，具有很快的调节特性，而锅炉利用燃料的燃烧产生的热量使给水流量变为蒸汽，其控制燃料的过程取决于磨煤机、给煤机、风机
的运行，对压力、负荷的调节具有很慢的调节特性。因此协调控制系统就是要以优良的控制策略实现对锅炉-汽轮机的统一控制。以达到锅炉-汽轮机组对负荷响应的快速性和对压力控制的稳定性。
协调控制系统的设计包含了两种协调控制方式，一种是以炉跟机为基础的协调控制系统，这种协调控制方式是建立在锅炉控制压力、汽机控制功率的基础上，具有负荷响应快的优点。另一种是以机跟炉为基础的协调控制系统，这种协调控制方式是建立在汽机控制压力、锅炉控制功率的基础上。
对于炉跟机为基础的协调控制系统有必要提到80年代中期引用的直接能量平衡控制系统，该控制系统的引用，使汽包锅炉机组的协调控制系统从探索趋于成熟，使汽轮机-锅炉协调控制系统趋于简单、响应性快、稳定性高。
直接能量平衡控制思想，选用汽机调速级压力（P1）与汽机自动主汽门前压力（Pt）之比乘以机前压力定值（Ps）作为汽机对锅炉的能量需求（该信号是直接能量平衡信号P1*Ps/Pt），该信号以动态前馈及控制指令的形式控制锅炉的燃料量。直接能量平衡的主要基础在于P1/PT代表了汽轮机调门的开度，在额定参数下，汽机调门开度的变化反映了汽机进汽量的变化，同样也反应了汽机对锅炉能量需求的变化。机前压力定值Ps的改变，反映了锅炉被控参数对锅炉输入量需求的变化。因此P1*Ps/Pt可以反映负荷对锅炉燃烧的需求量，也可以满足锅炉主汽压力对燃烧的需求量。而当燃料量发生改变时，由于调速级压力P1和机前压力Pt对燃料响应的在数量上和时间上的基本一直性，使P1/Pt基本不变，这样P1*Ps/Pt就仅仅反映负荷对锅炉燃烧的需求量，而不反映燃料量的变化。具有作为燃料需求指令的基本条件。仔细分析还可以看出，在汽机调门维持不变的情况下，P1/Pt维持一定，改变压力设定值Ps即改变了锅炉的燃料指令，从而达到了控制负荷的目的，也就是说直接能量平衡信号不但适用与定压控制方式，而且适用与滑压运行方式。
直接能量平衡控制系统的另一个重要特点是采用热量信号（P1+dPd/dt）作为燃料的反馈信号。对于（P1+dPd/dt）进行适当的调整，可以使
（P1+dPd/dt）在调门开度的扰动下，P1的正微分面积与dPd/dt负微分
面积基本相等，使（P1+dPd/dt）在调门开度的扰动下基本不变，而仅反
映燃料的变化。
直接能量平衡系统就是利用P1*Ps/Pt仅反映汽机对锅炉能量需求的特
点和（P1+dPd/dt）仅反映燃料变化的特点，实现了机组负荷对燃料的需
求
对于直吹式制粉系统锅炉燃烧系统，为克服燃料的扰动和磨煤机投运/切除过程中对负荷的影响，增加的燃料控制回路，充分利用了直吹式制粉系统锅炉燃料测量速度快的特点，可以更快的克服燃料扰动。
机跟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，在系统的设计上为提高锅炉的响应性，将机组指令信号以前馈和反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。
3.汽包锅炉机组协调控制系统的示例
3.1.锅炉操作主菜单
在DCS的操作环境中，采用树状结构，协调控制系统的操作画面均从主菜单中调用。
在锅炉操作环境中按下顶部菜单CCS 软键，可调出锅炉操作主菜单，锅炉操作主菜单如图3-2所示：
锅炉操作主菜单包含了锅炉的操作画面名称，运行人员只要移动球标到操作画面前的绿框（选择按钮），按下球标左键，就可以调出这幅操作画面。例如要调出机组指令操作画面，只要将球标移到<机组指令给定>前面的绿框，按下球标左键，就可以调出如图３－3所示的机组指令操作画面。
3.2. 机组指令操作画面
机组指令操作画面如图３－3所示，它具有机组指令显示操作器及中调指令
显示器、功率设定、功率测量、机组指令上限设定、机组指令下限设定、机组令变化率设定、ADS 方式，机组运行状态及机组控制方式等状态显示及切换按钮
