杭州和利时自动化有限公司

摘要：大型单元机组是一个多变量控制对象。机、炉的控制动作相互影响，且动态特性差异较大。为把炉、机的参数检测、过程调节、联锁保护、逻辑控制等各个方面作为一个整体进行控制，使炉、机控制更具灵活性、快速性和准确性，既能满足电网调峰和调频的需求，又能保证机组安全、经济运行，建立合理的机、炉协调控制策略是至关重要的。

关键词：协调控制系统（CCS）；机组负荷；RB；RD/RU；燃烧率；能量平衡

1　协调控制系统的功能及要求

单元机组协调控制系统要求实现如下基本功能：

（1）参与电网的调峰和调频，快速响应电网负荷的需求

调峰是电网根据负荷需求对机组进行的负荷调度；调频则是机组按频差特性根据网频变化自动完成的负荷调整。因此，调频是随机发生的，调峰则是人为组织的。

（2）稳定机组运行

检测与平抑机组运行中的各种内、外扰动，协调炉、机的能量平衡，协调锅炉内部燃料、送风、引风、给水、汽温等各子系统的能量平衡和质量平衡。

（3）机组出力与主辅机实际运行能力的平衡

机组运行中可能出现局部故障，或负荷需求超过了机组实时的负荷能力，使某些参数产生供需偏差。CCS设计应有：

• 方向闭锁（in-crease block,、decreaseblock）；

• 机组指令迫升/迫降（run up/run down）；

• 辅机故障减负荷（runback）。

使机组在主、辅机或子回路控制受到限制的异常情况下，自动过渡到安全状态稳定运行。

（4）具有多种选择运行方式

协调控制系统应满足机组各种工况运行的要求，提供可方便选择且具有自动联锁切换的控制方式。

2　协调控制系统的对象特性

从机组负荷控制角度来看，单元机组是一个相互关联、多变量耦合控制对象，为便于分析，经适当假设可简化表示为图1方框图所示被控系统。

图1 单元机组负荷控制对象方框图

图中：μB 锅炉燃料量；

μT 汽轮机调节阀开度；

Ne 机组实发功率；

pT 汽轮机机前压力 。

2.1　锅炉燃烧率μB扰动时的对象特性

当锅炉燃烧率μB变化时，将引起机前压力pT和机组实发功率Ne的变化。

pT通道用WPB（s）、Ne通道用WNB（s）分别描述通道转换特性。 维持汽机调阀开度μT不变时：

WPB（s）=K1/（T1s+1）2

WNB（s）=K2/（T2s+1）2

上两式描述的通道转换特性均是简化了的二阶惯性环节，它表明从锅炉燃料投入至机前压力和机组功率变化，转换通道具有较大的惯性和迟延。对象具有自平衡能力。

汽机调门开度不变，锅炉燃烧率μB阶跃扰动时，对象响应曲线示于图2。

图2 燃料扰动对象响应曲线

由响应曲线可以看出，增加炉燃料量，炉的吸热量将增加，汽压经迟延后渐升高。由于汽机调门未变，蒸汽流量仅随汽压的上升而增加，从而自发的限制了汽压的升高。对象表现出自平衡作用。当蒸汽流量与燃烧率达到新的平衡时，汽压PT就趋于一个较高的新稳态值。

由于蒸汽流量的增加使输出功率Ne增加，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。

综上分析：锅炉燃烧率改变时，Ne和PT的响应很慢，即热惯性大，对象有自平衡能力。

2.2　汽轮机调门开度μT扰动时的对象特性

当汽轮机调门开度μT改变时，也将引起机前压力PT和机组实发功率PE的变化。PT通道用WPμ(s)、Ne通道用WNμ(s)分别描述通道转换特性。维持炉燃烧率μB不变时：

WPμ(s)=-[K3+( K4/(T4s+1))]

WNμ(s)= K5/(T5s+1)- K6/(T6s+1)2

由上两式传递函数可知，维持炉燃烧率μB不变，汽轮机调门开度μT改变时，PT通道表现为比例惯性特性，Ne通道表现为一阶惯性减二阶惯性的综合特性，近似于一个微分作用。汽轮机调门开度μT扰动时，PT和Ne传递函数均表现出较快的响应特性。锅炉燃烧率不变，汽机调门开度μT阶跃扰动时，对象响应曲线示于图3。

图3 机调门扰动对象相应曲线

由响应曲线看出，汽机调门阶跃增加后，蒸汽流量立刻成比例增加，汽压PT也随之阶跃下降。汽压PT下降使增加的蒸汽流量回降，逐渐稳定到与燃烧率相适应的较扰动前稍大的流量值，主汽压力PT也逐渐趋于一个较低新的稳态值。对象表现出自平衡作用。其曲线为比例惯性特性。

输出功率Ne随蒸汽流量的变化，开始有所增加。最终，由于稍大的主汽流量被较低主汽压力所冲销，维持机输入能量不变，输出功率Ne也渐恢复到扰动前的数值。

图3输出功率Ne过渡过程包络线多出的面积，即是过渡过程中机组多发的功率，这是锅炉汽压下降而释放出的蓄热。

综上分析：汽机调门改变时， Ne和PT的响应较快，即热惯性小，对象有自平衡能力。

2.3　广义负荷控制对象特性

如果把机、炉子控制系统包括在负荷控制对象之内，就构成了广义负荷控制对象，如图4所示。其控制输入量为锅炉主控制指令BLD和汽轮机主控制指令TLD。

图4 单元机组广义负荷控制对象方框图

锅炉侧子系统如送风、引风、给水等，与燃烧控制特性相比，其迟延和惯性相对很小，可近似视为μB及时地跟随炉主控制令BLD。炉侧子系统接近比例跟随特性。即

μB≈BLD

汽轮机侧，如果汽轮机采用纯液压调速系统，则机主控指令TLD就是调门开度（或同步器位移）指令μT。即　　　　

μＴ≈ＴLD

这样广义被控对象的动态特性仍同上述分析，未发生改变。

如果汽轮机采用功频电液调节系统，则机主控指令TLD就是汽轮机功率指令。这样被控对象的动态特性就有很大变化。如图5所示。

图5 采用DEH的广义负荷控制对象方框图

由图5可以看出，汽轮机采用功频电液调节系统时，由于汽轮机功率调节回路的存在，保证了稳态时功率与功率指令一致。那么，机主控指令TLD和炉主控指令BLD就分别代表锅炉的输出与输入能量。若机主控指令TLD和炉主控指令BLD任一指令保持不变，而另一指令阶跃扰动，则会因锅炉输出与输入能量不平衡，主汽压力pT呈积分变化。没有自平衡能力。

图6为TLD不变，BLD阶跃扰动下主汽压力pT和电功率Ne的响应特性。BLD阶跃扰动后，由于锅炉燃烧具有较大的迟延和惯性，扰动对系统的影响较为缓慢。由于BLD>TLD，炉过剩能量驱动pT上升。而TLD不变，随PT上升，机将关小汽门，维持负荷不变。

图6 BLD扰动TLD不变响应曲线

因此，PT近似为惯性积分环节，Ne近似不变。

图7为BLD不变，TLD阶跃扰动下主汽压力PT和电功率Ne的响应特性。TLD阶跃扰动后，扰动对系统的影响将迅即呈阶跃发生。机开大汽门，企图加大蒸汽流入量，推动汽轮发电机组使负荷与阶跃后的TLD要求相适应。由于BLD<TLD，炉能量不足将拉动PT下降。随汽门的开大PT将加速继续降低。当负荷Ne与阶跃的TLD相等后，PT下降与汽门开大最终将达到相互耦合作用的稳定过程。即PT下降与汽门开大一直进行，但汽轮机输入能量随PT下降的减少量与汽门开大的增加量相平衡，负荷Ne=TLD不再变化。

图7 TLD扰动BLD不变响应曲线

因此，pT近似为比例惯性积分环节，Ne近似为比例惯性环节。

2.4　单元机组负荷控制系统的对象特点

单元机组是一个多变量耦合控制对象，锅炉和汽轮机的动态特性存在很大差异，汽轮发电机负荷响应快，锅炉由于受制于燃烧过程的较大迟延和惯性，负荷响应较为缓慢。所以单元机组能量供求关系出现制约，外部负荷响应需求与内部运行参数稳定性之间存在着固有矛盾。这些就是单元机组负荷控制系统对象的突出特点。

根据单元机组对象的特点，在实施控制时必须很好地协调机、炉两侧动作，合理的保持好炉、机能量供求平衡关系，以兼顾负荷响应和机组的稳定运行。

3　协调控制系统的组成

单元机组协调控制系统（Coordinated ControlSystem,CCS）的结构如图8所示，是由负荷主控制系统、子控制系统和被控对象三大部分组成。

图8 单元机组协调控制系统结构图

负荷主控制系统又包括两部分，即负荷指令处理部分（也称负荷管理控制中心）和机炉主控制器。

负荷管理控制中心（LMCC）根据机组实际情况，完成外部负荷指令ADS（Automatic DispathSystem）和运行设定的负荷指令ALR的分选，并进行设定值的变化率限制、上下限限制和一次调频量修正，生成机组负荷执行命令ALD（Actual LoadDemand）。

当出现机组主、辅机或子回路控制受到限制的异常情况时，负荷管理控制中心（LMCC）设计有机组辅机故障减负荷Run Back（快速返回）功能，有关的主要运行参数越限强制减负荷Run Down（迫降）或增负荷Run Up（迫升）功能，对负荷执行命令ALD进行符合机组实际状况的有效修正。

负荷主控制系统的机、炉主控制器是协调的执行运算单元，接受负荷执行命令ALD（或称ULD—Unit Load Demand），根据锅炉和汽轮机的运行条件和要求，选择合适的运行方式，产生锅炉子控制系统的炉指令BLD（Boiler Load Demand）和汽轮机子控制系统的机指令（Turbine Load Demand）TLD。协调指挥炉、机各子系统同步实施调节，控制机组输入、输出能量平衡，控制汽压偏差Δp和功率偏差ΔN在允许的范围内，满足电网负荷需求，保证机组安全、经济运行。

根据单元机组容量、特性和合同规定的控制功能的不同，协调控制系统的设计方案各异。归纳起来，从反馈控制角度来说设计有机跟随为基础的和锅炉跟随为基础的协调控制系统。从能量平衡控制的角度来说设计有间接能量平衡和直接接能量平衡的协调控制系统。

4　单元机组协调控制系统设计的基本策略

建立合理的协调系统控制策略，关键在于处理机组的负荷适应性与运行稳定性间的矛盾。一般设计时应注意以下三个要点：

• 机控要充分利用锅炉蓄能，满足机组负荷要求；

• 炉控要动态超调锅炉的能量输入，尽快合理补偿锅炉蓄能的变化；

• 要尽可能减少或消除炉、机的相互影响，采用扰动补偿、自治或解耦的控制原理，使扰动在控制回路中得到有效抑制或快速消除，非扰动控制回路应不动或少动。

不同的协调控制系统负荷管理控制中心基本是相同的，往往机、炉主控制器在落实上述控制要点的控制策略上有所区别。从控制结构出发，机、炉主控制器设计一般有两种指导思想：

（1）前馈-反馈控制

这种协调系统往往着力于发挥前馈控制技术和变参数控制技术的优势，以负荷指令作为炉控的前馈信号，间接协调机、炉之间能量供求的平衡。因此，也称为间接能量平衡控制系统（DIB）。

这种系统以主控参数如压力和负荷偏差反馈控制为基础，作为系统控制的细调，保证系统有足够克服内扰的能力和的较高的控制精度。

系统比较着力于引入前馈控制为辅助调节手段，对系统进行快而基本准确的粗调，以提高负荷响应的速度。

系统前馈信号往往采用主被调量或其它相关的中间变量，使锅炉燃料超调于主被调量的波动输入，调节回路能提前动作，以拟合机组的动态迟延和惯性。系统前馈量应遵循满足负荷指令与机、炉主控指令之间一定的静态关系。若控制适当，将可直接抵消或有效抑制扰动，加快补偿负荷扰动时锅炉蓄能的变化。

一般系统还设计有非线性控制环节，在充分利用锅炉蓄热提高负荷响应速度的同时，注意控制主汽压力在允许的偏差范围内。

（2） 能量平衡控制

这种协调系统也称为直接能量平衡控制系统（DEB）。

系统组成以能量平衡信号作为炉、机控的前馈指令，力争在能量平衡前馈作用下，炉、机能协调一致地满足电网负荷变化的需求。

能量平衡控制协调系统中，主控参数反馈控制仅起辅助、消差作用。

5　单元机组协调控制的原则方案

（1）锅炉跟随控制的原则方案

单元机组的锅炉跟随控制原则方案如图9所示。

图9 锅炉跟随控制方式

由机主控调整功率，炉主控调整汽压。机主控动作在前，炉主控动作在后。当机组负荷指令改变时，机主控首先改变汽机调门开度，改变进汽量，从而迅速改变发电机的输出功率，使其负荷和指令相一致。随着汽机调门开度的变化，主汽压力随之改变。炉主控则根据主汽压力的变化去增减燃烧率，并协调各子系统动作，以补偿锅炉蓄能的变化。使输入锅炉的能量与汽轮机的需求能量相平衡，维持主蒸汽压力的稳定。

这种控制系统的特点是：对于功率给定的变化，能充分利用锅炉蓄热，使机组实发功率迅速随动响应。系统对电网的频率调整有利，但对较大的给定功率变化适应性差，主蒸汽压力和温度变化大，不利于机组稳定运行。

（2）汽机跟随控制的原则方案

单元机组的汽机跟随控制原则方案如图10所示。

图10 汽机跟随控制方式

由炉主控调整功率，机主控调整汽压。炉主控动作在前，机主控动作在后。

当机组负荷指令改变时，炉主控使进入锅炉的燃料量改变，从而改变锅炉的蒸发量，以适应负荷变化的能量需求。这将引起主汽压力的变化。这时机主控“量入为出”，根据主汽压的变化去改变调速门的开度，以维持主蒸汽压力的稳定。

其间，由于进入汽机的蒸汽量变化，改变了发电机的功率，使其和负荷指令相一致。综观其因，机主控的调整是随动的，功率的变化始发于锅炉的燃料量的改变。这即是说炉主控调整功率的原因。这种控制系统的特点是：采用控制汽机调速汽门来维持主汽压力，汽压控制速度快，有利于机组的稳定运行。但没有充分利用锅炉蓄热，是先补充而后释放蓄热。特别是当功率给定值改变后，功率调节器先改变锅炉燃料，由于锅炉燃烧与热传导均有惯性，待主汽压力慢慢变化后，机主控才随动改变汽机调门，使输出功率改变。这样，系统不利于电网的频率调整，负荷的适应性差。

（3）机炉协调控制的原则方案

单元机组的炉机协调控制原则方案如图11所示。

图11 炉机协调控制方式

采用单元机组的炉机协调控制原则方案，机组功率和主汽压力的调节任务由炉主控和机主控共同完成。即机组负荷指令和主汽压偏差信号同时作用到锅炉控制器和汽机控制器，并行改变锅炉输入能量和汽机调门开度。以期尽快使功率和汽压等于设定值。

炉机协调方式下，在负荷变化过程中，允许主汽压在一定范围内变化，从而充分利用锅炉蓄热，使机组能较快地适应负荷指令的需求。一般来说，机组功率和主汽压力调节完全对等的由炉主控和机主控共同完成，控制结构组织比较困难，也无这种特殊必要。实际应用中，往往发挥机跟随方式和炉跟随方式的特点，组织以机跟随为基础的协调控制系统或炉以跟随为基础的协调控制系统。

6　结束语

为改善机组负荷响应能力，越来越多的工程设计采用了以锅炉跟随为基础的协调控制系统。由于反馈控制过程缓慢，传递时滞和惯性易引起调节过度积分和系统不稳定。因此，协调控制系统里，采用反馈控制仅为了消除稳态时主被调量的偏差。现代控制一般均比较着力于引用前馈控制技术和变参数控制技术，使组织的协调系统更适应不同工况下对象特性的变化；直接或间接地快速完成炉、机能量需求的平衡控制。

作者简介：

李高平（1972-），男，甘肃敦煌人，现任中国人民解放军63621部队电气热控高级工程师，从事电力设备状态检修、自动控制、继电保护和信息系统技术研究工作。

魏　东（1982-），男，甘肃榆中人，现任中国人民解放军63621部队热工控制工程师，从事智慧电厂DCS 、SIS 、MIS 系统技术研究，实时数据集成平台研究，发电信息管理系统研究等工作。

王　亮（1987-），男，黑龙江哈尔滨人，现就职于中国人民解放军63621部队，从事智能设备管理方案研究、全厂统一校时方案研究、全厂信息安全研究、机组协调控制研究、现场问题协调处理等工作。

姜国岩 （1987-），男，河北石家庄人，现任杭州和利时自动化有限公司副总经理，从事控制系统技术研究、全厂统一校时方案研究、全厂信息安全研究、机组协调控制研究、应用培训、技术支持、现场问题处理、产品销售管理、工程质量管理、软件业务销售管理等相关工作。

张鹏程 （1982-），男，陕西西安人，现任杭州和利时自动化有限公司工程管理经理，从事智能设备管理技术的研究、自动控制、全厂信息安全研究、机组协调控制研究、应用培训、技术支持、现场问题处理等工作。

张树强（1987-），男，陕西安康人，现任杭州和利时自动化有限公司技术支持工程师，从事智能设备管理技术的研究、全厂统一校时方案研究、全厂信息安全研究、机组协调控制研究、应用培训、技术支持、现场问题处理等工作。

参考文献：

[1] 毕贞福. 火力发电厂热工自动控制使用技术[M]. 北京: 中国电力出版社, 2008.

[2] 肖平. 协调控制与提高机组负荷响应性能探讨[J]. 江西电力职业技术学院学报, 2006.

[3] 翁思义, 杨平, 自动控制原理[M]. 北京: 中国电力出版社, 2001.

[4] 陈厚肇. 自动发电控制机协调控制系统[J]. 江苏机电工程, 2004.

摘自《自动化博览》2020年9月刊