單元機組協調控制系統

曹雪偉　周愛強

[摘 要]單元機組協調控制系統把鍋爐、汽輪發電機組作為一個整體進行控制，采用了遞階控制系統結構，把自動調節、邏輯控制、連鎖保護等功能有機地結合在一起，構成一種具有多功能控制功能，滿足不同運行方式和不同工況下控制要求的綜合控制系統。

[關鍵詞]協調 控制 系統

一、單元機組協調控制系統的概述

（一）協調控制系統的概念

單元機組協調控制系統把鍋爐、汽輪發電機組作為一個整體進行控制，采用了遞階控制系統結構，把自動調節、邏輯控制、連鎖保護等功能有機地結合在一起，構成一種具有多功能控制功能，滿足不同運行方式和不同工況下控制要求的綜合控制系統。

1．協調控制系統的組成

單元機組協調控制系統,它是建立在汽機控制子系統和鍋爐控制子系統基礎上的主控系統和機、爐子控制系統組成的二級遞階控制系統。處于調節級的主控系統是協調控制系統的核心，它對負荷指令進行運算處理形成控制決策，給出汽機負荷指令和鍋爐負荷指令。處于局部控制級的各子系統在機爐主指令下分工協調動作，完成給定的控制任務。

隨著電網運行自動化水平的提高，以單元機組協調控制系統為基礎，構成電網級協調控制與管理已成為電力生產過程自動化的發展趨勢。

對單元機組協調控制系統功能上的基本要求有以下幾個方面：

（1）當外界負荷需求改變時，機爐協調動作使單元機組的輸出功率盡快地滿足外界負荷需求；與此同時保證機組主要運行參數在允許范圍內變化。

（2）當部分主要輔機故障或其他原因造成機組處理不足時，應能自動按規定的速率將機組承擔的負荷降低到適當水平繼續運行。在任意主要輔機工作到極限狀態或主要運行參數的偏差超過允許范圍時，應對負荷指令進行方向閉鎖或迫降，以防止事故發生。

（3）具備多種運行方式可供選擇，以適應機組的不同工況需要。

（4）系統要方便于運行人員的干預，如進行運行方式的切換，進行手動操作等。

以上要求由單元機組主控系統的功能來實現。單元機組主控系統分為兩大部分，它由負荷指令處理回路和機爐主控制器組成。

2．單元機組協調控制系統的特點

在單元機組負荷控制的問題上，采用協調控制可以說是使電力生產過程自動化水平上了一個新臺階，其特點可歸納如下：

（1）系統結構先進。采用遞階控制結構，在機爐子控制回路基礎上引入機爐協調級，把鍋爐、汽輪機、發電機組作為一個整體加以控制。能直接接收電網中調指令，為實現電網自動調度和協調控制奠定了基礎。

（2）控制策略合理。機爐主控制器的設計中根據機爐動態特性方面的特點引入前饋、補償及變結構控制等技術，克服系統的耦合和非線性因素，因而可獲得良好的控制品質。

（3）系統功能完善。除正常功能調節外，還具備局部故障處理，各種運行方式切換、選擇等管理功能。由于目前采用先進的分散控制系統實現，完備的畫面顯示功能，報警打印功能以及人機接口等形成先進的自動化系統。

二、單元機組協調控制策略

根據機組的容量、控制對象動態特性的特點、控制系統功能要求的不同等組成的協調控制系統的方案各異，將協調控制系統進行分類，一般有兩種分類方法。

（一）按反饋回路分類

1．汽機跟隨為基礎的協調控制系統

汽機跟隨控制方式的特點是功率改變時，功率響應緩慢而汽壓波動小，不能充分利用鍋爐的蓄熱量。要想改善這種控制系統的功率響應特性，必須設法利用鍋爐蓄熱量，為此，在汽機跟隨控制方式的基礎上，允許汽壓在一定范圍內波動，構成以汽機跟隨為基礎的協調控制系統。

2．以鍋爐跟隨為基礎的協調控制系統

這種協調控制系統是在原有的鍋爐跟隨控制系統基礎上增加一個非線性元件形成的。早期多采用以汽機跟隨為基礎的協調控制系統，但其負荷跟蹤性能較差。近年來，為了進一步提高負荷跟蹤的快速性，以鍋爐跟隨為基礎的協調控制系統越來越受到人們的重視。

（二）按前饋回路分類

單元機組負荷控制系統的任務之一是保證汽機鍋爐之間能量供求關系的平衡。為了改善控制系統的性能，在上述兩種反饋回路的基本方案基礎上，增設了前饋回路，使機爐之間能量平衡關系在將要失去平衡或者不平衡剛剛發生的時候，即可按照機爐雙方的特性，采用適當的前饋信號，使能量的失衡限制在較小的范圍之內。

下面分析兩種基本的前饋回路方案：

1．間接能量平衡的協調控制策略

這種系統的特點是用指令間接平衡機爐之間的能量關系，屬于以汽機跟隨為基礎的協調控制系統。汽機調節器 PI 的任務是維持機前壓力 PT等于給定值PO，但在變化過程中，還要利用功率偏差（NONB）信號修正汽壓給定值，以便利用鍋爐的蓄熱量。

2．直接能量平衡的協調控制策略

直接能量平衡的協調控制系統是一種以汽輪機能量需求信號直接對鍋爐輸入能量進行控制的協調控制系統。這種協調方式的基本出發點是在任何情況下均保證鍋爐能量的輸入與汽輪機能量的需求平衡。

直接能量平衡協調控制系統的結構形式和方法有許多種：

（1）以（P1/PT）P0為能量平衡信號的協調系統

這種系統的一個主要特點是采用能量平衡信號 P1/PT取代功率給定信號NO，作為鍋爐控制回路的前饋信號，其中 P1為汽機第一級后的汽壓，PT為機前壓力，兩者的比值 P1/PT與汽機調節閥開度成正比，無論什么原因引起的調節閥開度變化，P1/PT 都能對調節閥開度微小的變化做出靈敏的反應。所以，無論在動態還是在靜態，P1/PT 都反映了調節閥的開度，即汽機輸入的能量。汽壓的比值乘以主汽壓力定值 P0(P1/PT)，可表示汽輪機向鍋爐索求能量的需求信號，這一信號建立了汽輪機負荷和調門開度之間正確的比例關系，不受鍋爐側擾動的影響。它可以替代功率信號作為燃料信號的給定值。

以P1作為反饋信號的內回路，由于P1不僅與機組負荷成正比，而且對汽機調節閥的動作響應很快，所以汽機調節閥能迅速而平穩地響應負荷指令的變化。此外，P1作為汽機閥位控制器的反饋信號，可有效地克服鍋爐側擾動對機組輸出功率產生影響。

在該系統中機組實發功率Ne由汽機控制器保證，機前壓力PT由鍋爐控制器保證。因此，它是在鍋爐跟隨基礎上加入以（ P1/PT）P0為前饋信號的直接能量平衡協調控制系統。

（2）以P1[1+k（P0- PT）] 為能量平衡信號的協調系統

以P1[1+k（P0- PT）] 作為鍋爐的前饋信號，除了代表汽機能量需求的P1外，加入機前壓力偏差（P0- PT）的修正，即可以滿足機組穩態時的能量平衡要求，又能滿足機組動態過程能量要求。

鍋爐側，壓力調節器PIb為比例積分作用，穩態時機前壓力PT等于給定值P0。前饋控制回路輸出信號P1[1+k（P0- PT）]經f（t）、f（x）處理形成。f（t）為實際微分環節和一階慣性環節的迭加，微分處理目的是前饋作用在機組負荷變化初期階段有一定過調，以利于克服鍋爐對象的慣性；慣性作用可使輸出曲線峰值前后移動；合理整定f（t）的參數，可使鍋爐前饋控制作用具有更為理想的動態特性。函數f（x）的作用是將前饋信號轉化為與鍋爐燃燒率相匹配的信號。

它是在鍋爐跟隨基礎上加入以P1[1+k（P0- PT）]為前饋信號的直接能量平衡協調控制系統。