单元制机组协调控制系统的基本功能和组成简介

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一、单元机组协调控制系统的概述

1、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，既保证单元机组对外就有较快的功率响应和一定的调频能力，又保证对内维持主蒸汽压力偏差在允许范围内。

2、协调控制系统的基本功能

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）协调锅炉和汽轮发电机的运行，在负荷变化率较大时，维持两者之间的能量平衡，保证主蒸汽压力。

（4）具备多种运行方式可供选择，以适应机组的不同工况需要。

（5）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。单元机组主控系统分为两大部分，它由负荷指令处理回路和机炉主控制器组成。

3、单元机组协调控制系统的特点

在单元机组负荷控制的问题上，采用协调控制可以说是使电力生产过程自动化水平上了一个新台阶，其特点可归纳如下：

（1）系统结构先进。采用递阶控制结构，在机炉子控制回路基础上引入机炉协调级，把锅炉、汽轮机、发电机组作为一个整体加以控制。能直接接收电网中调指令，为实现电网自动调度和协调控制奠定了基础。

（2）控制策略合理。机炉主控制器的设计中根据机炉动态特性方面的特点引入前馈、补偿及变结构控制等技术，克服系统的耦合和非线性因素，因而可获得良好的控制品质。

（3）系统功能完善。除正常功能调节外，还具备局部故障处理，各种运行方式切换、选择等管理功能。由于目前采用先进的分散控制系统实现，完备的画面显示功能，报警打印功能以及人机接口等形成先进的自动化系统。

下面着重介绍一下600MW机组协调控制系统的主要特点：

（1）系统具有多种控制方式（如锅炉基本方式、汽轮机基本方式、机炉协调方式手动方式等），并能无扰动地自动（或手动）进行控制方式切换，以适应机组不同工作状态（如机炉局部故障、定压运行、滑压运行等）的需要。

（2）系统具有比较完善的连锁保护功能，当机组发生局部故障时（如主要辅机跳闸、执行机构卡涩等），能使机组在限定的负荷范围内运行，而不至于因局部故障而导致整个机组停运的情况发生。

（3）600MW机组的协调控制系统具有比较完善的监视功能，并能通过CRT屏幕进行图像和数据显示，能正确指导工作人员操作。

（4）600MW机组选用的分散控制系统大都具有强大的组态软件，并给用户提供上百种可以选择的功能块，能方便灵活地实现对控制策略的组态和修改。

（5）测量系统采用了冗余变送器进行参数测量，在工作变送器故障时可自动切换到备用变送器工作，使控制系统安全可靠。

4、机组负荷控制时的问题

单元机组负荷控制中许多涉及机组安全与经济性的实际问题必须考虑，例如应考虑机组响应外部负荷需求与机组内部参数的稳定问题；要考虑机组故障与机组允许最大负荷能力问题及机组负荷的控制方法问题等。

（1）响应外部负荷需求与机组内部参数的稳定问题。

从燃料流量B到电功率(MW)的能量转换与传输是一个连续进行的过程。但是，锅炉和汽轮发电机是两个不同的对象，它们在对象的动态特性上差异很大。从能量平衡的观点来看，两个过程的速度差异导致其连接处某个参数（这里指机前节流压力）的变化。这一特性决定了单元机组的负荷控制是一个多变量系统，其特点是在满足外界负荷需求的同时，还必须考虑过程内部参数的稳定性。

（2）机组故障与机组允许最大负荷能力问题。

在燃料流量B到电功率（MW）的能量转换与传输的过程中，单元机组任一设备或相关系统出现故障时，都将影响到机组允许的最大负荷能力。

不同的故障（如不同的设备跳闸）或同一故障（如漏风）的不同程度，将对应不同的机组允许最大负荷能力。机组允许的最大负荷能力也就是允许机组可能生产出的最大电功率。

二、单元机组协调控制系统的组成

1、机组负荷控制系统的整体结构

实施单元机组的负荷控制，必须设计出一套完整的控制运算回路来协调机组的锅炉过程和汽轮发电机过程，并且能提供高质量的控制效果。因此负荷控制系统应该包括以下几个部分。

1.1 控制回路

根据机组的负荷形式、故障情况、控制要求及机组操作方式来构成机组负荷合适的控制方式。机组控制方式大致有以下几种:锅炉跟随方式（Boiler Follow  Mode 简称 BF MODE）；汽轮机跟随方式（Turbine Follow Mode 简称 TF MODE）；协调控制方式（Coordinated Control System Mode 简称CCS MODE）;手动方式（Manual Mode）;汽轮机手动，锅炉自动方式；汽轮机自动，锅炉手动方式；以及机组定压运行方式和协调控制下滑压运行方式。

1.2 运算回路

600MW机组设计有专门的运算回路，能随时监视机组主要辅机设备（如送风机、引风机、一次风机、给水泵、循环水泵等）的运行状况，计算出机组的允许最大负荷能力；能根据外界负荷需求指令，机组允许最大负荷能力，负荷控制方式选择逻辑，机组负荷的闭锁增、闭锁减以及基本限制要求，生成机组允许承担的实际负荷指令（ULD-Unit Load Demand）；还可以根据机组的运行方式（指定压运行方式或滑压运行方式）控制要求及负荷控制方式选择逻辑等，形成机组机前压力设定值PS。

以上是构成单元机组负荷控制系统的基本内容。可以按照负荷控制的过程和目标将其归纳为三个不同层次：

（1）机组负荷协调层，用以协调机组负荷能力与外界负荷要求。

（2）机炉负荷协调层，用以协调锅炉和汽轮机两个能量转换和传输过程。

（3）锅炉和汽轮机控制层，用以实现将能量转换和传输过程中所有需要控制的参数和信号控制到规定的数值。

2、负荷指令运算回路组成

负荷指令运算回路由负荷指令计算回路、机组允许负荷能力运算回路、限制回路等几部分组成。

负荷指令计算回路：该回路能根据ADS、GF、SET等负荷需求指令和机组允许最大负荷能力RUN DEMAND，生成机组可以承受的实际负荷指令ULD。ULD具有基本限制、闭锁增、闭锁减及保持功能。

机组允许负荷能力运算回路：该回路根据主要辅机的运行/跳闸状态，或是根据系统重要参数偏离设定值的程度来生成机组能够承受的允许最大负荷指令RUN DEMAND，通常称之为返航目标值。例如当送、引风机或一次风机发生跳闸时，返航目标值为额定负荷的50%。而当发生定子冷却水断水时，返航目标值为额定负荷的75%左右。

限制回路：当机组负荷要求超过实际的允许出力时，回路对负荷要求应进行上、下至限制。另外为了机组运行安全还要对负荷指令的变化率进行限制。

3、机炉主控制器的组成

机炉主控制器（BM&TM）一般由锅炉主控制器BM、汽轮机主控制器TM和控制方式管理逻辑三部分组成。

锅炉主控制器BM和汽轮机主控制器TM的功能是互相配合的，它们可以根据ULD、PS、MW、TP及控制方式选择逻辑等信号构成具体的负荷控制系统，生成锅炉负荷指令BD和汽轮机负荷指令TD，实现锅炉和汽轮机两侧的能量转换与传输过程的协调。

控制方式管理的功能是根据BM M/A和TM M/A的状态，生成控制方式选择逻辑信号。

三、单元机组协调控制策略

根据机组的容量、控制对象动态特性的特点、控制系统功能要求的不同等组成的协调控制系统的方案各异，将协调控制系统进行分类，一般有两种分类方法。

（一）按反馈回路分类

1．汽机跟随为基础的协调控制系统

汽机跟随控制方式的特点是功率改变时，功率响应缓慢而汽压波动小，不能充分利用锅炉的蓄热量。要想改善这种控制系统的功率响应特性， 必须设法利用锅炉蓄热量，为此，在汽机跟随控制方式的基础上，允许汽压在一定范围内波动，构成以汽机跟随为基础的协调控制系统。

2．以锅炉跟随为基础的协调控制系统

这种协调控制系统是在原有的锅炉跟随控制系统基础上增加一个非线性元件形成的。早期多采用以汽机跟随为基础的协调控制系统，但其负荷跟踪性能较差。近年来，为了进一步提高负荷跟踪的快速性，以锅炉跟随为基础的协调控制系统越来越受到人们的重视。

（二）按前馈回路分类

单元机组负荷控制系统的任务之一是保证汽机锅炉之间能量供求关系的平衡。为了改善控制系统的性能，在上述两种反馈回路的基本方案基础上，增设了前馈回路，使机炉之间能量平衡关系在将要失去平衡或者不平衡刚刚发生的时候，即可按照机炉双方的特性，采用适当的前馈信号，使能量的失衡限制在较小的范围之内。下面分析两种基本的前馈回路方案：

1．间接能量平衡的协调控制策略

这种系统的特点是用指令间接平衡机炉之间的能量关系，属于以汽机跟随为基础的协调控制系统。汽机调节器PI 的任务是维持机前压力PT等于给定值PO，但在变化过程中，还要利用功率偏差（NONB）信号修正汽压给定值，以便利用锅炉的蓄热量。

2．直接能量平衡的协调控制策略

直接能量平衡的协调控制系统是一种以汽轮机能量需求信号直接对锅炉输入能量进行控制的协调控制系统。这种协调方式的基本出发点是在任何情况下均保证锅炉能量的输入与汽轮机能量的需求平衡。

直接能量平衡协调控制系统的结构形式和方法有许多种：

（1）以（P1/PT）P0为能量平衡信号的协调系统

这种系统的一个主要特点是采用能量平衡信号P1/PT取代功率给定信号NO，作为锅炉控制回路的前馈信号，其中P1为汽机第一级后的汽压， P T 为机前压力， 两者的比值P1/PT与汽机调节阀开度成正比，无论什么原因引起的调节阀开度变化，P1/PT 都能对调节阀开度微小的变化做出灵敏的反应。所以，无论在动态还是在静态，P1/PT 都反映了调节阀的开度，即汽机输入的能量。汽压的比值乘以主汽压力定值P0(P1/PT)，可表示汽轮机向锅炉索求能量的需求信号，这一信号建立了汽轮机负荷和调门开度之间正确的比例关系，不受锅炉侧扰动的影响。它可以替代功率信号作为燃料信号的给定值。以P1作为反馈信号的内回路，由于P1不仅与机组负荷成正比，而且对汽机调节阀的动作响应很快，所以汽机调节阀能迅速而平稳地响应负荷指令的变化。此外，P1作为汽机阀位控制器的反馈信号，可有效地克服锅炉侧扰动对机组输出功率产生影响。在该系统中机组实发功率Ne由汽机控制器保证，机前压力PT由锅炉控制器保证。因此， 它是在锅炉跟随基础上加入以（P1/PT）P0为前馈信号的直接能量平衡协调控制系统。

（2）以P1[1+k（P0- PT）] 为能量平衡信号的协调系统

以P1[1+k（P0- PT）] 作为锅炉的前馈信号，除了代表汽机能量需求的P1外，加入机前压力偏差（P0- PT）的修正，即可以满足机组稳态时的能量平衡要求，又能满足机组动态过程能量要求。锅炉侧， 压力调节器P I b 为比例积分作用，稳态时机前压力PT等于给定值P0。前馈控制回路输出信号P1[1+k（ P0- PT） ] 经f（t）、f（x）处理形成。f（t）为实际微分环节和一阶惯性环节的迭加，微分处理目的是前馈作用在机组负荷变化初期阶段有一定过调，以利于克服锅炉对象的惯性；惯性作用可使输出曲线峰值前后移动；合理整定f（t）的参数，可使锅炉前馈控制作用具有更为理想的动态特性。函数f（x）的作用是将前馈信号转化为与锅炉燃烧率相匹配的信号。它是在锅炉跟随基础上加入以P1[1+k（P0- PT）]为前馈信号的直接能量平衡协调控制系统。