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第七章单元机组协调控制系统1第七章单元机组协调控制系统第一节协调控制系统的基本概念随着电力工业的发展，高参数、大容量的火力发电机组在电网中所占的比例越来越大。大容量机组的汽轮发电机和锅炉都是采用单元制运行方式。所谓单元制就是由一台汽轮发电机组和一台锅炉所组成的相对独立的系统。单元制运行方式与以往的母管制运行方式相比，机组的热力系统得到了简化，而且使蒸汽经过中间再热处理成为可能，从而提高了机组的热效率。一、单元机组负荷控制的特点随着大容量机组在电网中的比例不断增大，以及因电网用电结构变化引起的负荷峰谷差逐步加大，大容量单元机组的运行方式也逐步发生了变化，过去常常只带固定负荷的大机组，现在也需求根据电网中心调度所的负荷需求指令和电网的频率偏差参与电网的调峰、调频，甚至在机组的某些主要辅机局部故障的情况下，仍然维持机组的运行。在单元制运行方式中，锅炉和汽轮发电机既要共同保障外部负荷要求，也要共同维持内部运行参数（主要是主蒸汽压力）稳定。单元机组输出的实际电功率与负荷要求是否一致，反映了机组与外部电网之间能量的供求平衡关系；而主蒸汽压力则反映了机组内部锅炉与汽轮发电机之间能量的供求平衡关系。然而，锅炉和汽轮发电机的动态特性存在着很大差异，即汽轮发电机对负荷请求响应快，锅炉对负荷请求的响应慢，所以单元机组内外两个能量供求平衡关系相互间受到制约，外部负荷响应性能与内部运行参数稳定性之间存在着固有的矛盾，这是单元机组负荷控制中的一个最为主要的特点。二、协调控制系统及其任务单元机组的协调控制系统（CoordinatedControlSysten简称CCS）是根据单元机组的负荷控制特点，为解决负荷控制中的内外两个能量供求平衡关系而提出来的一种控制系统。从广义上讲，这是单元机组的负荷控制系统。它把锅炉和汽轮发电机作为一个整体进第七章单元机组协调控制系统2行综合控制，使其同时按照电网负荷需求指令和内部主要运行参数的偏差要求协调运行，即保证单元机组对外具有较快的功率响应和一定的调频能力，对内维持主蒸汽压力偏差在允许范围内。具体的讲，协调控制系统的主要任务是：1．接受电网中心调度所的负荷自动调度指令、运行操作人员的负荷给定指令和电网频差信号，及时响应负荷请求，使机组具有一定的电网调峰、调频能力，适应电网负荷变化的需要。2．协调锅炉、汽轮发电机的运行，在负荷变化率较大时，能维持二者之间的能量平衡，保证主蒸汽压力稳定。3．协调机组内部各子控制系统（燃料、送风、炉膛压力、给水、汽温等控制系统）的控制作用，使机组在负荷变化过程中主要运行参数在允许的工作范围内，以确保机组有较高的效率和可靠的安全性。4．协调外部负荷请求和主/辅设备实际能力的关系。在机组主/辅设备能力受到限制的异常情况下，能根据实际可能，限制或强迫改变机组负荷。这是协调控制系统的连锁保护功能。三、协调控制的基本原则根据被控对象动态特性的分析可知，从锅炉燃烧率（及相应的给水流量）改变到引起机组输出电功率变化，其过程有较大的惯性和迟延，如果只是依靠锅炉侧的控制，必然不能获得迅速的负荷响应。而汽轮机进汽调节阀动作可使机组释放（或储存）锅炉的部分能量，输出电功率暂时有较迅速地响应响应。因此，为了提高机组的响应性能，可在保证安全运行（即主蒸汽压力在允许范围内变化）的前提下，充分利用锅炉的蓄热能力，也就是在负荷变动时，通过汽轮机进汽调节阀的适当动作，允许汽压有一定波动而释放或吸收部分蓄能，加快机组初期负荷的响应速度。与此同时，根据外部负荷请求指令加强对锅炉侧燃烧率（及相应的给水流量）的控制，及时恢复蓄能，使锅炉蒸发量保持与机组负荷一致，这就是负荷控制的基本原则，也是机炉协调控制的基本原则。四、协调控制方式第七章单元机组协调控制系统3常见的机组协调控制方式有以下几种方案：1．以锅炉跟随为基础的协调控制方式该方式是在汽轮机侧控制负荷（输出电功率）NE、锅炉侧控制主蒸汽压力PT的基础上，让汽轮机侧的控制配合锅炉侧控制PT的一种协调控制方式。以锅炉跟随为基础的协调控制方式如图7-1所示。图7-1以锅炉跟随为基础的协调控制方式汽轮机主控制器接受机组负荷指令（功率给定值N0）与机组实发功率反馈信号NE，当负荷指令N0改变时，汽轮机主控制器立即根据负荷偏差N=NO-NE，改变进入汽轮机子控制系统（即DEH系统）的负荷指令NT，进而改变进汽调节阀的开度T以及进汽流量，使发电机输出的电功率NE迅速与机组负荷指令NO趋于一致，满足负荷的需求。锅炉主控制器接受主蒸汽压力的给定值PO和机前实际主蒸汽压力的反馈信号PT，当汽轮机侧调负荷或其它原因起主蒸汽压力PT变化时，锅炉主控制器根据汽压偏差P=Po-PT，改变锅炉子控制系统的负荷指令NB，从而改变锅炉的燃烧率（及相应的给水流量等），以补偿锅炉蓄能的变化，尽力维持主蒸汽压力PT的稳定。由于汽轮机侧响应负荷指令No的速度比较快，即在负荷指令No改变时，通过改变进汽调节阀的开度T，可充分利用锅炉的蓄能，使机组的实发功能NE作出快速响应。此时，势必引起主蒸汽压力PT较大的变化，尽管锅炉侧的控制可根据主蒸汽压力的偏差来补偿锅炉蓄能的变化，但由于主蒸汽压力对燃烧率的响应存在着较大的惯性，仍然会使主蒸汽压力出现较大的暂态偏差。为减小主蒸汽压力在负荷过程中的波动，可将主蒸汽压力偏差P信号引入汽轮机侧的控制之中，以此限制汽轮机进汽调节阀的开度变化，以防止过度利用锅炉蓄能，从而减小了PT的动态变化。以上利用P对汽轮机进汽调节阀的限制作用，可减缓汽压的急剧变化，但同时减缓了机组对负荷的响应速度。由此可见，该协调控制方式是以降低负荷响应性能为代价来换取第七章单元机组协调控制系统4汽压控制质量提高的。或者说是通过抑制汽轮机侧的负荷响应速度，使机炉之间的动作达到协调的，其结果兼顾了负荷响应和汽压稳定两个方面的控制质量。2．以汽轮机跟随为基础的协调控制方式该方式是在锅炉侧控制负荷（输出电功率）NE、汽轮机侧控制主蒸汽压力PT的基础上，让汽轮机侧的控制配合锅炉侧控制NE的一种协调控制方式。以汽轮机跟随为基础的协调控制方式如图7-2所示。图7-2以汽轮机跟随为基础的协调控制方式锅炉主控制器接受机组负荷指令（功率给定值）No和机组实发功率反馈信号NE；当负荷指令No改变时，锅炉主控制器根据负荷偏差N=NO-NE，改变锅炉子控制系统指令NB，从而改变锅炉的燃烧率（及相应的给水流量等），以适应负荷的能量需求。汽轮机主控制器接受主蒸汽压力的给定值PO和机前实际主蒸汽压力反馈信号PT，当锅炉侧调负荷或其它原因引起主蒸汽压力PT变化时，汽轮机主控制器根据汽压偏差P=PO-PT，改变汽轮机子控制系统的负荷指令NT，从而改变进汽调节阀的开度T及进汽流量，以维持主蒸汽压力PT的稳定。由于锅炉侧主蒸汽压力对燃烧率的响应缓慢，在负荷指令NO改变时，通过改变燃烧率并不能马上转化为适应负荷需求的蒸汽能量，即不能马上在P变化上体现出负荷需求。显然，汽轮机侧根据P不能及时控制输出电功率NE与NO相适应。为提高机组的负荷响应能力，可将负荷偏差信号N引入汽轮机侧的控制之中，以此改变汽轮机进汽阀的开度，在锅炉侧响应负荷的迟缓过程中，暂时利用蓄能使机组迅速作出负荷响应。以上N及时改变汽轮机进汽调节阀开度的作用，可提高机组的负荷响应能力，但同时会引时主蒸汽压力较大的动态偏差，由此可见，该协调方式是以加大汽压动态偏差为代价来换取负荷响应速度提高的。由于这种协调控制方式直接由负荷指令控制燃烧率，可以说它是通过加快锅炉侧的负荷响应速度，使机炉之间的动作达到协调的。其结果同样是兼顾第七章单元机组协调控制系统5了负荷响应和汽压稳定两个方面的控制质量。3．综合型协调控制方式该方式是上述两种协调控制方式的综合，如图7-3所示。图7-3综合型协调控制方式在锅炉跟随为基础或汽轮机跟随为基础的协调控制方式中，只有一个被控量是通过两个控制变量的协调操作来加以控制的，而另一个被控量是单独由一个控制变量来控制的，因而，它们只是实现了“单向”协调。“单向”协调控制在负荷的响应过程中，机组或机炉之间的能量供求仍存在较大的动态失衡现象。为避免这一问题，综合协调控制方式采用的是“双向”协调，即任一被控量都是通过两个控制变量的协调操作加以控制的。当负荷指令NO改变时，机、炉主控制器同时对汽轮机侧和锅炉侧发出负荷控制指令，改变燃烧率（及相应的给水流量等）和汽轮机进汽调节阀开度，一方面利用蓄能暂时应付负荷请求，快速响应负荷，另一方面改变进入锅炉的能量，以保持机组输入能量与输出能量的平衡。当主蒸汽压力产生偏差时，机、炉主控制器对锅炉侧和汽轮机侧同时进行操作，一方面加强锅炉燃烧率的控制作用，补偿蓄能的变化，另一方面适当限制汽轮机进汽调节阀的开度，控制蒸汽流量，维持主蒸汽压力稳定，以保证机、炉之间的能量平衡。由此可见，综合型协调控制方式，能较好的保持机组内、外两个能量供求的平衡关系，既具有较好的负荷适应性能，又具有良好的汽压控制性能，是一种较为合理和完善的协调控制方式，但系统结构比较复杂。应当明确，无论是何种协调控制方式，都是从处理“快速负荷响应和主要运行参数稳定”这一对源于机、炉动态特性差异的矛盾出发而设计的。把握这一要点，对认识、分析、设计协调控制系统大有助益。五、协调控制系统的基本组成第七章单元机组协调控制系统6单元机组协调控制系统是由负荷管理控制中心（LMCC），机炉主控制器和相关的锅炉、汽轮机子控制系统所组成。如图7-4所示。图7-4单元机组协调控制系统的组成框架负荷管理控制中心（LMCC）的主要作用是：对机组的各负荷请求指令（电网中心调度所负荷自动调度指令ADS，运行操作人员设定的负荷指令）进行选择和处理，并与电网频率偏差信号f一起，形成机组主/辅设备负荷能力和安全运行所能接受的，具有一次调频能力的机组负荷指令NO。NO作为机组实发电功率的给定值信号，送入机炉主控制器。机炉主控制器的主要作用是：接受负荷指令NO、实际电功率NE、主蒸汽压力给定PO和实际主蒸汽压力PT等信号；根据机组当前的运行条件及要求，选择合适的负荷控制方式；根据机组的功率（负荷）偏差N=NO-NE和主蒸汽压力偏差P=PO-PT进行控制运算，分别产生锅炉负荷指令（锅炉主控制指令）NB和汽轮机负荷指令（汽轮机主控制指令）NT。NT、NB作为机炉协调动作的指挥信号，分别送往锅炉和汽轮机有关子控制系统。机、炉的各有关子控制系统，是对锅炉、汽轮机实现常规控制的有关系统，它们包括：燃料量控制系统、送风量控制系统、炉膛压力控制系统，一次风压控制系统、二次风量控制系统、过热汽温控制系统、再热汽温控制系统、给水（汽包水位）控制系统、燃油压力控制系统、除氧器的水位和压力控制系统、凝汽器的水位和再循环流量控制系统、直吹式磨煤机（一次风量、出口温度、给煤量）控制系统、发电机氢气冷却控制系统、锅炉连续排污控制系统、电动泵的密封水差压和再循环流量控制系统、汽动泵的密封水差压和再循环流量控制系统、以及协调控制系统的支持系统——炉膛安全监控系统（FSSS）和汽轮机数字电液控制系统（DEH）……等等。这些系统对机、炉主控制指令NT、NB来说，相当于伺服（随动）系统，它们根据NT、NB指令，控制锅炉的燃烧率和汽轮机进汽调节阀的开度，维持机炉的能量平衡和参数稳定，保证机组运行的安全性和经济性。负荷管理控制中心和机炉主控制器是机组控制的协调级，起着上位控制作用，是协调第七章单元机组协调控制系统7控制系统的核心，有时将其直接称为协调控制系统；而锅炉、汽轮机各子控制系统是机组控制的基础级（直接控制级），起着最基本最直接的控制作用，它们的控制质量将直接影响负荷控制质量。因此，只有在组织好各子控制系统，并保证其具备较高控制质量的前提下，才有可能组织好协调控制，并使之达到所要求的负荷控制质量。第二节超临界压力机组特点及其协调控制超临界机组是指过热器出口主蒸汽压力超过临界压力22.129Mpa的锅炉和汽轮发电机组。目前运行的超临界机组运行压力均为24Mpa~25Mpa,理论上认为,在水的状态参数达到临界点时(压力22.1