摘要：大型單元機組是一個(gè)多變量控制對象。機、爐的控制動(dòng)作相互影響，且動(dòng)態(tài)特性差異較大。為把爐、機的參數檢測、過(guò)程調節、聯(lián)鎖保護、邏輯控制等各個(gè)方面作為一個(gè)整體進(jìn)行控制，使爐、機控制更具靈活性、快速性和準確性，既能滿(mǎn)足電網(wǎng)調峰和調頻的需求，又能保證機組安全、經(jīng)濟運行，建立合理的機、爐協(xié)調控制策略是至關(guān)重要的。

關(guān)鍵詞：協(xié)調控制系統（CCS）；機組負荷；RB；RD/RU；燃燒率；能量平衡

1　協(xié)調控制系統的功能及要求

單元機組協(xié)調控制系統要求實(shí)現如下基本功能：

（1）參與電網(wǎng)的調峰和調頻，快速響應電網(wǎng)負荷的需求

調峰是電網(wǎng)根據負荷需求對機組進(jìn)行的負荷調度；調頻則是機組按頻差特性根據網(wǎng)頻變化自動(dòng)完成的負荷調整。因此，調頻是隨機發(fā)生的，調峰則是人為組織的。

（2）穩定機組運行

檢測與平抑機組運行中的各種內、外擾動(dòng)，協(xié)調爐、機的能量平衡，協(xié)調鍋爐內部燃料、送風(fēng)、引風(fēng)、給水、汽溫等各子系統的能量平衡和質(zhì)量平衡。

（3）機組出力與主輔機實(shí)際運行能力的平衡

機組運行中可能出現局部故障，或負荷需求超過(guò)了機組實(shí)時(shí)的負荷能力，使某些參數產(chǎn)生供需偏差。CCS設計應有：

• 方向閉鎖（in-crease block,、decreaseblock）；

• 機組指令迫升/迫降（run up/run down）；

• 輔機故障減負荷（runback）。

使機組在主、輔機或子回路控制受到限制的異常情況下，自動(dòng)過(guò)渡到安全狀態(tài)穩定運行。

（4）具有多種選擇運行方式

協(xié)調控制系統應滿(mǎn)足機組各種工況運行的要求，提供可方便選擇且具有自動(dòng)聯(lián)鎖切換的控制方式。

2　協(xié)調控制系統的對象特性

從機組負荷控制角度來(lái)看，單元機組是一個(gè)相互關(guān)聯(lián)、多變量耦合控制對象，為便于分析，經(jīng)適當假設可簡(jiǎn)化表示為圖1方框圖所示被控系統。

圖1 單元機組負荷控制對象方框圖

圖中：μB 鍋爐燃料量；

μT 汽輪機調節閥開(kāi)度；

Ne 機組實(shí)發(fā)功率；

pT 汽輪機機前壓力 。

2.1　鍋爐燃燒率μB擾動(dòng)時(shí)的對象特性

當鍋爐燃燒率μB變化時(shí)，將引起機前壓力pT和機組實(shí)發(fā)功率Ne的變化。

pT通道用WPB（s）、Ne通道用WNB（s）分別描述通道轉換特性。 維持汽機調閥開(kāi)度μT不變時(shí)：

WPB（s）=K1/（T1s+1）2

WNB（s）=K2/（T2s+1）2

上兩式描述的通道轉換特性均是簡(jiǎn)化了的二階慣性環(huán)節，它表明從鍋爐燃料投入至機前壓力和機組功率變化，轉換通道具有較大的慣性和遲延。對象具有自平衡能力。

汽機調門(mén)開(kāi)度不變，鍋爐燃燒率μB階躍擾動(dòng)時(shí)，對象響應曲線(xiàn)示于圖2。

圖2 燃料擾動(dòng)對象響應曲線(xiàn)

由響應曲線(xiàn)可以看出，增加爐燃料量，爐的吸熱量將增加，汽壓經(jīng)遲延后漸升高。由于汽機調門(mén)未變，蒸汽流量?jì)H隨汽壓的上升而增加，從而自發(fā)的限制了汽壓的升高。對象表現出自平衡作用。當蒸汽流量與燃燒率達到新的平衡時(shí)，汽壓PT就趨于一個(gè)較高的新穩態(tài)值。

由于蒸汽流量的增加使輸出功率Ne增加，當蒸汽流量不變時(shí)，輸出電功率也趨于一個(gè)較高的新穩態(tài)值。

綜上分析：鍋爐燃燒率改變時(shí)，Ne和PT的響應很慢，即熱慣性大，對象有自平衡能力。

2.2　汽輪機調門(mén)開(kāi)度μT擾動(dòng)時(shí)的對象特性

當汽輪機調門(mén)開(kāi)度μT改變時(shí)，也將引起機前壓力PT和機組實(shí)發(fā)功率PE的變化。PT通道用WPμ(s)、Ne通道用WNμ(s)分別描述通道轉換特性。維持爐燃燒率μB不變時(shí)：

WPμ(s)=-[K3+( K4/(T4s+1))]

WNμ(s)= K5/(T5s+1)- K6/(T6s+1)2

由上兩式傳遞函數可知，維持爐燃燒率μB不變，汽輪機調門(mén)開(kāi)度μT改變時(shí)，PT通道表現為比例慣性特性，Ne通道表現為一階慣性減二階慣性的綜合特性，近似于一個(gè)微分作用。汽輪機調門(mén)開(kāi)度μT擾動(dòng)時(shí)，PT和Ne傳遞函數均表現出較快的響應特性。鍋爐燃燒率不變，汽機調門(mén)開(kāi)度μT階躍擾動(dòng)時(shí)，對象響應曲線(xiàn)示于圖3。

圖3 機調門(mén)擾動(dòng)對象相應曲線(xiàn)

由響應曲線(xiàn)看出，汽機調門(mén)階躍增加后，蒸汽流量立刻成比例增加，汽壓PT也隨之階躍下降。汽壓PT下降使增加的蒸汽流量回降，逐漸穩定到與燃燒率相適應的較擾動(dòng)前稍大的流量值，主汽壓力PT也逐漸趨于一個(gè)較低新的穩態(tài)值。對象表現出自平衡作用。其曲線(xiàn)為比例慣性特性。

輸出功率Ne隨蒸汽流量的變化，開(kāi)始有所增加。最終，由于稍大的主汽流量被較低主汽壓力所沖銷(xiāo)，維持機輸入能量不變，輸出功率Ne也漸恢復到擾動(dòng)前的數值。

圖3輸出功率Ne過(guò)渡過(guò)程包絡(luò )線(xiàn)多出的面積，即是過(guò)渡過(guò)程中機組多發(fā)的功率，這是鍋爐汽壓下降而釋放出的蓄熱。

綜上分析：汽機調門(mén)改變時(shí)， Ne和PT的響應較快，即熱慣性小，對象有自平衡能力。

2.3　廣義負荷控制對象特性

如果把機、爐子控制系統包括在負荷控制對象之內，就構成了廣義負荷控制對象，如圖4所示。其控制輸入量為鍋爐主控制指令BLD和汽輪機主控制指令TLD。

圖4 單元機組廣義負荷控制對象方框圖

鍋爐側子系統如送風(fēng)、引風(fēng)、給水等，與燃燒控制特性相比，其遲延和慣性相對很小，可近似視為μB及時(shí)地跟隨爐主控制令BLD。爐側子系統接近比例跟隨特性。即

μB≈BLD

汽輪機側，如果汽輪機采用純液壓調速系統，則機主控指令TLD就是調門(mén)開(kāi)度（或同步器位移）指令μT。即　　　　

μＴ≈ＴL(fǎng)D

這樣廣義被控對象的動(dòng)態(tài)特性仍同上述分析，未發(fā)生改變。

如果汽輪機采用功頻電液調節系統，則機主控指令TLD就是汽輪機功率指令。這樣被控對象的動(dòng)態(tài)特性就有很大變化。如圖5所示。

圖5 采用DEH的廣義負荷控制對象方框圖

由圖5可以看出，汽輪機采用功頻電液調節系統時(shí)，由于汽輪機功率調節回路的存在，保證了穩態(tài)時(shí)功率與功率指令一致。那么，機主控指令TLD和爐主控指令BLD就分別代表鍋爐的輸出與輸入能量。若機主控指令TLD和爐主控指令BLD任一指令保持不變，而另一指令階躍擾動(dòng)，則會(huì )因鍋爐輸出與輸入能量不平衡，主汽壓力pT呈積分變化。沒(méi)有自平衡能力。

圖6為T(mén)LD不變，BLD階躍擾動(dòng)下主汽壓力pT和電功率Ne的響應特性。BLD階躍擾動(dòng)后，由于鍋爐燃燒具有較大的遲延和慣性，擾動(dòng)對系統的影響較為緩慢。由于BLD>TLD，爐過(guò)剩能量驅動(dòng)pT上升。而TLD不變，隨PT上升，機將關(guān)小汽門(mén)，維持負荷不變。

圖6 BLD擾動(dòng)TLD不變響應曲線(xiàn)

因此，PT近似為慣性積分環(huán)節，Ne近似不變。

圖7為BLD不變，TLD階躍擾動(dòng)下主汽壓力PT和電功率Ne的響應特性。TLD階躍擾動(dòng)后，擾動(dòng)對系統的影響將迅即呈階躍發(fā)生。機開(kāi)大汽門(mén)，企圖加大蒸汽流入量，推動(dòng)汽輪發(fā)電機組使負荷與階躍后的TLD要求相適應。由于BLD<TLD，爐能量不足將拉動(dòng)PT下降。隨汽門(mén)的開(kāi)大PT將加速繼續降低。當負荷Ne與階躍的TLD相等后，PT下降與汽門(mén)開(kāi)大最終將達到相互耦合作用的穩定過(guò)程。即PT下降與汽門(mén)開(kāi)大一直進(jìn)行，但汽輪機輸入能量隨PT下降的減少量與汽門(mén)開(kāi)大的增加量相平衡，負荷Ne=TLD不再變化。

圖7 TLD擾動(dòng)BLD不變響應曲線(xiàn)

因此，pT近似為比例慣性積分環(huán)節，Ne近似為比例慣性環(huán)節。

2.4　單元機組負荷控制系統的對象特點(diǎn)

單元機組是一個(gè)多變量耦合控制對象，鍋爐和汽輪機的動(dòng)態(tài)特性存在很大差異，汽輪發(fā)電機負荷響應快，鍋爐由于受制于燃燒過(guò)程的較大遲延和慣性，負荷響應較為緩慢。所以單元機組能量供求關(guān)系出現制約，外部負荷響應需求與內部運行參數穩定性之間存在著(zhù)固有矛盾。這些就是單元機組負荷控制系統對象的突出特點(diǎn)。

根據單元機組對象的特點(diǎn)，在實(shí)施控制時(shí)必須很好地協(xié)調機、爐兩側動(dòng)作，合理的保持好爐、機能量供求平衡關(guān)系，以兼顧負荷響應和機組的穩定運行。

3　協(xié)調控制系統的組成

單元機組協(xié)調控制系統（Coordinated ControlSystem,CCS）的結構如圖8所示，是由負荷主控制系統、子控制系統和被控對象三大部分組成。

圖8 單元機組協(xié)調控制系統結構圖

負荷主控制系統又包括兩部分，即負荷指令處理部分（也稱(chēng)負荷管理控制中心）和機爐主控制器。

負荷管理控制中心（LMCC）根據機組實(shí)際情況，完成外部負荷指令ADS（Automatic DispathSystem）和運行設定的負荷指令ALR的分選，并進(jìn)行設定值的變化率限制、上下限限制和一次調頻量修正，生成機組負荷執行命令ALD（Actual LoadDemand）。

當出現機組主、輔機或子回路控制受到限制的異常情況時(shí)，負荷管理控制中心（LMCC）設計有機組輔機故障減負荷Run Back（快速返回）功能，有關(guān)的主要運行參數越限強制減負荷Run Down（迫降）或增負荷Run Up（迫升）功能，對負荷執行命令ALD進(jìn)行符合機組實(shí)際狀況的有效修正。

負荷主控制系統的機、爐主控制器是協(xié)調的執行運算單元，接受負荷執行命令ALD（或稱(chēng)ULD—Unit Load Demand），根據鍋爐和汽輪機的運行條件和要求，選擇合適的運行方式，產(chǎn)生鍋爐子控制系統的爐指令BLD（Boiler Load Demand）和汽輪機子控制系統的機指令（Turbine Load Demand）TLD。協(xié)調指揮爐、機各子系統同步實(shí)施調節，控制機組輸入、輸出能量平衡，控制汽壓偏差Δp和功率偏差ΔN在允許的范圍內，滿(mǎn)足電網(wǎng)負荷需求，保證機組安全、經(jīng)濟運行。

根據單元機組容量、特性和合同規定的控制功能的不同，協(xié)調控制系統的設計方案各異。歸納起來(lái)，從反饋控制角度來(lái)說(shuō)設計有機跟隨為基礎的和鍋爐跟隨為基礎的協(xié)調控制系統。從能量平衡控制的角度來(lái)說(shuō)設計有間接能量平衡和直接接能量平衡的協(xié)調控制系統。

4　單元機組協(xié)調控制系統設計的基本策略

建立合理的協(xié)調系統控制策略，關(guān)鍵在于處理機組的負荷適應性與運行穩定性間的矛盾。一般設計時(shí)應注意以下三個(gè)要點(diǎn)：

• 機控要充分利用鍋爐蓄能，滿(mǎn)足機組負荷要求；

• 爐控要動(dòng)態(tài)超調鍋爐的能量輸入，盡快合理補償鍋爐蓄能的變化；

• 要盡可能減少或消除爐、機的相互影響，采用擾動(dòng)補償、自治或解耦的控制原理，使擾動(dòng)在控制回路中得到有效抑制或快速消除，非擾動(dòng)控制回路應不動(dòng)或少動(dòng)。

不同的協(xié)調控制系統負荷管理控制中心基本是相同的，往往機、爐主控制器在落實(shí)上述控制要點(diǎn)的控制策略上有所區別。從控制結構出發(fā)，機、爐主控制器設計一般有兩種指導思想：

（1）前饋-反饋控制

這種協(xié)調系統往往著(zhù)力于發(fā)揮前饋控制技術(shù)和變參數控制技術(shù)的優(yōu)勢，以負荷指令作為爐控的前饋信號，間接協(xié)調機、爐之間能量供求的平衡。因此，也稱(chēng)為間接能量平衡控制系統（DIB）。

這種系統以主控參數如壓力和負荷偏差反饋控制為基礎，作為系統控制的細調，保證系統有足夠克服內擾的能力和的較高的控制精度。

系統比較著(zhù)力于引入前饋控制為輔助調節手段，對系統進(jìn)行快而基本準確的粗調，以提高負荷響應的速度。

系統前饋信號往往采用主被調量或其它相關(guān)的中間變量，使鍋爐燃料超調于主被調量的波動(dòng)輸入，調節回路能提前動(dòng)作，以擬合機組的動(dòng)態(tài)遲延和慣性。系統前饋量應遵循滿(mǎn)足負荷指令與機、爐主控指令之間一定的靜態(tài)關(guān)系。若控制適當，將可直接抵消或有效抑制擾動(dòng)，加快補償負荷擾動(dòng)時(shí)鍋爐蓄能的變化。

一般系統還設計有非線(xiàn)性控制環(huán)節，在充分利用鍋爐蓄熱提高負荷響應速度的同時(shí)，注意控制主汽壓力在允許的偏差范圍內。

（2） 能量平衡控制

這種協(xié)調系統也稱(chēng)為直接能量平衡控制系統（DEB）。

系統組成以能量平衡信號作為爐、機控的前饋指令，力爭在能量平衡前饋作用下，爐、機能協(xié)調一致地滿(mǎn)足電網(wǎng)負荷變化的需求。

能量平衡控制協(xié)調系統中，主控參數反饋控制僅起輔助、消差作用。

5　單元機組協(xié)調控制的原則方案

（1）鍋爐跟隨控制的原則方案

單元機組的鍋爐跟隨控制原則方案如圖9所示。

圖9 鍋爐跟隨控制方式

由機主控調整功率，爐主控調整汽壓。機主控動(dòng)作在前，爐主控動(dòng)作在后。當機組負荷指令改變時(shí)，機主控首先改變汽機調門(mén)開(kāi)度，改變進(jìn)汽量，從而迅速改變發(fā)電機的輸出功率，使其負荷和指令相一致。隨著(zhù)汽機調門(mén)開(kāi)度的變化，主汽壓力隨之改變。爐主控則根據主汽壓力的變化去增減燃燒率，并協(xié)調各子系統動(dòng)作，以補償鍋爐蓄能的變化。使輸入鍋爐的能量與汽輪機的需求能量相平衡，維持主蒸汽壓力的穩定。

這種控制系統的特點(diǎn)是：對于功率給定的變化，能充分利用鍋爐蓄熱，使機組實(shí)發(fā)功率迅速隨動(dòng)響應。系統對電網(wǎng)的頻率調整有利，但對較大的給定功率變化適應性差，主蒸汽壓力和溫度變化大，不利于機組穩定運行。

（2）汽機跟隨控制的原則方案

單元機組的汽機跟隨控制原則方案如圖10所示。

圖10 汽機跟隨控制方式

由爐主控調整功率，機主控調整汽壓。爐主控動(dòng)作在前，機主控動(dòng)作在后。

當機組負荷指令改變時(shí)，爐主控使進(jìn)入鍋爐的燃料量改變，從而改變鍋爐的蒸發(fā)量，以適應負荷變化的能量需求。這將引起主汽壓力的變化。這時(shí)機主控“量入為出”，根據主汽壓的變化去改變調速門(mén)的開(kāi)度，以維持主蒸汽壓力的穩定。

其間，由于進(jìn)入汽機的蒸汽量變化，改變了發(fā)電機的功率，使其和負荷指令相一致。綜觀(guān)其因，機主控的調整是隨動(dòng)的，功率的變化始發(fā)于鍋爐的燃料量的改變。這即是說(shuō)爐主控調整功率的原因。這種控制系統的特點(diǎn)是：采用控制汽機調速汽門(mén)來(lái)維持主汽壓力，汽壓控制速度快，有利于機組的穩定運行。但沒(méi)有充分利用鍋爐蓄熱，是先補充而后釋放蓄熱。特別是當功率給定值改變后，功率調節器先改變鍋爐燃料，由于鍋爐燃燒與熱傳導均有慣性，待主汽壓力慢慢變化后，機主控才隨動(dòng)改變汽機調門(mén)，使輸出功率改變。這樣，系統不利于電網(wǎng)的頻率調整，負荷的適應性差。

（3）機爐協(xié)調控制的原則方案

單元機組的爐機協(xié)調控制原則方案如圖11所示。

圖11 爐機協(xié)調控制方式

采用單元機組的爐機協(xié)調控制原則方案，機組功率和主汽壓力的調節任務(wù)由爐主控和機主控共同完成。即機組負荷指令和主汽壓偏差信號同時(shí)作用到鍋爐控制器和汽機控制器，并行改變鍋爐輸入能量和汽機調門(mén)開(kāi)度。以期盡快使功率和汽壓等于設定值。

爐機協(xié)調方式下，在負荷變化過(guò)程中，允許主汽壓在一定范圍內變化，從而充分利用鍋爐蓄熱，使機組能較快地適應負荷指令的需求。一般來(lái)說(shuō)，機組功率和主汽壓力調節完全對等的由爐主控和機主控共同完成，控制結構組織比較困難，也無(wú)這種特殊必要。實(shí)際應用中，往往發(fā)揮機跟隨方式和爐跟隨方式的特點(diǎn)，組織以機跟隨為基礎的協(xié)調控制系統或爐以跟隨為基礎的協(xié)調控制系統。

6　結束語(yǔ)

為改善機組負荷響應能力，越來(lái)越多的工程設計采用了以鍋爐跟隨為基礎的協(xié)調控制系統。由于反饋控制過(guò)程緩慢，傳遞時(shí)滯和慣性易引起調節過(guò)度積分和系統不穩定。因此，協(xié)調控制系統里，采用反饋控制僅為了消除穩態(tài)時(shí)主被調量的偏差?，F代控制一般均比較著(zhù)力于引用前饋控制技術(shù)和變參數控制技術(shù)，使組織的協(xié)調系統更適應不同工況下對象特性的變化；直接或間接地快速完成爐、機能量需求的平衡控制。

作者簡(jiǎn)介：

李高平（1972-），男，甘肅敦煌人，現任中國人民解放軍63621部隊電氣熱控高級工程師，從事電力設備狀態(tài)檢修、自動(dòng)控制、繼電保護和信息系統技術(shù)研究工作。

魏　東（1982-），男，甘肅榆中人，現任中國人民解放軍63621部隊熱工控制工程師，從事智慧電廠(chǎng)DCS 、SIS 、MIS 系統技術(shù)研究，實(shí)時(shí)數據集成平臺研究，發(fā)電信息管理系統研究等工作。

王　亮（1987-），男，黑龍江哈爾濱人，現就職于中國人民解放軍63621部隊，從事智能設備管理方案研究、全廠(chǎng)統一校時(shí)方案研究、全廠(chǎng)信息安全研究、機組協(xié)調控制研究、現場(chǎng)問(wèn)題協(xié)調處理等工作。

姜國巖 （1987-），男，河北石家莊人，現任杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司副總經(jīng)理，從事控制系統技術(shù)研究、全廠(chǎng)統一校時(shí)方案研究、全廠(chǎng)信息安全研究、機組協(xié)調控制研究、應用培訓、技術(shù)支持、現場(chǎng)問(wèn)題處理、產(chǎn)品銷(xiāo)售管理、工程質(zhì)量管理、軟件業(yè)務(wù)銷(xiāo)售管理等相關(guān)工作。

張鵬程 （1982-），男，陜西西安人，現任杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司工程管理經(jīng)理，從事智能設備管理技術(shù)的研究、自動(dòng)控制、全廠(chǎng)信息安全研究、機組協(xié)調控制研究、應用培訓、技術(shù)支持、現場(chǎng)問(wèn)題處理等工作。

張樹(shù)強（1987-），男，陜西安康人，現任杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司技術(shù)支持工程師，從事智能設備管理技術(shù)的研究、全廠(chǎng)統一校時(shí)方案研究、全廠(chǎng)信息安全研究、機組協(xié)調控制研究、應用培訓、技術(shù)支持、現場(chǎng)問(wèn)題處理等工作。

參考文獻：

[1] 畢貞福. 火力發(fā)電廠(chǎng)熱工自動(dòng)控制使用技術(shù)[M]. 北京: 中國電力出版社, 2008.

[2] 肖平. 協(xié)調控制與提高機組負荷響應性能探討[J]. 江西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報, 2006.

[3] 翁思義, 楊平, 自動(dòng)控制原理[M]. 北京: 中國電力出版社, 2001.

[4] 陳厚肇. 自動(dòng)發(fā)電控制機協(xié)調控制系統[J]. 江蘇機電工程, 2004.

摘自《自動(dòng)化博覽》2020年9月刊