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1、第十二章第十二章 单元机组协调控制系统单元机组协调控制系统 第一节 协调控制系统的基本概念 第二节 协调控制系统的基本方案分析 第三节 单元机组协调控制系统实例分析 第四节 协调控制系统的整定 第一节 协调控制系统的基本概念 一 基本概念 单元机组在处理满足负荷要求并同时维持机组主要运行参数 稳定这两个问题时 是将机炉作为一个整体来看待的 然而汽机 锅炉实际上又是相对独立的 它们通过各自的调节手段 如汽 轮机调节阀开度 锅炉燃烧率 满足电网负荷的要求并保持机组 主要参数 主蒸汽压力 的稳定 但它们能力不尽相同 差异较 大 当前随着大型发电机组的日益增多 大容量机组的汽机和锅 炉都是组成单元制热
2、力系统 若在单元机组控制系统设计中 充分考虑它们差异 以及各 自特点 采取某些措施 如引入某些前馈信号 协调信号 让 机炉同时按照电网负荷要求变化 接收外部负荷指令 根据主要 运行参数偏差 协调地进行控制 从而在满足电网负荷要求同时 保持主要运行参数稳定 这样控制系统称为协调控制系统 负荷指令 处理回路 机炉主控 制器回路 ADS指令 频差信号 值班员指令 LD PB P 图12 1 单元机组协调控制系统组成原理示意图 机炉主控制回路除接受负荷指令信号外 还接受主蒸汽压力 信号根据这两个信号的偏差 改变汽机调节阀的开度和锅炉的燃 烧率 协调控制系统是由负荷指令处理回路和机炉主控制回路这两 部分
3、组成 负荷指令处理回路接受中央调度所指令 值班员指令和频率偏 差信号 通过选择和运算 再根据机组的主辅机实际的运行情况 发出负荷指令 二 协调控制系统的分类 目前 各种不同单元机组协调控制系统的设计 都是从处理 快速负荷响应和主要参数运行稳定这一矛盾出发的 一般协调控 制系统可按反馈或前馈回路的不同进行分类 一 按反馈回路分类 按反馈回路分类可以将协调控制系统分为以汽机跟随 锅炉 基本 为基础的协调控制系统和以锅炉跟随 汽机基本 为基础 的协调控制系统 1 以汽机跟随 锅炉基本 为基础的协调控制系统 WT2 S WT1 S F X P0 p0 pT PE M T 如上图所示 汽机跟随 锅炉基本
4、 控制系统构成包括汽轮 机侧的主蒸汽压力控制系统和锅炉侧机组功率控制系统 锅炉调节器WT2 S 接受功率给定和功率反馈信号 当机组负荷 发生变化时 首先通过锅炉调节器WT2 S 控制燃料量 此时给水和 送粉也应相应调整 待机前压力pT改变后 再按机前压力与给定值的偏差 通过 汽机调节器WT1 S 改变汽轮机调节阀的开度 从而改变机组功率 如图12 2所示 功率偏差信号 P 0 P E 可以看作是暂时改 变的汽机调节器的给定值 当 P 0 P E 0时 汽机调节器发出 开大调节阀的指令 增加输出功率 反之亦然 当F x 0时 前 馈作用不存在 显然 由于锅炉侧调节有较大的惯性 且汽轮机侧保持主汽
5、 压力稳定时没有利用机组蓄能 所以在负荷需求变化时机组响应 较慢 但采用汽机的调节阀来控制主汽压力 使汽压波动较小 汽机跟随 锅炉基本 为基础的协调控制系统 可以在汽机 调节器前 加入功率偏差的前馈信号 原理 利用锅炉蓄能 同时允许汽压在一定范围内波动 WT2 S WT1 S F X p0 P0 pT PE M T 2 以锅炉跟随 汽机基本 为基础的协调控制系统 如上图 基本构成 两个反馈调节系统 即汽机侧的机组功率 控制系统和锅炉侧的主汽压力控制系统 基本工作原理 汽机调节器WT1 S 接受功率给定值与实发功率 反馈信号 根据它们之间的偏差 调节汽机调节阀开度 从而改 变进汽量使发电机输出功
6、率迅速满足负荷要求 锅炉调节器WT2 S 接受机前压力定值与机前压力反馈信号 根据它们之间的偏差 调整燃料量从而保证主汽压力的稳定 由于机组功率对汽机侧调节作用的响应迅速 当负荷要求变化 时 本系统通过改变汽机调节阀开度 充分利用机组蓄能 就可 以得到机组功率的快速响应 但以牺牲主汽压力稳定为代价 又因为在锅炉侧调节作用下 主汽压力的响应有较大惯性 所以 在锅炉跟随系统中 快速的功率响应和较大的主汽压 力偏差是同时存在的 这就是锅炉跟随系统的特点 为了减小主汽压力的波动 以锅炉跟随 汽机基本 为基础的 协调控制系统可以采用机前压力的定值与机前压力的反馈值之间的 偏差信号 通过函数模块F X 作
7、用在汽机调节器的输出端 当汽 压偏差超过非线性模块不灵敏区 时 汽机调节器发出调节阀开度 指令将受到限制 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 增设了前馈回路 使能 量的失衡限制在较小的范围之内 下面介绍两种基本的前馈回路方 案 1 按指令信号间接平衡的协调控制系统 图12 4是指令信号间接平衡协调控制系统的原理图 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 dd PI I 锅炉主控 燃烧率指 令 汽机调节阀 开度指令 p0 PE P0 pT 图12 4 按指令信号间接平衡的协
8、调控制系统 返回26 汽机调节器PI任务是维持机前压力PT 等于给定值P0 但在负 荷变化过程中 要利用功率偏差 P0 PE 信号修正汽压给定值 以便利用锅炉蓄热量 由图12 4可见 汽机调节器入口输入信号的平衡关系为 1 S P0 PE KP pT p0 0 S 微分算子 KP 加法器中比例系数 稳态时为 式中 由此可见 汽机功率控制回路实际上是一个汽压控制系统 功 率的偏差信号是汽机调节回路的前馈信号 它用来修正压力给定值 当功率给定值P0 增加时 实际压力给定值低于给定值p0 调节器 将发出开大调节阀指令 增大实发功率 锅炉燃烧率指令送往锅炉各子系统 燃料和送风系统 由图 12 4可见
9、燃烧率指令PM 为 式中 KP1 KP 比例系数 S 微分算子 功率定值P0 比例微分是前馈信号 微分在动态过程中加强燃 烧率指令 以补偿机炉之间对负荷响应速度差异 稳态时汽压偏差 p0 pT 信号为零 它在动态过程中有适当修正燃烧率指令作用 汽机调节阀 开度指令 pTp0p1P0PE I PI I d d p 锅炉 燃烧率指令 图12 5 能量直接平衡协调控制系统原理图 2 能量直接平衡协调控制系统 系统属于以锅炉跟随 为基础的协调控制系统 主要特点 能量平衡信号p1 pT 取代功率给定信号P0 作 为控制回路前馈信号 功率偏差积分项用来校正燃烧率指令 以保证机组功率偏差和 汽压偏差在稳态时
10、都为零 其校正过程是通过锅炉和汽机两个回 路完成的 所以 无论在动态还是静态 p1 pT 都能反映调节阀开度 即汽 机输入能量 由图12 5可见 汽机调节器输入信号的平衡关系为 可见 汽机控制回路功率给定值P0反馈信号是p1 因p1对汽机调 节阀开度响应比实发功率灵敏得多 故汽机调节阀能迅速而平稳地 响应功率给定值的变化 p1为汽机第一级后压力 两者比值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 度的微小的变化作出灵敏的反应 锅炉燃烧指令PM 为 燃烧率指令前馈信号是能量平衡信号p1 pT 式中微分项在动 态过程中加强燃烧指令 以补偿机炉之
11、间对负荷要求响应速度的差 异 由于要求动态补偿的能量不仅与负荷变化率成正比 而且与负 荷水平成正比 所以微分项要求乘以p1 pT 值 汽压偏差积分项保 证了稳态时能消除压力偏差 能量平衡信号与功率给定信号性质不同 后者仅表示电网对机 组负荷要求 前者反映了汽机对锅炉的能量要求 这就为机炉之间 动态过程中协调控制两个控制回路的工作提供了一个比较直接的能 量平衡信号 与指令信号间接平衡的协调系统相比 锅炉控制回路 的前馈信号无论是动态还是静态的精度都比较高 整定也比较方便 以锅炉跟随为基础的能量直接平衡协调控制系统 在快速适应 负荷要求 以及克服系统内部扰动方面 有较大优势 是协调控制 方案中较好
12、的一种 三 协调控制系统的作用 协调控制系统组成 负荷指令处理回路 机炉主控制回路 负荷指令处理回路 1 接受的外部指令 各自作用 电网调度所负荷分配指令 电网频率自动调整指令 机组运行人员改变负荷的指令 根据机组运行状态和电网对机组的要求 选择其中一种指令 或两种以上指令 机炉主控制回路的作用 根据机组输出功率与负荷要求之间的偏差 决定不同的 运行方式 接受经过处理负荷指令P0 对锅炉 汽机调节系统发出 协调指挥信号 锅炉指令PB和汽机指令PV 5 根据机组辅机运行状态 选择不同的运行工况 4 甩负荷保护 3 限制机组最高和最低负荷 2 限制负荷指令的变化率和起始变化幅度 四 协调控制系统的
13、运行方式 协调控制系统的设计不同 所供选择的工作方式也有所区别 但是 一般协调控制系统都具有下列五种工作方式 方式I 机炉协调控制方式 适用 机组运行情况良好 带变动负荷 机炉参加电网调频 调 度所可以直接改变机组负荷 机组运行人员也可以改变机组输出功 率 机炉自动调节系统都投入运行 方式II 汽机跟随锅炉而汽机输出功率可调方式 锅炉 汽机自动 机组不参加电网调频 调度所也不直接改变 机组负荷 只有机组运行人员可以改变机组给定功率 机组输出功 率能自动保持 给定功率 方式III 汽机跟随锅炉而机组输出功率不可调节方式 方式IV 锅炉跟随汽机输出功率不可调节方式 锅炉工作正常 汽机部分设备工作异
14、常 不接受外部负荷指令 锅炉燃烧率处于自动状态 维持机前压力 汽机主控制器处于手 动状态 方式V 手动控制方式 锅炉和汽机都处于 手动 单元机组的运行由运行人员手动 操作 主控制系统中的负荷要求指令P0 跟踪机组的实际出力 为投 入自动作好准备 汽机运行正常 锅炉部分设备有故障 机组维持它本身实际输 出功率 不接受任何外部负荷要求指令 自动调节的主要目的是维 持锅炉继续运行 以便排除锅炉的部分故障 此时只是汽机调节阀 处于自动控制 锅炉燃烧率处于手动控制 第二节 协调控制系统的基本方案分析 根据单元机组的动态特性及其负荷控制系统的任务 已经设 计出了多种不同类型的协调控制系统 目前协调控制系统
15、的性能 日趋完善 高性能的协调控制系统有以下主要特点 为了迅速满足电网调频的要求 尽可能提高机组的负 荷适应性 采用前馈回路 充分利用锅炉蓄热量 负荷控制范围不断扩大 不仅在正常运行时能实现自动 控制 而且在机组异常时能自动处理事故和系统切换 不仅要求反馈回路能协调工作 而且要求提高前馈回路 动 静态补偿精度 更好地适应电网负荷要求 按平衡关系调节 在单元机组中 相互平衡的量比较多 例如送风量与引风量是 一对相互平衡的量 给水量与产生的总的蒸汽量是一对相互平衡的 量 这种调节的缺点是平衡关系绝对准确很困难 而且有些量很难 测量 能量平衡观点 输入能量与输出能量之间比例关系应能调节保 持 变动工
16、况下 由于机组蓄能变化 比例关系也会有变化 它们 之间总关系为 能量输入 能量输出 能量储蓄 设计系统时可 以把关系密切的两个相互平衡的量作为调节器的输入信号 也可以 把这两者是否平衡的指标作为被调参数 一 热工控制系统设计的基本方法 按平衡指标调节 缺点 指标测定有迟延和惯性 使控制系统的性能指标受到 一定影响 蒸汽压力 汽机负荷与锅炉负荷是否平衡的指标 炉膛负压 送风量与引风量是否平衡的指标 烟气含氧量 给煤量与送风量是否平衡的指标 汽包水位 锅炉给水量与蒸汽流量是否平衡的指标 综合以上两种方法 可以得到两种新的设计方法 被调量被调量 D PI PD P PI 定值 调节指令 扰动 定值 扰动 调节指令 图12 6 校正法调节系统示意图 图12 7 衰减法调节系统示意图 校正法 所谓校正法是将扰动量以前馈的形式 通过比例或比例微分 作用 加入到控制系统中 图12 6是校正法调节系统原理示意图 衰减法 衰减法是将扰动量以前馈的形式 通过微分作用 加入到控 制系统中 图12 7是衰减法调节系统原理示意图 二 协调控制系统的基本方案 纯粹 炉跟机 或 机跟炉 系统都有较大缺点 我国单元机
