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1、3-1 概述概述 系统的分类方法系统的分类方法F根据系统发展的基础，按照机跟炉、炉跟机的方式来划分。根据系统发展的基础，按照机跟炉、炉跟机的方式来划分。但但随着系统结构的不断更新和变化，许多系统已难以区分究竟属随着系统结构的不断更新和变化，许多系统已难以区分究竟属于机跟炉还是炉跟机的形式于机跟炉还是炉跟机的形式F从能量平衡的观点出发。从能量平衡的观点出发。 两个概念：两个概念： 直接能量平衡直接能量平衡( (DEB)DEB)协调控制系统协调控制系统 间接能量平衡间接能量平衡( (IEB)IEB)协调控制系统协调控制系统F在工程领域，以国外不同公司的典型系统来区分协调控制系统在工程领域，以国外不
2、同公司的典型系统来区分协调控制系统的种类。的种类。 美国美国 L&NL&N 公司的协调控制系统公司的协调控制系统 Bailey(Bailey(贝利贝利) )公司的协调系统公司的协调系统 FoxboroFoxboro公司的协调系统公司的协调系统 日本日立公司的系统日本日立公司的系统 瑞士瑞士BBCBBC公司的系统等公司的系统等 第二节第二节间接能量平衡间接能量平衡( (IEB)IEB)协调控制系统协调控制系统 一一. .简单的机炉控制系统回顾简单的机炉控制系统回顾1 1 机跟炉方式机跟炉方式特点：特点：机组输出功率由锅炉给定，汽轮机主汽门开度调节主蒸汽压力（汽机调压系统）机组输出功率由锅炉给定，
3、汽轮机主汽门开度调节主蒸汽压力（汽机调压系统）优点：优点：主汽压力维持较好主汽压力维持较好, ,此方式在锅炉侧局部故障时使用。此方式在锅炉侧局部故障时使用。缺点：缺点：对机组负荷变化需求的响应速度慢对机组负荷变化需求的响应速度慢 当锅炉侧产生内部扰动时，导致机前压力当锅炉侧产生内部扰动时，导致机前压力P PT T的变化和输出功率的变化和输出功率N N的变化。的变化。 引起主汽门开度引起主汽门开度和燃料量和燃料量B B 的同时动作；正确的调节作用应当是由锅炉调节的同时动作；正确的调节作用应当是由锅炉调节 器改变燃烧率，消除内部扰动，使汽压和功率回复到给定值；器改变燃烧率，消除内部扰动，使汽压和功
4、率回复到给定值； 会导致输出功率长时间的来回波动甚至振荡。会导致输出功率长时间的来回波动甚至振荡。结论：结论：不适用于带变动负荷的运行工况；缺乏有效地抑制锅炉侧内部扰动的能力不适用于带变动负荷的运行工况；缺乏有效地抑制锅炉侧内部扰动的能力 机跟炉方式机跟炉方式2 2 炉跟机方式炉跟机方式炉跟机方式炉跟机方式特点：特点：机组输出功率由汽轮机主汽门开度调节，锅炉维持主蒸汽压力机组输出功率由汽轮机主汽门开度调节，锅炉维持主蒸汽压力优点：优点：机组对外负荷变化需求的响应性好。机组对外负荷变化需求的响应性好。 其实质是利用了机组内部的蓄热能量，满足外部负荷的需求其实质是利用了机组内部的蓄热能量，满足外部
5、负荷的需求缺点：缺点：机前压力品质不理想。如果调节器参数整定不当，可能引起系统的振荡和不稳定机前压力品质不理想。如果调节器参数整定不当，可能引起系统的振荡和不稳定 结论：结论：一般，此方式在汽机侧局部故障时使用一般，此方式在汽机侧局部故障时使用随着系统结构的不断更新和变化，许随着系统结构的不断更新和变化，许多系统已难以区分究竟属于机跟炉还多系统已难以区分究竟属于机跟炉还是炉跟机的形式是炉跟机的形式协调控制系统。协调控制系统。1010个个直接能量平衡直接能量平衡( (DEB)DEB)协调控制系统协调控制系统3个个间接能量平衡间接能量平衡( (IEB)IEB)协调控制系统协调控制系统一、补偿锅炉侧
6、扰动的机跟炉协调系统一、补偿锅炉侧扰动的机跟炉协调系统 （I I1 1方案）方案）二、补偿汽机侧扰动的机跟炉协调系统二、补偿汽机侧扰动的机跟炉协调系统 （I I2 2方案）方案）三、补偿锅炉侧扰动的炉跟机协调系统三、补偿锅炉侧扰动的炉跟机协调系统 （I I3 3方案）方案）特点：特点：优点：优点：缺点：缺点：四、补偿汽机侧扰动的炉跟机协调系统四、补偿汽机侧扰动的炉跟机协调系统 （I I4 4方案）方案）特点：特点：引入了功率偏差信号至锅炉调节器引入了功率偏差信号至锅炉调节器优点：优点： （1 1）补偿了汽轮机侧扰动，即汽机侧扰动由汽轮机主控制器来消除，对锅炉侧无影响。补偿了汽轮机侧扰动，即汽机
7、侧扰动由汽轮机主控制器来消除，对锅炉侧无影响。（2 2）功率偏差信号至锅炉调节器，当外界负荷指令变化时，可作为前馈信号，克服锅炉功率偏差信号至锅炉调节器，当外界负荷指令变化时，可作为前馈信号，克服锅炉 的慢特性。的慢特性。缺点：缺点：单向补偿单向补偿 （只是对汽轮机侧扰动实现了补偿）只是对汽轮机侧扰动实现了补偿） 五、实现双向补偿的炉跟机协调系统五、实现双向补偿的炉跟机协调系统 （I I5 5方案）方案）六、实现双向补偿的机跟炉协调系统六、实现双向补偿的机跟炉协调系统 （I I6 6方案）方案）续六、实现双向补偿的机跟炉协调系统的变形结构续六、实现双向补偿的机跟炉协调系统的变形结构（I I6
8、6方案）方案）续六、实现双向补偿的机跟炉协调系统的变形结构续六、实现双向补偿的机跟炉协调系统的变形结构（I I6 6方案）方案）七、实现双向串联补偿的协调系统（I I7 7方案）方案）八、实现单向串联补偿的炉跟机协调系统八、实现单向串联补偿的炉跟机协调系统 （I I8 8方案）方案）九、采用非线性补偿的协调控制系统九、采用非线性补偿的协调控制系统 （I I9 9方案）方案）十、联合变压运行的协调控制系统十、联合变压运行的协调控制系统 （I I1010方案）方案）十、联合变压运行的协调控制系统十、联合变压运行的协调控制系统 （I I1010方案）方案）表表3-1 3-1 稳定工况下功率、压力和调
9、节汽门开度稳定工况下功率、压力和调节汽门开度N91%PTPmin.spPmin.spPTPmax.spPmax.sp91%Psp的形成：1） Psp =Nsp/ usp2) 积分负反馈 3) G3调节器的作用第三节第三节 直接能量平衡直接能量平衡( (DEB)DEB)协调控制系统协调控制系统 特点：特点：(1)(1)机组的功率由汽机调节汽门进行控制，具有炉跟机控制方式机组的功率由汽机调节汽门进行控制，具有炉跟机控制方式 的特点，的特点， 即机组对外界负荷的响应性好。即机组对外界负荷的响应性好。(2)(2)采用了一个代表汽轮机组能量需求的信号。此信号作为机炉采用了一个代表汽轮机组能量需求的信号。
10、此信号作为机炉 之间的协调信号，或称为能量平衡信号，控制锅炉的输入能之间的协调信号，或称为能量平衡信号，控制锅炉的输入能 量，保证任何工况下机组内部能量供需的平衡。量，保证任何工况下机组内部能量供需的平衡。 DEBDEB协调控制系统，以汽轮机能量需求信号直接对锅炉输入协调控制系统，以汽轮机能量需求信号直接对锅炉输入 能量进行控制能量进行控制 基本出发点是在任何工况下均保证锅炉能量的输入与汽机能量基本出发点是在任何工况下均保证锅炉能量的输入与汽机能量 的需求相平衡的需求相平衡 一、以一、以( (P P1 1/ /P PT T) ) P Pspsp为能量平衡信号的协调系统（为能量平衡信号的协调系统
11、（D D1 1方案）方案）特点特点1 1： = = P1/PT 以以P P1 1/ /P PT T信号用于检测汽机阀门开度，信号用于检测汽机阀门开度， 响应快；响应快； 可克服直接测量阀位存在的死区和非线性影响。可克服直接测量阀位存在的死区和非线性影响。特点特点2 2 ：用用( (P1/PT) Psp作为能量平衡信号可在机组动态、静态以及作为能量平衡信号可在机组动态、静态以及 不同工况下比较理想地代表机组对锅炉能量的需求。不同工况下比较理想地代表机组对锅炉能量的需求。 方案分析：方案分析：汽机能量需求信号汽机能量需求信号 = = ( (P1/PT) Psp 稳态时，稳态时，P PT T = =
12、 P Pspsp，则则( (P1/PT) Psp= P1 。稳定工况，机前压力和汽机调节汽门开稳定工况，机前压力和汽机调节汽门开 度均为恒定度均为恒定, ,因而，因而， P1 就代表了进入汽轮机的蒸汽量（能量）的大小。就代表了进入汽轮机的蒸汽量（能量）的大小。 动态时，由于汽机阀位的改变会使动态时，由于汽机阀位的改变会使P PT T偏离给定值，偏离给定值， ( (P1/PT) Psp并不等于实际进并不等于实际进 入汽机的能量，而是代表了汽机所需的能量。入汽机的能量，而是代表了汽机所需的能量。 ( (P1/PT) Psp信号与实际功率需信号与实际功率需求求 就会有一定的偏差。就会有一定的偏差。
13、例：例： N Nspsp阶跃阶跃 ， ，D DT T ， P PT T ( (因锅炉补充能量不及时因锅炉补充能量不及时),), 只有在动态过程中使汽机调节门有一定的过开才能满足功率需求。只有在动态过程中使汽机调节门有一定的过开才能满足功率需求。 此时，能量需求信号此时，能量需求信号( (P1/PT) Psp 大于大于 功率指令。功率指令。 利用利用( (P1/PT) Psp作为锅炉前馈信号，比采用功率指令前馈更为合理，正好符合作为锅炉前馈信号，比采用功率指令前馈更为合理，正好符合 暂态过程中更多地增加一些锅炉能量的输入，补充被利用了的锅炉蓄能。暂态过程中更多地增加一些锅炉能量的输入，补充被利用
14、了的锅炉蓄能。 ( (P1/PT) Psp信号不受锅炉内扰的影响。当产生锅炉内部扰动使汽机机前压力信号不受锅炉内扰的影响。当产生锅炉内部扰动使汽机机前压力P PT T 发生变化时，汽机首级压力发生变化时，汽机首级压力P P1 1也会相应地变化，也会相应地变化，P P1 1/ /P PT T近似不变近似不变 。 当汽机调速系统一次调频当汽机调速系统一次调频, ,改变一部分汽机负荷时，也能反应在改变一部分汽机负荷时，也能反应在( (P1/PT) Psp中。中。 ( (P1/PT) Psp信号不受机组运行工况变化的影响，包括手动工况，汽机负荷受到信号不受机组运行工况变化的影响，包括手动工况，汽机负荷
15、受到 限制的工况以及变压运行工况等，都能反映出汽机对锅炉能量的需求限制的工况以及变压运行工况等，都能反映出汽机对锅炉能量的需求 。 方案一、以方案一、以( (P1/PT) Psp为为能量平衡信号能量平衡信号的协调系统的协调系统 （续）（续）（美国（美国L&NL&N公司公司DEB/300DEB/300系统系统 ）二、以二、以P P1 11+1+k k( (P Pspsp- -P PT T)为前馈信号的协调系统为前馈信号的协调系统 （D D2 2方案）方案）特点：特点：锅炉调节系统采用锅炉调节系统采用P P1 11+1+k k( (P Pspsp- -P PT T)前馈信号。前馈信号。该信号可分为
16、该信号可分为P P1 1和和P P1 1* *k k( (P Pspsp- -P PT T) )两部分。两部分。 Why? Why? 加入加入 P P1 1* *k k( (P Pspsp- -P PT T) )信号信号原因：原因：P P1 1代表进入汽机的蒸汽量，与代表进入汽机的蒸汽量，与机组负荷成正比，所以是一个比较理机组负荷成正比，所以是一个比较理想的锅炉能量输入前馈信号。但是，想的锅炉能量输入前馈信号。但是，直接把直接把P P1 1引入锅炉调节系统，会产生引入锅炉调节系统，会产生正反馈作用。例如，当因某种原因引正反馈作用。例如，当因某种原因引起起P PT T上升时，上升时，P P1 1
17、随之增高。随之增高。P P1 1作为锅作为锅炉前馈信号，将进一步增加燃料量输炉前馈信号，将进一步增加燃料量输入，造成入，造成P P1 1的继续上升。如果把的继续上升。如果把P P1 1* *K K( (P Pspsp- -P PT T) )也做为前馈信号的一部分，也做为前馈信号的一部分，可以克服单纯使用可以克服单纯使用P P1 1而出现的正反馈而出现的正反馈作用。作用。 D D2 2方案分析方案分析： 可把可把P P1 1再分为两部分。再分为两部分。（1 1）假定机前压力为恒定，仅与汽机负荷或汽机调节门开度有）假定机前压力为恒定，仅与汽机负荷或汽机调节门开度有关的部分，记为关的部分，记为P P
18、1 1 ；（2 2）由于机前压力由于机前压力P PT T偏离给定值偏离给定值P Pspsp，对对P P1 1产生的附加影响部分产生的附加影响部分记为记为P P1 1 , , P P1 1 正是引起正反馈作用的部分，必需加以消除。正是引起正反馈作用的部分，必需加以消除。 考虑稳态工况下机前压力考虑稳态工况下机前压力P PT T等于给定等于给定值值P Pspsp，汽机阀门阻力系数可表示为汽机阀门阻力系数可表示为 在此阻力系数下在此阻力系数下,当机前压力当机前压力P PT T出现出现小的偏差时小的偏差时,对汽机一级压力的影响对汽机一级压力的影响 因为此时汽机阀位并未改变，因为此时汽机阀位并未改变，阻
19、力系数也不变，是由于机前压阻力系数也不变，是由于机前压力偏差而产生的，等效为力偏差而产生的，等效为 分析分析, ,令令系数系数k k=l/=l/ P Pspsp ，并并把这部分作用记为，把这部分作用记为， 由此由此 消除了单纯使用消除了单纯使用P1作为前馈信号时的正反馈影响，保留了与汽机负荷成正比作为前馈信号时的正反馈影响，保留了与汽机负荷成正比, , 且不受锅炉内扰影响的部分，构成合理的锅炉能量输入前馈信号且不受锅炉内扰影响的部分，构成合理的锅炉能量输入前馈信号三、取消主压力调节器的三、取消主压力调节器的DEBDEB协调控制系统协调控制系统 （D D3 3方案）方案）这种取消主压力调节器的D
20、EB系统不仅系统结构有所简化，而且利用汽包压力的微分起到使控制过程更加平稳的作用。汽机能量需求信号直接做为锅炉指令，与热量反馈信号构成燃料控制信号，可以更为直接、快速地实现机炉之间的动静态能量平衡。ef静态 PI动态过程中，汽包压力的微分信号具有防止过调，使过程稳定的作用 例如：B B防止出现PT过调 第四节第四节单元机组主控系统单元机组主控系统 一、负荷指令管理中心一、负荷指令管理中心 负荷的给定信号来自两个方面：负荷的给定信号来自两个方面： 机组运行人员的机组运行人员的“手动负荷给定手动负荷给定” “中调指令中调指令”(介入与退出由运行人员通过切换器介入与退出由运行人员通过切换器T1T1进
21、行进行 选择选择) T1T1的输出与手动负荷给定信号经叠加的输出与手动负荷给定信号经叠加机组目标负荷指令。机组目标负荷指令。 目标负荷指令与机组可能出力计算回路计算出的机组最大可能出目标负荷指令与机组可能出力计算回路计算出的机组最大可能出力信号作为小值选择器的两个输入。二者取小值作为机组的负荷指力信号作为小值选择器的两个输入。二者取小值作为机组的负荷指令，送至负荷指令中心的下一部分继续进行处理。令，送至负荷指令中心的下一部分继续进行处理。 机组最大可能出力的计算。机组最大可能出力的计算。 负荷指令限定在给定的最小、最大负荷之间。负荷指令限定在给定的最小、最大负荷之间。 速率限制速率限制 正常工
22、况下，负荷指令经切换器正常工况下，负荷指令经切换器T3T3实现，限定负荷实现，限定负荷指令变化的速率指令变化的速率. . 机组由于局部故障或某种原因进行迫升机组由于局部故障或某种原因进行迫升/ /迫降或甩负迫降或甩负荷时，荷时， 往往要求较快的负荷变化速率。此时，通过逻辑往往要求较快的负荷变化速率。此时，通过逻辑回路对回路对T4T4、T5T5进行自动切换，给出迫升进行自动切换，给出迫升 / /迫降或甩负荷迫降或甩负荷时所设定的负荷变化速率。时所设定的负荷变化速率。 频差信号的处理。可由运行人员通过切换器频差信号的处理。可由运行人员通过切换器T6决定。经决定。经速率限制器输出的负荷指令信速率限制
23、器输出的负荷指令信 号可根据机组调频的需号可根据机组调频的需要与频差信号相叠加。要与频差信号相叠加。 负荷指令限制回路负荷指令限制回路 一、负荷指令一、负荷指令 管理中心管理中心二、机组局部故障处理逻辑二、机组局部故障处理逻辑 炉炉当机组发生局部故障时，应对机组的负荷指令进行必要的当机组发生局部故障时，应对机组的负荷指令进行必要的处理，防止局部故障扩大甚至引起停机事故。处理，防止局部故障扩大甚至引起停机事故。 局部故障的处理方法主要有局部故障的处理方法主要有: : 甩负荷（甩负荷（RB):RB): 局部故障明确局部故障明确；甩负荷数量明确；逻辑简单甩负荷数量明确；逻辑简单 闭锁机组负荷闭锁机组
24、负荷( (增或减增或减) ) 故障原因不明确，参数偏差达第一报警限；故障原因不明确，参数偏差达第一报警限； 机组负荷迫升机组负荷迫升/ /迫降迫降 故障原因不明确故障原因不明确；参数偏差达第二报警限；升参数偏差达第二报警限；升/ /降负荷数量不明确；降负荷数量不明确； 逻辑复杂逻辑复杂 快速甩负荷快速甩负荷( (FCB:Fast CutFCB:Fast Cut Babk Babk) ) 当电网出现故障或其它原因要求机组快速地将负荷降至最低限时，当电网出现故障或其它原因要求机组快速地将负荷降至最低限时，需要快速甩负荷。快速甩负荷的实现对机组的可控性要求很高，所有控制需要快速甩负荷。快速甩负荷的实现对机组的可控性要求很高，所有控制子系统必须处于正常工作状态，并应配备完备的旁路系统。目前绝大多数子系统必须处于正常工作状态，并应配备完备的旁路系统。目前绝大多数协调控制系统中未设置快速甩负荷功能，故不再详细讨论。协调控制系统中未设置快速甩负荷功能，故不再详细讨论。 (1)(1)甩负荷甩负荷 (2)(2)迫升迫升/ /迫降迫降
