600MW直流炉-华北电力大学协调控制系统讲义

第二章协调控制
一、协调控制概述
协调控制系统关键在于处理机组的负荷适应性与运行的稳定性这一矛盾。

既要控制汽机充分利用锅炉蓄能，满足机组负荷要求；又要动态超调锅炉的能量输入，补偿锅炉蓄能，要求既快又稳。

超临界机组中的锅炉都是直流锅炉，作功工质占汽－水循环总工质的比例增大，锅炉惯性相对于汽包炉大大降低；超临界机组工作介质刚性提高，动态过程加快。

超临界直流炉大型机组的协调控制需要更快速的控制作用，更短的控制周期，以及锅炉给水、汽温、燃烧、通风等之间更强的协同配合。

二、协调控制的主要策略
（1）锅炉、汽机之间功率平衡信号
与汽机相比，锅炉系统动态响应慢、时滞大；对直流炉来说，合理地选择功率平衡信号，才能适应直流炉对快速控制的要求。

因此功率平衡信号的选择，对整个机组动态特性的影响极大。

依照实际的P1(或MW)信号出现后,再反馈到锅炉侧,因此是基于反馈的锅炉跟踪汽机设计.
根据MWD,控制锅炉侧,因此是一种前馈控制.控制
策略
思想比P1信号慢,相差一个汽机/发电机时间常数τ.比MWD 信号慢,相差
一个锅炉侧时间常数
τB 。

时间上MWD 信号出现最早.时间关系
机组的实发电功率.当前发电汽机实际消
耗的功率.
机组为达到一定负荷应当需要的功率.特点当前的机组发电功率代表了当前机组承担的负荷,也即锅炉应产生的负荷功率。

汽机第一级压力P1可
换算为汽机侧当前实
际消耗的蒸汽量,也即
锅炉侧当前应提供的
蒸汽功率。

机组负荷指令(MWD)代表了机组应发的功率,也代表了锅炉侧应提供的蒸汽功率。

物理意义第三方案机组实发功率(MW)第二方案
汽机第一级压力(P1)
第一方案机组负荷指令(MWD)需求信号
MWD信号在快速性及时间上具有优势，前苏联及日本一般采用MWD信号。

下图为前苏联设计的协调系统示意框图。

图1 所示的前苏联协调控制方案，则是简单地采用了主汽压力Pt的动态微分来抵消锅炉侧的内扰，虽可以发挥一定的作用，但未能考虑到主汽压力与额定（设定）值之间的偏差，例如主汽压力已低于设定值，主汽压力升高过程中，锅炉侧反会减负荷，是其设计不合理之处。

（2）锅炉内部扰动的克服
无论何种原因，锅炉内部状态变量的扰动，最后总要通过主蒸汽压力表现出来。

机炉协调控制的一个目标，就是稳定主蒸汽压力Pt，使之与设定值Pts的偏差越小越好。

将ΔP＝Pt－Pts偏差变量反馈到锅炉侧，使主汽压调节回路发挥消除内扰的作用。

采用MWD指令前馈，综合主汽压调节反
馈以克服锅炉内扰的日立协调方案，综述如下：——以MWD信号作为主功率平衡信号，并行控制汽机侧和锅炉侧。

对锅炉侧而言，MWD信号即是基本的稳态功率前馈信号；
——在MWD之上叠加主蒸汽压力调节分量，形成锅炉负荷主指令(BID)，用BID指令并行控制锅炉各子系统；
图2 日立协调控制策略基本框图
由MWD信号，通过FG宏指令生成主蒸汽压力设定值，适应了定压－滑压－定压工作的机组状态。

MUL为校正环节，考虑了锅炉蓄能作用。

实发功率MW信号，经主蒸汽压力偏差ΔP的校正后形成MW*，发挥了稳定主蒸汽压力的作用。

HS/LS及形成电路组成的环节，起到了调节保护作用。

无论何种原因，主蒸汽压力偏差过大时，利用汽机的调节作用，达到安全保护的目的。

BID＝X1＋X2。

其中X1为MWD信号，X2为主汽压调节器输出信号。

系统应调整成这种状态，即使X1尽可能地逼近BID，在此种参数的配合下，主汽压调节器(PI)处于小偏差状态，这样机组运行最稳定，动态特性最好。

（3）加速机组的动态过程——并行前馈控制法
前馈可以加快动态响应，反馈可以稳定工作状态。

为加快锅炉的动态响应，稳定机组运行，必须合理地、混合地采用上述二种策略。

合理地调整并行前馈量，锅炉控制系统的实际工作点可以逼近理想工作点，使燃料、风、水、汽等物料、能量关系处于平衡点邻域，此时锅炉子系统的反馈调节器进入了小偏差调节状态，再调整各控制回路的参数，达到加快机组的动态响应过程。

静态前馈：由锅炉负荷主指令(BID)，通过各
自的函数发生器宏指令(FG)，并行地形成一套稳态的前馈信号，送到各子系统，建立一个稳态工作点。

动态前馈：当机组负荷变化时，锅炉侧的纯时延和大滞后是影响机组动态响应的关键因素。

为此，根据MWD信号(比BID更早)生成一组动态前
馈信号--锅炉动态加速信号（BD），分别作用到燃料、送风、给水、喷水减温等系统，加速锅炉对负荷指令的响应速度，起到先动作、早控制的作用。

BD指令在变负荷时具有强化微分环节的作用，稳
态负荷下，不发生作用。

（4）引入非线性元件，充分利用锅炉蓄热
引入限幅非线性元件的作用是限制起始控制过程中负荷变化对汽机调节门开度的影响，保证机前压力偏差不会波动太大。

当负荷指令增加时，通过非线性元件暂时降低主汽压力的给定值，汽轮机控制器发出开大汽轮机调节阀指令，使输出功率MW迅速增加。

当减负荷时，增大汽压给定值，汽轮机控制器发出关小调节阀的指令，迅速减小输出功率MW。

非线性元件是一个双向限幅的比例器，它可以输出与机组负荷偏差成比例的信号。

非线性元件暂时改变机前压力的给定值，能够使锅炉的蓄热得到充分利用。

（5）引入汽机压力校正
为了稳定机前压力，在传统协调控制策略的基础上加入了汽机调节校正压力的概念。

传统协调控制策略中，当机组运行在协调或锅炉跟随方式下时，锅炉主调压力，汽机主调负荷。

采用了锅炉调节负荷，汽机同时调节压力和负荷的思路。

当机组负荷指令变化时，利用锅炉微小的蓄热能力，汽机牺牲一部分主汽压力首先适应电网要求改变负荷，当主汽压力高于或低于设定值0.3Mpa时，汽机由调节负荷自动转到调节机前压力和负荷，但压力校正回路的作用强于负荷。

当机前压力调节到设定值0.3Mpa以内时，汽机又自动转到调节负荷模式。

所以当机前压力变化较大时，协调控制系统能够迅速稳定机前压力，保证了机组内部稳定运行。

（6）引入实发功率修正系数
当负荷变化时，汽压偏差作为实发功率的修正系数对其进行修正，将此修正输出与负荷指令比较产生汽机调门控制指令，改变汽机调门开度从而改变汽机的实发功率来适应负荷指令的变化。

汽压偏差信号同时送入到锅炉控制器，加强对锅炉的调节作用，以补充由于汽压变化引起的锅炉蓄热量变化所需附加的燃料量。

引入的修正功率能够大大改善汽机控制特性。

1、锅炉主控
在CCS模式时，锅炉主控指令包括三个部分：
●基本指令为机组负荷指令＋频率校正回路的频差信号，该指令作为锅炉主控指令的基本值去控制燃料量，使锅炉主控指令对应于负荷及频率的改变有一个绝对变化量；
●机组负荷指令与频率校正回路的频差信号的动态补偿信号，主要是考虑在负荷与频率变化时动态地补偿锅炉蓄热量的变化；
●压力调节器的输出，压力的变化代表了机炉能量的不平衡，因此需根据压力的变化相应地改变燃料量以达到机炉的新的平衡，该输出根据函数f2(x)在不同负荷状况下进行自动修正。

2、汽机主控
在CCS模式下其被调量为实际功率，给定值由三部分构成：
●机组负荷指令及其动态补偿。

由于锅炉对机组负荷指令的响应远慢于汽机侧，故用多阶惯性环节PTn来匹配，PTn代表机组负荷指令变化到新蒸汽产生的动态过程（响应时间和阶数）。

●频差信号。

●压力拉回回路，即经过死区特性和限幅特性的压力偏差信号。

这样做的目的是当机前压力偏差较小时，由锅炉主控系统控制压力，维持机前压力为定值；当机前压力偏差较大时，有可能超过锅炉主控的调节范围，此时汽机主控也参与调压，二者共同作用可迅速使机前压力回到设定值，加快整个响应的动态过程。

三、协调控制实例分析
Base Mode Bypasson Not
AND
Base Mode Bypasson Not SelMWMR Not AND
TF Mode
BF Mode
OR
1、负荷指令的形成
1. 选择爬坡速率（SELECT RATE）SELRATE
单元机组协调控制系统(Coordinated Control System——CCS)可接受电网负荷自动调度系统(Automatic Dispatch System——ADS)给出的机组负荷指令，单元机组置于远方控制方式。

ADS远方遥控方式或人工请求，置位“SELRATE”，负荷按给定速率向负荷要求指令爬坡。

当发生RUNBACK或RUNDOWN，或负荷指令被闭锁且LDC仍沿被闭锁的方向升/降，或LDC不升也不降，或通过人工请求LDCHOLD，都将复位“SELRATE”，退出按给定速率向负荷要求指令爬坡的工况。

在图DROP3 sh01中，来自中调负荷遥控装置RTU-1的电网负荷指令是本接口回路的输入信号，而接口回路输出信号是积分器的输出信号负荷指令LDCOUT，LDCOUT就是电网对机组的负荷要求指令。

正常状态下，ADS投入，逻辑<TY11>为ADSMODE，RTU-1的电网负荷指令与当前LDCOUT比较，形成“LDC INC”和“LDC DEC”逻辑。

当“LDC INC”逻辑时，正值RATE 作用到积分器的输入端，积分器输出信号LDOUT增加，其速率由积分器积分常数决定。

同理，当“LDC DEC”逻辑时，负值A作用至积分器，LDOUT指令减。

在既没有增指令又没有减指令时，即SELRATE逻辑不成立时，零值作用于积分器，输出LDCOUT指令保持不变。

2. 跟踪负荷指令（TRACKLDC）
在机组正常运行（旁路系统未投入）时，机组处于炉跟踪BF、或机跟踪TF或手动基本BASE下，负荷指令处于跟踪工况。

当负荷指令不跟踪锅炉主控和机组功率时，负荷指令跟踪经机前压力偏差修正的功率。

3. 跟踪锅炉主控（TRACKBM）
机组运行在手动基本BASE且旁路系统投入，或汽机跟踪方式下，负荷指令跟踪锅炉主控输出。

4. 跟踪机组功率（TRACKMW）
在旁路系统未投入且机组处于手动基本BASE方式且电气功率信号品质好；或炉跟踪BF；或机跟踪TF时，负荷指令跟踪机组实际功率。

2、实际负荷设定值
负荷目标值：人工设定
负荷变化率：人工设定
1. 受人工设定的最大负荷、最小负荷设定值的限制。

一旦机组的实际负荷指令达到/最小限值，则负荷指令将被闭锁（闭锁增/闭锁减）。

2. 向负荷要求指令爬坡。

3. 运行人员可通过操作按钮实现远方控制或就地控制。

远方控制时接收ADS命令。

4. 当发生RUNBACK或RUNDOWN时，切换到RUNBACK目标值。

在图DROP3 sh01: LDC中：
1、频率校正
并网运行的火力发电机组在电网频率变化时，其自身的电液调速系统会使机组自动改变一部分负荷，以减小电网频率的波动，这是机组的一次调频能力。

特性
汽轮机n—N
T
机组参加电网频率调整过程有一次调频和二次调频两种情况：
一次调频是机组直接接受电网频率变化而采取的相应增/减负荷的控制方式；
二次调频是电网控制中心检测到电网频率偏差，以负荷指令的形式分配给网上的调频机组，以稳定电网频率的控制方式；
机组响应电网频率信号是指一次调频，只有在机组处于协调方式时才允许投入一次调频信号。

现场测得的频率信号f（有效范围为47.5～52.5Hz）与给定频率50Hz求差值的频差，再经函数发生器f(x)得频差校正信号。

一次调频信号的投入由切换开关的逻辑条件LDCAUTO 决定。

中调负荷遥控装置RTU-7发送来的电网频率信号FREQUENCY经函数发生器f(x)，形成频差修正信号FREQCORR。

频差修正信号FREQCORR的投入由切换开关决定，当SELFRECO逻辑条件成立时，投入一次调频功能。

在协调方式下，且电网频率品质不坏，同时人工请求投入频率校正时，当SELFRECO逻辑条件成立。

FREQCORR
电网在有效范围为47.5～52.5Hz 内，FREQCORR=0
锅炉-汽机主控
主控制器包括锅炉主控回路和汽机主控回路两部分。

控制器输入信号有:
机组实际负荷指令(LDCOUT) ，机组实发电功率(SELMW) ，机前压力(Turottle Pressure)P T，压力设定值P s，第一级压力(First Stage Pressure)P1，。

控制器输出信号是:汽机指令(TMOUT)和锅炉指令(BMOUT )。

主控系统的运行方式(即控制策略)有以下几种:
手动方式；
汽机跟随方式(TF)；
锅炉跟随方式(BF)；
机、炉协调方式(COORD);
滑压运行方式。

1. 机炉协调方式(COORD)
当机组运行方式为协调方式时，协调控制系统锅炉控制器的SP 值为机前压力的设定值，PV 值为机前压力P T ，是被调量，输出锅炉指令BMOUT 。

汽机控制器以经频率修正的机组负荷指令与机前压力偏差经f(x)后迭加为设定值，以机组实发电功率SELMW 为被凋量，输出为汽机指令TMOUT 。

可见，该协调控制系统是以炉跟机为基础。

函数f(x)具有如上图所示的特性，输入为压差，其输出作用于汽机指令回路。

由图可知，当ΔP 在(-ε，+ε)内，输出为零；在ΔP 越过设定范围后，其输出限制汽机指令的变化。

如机组负荷指令增加时，调节器输出增大，汽机指令TMOUT 增大，开大汽机调节汽门，汽机进汽量增加，机组输出功率增加。

在汽门开大的同时，机前压力P T 下降，P T 与其设定值P s 的差值大于+ε时，函数器输出正值反向作用到汽机指令运算回路抑制汽机调节阀开大，这种变结构控制有利于机组的稳定运行。

前馈通道中导前微分环节是弥补锅炉的惯性和迟延，减缓动态过程机、炉间能量供求关系的不平衡。

乘法器的设置目的是使这种动态补偿在负荷点越高时作用越强。

以能量信号作为锅炉前馈信号，因此该系统基于直接能量平衡的工作原理。

（1）炉主控指令
锅炉控制回路的前馈信号是典型的能量信号，即1S T P P P ×机前压力第一级压力
机前压力设定值
机前压力的设定值反映了机组负荷的变化，经动态补偿环节（比例+导前微分）后，作为锅炉主控系统的前馈信号，提前反映了机组负荷的变化，改善控制性能品质，形成锅炉主指令信号BMOUT 。

（2）机主控指令
机主控的输出信号迭加一个前馈信号，即
S LDCOUT
P 负荷指令机前压力设定值
表示机组负荷要求的汽机调门开度（阀位），提前反映了机组负荷的变化，改善控制性能品质。

功率偏差与压力偏差迭加送入汽机主控，主控输出与前馈信号生成汽机主控指令。

汽机主控的比例增益和积分增益可随机前压力偏差信号经f(x)后的信号变化，提高了控制系统的性能和适应能力。

2.汽机跟随控制方式(TF)
汽机跟随方式当锅炉子控制系统中燃料操作器(A/M1)和送风操作器(A/M2)在手动控制，而汽机主站于自动工况时，SELTF 逻辑条件成立，系统运行在汽机跟随控制方式。

汽机侧机主控器以机前压力P T 为被调量，保证P T =P s 。

而进入锅炉的燃料量和风量由运行人员分别通过A/M 手动给出。

功率偏差信号经f(x)后，送入锅炉主控器的PGAIN 端，表示控制器的比例增益随功率偏差进行调整，可大大改善锅炉的控制性能。

无论是锅炉跟随方式还是汽机跟随方式，机前压力P T 均为闭环控制，而机组实发电功率SELMW 为开环手动控制。

因此说，这种跟随方式实际是锅炉主汽压力自动控制方式。

3. 机炉手动控制方式(基本方式)
当汽机主站、炉侧燃料、送风均在手动时，机组运行在机、炉分别手动控制方式。

4. 跟踪燃料量方式
当炉侧燃料手动时，锅炉主控系统跟踪总的燃料量。

DROP3 sh04: Throttle Pressure SetPoint
机组局部故障的处理
主控系统能适应主辅机的实际能力调整机组出力。

当机组运行时出现局部故障或负荷需求超过了机组当
时的实际能力，辅机出力远小于其指令或辅机指令已
达最小，主控系统将对负荷指令进行方向闭锁：闭锁
增（BLOCK INCREASE）或闭锁减（BLOCK DECREASE），强迫负荷指令缓慢下降（RUN DOWN）或辅机故障快速减负荷（RUNBACK）。

系统在主辅机或子回路控制能力受限制的异常情况下，照样安全保
持机组指令与机组能力的平衡，锅炉与汽机能力平衡
以及锅炉燃料、送风、给水等各子回路间的能力平衡。

RUNBACK
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。

快速减（甩）负荷(RUNBACK)是主要的局部故障的处理方法之一。

当机组运行在协调方式下，主要辅机发生跳闸并且负荷要求指令大于一台该辅机负荷限值时，主控系统将产生RUNBACK信号，使机组负荷指令快速减到还在运行的辅机所能承担的负荷。

本系统对不同的辅机故障分别设定了不同的减负荷目标值和速率，并将协调控制系统切换到相应的控制方式。

本系统考虑了锅炉给水泵、送风机、引风机、一次风机、空预器、失去3层煤、失去2层煤等引起的RUNBACK。

这些均为锅炉侧辅机故障，它们引起RUNBACK时，主控系统将由协调方式自动切换到汽机跟随方式。

机组运行在非协调方式，人工请求DEH就地方式，负荷闭锁增或闭锁减，ADS指令品质坏，RUNDOWN或RUNBACK，禁止ADS远方操作等都将退出远方控制方式。

协调主控系统设计有4种运行方式，能平衡无扰动地自动或手动进行方式转换，以适应机组在不同工况下的安全运行。

4种控制方式为：基本方式（全手动），锅炉跟随，汽机跟随，协调方式。

另外还提供3种辅助控制方式：“ADS ”遥控方式，定压控制方式，滑压控制方式。

有调功，调压，主汽压力设定
值校正的负荷指令前馈
调压，调功，负荷指令前馈协调(CC)无自动调节汽压手动汽机跟随
(TF)
无手动调压，负荷指令修正，能量信号前馈锅炉跟随
(BF)
无手动手动手动
调频汽机主控锅炉主控工作模式
负荷控制运行方式的切换
（1）汽机系统、锅炉燃烧系统均正常，汽机主控和锅炉主控都能投自动时就可运行于协调方式；
（2）在协调方式下，由手动连锁条件引起的汽机主控切手动将运行方式切为锅炉跟随方式；
（3）在协调方式下，由手动连锁条件引起的锅炉主控切手动将运行方式切为汽机跟随方式；
（4）在锅炉跟随方式下，由手动连锁条件引起的锅炉主控切手动将运行方式切为基本方式；
（5）在汽机跟随方式下，由手动连锁条件引起的汽机主控切手动将运行方式切为基本方式；
（6）由基本方式到汽机跟随方式或锅炉跟随方式，再到协调方式，是根据汽机系统和/或锅炉系统正常，汽机主控和/或锅炉主控具备投自动的条件时将汽机主控和/或锅炉主控投自动来实现的。

RUN DOWN
在某一子系统产生对机组负荷指令闭锁增后，如
果该子系统的阀位指令以及过程参数偏差都达到各自
预定的限值，则产生负荷指令缓慢下降（RUN DOWN）信号，当该子系统的过程参数偏差消失后，则负荷指
令退出RUN DOWN状态。

如：燃料、送风、给水、引风、一次风等
本系统RUN DOWN的条件有：
（1）燃料量远小于燃料指令，并且满足下列条件之一：
a. 煤主控和油主控均自动且油主控指令和煤主控指令均达最大值；
b. 煤主控自动而油主控手动且煤主控指令达最大值；
c. 煤主控手动而油主控自动且油主控指令达最大值；
（2）送风量小于送风量指令，并且满足下列条件之一：
a. 两台送风机均自动且阀位指令均达最大值；
b. 一台送风机自动且其阀位指令达最大值而另一台送风机手动；
c. 两台送风机均手动；
（3）给水量小于给水量指令，并且汽动给水泵调节指令或电动给水泵出口调节阀指令达最大值，负荷指令RUNDOWN；
（4）炉膛压力大于设定值，并且满足下列条件之一：
a. 两台引风机均自动且阀位指令均达最大值；
b. 一台引风机自动且其阀位指令达最大值而另一台引风机手动；
c. 两台引风机均手动；
（5）一次风压小于设定值，并且满足下列条件之一：
a. 两台一次风机均自动且阀位指令均达最大值；
b. 一台一次风机自动且其阀位指令达最大值而另一台一次风机手动；
c. 两台一次风机均手动；。