单元机组协调控制系统

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二、单元机组协调控制系统 单元机组协调控制系统把锅炉和汽轮发电机组作 为一个整体进行控制，采用了递阶控制系统结构，把 自动调节、逻辑控制、联锁保护等功能有机地结合在 一起，构成一种具有多种控制功能，满足不同运行方 式和不同工况下控制要求的综合控制系统。 单元机组协调控制系统的设计充分利用了机炉对 象特性方面的特点，采用了前馈、补偿、多变量解耦 等控制策略，使控制系统具有合理、可靠、易于维护 调整等优点。建立在现代控制理论和方法基础上的单 元机组协调控制系统也处于研究和发展之中。
协调控制主控系统结构框图
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负荷管理中心结构图
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单元机组协调控制系统简化框图
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三、主要特点 （1）系统结构先进。采用了递阶控制结构，在局部 控制级的基础上引入了机炉协调级，把锅炉、汽轮发电 机组作为一个整体进行控制。控制器设计主要采用了前 馈、反馈、补偿以及变结构控制等技术，并充分地利用 了机炉动态特性方面的特点，克服系统内部耦合和非线 性特性，获得优良的控制品质。同时，又保留了控制器 结构简单，易于工程实现和参数整定，便于操作、维护 等优点。并能直接接收电网自动调度系统指令，为实现 电网级自动调度和协调控制奠定了基础。
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实线—一般 直流锅炉；
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虚线—带分 离器的苏尔 寿直流锅炉
பைடு நூலகம்P
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图. 直流锅炉动态特性曲线 (a)调节汽门开度扰动；（b）燃料量扰动； (c) 给水量扰动
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四、直流炉与汽包炉机组动态特性区别
直流锅炉单元机组的汽水流程如下图所示。在直 流锅炉中，锅炉给水转变为蒸汽的过程是一次性完成 的。锅炉的蒸发量除了受燃烧率影响外，与给水流量 直接有关。当给水流量和燃烧率的比例改变时，锅炉 汽水流程中各个段的界面就发生移动。比如，给水流 量减小，将使蒸发段向给水侧移动，汽水流程中各点 的工质焓值将有所提高，汽温会随之上升。因此，在 直流锅炉单元机组中，还应当把给水流量W和主蒸汽温 度或中间点温度T也做为控制量和被控量。
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直流锅炉汽水流程示意图
直流锅炉单元受控对象模型
如果能做到燃水比恒定，就可由燃料量B代表给水 量，相应地可保持汽水流程中各点温度的稳定。这样， 就可以把直流锅炉单元机组受控对象简化为与汽包锅炉 机组相类似的双输入、双输出模型。
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图. 汽包锅炉与直流锅炉单元机组动态响应曲线比较 1－汽包锅炉响应曲线；2－直流锅炉响应曲线
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1、滑压运行方式
单元机组在滑压运行方式下，保持主汽门和调节汽门 全开。外界负荷需求变化时，通过调节锅炉的燃料、风量、 给水以及相应的输入量，改变锅炉的蒸发量，进而改变汽 轮机的进汽压力，在维持汽温为额定值的前提下，使进入 汽轮机蒸汽的能量改变，使汽轮发电机组的输出功率适应 外界负荷的需求。
采取的办法是不使汽轮机调节汽门处于全开的位置， 而是留出一定的调节余地。当外界负荷需求变更时，首先 通过调整汽轮机调节汽门的开度，改变进汽量，利用锅炉 内部的蓄热能量，较快地适应外界负荷的需求。与此同时， 调整进入锅炉的输入量，使燃烧率改变，与外界负荷需求 达到新的平衡。调节汽门的调节余地也为机组参与电网一 次调频创造了条件。
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直流锅炉机组在汽机调节门开度扰动下，主蒸 汽压力的变化很快，比汽包锅炉的幅度要大。这反 映出其蓄热能力比汽包锅炉小得多。 燃料量扰动时，送风量、引风量以及直流锅炉 的给水量相应地变化。此时，直流锅炉机组汽压和 功率的变化较快、幅度要高。一方面反映出直流锅 炉的热惯性较小，同时，给水流量的增加直接使锅 炉的能量输入有所增加。需要指出，对于直流锅炉 机组来说，保证燃料量与给水量按适当比例变化， 是机组正常运行与控制的前提。
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§单元机组动态特性
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一、单元机组的运行方式 单元机组的运行方式有定压运行和滑压运行两种。 定压运行是指无论机组负荷怎样变动，始终维持主蒸汽 压力以及主蒸汽温度为额定值，通过改变汽轮机调节汽 门的开度，改变机组的输出功率。 滑压运行则是始终保持汽轮机调节汽门全开，在维 持主蒸汽温度恒定的同时，通过改变主蒸汽压力改变机 组的输出功率。
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特点： ①.充分利 用锅炉蓄热量， 机组能比较快地 适应电网负荷的 要求，但汽压波 动大。 ②.由于汽 压允许变化范围 小，限制了机组 对负荷的适应性。
图. 炉跟机方式
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二、机跟炉控制系统 基本点：锅炉为基础，汽轮机跟随的负荷控制方式， 简称机跟炉方式； 机跟炉方式：炉接受负荷指令，负责调节功率，负 荷响应能力差，不仅不能利用锅炉蓄能，负荷增加时， 还要先向锅炉附加蓄能，要先提高汽包压力；因机炉间 的相互影响，燃料扰动时，机组功率波动也大，如燃料 增加时，功率、汽压都上升，要保持原有汽压，汽轮机 调节汽门开大，会使功率更为增加，对燃煤机组来说这 个缺点比较突出。单纯的汽轮机跟踪运行方式对电网干 扰较大，不利于电网周波的稳定；但因汽轮机调压的动 态响应比锅炉调压快，不论负荷变化或燃料扰动，汽压 波动都小，有利于机组本身运行参数的稳定。
协调控制系统
2017.03
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协调控制系统
§概 述
§ 单元机组动态特性
§ 间接能量平衡协调系统
§ 直接能量平衡协调系统
§ 自动发电控制
§ 协调系统实例分析1
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§
概
述
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一、协调控制的基本概念
从大系统理论出发，协调控制是一种解决大系 统控制问题的基本策略。 所谓大系统可理解为由若干相互关联子系统组 成的复杂系统。应用大系统理论处理这类庞大而复 杂系统控制问题的基本方法就是分解——协调的方 法。所谓分解就是把大系统化为若干子系统，以便 进行分块的处理与控制，求得各子系统的局部最优 解；而协调则是从系统的全局出发，合理地调整各 子系统之间的关系，求得各子系统之间的和谐与统 一，进而得到整个大系统的最优解。
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（2）炉跟机方式 外界负荷需求变化时，首先改变汽轮机调节汽门的 开度，改变进汽量，使机组输出功率与外界负荷需求相 适应。此时势必造成机前压力偏离额定值。锅炉依据机 前压力偏差调整燃烧率和给水流量，消除主蒸汽压力偏 差，达到新的能量平衡。这种方式称为汽机保持负荷、 锅炉保持压力方式。也称为汽机基本、锅炉跟随方式。 这种运行方式的特点是机组响应外界负荷的速度快，但 机前压力的波动性大。 （3）机炉协调方式 当外界负荷需求变化时，同时改变机炉的负荷。既 考虑到机组响应外界负荷的快速性，又不致造成机前压 力的过分波动，使机炉之间出现的能量不平衡程度尽可 能小，时间尽可能短，这样的运行方式则称之为机炉协 调运行方式。
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特点： ①.汽压波动小； ②. 功率变化大， 负荷适应性差，未 利用蓄热； ③. 适用于带基 本负荷的机组。
图. 单元机组机跟炉方式
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三、协调控制系统 协调控制方式就是一种较好地解决机组的负荷适应 性与运行稳定性这一对矛盾的运行方式。协调控制系统 的一个重要设计思想，就在于蓄能的合理利用和补偿： 1）充分利用锅炉的蓄能，又要相应限制这种利用； 2）补偿蓄能，动态超调锅炉的能量输入。 协调控制系统的一个关键控制策略，在于尽可能减 少和消除锅炉、汽轮机动作间的相互影响，采用扰动补 偿、自治或解耦的控制原则。扰动应由扰动侧的控制回 路自行快速消除，而非扰动侧的控制回路应少动或不动， 以利于动态过程的稳定。
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单元机组协调控制系统框图
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单元机组协调控制系统可认为是一种二级递阶 控制系统。处于上位级的机炉协调级，也叫作单元 机组主控系统，是整个系统的核心部分。处于局部 控制级的子系统包括锅炉燃料控制系统，风量控制 系统，汽轮机功率/ 频率调节系统，以及直流锅炉 的给水控制系统。 单元机组主控系统产生指挥机炉控制器动作的 锅炉指令和汽机指令。局部控制级的控制器执行主 控系统发出的指令，完成指定的控制任务。
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3、联合运行方式 综合以上滑压和定压两种运行方式的特点，不难发 现在低负荷时滑压运行有利，在高负荷时定压运行方式 具有其优越性。比如，可有效地利用锅炉蓄热，提高对 外界负荷需求的响应速度。如果根据机组的不同负荷水 平，在低负荷下采用滑压运行方式，在高负荷下采用定 压运行方式，就构成联合运行方式。 4、调频运行方式 电网规模的扩大和对供电质量的更高要求，对大机 组参加电网调频的要求愈来愈迫切。单元机组参加电网 调频的方式分为一次调频和二次调频。一次调频是指汽 轮机电液调速系统根据电网频率的变化，自动地改变一 部分负荷，以减小电网频率的波动。
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一次调频特性示意图
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二、单元机组动态特性分析 从控制特性角度来看，直流锅炉与汽包锅炉的主 要不同点表现在燃水比例的变化，引起锅炉内工质储 量的变化，从而改变各受热面积比例。 影响锅炉内工质储量的因素很多，主要有外界负 荷、燃料流量和给水流量。 对于不同压力等级的直流锅炉，各段受热面积比 例不同。压力越高，蒸发段的吸热量比例越小，而加 热段与过热段吸热量比例越大。因而，不同压力等级 直流锅炉的动态特性通常存在一定差异。 下图为直流锅炉动态特性曲线：
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滑压运行方式具有以下主要特点: （1）汽轮机调节汽门保持近似全开将会使进汽节 流损失降低。负荷越低，节流损失的降低越明显。另外， 汽轮机的级效率也要比定压运行时高。例如某机组在 50%负荷下，滑压运行级效率比定压运行时要高出15%左 右。 （2）在部分负荷下，主蒸汽和再热蒸汽的压力降低， 容易保持蒸汽温度不变。可获得较高的循环效率。 （3）部分负荷下给水泵的功耗比定压运行时减小。 因为滑压运行时给水压力与机组负荷成正比，在相同的 机组部分负荷条件下，给水泵出口压力比定压运行时要 低得多。例如，某机组在50%负荷下，滑压运行时给水 泵的功耗仅相当于定压运行时的55%。
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2、定压运行方式 定压运行方式的基本特征是机组负荷在任何稳定 工况下，均保持主蒸汽压力和温度为额定值。定压运 行机组的运行方式有机跟炉、炉跟机和机炉协调三种 方式。需要强调的是，使汽轮机调节汽门具有一定调 节余量的滑压运行方式已不是单纯的滑压运行，也可 分为机跟炉、炉跟机和机炉协调方式。 （1）机跟炉方式 外界负荷需求变化时，首先改变锅炉负荷。当主 蒸汽压力产生额定值偏差时，调整汽轮机调节汽门开 度，维持汽轮机机前压力恒定。这种方式简单地称为 锅炉保持负荷、汽机保持压力的方式，也称为锅炉基 本、汽机跟随方式。该运行方式下，机组对外界负荷 响应较慢，但主蒸汽压力稳定性好。
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（2）系统功能完善。除了在正常工况下的连续调节 功能之外，系统还设计有一整套逻辑控制系统。包括实 际功率给定逻辑，局部故障处理逻辑，运行方式切换逻 辑，以及显示报警、监督管理等功能。系统可根据实际 需要和设备状况，选择不同的运行方式，比如机跟炉、 炉跟机、机炉协调方式；定压运行或滑压运行方式；固 定功率输出或可调功率方式；调频或非调频方式等。适 应不同运行工况对控制功能的要求。 （3）系统可靠性高。通过设置安全保护系统和采取 一系列可靠性措施，可获得很高的系统可靠性。比如， 当主机或辅机设备故障时，可自动改变控制方式，对实 际功率指令的幅值和变化速率进行改变，并通过相应的 联锁保护，报警显示等措施，保证机组在安全范围内运 行，并维持最佳的工况。
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（4）调峰停机后再启动快，降低了启动损耗。因 为在低负荷下汽轮机的金属温度基本不变，若在机组 最低负荷下打闸停机，可以在较高的金属温度下停机 热备用，如重新热态启动，将大大缩短再启动时间， 使启动损耗相应地降低。例如，一台600MW机组滑压 停机8小时以后再启动，从锅炉点火到带额定负荷仅 需35分钟。使机组的灵活调度能力大为增强。 （5）负荷越低，滑压运行的经济性越显著。其主 要原因是在低负荷下滑压运行的调节阀节流损失比定 压运行低得多。而在额定负荷下滑压运行的经济效益 则不明显。因此，大容量单元机组参加电网调峰运行 时，采用滑压运行方式是极为有利的。
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§ 间接能量平衡系统
（IEB）
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一、炉跟机控制系统
基本点：汽轮机为基础，锅炉跟随的负荷控制 方式，简称炉跟机方式；
机接受负荷指令，负责调节功率，具有较好的 负荷响应能力；炉负责调节汽压，维持汽压的稳定， 由于锅炉动态响应慢，动态过程中汽压波动大；因 机炉间的相互影响，燃料扰动（如增加）时压力、 功率都有变动（上升），而为保持原有功率，汽轮 机调节汽门要动作（关小），更使压力有所波动 （增加）。