600MW单元机组协调控制系统设计

文章来源：本站原创点击数：9023 更新时间：2009-3-27 22:25:33

刘孝辰

内蒙古赤峰热电厂

摘要： 本文主要介绍了火电厂中协调控制方案的原理，列举工程中的实际应用经 验，反映了协调控制系统在电厂运行中的重要性及其在应用中的灵活性。

单元机组协调控制系统是现代大型火电机组普遍采用的控制策略。经过国内外长期 的理论发展以及在应用中不断的改进，目前火电厂已经衍生出各种各样的协调控制方 案。这些方案的具体实现原理、功能、甚至实现的目标要求都有不同之处，往往是依据 现场应用的不同效果和运行中的具体要求而派生的改进或改型。根据国外当前的主流思 想，一般以机组的能量平衡方式为准绳，将衍生出来的各种各样的协调控制方案划归为 两大类，即直接能量平衡类和间接能量平衡类。协调控制的根本任务就在于维持整个机 组运行过程中的能量平衡，包括机组输入能量与输出能量的平衡；机炉之间供需能量的 平衡；锅炉内部各子系统之间物资能量传递的平衡；甚至包括机组与电网之间的平衡。 由于能量信号不便直接测量，通常采用一些间接的参数来代表这种平衡关系，最典型的 就是把机前压力作为锅炉能量输出与汽轮机能量需求之间平衡度的映象。通过控制这些 间接参数维持整个机组能量平衡的系统即属于间接能量平衡类。现代大型锅炉——汽轮机 单元机组属于多变量控制对象。机、炉相互影响，且机、炉的动态特性差异很大。

广义的协调控制系统就是把锅炉——汽轮机在过程量调节、逻辑控制、联锁保护等各 方面作为一个整体进行控制，使锅炉与汽轮机共同承担电网的负荷控制与机前压力的控

制任务。通常所说的协调控制系统是只针对机组主要过程量调节的狭义系统，即实现机 组负荷调节、机前压力调节以及机组一次调频的主控制系统。

关键词 ：协调控制，调频，调峰，负荷，跟随，响应

1 引言

随着火力发电机组在电网中所占的比例越来越大，电网因用电结构变化，负荷峰谷差逐步 加大，因此要求大型机组具有带变负荷运行的能力，以便迅速满足负荷变化的需要及参加电网 调频。常规的自动调节系统是汽轮机和锅炉分别控制。汽轮机调节机组负荷和转速，机组负荷 的变化必然会反映到机前主蒸汽压力的变化，即机前主蒸汽压力反映了机炉之间的能量平衡。 主蒸汽压力的控制由锅炉燃烧调节系统来完成，燃烧调节系统一般又划分为主蒸汽压力（或燃 料）调节系统、送风和氧量调节系统、炉膛负压调节系统等子系统。随着单元机组容量的不断 增大、电网容量的增加和电网调频、调峰要求的提高以及机组自身稳定（参数）运行要求的提 高，常规的自动调节系统已很难满足单元机组既参加电网调频、调峰又稳定机组自身运行参数 这两个方面的要求，因此必须将汽轮机和锅炉视为一个统一的控制对象进行协调控制。机炉的 控制特性有相当大的差别，锅炉是一个热惯性大、反应很慢的控制对象，而汽轮机相对地是一 个惯性小、反应很快的控制对象。协调控制系统就是充分考虑机炉控制特性的差异以及各自的 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符合的要求变 化，接受外部负荷指令，根据主要运行参数的偏差，协调地进行控制，从而在满足电网负荷要 求的同时，保证主要运行参数的稳定。

所谓协调控制，是指通过控制回路协调汽轮机和锅炉的工作状态，同时给锅炉自动控制系 统和汽轮机自动控制系统发出指令，以达到快速响应负荷变化的目的，尽量大可能发挥机组的 调频、调峰能力，稳定运行参数。现代大型单元机组，特别是600MW及以上容量的机组已无一例 外地都设计了机炉协调控制系统。

协调控制系统通常指机、炉闭环控制系统的总体，包括两个子系统。原电力部热工自动化 标委会推荐采用模拟量控制系统（Modulating Control system----MCS）来代替闭环控制系 统、协调控制系统、自动调节系统等名称，但习惯上仍沿用协调控制系统。

协调控制系统是热工自动控制系统中最复杂的控制系统，是热控专业的前沿科学。单元机 组采用协调控制系统运行时，将动态特性有较大差异的锅炉、汽机和发电机作为一个统一整体 进行控制，它有机的、协调的控制锅炉的燃料、送风、引风和给水以及汽机调节门开度，使各 变量间的影响最小。这样不但提高了中间再热机组的负荷适应能力，而且也提高了机组主要运 行参数的调节品质，使机组出力与电网负荷要求相适应，以满足电网负荷自动调度的需要。有 关资料表明单元机组协调控制系统的投运可使整个机组效率提0.5%以上。协调控制系统的应用 是实现整个电网自动化的基础，它不但能使机组具有较强的负荷适应能力，而且对保证机组的 安全经济运行，减轻运行人员体力和脑力劳动强度有着十分重要的意义。

2 协调控制系统简介

2.1 协调控制系统的任务

单元机组的输出电功率与负荷要求是否一致反映了机组与外部电网之间能量供求的平衡关 系；主汽压力反映了机组内部锅炉和汽轮发电机之间能量供求的平衡关系。协调控制系统就是 为完成这两种平衡关系而设置的。

使机组对外保证有较快的负荷响应和一定的调频能力；对内保证主要运行参数（主汽压 力）稳定的系统称为协调控制系统。协调控制系统（Coordinated Control System----CCS）是 将单元机组的锅炉和汽轮机作为一个整体来进行控制的系统。协调控制系统的具体任务如下：

（1）协调控制系统能协调机、炉的控制，在一定的负荷范围内响应来自电网调度的负荷指 令或机组运行人员就地设定的负荷指令，对机组进行负荷控制，并参与电网调频，同时保证机 组的稳定运行，维持运行参数不超出允许的变化范围。

（2）对某些需要在整个负荷变化范围内进行控制的过程变量，采用全程控制，以尽可能减 少运行人员的劳动强度。

（3）在机组设备异常或事故情况下，CCS通过保护、连锁等逻辑控制回路，确保机组安全 地继续运行，或使生产设备处于安全运行状态而不致造成损害。

（4）当机组主要辅机，如送风机、引风机、磨煤机、给水泵、炉水循环泵、一次风机等发 生故障而不能满足机组出力要求时，CCS的负荷指令处理回路能产生负荷快速返回（RUNBACK） 信号，使机组实际负荷指令降至机组的最大可能出力值，以确保机组的安全运行。

（5）对设计有足够容量的汽轮机旁路系统的机组，当汽轮机或电气故障致使汽轮机快速甩 负荷时，锅炉有必要维持最低的燃烧率继续稳定运行，使机组带厂用电运行或停机不停炉，以 便故障消除后能快速带上负荷。为此，CCS具有快速切负荷功能（FAST CUT BACK----FCB）。 当发生上述情况时，CCS的负荷指令处理回路能产生FCB信号，汽轮机旁路系统快速打开，锅炉 燃烧器按一定顺序快速切断，使负荷指令快速切回到厂用电负荷值或快速切回到0%负荷，锅炉 维持在最小负荷值运行（包括停机不停炉），以确保机组设备的安全，减小停机损失。

（6）当机组运行参数，如燃料量、空气量、给水量等，其实际值与给定值的偏差超出规定 的允许值范围，或执行机构位置达到预先设定的最大或最小限制时，CCS的负荷指令处理回路能 产生负荷增/减闭锁信号（BLOCK INCREASE/DECREASE ----BI/BD），根据偏差的方向，对机组 实际负荷指令的增加或减少加以闭锁，以防止物料或能量的不平衡进一步扩大和引发事故，直 至异常消除，偏差回到限值内才解除闭锁。

（7）对于机组设备工作异常的一类故障，CCS除了采用负荷增/减闭锁措施外，还应进一步 采取机组负荷迫升/迫降措施（RUN UP/RUN DOWN---------RU/RD）。当机组主要输入量的指令 达到最大（最小）限值，即相应的执行机构达到预先设定的最大（最小）限值，且锅炉输入量 （燃料量、送风量和给水量等）仍小于（或大于）给定值超过允许范围（如送风机动叶开度指

令已达最大值，而送风量仍小于送风量给定值）时，CCS将缓慢地减小（RUN DOWN）或增加 （RUN UP）机组实际负荷指令，以使输入量的偏差回复到允许范围。

（8）协调控制系统对机组的一些重要过程变量（例如主蒸汽压力，温度，流量，炉膛压 力，烟气含氧量，汽包水位，一次风流量、压力，二次风流量，引风量等）的信号进行再线监 控，一旦偏离正常状态，就自动采取措施，或切换至冗余部分（即备用设备），或将控制系统 切换为手动方式，同时发出报警信号。

（9）对于重要参数的测量采用三变送器，在采用三变送器的测量中，取变送器的中值作为 测量值，根据三中取二的原则对测量信号的故障进行逻辑判断和监控。在双变送器的测量方案 中，一个为主变送器，一个为备用变送器，双变送器可手动切换，两个变送器输出之间有偏差 比较器，当偏差超过允许值时，将发出报警信号，并有逻辑控制电路进行判断和监控。

（10）重要回路的执行机构监控。具有阀位指令与实际阀位的偏差监控、方向闭锁、超弛 开/关、后备直接手操、失电、断气或断信号保护功能。

（11）为了使机组能稳定运行，协调控制系统对所有控制回路的自动/手动切换均具有无扰 切换的功能，即当某控制回路切换到手动方式时，控制器的输出将跟踪手操的输出信号，该控 制回路恢复自动方式运行时，可达到无扰动切换。

（12）有比较完备的防运行人员误操作连锁保护措施。如不满足许可条件时，运行人员操 作无效；误操作不能投自动或导致强迫切手动；向扩大参数偏差的错误方向操作无效；重要安 全功能或操作需要运行人员确认（与再确认）；状态显示与操作提示；辅机各种挡板的启/停操 作配合；局部设备、子系统未送电或未选择控制系统运行方式时，不能投自动或连锁切手动。

（13）协调控制系统还配备有必须的逻辑控制功能，它们能根据规定的逻辑条件；自动地 判断并执行系统的切换、操作、跟踪、保护、连锁、闭锁、监控、报警等等功能，如主燃料跳 闸处理、防炉膛内爆控制、风/煤交叉连锁、汽轮机防进水保护等。

2.2 负荷控制对象的动态特性

在单元机组中，锅炉和汽轮机是两个相对独立的设备。从机组负荷控制角度来看，单元机 组是一个存在相互关联的多变量控制对象，经适当假设可以看作是一个具有两个输入和两个输 出的互相关联的被控对象，其方框图如图1所示。

对象的输入量µB为锅炉燃料量调节机构开度，代表锅炉燃烧率（及相应的给水量），µB 的变化将引起机前压力ＰT的变化，用WPB(S)描述该通道的特性,在汽轮机调节阀开度µT不变 时, WPB(S)具有以下形式:

式(1)是一个简化了的和二阶系统,它表明燃料------压力通道具有较大的惯性和迟延.

在燃烧率变化后,在汽轮机调门开度µT不变时,pT的变化也将引起机组实发功率PE的变 化。图1中, WNB(s)是燃料一切通道的传递函数,它具有如下形式:

在机组燃烧率保持不变,将汽轮机调节阀门开度通常用同步器位移量表示µT改变,它将引

起机前压力pT的变化,以及机组实发功率PE的变化,这两个通道的传递函数WNµ(S)、WPµ(S)形式 如下:

WNµ(S) =［K5／（T5s+ 1）］—［K6／( T6s + 1)²］ (4)

以上四个式子是通过实验方法得到的,通过理论分析和线性化处理也可得出以上关系。以上 用传递函数表示单元机组的动态特性,也可用阶跃响应来表示单元机组的动态特性如图2所示。

• 2.2.1 燃烧率µB扰动下主蒸汽压力pT和输出电功率PE的动态特性

当汽轮机调门开度不变，而µB发生阶跃扰动时，主蒸汽压力pT和输出电功率PE的响应曲线 如图2（a）所示。增加锅炉的燃烧率，必定使锅炉蒸发受热面的吸热量增加，汽压经一定延迟 后逐渐升高。由于汽轮机调门开度保持不变，进入汽轮机的蒸汽流量增加，从而自发地限制了 汽压的升高。当蒸汽流量与燃烧率达到新的平衡时，汽压pT就趋于一个较高的新稳态值，具有 自平衡能力。由于蒸汽流量的增加使汽轮机输出功率增加，输出电功率PE也增加。当蒸汽流量 不变时，输出电功率趋于一个较高的新稳态值，具有自平衡能力。

• 2.2.2 调门开度µT扰动下主蒸汽压力pT和输出电功率PE的动态特性

当锅炉燃烧率µB保持不变，而µT发生阶跃扰动时，主蒸汽压力pT和电功率PE的响应曲线如

图2（b）所示。

汽轮机调门开度增加后，一开始进入汽轮机的蒸汽流量立刻成比例增加，同时汽压pT也随 之立刻阶跃下降△pT（△pT阶跃下降的大小与蒸汽流量的阶跃增量成正比，且与锅炉的蓄热量 大小有关）。由于锅炉燃烧率保持不变，所以蒸发量也不变。蒸汽流量的增加是因为锅炉汽压 下降而释放出一部分蓄热，这只是暂时的。最终，蒸汽流量仍恢复到与燃烧率相应的扰动前的 数值，主汽压力pT也逐渐趋于一个较低的新稳态值。因蒸汽流量在过度过程中有暂时的增加， 故输出功率PE相应也有暂时的增加。最终输出功率PE也随蒸汽流量恢复到扰动前的数值。可以 看出机组增加负荷时，初始阶段所需的蒸汽量要是由于锅炉释放蓄热量而产生的。然而，随着 汽轮机容量的日益增大，锅炉蓄热量越来越小，单元机组负荷适应能力与保持汽压不变之间的 矛盾越来越突出。

通过以上分析，可以看出负荷控制对象的动态特性的特点是：当汽轮机调门开度动作时， 被控量PE和pT的响应都很快即热惯性小；当锅炉燃烧率改变时，PE和pT的响应都很慢即热惯性 大，一快一慢就是机炉对象动态特性方面存在的较大差异。

我们把机、炉子控制系统包括在负荷控制对象之内，就构成了广义负荷控制对象如图3所 示，其控制输入量为锅炉主控制指令PB和汽轮机主控制指令PT。锅炉侧的子控制系统的动态迟 延惯性很小（相对与锅炉特性），可以使 µB及时地跟随炉主控制指令PB接近快速动随动系统 特性。这样就有 µB≈PB。

汽轮机侧，如果汽轮机采用纯液压调节系统，则机主开控制指令PT就是调门开度（或同步 器位移）指令µT,故有 µT=PT。这样广义被控对象的动态特性不会改变。如果汽轮机采用功 频电液控制系统，则机主控制指令PT就是汽轮机功率指令。这样被控对象的动态特性就有很大 变化。如图4所示。

由图4 可以看出，汽轮机采用功频电液调节系统时，广义被控对象动态特性的改变是由于 汽轮机功率调节回路的存在，假设功率调节回路能保持汽轮机功率与功率指令一致，那么，机 主控制指令PT炉主控制指令PB就分别代表锅炉的输出与输入能量。若保持其中任一指不变而另 一指令阶跃扰动，则会因锅炉输入与输出能量始终不平衡，主蒸汽压力pT随时间一直变化，没 有子平衡能力。如图5所示。图5（a）表示PT不变，PB阶跃扰动下主蒸汽压力pT和电功率PE的响 应特性，pT的动态特性近似为具有惯性的积分环节特性，PE近似不变。图5（b）表示PB不变， PT阶跃扰动下主蒸汽压力pT和电功率PE的响应特性，pT的动态特性近似比例加积分环节的特 性，PE的动态特性近似为惯性环节或比例加惯性环节的特性。

锅炉和汽轮发电机的动态特性存在很大差异，即汽轮发电机负荷响应快，锅炉负荷响应 慢，所以单元机组内部两个能量供求关系互相制约，外部负荷响应性能与内部运行参数稳定性 之间存在固有的矛盾。根据这一特点，单元机组在实施协调控制时，必须很好地协调机炉两侧 动作，合理地保持好两个能量供求平衡关系，以兼顾负荷响应性能和内部运行参数稳定两个方 面。

2.3 协调控制系统的主要功能

2.3.1 参与电网调峰、调频