摘要：对火电单元机组协调控制系统进行了简要的概述，对传统的协调控制系统进行理论上的改进。关键词：协调控制系统，负荷指令处理，基本方式，机跟随方式，炉跟随方式。
Preliminary Analysis on the Coordinate Control of Fossil-fired Generating Units
Xiaoming Jia
（ID 140602198309069018）
Abstract：This page has a brief overview of the thermal power unit’s coordinated control system. It makes some progress for the traditional coordination control system in theory.
Key words：CCS，LMCC，Basic，TF，BF
一、引言
火力发电厂的锅炉-汽轮发电机单元机组应能快速响应负荷变化的需求并参与电网调频，同时应能克服来自各方面的扰动，确保机组的安全、稳定、经济运行，因此对单元机组的控制系统提出了更高的要求。目前，把锅炉和汽轮机看作同一整体的火电单元机组协调控制系统已形成了较为完善的控制策略，并有相当一部分理论已应用到现场。
二、协调控制系统
（1）基本方式（Base）：锅炉主控和汽轮机主控均在手动方式运行，这种情况大多是在机组启动不久或在一些特殊工况下。
（2）锅炉跟随方式1（BF1）：锅炉主控投入自动调节机前压力，汽机主控在手动方式，在这种方式下电调可以处于local方式，也可以处于remote方式，由运行人员在机主控面板上手动操作。
（3）机跟随1（TF1）：汽机主控投入自动调节机前压力，锅炉主控手动调节功率，在这种方式下，燃料主控可处于手动方式，也可处于自动方式，由运行人员在炉主控面板上手动操作。
（4）锅炉跟随2（BF2）：锅炉主控投入自动调节调节机前压力，汽机主控投入自动，根据LDC指令的前馈调节燃料来维持功率。在应用中这种方式只是一个过渡过程，在其他许多电厂已将此功能取消。
（5）汽机跟随2（TF2）：汽机主控投入自动调节机前压力，锅炉主控投入自动，根据LDC指令的前馈调节燃料来维持功率。
（6）以锅炉跟随为基础的协调控制系统（CCBF）：汽机主控投入自动维持功率平衡，锅炉主控投入自动主要维持压力平衡，同时两者协调配合动作用以维持机炉间的能量平衡。
（7）以汽机跟随为基础的协调控制系统（CCTF）：汽机主控投入自动用于维持压力平衡，锅炉主控投入自动维持功率平衡，同时两者协调配合动作用以维持机炉间的能量平衡。
（8）AGC：AGC是自动发电控制的英文缩写，就是我们常说的运方自动调度。AGC通过电气远动装置（RTU）实现与DCS协调控制系统的自动信息交换。协调控制系统除能正常接受电网下发的AGC指令外，还应该将机组和AGC运行的有关信号送给电网调度。
在以上其中方式中，BF2、TF2、CCTF、CCBF、AGC任意一种方式投入运行，都称LDC（LOAD DEMAND COMPUTER）处于自动方式。
三、负荷指令处理环节（LMCC）
（1）机组负荷指令的选择：机组负荷指令一般有三种：电网中心调度所的负荷分配指令ADS；运行人员手动设定负荷指令；电网频率自动调整指令。一般根据机组的运行状态和电网对机组的要求，选择其中一种或两种调整指令，运行人员手动设定负荷指令和ADS指令不可同时选中，即选择ADS就不可选择运行人员手动设定，选择运行人员手动就不能选择ADS指令。但在这两种情况下都可参加一次调频，即由所选指令与一次调频指令相叠加。
（2）最大/最小负荷限制：机组的实际出力是有限的，机组的负荷要求指令不能超过机组的最大/最小允许负荷值。运行人员可根据运行情况在主控画面上手动设定机组的最大/最小负荷值。机组的最大负荷根据机组实际情况来定，最小负荷通常为锅炉稳定燃烧时的最小负荷值。
（3）负荷指令变化速率限制：一般外部对机组的负荷要求都是以电功率的增减为目标，通常是一个阶跃信号，因此应根据机组变负荷能力规定对机组负荷的要求，让负荷变化不超过一定速度，即把阶跃信号变成一个机组能够接受的斜坡信号，但是该速率不能超过机组应力允许的范围。运行人员可通过主控画面输入速率限制值。如图1所示。
（4）负荷返回RB：机组运行时，当机组主要辅机设备突然发生故障，造成机组承担负荷能力下降时，就要求机组的负荷指令处理装置将机组的实际负荷指令下降到机组所能承担的水平，这种辅机故障引起实际负荷指令的快速下降称为快速返回。负荷返回的速率、以及返回到新的返回水平与发生故障的辅机有关。通常引起负荷快速返回的辅机有：送风机、引风机、给水泵、一次风机等。由于这些辅机单台一般可带60%满负荷，所以当两台并列运行的辅机中一台跳闸后，返回到新的负荷水平60%满负荷。在系统设计中，在此情况下负荷变化率由预先设定的限制值来自动决定，运行人员手动设定速率限制值不起作用。
（5）负荷增/减闭锁BI/BD：负荷增/减闭锁BI/BD是指机组在运行过程中，当主要辅机虽然未发生故障但已工作在极限状态，或者机组中一些主要运行参数与其指令的偏差大于允许值时，对机组的负荷指令加以限制，不让机组负荷指令朝着事故发生的方向发展，以防事故发生。负荷指令增/减闭锁的实现，是增/减闭锁逻辑信号作用于负荷指令限制环节的结果。方向性闭锁是对协调控制系统的一个基本要求，以给水泵为例。闭锁增BI：给水泵输出指令达到高限，或给水流量小于给水指令一定限值。闭锁减BD：给水泵输出指令达到低限，或给水流量大于给水指令一定限值。
（6）负荷迫升/迫降RN/RD：负荷迫升/迫降RN/RD是指主要运行参数与其指令的偏差超过允许值，同时有关的控制输出已达极限位置，不再有调节余地，则使机组负荷指令迫升/迫降，使偏差回到允许值范围之内。负荷的迫升/迫降是在发生过程变化闭锁的情况下，工况进一步恶化的结果。如果操作员选择了机组指令迫升、迫降功能，当发生迫升迫降工况时，协调控制系统将自动以一定速率在当前指令基础上进行自动升降[2]。
四、协调控制系统的技术改进
（1）完善了一次调频的功能：DCS供应商设计的协调系统具有一定的一次调频的功能，但有些一次调频系统只有在汽轮机转速低于2850rpm和3150转的情况下才起作用，所以在一般情况下看不到频率的修正作用。这样的设计满足不了电网对机组调频的要求。因此我们对一次调频的功能作了如下的部分改进，即将频率变送器采集的频率信号通过一函数发生器（根据汽轮机的转速不等率计算得出）计算出的负荷偏差与LDC的目标负荷相加，通过改变机组的负荷指令去纠正电网的频率变差，使机组具有一次调频能力。函数发生器设定有一定的死区，只有当频率偏差超出死区（一般定位±2rpm）时才起作用，这个设计是为了在网上周波在正常范围内波动时，不至于对机组的功率造成扰动[3]。如图2所示。
（2）柔性输出环节：单元机组控制目标的本质是保持能量转换过程顺利进行，保证能量转换过程各环节能量流的供需平衡，把单元机组简化为一个具有双输入双输出的被控对象。机组的能量输出（实发功率Ne）和机前压力片为被控量，汽轮机调节阀开度构和能量输入（燃料量B）为控制量。原常规协调控制系统是以机跟炉或炉跟机方式为基础的协调控制系统。以炉跟机为基础的协调控制系统，将机前压力偏差信号引入了汽机调节器，当机前压力的波动超过非线性调节的死区时，机前压力偏差直接作用于汽机调节阀，通过阀门控制机前压力波动，这种方式负荷适应性好，但机前压力波动大。以机跟炉为基础的协调控制系统，将功率偏差信号上下限幅非线性处理后直接作用于汽机调节阀，这种控制方式机前压力控制效果好，但负荷适应性能差。要想提高负荷适应能力，就得牺牲机前压力的稳定性。从能量流动和转换的角度深入研究锅炉、汽机和电网负荷之间能量供需的内在特性，从能量角度看，炉跟机方式代表了"按需分配"，以满足能量需求为控制目标，需要多少能量就提供多少能量。机跟炉方式代表了"按供分配"，以不超过能量供应能力为控制目标，能供多少能量就供多少能量。由于机炉能量转换快慢程度不同，炉跟机方式主要矛盾是能量供应不足表现为机前压力波动大。机跟炉方式主要矛盾是能量供应缓慢，表现为负荷适应能力差。基于以上分析，问题的关键是寻找一个能量供需的平衡点，以解决能量供需的矛盾。
图3为柔性输出环节，图3中K1为引入锅炉指令信号通道增益，K2为引入实际负荷指令信号通道增益，K3为引入实际负荷指令的锅炉信号通道增益，K4为入锅炉指令的实际负荷信号通道增益。分析：适当取K1、K2、K3和K4的值，就决定了机组协调控制是炉跟机为主还是机跟炉为主。可见，几个简单的就决定了机组的运行特性。当机组出现能量供应不足时，K2和K4值需要增大，炉跟机功能的比重加大，而机跟炉功能的比重减小，即增加了能量供应为控制目标的比重，缓解了能量供应不足的矛盾；同理，当机组出现能量需求不足时，K1和K3值需要减小，炉跟机功能的比重减小，机跟炉功能的比重增大，即增加了能量需求为控制目标的比重，缓解了能量需求不足的矛盾。这里可称K1、K2、K3和K4为能量供需协调度。调整K1、K2、K3和K4值，可使机组达到能量供需平衡点，既减小机前压力波动，又提高负荷适应性能。这个点是柔性控制的最佳点。根据机组特性找到合适的K1、K2、K3和K4值，可取得最佳运行效果[4]。
五、结论
本文阐述了单元机组协调控制系统的7种运行方式，介绍了负荷指令处理环节，提出了完善一次调频的方案，在机炉输出环节采用了柔性控制策略使单元机组在基本控制方式、机跟炉控制方式、炉跟机控制方式实现侧重于机跟炉或炉跟机的协调控制方式。
参考文献：
[1]刘恩鸽.机炉协调控制技术的研究[D]，哈尔滨：哈尔滨工业大学，2006，1-4.
[2]西安电力高等专科学校.600MW火电机组培训教材[M]，北京：中国电力出版社，2007，144-158.
[3]边立秀.热工控制系统[M]，北京：中国电力出版社，2002，235-248.
[4]林文孚，胡燕.单元机组自动控制技术[M]，北京：中国电力出版社，2004，182-211.
作者简介：
贾孝明，身份证：140602198309069018。
论文作者:贾孝明
论文发表刊物:《电力设备》2017年第9期
论文发表时间:2017/7/31
标签：机组论文; 负荷论文; 指令论文; 能量论文; 方式论文; 控制系统论文; 汽机论文; 《电力设备》2017年第9期论文;