火電機組協調控制系統探討與分析

李陽山

（遼寧大唐國際錦州熱電有限責任公司，遼寧 錦州121000）

0 引言

協調控制系統是根據火電機組的負荷控制特點，為解決負荷控制中的內外兩個能量供求平衡關系而提出來的一種控制系統[1]。它把鍋爐和汽輪發電機作為一個整體進行綜合控制，使其同時按照電網負荷需求指令和內部主要運行參數的偏差要求協調運行，即保證單元機組對外具有較快的功率響應以及一定的調頻能力，維持主蒸汽壓力偏差在允許范圍內。

主汽壓力、汽包水位、主汽溫度等參數在負荷時保持相對穩定，來保證火電機組在整個負荷變化范圍內有較高的安全性和穩定性，從而保證機組有較高的發電效率[2]。而單元機組的控制系統是一個復雜的多輸入多輸出系統，其相互依賴、相互制約，一個參數的變化會引起另外多個參數的變化，如機組負荷的變化就會引起主汽壓力、主汽溫度、汽包水位等一系列參數發生變化，甚至會造成較大的波動，如果不進行協調控制，將很難維持機組參數的穩定，進而影響機組的安全經濟穩定運行。

1 協調控制的基本原則

根據被控對象動態特性的分析可知，從鍋爐燃燒率及給水流量改變到引起機組輸出電功率的變化，此過程有較大的慣性和遲延，如果僅依靠鍋爐側的控制，必然不能獲得迅速的負荷響應。而汽輪機進汽調節閥動作可使機組釋放或儲存鍋爐的部分能量，輸出電功率會有較迅速地響應。因此，為了提高機組的響應性能，可在保證主蒸汽壓力在允許范圍內變化的前提下，充分利用鍋爐的蓄熱能力。通過汽輪機進汽調節閥的適當動作，允許汽壓有一定波動而釋放或吸收部分蓄能，加快機組初期負荷的響應速度。與此同時，根據外部負荷請求指令加強對鍋爐側燃燒率及相應的給水流量的控制，及時恢復蓄能，使鍋爐蒸發量保持與機組負荷一致。這即是負荷控制的基本原則，也是機爐協調控制的基本原則。

2 負荷控制系統基本控制方式

2.1 鍋爐跟隨控制方式

鍋爐跟隨控制方式的工作原理是：由鍋爐調節器控制汽壓，由汽機調節器控制輸出功率。當負荷指令變化時，汽機調節器調整調節閥開度，從而改變進汽量，使機組電功率迅速滿足負荷要求。調節閥開度改變后鍋爐出口汽壓隨即變化，通過鍋爐調節器改變燃料量控制燃燒率。同時，鍋爐其它控制系統相應地改變給水量、冷風和熱風的送風量。其特點是，在負荷變化時，鍋爐蒸汽量之所以能迅速變化，主要是因為從鍋爐蓄熱量的改變獲得了熱量，因而機組能比較快地適應電網負荷的要求，但汽壓波動較大。對于大容量單元機組來說，由于鍋爐蓄熱量相對減少，當負荷變化較小時，在汽壓允許變化范圍之內還能充分利用鍋爐蓄熱量；但在負荷變化較大時，汽壓波動較大，會影響鍋爐的正常運行。當單元機組中的鍋爐運行正常，而汽輪機出力受到限制時，可采用此種控制方式。

2.2 汽機跟隨控制方式

當功率給定值改變時，通過鍋爐調節器控制燃料量。待機前壓力改變后，再通過汽機調節器控制調節閥開度，使機組輸出功率符合功率給定值。鍋爐主控制器接受機組負荷指令和實發功率反饋信號，當負荷指令改變時，鍋爐主控制器根據負荷偏差改變鍋爐子控制系統指令，從而改變鍋爐的燃燒率及相應的給水流量，以適應負荷需求。汽輪機主控制器接受主蒸汽壓力的給定值和機前實際主蒸汽壓力反饋信號，當鍋爐側調負荷或其它原因引起主蒸汽壓力變化時，汽輪機主控制器根據汽壓偏差，改變汽輪機子控制系統的負荷指令，從而改變進汽調節閥的開度及進汽流量，以維持主蒸汽壓力的穩定。由于鍋爐側主蒸汽壓力對燃燒率的響應緩慢，在負荷指令改變時，通過改變燃燒率并不能立刻轉化為適應負荷需求的蒸汽能量。為提高機組的負荷響應能力，可將負荷偏差信號引入汽輪機側的控制之中，通過改變汽輪機進汽閥的開度，在鍋爐側響應負荷的遲緩過程中，利用蓄能使機組迅速作出負荷響應。該協調方式是以加大汽壓動態偏差為代價來換取負荷響應速度提高的。此種協調控制方式直接由負荷指令控制燃燒率，通過加快鍋爐側的負荷響應速度，使機爐之間的動作達到協調。

2.3 綜合型協調控制方式

綜合協調控制方式采用“雙向”協調，即任一被控量均是通過兩個控制變量的協調操作加以控制的。當負荷指令改變時，機、爐主控制器同時對汽輪機側和鍋爐側發出負荷控制指令，改變燃燒率及相應的給水流量和汽輪機進汽調節閥開度，一方面利用蓄能暫時應付負荷請求，快速響應負荷，另一方面改變進入鍋爐的能量，以保持機組輸入能量與輸出能量的平衡。當主蒸汽壓力產生偏差時，機、爐主控制器對鍋爐側和汽輪機側同時進行操作，加強鍋爐燃燒率的控制作用，補償蓄能的變化，同時適當限制汽輪機進汽調節閥的開度，控制主蒸汽流量，維持主蒸汽壓力穩定。

以前饋—反饋復合控制為基礎的協調控制系統隨著火電機組容量的增大以及熱工自動化技術的發展已逐漸形成，汽壓偏差和功率偏差信號同時送到鍋爐調節器和汽機調節器，在穩定工況下，實發功率與功率給定值相等，機前壓力與壓力給定值相等。當要求增加負荷時，將出現正的功率偏差信號，通過汽機調節器開大調節閥，增加實發功率，同時，也作用到鍋爐調節器，使燃料量增加。當調節閥開大時，會引起機前壓力下降，盡管此時鍋爐己經開始增加燃料量，但燃料與機前壓力通道有一定慣性，仍然會有正的壓力偏差信號。這個信號按正方向作用到鍋爐調節器，繼續增加燃料量，反方向作用到汽機調節器，使汽壓恢復到正常值。正的功率偏差信號和負的壓力偏差信號作用的結果，會使調節閥開大到一定程度后停止，這時汽機實發功率還沒達到功率給定值，因為正的功率偏差信號與負的汽壓偏差信號同時通過鍋爐調節器使鍋爐增加燃料量，隨著機前壓力逐漸恢復，壓力偏差信號逐漸減小，汽機調節閥在正的功率偏差信號作用下繼續開大，提高實發功率，直到功率和汽壓等于給定值，機組達到新的穩定狀態。

在機組適應負荷變化動態過程中，協調控制方式允許汽壓有一定波動，以便能充分利用鍋爐的蓄熱量(在一定限度內)，使機組能較快地適應電網的負荷要求。由于鍋爐調節器接受功率偏差前饋信號，能夠迅速地改變燃料量，可使機組功率較快地達到功率給定值。因此，綜合型協調控制方式，能較好的保持機組內、外兩個能量供求的平衡關系，既能使機組較快地適應電網的負荷要求，又能確保汽壓的波動在允許的范圍之內，具有較好的負荷適應性能以及良好的汽壓控制性能，是一種較為合理和完善的協調控制方式。

3 結論

本文分析了火電機組協調控制系統“爐跟機”、“機跟爐”和“機爐協調”三種控制方式，無論是何種協調控制方式，都是從處理“快速負荷響應和主要運行參數穩定”這一對源于機、爐動態特性差異的矛盾出發而設計的?；痣姍C組協調控制系統延伸了人的信息獲取、處理和決策控制的功能，提高了生產水平、生產能力和勞動生產率，保證了火電機組運行的安全性和經濟性。因此，優化電廠的協調控制策略使火電機組控制技術走向成熟是一重要課題。

［1］姚遠，馮新江.淺談單元機組的負荷自動控制[J].江西電力職業技術學院學報，2007，5：15-20.

［2］劉鐵祥.火電廠經典協調控制方案的探討[J].國內外機電一體化技術，2005.