第七章 单元机组协调控制系统
单元机组协调控制系统
第一节 协调控制系统的基本概念
随着电力工业的发展，高参数、大容量的火力发电机组在电网中所占的比例越来越大。大容量机组的汽轮发电机和锅炉都是采用单元制运行方式。所谓单元制就是由一台汽轮发电机组和一台锅炉所组成的相对独立的系统。单元制运行方式与以往的母管制运行方式相比，机组的热力系统得到了简化，而且使蒸汽经过中间再热处理成为可能，从而提高了机组的热效率。
一、单元机组负荷控制的特点
随着大容量机组在电网中的比例不断增大，以及因电网用电结构变化引起的负荷峰谷差逐步加大，大容量单元机组的运行方式也逐步发生了变化，过去常常只带固定负荷的大机组，现在也需求根据电网中心调度所的负荷需求指令和电网的频率偏差参与电网的调峰、调频，甚至在机组的某些主要辅机局部故障的情况下，仍然维持机组的运行。
在单元制运行方式中，锅炉和汽轮发电机既要共同保障外部负荷要求，也要共同维持内部运行参数（主要是主蒸汽压力）稳定。单元机组输出的实际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的供求平衡关系；而主蒸汽压力则反映了机组内部锅炉与汽轮发电机之间能量的供求平衡关系。然而，锅炉和汽轮发电机的动态特性存在着很大差异，即汽轮发电机对负荷请求响应快，锅炉对负荷请求的响应慢，所以单元机组内外两个能量供求平衡关系相互间受到制约，外部负荷响应性能与内部运行参数稳定性之间存在着固有的矛盾，这是单元机组负荷控制中的一个最为主要的特点。
二、协调控制系统及其任务
单元机组的协调控制系统（Coordinated Control Systen简称CCS）是根据单元机组的负荷控制特点，为解决负荷控制中的内外两个能量供求平衡关系而提出来的一种控制系统。从广义上讲，这是单元机组的负荷控制系统。它把锅炉和汽轮发电机作为一个整体进行综合控制，使其同时按照电网负荷需求指令和内部主要运行参数的偏差要求协调运行，
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即保证单元机组对外具有较快的功率响应和一定的调频能力，对内维持主蒸汽压力偏差在允许范围内。具体的讲，协调控制系统的主要任务是：
1．接受电网中心调度所的负荷自动调度指令、运行操作人员的负荷给定指令和电网频差信号，及时响应负荷请求，使机组具有一定的电网调峰、调频能力，适应电网负荷变化的需要。
2．协调锅炉、汽轮发电机的运行，在负荷变化率较大时，能维持二者之间的能量平衡，保证主蒸汽压力稳定。
3．协调机组内部各子控制系统（燃料、送风、炉膛压力、给水、汽温等控制系统）的控制作用，使机组在负荷变化过程中主要运行参数在允许的工作范围内，以确保机组有较高的效率和可靠的安全性。
4．协调外部负荷请求和主/辅设备实际能力的关系。在机组主/辅设备能力受到限制的异常情况下，能根据实际可能，限制或强迫改变机组负荷。这是协调控制系统的连锁保护功能。
三、协调控制的基本原则
根据被控对象动态特性的分析可知，从锅炉燃烧率（及相应的给水流量）改变到引起机组输出电功率变化，其过程有较大的惯性和迟延，如果只是依靠锅炉侧的控制，必然不能获得迅速的负荷响应。而汽轮机进汽调节阀动作可使机组释放（或储存）锅炉的部分能量，输出电功率暂时有较迅速地响应响应。因此，为了提高机组的响应性能，可在保证安全运行（即主蒸汽压力在允许范围内变化）的前提下，充分利用锅炉的蓄热能力，也就是在负荷变动时，通过汽轮机进汽调节阀的适当动作，允许汽压有一定波动而释放或吸收部分蓄能，加快机组初期负荷的响应速度。与此同时，根据外部负荷请求指令加强对锅炉侧燃烧率（及相应的给水流量）的控制，及时恢复蓄能，使锅炉蒸发量保持与机组负荷一致，这就是负荷控制的基本原则，也是机炉协调控制的基本原则。
四、协调控制方式
常见的机组协调控制方式有以下几种方案：
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1．以锅炉跟随为基础的协调控制方式
该方式是在汽轮机侧控制负荷（输出电功率）NE、锅炉侧控制主蒸汽压力PT的基础上，让汽轮机侧的控制配合锅炉侧控制PT的一种协调控制方式。以锅炉跟随为基础的协调控制方式如图7-1所示。
图7-1 以锅炉跟随为基础的协调控制方式
汽轮机主控制器接受机组负荷指令（功率给定值N0）与机组实发功率反馈信号NE，当负荷指令N0改变时，汽轮机主控制器立即根据负荷偏差?N=NO-NE，改变进入汽轮机子控制系统（即DEH系统）的负荷指令NT，进而改变进汽调节阀的开度?T以及进汽流量，使发电机输出的电功率NE迅速与机组负荷指令NO趋于一致，满足负荷的需求。
锅炉主控制器接受主蒸汽压力的给定值PO和机前实际主蒸汽压力的反馈信号PT，当汽轮机侧调负荷或其它原因起主蒸汽压力PT变化时，锅炉主控制器根据汽压偏差?P=Po-PT，改变锅炉子控制系统的负荷指令NB，从而改变锅炉的燃烧率（及相应的给水流量等），以补偿锅炉蓄能的变化，尽力维持主蒸汽压力PT的稳定。
由于汽轮机侧响应负荷指令No的速度比较快，即在负荷指令No改变时，通过改变进汽调节阀的开度?T，可充分利用锅炉的蓄能，使机组的实发功能NE作出快速响应。此时，势必引起主蒸汽压力PT较大的变化，尽管锅炉侧的控制可根据主蒸汽压力的偏差来补偿锅炉蓄能的变化，但由于主蒸汽压力对燃烧率的响应存在着较大的惯性，仍然会使主蒸汽压力出现较大的暂态偏差。为减小主蒸汽压力在负荷过程中的波动，可将主蒸汽压力偏差?P信号引入汽轮机侧的控制之中，以此限制汽轮机进汽调节阀的开度变化，以防止过度利用锅炉蓄能，从而减小了PT的动态变化。
以上利用?P对汽轮机进汽调节阀的限制作用，可减缓汽压的急剧变化，但同时减缓了机组对负荷的响应速度。由此可见，该协调控制方式是以降低负荷响应性能为代价来换取汽压控制质量提高的。或者说是通过抑制汽轮机侧的负荷响应速度，使机炉之间的动作达
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到协调的，其结果兼顾了负荷响应和汽压稳定两个方面的控制质量。
2．以汽轮机跟随为基础的协调控制方式
该方式是在锅炉侧控制负荷（输出电功率）NE、汽轮机侧控制主蒸汽压力PT的基础上，让汽轮机侧的控制配合锅炉侧控制NE的一种协调控制方式。以汽轮机跟随为基础的协调控制方式如图7-2所示。
图7-2 以汽轮机跟随为基础的协调控制方式
锅炉主控制器接受机组负荷指令（功率给定值）No和机组实发功率反馈信号NE；当负荷指令No改变时，锅炉主控制器根据负荷偏差?N=NO-NE，改变锅炉子控制系统指令NB，从而改变锅炉的燃烧率（及相应的给水流量等），以适应负荷的能量需求。
汽轮机主控制器接受主蒸汽压力的给定值PO和机前实际主蒸汽压力反馈信号PT，当锅炉侧调负荷或其它原因引起主蒸汽压力PT变化时，汽轮机主控制器根据汽压偏差?P=PO-PT，改变汽轮机子控制系统的负荷指令NT，从而改变进汽调节阀的开度?T及进汽流量，以维持主蒸汽压力PT的稳定。
由于锅炉侧主蒸汽压力对燃烧率的响应缓慢，在负荷指令NO改变时，通过改变燃烧率并不能马上转化为适应负荷需求的蒸汽能量，即不能马上在?P变化上体现出负荷需求。显然，汽轮机侧根据?P不能及时控制输出电功率NE与NO相适应。为提高机组的负荷响应能力，可将负荷偏差信号?N引入汽轮机侧的控制之中，以此改变汽轮机进汽阀的开度，在锅炉侧响应负荷的迟缓过程中，暂时利用蓄能使机组迅速作出负荷响应。
以上?N及时改变汽轮机进汽调节阀开度的作用，可提高机组的负荷响应能力，但同时会引时主蒸汽压力较大的动态偏差，由此可见，该协调方式是以加大汽压动态偏差为代价来换取负荷响应速度提高的。由于这种协调控制方式直接由负荷指令控制燃烧率，可以说它是通过加快锅炉侧的负荷响应速度，使机炉之间的动作达到协调的。其结果同样是兼顾了负荷响应和汽压稳定两个方面的控制质量。
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