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1、-基于dcs的热工协调控制系统毕业设计-第 - 19 - 页毕业设计说明书(论文)作 者： 徐瑞泽 学 号： 1007240633 学 院：自动化工程学院 班 级： 自动106 专 业：自动化 测控技术与仪器所 在 系：控制科学与工程 仪器科学与技术题 目：基于DCS的热工系统协调控制设计研究指导者： 沈继忱 教授 签字： 评阅者： 2014 年 6 月 吉 林摘 要火电厂单元机组协调控制系统是一个多变量被控对象，具有非线性强、参数时变大、迟延等特性，针对这些特性，需要对机组进行解耦控制，然后对控制算法进行改进，使系统更加稳定的运行。常规的自动调节系统是汽轮机和锅炉分别控制。随着单元机组容量的
2、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
3、参数的稳定。关键词 ： DCS系统；协调控制；负荷控制Abstract Thermal power plant unit coordinated control system is a multi variable object, with strong nonlinearity, time-varying parameters, delay and other characteristics, according to these characteristics, the need for decoupling control on the unit, then the control al
4、gorithm was improved, which made the system more stable operation. Automatically adjust the conventional system of turbine and boiler control. With the unit capacity increasing, increase the capacity of power grid and power FM, peaking requirements increase and the unit itself (parameters) operation
5、 requirements increase, automatic regulating system routine has been difficult to meet the unit in both grid frequency, peak and stable unit operation parameters of these two requirements, and therefore must be the steam turbine and boiler as a unified control object coordination control. There is a
6、 considerable difference control characteristics of turbine and boiler, boiler is a large thermal inertia, the reaction is very slow control object, and the steam turbine is relatively a low inertia, quick response to the control object. Coordinated control system is considering the different contro
7、l characteristics of boiler and their respective characteristics, to take certain measures (such as the introduction of some feedforward signal, signal coordination), let the machine stove at the same time according to the power which meet the requirements of the change, accept the load instruction
8、outside, according to the deviation of main operational parameters, control and coordination, so as to satisfy the load requirements of the power grid, to ensure the stability of main operation parameters.Key words：DCS system；Coordinated control；Load control 目录摘 要IAbstractII第1章绪论- 1 -1.1课题意义与背景- 1 -
9、1.2单元机组协调控制系统的设计目的- 1 -1.3单元机组协调控制系统的研究现状- 2 -第2章控制系统概述- 4 -2.1发电厂协调控制系统的基本概念及特点- 4 -2.2单元机组自动控制的功能及特点- 5 -2.3协调系统控制方式- 5 -2.3.1机跟炉方式- 5 -2.3.2炉跟随方式- 6 -2.3.3机炉协调方式- 6 -第3章单元机组燃烧与传热过程- 8 -3.1炉内燃烧与管道传热- 9 -3.2 汽轮机做功过程- 10 -3.3控制系统对模型精度要求- 12 -第4章年协调控制系统的基本原理及实现- 14 -4.1协调控制系统的基本原理- 14 -4.2间接能量平衡协调控制系
10、统介绍- 15 -4.2.1 补偿锅炉侧扰动的机跟炉协调系统- 16 -4.2.2 补偿汽机侧扰动的机跟炉协调系统- 17 -4.2.3 实现双向补偿的机跟炉协调系统- 17 -4.2.4补偿锅炉侧扰动的炉跟机协调系统- 18 -4.2.5 补偿汽机侧扰动的炉跟机协调系统- 19 -4.2.6 实现双向补偿的炉跟机协调系统- 20 -4.3 单元协调控制系统组成- 20 -第5章协调系统工程实现- 23 -5.1负荷的形成- 23 -5.2锅炉主控制器- 26 -5.3汽轮机主控制器- 26 -5.4控制方式- 26 -5.4逻辑控制- 27 -5.4.1锅炉基本控制方式选择逻辑- 29 -5
11、.4.2汽轮机基本控制方式选择逻辑- 29 -5.4.3功率控制方式- 30 -总结- 32 - 参考文献- 33 -致谢- 35 -第1章绪论1.1课题意义与背景DCS系统的日渐成熟和广泛的应用，为整个机组的自动化水平的提高打下了良好的硬件和软件基础，尤其是基于快速以太网的高速数据采集和传输，提高了整个系统的实时性。集中化的工艺画面、参数显示给操作人员和运行人员带来了很大的方便;危险分散的系统结构以及系统冗余大大提高了系统的可靠性。同时基于计算机的数据处理使得一些新的控制理论和控制算法能够很方便的应用与生产实际中。单元机组协调控制系统是在常规的机炉局部控制系统的基础上发展起来的复杂控制系统。
12、常规的机炉局部控制系统结构简单，功能单一，适应 不同运行方式和工况的能力也比较差。单元机组协调控制系统把锅炉和汽，轮机发电机组作为一个整体进行控制，具有多种控制功能，能够满足不同，运行方式和不同工况下的控制要求。但是由于协调控制系统的被控对象是一个多变量被控对象，具有非线性、参数时变、大迟延等特性。而且机、炉祸合严重，机、炉响应特性差异巨大，精确的数学模型难于得到，常规机炉协调控制系统的控制策略远远不能满足电网对单元机组协调控制系统的要求。因此，需要对单元机组协调控制系统的被控对象特性及控制策略进行深入研究。1.2单元机组协调控制系统的设计目的单元机组协调控制系统，就是把锅炉及汽机作为一个整体
13、进行综合控制。单元机组控制的任务是使机组负荷紧密跟踪外界负荷需求，并保持汽机前汽压稳定。由于锅炉对象与汽轮机对象控制性差别较大，采用简单的炉跟随方式货机跟随方式均不能很好的解决提高机组的负荷适应能力和保持气压稳定二者之间的矛盾。单元机组协调控制系统充分利用锅炉蓄热能力及汽机调节的快速性，既保证了机组能比较快速的适应负荷的变化，又不致使主汽压力波动较大1。保证机组负荷跟随负荷指令变化，提供尽可能快的负荷升降速度。这里的负荷升降速率指有协调控制系统指令处理贿赂给出的，机组能够接受的负荷指令变化速率。保证机前压力跟随压力定值变化，尽量减小压力动态偏差并限制压力的变化速率。1 控制器结构简单，参数便于
14、整定和维护。工程上整定控制器参数一般依靠扰动实验，控制器参数能够经过几次实验调试获得优化，调试参数过多或调试方法过于复杂将使任何优秀的设计失去应用价值。机组长期运行被控对象发生改变时，也能够通过简单的调试保证系统性能指标。2 提供灵活的运行方式。在不同工况下，机组有不同运行目标。在机组各种设备运行状态良好的情况下，希望能够提供尽可能高的负荷升降速率:在低负荷时,稳定燃烧成为主要目标；在锅炉、汽轮机或各种辅机发生故障是，希望机组降负荷运行而不停机，一般的协调控制系统应该能够提供协调、机跟炉、炉跟机、等方式。不同方式之间能勿扰切换。3 兼顾其他控制回路及参数的性能。如过热气温、再热气温、汽包水位及
15、锅炉、汽轮机热应力等。1.3单元机组协调控制系统的研究现状传统意义上的协调控制有两种划分方式:一种是根据系统发展的基础按照机跟炉或炉跟机的方式来划分。另一种是从能量平衡的观点出发，将协调控制系统分为直接能量平衡(DEB)和间接能量平衡系统(IEB)两大类。协调控制的本质就是维持机组在运行过程中机炉之间供需能量的平衡。通常把机前压力P:作为锅炉输出能量与汽机需求能量之间平衡的特征参数。通过控制间接参数来维持整个机组能量平衡的系统，称为间接能量平衡系统。通过构造出能量平衡信号，并以此直接控制能量输入的系统，称为直接能量平衡系统。从目前工程领域的应用来看，无论是直接能量平衡协调控制系统还是间接能量平
16、衡协调控制系统都属于近似解祸设计方法范畴。这类系统通常具有以下局限性:1 间接能量平衡协调控制系统的设计往往是在机炉独立控制回路的基础上加入前馈控制。这种设计是基于静态的近似解祸。因此无法考虑系统的不确定性扰动、非线性等因素。系统的鲁棒性能较差。2 锅炉系统的大时延、大惯性等问题没有充分的考虑。因此很难在快速的汽轮机控制回路和相对较慢的锅炉控制回路之间达到快速的能量平衡。3 系统的设计与整定一般基于特定的工作点线性化处理，没有考虑动态非线性及大范围适应性等。4 基于简化的建立在传递函数基础上的单元机组动态数学模型来设计的协调控制系统无法考虑相关系统相对较弱的祸合关系的影响及机组的动态时变性等。
17、第2章控制系统概述2.1发电厂协调控制系统的基本概念及特点火电厂热力设备的自动调节系统，包括锅炉、汽机及其辅助设备等部分的自动调节系统。几年来，由于大容量的中间再热单元机组的出现和逐渐采用较先进的计算机控制系统，机、炉、电的协调控制系统方式将广泛采用。所谓控制系统是一种解决大系统控制问题的基本策略，而大系统可理解为由若干相互关联子系统组成的复杂系统。单元机组系统调控制系统可认为是一种二级递阶控制系统。处于上位级的是协调主控系统，是整个系统的核心部分。这些控制系统执行主控系统发出的指令，完成指点的控制任务3。协调控制系统的基本特点:1 控制系统结构先进控制器设计主要采用了前馈、反馈、最优控制以及
18、变结构控制等技术，并充分利用机炉动态特性方面的特点，解决了主设备大延迟、干扰环节多等问题。2 系统功能完善除了正常工况下的连续调节功能外，系统还设有一套逻辑控制系统，包括负荷给定逻辑、设备故障处理逻辑以及调节超差监控逻辑等功能。系统可根据运行需要，选择炉跟机、机跟炉、机炉协调方式。3 系统可靠性高通过设置安全保护给定值和一系列可靠性措施，使协调控制系统获得很高的系统可靠性。保证机组在安全范围内运行，并维持最佳的工况。4 操作维护方便由于计算机大量应用，控制系统对运行人员来讲，画面设计、工程实现及整定参数，都便于操作、维护等特点。2.2单元机组自动控制的功能及特点1 数据采集系统数据采集系统用于
19、完成检测反映机组设备运行工况的物理参数，如水位、温度、压力、流量转速、位移等，以及反映设备运行状态的开关量信号。运行人员依据采集的物理参数，即使对机组设备进行调整。2 自动调节系统自动调节系统也称闭环控制系统，是指在机组运行过程中，调节系统依据参数，克服系统嫩倍和外部的干扰，持续不断的对主要运行参数进行调节，以保证主要参数运行在规定的工作范围内。主要自动调节系统有给水调节系统、主汽压力调节系统、送引凤调节系统等。3 顺序控制系统顺序控制系统也称程序控制系统，是指在机组运行过程中，现场设备需要依照既定的操作步骤和动作顺序进行一系列操作，如点火程控系统、吹灰定排控制系统等。4 自动保护系统为保证机
20、组安全运行，在设备发生故障时，相关设备需要自动完成相应的必要操作，保证设备故障及时消除防止事故扩大。例如汽轮机保护系统、锅炉灭火系统等。2.3协调系统控制方式2.3.1机跟炉方式在机跟炉系统中，机组输出功率由锅炉给定，汽轮机主汽门开度调节主蒸汽压力。这种控制方式的主要缺点在于对机组负荷变化需求的响应速度慢4。另外，当锅炉侧产生内部扰动时，导致机前压力的变化和输出功率N的变化。这将引起主汽门开度和燃料量B的同时动作。正确的调节作用应当是由锅炉调节器改变燃烧率，消除内部扰动，使汽压和功率回复到给定值。可见，当锅炉内部扰动时。会导致输出功率长时间的来回波动甚至振荡。因而，机跟炉控制方式既不适用于带变
21、动负荷的运行工况，也缺乏有效地抑制锅炉侧内部扰动的能力。目前在机炉控制中还保留这种控制方式，主要是用于当锅炉侧辅机设备局部故障，使锅炉的最大出力受到限制5。 2-1机跟炉系统框图特点：汽压变化较小，有利于机组运行的安全与稳定；但未能利用锅炉的蓄热，因而负荷的适应能力较差，不利于变动负荷和参加电网调频。适用于单元机组承担基本符合的场合。当汽轮机设备运行正常，机组的输出电功率受到锅炉设备的限制时，可采用机跟随方式6。2.3.2炉跟随方式这种控制方式的特点是机组对外负荷变化需求的响应性好。其实质是利用了机组内部的蓄热能量，满足外部负荷的需求。这一基本特点被广泛地应用于机炉协调控制系统中。然而，维持机
22、炉能量的平衡，最终要由锅炉输入量的改变、保持机前压力。由于这种方式没有考虑机炉对象的耦合特性，系统品质就不会很理想。如果调节器参数整定不当，可能引起系统的振荡和不稳定。一般地，炉跟机方式在汽机侧局部故障时使用7。 2-2炉跟随系统框图2.3.3机炉协调方式机炉协调控制方式最早是在20世纪50年代提出的，但其是在60年代末，随着电动液压控制的发展而得到应用。不管是炉跟随还是机跟随控制方式，都是采取机炉分工、先后动作的配合方式，而对于变动负荷的机组负荷控制，必须遵循负荷协调控制原则的协调控制方式。当外界负荷发生变化时，负荷指令同时送到机、炉主控制器，对汽轮机和锅炉发出负荷控制指令，改变汽轮机的进汽
23、量和锅炉的燃烧率，利用锅炉的蓄能快速响应负荷需求，同时通过改变燃烧率从而改变进入锅炉的能量，保持机组输入能量与输出能量的平衡。同样，当主蒸汽压力产生偏差时，机、炉主控制器同时接受指令信号对汽轮机和锅炉进行操作，一方面改变锅炉的燃烧率，补偿蓄能的变化，另一方面适当改变汽轮机的进汽门的开度，控制蒸汽流量，维持主汽压力的稳定。其原理图如图2-5所示8。图2-3 单元机组机炉协调控制方式第3章单元机组燃烧与传热过程单元机组动态特性数学模型包含的内容很多，结构相当复杂，在这里讨论是与控制系统设计所相关的部分。在这里我们直接给出单元机组能量传递简化流程，如图2.1所示。单元机组能量传递简化流程图分三个部分
24、，图3.1中1表示的部分为炉内燃烧与传热部分；2表示系统管道传热部分，3表示汽轮机做功系统。各物理量说明如下：为进入炉膛的燃料量，为进入炉膛的总风量，为炉膛内的燃烧强度，为炉膛受热面总有效吸热量，为进入蒸汽管道的蒸汽流量，为蒸汽管道入口的蒸汽压力（汽包压力），为进入汽轮机的蒸汽流量，为蒸汽管道出口压力（机前压力），为汽轮机主蒸汽调节阀开度，为输出功率9。图3.1单元机组能量传递简化流程图10为了减少外部扰动的影响，简化单元机组的模型结构，在进行模型分析之前，先给出如下的前提假设：1 单元机组的送风量与燃料量相适应，保持燃烧稳定；2 机组的引风量与送风量相适应，维持炉膛压力稳定；3 机组给水量与
25、蒸汽流量相平衡，保持汽包水位恒定；4 主蒸汽温度控制相对独立。将汽包锅炉单元机组划分为机、炉、电三大部分。把整个机组的能量转换与传热过程划分为炉内燃烧与传热、管道传热、汽轮机做功三段过程。在此基础上推导出各段过程的物质平衡、能量平衡和动量平衡方程式。3.1炉内燃烧与管道传热单元机组的燃烧与传热过程包括炉内部分和管道传热两个部分，而炉内燃烧与传热过程是一个纯时延的惯性环节，其表达式如下11： (3.1) (3.2)其中，和可通过计算或实验求出。根据经验数据，一般有 可根据锅炉的水冷壁和金属的蓄热量相对于锅炉负荷的变化率来确定 (3.3)式中，为锅炉的蒸发量。在正常运行工况下，通常为。当单元机组采
26、用直吹式制粉系统时，应该在燃料量之前增加描述制粉系统的环节 (3.4)式中，为进入制粉系统的原煤量，为一次风量，为磨煤机原煤装载量。根据经验和实验数据，时间常数12。把锅炉和蒸汽管道的蓄热能力分开，可求出锅炉的蓄热量为 (3.5)式中，为锅炉的蓄批热系数，一般可根据实验方法确定。热能从炉膛传递管道时将经过管道传热，为了问题简化，这里将主蒸汽管道看作集中参数系统，其蓄热量可以表示为 (3.6) (3.7)其中，为蒸汽管道蓄热系数；为主蒸汽管道内蒸汽量；为蒸汽管道容积；为蒸汽重度系数13。蒸汽管道两端的压力降与管道蒸汽量之间的关系为： (3.8)其中，为蒸汽管道的阻力系数。机前压力与汽轮机进汽量之
27、间有以下关系 (3.9)其中，和分别为主蒸汽调节阀的阻力和汽轮机的沿程阻力。定义蒸汽调节阀的开度为： (3.10)将式(2.10)代入式(2.9)中，可得到： (3.11)3.2 汽轮机做功过程无中间再热器时，机组从蒸汽流量变化到汽轮机功率变化的反应很快，可以简单地将汽轮机做功过程表示为： 或 (3.12)有中间再热器系统，汽轮机的输出功率为高压缸输出功率和中、低压缸输出功率两部分之和： (3.13)在静态工况下： (3.14)其中，为汽轮机高压缸输出功率在总输出功率中所占比例系数14。在动态工况下，考虑再热器的热容积和阻力，将蒸汽流量与中、低压缸输出功率的关系表示为： (3.15)其中，为中
28、间再热器时间常数。将式(2.14)和(2.15)代入(2.13)中得： (3.16)在一般情况下，,。根据以上的分析，我们可以得出描述单元机组动态特性的结构框图，如图3-1所示。这是一个22的非线性动态系统。分别在输入端加入阶跃扰动信号，可以得到定性的输出响应特性曲线，如图3-2所示。图3-2 单元机组动态特性结构图15 (a) 汽轮机调门开度扰动 (b) 燃料量扰动 (c) 给水流量扰动 3.3控制系统对模型精度要求不同的控制理论和算法对模型的要求是不同的。例如，许多建立在现代控制理论基础上的控制算法对象模型的精度要求很好。这些控制算法在航天和军事工业领域取得了成功的应用，然而在工业过程控制
29、领域收效甚微。其主要原因之一在于很难建立起精确性很高的工业过程受控对象数学模型16。反之，许多常规的工业控制技术，特别是PID控制技术，至今仍作为最为普遍的控制方法，广泛应用与工业控制领域，其重要原因也在于它对模型的精度要求是很低的。因而，建模的目的以及对模型精度的要求应依据模型应用的要求而定。分析受控过程的基本特性，掌握其内最主要、最本质的特性，对于设计出合理的控制系统是十分重要的17。 如前所述，单元机组协调控制以及全程控制系统，把机炉作为一个整体，针对机炉对象的特性，运用反馈、前馈、补偿以及多变量解耦等控制理论方法，构成功能完善、结构简单可靠的控制系统18。这些系统对过程模型精度方面的要
30、求并不是很高。在合理简单化的基础上，利用比较简便的机理分析方法和实验方法，简历单元机组动态特性数学模型，可以满足协调控制以及全程控制系统分析设计的需要19。随着工业过程控制技术的发展，一方面人们在探索新的、更为有效的建模方法和技术，以适应一系列现代控制理论和方法对模型方面的要求。另一方面，寻求更适用于工业过程控制的理论和方法，而这些理论和方法应具有对于模型要求不高的特点20。近年来，系统辨识理论方法和技术为建立更高精度的模型提供了方法和手段；而诸如模糊控制、自整定控制以及人工智能在控制中的应用，则大大降低了对过程模型方面的要求21。第4章年协调控制系统的基本原理及实现4.1协调控制系统的基本原
31、理协调控制系统包括机炉局部控制子系统和处于上位协调级的单元机组主控系统。单元机组主控系统是讨论整个协调控制系统的核心。主控系统可分为负荷指令中心、机炉协调控制器以及相应的逻辑控制系统几个部分，构成一个统一的整体，满足单元机组不同工况下的需要，保证机组的安全经济运行22。单元机组协调控制系统是大型火力发电机组普遍采用的控制系统。在许多国产机组以及从国外引进的机组上设计了不同的协调控制系统。这些系统的具体实现原理、功能以及使用的控制系统设备有着许多差异和不同23。在工程应用中，协调控制系统能否成功地投入和运行，发挥其应有的功能，主要取决于机组主设备本身的可控性、系统控制设备的性能及可靠性、系统设计
32、与整定的合理性等因素。近年来，计算机分散控制系统（DCS)的应用,为实现功能更加完善，控制方式更加先进的协调控制系统提供良好的条件。主设备可控性以及局部控制系统性能的改善，譬如汽轮机发电机组数字式电液调节系统的采用，也为机组协调控制系统的投入奠定了必要的基础24。对于协调控制系统，有不同的命名方式，亦可划分为几种不同的类型。譬如，机炉综合系统，联合控制系统，总括控制系统等等。对系统的分类方法也有许多不同。一种方法是根据系统发展的基础，按照机跟炉、炉跟机的方式来划分25。但随着系统结构的不断更新和变化，许多系统已难以区分究竟属于机跟炉还是炉跟机的形式，另一种分类方法是从能量平衡的观点出发，把协调
33、控制系统划分为直接能量平衡(DEH)和简介能量平衡(IEB)两大类。这种分类方法从一定意义上讲，揭示了协调控制系统具有的内在本质特性。因为记录控制的根本任务就在于维持整个机组运行过程的能量平衡，包括机组输入能量和输出能量的平衡；机炉之间供需能量的平衡；锅炉内部各子系统之间物质能量传递的平衡等26。由于能量信号不便于直接测量，常常采用一些间接的参数表征这些平衡关系。最典型的例子就是把机前压力PT作为锅炉能量输出与汽轮机能量需要之间的平衡特征参数。通过控制这些间接参数维持整个机组能量平衡的系统，称为间接能量平衡系统。通过构造出能量需求信号，并依此控制能量输入的系统，称为直接能量平衡系统。在工程领域
34、人们也习惯以国外不同公司的典型系统来区分协调控制系统的种类。譬如美国L&N公司的协调控制系统，贝利公司的协调控制系统，Foxboro公司的协调控制系统，日本日立公司的系统，瑞士BBC公司的系统等。4.2间接能量平衡协调控制系统介绍协调控制系统实在简单的机炉控制系统上发展起来的。按照控制方式的不同，这种简单的机炉空置系统可分为机跟炉方式两种27。 在机跟炉系统中，机组输出功率由锅炉给定，汽轮机主汽门开度调节主蒸汽压力。因而，这个系统也称之为汽机调压系统。这种控制方式的主要缺点在于对机组负荷变化需求的响应速度慢。另外，当锅炉侧产生内部扰动时，导致机前压力PT的变化和输出功率N的变化。这将引起主汽门
35、开度和燃料量的同时动作。正确的调节作用应当是由锅炉调节器来改变燃烧率，消除内部扰动，使汽压和功率回复到给定值。可见，当锅炉内部扰动时，会导致输出功率长时间来回波动甚至振荡。因而，机跟炉控制方式既不适用于带变动负荷的运行工况，也缺乏有效地抑制锅炉侧内部扰动的能力。目前在机炉控制中还保留这种控制方式，主要是用于当锅炉侧辅机设备局部故障，使锅炉的最大处理受到限制，小于汽轮机最大可能出力时使用。由锅炉给出最大负荷，汽机跟随，保持压力。在炉跟机系统中，机组对外负荷变化需求的响应性好。其实质是利用了机组内部的蓄热能量，满足外部负荷的需求。这一套基本特点被广泛应用到机炉协调控制系统中。然而，维持机炉能量的平
36、衡，最终要由锅炉输入量的改变，保持机前压力。由于这种方式没有考虑机炉对象的耦合特性，系统品质就不会很理想。如果调节器参数整定不当，可能引起系统的振荡和不稳定，一般地，炉跟机方式在汽机侧局部故障时使用。单元机组协调控制系统把机炉当作一个整体，引入前馈、补偿等控制手段，尽可能消除机炉对象间不利的耦合因素，并充分吸收机跟炉和炉跟机控制方式的特点，克服其存在的弱点和不足，使系统的控制品质得以改善和提高。在简要介绍机跟炉和炉跟机系统的基础上，现就典型的IEB协调控制系统进行讨论。4.2.1 补偿锅炉侧扰动的机跟炉协调系统系统原理框图如图4-1所示。为叙述方便起见，统记为Il系统。 图4-1 补偿锅炉侧扰
37、动的机跟炉协调系统（I1）I1系统的基础是机跟炉控制系统。引入功率偏差信号至汽机调节器，作为对锅炉侧扰动的补偿信号；引入功率定值信号作为锅炉前馈信号。当锅炉侧出现扰动，譬如进入锅炉的燃料量变化、或锅炉燃烧工况产生扰动时，将引起汽压和输出功率偏离给定值。依据功率偏差，锅炉调节器输出改变燃料量，以消除内部扰动。此时，并不希望汽机调节汽门动作。通过将功率偏差信号引入汽机调节器，利用机前压力和实发功率N对燃料扰动反应曲线形状相似的特性，近似地使汽机调节器上的功率偏差信号与汽压偏差信号相互抵消，保持汽机调节器的输出不变。这样，实现了锅炉侧扰动由锅炉调节器消除，而不引起汽机调节汽门不必要的动作。当机组功率
38、定值变化时，功率偏差信号将通过立即使汽机调节汽门动作、及时地利用锅炉内部蓄热，使机组输出功率跟上外负荷的需要。与此同时，功率定值又作为锅炉指令前馈信号，快速地改变燃料输入，补充锅炉蓄热的变化。这样有效地克服了单纯机跟炉系统响应外负荷缓慢的缺点。吸收了炉跟机系统能有效地利用锅炉蓄热能力，负荷响应性好的特点，并保留了炉跟机方式能保持机前压力尽可能地稳定的特点，使系统品质得到改善28。4.2.2 补偿汽机侧扰动的机跟炉协调系统图4-2 补偿汽机侧扰动的机跟炉协调系统（I2）在I2系统中，机炉调节器的主信号仍与I1系统相同。由机炉动态特性可知，在汽机调节汽门扰动下，输出功率的响应曲线与汽压的微分信号曲
39、线形状相似，方向相反。由此可以把机前压力的微分信号引入至锅炉主调节器中。当汽机侧扰动出现时，功率信号与的微分信号相抵消，使的输出不变，避免汽机侧扰动引起锅炉调节器的不必要功作。汽机侧扰动由汽机调节作用来消除。另外，的微分信号引入锅炉调节器还相当于引入了一个快速的压力反馈信号。当锅炉侧出现扰动，首先引起机前压力变化时，的微分信号将使锅炉调节器产生很快的动作，以消除锅炉侧的扰动。I2系统中还引入了功率定值微分信号作为锅炉和汽机调节器、的前馈信号，可增强系统对外界负荷需求的响应能力。当功率定值为恒定时，微分器、的输出为零。汽压由汽机调节器保持，功率由锅炉调节器保持，经微分器作为对汽机侧扰动的补偿信号
40、。因而，该系统称之为补偿汽机侧扰动的机跟炉协调控制系统。4.2.3 实现双向补偿的机跟炉协调系统该系统的原理框图如图4-3所示，记为I3系统。图4-3 双向补偿的机跟炉协调系统（I3）I3系统与I2系统具有许多类似之处。是这两个系统都属于以机跟炉为基础的系统结构；二是采用了相同的对汽机侧扰动补偿的方法；三是都采用了功率定值信号作为前馈，以增强锅炉指令，克服机跟炉系统对功率定值变化响应但的不足。为了实现双向补偿，I3系统中把功率偏差信号引入汽机调节器，实现对锅炉侧扰动的补偿，同时，也把功率定值作为汽机调节器的前馈信号。4.2.4补偿锅炉侧扰动的炉跟机协调系统本系统记为I4系统，如图4-4所示。图
41、4-4 补偿锅炉侧扰动的炉跟机协调系统（I4）在I4系统中，机前压力偏差信号引入至汽机调节器，一方面用来补偿锅炉侧扰动可能引起的汽机调节器动作，使的变化与N的变化相抵消。另一方面当功率定值变化时，汽机调节器很快动作调节汽门，满足负荷指令的需求，但是由于锅炉对象存在着大的惯性，能量难以及时补充，会造成压力大的变化，甚至超过允许的偏差范围，把引入汽机调节器，将起到稳定机前压力的作用。例如，功率指令增大，汽机调节门开大，机前压力下降，汽机调节器的输入信号为：下降相当于削弱了功率指令的增加，起到限制汽机调节汽门过开的作用，对稳定机前压力有利。随着锅炉燃烧率的上升，使恢复时，调节汽门会逐步开大，最终使实
42、发功率达到功率指令的要求。可见，引入汽机调节回路，除了实现对锅炉侧扰动的补偿作用外，对于在功率指令大幅度变化的情况下，可起到稳定机前压力，保证机组安全的作用。但是也使机组响应外界负荷的速率受到了一定的限制29。4.2.5 补偿汽机侧扰动的炉跟机协调系统该系统框图如图4-5所示。记为I5系统。补偿汽机例扰动较理想的方案是I2系统。但是对于以炉跟机为基础的系统来说，汽机调节器本身就具有很强的消除汽机侧扰动的能力。因此，汽机侧扰动不致对锅炉调节器产生严重影响。这样，在汽机侧出现扰动的动态过程中，利用输出功率与机前压力响应方向相反的特点，简单地把功率偏差信号引入至锅炉调节器，就构成了对汽机侧扰动补偿的
43、功能。功率定值起到增强锅炉指令的作用。I5系统所实现的补偿比其它系统更为近似，但其特点是系统结构更加简单。 图4-5补偿汽机侧扰动的炉跟机协调系统（I5）4.2.6 实现双向补偿的炉跟机协调系统如果在一个系统中同时考虑对汽机侧和锅炉侧扰动的补偿，就构成双向补偿的协调控制系统。补偿的作用实质是消除机炉对象特性存在的耦合。一个双向补偿协调控制系统原理框图如图4-6所示。记为I6系统。I6系统的基本结构属于炉跟机系统。对于锅炉侧的扰动，采用了I4系统的补偿结构；对于汽机侧的扰动，采用了I5系统的补偿结构。因为I6系统与I5系统都属于炉跟机方式，所以，采用把功率偏差信号简单地引入锅炉调节器的方法，可以
44、粗略地对汽机侧扰动实现动态补偿。图4-6 双向补偿协调控制系统原理框图（I6）4.3 单元协调控制系统组成简单地说，机炉协调控制系统主要完成以下功能：1 接受电网中心调度所的负荷自动调度指令、运行人员的负荷指令和电网频率偏差信号，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 协调锅炉和汽轮发电机的运行，在负荷变化率较大时，能维持两者之间的能量平衡，保证主蒸汽压力稳定。3 协调机组内部各子系统（燃料、送风、炉膛压力、给水、蒸汽温度等控制系统）的平衡。在负荷变化过程中使机组的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
45、求与主/辅设备实际承受能力的关系。在机组主/辅设备能力受到限制的异常情况下，可根据实际情况，限制或强迫改变机组负荷。协调控制系统的结构如图4-7。图4-7 协调控制系统的结构 机炉协调控制系统一般由协调主控系统及与协调主控系统相关的锅炉汽机控制子系统组成，如图4-8。 图4-8 协调控制系统的组成30协调主控系统主要由三部分组成：第一部分为机组指令处理回路，用以协调机组能力与电网需求的平衡，根据AGC指令或本机的运行人员指令（目标指令），经运算处理，给出在幅值大小和变化率均为机组可能接受的实际机组功率指令ULD（Unit Load Demand）。第二部分为机炉主控系统或机炉主控制器，根据机组功率指令ULD、机组的运行工况、运行方式以及机、炉不同的动态特性，协调锅炉与汽轮机间的能量平衡，提供机组级的输出功率与机前压力联合控制，从而使机组的负荷适应性与运行稳定性兼优。第三部分为协调子系统。协调主控系统输出的锅炉指令和汽轮机指令，分别控制锅炉、汽轮机的各子系统燃料、送风、引风、给水、喷水以及汽轮机阀位。对主控系统来说，各子控制系统均相当于伺服系统