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1、xxx工业大学本科毕业设计说明书引 言单元机组协调控制系统是大型火力发电机组的主要控制系统之一，是实现整个电网调度自动化的基础条件。由于协调控制系统是一个典型的多输入多输出系统，为了消除耦合作用对整个系统控制效果的影响，根据多变量过程控制系统解耦理论，首先要对控制系统进行解耦。因此采用解耦理论对单元机组协调控制系统进行分析和设计是一个很重要的方向。【3】由于高参数，大容量机组的迅速发展，装机容量也日益增多，因此对机组的自动化需求也日益提高。与其他工业生产过程相比，电力生产过程更加要求保持生产的连续性，高度的安全性和经济性。单元机组协调控制系统已成为大型单元机组普遍采用的一种控制系统，该系统把自
2、动调节、逻辑控制、安全保护、监督管理融为一体，具有功能完善、技术先进、可靠性高等特点。在工程应用中，单元机组协调控制系统是在常规机炉局部控制系统基础上发展起来的新型控制系统。单元机组在处理负荷要求并同时维持机组主要运行参数的稳定这两个问题时，是将机炉作为一个整体来看待的，必须要考虑协调控制，共同响应外界负荷的需求。它是一个复杂的多变量强耦合控制对象，存在着大滞后、多扰动、时变等特性。目前新投产项目中国产机组所占比例越来越高，研究国产燃煤单元机组的生产特性，对于实现机组的协调控制，以及机组的安全、稳定、经济运行意义重大。第一章 火电厂燃煤机组简介1.1 火电厂锅炉【10】锅炉是利用燃料或其他能源
3、的热能，把水加热成为热水或蒸汽的机械设备。锅炉包括锅和炉两大部分，锅的原义是指在火上加热的盛水容器，炉是指燃烧燃料的场所。锅炉中产生的热水或蒸汽可直接为生产和生活提供所需要的热能，也可通过蒸汽动力装置转换为机械能，或再通过发电机将机械能转换为电能。提供热水的锅炉称为热水锅炉，主要用于生活，工业生产中也有少量应用。产生蒸汽的锅炉称为蒸汽锅炉，又叫蒸汽发生器，常简称为锅炉，是蒸汽动力装置的重要组成部分，多用于火电站、船舶、机车和工矿企业。1.1.1 锅炉概述18世纪上半叶，英国煤矿使用的蒸汽机，最早的蒸汽锅炉是一个盛水的大直径圆筒形立式锅壳，后来改用卧式锅壳，在锅壳下方砖砌炉体中烧火。随着锅炉越做
4、越大，为了增加受热面积，在锅壳中加装火筒，在火筒前端烧火，烟气从火筒后面出来，通过砖砌的烟道排向烟囱并对锅壳的外部加热，称为火筒锅炉。1830年左右，在掌握了优质钢管的生产和胀管技术之后出现了火管锅炉。19世纪中叶，出现了水管锅炉，这种锅炉中的圆筒形锅壳遂改名为锅筒，或称为汽包。初期的水管锅炉只用直水管，直水管锅炉的压力和容量都受到限制。二十世纪初期，汽轮机开始发展，它要求配以容量和蒸汽参数较高的锅炉。直水管锅炉已不能满足要求。随着制造工艺和水处理技术的发展，出现了弯水管式锅炉。开始是采用多锅筒式。随着水冷壁、过热器和省煤器的应用，以及锅筒内部汽、水分离元件的改进，锅筒数目逐渐减少，既节约了金
5、属，又有利于提高锅炉的压力、温度、容量和效率。以前的火筒锅炉、火管锅炉和水管锅炉都属于自然循环锅炉，水汽在上升、下降管路中因受热情况不同，造成密度差而产生自然流动。在发展自然循环锅炉的同时，从30年代开始应用直流锅炉，40年代开始应用辅助循环锅炉。辅助循环锅炉又称强制循环锅炉，它是在自然循环锅炉的基础上发展起来的。在下降管系统内加装循环泵，以加强蒸发受热面的水循环。直流锅炉中没有锅筒，给水由给水泵送入省煤器，经水冷壁和过热器等蒸发受热面，变成过热蒸汽送往汽轮机，各部分流动阻力全由给水泵来克服。第二次世界大战以后，这两种型式的锅炉得到较快发展，因为当时发电机组要求高温高压和大容量。发展这两种锅炉
6、的目的是缩小或不用锅筒，可以采用小直径管子作受热面，可以比较自由地布置受热面。随着自动控制和水处理技术的进步，它们渐趋成熟。在超临界压力时，直流锅炉是唯一可以采用的一种锅炉，70年代最大的单台容量是27兆帕压力配1300兆瓦发电机组。后来又发展了由辅助循环锅炉和直流锅炉复合而成的复合循环锅炉。在锅炉的发展过程中，燃料种类对炉膛和燃烧设备有很大的影响。因此，不但要求发展各种炉型来适应不同燃料的燃烧特点，而且还要提高燃烧效率以节约能源。此外，炉膛和燃烧设备的技术改进还要求尽量减少锅炉排烟中的污染物(硫氧化物和氮氧化物)。早年的锅壳锅炉采用固定炉排，多燃用优质煤和木柴，加煤和除渣均用手工操作。直水管
7、锅炉出现后开始采用机械化炉排，其中链条炉排得到了广泛的应用。炉排下送风从不分段的“统仓风”发展成分段送风。早期炉膛低矮，燃烧效率低。后来人们认识到炉膛容积和结构在燃烧中的作用，将炉膛造高，并采用炉拱和二次风，从而提高了燃烧效率。发电机组功率超过6兆瓦时，以上这些层燃炉的炉排尺寸太大，结构复杂，不易布置，所以20年代开始使用室燃炉，室燃炉燃烧煤粉和油。煤由磨煤机磨成煤粉后用燃烧器喷入炉膛燃烧，发电机组的容量遂不再受燃烧设备的限制。自第二次世界大战初起，电站锅炉几乎全部采用室燃炉。早年制造的煤粉炉采用了U形火焰。燃烧器喷出的煤粉气流在炉膛中先下降，再转弯上升。后来又出现了前墙布置的旋流式燃烧器，火
8、焰在炉膛中形成L形火炬。随着锅炉容量增大，旋流式燃烧器的数目也开始增加，可以布置在两侧墙，也可以布置在前后墙。1930年左右出现了布置在炉膛四角且大多成切圆燃烧方式的直流燃烧器。第二次世界大战后，石油价廉，许多国家开始广泛采用燃油锅炉。燃油锅炉的自动化程度容易提高。70年代石油提价后，许多国家又重新转向利用煤炭资源。这时电站锅炉的容量也越来越大，要求燃烧设备不仅能燃烧完全，着火稳定，运行可靠，低负荷性能好，还必须减少排烟中的污染物质。在燃煤(特别是燃褐煤)的电站锅炉中采用分级燃烧或低温燃烧技术，即延迟煤粉与空气的混合或在空气中掺烟气以减慢燃烧，或把燃烧器分散开来抑制炉温，不但可抑制氮氧化物生成
9、，还能减少结渣。沸腾燃烧方式属于一种低温燃烧，除可燃用灰分十分高的固体燃料外，还可在沸腾床中掺入石灰石用以脱硫。1.1.2 锅炉的工作原理锅炉把从外部送进来的给水在加热器中加热到一定温度后，经给水管道进入省煤器，进一步加热以后送入锅筒，与锅水混合后沿下降管下行至水冷壁进口集箱。水在水冷壁管内吸收炉膛辐射热形成汽水混合物经上升管到达锅筒中，由汽水分离装置使水、汽分离。分离出来的饱和蒸汽由锅筒上部流往过热器，继续吸热成为450的过热蒸汽，然后送往汽轮机。在燃烧和烟风系统方面，送风机将空气送入空气预热器加热到一定温度。煤粉在磨煤机中被磨成一定细度的煤粉，由来自空气预热器的一部分热空气携带经燃烧器喷入
10、炉膛。燃烧器喷出的煤粉与空气混合物在炉膛中与其余的热空气混合燃烧，放出大量热量。燃烧后的热烟气顺序流经炉膛、凝渣管束、过热器、省煤器和空气预热器后，再经过除尘装置，除去其中的飞灰，最后由引风机送往烟囱排向大气。1.1.3 锅炉的结构锅炉整体的结构包括锅炉本体和辅助设备两大部分。锅炉中的炉膛、锅筒、燃烧器、水冷壁过热器、省煤器、空气预热器、构架和炉墙等主要部件构成生产蒸汽的核心部分，称为锅炉本体。锅炉本体中两个最主要的部件是炉膛和锅筒。炉膛又称燃烧室，是供燃料燃烧的空间。将固体燃料放在炉排上，进行火床燃烧的炉膛称为层燃炉，又称火床炉；将液体、气体或磨成粉状的固体燃料，喷入火室燃烧的炉膛称为室燃炉
11、，又称火室炉；空气将煤粒托起使其呈沸腾状态燃烧，并适于燃烧劣质燃料的炉膛称为沸腾炉，又称流化床炉；利用空气流使煤粒高速旋转，并强烈火烧的圆筒形炉膛称为旋风炉。炉膛的横截面一般为正方形或矩形。燃料在炉膛内燃烧形成火焰和高温烟气，所以炉膛四周的炉墙由耐高温材料和保温材料构成。在炉墙的内表面上常敷设水冷壁管，它既保护炉墙不致烧坏，又吸收火焰和高温烟气的大量辐射热。锅筒是自然循环和多次强制循环锅炉中，接受省煤器来的给水、联接循环回路，并向过热器输送饱和蒸汽的圆筒形容器。锅筒简体由优质厚钢板制成，是锅炉中最重的部件之一。锅筒的主要功能是储水，进行汽水分离，在运行中排除锅水中的盐水和泥渣，避免含有高浓度盐
12、分和杂质的锅水随蒸汽进入过热器和汽轮机中。锅筒内部装置包括汽水分离和蒸汽清洗装置、给水分配管、排污和加药设备等。其中汽水分离装置的作用是将从水冷壁来的饱和蒸汽与水分离开，并尽量减少蒸汽中携带的细小水滴。中、低压锅炉常用挡板和缝隙挡板作为粗分离元件；中压以上的锅炉除广泛采用多种型式的旋风分离器进行粗分离外，还用百页窗、钢丝网或均汽板等进行进一步分离。锅筒上还装有水位表、安全阀等监测和保护设施。锅炉未来的发展将进一步提高锅炉和电站热效率，降低锅炉和电站的单位功率的设备造价，提高锅炉机组的运行灵活性和自动化水平，发展更多锅炉品种以适应不同的燃料，提高锅炉机组及其辅助设备的运行可靠性，减少对环境的污染
13、。1.2 国内锅炉的发展据了解，国产300MW发电机组所配置锅炉主要有三种基本形式：UP型直流炉、自然循环汽包炉和控制循环锅炉。主要制造厂有上海锅炉厂、东方锅炉厂、哈尔滨锅炉厂和北京锅炉厂等。20世纪70年代初，上海锅炉厂自行设计和制造了国内第一台1000T/H双炉膛亚临界压力UP型直流炉。第一代1000T/H直流炉共生产10台，相继在河南平顶山姚孟电厂、华东望亭电厂、江苏谏壁电厂、安徽洛河电厂等安装投运。到80年代中期，上海锅炉厂针对1000T/H锅炉双炉膛容积热负荷高、膨胀不均匀、炉墙振动、受热面磨损、水平烟道结灰以及排烟温度过高等问题，在原设计、制造、运行等积累的经验基础上，借鉴了美国C
14、E燃烧工程公司引进的锅炉专利技术，设计制造了第二代国产改进型1025T/H单炉膛亚临界压力UP型直流炉。东方锅炉厂从80年代初率先开始设计亚临界压力自然循环汽包炉，1985年首台在山东邹县电厂投入运行，目前已成为国产300MW机组配套的主要炉型之一。按美国GE公司引进技术制造的国产控制循环锅炉，第一台由上海锅炉厂制造，于1987年在山东石横电厂投入生产。由于这种机组相当于国际80年代初的先进水平，因此在逐步提高其国产化率的基础上，已成为我国发展300MW发电机组的另一种主要炉型。目前，上海、东方、哈尔滨等制造厂均已具备了制造该型机组的能力，并进一步进行了优化设计，锅炉的热效率可达到90%以上，
15、在国际上也有一定的竞争力。1.3 火电厂汽轮机【11】1.3.1 汽轮机概述萨弗里制成的世界上第一台实用的蒸汽提水机，在1698年取得标名为“矿工之友”的英国专利。萨弗里的提水机依靠真空的吸力汲水，汲水深度不能超过六米。为了从几十米深的矿井汲水，须将提水机装在矿井深处，用较高的蒸汽压力才能将水压到地面上，这在当时无疑是困难而又危险的。 纽科门及其助手卡利在1705年发明了大气式蒸汽机，用以驱动独立的提水泵，被称为纽科门大气式蒸汽机。纽科门大气式蒸汽机的热效率很低，这主要是由于蒸汽进入汽缸时，在刚被水冷却过的汽缸壁上冷凝而损失掉大量热量，只在煤价低廉的产煤区才得到推广。 1764年，英国的仪器修
16、理工瓦特为格拉斯哥大学修理纽科门蒸汽机模型时，注意到了这一缺点，于1765年发明了设有与汽缸壁分开的凝汽器的蒸汽机，并于1769年取得了英国的专利。1782年前后，瓦特将机器进一步改进，完成了两项重要发明：在活塞工作行程的中途，关闭进汽阀，使蒸汽膨胀作功以提高热效率。使蒸汽在活塞两面都作功(双作用式)，以提高输出功率。这时的活塞既要向下拉动杠杆又要向上推动杠杆，扇形平衡杠杆和拉链已不再适用，瓦特又发明了平行四边形机构。瓦特还于18世纪末将曲柄连杆机构用在蒸汽机上。 瓦特的创造性工作使蒸汽机迅速地发展，他使原来只能提水的机械，成为了可以普遍应用的蒸汽机，并使蒸汽机的热效率成倍提高，煤耗大大下降。
17、因此瓦特是蒸汽机最主要的发明人。 19世纪末，随着电力应用的兴起，蒸汽机曾一度作为电站中的主要动力机械。1900年，美国纽约曾有单机功率达五兆瓦的蒸汽机电站。蒸汽机的发展在20世纪初达到了顶峰。它具有恒扭矩、可变速、可逆转、运行可靠、制造和维修方便等优点，因此曾被广泛用于电站、工厂、机车和船舶等各个领域中，特别在军舰上成了当时唯一的原动机。 蒸汽机按蒸汽在活塞一侧或两侧工作，可分为单作用和双作用式；按汽缸布置方式，可分为立和卧式；按蒸汽是在一个汽缸中膨胀或依次连续在多个汽缸中膨胀，可分为单胀式和多胀式；按蒸汽在汽缸中的流向，可分为回流式和单流式；按排汽方式和排汽压力可分为凝汽式、大气式和背压式
18、。1.3.2 汽轮机本体汽轮机本体（Steam Turbine Proper）是完成蒸汽热能转换为机械能的汽轮机组的基本部分，即汽轮机本身。它与回热加热系统、调节保安系统、油系统、凝汽系统以及其他辅助设备共同组成汽轮机组。汽轮机本体由固定部分（静子）和转动部分（转子）组成。固定部分包括汽缸、隔板、喷嘴、汽封、紧固件和轴承等。转动部分包括主轴、叶轮或轮鼓、叶片和联轴器等。固定部分的喷嘴、隔板与转动部分的叶轮、叶片组成蒸汽热能转换为机械能的通流部分。汽缸是约束高压蒸汽不得外泄的外壳。汽轮机本体还设有汽封系统。 1.3.3 汽轮机的工作原理蒸汽在汽轮中先把热能转变为动能，然后再转变为机械能。由于动能
19、转变为机械能的方式不同，便有不同工作原理的汽轮机。由力学可知，当一运动物体碰到另一静止的或运动速度较低的物体时，就会受到阻碍而改变其速度，同时给阻碍它的物体一个作用力，这个作用力称为冲动力。根据冲量定律，冲动力的大小取决于运动物体的质量和速度变化，质量越大，冲动力越大；速度变化越大，冲动力也越大。若阻碍运动的物体在此力作用下产生了速度变化，则运动物体就做了机械功。汽轮机中，蒸汽在喷嘴中发生膨胀，压力降低，速度增加，热能转变为动能。高速汽流流经动叶片3时，由于汽流方向改变，产生了对叶片的冲动力，推动叶轮2旋转作功，将蒸汽的动能变成轴旋转的机械能。这种利用冲动力作功的原理，称为冲动作用原理。图1-
20、1 单级冲动式汽轮机工作原理图图1-1所示为单级冲动式汽轮机工作原理图。蒸汽在喷嘴中发生膨胀，压力由P0降至P1，流速从C0增至C1，将蒸汽的热能转变为动能。蒸汽进入动叶栅后，改变流动方向，产生了冲动作用力使叶轮旋转作功，将蒸汽动能转变为转子的机械能。蒸汽离开动叶栅的速度降至C2。由于蒸汽在动叶栅中不膨胀，所以动叶栅前后压力相等，即P1= P2 。单级冲动式汽轮机工作原理图如图1-2所示。 在单级汽轮机中，当喷嘴中比焓降较大时，喷嘴出口的蒸汽速度很高，从而使蒸汽离开动叶栅的速度C2也很大，这将产生很大的损失，降低了汽轮机的经济性。为了减小这部分损失，可如图1-2那样，在第一列动叶栅后安装一列导
21、向叶栅7，使蒸汽在导向叶栅内改变流动方向后再进入装在同一叶轮上的第二列动叶栅6中继续作功。这样，从第一列动叶栅流出的汽流所具有的动能又在第二列动叶栅中加以利用，使动能损失减小。如果流出第二列动叶的汽流还具有较大的动能，还可以再装第二列导向叶栅和第三列动叶栅。这种将蒸汽在喷嘴中膨胀产生的动能分几次在动叶栅中利用的级，称为速度级。通常把蒸汽动能在两列动叶栅中加以利用的级称为二列速度级，在三列动叶栅中加以利用的级称为三列速度级。速度级（两列）汽轮机工作原理如图1-2所示。图1-2 速度级（两列）汽轮机工作原理图1-2还表示出蒸汽在速度级中压力和速度的变化规律。蒸汽在动叶栅中和导向叶栅中都不发生膨胀，
22、因而第二列动叶栅后的压力等于喷嘴后的压力。 由若干个冲动级依次叠置而成的多级汽轮机，称为多级冲动式汽轮机。随着汽轮机向高参数、大功率和高效率方向发展，单级汽轮机便不能适应需要，从而产生了多级汽轮机。具有三个冲动级的多级冲动式汽轮机，整个汽轮机的比焓降分别由三个冲动级加以利用。蒸汽进入汽缸后，在第一级喷嘴2中发生膨胀，压力由P0降至P1，汽流速度由C0增至C1，然后进入第一级动叶栅3中作功，作功后流出动叶栅的汽流速度降至C2，由于蒸汽在动叶栅中不发生膨胀，动叶栅后的压力（即第一级后压力）即等于喷嘴后的压力P1，从第一级流出的蒸汽，再依次进入其后的两级并重复上述作功过程，最后从排汽管中排出。由于流
23、经各级后的蒸汽压力逐渐降低，比容逐渐增大，因而蒸汽的体积流量也逐渐增大。为了使蒸汽顺利流过，汽轮机的通流面积逐渐增加，所以喷嘴和动叶的高度以及级的直径都逐渐增大。多级汽轮机的功率是各级功率之和，因此多级汽轮机的功率可以按需要做得很大。1.4 火电厂燃煤机组热力工作过程本节以配SO400140型直流锅炉的机组为例，介绍火力发电厂的热力工作过程。这套机组是我国自行设计、制造和安装的大型火电机组，采用了超高压中间再热式直流锅炉与双水内冷汽轮发电机相配合的单元制系统(也称单元机组)，功率为三十万千瓦。简称300机组。 300机组每小时能发出30万度电。度就是功率(千瓦)与时间(小时)的乘积。千瓦就是1
24、000瓦，瓦是电压(伏特)与电流(安培)的乘积，它是指单位时间内所作的功，叫做功率。 图1-3 燃料化学能转化为电能的过程火力发电厂是把燃料的化学能转变为电能的工厂，它的能量转换过程如图1-3所示。燃料送入锅炉中燃烧，把化学能转化为热能，并为锅炉中水所吸收，成为蒸汽的热能。蒸汽送入汽轮机，冲动汽轮机转子，把热能转化为机械能。汽轮机带动发电机，把机械能转化为电能。这就是火电机组的能量转换过程。但是要实现这个转换，除了锅炉、汽轮机和发电机三大主机外，还需要一系列辅助机械及设备，组成电厂的热力循环系统。图1-4是300MW机组的热力系统示意图。它的工作过程是这样的，燃料(油或煤)在锅炉炉膛中燃烧，生
25、成很高温度的烟气，烟气带着热量从锅炉的水管外面穿过，把大部分热量传给了管内的水，使之变成蒸汽，继而又过热成为过热蒸汽。锅炉出来的过热蒸汽具有很高的压力和温度，通过主蒸汽管道后，蒸汽的参数降为绝对大气压送进汽轮机中去。在汽轮机内有喷嘴，蒸汽流过喷嘴时压力和温度都下降，流动速度就增加，即具有了很大的冲击力量。高速蒸汽流冲击到汽轮机转子的叶片上，就使汽轮机转动。蒸汽在汽轮机里一级一级地把热能变成机械能，它本身的压力和温度就降低下来，在离开汽轮机时压力比大气压力还要低，温度也只有30左右了，然后排入汽轮机下面的凝汽器中去。图1-4 300MW直流燃煤机组的热力系统示意图由上可见，蒸汽在汽轮机内的工作过
26、程是一个膨胀做功的过程。为了提高发电厂热效率及降低排汽湿度(水分)，采用了中间再热。汽轮机分高、中、低压缸，蒸汽进入高压缸，从第1级做功至第9级，这时蒸汽压力从136绝对大气压降到265绝对大气压，蒸汽温度己从550降至335。把第9级抽出来的蒸汽送回到锅炉的再热器里再加热，再度提高到555通过再热蒸汽管道后，蒸汽参数为550、24.3绝对大气压送入汽轮机高压缸，从第10级做功至低压缸最末一级。最末一级出来的蒸汽即为真空度500毫米汞柱、30左右的排汽，并排入凝汽器。在凝汽器内，蒸汽遇到其中密布的铜管。被铜管里的冷却循环水吸收掉大部分热量，蒸汽就凝结成水。冷却用的循环水是用循环水泵从机力通风塔
27、的底部水池抽出，送进凝汽器的铜管内。它吸收排汽中的热量后，再回到机力通风塔内冷却到需要的温度。机力通风冷却塔的工作原理是依赖水和空气的强行接触而引起热量的转换。循环水由塔两侧6.05米标高处分两路进入塔内，经过喷头在四层溅水碟上溅成水花，再经纸蜂窝淋水装置冷却后流入下部的水池。在塔上方的风筒内装有风扇，作强行通风冷却，因而在夏季空气温度高时，循环水基本上是出于水的蒸发而得到冷却，冬季则由冷空气与循环水的对流接触而冷却。这种冷却设备工作较稳定，占地面积小。从凝汽器中凝结的水，用凝结水泵抽出来，经过除盐装置、低压加热器(由汽轮机的抽汽来加热)和除氧器，使凝结水得到除盐、加热和除氧。由除氧器出来的水
28、，用给水泵抽出，送到高压加热器(由汽轮机的抽汽来加热)进一步提高水温到240，然后进往锅炉。将整个工作过程归纳起来，水和蒸汽在锅炉中吸收燃料放出的热能，在汽轮机中将热能变成机械能，蒸汽在汽轮机中膨胀功之后在凝汽器中凝结成水，在加热器中加热后再送回到锅炉，形成一个循环的汽水系统，这就是300MW机组的热力循环系统。第二章 单元机组协调控制系统简介【3】2.1 协调控制系统2.1.1 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；主蒸汽压力反映了机组内部锅炉和汽轮机发电机之间能量供求的平衡关系。协调控制系统就是为了完成这两种平衡关系而设置的。使
29、机组对外保证主要运行参数（主蒸汽压力）稳定的系统称为协调控制系统。协调控制系统（Cordinated Control systemCCS）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。协调控制系统的任务是协调地控制锅炉燃料量、送风量、给水量等，以及汽轮机调节阀门开度，使机组既能适应电网负荷指令的要求，又能保持单元机组在额定参数下安全、经济的运行。2.1.2 协调控制系统的研究与应用的现状随着电力工业的发展，电网中大容量的单元机组的数量增加，国内外对整个单元机组的自动控制系统的研究也达到了一个新的阶段。以下从几个方面来探讨目前协调控制系统的研究和应用的现状。一、直接能量平衡的广泛应用火
30、力发电厂通过锅炉的燃烧把储存在煤或油中的化学能转换成蒸汽的热力势能，汽轮机将蒸汽的热力势能转变为旋转机械能，汽轮机带动发电机，将机械能转换成电能，最后将电能通过电网输送给用户。整个电能的生产过程是一系列的能量转换与平衡的过程，电网中所有机组的发电量要与电网上的负荷随时保持平衡，由于电站无法储存它所发出的电能，因此单元机组也应该满足输出能量与输入能量以及中间蓄能的动态平衡关系。通常情况下，汽轮发电机通过汽轮机调节系统，控制进入汽轮机的蒸汽量以达到蒸汽量与输出的电能相平衡。当平衡量影响到主汽压力的参数后，锅炉调压系统为了维持压力参数的稳定，通过调整燃烧率指令改变输入的燃料量以维持输入的热量与汽轮机
31、消耗的蒸汽能量相平衡。这种通过单独控制方式实现能量平衡的方式，可称为间接能量平衡(IEBIndirect Energy Balance)。显然该平衡过程的动态响应较慢，而且与锅炉惯性和制粉系统的迟延有很大的关系，是一种被动适应的平衡方式。与间接能量平衡的方法不同，直接能量平衡(DEBDirect Energy Balance)的方法是基于物理意义上的一种协调控制方法，它巧妙的解决了锅炉主汽压的稳定性和负荷适应性之间的矛盾。二、指令信号间接平衡的日趋应用与间接能量平衡不同，指令信号间接平衡的系统并非等到负荷的调整影响到主汽压力的参数后才进行锅炉燃烧率的调整，而是用功率信号间接平衡机、炉之间的能量
32、关系。当电网要求机组出力增加，先增大功率设定值No，它与发电机实际功率Ne的偏差信号N，一方面经汽机主控系统，增大汽机调门开度，使汽轮机出力增加，另一方面通过前馈，作用到锅炉主控系统，使燃料量增加，以增大锅炉出力。由于锅炉的热惯性与迟延，其出力增加的速度要比汽轮发电机慢的多，因此主汽压力Pt下降，与其设定值Po之间出现偏差P，一方面通过锅炉主控系统进一步加大燃料量，促使主汽压力回升，另一方面又经汽机主控系统关小调汽门，限制主汽压力下降。当锅炉本身出现扰动，如燃烧率自发增加时，主汽压力Pt将会上升，一方面通过锅炉主控系统减小燃料量；另一方面又经前馈到汽机主控系统开大调门，以减小主汽压力的波动。在
33、这个过程中机组出力会暂时增加，但最终会稳定到设定值。由于这种控制方式具有机、炉兼顾，互相协调的特点，在大型单元机组中得到普遍应用。2.2 单元机组协调控制系统的概述2.2.1 协调控制的基本概念从大系统理论出发，协调控制是一种解决大系统控制问题的基本策略。而大系统是指由若干相互关联的子系统组成的复杂系统。应用大系统理论解决控制问题的基本方法就是分解-协调的方法。所谓分解是把大系统化为若干子系统，以便进行分块处理与控制，求得各子系统的局部最优解；而协调则是从系统的全局出发，合理地调整各子系统之间的和谐与统一，进而得到整个大系统的最优解。大系统中包含的各子系统之间相互关联的结构有多种多样的形式。其
34、中最为普遍的形式是递阶结构。在这种递阶的结构中，各子系统处于不同级别的层次中，并具有不同的功能。电力、冶金、化工等复杂的工业生产过程都属于这种递阶结构系统。很多社会系统、经济系统、管理系统，也是这种递阶控制系统结构，也称之为多级控制系统。一种典型的递阶控制系统结构框图如图2-1所示。图中给出一个三级递阶系统。处于不同级别上的子系统分别为局部控制级、协调控制级和上位协调控制器职能，处于上位协调的协调控制器职能，就如同总公司的董事长，在其下协调级的控制器就相当于各子公司的总裁，处于局部控制级的控制器则相当于各部门的经理。图2-1 递阶控制系统结构框图常规的自动控制系统是汽轮机和锅炉分别控制。汽轮机
35、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分为主蒸汽压力调节系统、送风氧量调节系统、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。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
36、指令，以达到快速响应负荷的目的，尽最大可能发挥机组的调频、调峰能力，稳定运行参数。单元机组协调控制系统是在常规机炉局部控制系统基础上发展起来的新型控制系统。单元机组在处理负荷要求并同时维持机组主要运行参数的稳定这两个问题时，是将机炉作为一个整体来看待的。然而汽机、锅炉又是相对独立的，它们通过各自的调节手段，如汽轮机调节阀开度、锅炉燃烧率，满足电网负荷的要求及主参数的稳定，但它们的能力不尽相同，主要表现在锅炉调节的相对滞后，如果在设计控制系统时能充分考虑它们的差异，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负荷的要求变化，接收外部负荷的指令，根据主要参数的偏差，协调地进行控
37、制，这样的控制系统称为协调控制系统。 协调控制系统是由负荷指令处理回路、机炉主控制回路、主压力设定回路三部分组成。负荷指令处理回路接收中调指令、操作员指令和频率偏差指令，通过选择和计算，再根据机组主辅机运行情况，发出机组实际负荷指令，送给机炉主控制回路，改变调节阀的开度和锅炉燃烧率。机前压力设定回路，由运行人员选择定压/滑压运行方式，经幅值和变化率处理后形成合适的机前压力设定点，保证机组处于稳定、经济的运行工况。2.2.2 单元机组协调控制系统的基本概念单元机组协调控制系统是在常规机炉局部控制系统基础上发展起来的新型控制系统。常规的机炉控制系统由一系列相对独立的局部控制回路组成，结构比较简单，
38、功能比较单一，适应机组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发电机作为一个整体进行控制，采用了递阶控制系统结构，把自动调节、逻辑控制、连锁保护等功能有机地结合在一起，构成一种具有多种控制功能，满足不同运行方式和不同工况下控制要求的综合控制系统。单元机组协调控制系统的设计充分利用了机炉对象特性方面的特点，采用了前馈、补偿、多变量解耦等控制策略，使控制系统具有合理、可靠、易于维护调整等优点。建立在现代控制理论和方法基础上的单元机组协调控制系统也处于研究和发展之中。单元机组协调控制系统的结构如图2-2所示。 图2-2 单元机组协调控制系统框图图2-2中只给出了单元机组锅炉
39、和汽轮发电机组最重要的控制系统部分。还有一系列相对独立的控制系统，比如汽温控制系统、汽包锅炉的给水控制系统以及许多辅机控制系统。单元机组协调控制系统可认为是一种二阶递阶控制系统。处于上位级的机炉协调级，也叫作单元机组主控系统，设整个系统的核心部分。处于局部控制级的子系统包括锅炉燃料控制系统、风量控制系统，汽轮机功率频率调节系统，以及直流锅炉的给水控制系统。单元机组主控系统产生指挥机炉控制器动作的锅炉指令和汽机指令。局部控制级的控制器执行主控系统发出的指令，完成指定的控制任务。2.2.3 单元机组协调控制系统的基本要求1机组并网运行时，应使机组满足电网对机组负荷的要求，并具有较高的负荷适应能力。
40、在调节过程中，各调节机构的动作不应过分频繁，不致出现过分超调。2保证机组运行安全。当主机或主要辅机设备故障时，应自动采取相应的措施，把故障限制在最小的范围内，保证设备安全的前提下，不致使机组全停。负荷变更时，变更幅度和速度必须限制在安全允许的范围内。3对于允许滑压运行的单元机组，其协调控制系统应能满足定压和滑压不同运行方式的需要。4具有机炉间协调与能量平衡，实时监视主机、辅机的运行能力。5系统要方便于运行人员的干预，保证任何一台执行器手动、自动切换的自平衡、无扰动。2.2.4 单元机组协调控制系统的功能与任务为了保证实现对机组负荷的有效控制，对大型单元机组协调控制系统的功能一般有以下几个方面的
41、要求：（1）建立电网调度中心与机组锅炉控制和汽机控制系统之间的通信联系，实施机组负荷控制，参与电网调频。（2）在异常情况下，对单元机组及其锅炉和汽机负荷需求指令进行限制。（3）改善机组对外界负荷扰动的向应能力，及其克服各种扰动影响，提高机组对负荷变化的适应能力。（4）使机组具有较高的运行效率。（5）减小锅炉和汽机的热应力。（6）减轻运行人员的劳动强度，确保机组的安全运行。为了达到上述几方面的功能要求，大型单元机组协调控制系统必须完成下列主要任务：（1）协调控制系统能协调机、炉的控制，在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，
42、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越过保护、连锁等逻辑控制回路，确保机组安全地继续远行，或使生产设备处于安全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
43、负荷时，锅炉有必要维持最低的燃烧率继续稳定运行，使机组带厂用电远行或停机不停炉，以便故障消除后能快速带上负荷。（6）当机组运行参数，如燃料量、空气量、给水量等，其实际值与给定位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值时，CCS的负荷指令处理回路能产生负荷增减闭锁信号，根据偏差的方向，对机组实际负荷指令的增加或减小加以闭锁，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，偏差回到限位内才解除闭锁。 （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，还应进步采取机组负荷迫升迫降措施。 （8）协调控制系统对机组的一些重要过程变量的信号进
44、行在线监控，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)。或将控制系统切为手动方式，同的发出报警信号。 （9）对于重要参数的测量采用三变送器或双变选器。（10）重要凹路的执行机构监控具有阀位指今与实际阀位的偏差监控、方向闭锁、超池开关、后备直接手操、失电、断气或断信号保护等功能。 （11）为了使机组能稳定运行，协调控制系统X、f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。 （12）有比较完备的防运行人员的误操作连锁保护措施。 （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
45、护、连锁、闭锁、监控、报警等等功能，如主燃料跳间处理、防炉膛内爆控制、风煤交叉连锁、汽轮机防进水保护等。2.2.5 单元机组协调控制系统的特点单元机组协调控制系统是在常规机炉控制系统基础上发展起来的。特别是随着新型自动化仪表系统和设备的应用，使协调控制系统得到不断的改进与完善。其主要特点包括以下几个方面：（1）系统结构先进。采用了递阶控制结构，在局部控制级的基础上引入了机炉协调级，把锅炉，汽轮发电机组作为一个整体进行控制。机炉协调控制器是一个多变量控制器。采用了前馈、反馈、补偿以及变结构控制等技术，充分利用了机炉动态特性的特点，并充分地利用了机炉动态特性方面的特点，克服系统内部耦合和非线性特性
46、。获得优良的控制品质。同时，又保留了控制器结构简单，易于工程实现和参数整定，便于操作、维护等优点。并能直接接收电网自动调度系统指令，为实现电网级自动调度和协调控制奠定了基础。（2）系统功能完善。除了正常工况下的连续调节之外，系统还设计了一整套逻辑控制系统。包括实际功率给定逻辑，局部故障处理，运行方式切换逻辑，以及显示报警等，系统可根据实际需要和设备状况，选择不同的运行方式，比如机跟炉，炉跟机，机炉协调方式；定压运行或滑压运行方式；固定功率输出或可调功率方式。（3）系统可靠性高。通过设置安全保护系统和采取一系列可靠性措施，可获得很高的系统可靠性。比如，在主机或辅机设备故障时，可自动改变控制方式，
47、对实际功率指令的幅值和变化速率进行改变，并通过相应的连锁保护，报警显示等信息，保证机组在安全范围内运行，并维持最佳工况。2.2.6 单元机组协调控制系统的组成单元机组协调控制系统的结构如图2-2所示。图中只给出了单元机组锅炉和汽轮发电机组最主要的控制系统部分。单元机组协调控制系统可认为是一种二级递阶控制系统。处于上位级的机炉协调级，也叫做单元机组主控系统，是整个系统的核心部分。处于局部控制级的子系统包括锅炉燃料控制系统、风量控制系统、汽轮机功率、频率调节系统以及直流锅炉的给水控制系统。单元机组主控系统产生指挥机炉控制器动作的锅炉指令和汽机指令。局部控制级的控制器执行主控系统发出的指令，完成指定的控制任务。 单元机组协调控制主控系统可分为两大部分，如图2-3所示。图2-3 单元机组协调控制主控系统其中，负荷指令管理中心的结构图如图2-4所示。在常规机炉协调控制系统基础上发展起来的单元机组协调控制系统简化框图如图2-5所示。图2-4 负荷指令管理中心的结构图图2-5 单元机组协调控制系统简化框图在图2-3中协调控制系统是由负荷指令处理回路和机炉主控制回路两部分组成。负荷指令处理回路接受中央调度所指令、值班员指令，通过选择和运算，再根据机组的主辅机实际的运行情况，发出负荷指令。机炉主控制回路除接受负荷指令信号外，还接受主蒸汽压力