协调控制系统直接能量平衡方法研究

协调控制系统直接能量平衡方法研究

摘要：随着近些年来火电厂领域科技的不断成熟与创新，单元机组容量一步步由之前300MW为主逐渐发展到600MW机组的广泛采用。同时，DCS系统在火电厂的成功应用也大大提高了火电厂控制领域的自动化水平。本文主要针对汽包炉式单元机组协调控制系统进行简要分析。通过针对主要汽包炉火电厂单元机组控制动态特性分析，充分考虑当前火电厂当前主要的运行模式，引入直接能量平衡算法概念，建立在直接能量平衡能量信号计算方式下机组协调控制的数学模型，阐述这种控制方式下的具体方法策略的同时分析其控制性能与其改进的方向。

关键词：火电厂；协调控制；直接能量平衡；

引言

负荷协调控制系统（Coordinated Control System）作为满足电厂负荷变化要求的先进控制系统，是上个世纪末我国才引进的火电站控制技术，它的主要功能是把电厂主要设备锅炉部分与汽机部分整合为统一的被控对象。以实现对机组负荷、锅炉主汽压力的整体控制，达到锅炉风、水、煤的协调动作。协调处理电网负荷需求与机组实际出力、锅炉燃料输入与汽轮发电机输出功率以及机组各子控制回路间的平衡。在保证机组具备快速负荷响应能力的同时，维持机组主要运行参数的稳定。其主要调节回路包括：负荷指令处理回路、主汽压力设定回路、锅炉主控器回路、汽机主控制器回路。淮北第二电厂2×300MW单元机组，采用WDPF分散控制系统作为控制设备，自动化水平高，在机组负荷控制方面功能也相对全面。在下文各节中，将通过对该机组主要闭环控制系统的设计思想对其采用协调控制系统进行分析。

1、DEB直接能量平衡原理

直接能量平衡（Direct Energy Balance 即DEB）协调控制系统是由美国原Leeds&Northrup公司创立的专有技术。其主要设计思想是选用汽轮机调节级压力（P1）与汽轮机机前压力（Pt）之比乘以机前压力的设定值（Ps）用作汽轮机对锅炉的能量需求信号，即直接能量平衡信号（）。该信号以动态前馈及控制指令的形式控制锅炉的燃料量。直接能量平衡下得主要基础还是在于代表了汽机调门的开度，在一定的参数下，汽机调门开度的变化反应了汽机进气量的变化，同时也反应了汽轮机对锅炉能量需求的变化。而采用信号来检查测量汽机调门的开度，其相应速度快，可克服直接测量阀位存在的死区和非线性影响。机前压力定值的变化，会反应锅炉被控参数对锅炉输入量需求的变化。因此可以反映负荷对锅炉燃烧的需求，也能满足主汽压力对燃烧的需求量。而当燃料量变化时，由于调节级压力和机前压力对燃料的相应速度基本一致所以使基本不变，这样就仅仅反应了负荷对锅炉燃烧热量的基本需求，而不反应燃料量的变化。因此可以作为燃料需求指令的基本条件。同时在汽机调门不变的条件下，维持一定，改变压力设定值即改变的锅炉的燃料指令，从而达到控制负荷的目的。

2、协调控制系统的具体应用

2.1运行方式

单元机组负荷协调控制系统一般有下列几种运行方式：

（1）手动方式：

汽机指令和锅炉指令都是手动发出，此时，运行人员兼顾汽压和负荷，手动调节汽机指令（调门开度指令）及锅炉指令，使压力基本稳定，并使机组负荷按照电网需要变化。

（2）机跟炉方式（汽机跟随锅炉）：

锅炉侧根据电网需求来调节锅炉指令（增/减燃烧率），而汽机则根据主汽压力的变化，自动调节汽机调门开度。可以看出，这种方式下，当外界需要机组增加负荷时，锅炉开始加强燃烧，压力渐渐升高，汽机则根据压力升高情况，自动地调整汽机指令，渐渐开大调门开度，负荷随之增加，由于锅炉响应较慢，所以使负荷增加得较慢，但是由于汽机调门变化对压力的影响较快，所以压力显得十分稳定。该方式的特点是：压力稳定，但负荷响应慢。

（3）炉跟机方式（锅炉跟随汽机）：

汽机侧根据电网负荷需求来调节汽机调门开度，而锅炉则根据主汽压力的变化自动地调整燃烧。当外界负荷需求增加时，汽机可以很快地升高机组的负荷，但压力将下降，由于锅炉惯性较大，它虽然根据压力变化进行调节，但压力难以很快补上来，可能导致压力下跌较多。该方式的特点是：负荷响应快，但压力不稳定。

（4）协调控制方式（即CCS模式）：

协调方式则是综合机跟炉和炉跟机方式的优点，尽可能地克服它们的缺点。协调方式下，机、炉主控都将处于自动方式，即机指令和炉指令都是自动调整的。协调控制方案较多：例如同时将外界负荷变化指令送达机侧和炉侧；采用直接能量平衡信号（DEB）；进行压力限制；采用各种前馈、微分环节，用以改善系统特性。

2.2协调控制系统的构成及功能

协调控制系统主要由三部分构成：负荷指令的形成；压力定值的形成；机、炉主控制指令的形成。此外，还有一个功能全面的逻辑控制系统，用来实现方式切换和跟踪等功能。

2.2.1负荷指令的形成

正常情况下负荷指令的形成（CCS方式下）指令的来源由运行人员手动给定或者来自自动调度系统。当投入自动发电控制后，机组将由电网调度发出的负荷指令直接控制。机组主控站投自动意味着自动调度系统的投入。但是当汽机主控站在手动或锅炉主控站在手动，机组主控站不能投自动。另外也要考虑调度系统故障或不可用的（例如来自调度系统的遥调信号质量坏、遥调信号不在正常范围等）以及出现RD、RU、RB、机组负荷指令LDC OUT超过高限等情况。如图1：

上述构成的负荷指令还不能直接用于CCS的负荷指令，它还要受到下列限制：负荷变化速率限制（速率可以由运行人员设定）；负荷指令受到最大负荷、最小负荷的限制；当不在CCS方式时，机组负荷指令跟踪实发功率信号。当出现异常情况时，例如当出现RD/RU/RB时，负荷指令按照事先规定好的RD/RU/RB速率改变。