第1章协调控制系.docx

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第1章协调控制系

第1章单元机组负荷自动控制系统

§1-1协调控制系统的基本任务

一、基本任务

协调锅炉和汽机的操作和运行，在保证机组安全稳定运行前提下，使机组对负荷变化具有较快的响应速度。

1．负荷控制对象

被控量：

机组功率、主汽压力

控制量：

燃烧率、主汽调门

2．对象特点

锅炉惯性大（慢），汽机惯性小（快）

以炉跟机为例说明：

燃烧系统：

是协调系统的一个下级系统，在燃烧系统中，当L变化时，B、V、VS能共同协调地变化，也就是L能改变锅炉的燃烧率μB。

协调控制系统投入的基础：

是各子系统必须投入自动。

§1-2单元机组被控对象数学模型

一、被控对象

被控对象包括锅炉和汽轮机本身的系统：

两个输入量：

μB：

锅炉的燃烧率。

μT：

汽机调节阀的开度变化。

两个输出量：

NE：

单元机组的输出电功率；

PT：

机前蒸汽压力。

WPB（s）、WNB（s）——当汽机调门开度不变时，燃烧率μB变化引起机前压力PT和输出功率NE改变的传递函数。

WPT（s）、WNT（s）——当锅炉燃烧率不变时，汽机调门开度μT变化引起机前压力PT和输出功率NE改变的传递函数。

多变量过程传递函数矩阵：

二、动态特性

各传递函数的阶跃响应曲线如下：

对象特点：

锅炉快，汽机慢。

§1-3协调控制系统的组成及功能

一、组成

1.负荷指令处理回路

●主要任务：

是根据机炉的运行状态，将外部的负荷要求处理为机组可以接受的功率给定值N0。

●外部负荷指令通常有：

（1）电网中心调度所的负荷分配指令；ADS——中调指令；

（2）机组运行人员的负荷指令；

（3）电网频率自动调整的指令。

●负荷处理回路组成

机组功率运算回路：

将外部负荷指令处理成机组可能接受的功率指令；

负荷运算回路：

根据机组状况对机组允许承担的负荷进行估计；

2.机组主控回路

●任务：

根据负荷处理后的指令N0，协调地向机炉各子系统发出指令μB和μT，使机组的实发功率迅速跟踪N0的变化；并保证机组的稳定性。

（必须使主蒸汽压力在规定的范围内变化）

●控制策略：

要根据对象特点，设计合理的控制策略。

二、功能

协调控制系统应具有以下八个方面的功能：

1.负荷指令选择

●正常情况：

ADS指令、频差指令、人工手动设定指令都可接受；

●非正常情况：

只允许接受人工手动设定指令。

2.负荷指令变化率限制

●将阶跃信号变为斜坡信号；

●负荷变化率：

额定负荷的3%-5%/min。

3.最大和最小负荷限制

●根据辅机运行台数和负荷偏差计算出机组最大允许的负荷指令；

●对负荷指令限幅、限速，得到实际负荷指令。

4.快速减负荷（RUNBACK）功能

●当给水泵、送引风机等辅机发生故障时，能自动地以预定速率减小机组负荷，并正常运行（甩负荷保护）；

●不同辅机故障的RUNBACK按不同的最大允许负荷和变化率进行；

●当发生RUNBACK时，控制系统自动转入汽机跟随方式，直到运行人员重新设定。

5.运行方式选择

●机炉协调方式：

机组无故障时；

●汽机跟随方式：

锅炉故障时，锅炉控制功率，汽机控制压力；

●锅炉跟随方式：

汽机故障时，汽机控制功率，锅炉控制压力；

●机炉手动方式：

锅炉、汽机都故障时。

●方式切换：

自动、无扰动切换（发生故障或故障解除，系统能自动、平稳地切换到自动化程度最高的运行方式）。

6.闭锁、迫升、迫降、保持功能

●当主要辅机工作在极限状态，或主要流量与设定值的偏差超出允许范围时，应对机组负荷及相关指令进行增/减闭锁；

测量值小于设定值（跟不上增）：

机组负荷指令闭锁增；

测量值大于设定值（跟不上减）：

机组负荷指令闭锁减；

●当故障不明时，采用保持功能。

7.整个控制系统应具有足够的稳定性裕量和较好的整体性；

8.当机组因事故与电网解列时，应有必要的安全措施（如启动旁路控制系统等）

§1-4机炉主控制器的设计

●任务：

根据功率指令N0，如何协调地改变燃烧率指令μB和汽机调门开度μT，使机组的实发功率NE快速地跟踪功率指令N0，同时保证机前压力PT在有限的范围内变化（保证机组的稳定性）。

1.4.1炉跟机控制方式

●汽机控制功率，锅炉控制压力

KB（s）：

锅炉主控制器的传递函数；

KT（s）：

汽机主控制器的传递函数；

●动作过程：

N0↗—△N↗—汽机侧调节器KT（s）首先动作—μT↗：

①μT↗（初始由于燃烧率未变，主要靠锅炉释放蓄热）—NE↗；

②μT↗—PT↘—KB（s）动作—μB↗—NE↗。

调节结束后：

NE=N0，PT=P0。

●系统的特点：

当N0↗时，由于利用了锅炉的蓄热，机组的输出功率上升较快，但由于锅炉释放了蓄热，因此，机前压力PT迅速下降，动态偏差较大。

1.4.2机跟炉控制方式

●锅炉控制功率，汽机控制压力

●动作过程：

N0↗——△N↗——锅炉侧调节器KB（s）首先动作——μB↗：

①μB↗——PT缓慢↗——△P<0——μT↗——PT快速↘、NE↗；

②μB↗——NE↗（由于锅炉惯性大，上升较慢）。

调节结束时，同样能保证：

NE=N0，PT=P0。

●特点：

当N0变化时，首先改变锅炉的燃烧率，由于锅炉的惯性大，因此，NE变化慢，机组适应负荷变化的能力较差；而另一方面，这种运行方式使机前压力PT的波动较小。

1.4.3以锅炉跟随为基础的协调控制系统

●炉跟机的特点：

⑴输出功率NE响应速度较快——优点保持；⑵汽压变化大——需要改进。

●改进设想：

由于汽压变化大，系统应该能够防止|PT-P0|在动态过程中出现太大的动态偏差。

设想：

ⅰ.△P变化过大，是由于μT变化过大引起的，因此，当△P超过一定值时，必须要限制μT的进一步变化；ⅱ.在μT变化的同时，没有及时变化μB，必须要使μB及时变化。

●改进措施：

ⅰ.采用非线性元件限制PT的动态偏差；

PT-P0>△——通过非线性元件，限制了汽机进汽阀进一步开大——从而限制了进一步扩大；

反之，PT-P0<-△——通过非线性元件，限制了汽机进汽阀进一步关小——从而限制了PT-P0进一步减小。

ⅱ.以N0作为前馈信号，及时改变μB。

显然，当N0↗时，在快速μT↗的同时，μB也快速上升。

——△P较小，NE的跟踪速度更快。

1.4.4以汽机跟随为基础的协调控制系统

●机跟炉特点：

在功率指令N0变化时，实发功率NE的响应慢，而汽压变化小。

●NE响应慢的原因：

是锅炉具有较大的惯性和迟延；即当μB变化时，NE、PT的变化有较大的惯性。

●改进设想：

（i）.当N0变化时，使μB的变化更快，以补偿锅炉的惯性。

●措施：

以N0的比例微分作为μB的前馈信号。

（ii）.当N0↗时，如果锅炉能放出一部分蓄热，则能加快实发功率NE的响应速度。

要利用锅炉的蓄热，就应该有意识地让汽压在允许范围内变化。

●措施：

采用非线性元件，有意改变汽压设定值。

当N0-NE>0（加负荷时）时——降低汽压的定值——通过汽机调节阀，μT↗——迅速增加NE（利用锅炉蓄热）；

N0-NE<0（减负荷时）时——提高汽压设定值（贮存部分蓄热）——通过汽机调节器，μT↘——迅速减小NE。

1.4.4基于能量信号的协调控制

一、能量信号作为前馈的协调控制系统

（i）.该系统可看作是以炉跟机为基础的协调控制系统。

（ii）.汽机调节阀开度变化指令μT：

第一项：

是前馈信号，作用：

加快功率响应速度；

第二项：

是调节器输出，动态时校正功率偏差，保证稳态时，NE=N0。

（iii）.锅炉侧燃烧率控制指令μB：

第一项：

主要作用是压力校正，调节结果使得稳态时PT=P0；加入（D）是为了加强锅炉侧的动作速度；

第二项：

P1[1+K2（P0-PT）]代表了汽机对锅炉的能量要求信号，代表了进入汽机的能量信号。

作用也是加快锅炉动作，以补偿锅炉的惯性。

●锅炉的前馈信号选择：

信号x：

①功率指令N0；②汽机向锅炉的能量要求信号。

（1）采用N0作前馈：

当N0变化时，由于汽机侧发生某些故障未动作，照理锅炉侧也不动，但采用了N0前馈，μB改变，从而引起主汽压力变化；

（2）采用汽机能量要求信号：

汽机未动，能量要求信号不变，μB也不变。

●能量要求信号：

①Forboro公司采用P1[1+K2（P0-PT）]；

②L&N（LeedsandNorthrup）公司采用P1P0/PT。

实际上，这两个公式近似相等：

当PT变化较小时，1/PT近似常数K。

P1/PT实际上反映了汽机调节阀开度μT的变化；

二、直接能量平衡（DirectEnergyBalance）协调控制系统

美国LeedsandNorthrup公司，简称DEB系统。

（i）.该系统可看作是炉跟机为基础的协调控制系统。

（ii）.汽机侧是以P1作为导前反馈信号的串级系统：

●P1的反馈：

实际上是蒸汽流量信号的反馈，因此，P1在某种程度上，提前反映了机组实发功率NE的变化，可减小NE的动态偏差。

●外回路：

PI调节器接受功率偏差（N0-NE），目的是动态时校正功率偏差，使在稳态时，能有N0=NE。

●前馈信号：

N0经PD对μT的前馈信号，目的是为了加快汽机的动作速度，最终加快输出功率的响应速度。

（iii）.锅炉侧

●主调节器PID：

接受两个信号：

①汽机能量要求信号的比例微分，②反馈信号为锅炉的热量信号。

●热量信号

（1）物理解释：

锅炉受热面吸收的热量，一部分到流入汽机蒸汽流量D中，另一部分被锅炉储存起来。

（2）蓄热系数的整定

原理：

QD只反映燃料量，当μT阶跃，而B不变时，QD应不变。

从0→t1对上式积分，得：

，

注意到：

在t=0时刻，△Pb（0）=0，而△Pb（t1）=Pb（t1）-Pb（0）。

所以

。

上式分子是t=0～t1之间累计流量，令

。

分母Pb（0）-Pb（t1）是从0到t1时刻的变化量。

●稳态：

PT=P0？

PD

在稳态时输出：

P1P0/PT（微分环节稳态时，输出为0）。

热量信号稳态时：

P1（稳态时，dPb/dt=0）

所以稳态时，有P1P0/PT=P1，即P0/PT=1，PT=P0。

思考题

1.简述协调控制系统的基本任务。

2.当燃烧率指令、汽机调门指令分别作阶跃变化时，主汽压力和实发功率如何变化？

为什么？

3.试画出协调控制系统的基本结构。

4.BF和TF运行方式的优缺点，画出并说明改进方案。

5.简述直接能量平衡DEB协调控制方案。