【文章內(nèi)容簡介】 率的快速響應(yīng)。但是，這是以犧牲主蒸汽壓力為代價的，又因為在鍋爐側(cè)的調(diào)節(jié)作用下，主汽壓力的響應(yīng)有較大慣性。 為了減小主汽壓力的波動，以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)可以采用機(jī)前壓力的定值與機(jī)前壓力的反饋值之 間的偏差信號，通過函數(shù)模塊（死區(qū)特性），作用在汽機(jī)調(diào)節(jié)器的輸出端。當(dāng)汽壓偏差超過非線形模塊的不靈敏區(qū)時，汽機(jī)調(diào)節(jié)器發(fā)出的調(diào)節(jié)閥開度指令將受到限制。 以汽機(jī)跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制方式 當(dāng)機(jī)組負(fù)荷發(fā)生變化時，通過鍋爐調(diào)節(jié)器控制燃料量。機(jī)前壓力改變后，按機(jī)前壓力與給定值的偏差，通過汽機(jī)調(diào)節(jié)器改變汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥開度，從而改變機(jī)組功率。如圖 32 所示。 圖 32 以汽機(jī)跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制方式 汽機(jī)跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)的控制系統(tǒng)，可以在汽機(jī)調(diào)節(jié)器前，加入功率偏差的前饋信號，其原理是利用鍋爐的蓄能，同時允許汽 壓在一定范圍內(nèi)波動。功率偏差信號（ NONE）可以看作是暫時改變的汽機(jī)調(diào)節(jié)器的給定值，當(dāng)（ PO PT） 0 時，汽壓給定值降低，汽壓調(diào)節(jié)器發(fā)出開大調(diào)節(jié)閥的指令，增加輸出功率，反之亦然，當(dāng)函數(shù)模塊 F（ x） =0 時，前饋?zhàn)饔貌淮嬖凇? 綜合型協(xié)調(diào)控制方式 鍋爐和汽機(jī)同時接受負(fù)荷指令，并按一定的策略去協(xié)調(diào)鍋爐和汽機(jī)之間的控制。鍋爐主控制器自動，保證主汽壓，同時接受負(fù)荷指令的前饋信號；汽機(jī)主控制器自動，內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 12 保證機(jī)組功率。負(fù)荷指令作為機(jī)組功率設(shè)定值。對于單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)控制質(zhì)量的評價，主要根據(jù)以下兩方面進(jìn)行： 其一是能否盡快地響應(yīng)電網(wǎng)對機(jī)組的負(fù)荷要求；其二是在內(nèi)、外擾作用下，機(jī)爐控制回路能否協(xié)調(diào)工作和能否使汽壓偏差和功率偏差盡可能減小。如圖 33 所示。 圖 33 綜合型協(xié)調(diào)控制方式 幾種不同的運(yùn)行方式間可以靈活的進(jìn)行切換，鍋爐出力受限制時，切至汽機(jī)跟隨方式；當(dāng)汽機(jī)出力受限制時，切至鍋爐跟隨方式。 任何一種運(yùn)行方式的選擇均要求所需要的子系統(tǒng)已被選擇在自動方式；任何子系統(tǒng)的自動方式的切除，都將導(dǎo)致協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)到與之相適應(yīng)的自動級。 按前饋回路分類 按指令間接平衡的協(xié)調(diào)控制 (DIB) 按指 令間接平衡的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的示意圖如圖 34(a)所示。從圖中可以看出此系統(tǒng)是以鍋爐跟隨的控制方式工作的。鍋爐側(cè)是以 (1＋ d/dt) N0作為前饋信號，以 (P0－ PT)作為反饋信號。鍋爐側(cè)的反饋回路中，由鍋爐控制器前的乘法器引入 N0 信號，其目的是使其放大倍數(shù)與 N0 成正比改變，以補(bǔ)償不同負(fù)荷下對象動態(tài)特性放大倍數(shù)的非線性特性。鍋爐側(cè)前饋信號的引入目的是促使燃燒量隨負(fù)荷變化及早動作補(bǔ)償鍋爐的惰性。 鍋爐燃燒率指令 NB為： s NPPKKPPsNN TIpTB 0000 )()()1( ?????? (31) 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 13 式中 KP— 鍋爐控制器的比例增益 ； KI— 鍋爐控制器的積分增益。 穩(wěn)態(tài)時，主汽壓力 PT等于給定值 P0 ，鍋爐的燃燒率指令等于負(fù)荷指令 N0即 NB＝ N0 可見鍋爐控制中把負(fù)荷指令信號 N0(1＋ d/dt)作為前饋信號，其中微分作用在動態(tài)過程中加強(qiáng)燃燒率指令，以補(bǔ)償機(jī)爐之間對負(fù)荷響應(yīng)速度的差異，式 (31)中汽壓偏差信號和汽壓偏差信號的積分有二個作用，其一，反映了使汽壓恢復(fù)到給定值對鍋爐蓄熱量變化所需要的燃料量，其二，保證穩(wěn)態(tài)時汽壓等于 汽壓的給定值。 圖 34(a)所示系統(tǒng)中汽機(jī)控制器入口信號的平衡關(guān)系如下： N0－ NB － NB(P0－ PT)＝ 0 (32) 可見，汽機(jī)控制回路實際是一個功率控制系統(tǒng)只有在汽壓偏差為零時才有 NB＝N0。在動態(tài)過程中采用兩個方法防止調(diào)速汽門動態(tài)開得過大。第一個方法是引入壓力偏差信號，作為負(fù)荷變化時的限制信號，限制汽機(jī)調(diào)速汽門動作的范圍不能超過雙向限幅器的限定值，即當(dāng)汽壓超過規(guī)定值時 (10公斤／厘米 2)限制汽面調(diào)速汽門進(jìn)一步開大。第二個方法是引入 (P0－ PT)的反饋信號，其目的是根據(jù)汽壓偏差變化的情況確定調(diào)速汽門的開度，限制調(diào)速汽門動態(tài)開得過大。 圖 34(b)為按指令間接平衡的協(xié)調(diào)控制的另一種方案，從圖中可以看出此系統(tǒng)是以汽機(jī)跟隨的控制方式工作的。鍋爐側(cè)是以 N0(1＋ d/dt)作為前饋信號，形成對鍋 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 14 爐側(cè)的前饋控制作用。其中比例作用使得燃燒率與負(fù)荷指令始終保持一致，微分作用用于補(bǔ)償鍋爐的動態(tài)遲延和慣性，加速鍋爐的負(fù)荷響應(yīng)。 鍋爐側(cè)以功率偏差作為反饋信號 ，形成對鍋爐側(cè)的積分 (Ⅰ )反饋控制 (積分增益同 P0 成正比。以適應(yīng)不同負(fù)荷下的對象特性的改變，實現(xiàn)變參數(shù)控制 ) 用來校正燃燒率指令，以保證機(jī)組的功率偏差在穩(wěn)定時為零。鍋爐燃燒率根據(jù)汽壓偏差而修正，例如，當(dāng) PT?P0時應(yīng)使燃燒率適當(dāng)增加以補(bǔ)足由于汽壓偏低而使鍋爐蓄能的減少。鍋爐燃燒率指令為： )(1)()1( 0000 EITB NNsNKPPsNN ?????? (33) 在穩(wěn)態(tài)時鍋爐控制器保證 NE = N0，若汽壓偏差為零，那 NB= N0。 汽機(jī)側(cè)以汽壓偏差作為反饋信號，形成對汽機(jī)側(cè)的 PI 反饋控制。功率偏差是前饋信號，用來修正壓力給定值，當(dāng)功率給定值 N0 改變時，引起壓力給定值的改變，控制器發(fā)出 汽機(jī)調(diào)節(jié)閥門的改變指令。這樣能充分利用鍋爐的蓄熱能力提高機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)特性。 汽機(jī)側(cè)的 PI控制器可保證穩(wěn)態(tài)時其輸入端信號的代數(shù)和近似為零，即有 △ X P I ∑ P0 ∑ D ≯≮ PI N0 NE 鍋爐 汽機(jī) + PT PT _ μ B 圖 34(b) 間接平衡的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng) △ ∑ △ μ T NE _ + _ 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 15 ? K(N0 ? NE) + (P0? PT) ? 0 (34) 或 P0?PT ? K(N0 ? NE) (35) 可得 PT ? P0?K?N 當(dāng) N0增加時 , ?N= N0 ? NE立即增加，相當(dāng)于暫時減小壓力給定值 P0?K?N。這時PI控制器立即增大調(diào)節(jié)閥門的開度，增大實發(fā)功率。另外，使汽壓 PT跟隨定值而變，從而也就利用了機(jī)組蓄熱能力。在一定范圍內(nèi)， K值反映了在一定功率偏差下可利用的蓄熱量的大小。在穩(wěn)態(tài)時汽機(jī)側(cè)控制器保證 PT = P0 。 從圖 34(ｂ )可以看出，負(fù)荷要求指令 N0(功率給定值 )作為前饋信號分別送到機(jī)、爐控制回路 ,使機(jī)爐同時改變負(fù)荷 ,以保證快速響應(yīng)外界負(fù)荷要求。當(dāng)燃料內(nèi)擾使機(jī)前壓力及實發(fā)功率都增加時，由于中間再熱機(jī)組功率滯后較大，機(jī)前壓力響應(yīng)比實發(fā)功率靈敏。因此在汽機(jī)調(diào)節(jié)閥開大克服燃料內(nèi)擾的同時，又產(chǎn)生對汽機(jī)的擾動。所以這種負(fù)荷控制系統(tǒng) 消除鍋爐內(nèi)擾能力較差。當(dāng)汽機(jī)調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生擾動時，機(jī)前壓力與實發(fā)功率變化方向相反，控制回路能較快地消除擾動。 按指令直接平衡的協(xié)調(diào)控制 (DEB) 按指令直接平衡的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)示意圖如圖 35所示。這種系統(tǒng)的一個主要 特點(diǎn)是采用能量平衡信號 P1／ PT取代功率給定信號 NO，作為鍋爐控制回路的前饋信號，其中 P1為汽機(jī)第一級后的汽壓， PT為機(jī)前壓力，兩者的比值 P1／ PT與汽機(jī)調(diào)節(jié)閥開度成正比，無論什么原因引起的調(diào)節(jié)閥開度變化， P1／ PT都對調(diào)節(jié)閥開度的微小變化作出靈敏的反應(yīng)。所以，無論在動態(tài)還是在靜態(tài)， P1／ PT都反映了調(diào)節(jié)閥的開度，即汽機(jī)輸入的能量。 在該系統(tǒng)中，功率偏差 (N0? NE)送入汽機(jī)控制回路，機(jī)前壓力 PT與給定值的偏差作為鍋爐的燃燒率指令，該系統(tǒng)屬于以鍋爐跟隨為基 礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制。 從圖 35可知汽機(jī)控制器輸入信號的平衡關(guān)系： 0)()1( 010 ????? EIP NNsKPKsN (36) 式中 P1— 汽機(jī)第一級后壓力，此信號可以用 P1／ PT 取代； KP— P調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； KI— 積分通道的比例系數(shù)。 該機(jī)側(cè)設(shè)計兩個反饋回路，即由 P1作為反饋信號的內(nèi)回路和以 NE作為反饋信號的外回路。由于 P1（ P1／ PT )信號對汽機(jī)調(diào)節(jié)閥開度的響應(yīng)比實發(fā)功率靈敏得多即響應(yīng)快，故汽機(jī)調(diào)節(jié)閥能迅速而平穩(wěn) 地響應(yīng)負(fù)荷指令的變化。上式中負(fù)荷指令的微分項可使汽內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 16 機(jī)調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生動態(tài)過開，能提高汽機(jī)的負(fù)荷適應(yīng)性。而 N0?NE的積分則用來校正功率偏差，使穩(wěn)態(tài)時功率偏差為零。 鍋爐燃燒率指令的形成如下式： )()1( 011 TITTB PPsKPPsPPN ???? (37) 可見，鍋爐燃燒率指令的前饋信號不是式 (35)那樣的負(fù)荷指令 N0，而是 P1／ PT 的能量平衡信號。式中的微分項作用在動態(tài)過程中加強(qiáng)燃燒率指令，以補(bǔ)償機(jī)爐間對負(fù)荷要求的響應(yīng)速度的差異。由于要求動態(tài)補(bǔ)償?shù)哪芰?不僅與負(fù)荷變化量成正比，而且還與負(fù)荷大小成正比，所以微分項要乘以 P1/PT 值。差壓的積分項保證穩(wěn)態(tài)時，機(jī)前壓力等于給定值。 能量平衡信號與功率給定值信號性質(zhì)不同，后者僅表示電網(wǎng)對機(jī)組的負(fù)荷要求，前者反映了汽機(jī)對鍋爐的能量要求。這就為機(jī)爐之間動態(tài)過程中協(xié)調(diào)兩個控制回路的工作提供了一個比較直接的能量平衡信號，故稱為直接能量平衡的協(xié)調(diào)控制。 從鍋爐內(nèi)擾來看，當(dāng)燃燒率自發(fā)增加時，機(jī)前壓力 PT和汽機(jī)調(diào)節(jié)級壓力 P1均增大，由于 P1與 NE相比對擾動的響應(yīng)更快一些。因此汽機(jī)控制器由 P1作為反饋的內(nèi)回路動作，調(diào)整汽機(jī) 調(diào)節(jié)閥開度變小，使 P1復(fù)到負(fù)荷指令 N0相適應(yīng)的水平。與此同時，鍋爐側(cè)因負(fù)的壓力偏差 (P0－ PT)和由于 P1恢復(fù)而使 P1／ PT 減小的信號共同作用。減小燃燒率指令μ B，所以鍋爐側(cè)消除內(nèi)擾的能力較強(qiáng)。 從汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥擾動來看，由于采用了 P1 作為汽機(jī)主控制器的反饋信號，則消除汽機(jī)調(diào)節(jié)閥自發(fā)擾動的能力是較強(qiáng)的。 △ 247。 D P ∑ P0 D ∑ △ PI N0 NE 鍋爐 汽機(jī) + P1 PT _ μ B 圖 35 直接平衡的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)示意圖 △ I I μ T _ _ + + 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 17 通過以上分析可以看出，采用爐跟機(jī)為基礎(chǔ)的直接能量平衡的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，能快速適應(yīng)負(fù)荷要求和克服內(nèi)擾，是各種負(fù)荷控制方式中較好的一種。 前面我們介紹了幾種單元機(jī)組的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，盡管形式各異，但有一些共同點(diǎn)： （ 1）前面介紹的系統(tǒng)都為前饋 — 反饋的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，一般還帶有非線性控制環(huán)節(jié)。前饋、反饋和非線性控制部分各自分擔(dān)著不同的任務(wù)，其作用都是為實現(xiàn)機(jī)、爐的協(xié)調(diào)控制。 （ 2）前饋控制的作用是補(bǔ)償機(jī)組的動態(tài)遲延和慣性，加快負(fù)荷響應(yīng)，以及保持負(fù)荷指令與機(jī)、爐主控制指令之間滿足一定的靜態(tài)關(guān)系，在控制過程中起“粗調(diào)”作用。 （ 3）采用非線 性控制環(huán)節(jié)可使汽壓在規(guī)定的允許偏差范圍內(nèi)變化，以利用機(jī)組的蓄熱能力，提高負(fù)荷響應(yīng)速度。 （ 4）協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制精度和克服內(nèi)擾的能力主要靠反饋控制保證，反饋控制是協(xié)調(diào)控制的基礎(chǔ)，在控制過程中起“細(xì)調(diào)”作用。 綜上所述，組成單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的基本方案有兩個，其一是以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，在這類協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中，往往以 P1／ PT (P1）這樣的能量平衡信號作為鍋爐控制中的前饋信號，以便在變工況下，協(xié)調(diào)機(jī)、爐之間的能量供求關(guān)系構(gòu)成直接能量平衡的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。其二是以汽機(jī)跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，在這類系統(tǒng)中，往往負(fù)荷指令作為鍋爐的前饋信號，以負(fù)荷指令來間接協(xié)調(diào)機(jī)、爐在能量需求方面的關(guān)系構(gòu)成能量間接平衡的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 18 第四章 單元機(jī)組機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計 單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是一個多變量控制系統(tǒng)。單獨(dú)的鍋爐控制系統(tǒng)和汽輪機(jī)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。系統(tǒng)的設(shè)計是從機(jī)爐整體能量平衡的目標(biāo)出發(fā)，通過選取合理的控制信號，采用前饋，反饋，動態(tài)補(bǔ)償?shù)瓤刂撇呗裕瑢崿F(xiàn)機(jī)組協(xié)調(diào)控制目標(biāo)。 直接按照多變量控制系統(tǒng)分析設(shè)計理論進(jìn)行單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計與綜合，目前還處于研究之中，雖然多變量 時域的和頻域的控制理論已建立了一系列分析，設(shè)計的方法，并可以借助于計算機(jī)進(jìn)行輔助分析與設(shè)計，但是，在工程實際應(yīng)用中，這些理論和方法還有著許多困難，因而使得這些理論方法還難以達(dá)到普遍應(yīng)用研究的水平。 多變量控制解耦理論與方法是一種有效的解決多變量控制問題的技術(shù)。針對多變量系統(tǒng)受控對象各輸入與輸出之間存在著關(guān)聯(lián)與耦合這一基本特征，通過設(shè)計補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)來消除和削弱這種相互的關(guān)聯(lián)和耦合，把多變量控制問題轉(zhuǎn)化為多個單變量控制問題來處理。這種理論和方法物理概念清晰，使用的數(shù)學(xué)工具較少，與單變量控制理論緊密銜接，便于工程技術(shù) 人員掌握，因而，在工業(yè)過程中應(yīng)用比較廣泛。 單元機(jī)組動態(tài)數(shù)學(xué)模型 大型單元機(jī)組控制系統(tǒng)是一種多變量復(fù)雜控制系統(tǒng)，滯后大，受控過程是一個多輸入多輸出過程。在輸入和輸出之間存在著交叉的關(guān)聯(lián)和耦合。只有通過合理的簡化與近似處理，采用理論建?；?qū)嶒灥姆椒ǎ拍芙⑵饾M足一定精度要求的動態(tài)特性數(shù)學(xué)模型。 圖 41 單元機(jī)組負(fù)荷控制對象數(shù)學(xué)模型 汽包鍋爐單元機(jī)組可簡化為一個具有雙輸入雙輸出的被控對象。如圖 41所示。 圖中，機(jī)組的輸出功率 N 和機(jī)前壓力 PT為被控量；主汽門調(diào)節(jié)閥開度 u 和燃料量 B為控制量。 GNu 和 GNB分別為發(fā)電機(jī)實發(fā)功率對開度和燃料量的傳遞函數(shù)； GPu 和 GPB內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計