【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 說(shuō)，各子控制系統(tǒng)均相當(dāng)于伺服系統(tǒng)或隨動(dòng)系統(tǒng)。要實(shí)現(xiàn)機(jī)組協(xié)調(diào)控制，首先必須使鍋爐、汽輪機(jī)子系統(tǒng)運(yùn)行正常，也就是說(shuō)要提南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 第 8 頁(yè) 高基礎(chǔ)自動(dòng)化水平。 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的基本策略 從不同的觀察角度，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的劃分不盡相同。但最常用的有兩種： 按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)劃分，主要有以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)、以汽機(jī)跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)和汽機(jī)機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)； 按能量平衡關(guān)系，主要有間接能量平衡系統(tǒng)（ IEB）和直接能 量平衡系統(tǒng)（ DEB）。 一、以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng) 這種協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是在鍋爐跟隨控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加相應(yīng)的環(huán)節(jié)形成的，原理如圖 23 所示： 圖 23 以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng) 正常運(yùn)行時(shí)汽輪機(jī)側(cè)閉環(huán)調(diào)功、鍋爐側(cè)閉環(huán)調(diào)壓 +ULD 前饋。圖中， F(t)一般為超前 滯后環(huán)節(jié)，它一方面使燃燒率指令 B? 隨給定功率變化而沒(méi)有遲延，另一方面對(duì)給定功率的微分超前調(diào)節(jié)作用，有利于改善鍋爐對(duì)功率的響應(yīng)特性。環(huán)節(jié) F(x)為帶有死區(qū)的非線性環(huán)節(jié)有利于提高協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。若負(fù)荷變化速度過(guò)快或燃料擾動(dòng)過(guò)大，造成機(jī)前壓力偏差超過(guò) F(x)的不靈敏區(qū)Δ 時(shí)，汽輪機(jī)側(cè)即由調(diào)功率轉(zhuǎn)入壓力拉回方式，確保壓力波動(dòng)在規(guī)定的死區(qū)范圍之內(nèi)。死區(qū)的大小決定了蓄能的利用，兼顧負(fù)荷適應(yīng)性與運(yùn)行穩(wěn)定性，斜率的選擇取決于壓力偏差動(dòng)態(tài)校正的速度。 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 第 9 頁(yè) 二、以汽機(jī)跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng) 這種協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在汽機(jī)跟隨控制方式的基礎(chǔ)上，允許汽壓在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，原理方框圖如圖 24 所示。 圖 24 以汽機(jī)跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng) 汽輪機(jī)側(cè)同時(shí)閉環(huán)調(diào)壓調(diào)功 +ULD 前饋、鍋爐側(cè)閉環(huán)調(diào)功 +ULD 前饋。為了克服單純汽輪機(jī)跟隨 控制方式時(shí)負(fù)荷響應(yīng)慢及功率波動(dòng)大的缺點(diǎn)，在汽輪機(jī)側(cè)同時(shí)加入了功率偏差信號(hào)，分析入下： （ 1）外擾時(shí)的蓄能應(yīng)用功率指令同時(shí)送機(jī)、爐兩側(cè)，合理利用鍋爐蓄能，提高了機(jī)組的負(fù)荷響應(yīng)。汽輪機(jī)側(cè) PI 調(diào)節(jié)器輸入為 ? ? TPNULDKP ??? )(s ，可理解為負(fù)荷變化（增加）時(shí)，動(dòng)態(tài)改變（降低）了壓力定值，以放出蓄能。功差項(xiàng) )( NULDK ? 就是加負(fù)荷時(shí)壓力定值的動(dòng)態(tài)降低量。若負(fù)荷變化超過(guò)規(guī)定，對(duì) )( NULDK ? 信號(hào)設(shè)置有 F(x)予以限制，以免機(jī)前壓力偏差 超過(guò)允許范圍。F(x)模塊的斜率 K，就是一個(gè)外擾動(dòng)態(tài)過(guò)程鍋爐蓄能利用程度參數(shù)。 （ 2）內(nèi)擾時(shí)擾動(dòng)單向補(bǔ)償設(shè)計(jì)交叉環(huán)節(jié) F(x)，使之滿足)(W )(WK(s) NBPB ss? 則理論上基本消除了爐對(duì)機(jī)的影響，實(shí)際中一般取NBPBKKK? 這樣，燃料擾動(dòng)（增加）時(shí)，功率信號(hào)（增加）抑制了汽輪機(jī)控制回路由于機(jī)前壓力（增加）要開大閥門的動(dòng)作，減少了功率的波動(dòng)，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。實(shí)際系統(tǒng)中，考慮到機(jī)組各種運(yùn)行工況及輔機(jī)情況，一般設(shè)計(jì)有多種運(yùn)行方式，并具有無(wú)擾切換功南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 第 10 頁(yè) 能。 三、機(jī)爐協(xié)調(diào) 控制方式 機(jī)爐協(xié)調(diào)控制方式最早是在 20世紀(jì) 50 年代提出的，但其是在 60 年代末，隨著電動(dòng)液壓控制的發(fā)展而得到應(yīng)用。不管是爐跟隨還是機(jī)跟隨控制方式，都是采取機(jī)爐分工、先后動(dòng)作的配合方式，而對(duì)于變動(dòng)負(fù)荷的機(jī)組負(fù)荷控制，必須遵循負(fù)荷協(xié)調(diào)控制原則的協(xié)調(diào)控制方式。當(dāng)外界負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，負(fù)荷指令同時(shí)送到機(jī)、爐主控制器，對(duì)汽輪機(jī)和鍋爐發(fā)出負(fù)荷控制指令，改變汽輪機(jī)的進(jìn)汽量和鍋爐的燃燒率，利用鍋爐的蓄能快速響應(yīng)負(fù)荷需求，同時(shí)通過(guò)改變?nèi)紵蕪亩淖冞M(jìn)入鍋爐的能量，保持機(jī)組輸入能量與輸出能量的平衡。同樣，當(dāng)主蒸汽壓力產(chǎn)生偏差時(shí)，機(jī) 、爐主控制器同時(shí)接受指令信號(hào)對(duì)汽輪機(jī)和鍋爐進(jìn)行操作，一方面改變鍋爐的燃燒率，補(bǔ)償蓄能的變化，另一方面適當(dāng)改變汽輪機(jī)的進(jìn)汽門的開度，控制蒸汽流量，維持主汽壓力的穩(wěn)定。其原理圖如圖25 所示。 圖 25 單元機(jī)組機(jī)爐協(xié)調(diào)控制方式 超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 由于不存在汽包的緩沖，超臨界直流鍋爐的熱水段、蒸發(fā)段和過(guò)熱段之間沒(méi)有固定界限，水汽轉(zhuǎn)換一次性完成，所以具有很多與亞臨界汽包鍋爐不一樣的對(duì)象特性 ，而這些特性與機(jī)組的運(yùn)行方式及控制策略密切相關(guān)。在分析和研究超臨界機(jī)組的控制策略之前，我們首先需要分析和研究超臨界機(jī)組的對(duì)象特性。 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 第 11 頁(yè) 一、超臨界機(jī)組的特點(diǎn) ??6 超臨界參數(shù)鍋爐與亞臨界汽包鍋爐在自動(dòng)控制方面有所不同 ,其原因是直流鍋爐與汽包鍋爐之間的差別。超臨界參數(shù)鍋爐是指過(guò)熱器出口主蒸汽壓力超過(guò) MPa,理論上認(rèn)為 ,在水的狀態(tài)參數(shù)達(dá)到臨界點(diǎn)時(shí) ,水的汽化會(huì)在一瞬間完成 ,即在臨界點(diǎn)時(shí)飽和水和飽和蒸汽之間不再有汽、水共存的二相區(qū)存在 ,也就是說(shuō)二者的各項(xiàng)參數(shù)不再有區(qū) 別。由于在臨界參數(shù)下汽水密度相等 ,在超臨界壓力下無(wú)法維持自然循環(huán) ,因此超臨界鍋爐必須是直流鍋爐。隨著鍋爐朝著大容量參數(shù)的方向發(fā)展 ,超臨界機(jī)組日益顯示其諸多優(yōu)點(diǎn) ,不僅煤耗大大降低 ,排污量也相應(yīng)減少 ,經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。超臨界機(jī)組與亞臨界汽包鍋爐結(jié)構(gòu)和工藝過(guò)程有著顯著不同 ,其控制具有如下一些特點(diǎn)： （ 1）機(jī)組啟動(dòng)系統(tǒng)首先要建立啟動(dòng)壓力和啟動(dòng)流量 ,保證給水能連續(xù)通過(guò)省煤器和水冷壁 ,尤其要保證水冷壁能足夠冷卻和水動(dòng)力的穩(wěn)定性。同時(shí) ,系統(tǒng)回收鍋爐啟動(dòng)初期排出的熱水、汽水混合物、飽和蒸汽以及過(guò)熱度不足的過(guò)熱蒸汽 ,以實(shí)現(xiàn)工 質(zhì)和熱量的回收。 （ 2）超臨界直流爐沒(méi)有汽包環(huán)節(jié) ,給水經(jīng)加熱、蒸發(fā)和變成過(guò)熱蒸汽是一次性連續(xù)完成的 ,隨著運(yùn)行工況不同 ,鍋爐將運(yùn)行在亞臨界或超臨界壓力下 ,蒸發(fā)點(diǎn)會(huì)自發(fā)地在一個(gè)或多個(gè)加熱區(qū)段內(nèi)移動(dòng) ,汽水之間沒(méi)有一個(gè)明確的分界點(diǎn)。這要求控制系統(tǒng)更為嚴(yán)格保持各種比值的關(guān)系 (如給水量 /蒸汽量、燃料量/給水量及噴水量 /給水量等 )。 （ 3）由于沒(méi)有儲(chǔ)能作用的汽包環(huán)節(jié) ,鍋爐的蓄能顯著減小 ,負(fù)荷調(diào)節(jié)的靈敏性好 ,可實(shí)現(xiàn)快速啟停和調(diào)節(jié)負(fù)荷 ,但汽壓對(duì)負(fù)荷變動(dòng)反映靈敏 ,變負(fù)荷性能差 ,汽壓維持比較困難。 （ 4）直流爐由于汽水是一次完成 的 ,因而不象汽包爐那樣。汽包在運(yùn)行中除作為汽水分離器外 ,還作為燃水比失調(diào)的緩沖器。當(dāng)燃水比失去平衡時(shí) ,利用汽包中的存水和空間容積暫時(shí)維持鍋爐的工質(zhì)平衡關(guān)系 ,以保持各段受熱面積不變。這使得直流爐汽機(jī)與鍋爐之間具有強(qiáng)烈的耦合特性 ,整個(gè)受控對(duì)象是一多輸入多輸出的多變量系統(tǒng)。 （ 5）強(qiáng)烈的非線性是超臨界機(jī)組又一主要特征。超臨界機(jī)組采用超臨界參數(shù)的蒸汽，其機(jī)組的運(yùn)行方式采用滑參數(shù)運(yùn)行，機(jī)組在大范圍的變負(fù)荷運(yùn)行中，運(yùn)行壓力 1025 MPa 之間。超臨界機(jī)組實(shí)際運(yùn)行在超臨界和亞臨界兩種工南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 第 12 頁(yè) 況下，在亞臨界運(yùn)行工況給水具有加熱 段、蒸發(fā)段與過(guò)熱段三大部分，在超臨界運(yùn)行工況汽水的密度相同，水在瞬間轉(zhuǎn)化為蒸汽，因此超臨界運(yùn)行方式和亞臨界運(yùn)行方式機(jī)組具有完全不同的控制特性，超臨界機(jī)組是一種特性復(fù)雜多變的被控對(duì)象，隨著機(jī)組負(fù)荷的變化，機(jī)組的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)亦隨之大幅度變化。如燃水比調(diào)節(jié)的溫度對(duì)象，在負(fù)荷變化 50～ 100％范圍內(nèi)，增益變化達(dá) 5～ 6倍，時(shí)間常數(shù)的變化也有 3 倍左右。由于超臨界直流爐的強(qiáng)非線性，常規(guī)的控制策略難以達(dá)到良好的控制效果。因此需要大量采用變參數(shù) PID，變結(jié)構(gòu)控制策略，以保證在各個(gè)負(fù)荷點(diǎn)上控制系統(tǒng)具有良好的效果。 發(fā)展超臨界機(jī) 組已成為我國(guó)電力行業(yè)的主要方向之一。大容量超臨界機(jī)組具有運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性高、負(fù)荷適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn) ,是我國(guó)未來(lái)大型火電機(jī)組的發(fā)展方向。 二、超臨界機(jī)組的動(dòng)態(tài)特性： 超臨界直流鍋爐對(duì)象特性的變化體現(xiàn)在汽水系統(tǒng)中，而制粉系統(tǒng)、風(fēng)煙系統(tǒng)、汽輪機(jī)調(diào)門、汽輪機(jī)動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)同汽包鍋爐是一致的。當(dāng)風(fēng)煙系統(tǒng)特性忽略后，仍然可以將超臨界直流爐劃分為制粉環(huán)節(jié)和鍋爐核心環(huán)節(jié)，只不過(guò)鍋爐核心環(huán)節(jié)是三入三出的。各種擾動(dòng)下輸出的響應(yīng)曲線如圖 26 所示。 1．汽輪機(jī)調(diào)門開度階躍增加擾動(dòng) 在汽輪機(jī)調(diào)門開度階躍增加擾動(dòng)下，各個(gè)輸出變量變化為：機(jī)前壓力降低導(dǎo)致鍋爐蓄熱釋放，機(jī)組負(fù)荷增加，由于燃料量和給水流量沒(méi)有變化，鍋爐釋放出蓄熱后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后機(jī)組負(fù)荷恢復(fù)到原來(lái)的水平；機(jī)前壓力隨著鍋爐蓄熱的釋放逐漸降低最后穩(wěn)定；中間點(diǎn)溫度在蒸汽流量增加后略微降低，由于燃料量和給水流量沒(méi)有變化，隨著蒸汽流量恢復(fù)回升到原來(lái)的水平。 2．燃料量階躍增加擾動(dòng) 在燃料量階躍增加擾動(dòng)下，各個(gè)輸出變量變化為：鍋爐各個(gè)受熱面吸熱增加，導(dǎo)致附加蒸發(fā)量增加，機(jī)組負(fù)荷上升，由于給水流量沒(méi)有增加，在附加蒸發(fā)量蒸發(fā)完畢后，蒸汽流量開始降低，過(guò)熱汽溫上升，減溫水系統(tǒng)增加噴入減溫水流量以維持過(guò)熱汽溫 ，實(shí)際蒸汽量增加，機(jī)組負(fù)荷增加到與燃料量相對(duì)應(yīng)的水平；由于蒸汽量增加而汽輪機(jī)調(diào)門開度不變，機(jī)前壓力上升至一定水平；由于燃水比增加，蒸發(fā)段提前，中間點(diǎn)溫度上升至一定水平。 3．給水流量階躍增加擾動(dòng) 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 第 13 頁(yè) 在給水流量階躍增加擾動(dòng)下，各個(gè)輸出變量變化為：給水流量增加導(dǎo)致附加蒸發(fā)量增加，機(jī)組負(fù)荷先上升，由于過(guò)熱段吸熱減少導(dǎo)致過(guò)熱蒸汽溫度下降，減溫水系統(tǒng)減少噴入減溫水流量以維持過(guò)熱汽溫，最終使負(fù)荷恢復(fù)到原來(lái)水平；同樣由于附加蒸發(fā)量增加，使機(jī)前壓力先增加，由于減溫水流量減少，最終恢復(fù)到原來(lái)水平；由于燃水比減小，蒸發(fā)段延后，中 間點(diǎn)溫度下降至一定水平。 (a)汽輪機(jī)調(diào)門開度擾動(dòng)； (b)然料量擾動(dòng)； (c)給水流量擾動(dòng) 圖 26 超臨界直流鍋爐動(dòng)態(tài)特性曲線 三、超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制特點(diǎn) 1．機(jī)、爐控制耦合 汽輪機(jī)和鍋爐之間的非線性耦合是超臨界機(jī)組難點(diǎn)之一，常規(guī)的控制系統(tǒng)難以達(dá)到好的控制效果。由于直流鍋爐在汽水流程上的一次性循環(huán)特性，沒(méi)有汽包等參數(shù)集中的儲(chǔ)能元件，在直流運(yùn)行狀態(tài)汽水之間沒(méi)有一個(gè)明確的分界點(diǎn)，給水從省煤器進(jìn)口就被連續(xù)加熱、蒸發(fā)與過(guò)熱，根據(jù)水、濕蒸汽與過(guò)熱蒸汽物理性能的差異，可以劃分為加熱段、蒸發(fā)段與過(guò)熱段三大部分，在流程中每一段的長(zhǎng)度都受到燃料、給水、汽機(jī)調(diào)門開度的擾動(dòng)而變化，從而導(dǎo)致了功率、壓力、溫度的變化。另外，由于沒(méi)有汽包的緩沖，超臨界鍋爐動(dòng)態(tài)特性受末端阻力的影響遠(yuǎn)比汽包式鍋爐大。主汽閥開度一方面控制汽輪機(jī)功率，一方南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 第 14 頁(yè) 面改變了鍋爐的被控特性，這和汽包鍋爐的情況不同。例如當(dāng)汽輪機(jī)負(fù)荷增加時(shí)，汽輪機(jī)功率調(diào)節(jié)器會(huì)增大汽機(jī)主蒸汽閥開度，增大汽輪機(jī)進(jìn)汽量，由于鍋爐的響應(yīng)速度較慢，無(wú)法及時(shí)產(chǎn)生足夠蒸汽，從而使機(jī)前壓力降低，阻礙了汽輪機(jī)進(jìn)汽量進(jìn)一步增大。為了獲得更多進(jìn)汽量以滿足負(fù)荷需求，汽輪機(jī)功率調(diào)節(jié)器會(huì)進(jìn)一步開大調(diào)節(jié)汽門，導(dǎo)致機(jī)前壓 力進(jìn)一步降低，最終形成惡性循環(huán)。對(duì)于汽包鍋爐，由于汽包的蓄熱較大，可利用汽包的蓄熱滿足汽輪機(jī)超調(diào)的需求，使主汽壓力不致產(chǎn)生過(guò)大波動(dòng)。對(duì)采用直流鍋爐的超臨界機(jī)組而言，由于鍋爐的蓄熱相對(duì)較小，難以按足汽輪機(jī)的需求，從而使主汽壓力大幅度變化，降低了控制質(zhì)量。 直流鍋爐汽水一次性循環(huán)特性，使超臨界鍋爐動(dòng)態(tài)特性受末端阻力的影響遠(yuǎn)比鍋筒式鍋爐大。當(dāng)汽機(jī)主汽閥開度發(fā)生變化，影響了機(jī)組的功率 ,同時(shí)也直接影響了鍋爐出口末端阻力特性 ,改變了鍋爐的被控特性 ,由于沒(méi)有汽包的緩沖，汽機(jī)側(cè)對(duì)直流鍋爐的影響 遠(yuǎn)大于對(duì)汽包鍋爐的影響。其特性不但影響了鍋爐的出口壓力，而且由于壓力的變化引起了給水流量的變化，延長(zhǎng)了鍋爐側(cè)汽水流程的加熱段，導(dǎo)致了溫度的變化。 、溫度、功率的影響 燃料發(fā)生變化時(shí)，由于加熱段和蒸發(fā)段縮短，鍋爐儲(chǔ)水量減少，在燃燒率擾動(dòng)后經(jīng)過(guò)一個(gè)較短的延遲蒸汽量會(huì)向增加的方向變化，當(dāng)燃燒率增加時(shí)，一開始由于加熱段蒸發(fā)段的縮短而使蒸發(fā)量增加，也使壓力、功率、溫度增加。 、溫度、功率的影響 當(dāng)給水流量擾動(dòng)時(shí)，由于加熱段、蒸發(fā)段延長(zhǎng)而推出一部分蒸汽，因此開始?jí)毫凸β适窃黾拥?，但由于過(guò)熱段縮短使汽溫下降，最后雖然蒸汽流量增加但壓力和功率還是下降，汽溫經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的延遲后單調(diào)下降，最后穩(wěn)定在一個(gè)較低的溫度上。 在直流鍋爐中，壓力控制是最重要的被控對(duì)象，因?yàn)閴毫Φ淖兓粌H影響機(jī)組負(fù)荷的變化，還會(huì)影響給水流量的變化，從而導(dǎo)致對(duì)溫度的影響。從上面的分析可以看出，直流鍋爐的一次循環(huán)特性，使機(jī)組的主要控制參數(shù)功率、壓力、溫度均受到了汽機(jī)調(diào)門開度、燃料量、給水量的影響。從而也說(shuō)明直流鍋南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 第 15 頁(yè) 爐是一個(gè)三輸入 /三輸出相互耦合關(guān)聯(lián)極強(qiáng)的被控特性。 2．非線性特性強(qiáng) 超臨界機(jī)組 采用超臨界參數(shù)的蒸汽 ,其機(jī)組的運(yùn)行方式采用滑參數(shù)運(yùn)行，機(jī)組在大范圍的變負(fù)荷運(yùn)行中，壓力運(yùn)行在 10MPa~。超臨界機(jī)組實(shí)際運(yùn)行在超臨界和亞臨界兩種工況下。在亞臨界運(yùn)行工況下，給水具有加熱段、蒸發(fā)段與過(guò)熱段三大部分；而在超臨界運(yùn)行工況下，由于汽水的密度相同，水在瞬間轉(zhuǎn)化為蒸汽。由于超臨界和亞臨界區(qū)工質(zhì)物性的巨大差異，以及不同燃燒率下鍋爐蒸發(fā)段（或相變點(diǎn)）位置的遷移等因素的影響，機(jī)組的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)也大幅度變化，使超臨界機(jī)組呈現(xiàn)很強(qiáng)的非線性特性和變參數(shù)特性。因此在超臨界運(yùn)行方式和亞臨界運(yùn)行方式機(jī)組具 有完全不同的控制特性，是復(fù)雜多變的被控對(duì)象，遠(yuǎn)比常規(guī)的亞臨界機(jī)組難于控制。 3．燃水比難于控制 超臨界機(jī)組控制的重點(diǎn)在于鍋爐的燃水比調(diào)節(jié)。由于燃水比變化時(shí)出口