【正文】 相抵消。 補償鍋爐側(cè)擾動的爐跟機協(xié)調(diào)系統(tǒng) 本系統(tǒng)記為 I4 系統(tǒng)，如圖 44 所示。 —是這兩個系統(tǒng)都屬于以機跟爐為基礎(chǔ)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；二是采用了相同的對汽機側(cè)擾動補償?shù)姆椒?；三是都采用了功率定值信號作為前饋，以增強鍋爐指令，克服機跟爐系統(tǒng)對功率定值變化響應(yīng)但的不足。 實現(xiàn)雙向補償?shù)臋C跟爐協(xié)調(diào)系統(tǒng) 該系統(tǒng)的原理框圖如圖 43 所示，記為 I3 系統(tǒng)。 經(jīng)微分器 3D作為對汽機側(cè)擾動的補償信號。 、 2D 的輸出為零。 當功率定值 錯誤 !未找到引用源。 、 錯誤 !未找到引用源。 的微分信號將使鍋爐調(diào)節(jié)器產(chǎn)生很快的動作，以消除鍋爐側(cè)的擾動。當鍋爐側(cè)出現(xiàn)擾動，首先引起機前壓力 錯誤 !未找到引用源。 另外， 錯誤 !未找到引用源。 的輸出不變，避免汽機側(cè)擾動引起鍋爐調(diào)節(jié)器的不必要功作。當汽機側(cè)擾動出現(xiàn)時，功率信號與 錯誤 !未找到引用源。 的微分信號引入至鍋爐主調(diào)節(jié)器錯誤 !未找到引用源。 的微分信號曲線形狀相似，方向相反。 第 4 章 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的基本原理及實現(xiàn) 15 補償汽機側(cè)擾動的機跟爐協(xié)調(diào)系統(tǒng) ΣG2PTN調(diào) 節(jié) 汽 門μ鍋 爐 指 令BPs pNs p++? ?G1Σ++D2D1D3++ 圖 42 補償汽機側(cè)擾動的機跟爐協(xié)調(diào)系統(tǒng)（ I2） 在 I2 系統(tǒng)中，機爐調(diào)節(jié)器的主信號仍與 I1 系統(tǒng)相同。吸收了爐跟機系統(tǒng)能有效地利用鍋爐蓄熱能力，負荷響應(yīng)性好的特點，并保留了爐跟機方式能保持機前壓力錯誤 !未找到引用源。與此同時，功率定值又作為鍋爐指令前饋信號，快速地 改變?nèi)剂陷斎?，補充鍋爐蓄熱的變化。 變化時，功率偏差信號將通過 錯誤 !未找到引用源。這樣，實現(xiàn)了鍋爐側(cè)擾動由鍋爐調(diào)節(jié)器消除，而不引起汽機調(diào)節(jié)汽門不必要的動作。 和實發(fā)功率 N 對燃料擾動反應(yīng)曲線形狀相似的特性，近似地使汽機調(diào)節(jié)器 錯誤 !未找到引用源。此時，并不希望汽機調(diào)節(jié)汽門動作。 當鍋爐側(cè)出現(xiàn)擾動，譬如進入鍋爐的燃料量變化、或鍋爐燃燒工況產(chǎn)生擾動時，將引起汽壓和輸出功率偏離給定值。 東北電力大學自動化工程學院學士學位論文 14 Σ G2PTN調(diào) 節(jié) 汽 門μ鍋 爐 指 令BPs pNs p++? ?G1Σ++ 圖 41 補償鍋爐側(cè)擾動的機跟爐協(xié)調(diào)系統(tǒng)（ I1） I1 系統(tǒng)的基礎(chǔ)是機跟爐控制系統(tǒng)。 補償鍋爐側(cè)擾動的機跟爐協(xié)調(diào)系統(tǒng) 系統(tǒng)原理框圖如圖 41 所示。 單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)把機爐當作一個整體，引入前饋、補償?shù)瓤刂剖侄危M可能消除機爐對象間不利的耦合因素，并充分吸收機跟爐和爐跟機控制方式的特點，克服其存在的弱點和不足，使系統(tǒng)的控制品質(zhì)得以改善和提高。由于這種方式?jīng)]有考慮機爐對象的耦合特性，系統(tǒng)品質(zhì)就不會很理想。這一套基本特點被廣泛應(yīng)用到機爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中。 在爐跟機系統(tǒng)中，機組對外負荷變化需求的響應(yīng)性好。目前在機爐控制中還保留這種控制方式，主要是用于當鍋爐側(cè)輔機設(shè)備局部 故障，使鍋爐的最大處理受到限制，小于汽輪機最大可能出力時使用。可見，當鍋爐內(nèi)部擾動時，會導致輸出功率長時間來回波動甚至振蕩。這將引起主汽門開度和燃料量的同時動作。這種控制方式的主要缺點在于對機組負荷變化需求的響應(yīng)速度慢。 在機跟爐系統(tǒng)中，機組輸出功率由鍋爐給定，汽輪機主汽門開度調(diào)節(jié)主蒸汽壓 力。 間接能量平衡協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)介紹 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)實在簡單的機爐控制系統(tǒng)上發(fā)展起來的。譬如美國 Lamp。通過構(gòu)造出能量需求信號，并依此控制能量輸入的系統(tǒng)，稱為直接能量平衡系統(tǒng)。最典型的例子就是把機前壓力 PT 作為鍋爐能量輸出與汽輪機能量需要之間的平衡特征參數(shù)。因為記錄控制的根本任務(wù)就在于維持整個機組運行過程的能量平衡，包括機組輸入能量和輸出能量的平衡；機爐之間供需能量的平衡；鍋爐內(nèi)部各子系統(tǒng)之間物質(zhì)能量傳遞的平衡等 [26]。但隨著系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不斷更新和變化，許多系統(tǒng)已難以區(qū)分究竟屬于機跟爐還是爐跟機的形式，另一種分類方法是從能量平衡的觀點出發(fā)，把協(xié)調(diào)控制系 統(tǒng)劃分為直接能量平衡 (DEH)和簡介能量平衡 (IEB)兩大類。對系統(tǒng)的分類方法也有許多不同。 對于協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，有不同的命名方式，亦可劃分為幾種不同的類型。近年來，計算機分散控制系統(tǒng)（ DCS)的應(yīng)用 ,為實現(xiàn)功能更加完善，控制方式更加先進的 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)提供良好的條件。這些系統(tǒng)的具體實現(xiàn)原理、功能以及使用的控制系統(tǒng)設(shè)備有著許多差異和不同 [23]。 單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是大型火力發(fā)電機組普遍采用的控制系統(tǒng)。單元機組主控系統(tǒng)是討論整個協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的核心。近年來，系統(tǒng)辨識理論方法和技術(shù)為建立更高精度的模型提供了方法和手段；而諸如模糊控制、自整定控制以及人工智能在控制中的應(yīng)用，則大大降低了對過程模型方面的要求 [21]。 隨著工業(yè)過程控制技術(shù)的發(fā)展，一方面人們在探索新的、更為有效的建模方法和技術(shù)，以適應(yīng)一系列現(xiàn)代控制理論和方法對模型方面的要求。這些系統(tǒng)對過程模型精度方面的要求并不是很高。分析受控過程的基本特性，掌握其內(nèi)最主要、最本質(zhì)的特性，對于設(shè)計出合理的控制系統(tǒng)是十分重要的 [17]。反之，許多常規(guī)的工業(yè)控制技術(shù)，特別是 PID 控制技術(shù)，至今仍作為最為普遍的控制方法，廣泛應(yīng)用與工業(yè)控制領(lǐng)域，其重要原因也在于它對模型第 3 章 單元機組燃燒與傳熱過程 11 的精度要求是很低的。這些控制算法 在航天和軍事工業(yè)領(lǐng)域取得了成功的應(yīng)用，然而在工業(yè)過程控制領(lǐng)域收效甚微。 圖 32 單元機組動態(tài)特性結(jié)構(gòu)圖 [15] (a) 汽輪機調(diào)門開度擾動 (b) 燃料量擾動 (c) 給水流量擾動 控制系統(tǒng)對模型精度要求 不同的控制理論和算法對模型的要求是不同的。東北電力大學自動化工程學院學士學位論文 10 這是一個 22 的非線性動態(tài)系統(tǒng)。 將式 ()和 ()代入 ()中得： 3222 33 ( 1 )( 1 ) 11T T TT S kkN k D D DT S T S??? ??? ? ??? () 在一般情況下， 1 4 ~1 2?? , 3 10 ~ 20TS? 。 定義蒸汽調(diào)節(jié)閥的開度為： 1VTRR?? ? () 將式 ()代入式 ()中，可得到： TTDP?? () 汽輪機做功過程 無中間再熱器時，機組從蒸汽流量變化到汽輪機功率變化的反應(yīng)很快，可以簡單地將汽輪機做功過程表示為： TDkN 2? 或 2 TN k D? ? ? () 有中間再熱器系統(tǒng)，汽輪機的輸出功率為高壓缸輸出功率 HN 和中、低壓缸輸出功率LN 兩部分之和： HLN N N?? () 在靜態(tài)工況下： 22(1 )HTLTN k DN k D? ???? ??? () 其中， ? 為汽輪機高壓缸輸出功率在總輸出功率中所占比例系數(shù) [14]。 蒸汽管道兩端的壓力降與管道蒸汽量之間的關(guān)系為： 2D T DP P kD?? () 第 3 章 單元機組燃燒與傳熱過程 9 其中， k 為蒸汽管道的阻力系數(shù)。 把鍋爐和蒸汽管道的蓄熱能力分開，可求出鍋爐的蓄熱量為 DQ D b dpD D c dt?? ? ? ? () 式中， bc 為鍋爐的蓄批熱系數(shù)，一般可根據(jù)實驗方法確定。當單元機組采用直吹式制粉系統(tǒng)時，應(yīng)該在燃料量之前增加描述制粉系統(tǒng)的環(huán)節(jié) 011112 . 411MMMQB B VT S V T S? ? ? ? ??? () 式中， 0B 為進入制 粉系統(tǒng)的原煤量， 1V 為一次風量， MQ 為磨煤機原煤裝載量。根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)，一般有 1 2~5 ,S? ? 125 ~ 10 ,T S T? 可根據(jù)鍋爐的水冷壁和金屬的蓄熱量 J 相對 于鍋爐負荷的變化率來確定 2 JT D??? () 式中， D 為鍋爐的蒸發(fā)量。在此基礎(chǔ)上推導出各段過程的物質(zhì)平衡、能量平衡和動量平衡方程式。 將汽包鍋爐單元機組劃分為機、爐、電三大部分。各物理量說明如下： B 為進入爐膛的燃料量， V 為進入爐膛的總風量， F 為爐膛內(nèi)的燃燒強度， QD 為爐膛受熱面總有效吸熱量， D 為進入蒸汽管道的蒸汽流量， DP 為蒸汽管道入口的蒸汽壓力（汽包壓力）， TD 為進入汽輪機的蒸汽流量， TP 為蒸汽管道出口壓力（機前壓力）， ? 為汽輪機主蒸汽調(diào)節(jié)閥開度， N 為輸出功率 [9]。 在這里我們直接給出單元機組能量傳遞簡化流程，如圖 所示。其原理圖如圖 25 所示 [8]。當外界負荷發(fā)生變化時，負荷指令同時送到機、爐主控制器，對汽輪機和鍋爐發(fā)出負荷控制指令，改變汽輪機的進汽量和鍋爐的燃燒率，利用鍋爐的蓄能快速響應(yīng)負荷需求，同時通過改變?nèi)紵蕪亩淖冞M入鍋爐的能量，保持機組輸入能量與輸出能量的平衡。 G1G2? PT? N調(diào) 節(jié) 汽 門μ鍋 爐 指 令BG1G2Ps pNs pμB PTN++ 22 爐跟隨系統(tǒng)框圖 機爐協(xié)調(diào)方式 機爐協(xié)調(diào)控制方式最早是在 20 世紀 50 年代提出的，但其是 在 60 年代末，隨著電動液壓控制的發(fā)展而得到應(yīng)用。如果調(diào)節(jié)器參數(shù)整定不當，可能引起系統(tǒng)的振蕩和不穩(wěn)定。然而，維持機爐能量的平衡，最終要由鍋爐輸入量的改變、保持機前壓力。其實質(zhì)是利用了機組內(nèi)部的蓄熱能量，滿足外部負荷的需求。當汽輪機設(shè)備運行正常，機組的輸出電功率受到鍋爐設(shè)備的限制時，可采用機跟隨方式 [6]。 21 機跟爐系統(tǒng)框圖 特點：汽壓變化較小，有利于機組運行的安全與穩(wěn)定；但未能利用鍋爐的蓄熱，因而第 2 章 控制系統(tǒng)概述 5 負荷的適應(yīng)能力較差，不利于變動負荷和參加電網(wǎng)調(diào)頻。因而，機跟爐控制方式既不適用于帶變動負荷的運行工況，也缺乏有效地抑制鍋 爐側(cè)內(nèi)部擾動的能力?？梢?，當鍋爐內(nèi)部擾動時。這將引起主汽門開度 ? 和燃料量 B 的同時動作。另外，當鍋爐側(cè)產(chǎn)生內(nèi)部擾動時，導致機前壓力 錯誤 !未找到 引用源。 協(xié)調(diào)系統(tǒng)控制方式 機跟爐方式 在機跟爐系統(tǒng)中，機組輸出功率由鍋爐給定，汽輪機主汽門開度調(diào)節(jié)主蒸汽 壓力。 4． 自動保護系統(tǒng) 為保證機組安全運行，在設(shè)備發(fā)生故障時，相關(guān)設(shè)備需要自動完成相應(yīng)的必要操作，保證設(shè)備故障及時消除防止事故擴大。主要自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)有給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)、主汽壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、送引鳳調(diào)節(jié)系統(tǒng)等。運行人員依據(jù)采集的物理參數(shù)，即使對機組設(shè)備進行調(diào)整。 4． 操作維 護方便 由于計算機大量應(yīng)用，控制系統(tǒng)對運行人員來講，畫面設(shè)計、工程實現(xiàn)及整定參數(shù)，都便于操作、維護等特點。 3． 系統(tǒng)可靠性高 通過設(shè)置安全保護給定值和一系列可靠性措施，使協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)獲得很高的系統(tǒng)可靠性。 2． 系統(tǒng)功能完善 除了正常工況下的連續(xù)調(diào)節(jié)功能外，系統(tǒng)還設(shè)有一套邏輯控制系統(tǒng)，包括負荷給定邏輯、設(shè)備故障處理邏輯以及調(diào)節(jié)超差監(jiān)控邏輯等功能。這些控制系統(tǒng)執(zhí)行主控系統(tǒng)發(fā)出的指令，完成指點的控制任務(wù) [3]。 單元機組系統(tǒng)調(diào)控制系統(tǒng)可認為是一種二級遞階控制系統(tǒng)。幾年來，由于大容量的中間再熱單元機組的出現(xiàn)和逐漸采用較先進的計算機控制系統(tǒng)，機、爐、電的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)方式將廣泛采用。 4． 基于簡化的建立在傳遞函數(shù)基礎(chǔ)上的單元機組動態(tài)數(shù)學模型來設(shè)計的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)無法考慮相關(guān)系統(tǒng)相對較弱的禍合關(guān)系的影響及機組的動態(tài)時變性等 ??02 。因此很難在快速的汽輪機控制回路和相對較慢的鍋爐控制回路之間達到快速的能量平衡。系統(tǒng)的魯棒性能較差。這種設(shè)計是 基于靜態(tài)的近似解禍。從目前工程領(lǐng)域的應(yīng)用來看，無論是直接能量平衡協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)還是間接能量平衡協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)都屬于近似解禍設(shè)計方法范疇。通過控制間接參數(shù)來維持整個機組能量平衡的系統(tǒng)，稱為間接能量平衡系統(tǒng)。協(xié)調(diào)控制的本質(zhì)就是維持機組在運行過程 中機爐之間供需能量的平衡。 單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的 研究現(xiàn)狀 傳統(tǒng)意義上的協(xié)調(diào)控制有兩種劃分方式 :一種是根據(jù)系統(tǒng)發(fā)展的基礎(chǔ)按照機跟爐或爐跟機的方式來劃分。 3． 兼顧其他控制回路及參數(shù)的性能。在機組各種設(shè)備運行狀態(tài)良好的情況下，希望能夠提供盡可能高的負荷升降速率 :在低負荷時 ,穩(wěn)定燃燒成為主要目標；在鍋爐、汽輪機或各種輔機發(fā)生故障是，希望機組降負荷運行而不停機 ，一般的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)應(yīng)該能夠提供協(xié)調(diào)、機跟爐、爐跟機、等方式。 2． 提供靈活的運行方式。工程上整定