【正文】 用機組蓄能，就可以得到機組功率的快速響應。 為了減小主汽壓力的波動，以鍋爐跟隨為基礎的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)可以采用機前壓力的定值與機前壓力的反饋值之 間的偏差信號，通過函數(shù)模塊（死區(qū)特性），作用在汽機調(diào)節(jié)器的輸出端。 以汽機跟隨為基礎的協(xié)調(diào)控制方式 當機組負荷發(fā)生變化時，通過鍋爐調(diào)節(jié)器控制燃料量。如圖 32 所示。功率偏差信號（ NONE）可以看作是暫時改變的汽機調(diào)節(jié)器的給定值，當（ 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，當函數(shù)模塊 F（ x） =0 時，前饋作用不存在。鍋爐主控制器自動，保證主汽壓，同時接受負荷指令的前饋信號；汽機主控制器自動，內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設計說明書 12 保證機組功率。對于單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)控制質(zhì)量的評價，主要根據(jù)以下兩方面進行： 其一是能否盡快地響應電網(wǎng)對機組的負荷要求；其二是在內(nèi)、外擾作用下，機爐控制回路能否協(xié)調(diào)工作和能否使汽壓偏差和功率偏差盡可能減小。 圖 33 綜合型協(xié)調(diào)控制方式 幾種不同的運行方式間可以靈活的進行切換，鍋爐出力受限制時，切至汽機跟隨方式；當汽機出力受限制時，切至鍋爐跟隨方式。 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。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)前饋信號的引入目的是促使燃燒量隨負荷變化及早動作補償鍋爐的惰性。 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荷指令 N0即 NB＝ N0 可見鍋爐控制中把負荷指令信號 N0(1＋ d/dt)作為前饋信號，其中微分作用在動態(tài)過程中加強燃燒率指令，以補償機爐之間對負荷響應速度的差異，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。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。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)大學本科畢業(yè)設計說明書 14 爐側(cè)的前饋控制作用。 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。鍋爐燃燒率根據(jù)汽壓偏差而修正，例如，當 PT?P0時應使燃燒率適當增加以補足由于汽壓偏低而使鍋爐蓄能的減少。 汽機側(cè)以汽壓偏差作為反饋信號，形成對汽機側(cè)的 PI 反饋控制。這樣能充分利用鍋爐的蓄熱能力提高機組負荷響應特性。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。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。 從圖 34(ｂ )可以看出，負荷要求指令 N0(功率給定值 )作為前饋信號分別送到機、爐控制回路 ,使機爐同時改變負荷 ,以保證快速響應外界負荷要求。因此在汽機調(diào)節(jié)閥開大克服燃料內(nèi)擾的同時，又產(chǎn)生對汽機的擾動。當汽機調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生擾動時，機前壓力與實發(fā)功率變化方向相反，控制回路能較快地消除擾動。這種系統(tǒng)的一個主要 特點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為汽機第一級后的汽壓， PT為機前壓力，兩者的比值 P1／ PT與汽機調(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。 在該系統(tǒng)中，功率偏差 (N0? NE)送入汽機控制回路，機前壓力 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 礎的協(xié)調(diào)控制。 該機側(cè)設計兩個反饋回路，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。上式中負荷指令的微分項可使汽內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設計說明書 16 機調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生動態(tài)過開，能提高汽機的負荷適應性。 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)那樣的負荷指令 N0，而是 P1／ PT 的能量平衡信號。由于要求動態(tài)補償?shù)哪芰?不僅與負荷變化量成正比，而且還與負荷大小成正比，所以微分項要乘以 P1/PT 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)對機組的負荷要求，前者反映了汽機對鍋爐的能量要求。 從鍋爐內(nèi)擾來看，當燃燒率自發(fā)增加時，機前壓力 PT和汽機調(diào)節(jié)級壓力 P1均增大，由于 P1與 NE相比對擾動的響應更快一些。與此同時，鍋爐側(cè)因負的壓力偏差 (P0－ PT)和由于 P1恢復而使 P1／ PT 減小的信號共同作用。 從汽輪機調(diào)節(jié)閥擾動來看，由于采用了 P1 作為汽機主控制器的反饋信號，則消除汽機調(diào)節(jié)閥自發(fā)擾動的能力是較強的。 D P ∑ P0 D ∑ △ PI N0 NE 鍋爐 汽機 + 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)大學本科畢業(yè)設計說明書 17 通過以上分析可以看出，采用爐跟機為基礎的直接能量平衡的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，能快速適應負荷要求和克服內(nèi)擾，是各種負荷控制方式中較好的一種。前饋、反饋和非線性控制部分各自分擔著不同的任務，其作用都是為實現(xiàn)機、爐的協(xié)調(diào)控制。 （ 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，以利用機組的蓄熱能力，提高負荷響應速度。 綜上所述，組成單元機組協(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、爐之間的能量供求關系構(gòu)成直接能量平衡的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設計說明書 18 第四章 單元機組機爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設計 單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是一個多變量控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的設計是從機爐整體能量平衡的目標出發(fā)，通過選取合理的控制信號，采用前饋，反饋，動態(tài)補償?shù)瓤刂撇呗?，實現(xiàn)機組協(xié)調(diào)控制目標。 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。這種理論和方法物理概念清晰，使用的數(shù)學工具較少，與單變量控制理論緊密銜接，便于工程技術 人員掌握，因而，在工業(yè)過程中應用比較廣泛。在輸入和輸出之間存在著交叉的關聯(lián)和耦合。 圖 41 單元機組負荷控制對象數(shù)學模型 汽包鍋爐單元機組可簡化為一個具有雙輸入雙輸出的被控對象。 圖中，機組的輸出功率 N 和機前壓力 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。這種合理簡化的前提是： （ 1）送風量與燃料量相適應，保持燃燒穩(wěn)定； （ 2）引風量與送風量相適應，保持爐膛壓力； （ 3）給水量通過保持汽包水位進行控制，使給水流量與蒸汽流量相平衡； （ 4）主蒸汽溫度控制相對獨立。 圖 42 單元機組動態(tài)特性曲線 （ 1）燃燒率 B 擾動下，主蒸汽壓力 PT和輸出 功率 N 的動態(tài)特性如下：當汽輪機調(diào)門開度不變，而 B 發(fā)生階躍擾動時，主蒸汽壓力 PT和輸出電功率 N 的響應曲線如圖 42 左所示。由于汽輪機調(diào)門開度保持不變，進入汽輪機的蒸汽流量增加，從而自發(fā)的限制了汽壓的升高。由于蒸汽流量的增加使汽輪機輸出功率增加，輸出電功率 N 也增加。 （ 2）調(diào)門開度 UT擾動下主蒸汽壓力 PT和輸出功率 N 的動態(tài)特性如下：當鍋爐燃燒率 UB保持不變 ，而 UT發(fā)生階躍擾動時，主蒸汽壓力 PT和功率 N 的響應曲線內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設計說明書 20 如圖 42 右所示。由于燃燒率保持不變，所以蒸發(fā)量也不變。最終，蒸汽流量仍恢復到與燃燒率相適應的擾動前的數(shù)值，主蒸汽壓力 PT 也逐漸趨于一 個較低的新穩(wěn)態(tài)值。最終，輸出功率 N 也隨蒸汽流量恢復到擾動前的數(shù)值。通過以上分析，可以看出負荷控制對象的動態(tài)特性的特點是 ：當汽輪機調(diào)門開度動作時，被控量 N 和 PT的響應都很快，即熱慣性小；當鍋爐燃燒率改變時， N 和 PT的響應都很慢，即熱 慣性大，一快一慢就是機爐對象動態(tài)特性方面存在的較大差異。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設計時，主要針對一個雙輸入、雙輸出的受控對象。 （ 1）在鍋爐控制量 △ B 作用下，輸出被控量 △ PT和 △ N的響應是一個慢速的慣性過程。 （ 2）由于鍋爐的熱慣性比汽輪發(fā)電機組的慣性大得多，使得輸出被控量 △ PT 和△ N 對于 △ B 的響應速度十分接近，表現(xiàn)為傳遞函數(shù)矩陣中 GPB（ s）與 GNB（ s）之間十分相似的特性。其實質(zhì)是利用了機組內(nèi)部的蓄熱，主要是鍋爐內(nèi)部的蓄熱。因而，利用汽輪機調(diào)節(jié)門控制機組輸出功率的方法只是一種有限的、暫態(tài)的策略。因而，建模的目的以及對模型精度的要求應依據(jù)模型應用的要求而定。如前所述，單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，把機爐 作為一個整體，針對機爐對象的特性，運用反饋、前饋、補償以及多變量解耦等控制理論方法，構(gòu)成功能完備、結(jié)構(gòu)簡單可靠的控制系統(tǒng)。 解耦控制系統(tǒng) 單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是一個多變量控制系統(tǒng)。 對于多變量控制系統(tǒng)，通過變量的配對選擇，可以降低各回路之間的耦合。 多變量被控對象的概念 對于一個具有 n 個被調(diào)量和 n 個調(diào)節(jié)變量的生產(chǎn)過程被控對象，其輸入 輸出特性可由矩陣方程表示： Y= WU （ 41） 式（ 41） 中： 傳遞矩陣 W 中的元素 Wij為被調(diào)量 yi與調(diào)節(jié)變量 uj的傳遞函數(shù)。 若對象的傳遞矩陣 W 可表示 為對角形矩陣，則稱之為無耦合對象。 若對象的傳遞矩陣 W 中每一行和每一列均至少有兩個元素不為 0，則稱之為耦合對象或多變量相關對象，以下簡稱多變量對象。然而，若經(jīng)配對選擇仍存在嚴重的耦合，則需考慮解耦設計，解耦設計的基本原理在于設置一個補償網(wǎng)絡，用以抵消存在于各回路間的關聯(lián)，以使各被調(diào)量能實現(xiàn)單變量控制。 圖 43 串聯(lián)補償結(jié)構(gòu)圖 W={Wij}為被控對象的傳遞矩陣。對于 C 的設計原則，要求使其經(jīng)解耦后系統(tǒng)的等效對象的傳遞矩陣 WB={Weij}為對角矩陣。 串聯(lián)補償法可分為： ○ 1 串聯(lián)前補償結(jié)構(gòu)； ○ 2 帶調(diào)節(jié)器的串聯(lián)前補償結(jié)構(gòu)； ○ 3 串聯(lián)后補償結(jié)構(gòu)。 系統(tǒng)的等效對象傳遞函數(shù)表示為： 圖 44 串聯(lián)前補償結(jié)構(gòu) 圖 實現(xiàn)完全解耦的條件為： W12=G11*R12+G12=0 （ 42） W21=G21+G22*R21=0 由上式可解出補償器的傳遞函數(shù)為： ???????????????????? 2221 121121 122221 1211 11*)( WW WWR RGG GGSW內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設計說明書 23 222121111212GGRGGR???? （ 43） 實現(xiàn)解耦以后系統(tǒng)的等效對象傳遞函數(shù)為： （ 44） 在式（ 44） 中： 由此，可以按照單變量系統(tǒng)設計出調(diào)節(jié)器 R11和 R22。這意味著當出現(xiàn)對象輸入擾動時，仍然會對其它回路產(chǎn)生影響，只能由各自調(diào)節(jié)回路的調(diào)節(jié)作用去消除。推導補償環(huán)節(jié) R12和 R21的傳遞函數(shù)時，以先通過簡單的框圖交換，把系統(tǒng)化為圖 42 所示的結(jié)構(gòu)，有