火电机组协调控制系统探讨与分析

李阳山

（辽宁大唐国际锦州热电有限责任公司，辽宁 锦州121000）

0 引言

协调控制系统是根据火电机组的负荷控制特点，为解决负荷控制中的内外两个能量供求平衡关系而提出来的一种控制系统[1]。它把锅炉和汽轮发电机作为一个整体进行综合控制，使其同时按照电网负荷需求指令和内部主要运行参数的偏差要求协调运行，即保证单元机组对外具有较快的功率响应以及一定的调频能力，维持主蒸汽压力偏差在允许范围内。

主汽压力、汽包水位、主汽温度等参数在负荷时保持相对稳定，来保证火电机组在整个负荷变化范围内有较高的安全性和稳定性，从而保证机组有较高的发电效率[2]。而单元机组的控制系统是一个复杂的多输入多输出系统，其相互依赖、相互制约，一个参数的变化会引起另外多个参数的变化，如机组负荷的变化就会引起主汽压力、主汽温度、汽包水位等一系列参数发生变化，甚至会造成较大的波动，如果不进行协调控制，将很难维持机组参数的稳定，进而影响机组的安全经济稳定运行。

1 协调控制的基本原则

根据被控对象动态特性的分析可知，从锅炉燃烧率及给水流量改变到引起机组输出电功率的变化，此过程有较大的惯性和迟延，如果仅依靠锅炉侧的控制，必然不能获得迅速的负荷响应。而汽轮机进汽调节阀动作可使机组释放或储存锅炉的部分能量，输出电功率会有较迅速地响应。因此，为了提高机组的响应性能，可在保证主蒸汽压力在允许范围内变化的前提下，充分利用锅炉的蓄热能力。通过汽轮机进汽调节阀的适当动作，允许汽压有一定波动而释放或吸收部分蓄能，加快机组初期负荷的响应速度。与此同时，根据外部负荷请求指令加强对锅炉侧燃烧率及相应的给水流量的控制，及时恢复蓄能，使锅炉蒸发量保持与机组负荷一致。这即是负荷控制的基本原则，也是机炉协调控制的基本原则。

2 负荷控制系统基本控制方式

2.1 锅炉跟随控制方式

锅炉跟随控制方式的工作原理是：由锅炉调节器控制汽压，由汽机调节器控制输出功率。当负荷指令变化时，汽机调节器调整调节阀开度，从而改变进汽量，使机组电功率迅速满足负荷要求。调节阀开度改变后锅炉出口汽压随即变化，通过锅炉调节器改变燃料量控制燃烧率。同时，锅炉其它控制系统相应地改变给水量、冷风和热风的送风量。其特点是，在负荷变化时，锅炉蒸汽量之所以能迅速变化，主要是因为从锅炉蓄热量的改变获得了热量，因而机组能比较快地适应电网负荷的要求，但汽压波动较大。对于大容量单元机组来说，由于锅炉蓄热量相对减少，当负荷变化较小时，在汽压允许变化范围之内还能充分利用锅炉蓄热量；但在负荷变化较大时，汽压波动较大，会影响锅炉的正常运行。当单元机组中的锅炉运行正常，而汽轮机出力受到限制时，可采用此种控制方式。

2.2 汽机跟随控制方式

当功率给定值改变时，通过锅炉调节器控制燃料量。待机前压力改变后，再通过汽机调节器控制调节阀开度，使机组输出功率符合功率给定值。锅炉主控制器接受机组负荷指令和实发功率反馈信号，当负荷指令改变时，锅炉主控制器根据负荷偏差改变锅炉子控制系统指令，从而改变锅炉的燃烧率及相应的给水流量，以适应负荷需求。汽轮机主控制器接受主蒸汽压力的给定值和机前实际主蒸汽压力反馈信号，当锅炉侧调负荷或其它原因引起主蒸汽压力变化时，汽轮机主控制器根据汽压偏差，改变汽轮机子控制系统的负荷指令，从而改变进汽调节阀的开度及进汽流量，以维持主蒸汽压力的稳定。由于锅炉侧主蒸汽压力对燃烧率的响应缓慢，在负荷指令改变时，通过改变燃烧率并不能立刻转化为适应负荷需求的蒸汽能量。为提高机组的负荷响应能力，可将负荷偏差信号引入汽轮机侧的控制之中，通过改变汽轮机进汽阀的开度，在锅炉侧响应负荷的迟缓过程中，利用蓄能使机组迅速作出负荷响应。该协调方式是以加大汽压动态偏差为代价来换取负荷响应速度提高的。此种协调控制方式直接由负荷指令控制燃烧率，通过加快锅炉侧的负荷响应速度，使机炉之间的动作达到协调。

2.3 综合型协调控制方式

综合协调控制方式采用“双向”协调，即任一被控量均是通过两个控制变量的协调操作加以控制的。当负荷指令改变时，机、炉主控制器同时对汽轮机侧和锅炉侧发出负荷控制指令，改变燃烧率及相应的给水流量和汽轮机进汽调节阀开度，一方面利用蓄能暂时应付负荷请求，快速响应负荷，另一方面改变进入锅炉的能量，以保持机组输入能量与输出能量的平衡。当主蒸汽压力产生偏差时，机、炉主控制器对锅炉侧和汽轮机侧同时进行操作，加强锅炉燃烧率的控制作用，补偿蓄能的变化，同时适当限制汽轮机进汽调节阀的开度，控制主蒸汽流量，维持主蒸汽压力稳定。

以前馈—反馈复合控制为基础的协调控制系统随着火电机组容量的增大以及热工自动化技术的发展已逐渐形成，汽压偏差和功率偏差信号同时送到锅炉调节器和汽机调节器，在稳定工况下，实发功率与功率给定值相等，机前压力与压力给定值相等。当要求增加负荷时，将出现正的功率偏差信号，通过汽机调节器开大调节阀，增加实发功率，同时，也作用到锅炉调节器，使燃料量增加。当调节阀开大时，会引起机前压力下降，尽管此时锅炉己经开始增加燃料量，但燃料与机前压力通道有一定惯性，仍然会有正的压力偏差信号。这个信号按正方向作用到锅炉调节器，继续增加燃料量，反方向作用到汽机调节器，使汽压恢复到正常值。正的功率偏差信号和负的压力偏差信号作用的结果，会使调节阀开大到一定程度后停止，这时汽机实发功率还没达到功率给定值，因为正的功率偏差信号与负的汽压偏差信号同时通过锅炉调节器使锅炉增加燃料量，随着机前压力逐渐恢复，压力偏差信号逐渐减小，汽机调节阀在正的功率偏差信号作用下继续开大，提高实发功率，直到功率和汽压等于给定值，机组达到新的稳定状态。

在机组适应负荷变化动态过程中，协调控制方式允许汽压有一定波动，以便能充分利用锅炉的蓄热量(在一定限度内)，使机组能较快地适应电网的负荷要求。由于锅炉调节器接受功率偏差前馈信号，能够迅速地改变燃料量，可使机组功率较快地达到功率给定值。因此，综合型协调控制方式，能较好的保持机组内、外两个能量供求的平衡关系，既能使机组较快地适应电网的负荷要求，又能确保汽压的波动在允许的范围之内，具有较好的负荷适应性能以及良好的汽压控制性能，是一种较为合理和完善的协调控制方式。

3 结论

本文分析了火电机组协调控制系统“炉跟机”、“机跟炉”和“机炉协调”三种控制方式，无论是何种协调控制方式，都是从处理“快速负荷响应和主要运行参数稳定”这一对源于机、炉动态特性差异的矛盾出发而设计的。火电机组协调控制系统延伸了人的信息获取、处理和决策控制的功能，提高了生产水平、生产能力和劳动生产率，保证了火电机组运行的安全性和经济性。因此，优化电厂的协调控制策略使火电机组控制技术走向成熟是一重要课题。

［1］姚远，冯新江.浅谈单元机组的负荷自动控制[J].江西电力职业技术学院学报，2007，5：15-20.

［2］刘铁祥.火电厂经典协调控制方案的探讨[J].国内外机电一体化技术，2005.