火电机组协调控制系统控制方法研究
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【摘 要】火电机组协调控制系统动态特性复杂，具有强烈的耦合性、非线性和延迟性，其被控对象为三输入三输出，虽然机、炉本身都配有调节系统，但它们运行特性的不同，直流锅炉对负荷的响应速度慢，滞后和延迟都很大，而汽轮机的惯性相对要小得多，机、炉之间的运行特性和反应速度的差异性要求直流锅炉与汽轮机必须保持协调运行。
【关键词】超临界机组；协调控制；协调控制协调的方式
0 引言
火电机组尤其是超临界机组惯性小、蓄热能力小、易超压超温，其控制品质会直接影响机组的安全、稳定、经济运行，其控制对象存在强烈的非线性、耦合性、分布性等特点。在超临界机组中，给水一次性经过加热段、蒸发段和过热段，三个受热面的边界和长度均不固定，吸收烟气侧工质的传热转变为过热蒸汽，而过热蒸汽的流量取决于给水流量与给煤量。因此，超临界机组的负荷控制与给水控制和燃料量控制密切相关，当直流锅炉三个受热面的边界和长度发生改变即蒸发点移动时，可能导致过热蒸汽温度的剧烈波动，对于超临界直流锅炉的这种敏感性以及各系统之间的强耦合性、非线性，准确、及时地控制好超临界锅炉过热蒸汽汽温是必要的。本文从超临界机组协调控制系统的结构及特点着手，详细阐述超临界机组协调控制的三种不同方案即锅炉跟随控制方式、汽轮机跟随控制方式和机炉协调控制方式的优缺点及选择原则。为超临界机组协调控制的实际操作提供一些理论指导。
1 超临界火电机组协调控制系统的结构及特点
超临界火电机组直流锅炉汽水系统具有独特的一次性通过且瞬间完成水汽状态转换的特点，蓄热能力低，缓冲作用小，使其被控对象比汽包炉更难进行稳定控制。超临界火电机组多变量的控制特点和汽水系统运行特性对控制系统要求更高，相对于汽包炉其协调控制系统有如下特点：
（1）对于超临界直流锅炉具有没有汽包的独特结构，炉体金属量小，锅炉内汽水总容积小，锅炉蓄能量相应也较小，金属和工质的蓄热量以热量储量和工质储量形式存在，随着负荷的改变呈现非线性变化。相对于汽包炉而言，超临界直流锅炉的整体蓄热量比较小，通常只为汽包炉的1/2～1/4，因此其负荷调节比较灵敏，可以快速响应锅炉启停和负荷变化。同时，由于锅炉的蓄热量比较小，变动负荷对汽压的影响比较大，因此，机组变负荷性能比较差，汽压波动比较大。
（2）对于汽包炉而言，汽包具有对负荷的缓冲作用，消弱了给水泵与汽水管路之间的耦合作用，使汽温、给水、燃料系统可以简单的独立控制；而超临界直流炉汽水系统直接相连，直流炉最显著的特征是一次汽温的控制与煤水比控制有密切关联，使机炉输入输出参数之间具有较强的耦合性。机组的输入参数包括给水量、给煤量、汽机调门开度等其中一个参数变化均会使输出参数主蒸汽压力、机组输出功率、中间点焓值等发生改变。
（3）超临界直流炉中的给水依次经过水冷壁中的热水段、蒸发段、过热段一次性瞬间实现水汽转换，随着给水量、给煤量、汽机调门开度等参数的变化这三段受热面不断变化，没有固定的分界面；同时，在不同的工况下，蒸发点在三个加热段内不断变动。因此，为了保证过热蒸汽温度、主蒸汽压力、中间点温度等参数的稳定，对给水量、送风量、给煤量等参数的调节要求更高。
（4）随着工况的改变，工质压力在超临界、亚临界的压力范围内变化，其工质在各个加热区段的比热、比容、热焓等参数也随之变化，则超临界火电机组会出现明显的非线性。超临界直流锅炉中工质采用强制循环方式，工质流速快，因此，协调控制系统有效地保持负荷、燃烧率、煤水比与送风、给煤量、给水量之间稳定的平衡关系是必要的。
（5）直流炉大多采用直吹式制粉系统，燃烧系统具有更大的滞后和时延性，机组响应速度慢，机炉协调控制更为困难。
（6）超临界直流炉多变量的控制特点：非线性耦合的MIMO被控对象存在于输入输出参数之间，任一个变量的改变将对其它参数产生影响，超临界直流锅炉是一个输入输出参数存在耦合关系的三输入三输出被控对象。
2 协调控制系统的基本方案
超临界机组协调控制系统被控对象的被调量为实发功率N和主汽压Pt，调节量为燃料量M和调门开度μT，其协调控制方案有三种，分别为锅炉跟随控制方式、汽轮机跟随控制方式和机炉协调控制方式。
2.1 锅炉跟随控制方式（BF）
BF控制方式是由汽轮机控制器通过改变汽机调门开度来控制超临界机组的实发电功率，锅炉控制器通过改变燃烧率来调整主汽压力，所以也称该方式为汽轮机基本负荷控制方式。
汽轮机控制器根据机组实发电功率Pe与负荷指令P0的偏差信号运算，通过输出指令变化来改变汽机调门开度，进而改变进汽量使Pe迅速满足负荷指令P0的要求。当汽机调门开度μT变化时，机前压力pT随之变化而偏离其给定值p0，两者的偏差信号经锅炉控制器运算，通过输出指令改变进入锅炉的燃料率，当pt=p0时，燃料调整结束。该方式可以有效利用锅炉的蓄热量，因此具有良好的外界负荷响应能力；但当负荷指令P0变化较大时，将引起机前压力pt的剧烈波动，进而影响机组的安全运行，因此必须限制机组负荷指令的变化幅度和速度[2]。
2.2 汽轮机跟随控制方式（TF）
与BF控制方式相反，TF控制方式以汽轮机控制器控制主汽压，而锅炉控制器控制实发功率，所以也称该方式为锅炉基本负荷控制方式。
当外界负荷指令变动时，锅炉控制器根据P0与Pe的偏差信号运算，通过输出信号改变进入炉膛的燃料量M，机前压力pt随之变化，汽轮机调节器根据pt与P0的偏差信号运算，通过输出信号改变进汽量，机组实发功率Pe变化，直到实发功率Pe等于负荷指令P0。该方式的优点是主蒸汽稳定，有利于机组的安全稳定运行，但锅炉侧的大惯性和延迟，使得超临界机组的负荷响应能力较差。
2.3 机炉协调控制方式（CCS）
由于直流锅炉和汽轮机之间的平衡依靠惯性较大的汽压信号，锅炉跟随控制方式过多调用蓄热导致汽压的剧烈波动，而汽轮机跟随控制方式不能调用蓄热导致负荷响应速度慢，因此两种方式均不能较快消除机、炉之间的不平衡，从而不能同时满足快速响应外界负荷变动以及主汽压变化较小的要求。
当外界负荷需求增加即负荷指令增大时，正的偏差信号（P0-Pe）通过汽轮机控制器开大调节阀增大进汽量，机组实发功率增加；同时该偏差信号也作用于锅炉控制器增大燃料量，以及与之相应的送风量、引风量等。当汽轮机调节汽门开大时，会导致引起机前压力pT下降，由于锅炉侧的惯性，虽然增加了燃料量，还是会出现正的压力偏差 （P0-Pc）。该信号正方向作用于锅炉控制器以继续增加燃料量，同时反方向作用于汽轮机调节器，抑制汽轮机调节汽门开度的增大，共同作用使压力恢复到给定值。正的功率偏差信号和负的压力偏差信号同时通过锅炉控制器增加燃料量，随着机前压力逐渐恢复，压力偏差信号逐渐减小，汽轮机控制器在正的功率偏差作用下继续开大汽轮机调节阀，提高实发电功率，直到功率和汽压均达到给定值，机组达到新的稳定状态。该方式在动态调节过程中，锅炉调节器和汽轮机调节器根据外界负荷要求同时动作，有利于机炉的动态能量平衡，因此能够在快速响应外界负荷要求的同时，确保主汽压的较小变动[3]。
3 结论
由于超临界机组与汽包炉协调控制系统的差异性，电厂热工控制系统对其自动化的要求更为严格，而电厂常用的协调控制系统的方式为锅炉跟随方式、汽机跟随方式和机炉协调控制方式。三个协调控制方式各有优缺点，应该根据机组实际运行情况选择不同的协调控制方式。
【参考文献】
[1]毕艳洲.超临界直流炉给水控制系统的研究与分析[D].河北：华北电力大学， 2010.
[2]谷俊杰，李建强，高大林，等.热工控制系统[M].北京：中国电力出版社，2011.