第7章单元机组负荷自动控制系统new.docx

第七章 单元机组负荷自动控制系统
§ 7-1 引言
母管制：汽机与锅炉之间无一一对应关系，汽机和锅炉的负荷控制系统是各自独立的。
汽机的调节系统按负荷要求改变调节阀的开度；
锅炉的汽压控制系统按汽压改变燃料量。
单元制：一台汽机配一台锅炉，对锅炉和汽机进行统一控制，共同适应电网的负荷要求。
负荷控制系统与燃烧控制系统的关系：
以炉跟机为例说明：

负荷控制系统：主要是设计功率调节器或汽压调节器，或各种可能的组成方案。而汽压调节器的输出L则作为燃烧系统的负荷要求信号。
燃烧系统是协调系统的一个下级系统：在燃烧系统中，当L变化时，B、V、VS能共同协调地变化，也就是L能改变锅炉的燃烧率μB。
协调控制系统投入的基础：是各子系统必须投入自动。
负荷系统的基本任务：当负荷指令改变时，如何协调动作μB和μT，使发电机组的实发功率快速适应负荷的需要，同时保证机组的稳定性。
单元机组负荷控制系统有三种：
1. 炉跟机的负荷调节方式
2. 机跟炉的负荷调节方式
3. 机—炉协调控制方式
前两种运行方式是基本的运行方式，协调控制方式就是在这两种基本方式的基础上进行改进的。
§ 7-2 单元机组负荷自动控制系统
一、 单元机组的动态数学模型
被控对象包括锅炉和汽轮机本身的系统：

两个输入量：
μB：锅炉负荷指令，在燃烧子系统投入自动的情况下，燃烧率与之成正比，即μB为锅炉的燃烧率。
μT：对汽机的负荷要求指令，一般情况下，汽机调节阀（液压调节系统）的开度与之成正比，一般情况下，是指汽机调节阀的开度变化。
两个输出量：
NE：单元机组的输出电功率；
PT：机前蒸汽压力，或称节流压力。
WPB(s)、WNB(s)——当汽机调门开度不变时，燃烧率指令μB变化引起机前压力PT和输出功率NE改变的传递函数。
WPT(s)、WNT(s)——当锅炉燃烧率指令不变时，汽机调门开度μT变化引起机前压力PT和输出功率NE改变的传递函数。
各传递函数的阶跃响应曲线如下：

对象特点：锅炉和汽机的动作速度相差较大，即μB变化引起PT、NE变化时有较大的迟延和惯性；而当μT变化时，PT、NE基本上马上进行变化，在设计协调控制系统时，必须充分注意这种一快一慢的特点。

二、 单元机组负荷自动控制系统的组成

1. 负荷指令处理回路
主要任务：是根据机炉的运行状态，将外部的负荷要求处理为机组可以接受的功率给定值N0。
外部负荷指令通常有：
(1) 电网中心调度所的负荷分配指令；ADS——中调指令；
(2) 机组运行人员的负荷指令；
(3) 电网频率自动调整的指令。
2. 机组主控回路
任务是：根据负荷处理后的指令N0，协调地向机炉各子系统发出指令μB和μT，使机组的实发功率迅速跟踪N0的变化；并保证机组的稳定性。（必须使主蒸汽压力在规定的范围内变化）
三、 负荷指令处理回路设计

外界对机组的负荷要求：机组值班员指令、中调指令和电网频率信号的综合反映；
机组功率运算回路：将这一负荷要求处理成机组可能接受的功率指令；
负荷运算回路：根据机组状况对机组允许承担的负荷进行估计；

1. 功率指令运算回路
(1) 机组运行人员手动给定指令
机组值班员发出的功率给定指令一般近似于阶跃形式，而这种形式的指令时机组多不能接受的。所以，需进行处理，即成为以一定速度变化而最终等于给定值阶跃值的信号。
机组运行人员通过定值器发出阶跃信号μ3（增负荷），减法器4的输出为μ3-μ7，比例器5的输出：μ5=K(μ3-μ7)。因为K一般很大，双向限幅器的输出μ6=μ15（限幅值）（当加负荷时）或μ6=-μ16（当减负荷时）。

所以积分器的输出：
。
所以μ7是一个与时间t成正比，变化速度为的斜坡信号。随着μ7的不断↗，μ3-μ7不断减小，当到达某一时刻t1，总有K(μ3-μ7)＜μ15，这时限幅器将不起作用。

所以μ3阶跃变化时，μ7的变化过程分为二段：第一段0→t1，以斜率直线上升，t1之后，以一定的惯性上升，如下图：

(2) 中心调度所的功率指令
通常希望机组能尽快满足中心调度所的负荷要求，所以对由中心调度所来的阶跃形式指令处理时，需求形成一个机组能够接受的有一定阶跃值的斜坡信号，即处理为：

实现回路见下图

图中，红框所示回路与运行人员的手动运算回路完全一样。因此有：
当μ14＞限幅器19的限幅值时，μ19的起始阶跃值=限幅值。
当μ19≤限幅值时，μ19=μ14，（见曲线图，μ19）
(3) 电网频差产生的负荷指令修正
为什么要用频差来修正负荷指令？
对于采用液压调速系统的汽机，它的调节机构有一种功能，当电网频率发生变化时，汽机调节阀立即自动地成比例改变，以部分适应电网负荷的变化需要。既然汽机能自动地增加一部分负荷，那么负荷指令中也应该增加这个增加量。否则，由于负荷指令未变，机组的实发功率将被拉回到给定值。
频率信号f对负荷的修正量如下图所示：

但对负荷的修正量必须在允许的限值以内，即决定于机组的富裕力（机组可能达到的最大出力减去机组的功率指令N0）。

2. 机组实际可能出力的计算回路
功率指令运算回路：将三种外界负荷要求信号处理或机组能够接受的功率指令信号。
(1) 运行人员手动给定
(2) 中调指令ADS
(3) 对功率的校正

机组的负荷指令不能超过机组的实际可能发出的功率；
机组实际可能发出的功率又与机组当时的投运情况有关系。
⑴机组最大可能出力的估计；⑵ 机组实际可能出力的计算。
(1) 机组最大可能出力的估计
机组的最大可能出力：与各种辅机投入运行的台数有关。显然，辅机投入的数量多， 可能的出力就大，反之，则小。
计算方法：对于某一种辅机，假定在满负荷时（100%）需投入n台，而目前只投入了m台，那么，对这种辅机来说，最大出力。显然，将所有辅机的最大出力计算出来，然后取小，就是机组的最大出力。
主要辅机有：燃烧器、空预器、给水泵、送、引风机、凝结水泵、一次风机、给煤机等。
最大出力的变化率限制：为了防止机组最大可能出力信号突变（当辅机跳闸）。

(2) 机组实际可能出力的计算
燃烧率的偏差信号：监测风机挡板卡死，燃烧器堵塞等故障（会影响到机组的实际出力）；
燃烧率的偏差：=锅炉的燃烧率指令-实际的燃料量（B）（或者用热量信号QDZ）。
一般认为：当，不可测故障存在，机组实际可能出力＜最大可能出力。
当，不存在不可测故障，实际出力=最大出力。
实际可能出力计算回路就是要完成上面两个任务。

比例偏置环节，。与减法器不同。
切换器，开关量：
高值监控制器。当x>某一值，开关量“ON”；反之，开关量“OFF”。
限幅器：。
(i). 时（锅炉没有不可测故障）

由于积分器的输入信号＞0——积分器输出↗（最终，输出＞Nmax’）
但由于限幅器作用，，所以。——高值监视器不动作——切换开关5不动作。
(ii). 时（认为锅炉存在不可测故障：主要是燃烧系统存在不可测故障）
积分器输出不断减小
最终，输出<Nmax’积分器输出小选，Nmax=积分器输出，即。
↗——31高值监视器动作——切换器5动作————更大——更负，积分下降更快——下降更快。
如果一定时间，就要切换机组的运行方式。

四、 机炉主控制器的设计
任务是：根据功率指令N0，如何协调地改变燃烧率指令μB和汽机调门开度μT，使机组的实发功率NE快速地跟踪功率指令N0，同时保证机前压力PT在有限的范围内变化（保证机组的稳定性）。
μB和μT的调节方式有以下三种：
(1) 炉跟机的负荷调节方式；
(2) 机跟炉的负荷调节方式；
(3) 机—炉协调调节方式。
前两种运行方式是基本的运行方式，协调控制方式是在这两种基本方式的基础上，加以改进的。
1. 炉跟机

KB(s)：锅炉主控制器的传递函数；
KT(s)：汽机主控制器的传递函数；
动作过程：
N0↗—△N↗—汽机侧调节器KT(s)首先动作—μT↗：
①μT↗（初始由于燃烧率未变，主要靠锅炉释放虚热）—NE↗；
②μT↗—PT↘—KB(s)动作—μB↗—NE↗。
调节结束后：NE=N0，PT=P0。
系统的特点：当N0↗时，由于利用了锅炉的蓄热，机组的输出功率上升较快，但由于锅炉释放了蓄热，因此，机前压力PT迅速下降，动态偏差较大。
2. 机跟炉

动作过程：
N0↗——△N↗——锅炉侧调节器KB(s)首先动作——μB↗：
①μB↗——PT缓慢↗——△P<0——μT↗——PT快速↘、NE↗；
②μB↗——NE↗（由于锅炉惯性大，上升较慢）。
调节结束时，同样能保证：NE=N0，PT=P0。
特点：当N0变化时，首先改变锅炉的燃烧率，由于锅炉的惯性大，因此，NE变化慢，机组适应负荷变化的能力较差；而另一方面，这种运行方式使机前压力PT的波动较小。
单元机组的协调控制系统可以在这两种基本反馈系统的基础上加以改进而成：
(1) 炉跟机：以锅炉跟随为基础的协调控制系统；
(2) 机跟炉：以汽机跟随为基础的协调控制系统。
3. 以锅炉跟随为基础的协调控制系统

炉跟机的特点：⑴输出功率NE响应速度较快——优点保持；⑵汽压变化大——需要改进。
改进设想：由于汽压变化大，系统应该能够防止|PT-P0|在动态过程中出现太大的动态偏差。设想：ⅰ. △P变化过大，是由于μT变化过大引起的，因此，当△P超过一定值时，必须要限制μT的进一步变化；ⅱ. 在μT变化的同时，没有及时变化μB，必须要使μB及时变化。
改进措施：
ⅰ. 采用非线性元件限制PT的动态偏差；
PT-P0>△——通过非线性元件，限制了汽机进汽阀进一步开大——从而限制了进一步扩大；
反之，PT-P0<-△——通过非线性元件，限制了汽机进汽阀进一步关小——从而限制了PT-P0进一步减小。
ⅱ. 以N0作为前馈信号，及时改变μB。
显然，当N0↗时，在快速μT↗的同时，μB也快速上升。
——△P较小，NE的跟踪速度更快。
4. 以汽机跟随为基础的协调控制系统
在机跟炉的基础上加以改进：

机跟炉特点：在功率指令N0变化时，实发功率NE的响应慢，而汽压变化小。
NE响应慢的原因：是锅炉具有较大的惯性和迟延；即当μB变化时，NE、PT的变化有较大的惯性。
改进设想：
(i). 当N0变化时，使μB的变化更快，以补偿锅炉的惯性。
措施：以N0的比例微分作为μB的前馈信号。
(ii). 当N0↗时，如果锅炉能放出一部分蓄热，则能加快实发功率NE的响应速度。要利用锅炉的蓄热，就应该有意识地让汽压在允许范围内变化。
措施：采用非线性元件，有意改变汽压设定值。
当N0-NE>0（加负荷时）时——降低汽压的定值——通过汽机调节阀，μT↗——迅速增加NE（利用锅炉蓄热）；
N0-NE<0（减负荷时）时——提高汽压设定值（贮存部分蓄热）——通过汽机调节器，μT↘——迅速减小NE。

五、 几种典型的协调控制系统的分析
下面就国内几种典型的协调控制系统进行简要分析：
1. 大港电厂Bailey 820系统

分析：
⑴ 系统可看作是以机跟炉为基础的协调控制系统。
⑵ 锅炉侧的燃烧率指令μB为：

第一项：是N0经PD环节对μB的前馈控制信号。作用：当N0变化时能加强μB的快速变化，以补偿锅炉的惯性；
第二项：是锅炉积分器的输出信号，I接受功率偏差N0-NE，调节结果使得稳态时NE=N0；
第三项：由汽压信号P0-PT经比例调节器产生，主要用于补偿由于压力变化而引起的蓄热变化。
⑶ 汽机侧的调门开度变化指令μT为：

第一项：是当输入信号为P0-PT时，汽机侧主调节器的输出信号。调节结果使稳态时PT=P0，达到压差无偏调节的目的；
第二项：是非线性环节输出引起的μT变化信号，它的作用是当功率指令N0变化时，改变汽压设定值，使汽机调门开度及时变化，从而利用锅炉的蓄热，快速改变机组的输出功率。
2. 宝钢电厂1100系统

(i). 系统可看作是炉跟机为基础的协调控制系统。
(ii). 汽机调门开度变化指令μT：

第一项：是汽机调门开度的前馈信号，作用是加快μT的变化，从而加快输出功率的响应速度；
第二项：是以N0-NE为输入的PI输出信号，作用是调节结果使得稳态时NE=N0；
第三项：是非线性环节的输出信号，①当△P在死区时，输出为0，②当△P超过死区时，非线性环节立即输出一个信号去改变汽机调门的开度，以维持压力在允许范围内变化。作用是当汽压得变化超过一定的范围时，可限制汽机调门的进一步变化。
(iii). 锅炉侧燃烧率指令μB

第一项：是功率指令N0对锅炉侧μB控制的前馈信号，作用：当N0变化时，能加快加强μB的变化，以补偿锅炉的惯性和迟延。
第二项：是以P0-PT为输入的PID的输出信号，作用：稳态时，PT=P0。

3. 石横电厂300MW考核机组协调控制系统

(i). 该系统可看作是以炉跟机为基础的协调控制系统。
(ii). 汽机调节阀开度变化指令μT：

第一项：是前馈信号，作用：加快功率响应速度；
第二项：是调节器输出，动态时校正功率偏差，保证稳态时，NE=N0。
(iii). 锅炉侧燃烧率控制指令μB：

第一项：主要作用是压力校正，调节结果使得稳态时PT=P0；加入(D)是为了加强锅炉侧的动作速度；
第二项：P1[1+K2(P0-PT)]代表了汽机对锅炉的能量要求信号，代表了进入汽机的能量信号，其中P1是汽机第一级后的压力。汽机消耗的能量只有向锅炉要，也即改变μB，这项称为锅炉的前馈信号，作用也是加快锅炉动作，以补偿锅炉的惯性。
锅炉的前馈信号选择：
炉跟机为基础的协调控制系统：如何加快锅炉侧的动作是获得良好调节品质的关键。加快锅炉动作就是加入前馈信号。

信号x：一般取①功率指令N0；②汽机向锅炉的能量要求信号。
这两种方式目前都有采用，但一般认为第二种更合理：
采用N0作前馈：当N0变化时，由于汽机侧发生某些故障未动作，照理锅炉侧也不动，但采用了N0前馈，μB改变，从而引起主汽压力变化；
采用汽机能量要求信号：汽机未动，能量要求信号不变，μB也不变。
汽机对锅炉的能量要求信号：①Forboro公司采用P1[1+K2(P0-PT)]；
②L&N(Leeds and Northrup)公司采用P1P0/PT。
实际上，这两个公式近似相等：

当PT变化较小时，1/PT近似常数K。
P1/PT实际上反映了汽机调节阀开度μT的变化；显然P1P0/PT也反映了由于调节阀开度变化所引起汽机输入能量改变，这部分能量要向锅炉要。

4. 美国Leeds and Northrup公司的直接能量平衡（Direct Energy Balance）协调控制系统，简称DEB系统。
L&N公司在电站自动控制方面具有很强的实力：

由于汽机侧本身动作很快，P1反馈后形成串级控制，可能效果改善不是很大，故在实际设计中取消P1反馈及N0反馈。
(i). 该系统可看作是炉跟机为基础的协调控制系统。
(ii). 汽机侧是以P1作为导前反馈信号的串级系统：
P1的反馈：实际上是蒸汽流量信号的反馈，因此，P1在某种程度上，提前反映了机组实发功率NE的变化，但显然快于NE的变化，故可减小NE的动态偏差。
外回路：PI调节器接受功率偏差(N0-NE)，目的是动态时校正功率偏差，使在稳态时，能有N0=NE。
前馈信号：N0经PD对μT的前馈信号，目的是为了加快汽机的动作速度，最终加快输出功率的响应速度。
(iii). 锅炉侧
主调节器PID：接受两个信号：① 汽机能量要求信号的比例微分，PD可取，②反馈信号为锅炉的热量信号。
稳态：PID调节器的目的是使这两个信号尽快达到平衡，这里有个问题，对于炉跟机为基础的协调控制，锅炉侧控制的目的是使压力在稳态时PT=P0，那么维持上面能量信号平衡，能否保持PT=P0？
PD在稳态时输出：P1P0/PT（微分环节稳态时，输出为0）。
热量信号稳态时：P1（稳态时，dPb/dt=0）
所以稳态时，有P1P0/PT = P1，即P0/PT =1，PT=P0。

思考题
1. 单元机组负荷主控系统有哪两个组成部分？各部分的主要作用？
2. 负荷指令处理回路（装置）的组成及各部分的主要功能。
3. 单元机组协调控制系统有哪几种运行方式？各种运行方式有何特点？
4. 试画出当μB、μT分别作阶跃变化时，PT和NE的阶跃变化曲线。
5. 如何分析一个典型的协调控制系统？
6. 什么是基于能量直接平衡的协调控制系统？它是如何保证在稳态时，机前压力等于设定值的？

总复习
一、 三个为主
以上课笔记为主，以基本概念为主，以基本方法为主
二、 基本概念题（给出18题，任选14题）
共50～60分，采用问答形式，主要参考平时的思考题。
三、 基本方法
分析与整定题，共占40～50分（5选4）
1. 系统→原理方框图
2. 给定了一个系统，整定一组参数
(i). 对二阶系统，用；
(ii). 超过三阶，用临界比例带法
如何确定系统等幅振荡时的比例带和振荡周期。
3. 分析一个系统的工作过程
分析整定以汽温、给水、燃烧（送、引风系统）。协调为主。