什么是机跟随、炉跟随-协调控制系统学习

第一节　　协调控制系统的基本概念

一、基本概念

当前随着大型发电机组的日益增多，大容量机组的汽机和锅炉都是组成单元制热力系统。

单元机组在处理满足负荷要求并同时维持机组主要运行参数稳定这两个问题时，是将机炉作为一个整体来看待的。然而汽机、锅炉实际上又是相对独立的，它们通过各自的调节手段，如汽轮机调节阀开度、锅炉燃烧率，满足电网负荷的要求并保持机组主要参数（主蒸汽压力）的稳定，但它们的能力不尽相同，差异较大。若在单元机组控制系统的设计中，充分考虑它们的差异，以及各自的特点，采取某些措施（如引入某些前馈信号、协调信号），让机炉同时按照电网负荷要求的变化，接收外部负荷的指令，根据主要运行参数的偏差，协调地进行控制，从而在满足电网负荷要求的同时保持主要运行参数的稳定。这样的控制系统称为协调控制系统。

由上图，协调控制系统是由负荷指令处理回路和机炉主控制回路这两部分组成。负荷指令处理回路接受中央调度所指令、值班员指令和频率偏差信号，通过选择和运算，再根据机组的主辅机实际的运行情况，发出负荷指令。机炉主控制回路除接受负荷指令信号外，还接受主蒸汽压力信号根据这两个信号的偏差，改变汽机调节阀的开度和锅炉的燃烧率。

二、协调控制系统的分类 

目前，各种不同单元机组协调控制系统的设计，都是从处理快速负荷响应和主要参数运行稳定这一矛盾出发的，一般协调控制系统可按反馈或前馈回路的不同进行分类。

（一）、按反馈回路分类

按反馈回路分类可以将协调控制系统分为以汽机跟随（锅炉基本）为基础的协调控制系统和以锅炉跟随（汽机基本）为基础的协调控制系统。

1、以汽机跟随（锅炉基本）为基础的协调控制系统：

如上图所示，汽机跟随（锅炉基本）控制系统构成包括汽轮机侧的主蒸汽压力控制系统和锅炉侧的机组功率控制系统。锅炉调节器WT2(S)接受功率给定和功率反馈信号，当机组负荷发生变化时，首先通过锅炉调节器WT2(S)控制燃料量（此时给水和送粉也应相应调整）。待机前压力PT改变后，再按机前压力与给定值的偏差，通过汽机调节器WT1(S)改变汽轮机调节阀的开度，从而改变机组功率。显然，由于锅炉侧调节有较大的惯性，且汽轮机侧保持主汽压力稳定时没有利用机组蓄能，所以在负荷需求变化时机组响应较慢，但采用汽机的调节阀来控制主汽压力，使汽压波动较小。

汽机跟随（锅炉基本）为基础的协调控制系统，可以在汽机调节器前，加入功率偏差的前馈信号，其原理是利用锅炉的蓄能，同时允许汽压在一定范围内波动。如图11-2所示，功率偏差信号（P0－PE）可以看作是暂时改变的汽机调节器的给定值，当（P0－PE）0时，汽压给定值降低，汽机调节器发出开大调节阀的指令，增加输出功率，反之亦然，当F(x)＝0时，前馈作用不存在。

2、以锅炉跟随（汽机基本）为基础的协调控制系统：

如上图1所示，锅炉跟随控制系统其基本构成也包括两个反馈调节系统，即汽机侧的机组功率控制系统和锅炉侧的主汽压力控制系统。其基本工作原理是，汽机调节器WT1(S)接受功率给定值与实发功率反馈信号，根据它们之间的偏差，调节汽机调节阀开度，从而改变进汽量使发电机输出功率迅速满足负荷要求。锅炉调节器WT2(S)接受机前压力定值与机前压力反馈信号，根据它们之间的偏差，调整燃料量从而保证主汽压力的稳定。由于机组功率对汽机侧调节作用的响应迅速，当负荷要求变化时，本系统通过改变汽机调节阀开度，充分利用机组蓄能，就可以得到机组功率的快速响应。但是，这是以牺牲主汽压力的稳定为代价的，又因为在锅炉侧的调节作用下，主汽压力的响应有较大惯性。所以，在锅炉跟随系统中，快速的功率响应和较大的主汽压力偏差是同时存在的，这就是锅炉跟随系统的特点。

为了减小主汽压力的波动，以锅炉跟随（汽机基本）为基础的协调控制系统可以采用机前压力的定值与机前压力的反馈值之间的偏差信号，通过函数模块F(X)，作用在汽机调节器的输出端。当汽压偏差超过非线性模块的不灵敏区时，汽机调节器发出的调节阀开度指令将受到限制。

（二）、按前馈回路分类

单元机组负荷控制系统的任务之一是保证汽机锅炉之间能量供求关系的平衡，为了改善控制系统的性能，增设了前馈回路，使能量的失衡限制在较小的范围之内，下面介绍两种基本的前馈回路方案。

1、按指令信号间接平衡的协调控制系统：

下图是指令信号间接平衡协调控制系统的原理图，系统的特点是用指令间接平衡机炉之间的能量关系，属于以汽机跟随为基础的协调控制系统。

汽机调节器PI的任务是维持机前压力PT 等于给定值P0，但在负荷变化过程中，要利用功率偏差（P0－PE）信号修正汽压给定值，以便利用锅炉的蓄热量。

由图可见，汽机调节器入口输入信号的平衡关系为：

（1+S）P0 －PE＋KP（pT－p0）＝0

式中：S－－微分算子

　　  KP－－加法器中比例系数

稳态时为：

由此可见，汽机功率控制回路实际上是一个汽压控制系统，功率的偏差信号是汽机调节回路的前馈信号，它用来修正压力给定值。当功率给定值P0 增加时，实际压力给定值低于给定值p0，调节器将发出开大调节阀指令，增大实发功率。

锅炉燃烧率指令送往锅炉各子系统（燃料和送风系统）。由上图可见，燃烧率指令PM 为：

显然，功率定值P0 的比例微分是前馈信号，微分在动态过程中加强燃烧率指令，以补偿机炉之间对负荷响应速度的差异，稳态时汽压偏差（p0－pT）信号为零，它在动态过程中有适当修正燃烧率指令的作用。功率偏差的积分项用来校正燃烧率指令，以保证机组的功率偏差和汽压偏差在稳态时都为零，其校正过程是通过锅炉和汽机两个回路完成的。

2、能量直接平衡协调控制系统： 

上是这种控制方案的原则性系统原理框图，这个系统属于以锅炉跟随为基础的协调控制系统。这种系统的主要特点是采用能量平衡信号p1 / pT  取代功率给定信号P0，作为控制回路的前馈信号，其中p1  为汽机第一级后压力，两者的比值p1 / pT与汽机调节阀开度成正比，无论什么原因引起的调节阀开度变化，p1 / pT 都能对调节阀开度的微小的变化作出灵敏的反应。所以，无论在动态还是静态，p1 / p T 都能反映调节阀的开度，即汽机输入能量。

汽机调节器输入信号的平衡关系为：

由上式可见，汽机控制回路功率给定值P0的反馈信号是p1，因p1对汽机调节阀开度的响应比实发功率灵敏得多。故汽机调节阀能迅速而平稳地响应功率给定值的变化。

锅炉燃烧指令PM为：

燃烧率指令的前馈信号是能量平衡信号p1 / pT ，式中微分项在动态过程中加强燃烧指令，以补偿机炉之间对负荷要求响应速度的差异。由于要求动态补偿的能量不仅与负荷变化率成正比，而且与负荷水平成正比，所以微分项要求乘以p1 / pT  值，汽压偏差积分项保证了稳态时能消除压力偏差。

能量平衡信号与功率给定信号性质不同。后者仅表示电网对机组的负荷要求，前者反映了汽机对锅炉的能量要求，这就为机炉之间动态过程中协调控制两个控制回路的工作提供了一个比较直接的能量平衡信号。与指令信号间接平衡的协调系统相比，锅炉控制回路的前馈信号无论是动态还是静态的精度都比较高，整定也比较方便。

通过上述分析介绍，我们不难看出，采用以锅炉跟随为基础的能量直接平衡协调控制系统，在快速适应负荷要求，以及克服系统内部扰动方面，都有比较大的优势，是目前诸多协调控制方案中较好的一种。

三、协调控制系统的作用

协调控制系统由负荷指令处理回路和机炉主控制回路这两大部分组成，它们各自的作用分别介绍如下：

（1）负荷指令处理回路接受的外部指令是电网调度所的负荷分配指令、机组运行人员改变负荷的指令、电网频率自动调整的指令。根据机组运行状态和电网对机 组的要求，选择其中一种指令或两种以上指令。

（2）限制负荷指令的变化率和起始变化幅度。

（３）限制机组最高和最低负荷。

（４）甩负荷保护。

（５）根据机组的辅机运行状态，选择不同的运行工况。

２、机炉主控制回路的作用

（１）接受经过处理的负荷指令P0，对锅炉调节系统和汽机调节系统发出协调的指挥信号－－锅炉指令PB和汽机指令PV。

（２）根据机组输出功率与负荷要求之间的偏差，决定不同的运行方式。

四、协调控制系统的运行方式

协调控制系统的设计不同，所供选择的工作方式也有所区别。但是，一般协调控制系统都具有下列五种工作方式：

（１）方式I－－机炉协调控制方式

单元机组运行情况良好，带变动负荷时采用这种方式。这时机炉参加电网调频，调度所可以直接改变机组负荷，机组运行人员也可以改变机组输出功率，机炉自动调节系统都投入运行。

（２）方式II－－汽机根随锅炉而汽机输出功率可调方式

这种调节方式时，锅炉、汽机自动系统都投入，但机组不参加电网调频，调度所也不直接改变机组的负荷。只有机组运行人员可以改变机组的给定功率，机组输出功率能自动保持等于给定功率。

（３）方式III－－汽机跟随锅炉而机组输出功率不可调节方式

这时汽机运行正常，锅炉部分设备有故障，机组维持它本身实际输出功率，不接受任何外部负荷要求指令。自动调节的主要目的是维持锅炉继续运行，以便排除锅炉的部分故障。此时只是汽机调节阀处于自动控制，锅炉燃烧率处于手动控制。

（４）方式IV－－锅炉跟随汽机输出功率不可调节方式

这时锅炉工作正常，汽机部分设备工作异常，不接受外部负荷指令，锅炉燃烧率处于自动状态，维持机前压力。汽机主控制器处于手动状态。

（５）方式V－－手动控制方式

这时锅炉和汽机都处于“手动”控制，单元机组的运行由运行人员手动操作，主控制系统中的负荷要求指令P0 跟踪机组的实际出力，为投入自动作好准备。

第二节　　协调控制系统的基本方案分析

根据单元机组的动态特性及其负荷控制系统的任务，已经设计出了多种不同类型的协调控制系统。目前协调控制系统的性能日趋完善，高性能的协调控制系统有以下主要特点：

（１）为了迅速满足电网调频的要求，尽可能提高机组的负荷适应性，为此，采用前馈回路，充分利用锅炉蓄热量。

（２）不仅要求反馈回路能协调工作，而且要求提高前馈回路的动、静态补偿精度，更好地相应电网负荷要求。

（３）负荷控制范围不断扩大，不仅在正常运行时能实现自动控制，而且在机组异常时能自动处理事故和系统切换。

一、热工控制系统设计的基本方法

从能量平衡的观点看，输入能量与输出能量之间的比例关系应能调节保持，在变动工况下，由于机组的蓄能变化，比例关系也会有变化，它们之间总的关系为：能量输入等于能量输出加能量储蓄。设计系统时可以把关系密切的两个相互平衡的量作为调节器的输入信号，也可以把这两者是否平衡的指标作为被调参数。

（１）按平衡关系调节

在单元机组中，相互平衡的量比较多，例如送风量与引风量是一对相互平衡的量，给水量与产生的总的蒸汽量是一对相互平衡的量。这种调节的缺点是平衡关系绝对准确很困难，而且有些量很难测量。

（２）按平衡指标调节

单元机组中，蒸汽压力是汽机负荷与锅炉负荷是否平衡的指标；炉膛负压是送风量与引风量是否平衡的指标；烟气含氧量是给煤量与送风量是否平衡的指标；汽包水位是锅炉给水量与蒸汽流量是否平衡的指标。这种调节的缺点是指标测定有迟延和惯性，使控制系统的性能指标受到一定影响。

综合以上两种方法，可以得到两种新的设计方法：

 校正法调节系统示意图

衰减法调节系统示意图 

（１）校正法：

所谓校正法是将扰动量以前馈的形式，通过比例或比例微分作用，加入到控制系统中。

（２）衰减法

衰减法是将扰动量以前馈的形式，通过微分作用，加入到控制系统中。

二、协调控制系统的基本方案

协调控制系统按反馈回路分类，可分为机跟炉系统及炉跟机系统。机跟炉系统的特点是：由炉的燃料供给保证要求的负荷，由机的进汽阀调节保持汽压。炉跟机系统的特征是：负荷由汽机调节，而汽压由锅炉调节保持。

纯粹的“炉跟机”或“机跟炉”系统都有较大的缺点，原因是炉机负荷之间是否保持平衡只借助于汽压PT 信号，而PT 具有一定的惰性，所以在单元机组设计中一般都加入前馈补偿信号作为机炉彼此协调动作的联系。从前馈回路设计不同又可分为按指令信号间接平衡系统（DIB）和按能量直接平衡系统（DEB）。

我国目前单元机组协调控制系统都是在引进机组上设计和改进的，下面就目前我国存在的协调控制系统加以分析。

（1）Bailey－－820协调控制系统

上式中第一项P0 的比例微分是前馈信号，微分作用在动态过程中加强燃烧率指令以补偿机炉之间对负荷相应速度的差异，汽压偏差（p0－pT）在动态过程中有适当修正燃烧率指令的作用，上式中最后一项用来校正燃烧率指令，以保证机组功率偏差在稳态时为零。因为蓄热量与负荷成比例，故改变同样的负荷，锅炉在高负荷时的蓄热量变化要比低负荷时大，这就希望在高负荷时有较大的改变燃料量的速度。为此，上式中的最后一项乘以功率给定值P0，以便使积分速度随负荷变化。

汽机阀门开度指令P为：

从上式可以看出，当P0 增加时，调节器将开大汽机调节阀，增大实发功率。上式中调节器入口信号的平衡关系为：

在稳态时上式化为：

可见，汽机功率控制回路是一个汽压控制系统，其压力的实际给定值是上式中方括号内部分，只有在功率偏差为零时才有pT＝p0，改变比例系数KP 可调整功率偏差信号对压力给定值修正作用的大小。

从上面分析可以看出，Bailey－－820协调控制系统中锅炉主控器调整机组功率，汽机主控器维持机组压力，因此它是汽机根随（机跟炉）协调控制系统。从前馈角度来看，它以功率指令信号为前馈量，因此它间接反映了机炉之间的能量平衡关系，是按指令信号间接平衡协调系统（DIB系统）。

（2）美国Foxboro公司的DEB协调控制系统

美国Foxboro公司的DEB协调控制系统如图所示：

由上图可以看出，锅炉主控器接收汽压pT及汽压定值p0信号，它们的差值送到PID调节器的入口端，图11-8中的偏差比例乘法器输入信号为pT 、p0 及汽机第一级压力信号p1，输出信号I为：

此信号作为前馈信号，作用到锅炉主控器回路来改变锅炉的燃烧率指令。

汽机主控器是串级控制系统， 主调节器接收功率偏差信号（P0－PE），副调节器接收主调节器的输出信号及前馈信号来调节机组功率。

此系统锅炉主控器控制机组压力，汽机调节阀保证功率，因此是锅炉跟随协调控制系统。从前馈回路来看，它以汽机第一级压力信号p1 为前馈信号，所以是能量直接平衡协调控制系统（DEB系统） 。

（３）美国leeds和Northrap公司的DEB协调控制系统：

如上图所示，锅炉主控器接受p1  / pT  作为前馈信号，同时还接受压力定值信号p0，锅炉燃烧率指令PM为：

当机组负荷增加时，p1  / pT 增加，由上式可以看出，锅炉燃烧率指令增大，汽压偏差的积分作用是保证在稳态时，汽压等于给定值。

汽机主控器如图所示，它实际是一个串级控制系统。主调接收的信号是功率偏差信号，副调接收主调输出及p1信号。

在本系统中，引入汽轮机第一级后压力p1 信号，用p1  / pT 作为机炉协调控制之间的联系，对锅炉来说是前馈信号，对汽机来说是反馈信号。按反馈回路分，汽压由锅炉的燃烧率维持，功率是由汽机调节阀来保证，因此它是炉跟机系统。按前馈信号分，本系统以直接能量信号p1  / pT 作为前馈信号，因此它是能量直接平衡协调控制系统（DEB系统）。

第三节　单元机组协调控制系统实例分析

单元机组的协调控制系统是由负荷指令处理回路和机炉主控回路组成，一个完整的协调控制系统，应能根据机组的实际运行条件，在不同的工况下运行，同时为了机组的安全，还应具有闭锁升、闭锁降、迫升、迫降等保护功能。下面我们以某电厂的200MW机组协调控制系统为例，详细分析协调控制系统的组成及工作过程。

一、负荷指令处理

负荷指令处理回路接收中心调度所的负荷指令信号P，机组值班员改变负荷的信号以及机组发生故障时发来的对负荷指令的限制信号LD。其原理如图

中心调度负荷指令又称ADS信号，在它正常时，A / M处于自动状态，中心调度可以直接改变机组负荷。ADS信号失效时，A /M处于手动状态，由值班员直接改变负荷。机组发生闭锁升、闭锁降、迫升、迫降时，A / M处于跟踪状态，跟踪实际负荷值LD，当值班人员按下保持按键时，A / M处于既不能增也不能减的手动保持状态。

V≯是速率限制模块，它能把阶跃变化的负荷指令信号变成一个斜坡信号，斜坡速率整定在3%～5%。

二、机组最大允许负荷运算回路

机组最大允许负荷的计算通常是根据机组的辅机运行情况来进行的，单元机组的主要辅机一般是给水泵、送风机、引风机、给粉机运行台数等，其原理如图所示：

在上图中，负荷指令和各辅机的投运台数经函数模块F1(X) ～ F4(X)处理后经过限速模块一起送到小值选择器中，小值选择器选择它们之中的最小值经限幅组件输出负荷给定值送到机炉主控制器。

三、实际出力计算及处理回路

机组实际出力是按照燃料量、风量和给水量的实际值与其给定值之间的偏差进行计算的，其原理如图

1、2 、3 三个加法模块能进行代数运算，可求出实际燃料量、风量、给水量与它们给定值之间的偏差。积分器的作用是产生迫升迫降信号，定值整定为0%。当

低值作用时，积分器输入是正值，正向积分，为迫升工况。当高值作用时，积分器输入是负值，反向积分，为迫降工况。在不发生迫升、迫降时，积分器输出跟踪负荷指令LD信号以保证切换时无扰。

四、锅炉主控制器

锅炉主控制器原理如图11-12所示，锅炉主控调节器接收主汽压力偏差信号和前馈信号，发出锅炉主控指令去控制燃料和送风两个子系统。

1、前馈信号的形成：

选择合理的前馈信号可以使品质大为改善，此系统前馈信号采用

信号，P1为调速级压力，PT为机前压力，PTS为机前压力定值，K为补偿系数。F(X)是动态补偿模块，采用比例微分规律动作，F1(X)是函数模块。

2、压力定值的形成：

考虑机组滑压运行和定压运行两种工况，压力定值也不相同， F2(X)整定为滑压运行升压曲线，滑压时自动。定压时手动，跟踪设定的压力定值。为了防止改变太快加了速率限制模块，定压运行时压力定值也可以就地直接设置。

3、燃料风量指令处理：

锅炉主控制器输出的信号（燃料量指令信号）分别送到大选模块与小选模块。燃料量指令信号和总风量信号经小选模块运算，选出较小的输出作为燃料系统的指令信号。燃料量指令信号和总燃料量信号经大选模块运算，选出较大的输出作为送风系统的指令信号。其目的是实现锅炉低过剩空气燃料控制，提高燃烧的经济性。在增负荷时先增风量后增燃料量，在降负荷时，先减燃料后减风量，可以避免锅炉冒黑烟，造成燃料的浪费。

五、汽机主控制器

汽机主控制器原理如图所示，它由三个调节器组成：一个是汽机节流压力调节器，另外两个调节器是电功率调节器和蒸汽流量调节器。

（1）汽机节流压力调节器接受汽机调节阀前节流压力偏差，在机跟炉工况时，T1的 ba接通，控制汽机调节阀，自动保持主蒸汽压力为定值。

（2）电功率调节器和蒸汽流量调节器在功率可变协调控制工况中，构成串级控制，主信号是实发功率W，副信号是蒸汽流量。此系统中蒸汽流量用P1代替，功率定值中加入了频差信号 f，为了提高调节速度，加入了LD 的前馈信号。在不是电功率控制的其它四种工况下，这两个调节器都处于跟踪状态，蒸汽流量调节器的加法器输出跟踪实发功率W，电功率调节器输出跟踪P1值。

六、协调控制系统机炉主控器的运行工况

1、机炉协调，功率控制工况

此工况下机炉主控制器都在自动状态，汽机主控接受负荷指令，串级控制。T2中的ab通，T1的ac通，去控制汽机调节阀（同步器）。锅炉自动调节燃料量和送引风量，保持机前压力为定值。

2、机炉协调，非功率控制工况

此工况也称带基本负荷协调控制，机前压力保持与工况1相同，仍由锅炉主控保持，负荷指令LD不通过功率调节器和蒸汽流量调节器，直接通过A / M3去控制汽机调节阀（同步器），此时T2的ac接通，T1的ac也接通。

3、汽机基本工况

也称炉跟机工况，此时汽机主控器中的A / M3呈手动操作，人为改变负荷指令，满足外界负荷要求，锅炉主控呈自动状态，自动保持机前节流压力定值。此时汽机主控中的三个调节器和A /M2都处于跟踪状态，跟踪机组实发功率。

4、锅炉基本工况

也称机跟炉工况，此时锅炉主控为手动，改变燃料量满足外界负荷要求，汽机调节阀前节流压力由汽机主控器中的节流压力调节器保持，此时T2中的ab接通，A /M3处于自动状态。

5、汽机锅炉分别手动操作

此工况下锅炉主控中的手动显示操作器去控制燃烧保持节流压力，汽机主控中通过A /M3手动操作去改变汽机调节阀，满足外界负荷要求。

第四节　　  协调控制系统的整定

一、单元机组自动控制的对象特性

单元机组是由发电机、汽轮机和锅炉共同适应电网负荷要求的，它们共同保持机组的稳定运行。单元机组是一个互相关联的负载被控对象，其原理方框图如图所示：

图中WPM为燃料量机前压力通道传递函数：

式1为汽机负荷保持不变时的传递函数，式2是汽机负荷变化时的传递函数。

KP为机前压力与汽机进汽量的比例系数：

为了分析问题的方便，可以把原理框图简化为下图等效方框图：

其中：

写出传递函数矩阵为：

上式中：WN   (S)，WN M  (S)—— 分别为实发功率对调节阀开度和燃料量M的传递函数　

WP   (S)，WPM  (S) —— 分别为机前压力对调节阀开度和燃料量M的传递函数

二、参数整定：

1、锅炉跟随控制方式：

此方式下两个调节器的参数是互相关联的，但是仍可以用单回路系统整定方法来整定，在锅炉调节器投入闭环运行的条件下，其等效方框图为：

所以汽机调节器等效对象传递函数为：

机炉协调控制方式原理方框图

系统中加入了前馈信号，使调节更为圆满，对调节器的参数不影响，仍可用前面的方法来进行整定。

该控制系统在稳态工况下，NE＝N0  ，PT＝P0 。当要求增加机组负荷时，功率给定值N0 ， N = N0  －NE  0，于是开大 T 使NE  。当 T时PT   ，尽管此时M会使PT ，但由于惯性大，故 P ＝P0 －PT  0 。

 P 0是正值，作用到锅炉调节器使M，同时又负作用到汽机调节器使。力图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共同结果，使调节阀开度开大到一定程度停止，这时NE还不等于N0，这是暂时的，正的 N和 P信号同时通过锅炉调节器使M增加，使机前压力逐渐恢复，P，这时汽机调节阀继续开大，提高NE 直到NE＝N0，机组达到新的稳态。

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