機爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)機爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)組成

動力系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是把鍋爐及汽輪機作為一個單元機組的整體進行綜合控制時所用的控制系統(tǒng)，是整個動力裝置控制系統(tǒng)的一部分,整個控制系統(tǒng)是由負荷控制系統(tǒng)（主控系統(tǒng)），常規(guī)控制系統(tǒng)（子控制系統(tǒng)）和負荷控制對象3大部分組成的，如圖1：協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)組成框圖所示 。

負荷控制系統(tǒng)由符合指令處理部分（負荷管理控制中心）和機爐主控制器3部分組成,從機爐主控制器形成和發(fā)出的主控指令，分別去控制鍋爐及汽輪機子控制系統(tǒng)。

機爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)機爐協(xié)調(diào)主控器

該主控器是CCS系統(tǒng)工作協(xié)調(diào)的指令中心,機爐協(xié)調(diào)主控器接受并處理外部負荷指令,形成日標負荷控制信一號,控制汽機和鍋爐協(xié)調(diào)動作,使機組能較快地適應負荷的增減,保持汽壓在允許范圍內(nèi)變化,根據(jù)機組實際運行情況適時切換控制方式。

機爐協(xié)調(diào)主控器由負荷指令運算器(loaddemandeomputer)、鍋爐主控器(boilermaster)及汽機主控器（turbinemaster)等組成。

1、負荷指令運算器

負荷指令運算器(LDC)LDC包括負荷指令處理回路、負荷及壓力設定回路、工作方式切換邏輯等功能模塊。負荷指令處理回路負責處理各種外部負荷指令并根據(jù)系統(tǒng)工作方式給出相應的目標負荷控制信號。壓力設定及變壓(sliding)、定壓(eonstant)方式切換由壓力設定回路來完成。

2、爐主控器

機、爐主控器各由兩個獨立的PID調(diào)節(jié)器構(gòu)成,功率調(diào)節(jié)和壓力調(diào)節(jié)各一個。功率調(diào)節(jié)器以發(fā)電機功率信號為被調(diào)過程量,LDC目標負荷為給定值,工作方式不同目標負荷內(nèi)容也將不同。壓力調(diào)節(jié)器以機前壓力為主信號,LDC目標壓力為給定值。切換邏輯使機、爐主控器組成不同的控制方式。

機爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)燃燒控制子系統(tǒng)

包括燃料、送風、引風、一次風、二次風箱壓差、空氣預熱器入口溫度調(diào)節(jié)等。

1)氧量校正

鍋爐煙氣氧量是氧量校正調(diào)節(jié)器的主信號,給定值則引入了多元補償?shù)母拍?由LDC目標負荷、制粉系統(tǒng)啟動偏置以及手動偏置等多個信號組成。LDC目標負荷經(jīng)過函數(shù)處理后具有高負荷低氧量、低負荷高氧量的負特性,有助于鍋爐高負荷時的經(jīng)濟運行和低負荷時的燃燒穩(wěn)定;制粉系統(tǒng)啟動偏置分別取自4套制粉系統(tǒng)排粉風機入口擋板執(zhí)行器閥位電流,是為了兼顧維持安全的二次風壓與相對合適的風煤配比以及補償在啟停過程中對鍋爐燃燒的擾動;手動偏置是為人工調(diào)整而設。鍋爐主控器以機前壓力為被調(diào)過程量,代表燃燒率的主控器輸出先經(jīng)超前/滯后處理后,再由氧量校正調(diào)節(jié)器修正,使其能在不同的負荷下保持經(jīng)濟燃燒。校正后的鍋爐主控器輸出、總風量、燃料量、蒸汽流量等信號,經(jīng)過交叉限幅環(huán)節(jié)產(chǎn)生風量請求和燃料請求輸出指令,分別控制送風和燃料調(diào)節(jié)系統(tǒng)在增加燃燒強度時先加風后加煤;減少燃燒強度時先減煤后減風,保證鍋爐變工況時入爐煤充分燃燒,以及穩(wěn)定運行時保持合適的風煤配比。由燃料量、蒸汽流量信號構(gòu)成內(nèi)擾抑制環(huán)節(jié),增加燃燒調(diào)節(jié)穩(wěn)定性。

2)燃料調(diào)節(jié)

燃料調(diào)節(jié)器接受氧量校正回路交叉限幅環(huán)節(jié)的燃料指令作為給定值,信號進入調(diào)節(jié)器之前,經(jīng)過微分環(huán)節(jié)以減小鍋爐燃燒慣性。20臺給粉滑差控制器與冗余過程控制站直接接口,用軟件實現(xiàn)單操、層操及總操。如何選取燃料率反饋信號一直是燃燒調(diào)節(jié)中的難題,該系統(tǒng)嘗試以傳統(tǒng)“熱量”信號校正給粉機轉(zhuǎn)速來代表燃料量,這樣既能利用給粉機轉(zhuǎn)速反應的快速性,又在一定程度上補償因煤質(zhì)變化和給粉機下粉不勻?qū)θ紵{(diào)節(jié)產(chǎn)生的干擾。協(xié)調(diào)控制與常規(guī)控制主要區(qū)別在機爐協(xié)調(diào)主控器,燃燒調(diào)節(jié)采用了一些新的設想也作了簡要說明,其它常規(guī)調(diào)節(jié)回路不再詳述。

單元機組的負荷控制系統(tǒng)又稱為協(xié)調(diào)控制系統(tǒng),是將鍋爐、汽機及輔機作為一個整體加以控制的十分復雜的多變量控制系統(tǒng),該系統(tǒng)有機的、協(xié)調(diào)的控制鍋爐的燃料、送風、給水以及汽機調(diào)節(jié)閥門開度,使各變量間的影響最小。它是建立在汽機控制子系統(tǒng)和鍋爐控制子系統(tǒng)基礎上的主控系統(tǒng)和機、爐子控制系統(tǒng)組成的二級遞階控制系統(tǒng)。處于調(diào)節(jié)級的主控系統(tǒng)是協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的核心,它對負荷指令進行運算處理形成控制決策,給出汽機負荷指令和鍋爐負荷指令。處于局部控制級的各子系統(tǒng)在機、爐主指令下分工協(xié)調(diào)動作,完成給定的控制任務。單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的任務是:既要保證機組快速響應負荷需求,又能使機組的主要參數(shù)機前壓力在變負荷的過程中保持相對穩(wěn)定。

因為被控對象同時具有多變量強耦合、非線性、大慣性大遲延、慢時變等多種控制理論公認難以控制的特性,目前于火電機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在理論上和工程上的研究涉及面非常廣泛。近十年研究工作主要集中于:

(1)神經(jīng)網(wǎng)絡控制。神經(jīng)網(wǎng)絡是由許多具有并行運算的、功能簡單的信息處理單元(人工神經(jīng)元)相互連接組成的網(wǎng)絡。網(wǎng)絡的信息處理通過處理單元之間的相互作用來實現(xiàn)。它所引出的經(jīng)驗學習方法以及實現(xiàn)非線性函數(shù)逼近的見解給復雜系統(tǒng)的建模帶來了一種新的、非傳統(tǒng)的表達工具,降低了不確定性,增加了控制系統(tǒng)適應環(huán)境變化的泛化能力。由于大量神經(jīng)元之間廣泛連接,即使有少量單元或連接損壞,也不影響系統(tǒng)的整體功能,使其表現(xiàn)出很強的魯棒性和容錯性。

(2)預測控制。華北電力大學的侯國蓮等人為解決單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的高精度和快速負荷跟蹤控制的問題,將預測函數(shù)控制應用于多變量復雜控制系統(tǒng)中,提出一種基于階躍響應模型的多輸入多輸出系統(tǒng)的預測函數(shù)控制算法王國玉在其博士學位論文預測函數(shù)控制及其在火電廠中的應用研究一文提出了一種新型PFC算法,將此算法推廣到多變量情 。哈爾濱工業(yè)大學的馬述軍等人針對單元機組負荷控制的特點,從對受控模型要求不太嚴格的非參數(shù)模型一階躍響應出發(fā),運用動態(tài)矩陣控制算法,,設計了基于動態(tài)矩陣控制原理的機組負荷預測控制系統(tǒng)[22]。

(3)模糊控制。華北電力大學的劉吉療等人為解決火電單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的動態(tài)非線性和稱合特性,設計了基于T-S模糊模型和動態(tài)解稱PID控制器的模糊多模型協(xié)調(diào)控制系統(tǒng) 。

(4)內(nèi)?？刂啤|南大學的李益國 等人提出一種基于系統(tǒng)T-S模糊模型的模糊內(nèi)?？刂品椒?該方法首先利用快速辨識算法獲取系統(tǒng)的T-S模糊模型,然后通過適當變形,把模糊模型求逆問題簡單的轉(zhuǎn)化為求解線性方程組,并將遺傳算法應用于涉及的多個濾波器參數(shù)的尋優(yōu)華北電力大學的房方等人,根據(jù)單元機組的低階非線性模型,推導出一個雙輸入鼠輸出、能夠描述機組動態(tài)特性及機爐間相互稱合關(guān)系的傳遞函數(shù)矩陣。以該矩陣為基礎,采用多變量內(nèi)?？刂频姆椒▽卧獧C組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進行設計 。

(5)狀態(tài)觀測器控制。韓忠旭 等人在單元機組機理性數(shù)學模型的基礎上,設計了一種增量式狀態(tài)觀測器,提出基于狀態(tài)觀測器的狀態(tài)反饋與常規(guī)PID控制相結(jié)合的新型控制方法。同時,基于增量型狀態(tài)觀測器的狀態(tài)反饋,設計了具有預測功能的預給煤運算控制回路。有效解決了機爐協(xié)調(diào)被控對象的非線性、參數(shù)慢時變遲滯與大慣性以及強賴合等問題華北電力大學曾德良在其博士論文中也提及這一研究思路。

機爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是蒸汽動力裝置自動控制系統(tǒng)的重要組成部分,為了同時滿足快速響應負荷需要和維持動力裝置主要運行參數(shù)穩(wěn)定這3個方面的要求，在動力裝置自動控制系統(tǒng)的設計中必須考慮到"主鍋爐和主汽輪機是一個具有相對獨立性的整體這一特點，采取相應措施，讓機爐在不同程度上同時按負荷需求的變化和主要運行參數(shù)的偏差分別進行調(diào)節(jié)，從而在滿足負荷需求的同時，保持主要運行參數(shù)的穩(wěn)定 。

系統(tǒng)中有功能較強的控制算法,應用這些算法不但能改善自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì),且對自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行也起到安全保護作用 。

機爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)品質(zhì)監(jiān)測和偏差保護

品質(zhì)監(jiān)測主要用來監(jiān)視輸入信號是否正常。對未采取多重設置的重要信號,可以利用QC監(jiān)測功能增加系統(tǒng)的可靠性。過程輸入與給定值的偏差或調(diào)節(jié)器輸出與執(zhí)行機構(gòu)反饋的偏差超過設定值,說明系統(tǒng)已經(jīng)出現(xiàn)故障,偏差保護此時會起到安全保護作用。

機爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)超馳控制

當系統(tǒng)接到事故報警、偏差越限、設備故障等異常情況時,超馳邏輯將根據(jù)事件發(fā)生的原因執(zhí)行自動切手動(MRE)、優(yōu)先開P(RA)、優(yōu)先關(guān)(PLW)、禁止升(RAI)、禁止降(LWI)等功能,直接控制調(diào)節(jié)機構(gòu)或轉(zhuǎn)換當前工作方式,將系統(tǒng)轉(zhuǎn)到預先設定好的安全狀態(tài)。它是響應系統(tǒng)異常、切換控制方式的保護手段。

機爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)大量使用函數(shù)算法

大容量機組在不同負荷下,機、爐和各種輔機及設備存在不同特性,利用函數(shù)算法可以比較精確地模擬被調(diào)對象的變化規(guī)律,能有效克服PID算法的局限性,擴展系統(tǒng)調(diào)節(jié)范圍。在控制回路中不同的另一重要應用領域是處理非線性輸入信號和用反函數(shù)修正各種閥門擋板特性,提高控制精度。

機爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)先進

采用遞階控制結(jié)構(gòu),在機爐子控制回路基礎上引入機爐協(xié)調(diào)級,把鍋爐、汽輪機、發(fā)電機組作為一個整體加以控制。能直接接收電網(wǎng)中調(diào)指令,為實現(xiàn)電網(wǎng)自動調(diào)度和協(xié)調(diào)控制奠定了基礎。

機爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)控制策略合理

機爐主控制器的設計中根據(jù)機爐動態(tài)特性方面的特點引入前饋、補償及變結(jié)構(gòu)控制等技術(shù),克服系統(tǒng)的稱合和非線性因素,因而可獲得良好的控制品質(zhì)。

機爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)系統(tǒng)功能完善

除正常功能調(diào)節(jié)外,還具備局部故障處理,各種運行方式切換、選擇等管理功能。由于目前采用先進的分散控制系統(tǒng)實現(xiàn),完備的畫面顯示功能,報警打印功能以及人機接口等形成先進的自動化系統(tǒng)。

(1)接受負荷指令、運行值班人員的負荷指令和電網(wǎng)頻率偏差信號,及時響應指令要求,以滿足中調(diào)負荷變化的需要;

(2)機爐之間相互協(xié)調(diào)運行,當機組功率變化率較大,可以保持機爐間的能量的平衡,且能夠維持機組主汽壓力的穩(wěn)定;

(3)單元機組協(xié)調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部燃料系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、送風系統(tǒng)、爐腔壓力、汽溫等子系統(tǒng)的平衡;

(4)系統(tǒng)外部負荷指令與主、輔設備實際承受能力的關(guān)系;

(5)消除各種情況下擾動的影響,穩(wěn)定單元機組運行。

機爐協(xié)調(diào)控制方法從其控制結(jié)構(gòu)出發(fā)有2種指導思想：一種是以反饋控制為基礎的，適當加入一些前饋信號作為輔助調(diào)節(jié)以改善控制品質(zhì)；另一種則從能量平衡的角度考慮前饋的控制，力爭做到前饋補償后，鍋爐和汽輪機就能協(xié)調(diào)一致地達到所需要的負荷，反饋作用僅在此基礎上起校正作用。這樣機爐主控制器就有2種分類方法：一種以反饋回路分類，一種以能量平衡分類 。

機爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)以反饋回路分類

1） 以鍋爐跟隨主汽輪機方式為基礎的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)；

2） 以主汽輪機跟隨鍋爐方式為基礎的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)

機爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)以能量平衡分類可分

1）直接能量平衡控制系統(tǒng)；

2）間接能量平衡控制系統(tǒng)。

動力裝置控制的對象很多，但其主控制對象是鍋爐和汽輪機，包括機組輸出功率是指機組對外提供的能量輸出。當機組負荷變化時，鍋爐和汽輪機的響應速度是不同的，汽輪機主汽閥動作就可使蒸汽流量迅速變化，以適應外界負荷變化的需要，而鍋爐從燃料和水變化到蒸汽量變化必須有一定的過程，機組功率響應較慢。另外，為保證機組安全運行，當負荷變化時，要求主汽壓保持在一定范圍內(nèi)波動，所以怎樣調(diào)節(jié)鍋爐和汽輪機以適應負荷變化和保持汽壓就形成了機組的不同運行方式。一般情況采用定壓和滑壓2種運行方式

1）定壓運行方式

鍋爐調(diào)壓系統(tǒng)的壓力定值由操作人員設定，一般定在額定值，從中調(diào)來的負荷的指令作用在汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)，改變功率定值，進而改變調(diào)門開度以改變負荷。然后由鍋爐調(diào)壓系統(tǒng)改變?nèi)剂狭恳跃S持能量平衡。這是一種鍋爐跟隨汽機的運行方式。這種運行方式下，汽機雖然能利用鍋爐蓄能很快改變機組負荷，但這種改變不能持久。由于調(diào)壓系統(tǒng)響應較慢，在達到最終穩(wěn)態(tài)之前，機前壓力的動態(tài)偏差將較大。

2）滑壓運行方式

滑壓運行就是在汽輪機調(diào)節(jié)汽門節(jié)流很小的情況下，通過改變鍋爐的負荷，使調(diào)節(jié)汽門前的主蒸汽溫度不變，主蒸汽壓力隨負荷變化的運行方式。為了滿足機組自動滑壓的控制功能，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)需要在壓力設定值的生成主蒸汽壓力做相應的改進。純滑壓運行時，在汽輪機的整個負荷變化范圍內(nèi)，汽輪機的所有調(diào)節(jié)汽門保持全開，完全靠汽輪機進汽壓力的變化來控制機組的出力。在純滑壓運行方式下，由于機組無法利用鍋爐的蓄熱能力，負荷響應慢。

該方法應用于協(xié)調(diào)系統(tǒng)中，主要基于以下幾種觀點:

(1)主要參數(shù)的變化趨勢實際上反映了機組輸入/輸出能量平衡的動態(tài)過程:

(2)對于鍋爐對象，由于其具有強烈的時間遲延和較大的慣性，因此施加作用強烈的階躍作用往往比施加較慢的積分作用效果明顯.因為積分作用無法判斷誤差的方向，如果掌握不好，容易造成鍋爐側(cè)能量的累積，而導致系統(tǒng)的過調(diào);

(3)基于規(guī)則的智能控制方法應用于前饋控制中，著力反映系統(tǒng)的動態(tài)過程。而系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)偏差山并聯(lián)的PID控制器解決;

(4)基于規(guī)則的智能控制方法對于克服協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中存在的強烈的不確定干擾以及未建模動態(tài)具有顯著的效果。

協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的復雜性主要體現(xiàn)在以下兒個方面:

(1)多變量的強烈耀合。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的壓力控制回路和負荷控制回路相互關(guān)聯(lián)，存在著強烈的摧合特性。這種特性還存在著一類病態(tài)的結(jié)構(gòu)，那就是汽輪機側(cè)具有快速響應特性，而鍋爐側(cè)則具有相對較慢的響應特性，由于這種特性，如果在系統(tǒng)動態(tài)解藕時未充分考慮“量’一時間’的平衡關(guān)系.很容易造成能量的累積，從而使系統(tǒng)不穩(wěn)定。這給協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的解藕設計帶來了困難；

(2)多目標相互關(guān)聯(lián)。在不同的任務約束情況下。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)需要滿足不同的優(yōu)化目標。由于優(yōu)化目標的相互關(guān)聯(lián)，在滿足某一優(yōu)化目標時，需要充分考慮其它目標的次優(yōu)化問題。因此協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)除了解決多變量解藕問題以外、還需在最優(yōu)目標與次優(yōu)目標之間協(xié)調(diào)、平衡。

(3)機組動態(tài)從本質(zhì)上說是非線性的。由于機組存在著非線性特性，現(xiàn)有協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的分析與設計通常將其在某一工作點線性化，而忽略其高頻非線性。這種高頻非線性常常會被控制器激發(fā)而使調(diào)節(jié)過程振蕩，

(4)機組動態(tài)是時變的。機組動態(tài)特性是時變的、因此根據(jù)某一工作點下的線性化模型來設計的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，未必能保證系統(tǒng)在其它工作點下的適應性‘這實際上涉及到模型的自動適應性以及控制算法的魯棒性。

(5)系統(tǒng)存在著不確定干擾。系統(tǒng)存在的不確定干擾，例如燃煤的煤質(zhì)變化‘給煤量的擾動等，使機爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)存在著較大的不確定因素，在設計協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)時，需要考慮系統(tǒng)的抗干擾性能。

(6)能量平衡指標‘熱經(jīng)濟指標難以直接、準確、實時地得到。如果能量平衡指標的準確性、適應性和實時性能夠得到充分的保證，那么能量平衡方法就是設計協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的一種較好的方法二一些熱經(jīng)濟指標也是很重要的，例如煤質(zhì)/發(fā)熱量校正系數(shù)，如果能保證指標的有效性，將會大大提高協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)抗煤質(zhì)擾動的能力。

(7)鍋爐側(cè)存在著很大的純時延:鍋爐側(cè)的大時延實際上反映了管道純遲延以及大慣性產(chǎn)生的相對遲延，常規(guī)的FLD控制器很難解決這個問題，尤其是PID控制器的積分作用常使系統(tǒng)過調(diào)而積聚能量、使系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩。工程上最常見的前饋算法是為了解決在一類可測擾動下控制系統(tǒng)的品質(zhì)問題。即使擾動是可測的.通常也較難以掌握前饋的“量”以及“時間”問題。

(8)運行的安全性要求二協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在滿足某一特定任務約束的前提下、還需保證一切變量不超限、包括被控量、狀態(tài)量和控制量。系統(tǒng)還需處理諸如RUNBACK, RUNDOWN等與機組安全運行相關(guān)的實際問題，

《大型火電機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)閉環(huán)邏輯實用解析》是中國電力出版社出版的書籍。

前言

第一章單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)慨述

一、單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)簡介

二、自動控制系統(tǒng)基礎知識 2100433B