協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)(Coordinated Control System，CCS)是將鍋爐-汽輪機(jī)-發(fā)電機(jī)組作為一個(gè)單元整體進(jìn)行控制，使鍋爐和汽輪機(jī)同時(shí)響應(yīng)控制要求，確保機(jī)組快速穩(wěn)定地滿足負(fù)荷的變化，并保持穩(wěn)定運(yùn)行。控制的基本方法是直接并快速響應(yīng)代表負(fù)荷或能量指令的前饋信號(hào)，并通過(guò)閉環(huán)反饋控制和其他先進(jìn)策略，對(duì)該信號(hào)的靜態(tài)精度和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償進(jìn)行調(diào)整。
1、協(xié)調(diào)控制
控制系統(tǒng)將協(xié)調(diào)鍋爐及其輔機(jī)與汽輪機(jī)及其輔機(jī)的運(yùn)行，以便快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定地響應(yīng)自動(dòng)調(diào)度系統(tǒng)(ADS)或電廠運(yùn)行人員的負(fù)荷指令。如圖1所示，將鍋爐蓄熱用于汽輪機(jī)控制功率，同時(shí)，改變鍋爐出力，適應(yīng)負(fù)荷控制要求，將功率偏差信號(hào)和汽壓偏差信號(hào)送至鍋爐控制燃燒率，改變熱負(fù)荷，減少功率偏差和汽壓偏差。
圖1 火力發(fā)電廠協(xié)調(diào)控制示意圖
①爐跟機(jī)方式
爐跟機(jī)(Boiler Follow Mode，BF方式)這是常規(guī)的機(jī)爐分別控制方式，由汽輪機(jī)控制機(jī)組輸出功率，鍋爐控制汽壓，如圖2所示，汽輪機(jī)響應(yīng)機(jī)組負(fù)荷指令或運(yùn)行人員手動(dòng)指令，鍋爐響應(yīng)蒸汽流量變化及由汽輪機(jī)引起的汽壓偏差。汽壓的偏差值可用來(lái)校正負(fù)荷指令，即當(dāng)負(fù)荷指令變化時(shí)，首先調(diào)節(jié)控制汽輪機(jī)蒸汽流量的閥門開度，改變進(jìn)入蒸汽流量，以改變發(fā)電機(jī)功率，使其與負(fù)荷指令一致。閥門開度改變后，引起主汽壓力變化，變化后的主汽壓力與給定值比較，其差值去控制鍋爐的燃燒率，即控制燃料量、送風(fēng)量和引風(fēng)量，同時(shí)控制給水流量，達(dá)到能量平衡。此種方式適應(yīng)負(fù)荷最快，充分利用了鍋爐蓄熱，但汽壓波動(dòng)較大。
圖2 爐跟機(jī)方式
②機(jī)跟爐方式
機(jī)跟爐(Turbine Follow Mode，TF方式)鍋爐響應(yīng)機(jī)組負(fù)荷指令或運(yùn)行人員手動(dòng)指令，汽輪機(jī)響應(yīng)由鍋爐引起的汽壓變化，如圖3所示，即當(dāng)負(fù)荷指令改變時(shí)，首先控制鍋爐燃燒率和給水流量，改變蒸汽流量和主汽壓力，然后，根據(jù)主汽壓力的變化去控制閥門開度控制進(jìn)汽量，以控制發(fā)電機(jī)功率，使其與負(fù)荷指令一致。這種控制方式由鍋爐控制負(fù)荷，汽輪機(jī)控制汽壓，汽壓變化小，因沒(méi)有充分利用鍋爐蓄熱，所以負(fù)荷適應(yīng)能力差。
圖3 機(jī)跟爐方式
碳素余熱發(fā)電和鋼廠高爐煤氣余熱發(fā)電項(xiàng)目中通常采用機(jī)跟爐的方式，這是由鍋爐獲取能源的方式?jīng)Q定的，鍋爐最大程度將余熱加以回收利用，將這些熱能轉(zhuǎn)換為電能就行。
由于是協(xié)調(diào)控制，這里采用了面向?qū)ο笤?與計(jì)算機(jī)中的概念類似)，把機(jī)、爐、電分別看成三個(gè)子系統(tǒng)。鍋爐與汽輪機(jī)的聯(lián)系是汽壓P的變化，汽輪機(jī)與發(fā)電機(jī)的聯(lián)系是電網(wǎng)負(fù)荷的變化，也就是需要的出力。因此形成一條動(dòng)態(tài)變化的鏈，燃料、送風(fēng)量、引風(fēng)量、給水流量的變化引起鍋爐燃燒率的變化，這個(gè)變化直接導(dǎo)致鍋爐生產(chǎn)的蒸汽壓力的變化，為了保持汽輪機(jī)恒壓，必須使控制汽輪機(jī)蒸汽流量的閥門開度隨之變化，這樣就導(dǎo)致了汽輪機(jī)出力的變化，也就是送入電網(wǎng)的負(fù)荷發(fā)生變化。這樣的系統(tǒng)做成負(fù)反饋，就達(dá)到了協(xié)調(diào)控制的目的。在電力系統(tǒng)中，由于電力是無(wú)法儲(chǔ)存的，因此，電網(wǎng)中的電力是根據(jù)用量的多少來(lái)生產(chǎn)的，在負(fù)荷大的情況下，需要電廠多發(fā)電，如果功率不足，就會(huì)使系統(tǒng)周波下降(不足50Hz)，怎樣才能控制發(fā)多少電呢？電力系統(tǒng)的運(yùn)行部門會(huì)根據(jù)負(fù)荷曲線來(lái)預(yù)測(cè)電網(wǎng)并控制，簡(jiǎn)單點(diǎn)說(shuō)就是，要求你發(fā)多少電，電廠就無(wú)條件執(zhí)行。這樣的話，單臺(tái)容量大的機(jī)組就要執(zhí)行調(diào)峰任務(wù)，電廠把機(jī)組的控制權(quán)交給電力調(diào)度系統(tǒng)，由它來(lái)控制電廠是增加出力還是減少出力。在控制系統(tǒng)不發(fā)達(dá)時(shí)代，都是通過(guò)電話聯(lián)系的，調(diào)度會(huì)告訴你什么時(shí)間，調(diào)整負(fù)荷到多少，電廠就要根據(jù)自己的設(shè)備和運(yùn)行情況，及時(shí)準(zhǔn)備好，如果到時(shí)候跟不上負(fù)荷要求，可能有比較嚴(yán)厲的處罰，因?yàn)檫@對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行會(huì)造成很大影響。如果真的跟不上怎么辦呢？電網(wǎng)能做的只有甩負(fù)荷，拉閘限電，以減輕電網(wǎng)的壓力。
2、自動(dòng)發(fā)電控制
現(xiàn)代電力系統(tǒng)的頻率和功率的調(diào)整一般是按負(fù)荷變動(dòng)周期的長(zhǎng)短和幅度的大小分別進(jìn)行的。對(duì)于幅度較小、變動(dòng)周期短的微小分量，主要是靠汽輪發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)來(lái)自動(dòng)調(diào)整完成的，即所謂一次調(diào)頻。一次調(diào)頻的特點(diǎn)是由汽輪發(fā)電機(jī)組本身的調(diào)節(jié)系統(tǒng)直接調(diào)節(jié)，因此響應(yīng)速度最快。但由于調(diào)速器為有差調(diào)節(jié)，因此對(duì)于變化幅度較大、周期較長(zhǎng)的變動(dòng)負(fù)荷分量，需要通過(guò)改變汽輪發(fā)電機(jī)組的同步器來(lái)實(shí)現(xiàn)，即通過(guò)平移調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)靜態(tài)特性，從而改變汽輪發(fā)電機(jī)組的出力來(lái)達(dá)到調(diào)頻的目的，稱為二次調(diào)整。當(dāng)二次調(diào)整由電廠運(yùn)行人員就地設(shè)定時(shí)稱就地手動(dòng)控制；由電網(wǎng)調(diào)度中的能量管理系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)遙控自動(dòng)控制時(shí)，則稱為自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)。自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)示意如圖4所示。
圖4 火力發(fā)電廠自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)
自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)主要由三部分組成：電網(wǎng)調(diào)度中心的能量管理系統(tǒng)(EMS)、電廠端的遠(yuǎn)方終端(RTU)和集散控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)、微波通道。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)閉環(huán)自動(dòng)控制必須滿足以下基本要求：
①電廠機(jī)組的熱工自動(dòng)控制系統(tǒng)必須在自動(dòng)方式運(yùn)行，且協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)必須在“協(xié)調(diào)控制”方式。
②電網(wǎng)調(diào)度中心的能量管理系統(tǒng)、微波通道、電廠端的遠(yuǎn)方終端RTU必須都在正常工作狀態(tài)，并能從電網(wǎng)調(diào)度中心的能量管理系統(tǒng)的終端CRT上直接改變機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中的調(diào)度負(fù)荷指令。機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)能直接接收到從能量管理系統(tǒng)下發(fā)的要求執(zhí)行自動(dòng)發(fā)電控制的“請(qǐng)求”和“解除”信號(hào)、“調(diào)度負(fù)荷指令”的模擬量信號(hào)(標(biāo)準(zhǔn)接口為4-20mA)。能量管理系統(tǒng)能接收到機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的反饋信號(hào)協(xié)調(diào)控制方式信號(hào)和AGC已投入信號(hào)。
③能量管理系統(tǒng)下達(dá)的“調(diào)度負(fù)荷指令”信號(hào)與電廠機(jī)組實(shí)際出力的絕對(duì)偏差必須控制在允許范圍以內(nèi)。
④機(jī)組在協(xié)調(diào)控制方式下運(yùn)行，負(fù)荷由運(yùn)行人員設(shè)定稱就地控制；接受調(diào)度負(fù)荷指令，直接由電網(wǎng)調(diào)度中心控制稱遠(yuǎn)方控制。就地控制和遠(yuǎn)方控制之間相互切換應(yīng)該是雙向無(wú)擾的，也就是說(shuō)在相互切換的過(guò)程中，不能產(chǎn)生較大的波動(dòng)。在就地控制時(shí)，調(diào)度負(fù)荷指令自動(dòng)跟蹤機(jī)組實(shí)發(fā)功率；在遠(yuǎn)方控制時(shí)，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的手動(dòng)負(fù)荷設(shè)定器的輸出負(fù)荷指令自動(dòng)跟隨調(diào)度發(fā)來(lái)的負(fù)荷指令。自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)基本上都是電網(wǎng)調(diào)度根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷要求和各發(fā)電廠機(jī)組狀況，針對(duì)每臺(tái)單元機(jī)組直接指定目標(biāo)負(fù)荷的控制。當(dāng)電廠中有多臺(tái)單元機(jī)組時(shí)，每臺(tái)機(jī)組都需要按上述方式用硬接線將信號(hào)與RTU相連。單元機(jī)組接受AGC負(fù)荷調(diào)度指令的幅度是受其本身運(yùn)行狀態(tài)限制的，鍋爐本身在不投燃油的情況下，能夠保障穩(wěn)定燃燒的時(shí)候，此時(shí)的負(fù)荷，決定了機(jī)組可以承受的變動(dòng)負(fù)荷的范圍；運(yùn)行中主要輔機(jī)投用情況及主要運(yùn)行參數(shù)的狀況決定了當(dāng)時(shí)該機(jī)組允許承擔(dān)最大負(fù)荷的能力。當(dāng)輔機(jī)故障或主熱力參數(shù)偏離正常范圍達(dá)一定程度后，機(jī)組可能無(wú)法運(yùn)行在AGC方式下。
上面描述的過(guò)程看起來(lái)有些復(fù)雜，打個(gè)比喻，假設(shè)有十個(gè)人共同完成一項(xiàng)任務(wù)，開始的時(shí)候，領(lǐng)導(dǎo)會(huì)根據(jù)每個(gè)人的不同情況分配任務(wù)，大家各自開始自己的工作。但是在執(zhí)行的過(guò)程中，由于每個(gè)人的實(shí)際情況和身體狀況等原因，導(dǎo)致任務(wù)之間不能很好銜接，如此下去就會(huì)延誤任務(wù)的執(zhí)行，此時(shí)，領(lǐng)導(dǎo)出面了，他在均衡考慮每個(gè)人的自身情況后，重新調(diào)整了任務(wù)的分配，總的原則就是能者多勞，或者輪班休息，如此方式的調(diào)整貫穿在整個(gè)任務(wù)的執(zhí)行過(guò)程中，體現(xiàn)了領(lǐng)導(dǎo)的管理水平與應(yīng)變能力，這樣就保障了任務(wù)的執(zhí)行進(jìn)度和質(zhì)量。
《火電廠機(jī)爐協(xié)調(diào)系統(tǒng)之機(jī)爐協(xié)調(diào)控制和自動(dòng)發(fā)電控制》節(jié)選自宋極群編著的《過(guò)程控制系統(tǒng)基礎(chǔ)與實(shí)踐一書》，以下是宋極群的其他相關(guān)文章：
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