125MW中间再热燃煤机组的协调控制
摘 要：通过对125MW中间再热燃煤机组动态特性和机组数学模型的分析，选用串联后补偿的方法对系统进行解耦，从而消除了输入与输出之间强耦合带来的不利影响，并通过增加相应的调节器实现了机炉之间的协调控制。最后对系统进行 MATLAB 仿真，分析仿真曲线来验证解耦环节的有效性。 关键词：协调控制；多变量；单元机组
1 引 言：
随着高参数、大容量的单元火力发电机组由此可得出单元机组受控过程动态特性：
?W(S)W(S)??NBWPT(S)? ? (1)
在电网中所占比例越来越大，电网因用电结构变化，负荷峰谷差逐步加大，因此要求单元机组具备带变动负荷运行的能力，能迅速满足负荷变化的需要及参与电网调频。但是由于单元机组中锅炉和汽轮发电机在响应外界负荷时的动态特性存在很大的差异，在能量产生和转换过程中存在较大迟延，常常难以满足快速适应负荷的要求，在初始阶段出现负荷响应迟延和实际负荷调节速率不能满足要求等问题，所以应采用协调控制系统来提高机组的负荷响应性能。
2 单元机组数学模型的分析
2.1 单元机组数学模型的动态分析
汽包锅炉单元机组可简化为一个具有双输入双输出的被控对象。如图1所示。机组的输出功率N和机前压力P为被控量；主汽门调节阀开度?和燃料量B为控制量。这种合理简化的前提是： 1．保持燃烧稳定。 2．保持炉膛压力。 3．给水流量与蒸汽流量相平衡。 2.2 4．主蒸汽温度控制相对独立。
图1.
单元机组负荷控制对象数学模型
在上述条件的基础上进行假定：
1．单元机组在额定工况下的小扰动特性作为线性系统处理。
2．把分布的传热过程，分布的管道阻力视为集中传热，集中管道阻力，即作为集中参数系统处理。
?WPB(S)WNT(S)?当汽轮机调门开度不变，燃烧率发生
阶跃扰动时，锅炉的燃烧率增加，汽压经过延迟后逐渐升高。由于汽轮机调门开度不变，进汽量增加，从而自发的限制了汽压的升高。当蒸汽流量与燃烧率达到新的平衡时，汽压就趋于一个较高的新稳态值，具有自平衡能力。由于蒸汽流量增加使汽轮机输出功率增加，输出电功率也增加。当蒸汽流量不变时，输出电功率也趋于一个较高的新稳态值，具有自平衡能力。 当锅炉燃烧率不变,汽轮机调门开度
阶跃增加后，开始进汽量立刻成比例增
加，同时汽压也随之下降。由于燃烧率保持不变，所以蒸发量也不变。蒸汽流量的增加是因为锅炉汽压下降而释放出一部分蓄热，这是暂时的。最终，蒸汽流量仍恢复到与燃烧率相适应的扰动前的数值，
主蒸汽压力也逐渐趋于一个较低的新稳态值。 机炉动态特性的基本特征 构成单元机组受控对象的设备是锅炉和汽轮发
电机组两大部分。协调控制系统设计时，主要针对一个双输入、双输出的受控对象。通过对机炉内在机理的分析，可以看出其动态特性方面的以下基本特征。
1．在锅炉控制量?B作用下，输出被控量?PT和
?N的响应是一个慢速的惯性过程。而在汽轮机控制量??的作用下，输出被控量?PT和?N的响应则
是一个快速的过程。
2．由于锅炉的热惯性比汽轮发电机组的惯性大得多，使得输出被控量?PT和?N对于?B的响应速度十分接近，表现为传递函数矩阵中GPB(S)与GNB(S)之间十分相似的特性。
3．根据以上机炉特性的基本特征，利用汽轮机
调门开度??作为控制量，可以快速的改变机组的被控量?PT和?N。其实质是利用了机组内部的蓄热，主要是锅炉内部的蓄热。机组容量越大，相对的这种蓄热能力越小。因而，利用汽轮机调节门控制机组输出功率的方法只是一种有限的、暂态的策[1]
略。
图3 系统无解耦Simulink图
3 125MW中间再热燃煤机组的协调控制
本论文对125MW中间再热燃煤机组进行协调控制系统的串联解耦设计。为了简化起见，只考虑了主蒸汽压力和电功率两个回路之间的协调，忽略了机组的汽温控制回路。根据125MW单元机组数学模型特点和实际生产情况，本论文采用串联后补偿解耦方法，对系统进行单向解耦。 3.1 受控对象数学模型
汽压功率系统对象传递函数框图如图2所示的双输入、双输出系统，受控系统的动态传递函数表示为式2。
当只有调门开度单独作用时，功率的输出曲线如图4所示。
图4 调门开度作用下的功率输出曲线
??PT??G11(s)G12(s)???B???N???G(s)G(s)????????2122???（2）
图5 调门开度作用下的主汽压力输出曲线
图2 汽压功率系统对象传递函数框图
各传递函数为：
G11(s)??PT(s)60S ??B(s)(80s?1)(15S?1) (3)
G12(s)??PT(s)1???B(s)(83S?1)2 (4) (5)
G21(s)?G22(s)??N(s)?1.76(8S?1)??B(s)125S?1?N(s)2.219??B(s)(80S?1)2 (6)
式中，?PT为主蒸汽压力，量纲为MPa；?N为电功率，量纲为MW；?B为燃料量，量纲为t/h；??为汽轮机同步器位移，量纲为mm。 3.2 未解耦系统的分析
图3为系统解耦前的Simulink图。
当只有调门开度单独作用时，主汽压力的
输出曲线如图5所示。当锅炉燃烧率保持不变，汽轮机调门开度阶跃增加后，功率的响应曲线和主蒸汽压力如图4、5所示。当调门开度阶跃增加，进汽量立刻成比例的增加，功率迅速上升。由于燃烧量保持不变，所以蒸发量也不变，蒸汽流量的增加是因为利用了锅炉的部分蓄热，所以功率增加只是暂时的。最终，蒸汽流量将恢复到一个与燃烧率相适应的数值，功率也将逐渐下降回到稳定值，同时主汽压力也随之下降并稳定在一个适合当前调门开度的值。
当只有燃煤量单独作用时，系统的输出曲线如图6所示。
锅炉、汽机控制器分别为G1、G2，传递函数的表达式为：
1?)Ti1S?? （10） 1?G2(S)?kp2(1?)?Ti2S??G1(S)?kp1(1?
图6 燃煤量作用下系统的输出曲线
在整定过程中首先将功率和压力回路分成
两个单独回路，再采用经验法分别对调节器
当汽轮机调门开度不变，燃煤量发生阶跃扰动时，
的参数反复进行整定，得到：
输出功率和主蒸汽压力的响应曲线如图6所示。锅炉的
1400S?5 （11）
G(S)?k(1?)?1P1燃烧率增加，主汽压力随之升高。虽然调门开度保持不Ti1S80S变，但主汽压力的升高使进汽量增加。当蒸汽流量与燃
140S?0.5 （12）
G2(S)?kP2(1?)?烧率达到新的平衡时，汽压就趋于一个新的稳态值。蒸Ti2S80S汽流量的增加使汽轮机输出功率增加，输出电功率也同
在加入调节器后，在给定值扰动下，系统超
时增加。当蒸汽流量稳定后，输出电功率也趋于一个较
调、静差会减小。系统响应会有明显的改善。如
高的新稳态值，具有自平衡能力。
图7所示。
从上面的仿真曲线可以看出，系统严重的耦合，功率的输出和主汽压力同时受到阀门开度和燃煤量的影响。当锅炉燃料量扰动时，功率和主汽压力方向相同，所以可以GNB和GPB之比是一个常数。而当汽机阀门开度动作时，功率和主汽压力的响应曲线方向相反，所以可以大致的把GN?与GB?之比也近似为一个负的常数，系统解
图7 加调节器单向解耦系统Simulink图
耦就是基于这样一个理论。 3.2 系统的解耦
由解耦条件可得补偿器传递函数为：
?1.76(8S?1)G16896S3?3449.6S2?181.28S?1.76 （7） R21??21??125S?1?60SG117500S2?60S(80S?1)(15S?1)1 (83S?1)2???0.4512.219(80S?1)2当只有功率设定值扰动时，系统的输出曲线如图8所示。
GR12??12G22 （8）
图8 功率设定值扰动下系统的输出曲线
由式7可看出，在解耦矩阵中不稳定，要实现完全解耦k2相当复杂，所以采用串联后补偿单向解耦方案，以炉跟机为基础的协调控制方式，可得到较满意的控制效果。
即补偿矩阵为：
?1R12??1?0.451? （9） C(S)?????0011?????3.2 调节器的整定及系统的解耦
图9 主汽压力设定值扰动下系统输出曲线
当只有功率设定值扰动时，阀门开度增加，功率
输出如图8所示，功率输出阶跃跟随其响应，并在很短的时间内达到了稳定值。加调节器后响应时间要比