摘要：針對(duì)汽輪機(jī)組各種運(yùn)行方式的特點(diǎn)（包括優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)），從能量供需協(xié)調(diào)的角度出發(fā)，提出了機(jī)組柔性控制，該控制方法結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整方便，不帶非線性環(huán)節(jié)，具有明顯的減弱鍋爐汽壓廣義對(duì)象非線性的作用。對(duì)于不同的機(jī)組都可以通過調(diào)整一個(gè)參數(shù)-能量供需協(xié)調(diào)度a，得到滿足主汽壓波動(dòng)小、機(jī)組負(fù)荷適應(yīng)性強(qiáng)的控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)適用于機(jī)組在大范圍的不同工況下運(yùn)行。仿真表明了這振打器一結(jié)果。
關(guān)鍵詞：柔性控制；汽輪機(jī)組；能量供需協(xié)調(diào)DY型移動(dòng)輸送機(jī)；功頻調(diào)節(jié)

小型振動(dòng)篩1 引言

單元火電機(jī)組控制目標(biāo)的本質(zhì)是保證能量轉(zhuǎn)換過程順利地進(jìn)行，保證能量轉(zhuǎn)換過程各環(huán)節(jié)能量流的供需平衡。整個(gè)能量轉(zhuǎn)換過程是一個(gè)復(fù)雜的,多輸入、多輸出的過程,在輸入和輸出之間存在著相互關(guān)聯(lián)和耦合，在認(rèn)定鍋爐系統(tǒng)正常燃燒和正常給水，勵(lì)磁系統(tǒng)正常工作的前提下，單元機(jī)組可簡化為一個(gè)具有雙輸入雙輸出的被控對(duì)象，機(jī)組的能量流輸出（功率Ne）和皮帶稱重給料機(jī)機(jī)前壓力PT為被控量，調(diào)節(jié)汽門開度mT和能量流輸入（燃料量mB）為控制量。

由于火螺旋送料機(jī)電機(jī)組各環(huán)節(jié)能量轉(zhuǎn)換過程的快慢程度相差很大（見圖1），第1、2環(huán)節(jié)是一個(gè)相對(duì)慢速的能量轉(zhuǎn)換過程,有非線性，慣性較大，在鍋爐中完成；第3、4環(huán)節(jié)是一個(gè)相對(duì)快速的能量轉(zhuǎn)換過程,慣性較鍋爐小得多，由汽輪發(fā)電機(jī)完成。要保證能量轉(zhuǎn)換過程順利地進(jìn)行，對(duì)快速能量轉(zhuǎn)換過程和慢速能量轉(zhuǎn)換過程進(jìn)行協(xié)調(diào)是必要的。

機(jī)爐協(xié)調(diào)控制在火電機(jī)組中得到了廣泛采用[1,2]，但目前采用的機(jī)爐協(xié)調(diào)控制存在以下不足：① 目前的機(jī)爐協(xié)調(diào)控制是在機(jī)跟爐或爐跟機(jī)兩種方式的基礎(chǔ)上加以修補(bǔ)而成的，因此在本質(zhì)上這些協(xié)調(diào)控制存在爐跟機(jī)或機(jī)跟爐的特性（包括優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)）；② 很大程度上基于物理概念進(jìn)行設(shè)計(jì)，例如加入汽壓死區(qū)限制、功率上下限幅等，結(jié)果是引入了非線性，使系統(tǒng)復(fù)雜化，回路動(dòng)態(tài)特皮帶輸送性設(shè)計(jì)的難度增加；③ 所采用的系統(tǒng)更多是調(diào)試出來的，不是設(shè)計(jì)出來的，即使有些研究采用了最優(yōu)控制、預(yù)測控制、智能控制等設(shè)計(jì)的控制器，也由于過分的繁瑣、復(fù)雜限制了應(yīng)用。

本文的目的是從能量流動(dòng)和轉(zhuǎn)換的角輸送輥度，深入研究鍋爐、汽輪機(jī)和電網(wǎng)負(fù)荷之間的能量供需內(nèi)在特性, 以找到一種控制方法, 使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便、消除非線性影響，能滿足各型機(jī)組控制的要求。

2 火電機(jī)組柔性控制的設(shè)計(jì)SZZ型自定中心篩思想

2活化給煤機(jī).1 常規(guī)協(xié)調(diào)控制方式的回顧

通常旋振篩火電單元機(jī)組包括爐跟機(jī)運(yùn)行、機(jī)跟爐運(yùn)行、以爐跟機(jī)為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)運(yùn)行和以機(jī)跟爐為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)運(yùn)行4種方式。

當(dāng)爐跟機(jī)運(yùn)行時(shí)，鍋爐的負(fù)荷是根據(jù)汽輪機(jī)的要求而變化的，汽輪機(jī)調(diào)節(jié)器控制能量輸出（機(jī)組功率齒輥破碎機(jī)），鍋爐調(diào)節(jié)器控制主汽壓，負(fù)荷快速適應(yīng)性好，但汽壓波動(dòng)較大；當(dāng)機(jī)跟爐運(yùn)行方式時(shí)，鍋爐調(diào)節(jié)器控制能量輸入（燃料量），汽機(jī)調(diào)節(jié)器控制主汽壓，這種方式汽壓波動(dòng)小，但負(fù)荷適應(yīng)能力較差。

以爐跟機(jī)為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)運(yùn)行，引入功率控制帶有死區(qū)的非線性環(huán)節(jié)，當(dāng)主汽壓波動(dòng)超過非線性環(huán)節(jié)的死區(qū)時(shí)，非線性環(huán)節(jié)將輸出一個(gè)信號(hào)直接作用于汽門調(diào)節(jié)閥，通過其動(dòng)作限制主汽壓波動(dòng)；以機(jī)跟爐為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)運(yùn)行，引入了一個(gè)具有上下限幅的非線性環(huán)節(jié)，作用于主汽壓調(diào)節(jié)回路，來提高機(jī)組跟蹤負(fù)荷的能力，這種適應(yīng)負(fù)荷變化鏈斗提升機(jī)能力的提高是犧牲主汽壓的穩(wěn)定性換取的。

以上兩種協(xié)調(diào)運(yùn)行方式都帶有明顯的爐跟機(jī)或機(jī)跟爐的痕跡,也就是說仍然或多或少帶有這兩振動(dòng)防閉塞裝置種基本運(yùn)行方式自身的不足；而引入的死區(qū)或限幅環(huán)節(jié)帶來了強(qiáng)非線性，對(duì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)產(chǎn)生不利因素。

2.2 柔性控制的概念和結(jié)沖擊式石頭制砂機(jī)構(gòu)

保持單元火電機(jī)組能量流供需雙方的平衡是控制的目標(biāo)，機(jī)爐間的協(xié)調(diào)控制實(shí)質(zhì)上就是能量流供需平衡的控制，爐跟機(jī)運(yùn)行方式代表了“按需分配”，以滿足能量需求為控制目標(biāo)，需要多少能量就供給多少；機(jī)跟爐運(yùn)行方式代表了“按供分配不銹鋼篩”，以不超過能量供應(yīng)能力為控制目標(biāo)，能供多少能量就供給多少。

由于火電機(jī)組各環(huán)節(jié)能量轉(zhuǎn)換過程的快慢程度相差很大，爐跟機(jī)運(yùn)行方式的主要矛盾是能量供應(yīng)不足，表現(xiàn)為主汽壓波動(dòng)過大；機(jī)跟爐運(yùn)行方式的主要矛盾是能量供應(yīng)過程緩慢，表現(xiàn)為負(fù)荷適應(yīng)性較差。這兩種基本模式形成了控制特性的兩個(gè)極端，現(xiàn)有的兩種協(xié)調(diào)運(yùn)行方式是兩種基本運(yùn)行方式向?qū)Ψ娇繑n的結(jié)果，所得到的協(xié)調(diào)運(yùn)行方式的控制特性也大致是兩種基本方式的控制特性在某種意義下的折衷，這反映了火電機(jī)組控制發(fā)展的趨勢?；谝陨戏治?，提出了一種機(jī)爐協(xié)調(diào)的柔性控制概念，見圖(1)、(2)。

圖1中KT1為引入汽輪機(jī)調(diào)節(jié)器的功率信號(hào)通道增益；KT2為汽壓信號(hào)通道增益；KB1為引入鍋爐調(diào)節(jié)器的功率信號(hào)通道增益；KB2為汽壓信號(hào)通道增益。

分析發(fā)現(xiàn)：當(dāng)KT1和KB2取極小增益（為零），而KT2和KB1取極大增益（為1）時(shí)，就成為機(jī)跟爐運(yùn)行方式，火電機(jī)組具有完整的機(jī)跟爐特性；當(dāng)KT1和KB2取為1時(shí)，而KT2和KB1取值為零時(shí)，就變成為爐跟機(jī)運(yùn)行方式，火電機(jī)組具有完整的爐跟機(jī)特性；當(dāng)KT1和KB1、KT2和KB2取兩極值之間（0～1），就決定了機(jī)組協(xié)調(diào)運(yùn)行是爐跟機(jī)運(yùn)行為主，還是機(jī)跟爐運(yùn)行為主。

如果設(shè)定各信號(hào)通道增益表示為KT1 =1-a，KB2=1-a，KT2=a，KB1=a。那么當(dāng)a取最大值1時(shí)，KT1=0，KB2=0，KT2=1，KB1=1就成為機(jī)跟爐運(yùn)行方式；當(dāng)a取最小值0時(shí)，KT1 =1，KB2=1，KT2=0，KB1=0就成為爐跟機(jī)運(yùn)行方式；當(dāng)a取兩極值之間（0～1），KT1，KB2， KT2，KB1取兩極值之間（0～1）就決定了機(jī)組協(xié)調(diào)控制是爐跟機(jī)為主，還是機(jī)跟爐運(yùn)行為主。

用一個(gè)簡單的參數(shù)a取0~1之間的值就表示機(jī)組運(yùn)行的特性，當(dāng)機(jī)組出現(xiàn)能量供應(yīng)不足時(shí)，a值需要增大，機(jī)組中爐跟機(jī)功能的比重下降，而機(jī)跟爐功能的比重加大，即增加了能量供應(yīng)為控制目標(biāo)的比重，解緩了能量供應(yīng)不足的矛盾；同理當(dāng)機(jī)組出現(xiàn)能量需求不足時(shí)，a值需要減小，機(jī)組中爐跟機(jī)功能的比重加大，而機(jī)跟爐功能的比重下降，即增加了能量需求為控制目標(biāo)的比重，解緩了能量需求不足的矛盾。

顯然a值具備能量供需協(xié)調(diào)的功能，這里稱a為能量供需協(xié)調(diào)度。通過調(diào)整a值，使機(jī)組達(dá)到能量流的供需‘平衡點(diǎn)’，既能保證較小的主汽壓波動(dòng)，又既能保證較好的負(fù)荷適應(yīng)性，這個(gè)點(diǎn)的值a p是柔性控制的最佳點(diǎn)。不同的機(jī)組由于其鍋爐和汽輪機(jī)的特性不同，ap的值也是不同的?？梢愿鶕?jù)鍋爐和汽輪機(jī)對(duì)象特性,找到合適的a值，使機(jī)組既能保證較小的主汽壓波動(dòng)，又能保證較好的負(fù)荷適應(yīng)性，滿足機(jī)組運(yùn)行的要求。能量供需協(xié)調(diào)度a和機(jī)組特性的關(guān)系見表1。

圖3中虛線框內(nèi)為柔性控制器的結(jié)構(gòu)圖，輸入?yún)?shù)為機(jī)組功率、電網(wǎng)頻率和主蒸汽壓力。汽輪機(jī)主調(diào)節(jié)器采用功頻調(diào)節(jié)，同時(shí)引入主汽壓反饋信號(hào)；鍋爐主調(diào)節(jié)器引入主汽壓、機(jī)組功率和電網(wǎng)頻率反饋信號(hào)，輸出控制燃料量和調(diào)節(jié)閥開度。

2.3 柔性控制減弱了非線性的影響

火電機(jī)組能量轉(zhuǎn)換過程存在著非線性，由于非線性系統(tǒng)設(shè)計(jì)十分繁瑣，應(yīng)用上有相當(dāng)?shù)睦щy，而常用的小偏差線性化方法，一般僅適用于工作點(diǎn)附近一定范圍內(nèi)，不適用于大范圍變工況情況。因此要獲得適用于大范圍變工況且調(diào)整方便的控制系統(tǒng)是有相當(dāng)困難的。

鍋爐汽壓廣義對(duì)象的非線性是火電機(jī)組的主要非線性，產(chǎn)生的主要原因有兩個(gè)（見圖3）：

1）過熱器管道進(jìn)口壓力Pd與出口壓力PT的壓力降和蒸汽流量SF之間存在平方關(guān)系：Pd-PT=kSF2，即dPd-dPT=2kSFdSF，取過熱器非線性系數(shù)R（SF）= 2kSF；

2）主蒸汽流量變動(dòng)DST與調(diào)節(jié)閥的開度變動(dòng)DμT和主蒸汽壓力變動(dòng)DPT的乘積成正比：DST=KDmTDPT，調(diào)節(jié)閥開度mT和主蒸汽壓力PT相互關(guān)聯(lián)。

分析發(fā)現(xiàn)，由于柔性控制采用功頻調(diào)節(jié)（引入機(jī)組功率和電網(wǎng)頻率信號(hào)），減弱了鍋爐汽壓廣義對(duì)象的非線性的影響。功頻調(diào)節(jié)時(shí)，汽輪機(jī)組表現(xiàn)為恒功率輸出，調(diào)節(jié)閥引起的非線性對(duì)主蒸汽流量ST沒有多大影響；過熱器蒸汽流量SF變動(dòng)較小，非線性系數(shù)R（SF）=2kSF變動(dòng)較小，其特性出現(xiàn)明顯的線性化。

根據(jù)線性系統(tǒng)的疊加性原理，定義鍋爐汽壓廣義對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的相對(duì)線性度

qN=[PT(△N3)-PT(△N1)]-PT(△N2]/PT(△N3)×100%

式中DN3=DN1+DN1，DN為變量，PT (DN)為函數(shù)量，|q|越小，PT(N)的線性化程度越好，當(dāng)q=0時(shí)PT(N)完全線性化。

可以證實(shí)功頻調(diào)節(jié)對(duì)鍋爐非線性特性的線性化作用，當(dāng)負(fù)荷變化DN1=-40MW，DN2=-60MW，DN3=DN1+DN1=-100MW，采用斜波輸入方式，在40s內(nèi)升至變化值時(shí)，函數(shù)輸出量主蒸汽壓力PT(DN)的相對(duì)線性度見圖4。

功頻調(diào)節(jié)的|q|值比速度調(diào)節(jié)（僅引入轉(zhuǎn)速信號(hào)）小一個(gè)數(shù)量級(jí)，主汽壓PT(DN)的相對(duì)線性度|q|≤0.1，即鍋爐汽壓廣義對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性在功頻調(diào)節(jié)的作用下非線性的影響大大減弱。

3 火電機(jī)組柔性控制模型

圖3是火電機(jī)組柔性控制系統(tǒng)圖，鍋爐蒸汽系統(tǒng)采用低階的非線性模型[2,3]，其中燃燒動(dòng)態(tài)特性為Wr(S)；燃煤為e-20S/(30S+1)；燃油或燃煤氣為1/(15S+1)；水蒸發(fā)傳遞函數(shù)為1/(TFS+1)，TF=98；鍋爐蓄熱系數(shù)CB=176S；過熱器管道阻力系數(shù)Ksh=0.07；主汽閥門管道阻力傳遞函數(shù)1/TsS，Ts=8；汽輪機(jī)及中間再熱容積 (1+lTpS)/(1+TpS)，高壓缸功率系數(shù)l =1/3，Tp=9；轉(zhuǎn)子傳遞函數(shù)1/（TaS+b），Ta=8，b=0.010；發(fā)電機(jī)異步阻力系數(shù) CD=20；發(fā)電機(jī)同步功率傳遞函數(shù)為1/TrS，Tr=20 ；鍋爐主調(diào)節(jié)器 P1I1，P1=1，KI=200；汽輪機(jī)功頻調(diào)節(jié)器P2I2，P2=1，KI=8；汽輪機(jī)純速度調(diào)節(jié)1/d =20；汽輪機(jī)額定功率為300MW；額定主蒸汽壓力為16.17 Mpa。

4 柔性控制的動(dòng)態(tài)特性仿真和研究

4.1 柔性控制的動(dòng)態(tài)特性

在本仿真研究中作了以下必要的假設(shè)：① 鍋爐系統(tǒng)燃燒和供水正常；② 勵(lì)磁系統(tǒng)工作正常；③ 采用單機(jī)無窮大電網(wǎng)。

當(dāng)機(jī)組并網(wǎng)正常工作，出現(xiàn)電網(wǎng)頻差擾動(dòng)或負(fù)荷給定變動(dòng)時(shí)，采用不同能量供需協(xié)調(diào)度a值的柔性控制的動(dòng)態(tài)特性有很大的區(qū)別，電網(wǎng)頻差Df出現(xiàn)2%的級(jí)躍擾動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)特性，可見隨著a值的增大，主汽壓力波動(dòng)明顯減緩，見圖5(a)，當(dāng)a≌0.92時(shí)，主汽壓力PT波動(dòng)出現(xiàn)極小值，隨后出現(xiàn)主汽壓力PT相反方向的波動(dòng)。當(dāng)a =0時(shí)，負(fù)荷適應(yīng)能力最好，輸出功率Ne響應(yīng)迅速，隨著a值的增大，輸出功率波動(dòng)變大，見圖5(b)，到一定值后趨于平緩，當(dāng)a ≌0.92時(shí)，輸出功率波動(dòng)出現(xiàn)極小值，達(dá)到了整個(gè)過程的能量供需平衡點(diǎn)，柔性控制的動(dòng)態(tài)特性最佳。

4.2 柔性控制的大范圍變工況特性

由于功頻調(diào)節(jié)明顯減弱了鍋爐非線性特性的影響，鍋爐汽壓特性表現(xiàn)出良好的全局性能一致性。當(dāng)汽輪機(jī)組在不同工況工作，負(fù)荷出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，汽輪機(jī)控制方式對(duì)鍋爐汽壓廣義對(duì)象特性有明顯的影響，采用功頻調(diào)節(jié)的鍋爐汽壓特性幾乎不受工況變化的影響，而采用速度調(diào)節(jié)時(shí)影響顯著，見圖6。

在不同工況300MW、250MW和200MW時(shí)，負(fù)荷出現(xiàn)15MW擾動(dòng)時(shí)，以工作點(diǎn)300MW和250MW為例，可以發(fā)現(xiàn)采用速度調(diào)節(jié)，鍋爐汽壓特性隨工況變動(dòng)有較大的變化，峰值分別為PT1=15.38MPa, PT2=15.46Mpa，差值達(dá)0.08Mpa，其相對(duì)峰值變化度∣(PT1-PT2)/PT1×100%=0.5%,調(diào)整時(shí)間分別為T1=912s，T2=881s，差值為31s，相對(duì)調(diào)整時(shí)間變化度∣(T1-T2)/ T1×100%=2.5%；而采用功頻調(diào)節(jié)時(shí)，鍋爐汽壓特性隨工況變動(dòng)很小， 峰值差值0.005Mpa，調(diào)整時(shí)間差值為2s，表現(xiàn)了在大范圍不同工況下，鍋爐汽壓特性良好的全局性能一致性。

5 幾點(diǎn)說明

（1）采用能量供需協(xié)調(diào)度和功率調(diào)節(jié)相結(jié)合的柔性控制方法，可以獲得結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便，能滿足各型機(jī)組大范圍全工況控制的要求。

（2）能量供需協(xié)調(diào)度a 反應(yīng)了機(jī)組能量流供需雙方的平衡，它的取值和鍋爐與汽輪機(jī)對(duì)象特性有關(guān)，燃料的種類、鍋爐的類型和汽輪機(jī)的類型都對(duì)a 值有明顯的影響。不同類型的機(jī)組都有一個(gè)能量供需最佳平衡點(diǎn)ap，僅通過調(diào)整一個(gè)參數(shù)a就可以得到ap值。有的機(jī)組允許主汽壓在相應(yīng)的范圍內(nèi)波動(dòng)，那么a 取值可以根據(jù)實(shí)際使用情況，選擇小于a p值。

燃料種類的不同主要表現(xiàn)為燃燒動(dòng)態(tài)特性的差異，煤的燃燒過程由純滯后環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)組成；油和煤氣燃燒迅速，幾乎沒有純滯后環(huán)節(jié)，可看成只有一個(gè)慣性環(huán)節(jié)。因此燃煤爐能量供給速度較慢，要求增大能量供給為控制目標(biāo)的比重，即a p值較大，而燃油爐的a p值相對(duì)較小。

燃煤爐中帶中間粉倉供煤方式的純滯后比直吹式供煤方式要小得多，應(yīng)該增大能量供給為控制目標(biāo)的比重，即中間粉倉式的ap值比直吹式供煤方式大一些。

鍋爐類型的不同主要表現(xiàn)蓄熱容量的差異，直流爐的蓄熱容量比汽包爐小得多，約為汽包爐的1/2～1/4，可利用的蓄熱量較小，負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)，蒸汽參數(shù)變化大，因此能量供給速度需加大，即a p值較大。 汽輪機(jī)類型的不同主要是有無中間再熱器的區(qū)別，中間再熱型機(jī)組有一個(gè)相當(dāng)大的中間再熱器，高壓缸部分的特性和非中間再熱機(jī)組相同，中、低壓缸的功率變動(dòng)只隨中間再熱器參數(shù)的變化而變化，由于中間再熱器熱容量很大，機(jī)組對(duì)能量的需求也有所降低，即ap值較小。當(dāng)機(jī)組工作在30%負(fù)荷以下時(shí)，中壓調(diào)節(jié)閥工作，兩類機(jī)組特性相同。

（3）汽輪機(jī)采用功率調(diào)節(jié)保證了火電機(jī)組在大范圍不同工況下，良好的全局性能一致性，引入的主汽壓反饋解決了功率調(diào)節(jié)對(duì)鍋爐汽壓對(duì)象特性的無自平衡問題，這對(duì)鍋爐的控制是有利的。目前大多數(shù)大型火電機(jī)組采用電液調(diào)節(jié)，具有功率調(diào)節(jié)功能，即使原來沒有，增加功率調(diào)節(jié)也是容易的，這為全面實(shí)現(xiàn)火電機(jī)組柔性控制提供了基礎(chǔ)。

（4）本文對(duì)火電機(jī)組柔性控制僅提出了一個(gè)粗淺的想法，做了一些仿真試驗(yàn)，還有許多工作需要做，特別是ap值的計(jì)算方法和調(diào)整措施等。謹(jǐn)希望廣大同行共同加以研究，使這種想法能夠趨于完善，早日應(yīng)用于生產(chǎn)。

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