摘要：以广州旺隆热电厂110MW热电联产机组为例，分析了热电联产机组电负荷与热负荷的藕合关系。在该机组协调控制策略中，增加了前馈回路，使机组既能很好地适应热负荷和电负荷的变化，达到在最大经济效益下的安全运行，并改善了机组重要参数的动态性能。
作为热电联产的抽汽供热机组除了控制机组电负荷参数外，还应保证工业或民用抽汽的热负荷稳定。然而，基于普通协调控制策略的机组控制方法并未考虑到抽汽机组电负荷与热负荷之间存在的藕合关系，因此难以避免机组电负荷受热负荷变化的影响，而电负荷变化又影响供热参数，进而导致机组运行状况的恶化[1.2]。鉴于抽汽机组控制参数的特殊性，有必要对抽汽机组协调控制策略进行完善以减弱电负荷与热负荷之间的耦合关系，从而改善机组的动态性能，保障机组的安全运行。
本文以广州旺隆热电厂110MW抽汽供热机组为例，介绍了热电联产机组协调控制策略的设计和应用，以及如何改善热电联产机组电负荷与热负荷存在的藕合关系。
一、热电联产机组调节原理
根据能量平衡式：
Qr=Dex+Pgen (1)
式中：Qr为锅炉释放的总热量；Dex为热负荷(即抽汽量)；Pgen为电负荷(即发电有功功率) [3,4]。
由式(l)可见，当锅炉提供的热能一定时，Pgen随着Dex的增加而减小；反之，若改变机组目标负荷值，主蒸汽调节阀将根据目标值进行自动调节，从而引起Dex的变化。
(l) 热电分离调节方式下，机组既要满足协调控制中的电负荷目标值，同时也要通过抽汽回路自动闭环’调节以保证抽汽压力的恒定。该调节方式的前提条件是锅炉侧出力一定能够满足汽轮机侧的能量需求，即Qr未达到其能量输出的最大值Qr,max这样整个机组才能具有调节余量来保证机组在可控工况下的运行。
(2) 以热定电调节方式下，机组首先要确保抽汽的热负荷，锅炉出力维持在Qr,max状态后，此时无法实时保证汽轮机侧的能量需求，这样电负荷与热负荷之间表现为一种互易关系。当抽汽热负荷变化时，电负荷转随着热负荷的变化而反向变化。在该调节方式下，虽然以牺牲机组的电负荷来保证抽汽热负荷，但是由于锅炉侧出力保持在Qr,max状态下运行，使机组经济效益达到最大化运行方式，因此大多数电厂都采用以热定电的调节方式。
二、机组协调控制存在问题和解决方法
由于热电联产机组电负荷与热负荷存在着耦合关系，具体表现为当机组功率改变时会引起抽汽压力的波动进而影响到抽汽量。反之，当抽汽量变化时又会影响电功率的稳定。因此，仅仅通过主蒸汽调节阀控制跳负荷，再热调节阀控制抽汽压力的隔离调节，难以避免参数间的相互干扰，机组功率不稳定和抽汽压力频繁，严重影响机组的安全经济运行。对此，可采用协调控制策略来减弱电功率参数和抽汽参数之间的耦合关系，以改善机组的动态特性。
热电联产机组以直接能量平衡构建协调控制框架，其中锅炉主控的热量信号以及热量指令的关键参数仍与普通机组整定方法类似，汽轮机侧的汽轮机主控需要控制负荷功率和抽汽压力2个主要参数(比)普通机组多了热负荷参数）。由于热电联产机组要保证用汽热负荷，大多数电厂均采用以热定电的运行方式，因此需要区分2种情况进行处理。
(1)当锅炉侧出力未达到最大(Qr<Qr,max)时，电负荷与热负荷分别通过各自的闭环调节回路稳定在目标值，但此时需通过各自的前馈回路减弱两者间的藕合关系，以改善机组动态性能，具体实现方法为：当热负荷发生变化引起抽汽量变化时，则△Dex将通过f(x)函数关系折算成负荷量，从而以前馈的方式进入汽轮机主控调节器使调节阀快速同步变化，以减弱电负荷与热负荷之间的藕合关系改善机组动态性能。同理，当改变电负荷目标值时，将通过前馈回路使低压调节阀相应同步动作进行提前粗调以稳定抽汽压力来保证用汽量稳定。
(2)当锅炉侧出力Qr已达到最大Qr,max，此时电负荷与热负荷为互易关系。当热负荷增加时电负荷应减少，以保证机组安全运行。此时，由于锅炉主控运行在定压方式下，因此额定压力下主蒸汽流量的大小表征了锅炉侧的出力情况，当Qr达到Qr,max且热负荷增加时，将通过逻辑判断触发闭锁增信号，以避免汽轮机主控因抽汽量的增加引起电功率减少。但是，如果自动控制系统继续增大调节阀开度，则机组将超负荷运行。
改进后的协调控制策略如图1所示，主要通过前馈回路的作用使热负荷和电负荷2个参数同时联动，以减弱2个参数之间的耦合关系，改善机组的动态性能。当锅炉出力达到最大时通过闭锁增信号限制电负荷的调节从而实现牺牲电负荷确保热负荷的目标，具体调节过程为：当热负荷需求量增加时会引起抽汽压力的变化，抽汽闭环调节回路将通过开启低压调节阀来自动稳定抽汽压力，此时随着抽汽量的增加汽轮机的做功能量减少，导致电负荷的减少，但由于有前馈f(x)函数的作用预先增大汽轮机调节阀开度，以补充损失的蒸汽流量，而汽轮机调节阀能否继续增大开度则取决于锅炉出力状况。
综上所述，通过前馈回路的预先动作和PID的无差调节使机组在出力允许的条件下同时保证电负荷和热负荷的稳定。当机组出力不允许时，以热定电使机组既能确保热负荷又能以最大经济效益方式运行。其中，需要从蒸汽流量与电功率之间的历史趋势曲线中找出f(x)函数映射关系和匹配好汽轮机主控 PID与抽汽压力PID的参数。
三、应用实例
在广州旺隆热电厂2×ll0MW热电联产机组进行的自动发电控制(AGC)变负荷试验结果表明，改进后的协调控制策略不仅能使机组达到普通机组的快速响应 AGC 变负荷试验的指标要求，而且还能够兼顾汽轮机侧热负荷和电负荷2个重要参数的不同要求，机组各主要参数波动范围都优于普通机组，大大改善了机组运行状况。图2为机组分别在1.65 MW/min和2.2MW/min速率下的AGC变负荷试验。
由图2可见，机组在变负荷过程中响应迅速，实际负荷变化率几乎等同于给定速率，而且变负荷过程中机组功率和主蒸汽压力动态偏差均很小(主蒸汽压力最大偏差为0.2MPa，功率最大偏差为1MW)。
图3为锅炉出力达到最大时抽汽量扰动曲线。
由图3可见，当机组正常稳定运行(目标负荷定值保持不变)且锅炉出力达到最大时，若用汽量发生变化，则闭锁汽轮机主控输出，机组实际功率将随着抽汽量的变化而反向变化(曲线3和曲线1)。图4为锅炉出力未达到最大时抽汽量扰动曲线。
由图 4 可见，当机组正常运行且锅炉出力未达到编大时，若用汽量发生变化（40 t/h ，曲线8）将使汽轮机主控迅速响应并稳定负荷，由于前馈回路的作用使得机组动态过程更加稳定，负荷波动很小。图 5 为机组稳定工况曲线。
由图5可见，当热负荷稳定时机组的主蒸汽压力和负荷都很平稳。
4 结论
在广州旺隆热电厂2×ll0MW热电联产机组的协调控制中采用了前馈回路，从而减弱了热负荷与电负荷的藕合关系，使得机组电负荷和热负荷相互影响导致的波动频繁、调节频繁的现象有了很大改善，在保证热负荷需求的前提下最大限度地提高了发电负荷，使机组的经济效益达到了最大化。
【参考文献】
[1] 石兆玉．供热系统运行调节与控制[M]．北京：清华大学出版社，1994.
[2] 武素学．热电联产[M]．西安：西安交通大学出版社，1988.
[3] 王咖瑛．热力发电厂系统设计和运行[M]．北京：中国电力出版社，1997.
[4] Erwin G.Hansen. Heating System Design and Operation[M]．New York: McGrawHill,2007.