協調控制系統(Coordinated Control System，CCS)是將鍋爐-汽輪機-發電機組作為一個單元整體進行控制，使鍋爐和汽輪機同時響應控制要求，確保機組快速穩定地滿足負荷的變化，并保持穩定運行。控制的基本方法是直接并快速響應代表負荷或能量指令的前饋信號，并通過閉環反饋控制和其他先進策略，對該信號的靜態精度和動態補償進行調整。
1、協調控制
控制系統將協調鍋爐及其輔機與汽輪機及其輔機的運行，以便快速、準確、穩定地響應自動調度系統(ADS)或電廠運行人員的負荷指令。如圖1所示，將鍋爐蓄熱用于汽輪機控制功率，同時，改變鍋爐出力，適應負荷控制要求，將功率偏差信號和汽壓偏差信號送至鍋爐控制燃燒率，改變熱負荷，減少功率偏差和汽壓偏差。
圖1 火力發電廠協調控制示意圖
①爐跟機方式
爐跟機(Boiler Follow Mode，BF方式)這是常規的機爐分別控制方式，由汽輪機控制機組輸出功率，鍋爐控制汽壓，如圖2所示，汽輪機響應機組負荷指令或運行人員手動指令，鍋爐響應蒸汽流量變化及由汽輪機引起的汽壓偏差。汽壓的偏差值可用來校正負荷指令，即當負荷指令變化時，首先調節控制汽輪機蒸汽流量的閥門開度，改變進入蒸汽流量，以改變發電機功率，使其與負荷指令一致。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、送風量和引風量，同時控制給水流量，達到能量平衡。此種方式適應負荷最快，充分利用了鍋爐蓄熱，但汽壓波動較大。
圖2 爐跟機方式
②機跟爐方式
機跟爐(Turbine Follow Mode，TF方式)鍋爐響應機組負荷指令或運行人員手動指令，汽輪機響應由鍋爐引起的汽壓變化，如圖3所示，即當負荷指令改變時，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，根據主汽壓力的變化去控制閥門開度控制進汽量，以控制發電機功率，使其與負荷指令一致。這種控制方式由鍋爐控制負荷，汽輪機控制汽壓，汽壓變化小，因沒有充分利用鍋爐蓄熱，所以負荷適應能力差。
圖3 機跟爐方式
碳素余熱發電和鋼廠高爐煤氣余熱發電項目中通常采用機跟爐的方式，這是由鍋爐獲取能源的方式決定的，鍋爐最大程度將余熱加以回收利用，將這些熱能轉換為電能就行。
由于是協調控制，這里采用了面向對象原理(與計算機中的概念類似)，把機、爐、電分別看成三個子系統。鍋爐與汽輪機的聯系是汽壓P的變化，汽輪機與發電機的聯系是電網負荷的變化，也就是需要的出力。因此形成一條動態變化的鏈，燃料、送風量、引風量、給水流量的變化引起鍋爐燃燒率的變化，這個變化直接導致鍋爐生產的蒸汽壓力的變化，為了保持汽輪機恒壓，必須使控制汽輪機蒸汽流量的閥門開度隨之變化，這樣就導致了汽輪機出力的變化，也就是送入電網的負荷發生變化。這樣的系統做成負反饋，就達到了協調控制的目的。在電力系統中，由于電力是無法儲存的，因此，電網中的電力是根據用量的多少來生產的，在負荷大的情況下，需要電廠多發電，如果功率不足，就會使系統周波下降(不足50Hz)，怎樣才能控制發多少電呢？電力系統的運行部門會根據負荷曲線來預測電網并控制，簡單點說就是，要求你發多少電，電廠就無條件執行。這樣的話，單臺容量大的機組就要執行調峰任務，電廠把機組的控制權交給電力調度系統，由它來控制電廠是增加出力還是減少出力。在控制系統不發達時代，都是通過電話聯系的，調度會告訴你什么時間，調整負荷到多少，電廠就要根據自己的設備和運行情況，及時準備好，如果到時候跟不上負荷要求，可能有比較嚴厲的處罰，因為這對電網的安全運行會造成很大影響。如果真的跟不上怎么辦呢？電網能做的只有甩負荷，拉閘限電，以減輕電網的壓力。
2、自動發電控制
現代電力系統的頻率和功率的調整一般是按負荷變動周期的長短和幅度的大小分別進行的。對于幅度較小、變動周期短的微小分量，主要是靠汽輪發電機組調速系統來自動調整完成的，即所謂一次調頻。一次調頻的特點是由汽輪發電機組本身的調節系統直接調節，因此響應速度最快。但由于調速器為有差調節，因此對于變化幅度較大、周期較長的變動負荷分量，需要通過改變汽輪發電機組的同步器來實現，即通過平移調速系統的調節靜態特性，從而改變汽輪發電機組的出力來達到調頻的目的，稱為二次調整。當二次調整由電廠運行人員就地設定時稱就地手動控制；由電網調度中的能量管理系統來實現遙控自動控制時，則稱為自動發電控制(AGC)。自動發電控制系統示意如圖4所示。
圖4 火力發電廠自動發電控制系統
自動發電控制系統主要由三部分組成：電網調度中心的能量管理系統(EMS)、電廠端的遠方終端(RTU)和集散控制系統的協調控制系統、微波通道。實現自動發電控制系統閉環自動控制必須滿足以下基本要求：
①電廠機組的熱工自動控制系統必須在自動方式運行，且協調控制系統必須在“協調控制”方式。
②電網調度中心的能量管理系統、微波通道、電廠端的遠方終端RTU必須都在正常工作狀態，并能從電網調度中心的能量管理系統的終端CRT上直接改變機爐協調控制系統中的調度負荷指令。機爐協調控制系統能直接接收到從能量管理系統下發的要求執行自動發電控制的“請求”和“解除”信號、“調度負荷指令”的模擬量信號(標準接口為4-20mA)。能量管理系統能接收到機組協調控制系統的反饋信號協調控制方式信號和AGC已投入信號。
③能量管理系統下達的“調度負荷指令”信號與電廠機組實際出力的絕對偏差必須控制在允許范圍以內。
④機組在協調控制方式下運行，負荷由運行人員設定稱就地控制；接受調度負荷指令，直接由電網調度中心控制稱遠方控制。就地控制和遠方控制之間相互切換應該是雙向無擾的，也就是說在相互切換的過程中，不能產生較大的波動。在就地控制時，調度負荷指令自動跟蹤機組實發功率；在遠方控制時，協調控制系統的手動負荷設定器的輸出負荷指令自動跟隨調度發來的負荷指令。自動發電控制(AGC)基本上都是電網調度根據電網負荷要求和各發電廠機組狀況，針對每臺單元機組直接指定目標負荷的控制。當電廠中有多臺單元機組時，每臺機組都需要按上述方式用硬接線將信號與RTU相連。單元機組接受AGC負荷調度指令的幅度是受其本身運行狀態限制的，鍋爐本身在不投燃油的情況下，能夠保障穩定燃燒的時候，此時的負荷，決定了機組可以承受的變動負荷的范圍；運行中主要輔機投用情況及主要運行參數的狀況決定了當時該機組允許承擔最大負荷的能力。當輔機故障或主熱力參數偏離正常范圍達一定程度后，機組可能無法運行在AGC方式下。
上面描述的過程看起來有些復雜，打個比喻，假設有十個人共同完成一項任務，開始的時候，領導會根據每個人的不同情況分配任務，大家各自開始自己的工作。但是在執行的過程中，由于每個人的實際情況和身體狀況等原因，導致任務之間不能很好銜接，如此下去就會延誤任務的執行，此時，領導出面了，他在均衡考慮每個人的自身情況后，重新調整了任務的分配，總的原則就是能者多勞，或者輪班休息，如此方式的調整貫穿在整個任務的執行過程中，體現了領導的管理水平與應變能力，這樣就保障了任務的執行進度和質量。
《火電廠機爐協調系統之機爐協調控制和自動發電控制》節選自宋極群編著的《過程控制系統基礎與實踐一書》，以下是宋極群的其他相關文章：
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