發(fā)電廠鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)

1、i尊本科生課程設(shè)計（論文）遼寧工業(yè)大學(xué)過程控制課程設(shè)計（論文）題目： 發(fā)電廠鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)設(shè)計院（系）：電氣工程學(xué)院專業(yè)班級：自動化093學(xué) 號： 090302075學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師： （簽字）起止時間：課程設(shè)計（論文）任務(wù)及評語院（系）：電氣工程學(xué)院教研室：號 學(xué)豐亠課程設(shè)計論文任務(wù)、 匕匕 厶冃 功 的 成 完 題 mK 1進度計劃指導(dǎo)教師評語及成績?nèi)?竹 月 WI年 指辯昔:軌 時 成 平 總注：成績：平時20% 論文質(zhì)量60% 答辯20%以百分制計算本科生課程設(shè)計（論文）本文是針對鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)進行的分析和設(shè)計，而對鍋爐過熱蒸 汽的良好控制是保證系統(tǒng)輸出蒸汽溫度穩(wěn)

2、定的前提。所以本設(shè)計采用串級控制系 統(tǒng)，這樣可以極大地消除控制系統(tǒng)工作中的各種干擾因素，使系統(tǒng)能在一個較為 良好的狀態(tài)下工作，同時鍋爐過熱器出口蒸汽溫度在允許的范圍內(nèi)變化，并保護 過熱器管壁溫度不超過允許的工作溫度。在本設(shè)計用到串級控制系統(tǒng)中，主對象為送入負(fù)荷設(shè)備的出口溫度，副對象 為減溫器和過熱器之間的蒸汽溫度。通過控制減溫水的流量來實現(xiàn)控制過熱蒸汽 溫度的目的關(guān)鍵詞：串級控制系統(tǒng)；過熱蒸汽溫度；溫度控制；本科生課程設(shè)計（論文）目錄第1章緒論 1第2章生產(chǎn)工藝概述 22.2過熱器的介紹 32.3過熱蒸汽溫度控制對象的動態(tài)特性 4第3章過熱蒸汽溫度控制原理簡介 103.1簡單蒸汽溫度控制系統(tǒng)

3、103.2復(fù)雜蒸汽溫度控制系統(tǒng) 113.3采用串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的條件 113.4串級控制系統(tǒng)的特點 13第4章過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計 154.1系統(tǒng)控制參數(shù)的確定 154.1.1主變量的選擇 154.1.2副變量的選擇 154.1.3操縱變量的選擇 154.2執(zhí)行器的選擇 164.3控制儀表的選擇 164.3.1溫度變送器的選擇 164.3.2溫度傳感器的選擇 164.4主、副控制器控制規(guī)律的選擇 174.5控制器正、反作用選擇 17第5章系統(tǒng)仿真 185.1串級控制系統(tǒng)MATLAB仿真分析 185.2蒸汽溫度控制系統(tǒng)仿真分析 19第6章總結(jié) 22本科生課程設(shè)計（論文）第1章緒論蒸汽溫度是鍋爐

4、安全 高效 經(jīng)濟運行的主要參數(shù)，因此對蒸汽溫度控制要求 嚴(yán)格。過高的蒸汽溫度會造成過熱器，蒸汽管道及汽輪機因過大的熱應(yīng)力變形而 毀壞；蒸汽溫度過低，又會引起熱效率降低，影響經(jīng)濟運行。鍋爐控制現(xiàn)場環(huán)境 惡劣，采用傳統(tǒng)的基于模擬技術(shù)的控制器、儀器儀表或單片機，不僅結(jié)構(gòu)比較復(fù) 雜，效率比較低，而且可靠性也不高。本次課設(shè)設(shè)計的主要考慮部分是鍋爐蒸汽溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計。蒸汽過熱系統(tǒng)包括一級過熱器、減溫器、二級過熱器。鍋爐汽溫控制系統(tǒng)主要包括過熱汽和 再熱蒸汽溫度的的調(diào)節(jié)。主要蒸汽溫度與再熱蒸汽溫度的穩(wěn)定對機組的安全經(jīng)濟 運行時非常重要的。過熱蒸汽溫度控制的任務(wù)是維持過熱器出口溫度在允許的范 圍之內(nèi)，并保

5、護過熱器，使其管壁溫度不超允許的工作溫度。過熱蒸汽溫度是鍋爐汽水系統(tǒng)中的溫度的最高點，過熱蒸汽溫度過高或是過 低，對鍋爐運行及蒸汽設(shè)備是不利的。蒸汽溫度過高會使過熱器管壁金屬強度下 降，以至燒壞過熱器的高溫段，嚴(yán)重影響安全。一般規(guī)定過熱器的溫度與規(guī)定值 的暫時偏差不超過+-10攝氏度，長期偏差不超過+-5攝氏度。如果過熱蒸汽溫度偏低，則會降低電廠的工作效率，同時使汽輪機后幾級的 蒸汽濕度增加，引起葉片磨損。據(jù)估計，溫度每降低5攝氏度，熱經(jīng)濟性將下降約1%;且汽溫偏低會使汽輪機尾部蒸汽溫度升高，甚至使之帶水，嚴(yán)重影響汽 輪機的安全運行。一般規(guī)定過熱氣溫下限不低于其額定值10攝氏度。通常，高參數(shù)電

6、廠都要求保持過熱汽溫在 540攝氏度的范圍內(nèi)。由于汽溫對象的復(fù)雜性，給汽溫控制帶來許多的困難，其主要難點表現(xiàn)在以 下兩個方面：1由于過熱器是一個多容且延遲較大的慣性環(huán)節(jié)，設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計與控制要求 存在很多矛盾，所以影響汽溫變化的因素很多，例如，蒸汽量、減溫水給水量、 煙氣側(cè)的過?？諝庀禂?shù)和溫度等都可能引起汽溫變化。2隨著機組容量和參數(shù)的增加，蒸汽的過熱受熱面的比例加大，使其延遲和 慣性更大，從而進一步加大了汽溫控制的難度。1本科生課程設(shè)計（論文）第2章生產(chǎn)工藝概述2.1鍋爐生產(chǎn)工藝介紹鍋爐是過程工業(yè)中必不可少的動力設(shè)備。它所產(chǎn)生的蒸汽不僅可提供生產(chǎn)過 程作為熱源，而且還可以作為蒸汽透平的動力源。

7、在熱電廠中按鍋爐設(shè)備所使用 的燃料的種類、燃燒設(shè)備、鍋體形式、鍋爐功能和運行要求的不同，鍋爐生產(chǎn)有 各種不同的流程。常見鍋爐設(shè)備的工業(yè)流程如圖 1.1所示蒸汽發(fā)生系統(tǒng)由給水泵、給水調(diào)節(jié)閥、省煤器、汽包及循環(huán)管組成。燃料和 熱空氣按照一定的比例進入燃燒室燃燒，產(chǎn)生的熱量傳遞給蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，生產(chǎn) 飽和蒸汽Ds,然后經(jīng)過過熱器成一定氣溫的過熱蒸汽 D,匯集至蒸汽母管。壓力 為Pm的過熱蒸汽，經(jīng)負(fù)荷設(shè)備調(diào)節(jié)閥供給生產(chǎn)負(fù)荷使用。 與此同時，燃燒過程中 產(chǎn)生煙氣，將飽和的蒸汽變成過熱蒸汽后，經(jīng)省煤器預(yù)熱鍋爐預(yù)熱空氣，最后經(jīng) 引風(fēng)機送往煙筒排入大氣。鍋爐設(shè)備的控制任務(wù)：根據(jù)生產(chǎn)負(fù)荷的要求，供應(yīng)一定壓力或溫度

8、的蒸汽， 同時要使鍋爐在安全、經(jīng)濟的條件下運行。按照這些控制要求，鍋爐設(shè)備將有如 下主要的控制系統(tǒng)：a）鍋爐氣包水位控制系統(tǒng)：主要是保持汽包內(nèi)部的水位平衡，使積水量適應(yīng)鍋爐的蒸汽汽量，維持汽包中水位在工藝允許的范圍內(nèi)；b）鍋爐燃燒系統(tǒng)的控制：其控制方案要求滿足燃燒所產(chǎn)生的熱量， 適應(yīng) 蒸汽負(fù)荷的需要，使燃燒與空氣量保持一定的比值， 保證燃燒的經(jīng)濟性和鍋爐 的安全運行，使引風(fēng)量與送風(fēng)量相適應(yīng)，保持爐膛負(fù)壓在一定范圍；c）過熱蒸汽系統(tǒng)控制：主要使過熱器出口溫度在保持在允許范圍內(nèi)， 并保證管壁溫度不超過工藝允許范圍；d）鍋爐水處理過程：主要使鍋爐給水的水性能指標(biāo)達(dá)到工藝要求。2本科生課程設(shè)計（論文）

9、圖1.1鍋爐設(shè)備主要工藝流程2.2過熱器的介紹過熱器定義：鍋爐中將蒸汽從飽和溫度進一步加熱至過熱溫度的部件。過熱 器概述：過熱蒸汽溫度的高低取決于鍋爐的壓力，蒸發(fā)量、剛才的耐高溫性能及 燃料與剛才的比價等因素，對電站鍋爐來說，低壓鍋爐的溫度一般為350375攝氏度，過熱器前布置有大量對蒸汽管束，進入過熱器的煙溫約在700攝氏度上下， 中壓鍋爐多為燒煤粉或重油的室燃爐，其過熱汽溫為450攝氏度，這時的爐膛輻射傳熱的煙溫可達(dá)1000攝氏度左右。高壓鍋爐，尤其超高壓鍋爐，加熱水的熱量 和過熱熱量增大很多，而蒸發(fā)熱減少，當(dāng)有中間再過熱時，情況更為突出，這時 必須把一部分過熱器受熱布置在爐膛內(nèi)，是吸收部

10、分輻射熱。為了提高電廠熱力循環(huán)的效率，蒸汽的初參數(shù)不斷提高。蒸汽壓力的提高要 求相應(yīng)的提高過熱蒸汽溫度，否則蒸汽在汽輪機膨脹終了的濕度就會過高，影響 汽輪機的安全。但蒸汽溫度的增高需受到過熱器剛才高濕強度性能的限制，因而 采用了中間再熱，即高壓高溫蒸汽在汽輪機內(nèi)膨脹至某一中間壓力后，引到布置 在鍋爐煙道內(nèi)的再熱器，再一次加熱升溫，然后又回到汽輪機的中、低壓缸，繼 續(xù)膨脹至凝汽器壓力，這樣蒸汽膨脹終了的濕度可控制在允許的范圍內(nèi)。超高壓 機組采用中間再熱時，理論上可使循環(huán)經(jīng)濟性相對提高68%在實際設(shè)備中，由 3本科生課程設(shè)計（論文）于有壓降損失，熱經(jīng)濟性的提高比理論值稍低。由于過熱器管壁金屬在鍋爐

11、受壓部件中承受的溫度最高，因此必須采用耐高溫的優(yōu)質(zhì)低碳鋼 和各種鉻合金鋼等，在最高的溫度部分有時還要用奧氏體鉻鎳不銹鋼。鍋爐運行中如果管子承受的溫度超過材料的持久強度、疲勞強度或表面氧化所容許的溫度限值，則會發(fā)生管子爆 裂等事故。2.3過熱蒸汽溫度控制對象的動態(tài)特性過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性是指引起過熱汽溫變化的擾動與汽溫 之間的動態(tài)關(guān)系。引起過熱蒸汽溫度變化的原因很多，如蒸汽流量變化、燃燒工 況變化、鍋爐給水溫度變化、進入過熱器的蒸汽溫度變化、流經(jīng)過熱器的煙氣的 溫度和流速變化、鍋爐受熱面結(jié)垢、給水母管壓力和減溫水量等等，這些因素還 可能相互制約。歸結(jié)起來，過熱汽溫調(diào)節(jié)對象的擾動主要來自

12、三個方面：蒸汽流 量變化（負(fù)荷變化），加熱煙氣的熱量變化和減溫水流量變化（過熱器入口汽溫變 化）。通過對過熱汽溫調(diào)節(jié)對象作階躍擾動試驗，可得到在不同擾動作用下的對象 動態(tài)特性。1蒸汽流量擾動下過熱汽溫對象的動態(tài)特性引起蒸汽流量擾動的原因有兩個：一是蒸汽母管的壓力變化：二是汽輪機調(diào)節(jié)閥的開度變化。結(jié)構(gòu)形式不 同的過熱器，在相同蒸汽流量的擾動下，汽溫變化的特性是不一樣的。當(dāng)鍋爐負(fù) 荷擾動時，蒸汽流量的變化使沿整個過熱器管路長度上各點的蒸汽流速幾乎同時 改變，從而改變過熱器的對流放熱系數(shù)，使沿整個過熱器各點的蒸汽溫度幾乎同 時改變，因而汽溫反應(yīng)較快。其傳遞函數(shù)可以表示為：G(S) =&2(S)Q(S

13、)K D ”口1 + TS(2 1)式中：K棚爐負(fù)荷擾動時被控對象的放大系數(shù);T一負(fù)荷擾動后對象的滯后時間；TD兇象的時間常數(shù)。從階躍響應(yīng)曲線可知，其特點是：有延遲、有慣性、有自平衡能力，但其延 遲和慣性都比較小，即時間常數(shù)TD和滯后時間T都比較小，且T幾較小。動態(tài)特性曲線如圖2圖2鍋爐負(fù)荷擾動下過熱器出口汽溫的階躍響應(yīng)曲線2煙氣熱量擾動下過熱汽溫對象的動態(tài)特性煙氣傳熱量擾動引起的原因很多，如給粉機給粉不均勻、煤中水分改變、蒸 發(fā)受熱面結(jié)渣、過剩空氣系數(shù)改變、汽包給水溫度變化、燃燒火熾中心位置改變等。當(dāng)煙氣熱量擾動（煙氣溫度和流速產(chǎn)生變化）時，由于煙氣流速和溫度的變化 也是沿整個過熱器同時改變

14、的，因而沿過熱器整個長度使煙氣傳遞熱量也同時變 化，所以汽溫反應(yīng)較快，時間常數(shù)和延遲均比其它擾動小。和蒸汽流量擾動的影 響類似，煙氣熱量的擾動也幾乎同時影響過熱器管道長度方向各處的蒸汽溫度， 故它是一個具有自平衡能力、滯后和慣性都不大的對象，其傳遞函數(shù)可表示為一 個二階系統(tǒng)，即：G(S) =2(S)11 + 吋 + 3式中：0。為煙氣溫度但對象特征總的特點是：有遲延，有慣性，有自平衡能力，其動態(tài)特性曲 線如圖3所示。5本科生課程設(shè)計（論文）圖3煙氣熱量擾動下過熱汽溫的階躍響應(yīng)曲線2過熱蒸汽控制系統(tǒng)的控制策略的設(shè)計3減溫水量擾動下過熱汽溫對象的動態(tài)特性常見的減溫方式有兩種：噴水式減溫和表面式減溫

15、，前者的效果比后者好。 減溫器一般裝在末級過熱器高溫段前面，一方面保護了過熱器高溫段；另一方面 又改善了調(diào)節(jié)性能。這種過熱器的安裝方法與在飽和側(cè)裝設(shè)表面式減溫器相比， 延遲時間能減小1/4。當(dāng)減溫水流量擾動時，改變了高溫過熱器入口汽溫，從而 影響了過熱器出口汽溫。在噴水減溫過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，噴水量擾動是系 統(tǒng)的基本擾動。從噴水減溫的工藝過程可知，以噴水量為輸入，過熱蒸汽溫度為 輸出，對象具有分布參數(shù)的特性，即管內(nèi)的蒸汽和管壁可視為眾多的單容對象串 聯(lián)組成的多容對象，噴水量的變化必須通過這些單容對象，才能影響到過熱器出 口蒸汽溫度。由于大型鍋爐的過熱器管路很長，減溫水流量擾動時，汽溫的反應(yīng)

16、 是較慢的。因此，與蒸汽量擾動和煙氣傳熱量擾動的情況相比，減溫水流量擾動 時，汽溫的反應(yīng)比較慢，對象具有大得多的慣性和延遲，這是此對象難以控制的 原因。其動態(tài)特性曲線如圖4所示。從圖中可以看出，其特點也是有遲延、有慣性、 有自平衡能力的。但是由于現(xiàn)代大型鍋爐的過熱器管路很長，因而當(dāng)減溫水流量 擾動時，汽溫反應(yīng)較慢。對于一般高、中壓鍋爐，當(dāng)減溫水流量擾動時，汽溫的遲延時間r=30-60s，6本科生課程設(shè)計（論文）7本科生課程設(shè)計（論文）時間常數(shù)To 100s,而當(dāng)煙氣側(cè)擾動時f1020s, ZvIOOs#本科生課程設(shè)計（論文）#本科生課程設(shè)計（論文）圖4減溫水?dāng)_動下過熱器出IZI汽溫的階躍響應(yīng)曲

17、線由圖可見，在減溫水流量擾動下，減溫器出口過熱汽溫 0 I的響應(yīng)比過熱器出 121汽溫0 2快得多，可以肯定，在噴水減溫過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，以 0I作為 導(dǎo)前信號構(gòu)成串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可大大改善控制系統(tǒng)的性能。在減溫水流量擾動下，導(dǎo)前汽溫的傳遞函數(shù)可表示為：G（S2&2（S）頑S）（1 +吋）幽式中：KI 一減溫水流量擾動下導(dǎo)前汽溫的放大系數(shù)；TI 一為減溫水流量擾動下導(dǎo)前汽溫對象的時間常數(shù); n1階數(shù)；在減溫水流量擾動下，過熱汽溫的傳遞函數(shù)可表示為色（S）二Ko憶（S廠（1 +心S）如式中：l甜一減溫水流量擾動下過熱蒸汽溫度的放大系數(shù); To_為減溫水流量擾動下過熱蒸汽溫度的時間常數(shù);nor

18、階數(shù)：對象惰性區(qū)的傳遞函數(shù)可表示為：2過熱蒸汽控制系統(tǒng)的控制策略的設(shè)計G2（s）=&2（S）二 Kj石而_（1十式中：K2-減溫水流量擾動下惰性區(qū)溫度的放大系數(shù)；T2-為減溫水流量擾動下惰性區(qū)溫度的時間常數(shù)；112- 一階數(shù)；由于惰性區(qū)的傳遞函數(shù)無法直接通過實驗求出，所以可由實驗得到的Tl、111和硒、T o、no來求取，計算公式如下：Kl、Ko(S)K】(S)厲2 -佔2g2（s）=02 (S)q(S)0(l + NS 產(chǎn)總的來說，根據(jù)對過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)對象做階躍擾動試驗得出的動態(tài)特性 曲線可知，它們均為有延遲的慣性環(huán)節(jié)，但各自的動態(tài)特性參數(shù)值（T,p）有較大的差別9I尊本科生課程設(shè)計（論文

19、）第3章過熱蒸汽溫度控制原理簡介過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)采用兩級噴水減溫，這樣做的目的有兩個，一是為了 使汽溫調(diào)節(jié)更靈敏，減小熱慣性，二是為了保護過熱器。第一級噴水減溫器布置 在前屏過熱器之后，調(diào)節(jié)量較大且調(diào)節(jié)惰性大，用來調(diào)節(jié)因負(fù)荷、給水溫度和燃 料性質(zhì)變化而引起的氣溫變化，為粗調(diào)。另外它還有保護屏式過熱器和對流過熱 器受熱面的作用。第二級噴水減溫器布置在高溫對流過熱器 （末級過熱器）之前, 這一級熱慣性小，可保證出口汽溫能得到迅速調(diào)節(jié)。溫度器共有四只，每級安裝 兩只，每只噴水量為每級噴水量的一半。減溫水源為自制冷凝水。目前，過熱汽 溫的控制方案很多，而且隨著自動控制技術(shù)和計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，新

20、的控制方法不斷出現(xiàn)，汽溫控制的質(zhì)量也不斷提高。傳統(tǒng)的汽溫控 制系統(tǒng)有兩種：單回路控制系統(tǒng)和串級氣溫控制系統(tǒng)。3.1簡單蒸汽溫度控制系統(tǒng)簡單回路控制蒸汽溫度系統(tǒng)主要由調(diào)節(jié)器和控制對象組成。它們的特性將決 定控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量，因此討論控制對象的特征參數(shù)和調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)參數(shù)對控 制質(zhì)量的影響是非常必要的。對象動態(tài)特性是確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律、 設(shè)置調(diào)節(jié)器參數(shù)的依據(jù)，那么根據(jù)對象動態(tài)特性和生產(chǎn)過程對控制質(zhì)量的要求，確定調(diào)節(jié)參數(shù)的數(shù)值是控制系統(tǒng)投入前要做的一項重要工作。當(dāng)然控制系統(tǒng)設(shè)計是否合理、控制儀表的安裝和調(diào)試是否正確等是控制系統(tǒng)能否使用的保障。簡單過熱KWaM控制回路的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示

21、:主汽溫度從圖5可知該系統(tǒng)主要由被控對象一一過熱器管道，執(zhí)行機構(gòu)一一氣動噴水閥 門（執(zhí)行器），檢測變送部件一一熱電偶或溫度變送器，控制系統(tǒng)核心部件一一控 制器（調(diào)節(jié)器）組成。其中，被調(diào)量（測量值）蒸汽溫度，調(diào)節(jié)量（控制信號卜噴 水流量，干擾信號一一爐膛燃燒工況。簡單蒸汽溫度控制系統(tǒng)原理方框圖如圖 6所示圖6簡單控制系統(tǒng)原理方框圖2過熱蒸汽控制系統(tǒng)的控制策略的設(shè)計當(dāng)蒸汽溫度的測量值等于設(shè)定值時，噴水閥門不動，則系統(tǒng)處在動態(tài)平衡狀 態(tài)，此時，若爐膛燃燒工況發(fā)生變化使蒸汽溫度上升，造成給定值和測量值產(chǎn)生 偏差，則偏差信號經(jīng)過控制器的方向判斷及數(shù)學(xué)運算后，產(chǎn)生控制信號使噴水閥 門開大，則減溫水流量增大

22、。測量值最終回到設(shè)定值，系統(tǒng)重新回到平衡狀態(tài)。3.2復(fù)雜蒸汽溫度控制系統(tǒng)簡單控制系統(tǒng)雖然是一種最基本的，使用最廣泛的控制系統(tǒng)，但是隨著火電 廠鍋爐機組越來越向大容量、高參數(shù)和高效率的方向發(fā)展，生產(chǎn)系統(tǒng)日益復(fù)雜、 系統(tǒng)的耦合性、時變性、非線性等特點顯得更加突出，對于這些復(fù)雜較難控制的 過程，控制質(zhì)量要求很嚴(yán)的參數(shù)，簡單控制系統(tǒng)就無能為力了。因此，需要改進 控制結(jié)構(gòu)，增加輔助回路或添加其它環(huán)節(jié)，組成復(fù)雜控制系統(tǒng)。目前關(guān)于蒸汽溫 度控制系統(tǒng)主要有串級控制、前饋控制和多變量解耦等控制，其中最普遍的是串 級控制系統(tǒng)。3.3米用串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的條件串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)需滿足如下兩個條件：（1）控制對象可以分段。如圖

23、7所示的對象，在物理上可分為兩段，兩段的傳12本科生課程設(shè)計(論文)遞函數(shù)分別為Wol(S),和W02(S),整個對象的傳遞函數(shù)為 W(S)=WoKS)W02(S) 其中Wol(S)稱作對象的導(dǎo)前區(qū)，W02(S)稱為對象惰性區(qū).r I11!11L6 2 .J g Qi,(F1p): R1申I 十i IiiI圖7串級系統(tǒng)控制對象方框圖 中間信號可測。在圖7中，中間信號02必須是可以測量的。0l為被調(diào)量，一般為系統(tǒng)的給定值，火電廠過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)符合這兩個條件。2.串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的分析根據(jù)在減溫水量擾動時，過熱蒸汽溫度有較大的容積遲延，而減溫器出口蒸 汽溫度卻有明顯的導(dǎo)前作用，完全可以構(gòu)成以減溫

24、器出口蒸汽溫度為副參數(shù)，主蒸汽溫度為主參數(shù)的串級控制系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 8所示。系統(tǒng)中以減溫器的噴水為控制手段，在單回路控制主汽溫 0 1(即將0 1作為主 信號反饋到調(diào)節(jié)器，由調(diào)節(jié)器直接去控制閥門開度 )的基礎(chǔ)上增加一個對減溫水流 量變化反應(yīng)快的中間溫度信號02作為導(dǎo)前信號，增加一個副調(diào)節(jié)器，如圖 8所示 的串級控制信號系統(tǒng)。副調(diào)節(jié)器根據(jù) 02信號控制減溫水閥，如果有某種擾動，蒸 汽溫度02比0 l提早反映，使擾動引起的02波動很快消除，從而使過熱蒸汽溫度 基本不受影響。熱蒸汽溫度基本不受影響。圖8主汽溫串級控制結(jié)構(gòu)框圖根據(jù)在減溫水量W擾動時，過熱蒸汽溫度0 l有較大的容積遲延。而減溫器出

25、口蒸汽溫度02比過熱蒸汽溫度響應(yīng)快得多，且它的變化又可以預(yù)測過熱蒸汽溫度 的變化趨勢，有明顯的導(dǎo)前作用，故可引入以0 2信號為導(dǎo)前信號。以0l為被控量信號的串級控制系統(tǒng)，系統(tǒng)對應(yīng)的原理框圖如圖9所示。系統(tǒng)中有主、副兩個調(diào)節(jié)器，主調(diào)節(jié)器WTI(S)接受過熱蒸汽溫度信號0 I，用于維持過熱蒸汽溫度，使其等 于給定值；副調(diào)節(jié)器WT2(S)接受主調(diào)節(jié)器的輸出信號和減溫器出口溫度信號 0 2， 副調(diào)節(jié)器的輸出控制執(zhí)行機構(gòu)Kz的大小，從而控制減溫水調(diào)節(jié)閥門的開度。從兩 圖中可以以看出：串級過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)由內(nèi)、外兩個閉合的控制回路構(gòu)成。內(nèi)回路由對象的導(dǎo)前區(qū)【W(wǎng)02(S)l，導(dǎo)前蒸汽溫度變送器Y e2】

26、，副調(diào)節(jié)器【W(wǎng)T2(S)】, 執(zhí)行器Kz】和減溫水調(diào)節(jié)閥(Ku)組成的；外回路(主回路)由對象的惰性區(qū)【W(wǎng)oI(S)，過熱蒸汽溫度變送器(Y o 1)，主調(diào)節(jié)器WTI(S) 1，以及副回路組成。2過熱蒸汽控制系統(tǒng)的控制策略的設(shè)計圖9串級過熱汽溫控制系統(tǒng)原理方框圖3.4串級控制系統(tǒng)的特點串級控制系統(tǒng)具有以下特點(1) 串級控制系統(tǒng)具有很強的克服內(nèi)擾的能力系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)越大，穩(wěn)態(tài) 誤差越小，克服干擾的能力也就越強，副調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)整定的越大，這個優(yōu) 點越顯著。(2) 串級控制系統(tǒng)可以減小副回路的時間常數(shù)，改善對象動態(tài)特性，提高系統(tǒng) 的工作頻率，當(dāng)主、副對象都是一階慣性環(huán)節(jié)，主、副調(diào)節(jié)器都采用

27、比例作用時， 串級控制系統(tǒng)由于改善了對象的特性，從而使整個系統(tǒng)的工作頻率比單回路系統(tǒng) 的工作頻率有所提高，而且當(dāng)主、副對象特性一定時，副調(diào)節(jié)器放大倍數(shù)越大， 則工頻率越高。當(dāng)主調(diào)節(jié)器采用其它調(diào)節(jié)規(guī)律時，上述特點也是適用的。這一特 點說明即使在外擾作用下，由于副回路減小了對象的時間常數(shù)，使整個系統(tǒng)的工 頻得以提高，因此仍能改善整個系統(tǒng)過渡過程的品質(zhì)。串級控制系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)能力，串級控制系統(tǒng)主回路是一個定值系 14本科生課程設(shè)計（論文）統(tǒng)，其副回路是一個隨動系統(tǒng)，它的定值是主調(diào)節(jié)器的輸出，是一個隨機變化的 量，主調(diào)節(jié)器按照被控對象的特性和擾動變化的情況，不斷地糾正著副調(diào)節(jié)器的 給定值，副調(diào)節(jié)

28、器使系統(tǒng)時間常數(shù)縮短能很快克服擾動，改善動態(tài)特性，也就是 一種自適應(yīng)能力。而采用單回路控制統(tǒng)就沒有這種隨動控制系統(tǒng)的作用。這種自 適應(yīng)能力可以從系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)偏差上出來，串級控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)偏差比單回路控制 系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差要小得多，就在于前者具有一定的自適應(yīng)力。2.5 串級控制系統(tǒng)主副回路確定串級控制系統(tǒng)主副回路和主副調(diào)節(jié)器選擇為充分發(fā)揮串級控制系統(tǒng)的上述優(yōu) 點，設(shè)計控制系統(tǒng)時，還應(yīng)當(dāng)合理選擇副回路及主副調(diào)節(jié)器的規(guī)律。主副回路的 選擇原則副回路應(yīng)該把生產(chǎn)過程的主要干擾包括在內(nèi)，應(yīng)力求把變化幅度最大、最劇 烈和最頻繁的干擾包括在副回路內(nèi)，充分發(fā)揮副回路改善系統(tǒng)動態(tài)特性的作用保 證主參數(shù)的穩(wěn)定，以盡量減

29、少它們對主參數(shù)的影響，提高系統(tǒng)的抗干擾能力；主、 副對象的時間常數(shù)應(yīng)適當(dāng)匹配，串級控制系統(tǒng)與單回路控制系統(tǒng)相比，其工作頻 率提高了，但這與主、副對象的時間常數(shù)選擇是有關(guān)的。原則是兩者相差大一些， 效果好一些。主、副對象之間的動態(tài)聯(lián)系十分緊密。如果在干擾作用下，主、副 參數(shù)任一個先振蕩，必將引起另一個也振蕩，這樣，兩個參數(shù)互相促進，振蕩更 加劇烈，這就是所謂的“共振效應(yīng)，顯然應(yīng)力求避免。主、副回路調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī) 律的選擇原則主參數(shù)控制質(zhì)量要求不十分嚴(yán)格，同時在對副參數(shù)的要求也不高的 情況下為使兩者兼顧而采用串級控制方式時，主、副調(diào)節(jié)器均可采用比例控制。 要求主參數(shù)波動范圍很小，且不允許有余差 （穩(wěn)

30、態(tài)誤差），此時副調(diào)節(jié)器可采用比 例控制主調(diào)節(jié)器采用比例積分或比例積分微分控制。再者，在串級控制系統(tǒng)中，兩個調(diào)節(jié)器串聯(lián)工作，但是以主調(diào)節(jié)器為主導(dǎo), 保證主變量為目的，在整個控制過程兩個調(diào)節(jié)器協(xié)調(diào)一致，互相配合，若干擾來 自副回路，副調(diào)節(jié)器首先進行粗調(diào)，主調(diào)節(jié)器再進一步進行細(xì)調(diào)。相對于過于簡 單的單回路控制系統(tǒng)，串級控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量明顯優(yōu)越。具體體現(xiàn)在：1由于副回路的存在沒減少了控制對象的時間常數(shù)，縮短了控制通道，使控 制作用更加明顯；2在一定程度上提高了整個系統(tǒng)的工作頻率，使振蕩周期明顯縮短，調(diào)節(jié)時 間也有一定程度上的縮短，系統(tǒng)的快速性相對增強了；3整個控制系統(tǒng)對二次干擾即包括在副回路范圍內(nèi)的

31、擾動具有很強的克服能 力，這是單回路控制系統(tǒng)所不能實現(xiàn)的；4對負(fù)荷或操作條件的變化有一定的適應(yīng)能力。綜上所述，串級控制系統(tǒng)更適應(yīng)鍋爐蒸汽溫度的控制。第4章 過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計4.1系統(tǒng)控制參數(shù)的確定4.1.1主變量的選擇根據(jù)串級控制系統(tǒng)選擇主變量的原則：在條件允許的情況下，首先應(yīng) 盡量選擇能直接反應(yīng)控制目的的參數(shù)為主變量；其次，要選擇與控制目的有些單 值對應(yīng)關(guān)系的間接單數(shù)作為主變量；最后，所選擇的主變量必須足夠的變化靈敏 度。所以，在本系統(tǒng)中需選擇送入負(fù)荷設(shè)備的出口溫度作為主變量。該參數(shù)可以 直接反映本系統(tǒng)的控制目的。4.1.2副變量的選擇副回路應(yīng)該把生產(chǎn)系統(tǒng)的主要干擾包括在內(nèi)，應(yīng)力求

32、把變化幅度最大,最強烈和最頻繁的干擾包括在副回路內(nèi)，以充分發(fā)揮副回路改善系統(tǒng)動態(tài)特 性的作用，保證主參數(shù)的穩(wěn)定，為發(fā)揮這一特殊作用，在系統(tǒng)設(shè)計時，副參 數(shù)的選擇應(yīng)使得副回路盡可能多的包括一些擾動。同時要求主、副對象的時 間常數(shù)應(yīng)適當(dāng)匹配。且應(yīng)保證副變量的選擇能實現(xiàn)生產(chǎn)工藝上的合理性，可 能性和經(jīng)濟性。終上所述，應(yīng)該選擇減溫器和過熱器之間的蒸汽溫度作為副變量。4.1.3操縱變量的選擇控制變量和擾動變量時工業(yè)過程的兩大輸入變量。其中，干擾時刻存在 的，它是影響系統(tǒng)平穩(wěn)操作的主要因素，而操縱變量的主要作用是克服煩擾 的影響，是系統(tǒng)能重新穩(wěn)定運行的因素，選擇操縱變量的基本原則為：1選擇對所選定的被控變

33、量影響較大的舒服變量作為操縱變量；2在1的前提下，選擇變化范圍較大作為控制變量，以便于控制；3 在1的基礎(chǔ)上選擇被控制變量作用效應(yīng)較快的輸入變量作為控制變 量，是控制系統(tǒng)響應(yīng)較快；4綜上所述，應(yīng)選擇減溫水的輸入量作為操縱變量。16本科生課程設(shè)計（論文）4.2執(zhí)行器的選擇在本系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)閥是系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，是按照調(diào)節(jié)器所給定的信號大 小和方向，改變閥門的開度，來實現(xiàn)調(diào)節(jié)流體流量的裝置。調(diào)節(jié)閥的口徑大小，直接決定著控制介質(zhì)流過他的能力。為了保證系統(tǒng) 有較好的流通能力，需要使控制閥兩端的壓降在整個管線的總壓降占有較大的 比例。在正常情況下一般要求調(diào)節(jié)閥開度應(yīng)處于15%85之間，具體應(yīng)根據(jù)實際需要的流

34、通能力大大小進行選擇。調(diào)節(jié)閥按驅(qū)動方式可分為：氣動調(diào)節(jié)閥、電動調(diào)節(jié)閥和液動調(diào)節(jié)，即以 壓縮空氣為動力源的氣動調(diào)節(jié)閥，以電動力源的電動調(diào)節(jié)閥，以液體介質(zhì)壓力 為動力的電液動調(diào)節(jié)閥；由于生產(chǎn)現(xiàn)場有防爆要求，所以應(yīng)選擇氣動執(zhí)行器。此設(shè)計中的串級控制系統(tǒng)主要是通過換熱來達(dá)到控制目的，過熱蒸汽在過 熱器內(nèi)與減溫水進行熱交換被冷卻，調(diào)節(jié)閥安裝在減溫水的管道上，用換熱后 的蒸汽溫度來控制減溫水的水量，在氣源中斷時，調(diào)節(jié)閥應(yīng)處于開啟位置更安 全些，宜選用氣關(guān)式調(diào)節(jié)閥。4.3控制儀表的選擇4.3.1溫度變送器的選擇溫度變送器可分為電動和氣動，常用的控制儀表有電動II型、III型。在串級系統(tǒng)中，選用的儀表不同，具

35、體的實施方案也不同。電動II型、III型儀表就其功能而言是基本上相同的， 但是就其控制信號而言是存在差異的。具體變現(xiàn)在：電動II型的典型控制信號為010mAD動III 型的典型控制信號是420mADC另外，與II型儀表相比 操作、維護更為方便簡 捷，同時儀表還有較完善的跟蹤、保持電路，使得手動切換更為方便，隨時都可 以進行轉(zhuǎn)換，而且保證無干擾。綜上所述，在本設(shè)計中需選用電動III型儀表。4.3.2溫度傳感器的選擇溫度傳感器有熱電偶和熱電阻兩種， 在本設(shè)計中，最好選用熱電偶溫 度傳感器。原因在于熱電偶的測溫范圍廣，耐高溫，精度高，結(jié)構(gòu)簡單，更 換方便，壓簧式感溫原件，抗震性能好，可以將熱轉(zhuǎn)換為電

36、能，用所產(chǎn)生的熱電勢測量溫度。具有采用K型熱電偶，原因在于：1K型熱電偶可以直接測量各種生產(chǎn)中從 0攝氏度到1300攝氏度范圍的液 體蒸汽和氣體介質(zhì)以及固體的便面溫度。2 K型熱電偶具有線性好，熱電動勢較大，靈敏度高，穩(wěn)定性和均勻性好, 抗氧化性能強，價格便宜等優(yōu)點，能用于氧化性惰性氣氛中。4.4主、副控制器控制規(guī)律的選擇由于在控制系統(tǒng)中，主、副調(diào)節(jié)器的任務(wù)不同，對他們各自的選擇也應(yīng)有不 同的考慮。主調(diào)節(jié)器的主要任務(wù)是確保被調(diào)量符合生產(chǎn)要求。凡是需采用串級控制 的生產(chǎn)過程，對控制的品質(zhì)都是很高的，不允許被調(diào)量存在靜差。因此主調(diào) 節(jié)器必須具有積分作用，一般都采用PI調(diào)節(jié)器。如果控制對象惰性區(qū)的容積 數(shù)目較多，同時又有主要擾動落回在副回路以外的話，就可以考慮采用PID調(diào)節(jié)器。副調(diào)節(jié)器的任務(wù)是要快速動作以消除進入副回路內(nèi)的擾動，而且副參數(shù) 并不要求誤差，所以一般都選 P調(diào)節(jié)器，也可采用PD調(diào)