300MW的機(jī)組過熱汽溫控制系統(tǒng)的設(shè)計解析

1、300MV機(jī)組過熱汽溫控制系統(tǒng)設(shè)計300MW單元機(jī)組過熱汽溫控制通常采用分段控制系統(tǒng)，由二段相對獨立的串級控制構(gòu) 成，串級控制系統(tǒng)對改善控制過程品質(zhì)極為有效。過熱汽溫的控制系統(tǒng)對于電廠的安全經(jīng) 濟(jì)運行都非常重要，整個系統(tǒng)是維持過熱器出口蒸汽溫度保持在允許的范圍內(nèi)，并且保護(hù) 過熱器是管壁溫度不超過允許的工作溫度。在電廠整個控制系統(tǒng)中，影響過熱汽溫的因素很多，主要有蒸汽流量擾動、煙汽流量 擾動、減溫水量擾動三方面。而噴水減溫對過熱器的安全運行比較有利是目前廣泛采用的 方法。在串級控制系統(tǒng)中副調(diào)節(jié)器所在的內(nèi)回路能快速消除減溫水量的自發(fā)性擾動和其他 進(jìn)入內(nèi)回路的各種擾動，而主調(diào)節(jié)器所在的外回路保持過熱

2、汽溫等于給定植。并且系統(tǒng)實 現(xiàn)了自動跟蹤和無擾切換，保證機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)的運行。對于過熱蒸汽的采集實現(xiàn)了二冗余, 提高了系統(tǒng)的可靠性。整個過熱汽溫控制系統(tǒng)是用 N-90實現(xiàn)的，且系統(tǒng)切換和邏輯報警線路全面，具有較 高的可靠性。關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)，過熱汽溫，串級控制3弓I言DCS控制系統(tǒng)簡介2.12.2分散控制系統(tǒng)的產(chǎn)生 分散控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.2.1網(wǎng)絡(luò)通信子系統(tǒng) 2.2.2過程控制子系統(tǒng)2.2.3人機(jī)接口子系統(tǒng)（HMI） 分散控制系統(tǒng)（DCS）的特點.I -1 - -2 - .-2 .-3 .-3 .-3 .-42.3過熱汽溫控制系統(tǒng)概述.3.13.2過熱蒸汽溫度控制的意義和任務(wù)被控對象動態(tài)特性分析

3、3.2.13.2.23.2.33.2.43.2.5鍋爐負(fù)荷擾動下過熱汽溫的階躍響應(yīng)曲線 煙汽熱量擾動下過熱汽溫的階躍響應(yīng)曲線 減溫水量擾動下過熱汽溫的階躍響應(yīng)曲線 減溫水量擾動與負(fù)荷擾動或煙汽量擾動的比較 改善減溫水量擾動下動態(tài)特性的方法.-5 -7 -.-7 -.-7 -.-8 -3.3常規(guī)過熱汽溫傳統(tǒng)控制策略串級汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng).-8.-9.-9-10-103.43.4.1過熱汽溫串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的組成3.4.2串級系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理3.4.3主汽溫串級控制系統(tǒng)原理3.4.4串級汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)的分析過熱汽溫的整定4.1串級控制系統(tǒng)方框圖 4.2過熱汽溫的參數(shù)整定 SAMA圖分析5.1控制系統(tǒng)SAM

4、A圖繪制 5.2控制系統(tǒng)SAMA圖分析 結(jié) 論參考文獻(xiàn)-10 -10 -11 -12 -12 -14 -.-14 -.-15 -17 -.-17 -.-18 -20 -21 -300MV機(jī)組過熱汽溫控制系統(tǒng)設(shè)計-23 -火力發(fā)電廠在我國電力工業(yè)中占有主要地位，是我國重點能源工業(yè)之一。大型火力發(fā) 電機(jī)組在國內(nèi)外發(fā)展很快，我國現(xiàn)以 300MW機(jī)組為骨干機(jī)組，并逐步發(fā)展 600MW以上 機(jī)組。目前，國外已建成單機(jī)容量 1000MW以上的單元機(jī)組。單元發(fā)電機(jī)組是由鍋爐、汽輪發(fā)電機(jī)和輔助設(shè)備組成的龐大的設(shè)備群。由于其工業(yè)流 程復(fù)雜，設(shè)備眾多，管道縱橫交錯，有上千個參數(shù)需要監(jiān)視、操作和控制，而且電能產(chǎn)生

5、還要求有高度的安全可靠性和經(jīng)濟(jì)性，因此，大型機(jī)組的自動化水平受到特別的重視。目 前，采用已分散微機(jī)為基礎(chǔ)的集散型控制系統(tǒng)(TDCS),組成一個完整的控制、保護(hù)、監(jiān) 視、操作及計算等多功能自動化系統(tǒng)。5C。汽近代鍋爐對過熱汽溫的控制是十分嚴(yán)格的，允許變化范圍一般為額定汽溫± 溫過高或過低，以及大幅度的波動嚴(yán)重影響鍋爐、汽輪機(jī)的安全和經(jīng)濟(jì)性。蒸汽溫度過高，若超過了設(shè)備部件的允許工作溫度，將使鋼材加速腐變，從而降低設(shè) 備使用壽命。嚴(yán)重的超溫甚至?xí)构茏舆^熱而爆破。過熱器一般由若干級組成。各級管子 常使用不同的材料，分別對應(yīng)一定的最高允許溫度。因此為保證金屬安全，還應(yīng)對各級受 熱面出口的汽溫

6、加以限制。此外，還應(yīng)考慮平行過熱器管的熱偏差及汽溫兩側(cè)偏差，防止 局部管子的超溫爆漏和汽輪機(jī)汽缸兩側(cè)的受熱不均。蒸汽溫度過低，將回降低熱力設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性。對于亞臨界、超臨界機(jī)組，過熱汽溫每 降低10C，發(fā)電煤耗將增加約1.0標(biāo)煤/( kWh)。汽溫過低，還會使汽輪機(jī)最后幾級的 蒸汽濕度增加，對葉片的侵蝕作用加劇，嚴(yán)重時將會發(fā)生水沖擊，威脅汽輪機(jī)安全。因此 運行中規(guī)定，在汽溫低到一定數(shù)值時，汽輪機(jī)就要減負(fù)荷甚至緊急停機(jī)。汽溫突升或突降會使鍋爐各受熱面焊口及連接部分產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。還將造成汽輪 機(jī)的汽缸和轉(zhuǎn)子間的相對位移增加，即脹差增加。嚴(yán)重時甚至可能發(fā)生葉輪與隔板的動靜 摩擦，汽輪機(jī)劇烈震蕩等。

7、為了維持及高又穩(wěn)定的汽溫，引入了過熱汽溫控制系統(tǒng)。2 DCS控制系統(tǒng)簡介2.1分散控制系統(tǒng)的產(chǎn)生分散控制系統(tǒng)（Distributed Control System ）是以微處理器為基礎(chǔ)，全面融合計算 機(jī)技術(shù)、測量控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)字通信技術(shù)、顯示與人機(jī)界面技術(shù)而成的現(xiàn)代控制系統(tǒng)。 其主要特征在于分散控制和集中管理，即對生產(chǎn)過程進(jìn)行集中監(jiān)視、操作和管理，而控制 則由不同的計算機(jī)控制裝置去完成。因此也有人將DCS稱之為集散控制系統(tǒng)。分散控制系統(tǒng)已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)過程控制中迅速普及，廣泛用于電力、石化、冶金、建材、 制藥等行業(yè)，成為過程控制系統(tǒng)的核心。分散控制系統(tǒng)的應(yīng)用大幅度地提高了生產(chǎn)過程的 安全性、經(jīng)

8、濟(jì)性、穩(wěn)定性和可靠性。分散控制系統(tǒng)是生產(chǎn)過程監(jiān)視、控制技術(shù)發(fā)展和計算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用的產(chǎn)物，但它 更是在過程工業(yè)發(fā)展對新型控制系統(tǒng)的強(qiáng)烈需要下產(chǎn)生的。過程工業(yè)的生產(chǎn)組織形式大致經(jīng)歷了分散到集中的兩個階段。早期的過程控制系統(tǒng)采用分 散控制方式。當(dāng)時，控制裝置安裝在被控過程附近，而且每個控制賄賂豆油一個獨立的控 制器。這些控制裝置就地測量出過程變量的數(shù)值，并把它與給定值相比較而得到偏差值， 然后按照一定的控制規(guī)律產(chǎn)生作用，通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)去控制生產(chǎn)過程，運行人員分散在全廠 的各處，分別管理著自己所負(fù)責(zé)的那一部分生產(chǎn)過程。這種工分散控制方式適用于那些生 產(chǎn)規(guī)模不太大、工藝過程不太復(fù)雜的企業(yè)。我國在單元制

9、機(jī)組出現(xiàn)以前，母管制火電機(jī)組 的運行控制方式就是這種分散控制方式的典型代表?，F(xiàn)在，在大型單元機(jī)組中那些比較簡 單的過程控制領(lǐng)域仍然使用它們，如軸封壓力、燃油壓力、高低壓加熱器水位、輸水箱水 位的控制就常常采用這種類型的基地式調(diào)節(jié)器。1975年Honeywell公司將計算機(jī)技術(shù)（Computer）、控制技術(shù)（Control）、通信技術(shù) （Computer）、和顯示技術(shù)（CRT相結(jié)合，創(chuàng)造性地推出了 TDC-2000分散控制系統(tǒng)。TDC-2000 的推出，為其他的制造廠商指明了方向。第四代DCS的主要標(biāo)志是兩個“I”開頭的單詞：Information（信息）和Integration（ 集 成）。信

10、息化體現(xiàn)在各 DCS系統(tǒng)已經(jīng)不是一個以控制系統(tǒng)功能為主的控制系統(tǒng)，而是一個 充分發(fā)揮信息管理功能的綜合平臺系統(tǒng)。DCS提供了從現(xiàn)場到設(shè)備、從設(shè)備到車間、從車間到工廠、從工廠到企業(yè)集團(tuán)這個信息通道。這些信息充分體現(xiàn)了全面性、準(zhǔn)確性、實時 性和系統(tǒng)性。DCS廠商基本上DCS的集成性則體現(xiàn)在兩個方面：功能的集成和產(chǎn)品的集成。過去的是以自主開發(fā)為主，提供的系統(tǒng)也是自己的系統(tǒng)。當(dāng)今的DCST商更強(qiáng)調(diào)的系統(tǒng)集成性和方案能力，DCS中除保留傳統(tǒng)DCS所實現(xiàn)的過程控制功能之外，還集成了PLC(可編程序邏輯控制器)、RTU(采集發(fā)送器)、FCS各種多回路調(diào)節(jié)器、各種智能采集或控制單元等。 此外，各DCS廠商不再

11、把開發(fā)組態(tài)軟件或制造各種硬件單元視為核心技術(shù)，而是紛紛把DCS的各個組成部分采用第三方集成方式或 OEM方式。例如，多數(shù)DCST商自己不再開發(fā)組態(tài) 軟件平臺，或其他公司提供的軟件平臺，而轉(zhuǎn)入采用兄弟公司(如 Foxboro用Won derware軟件為基礎(chǔ))的通用組態(tài)軟件平臺，或其他公司提供的軟件平臺(Emerso n用Intellution的軟件平臺做基礎(chǔ))。此外，許多 DCS廠家甚至I/O組件也采用OME方式(Foxboro采用Eurothem的I/O 模塊、橫河的 R3采用富士電機(jī)的 Processio 作為I/O單 元基礎(chǔ)、Honeywell公司的PKS系統(tǒng)則采用羅克韋爾公司的 PLC

12、作為現(xiàn)場控制站目前，以上海新華、和利時、浙大中控為代表的國內(nèi)DCS廠家經(jīng)過10年的努力，各自推出自己的DCS系統(tǒng)：新華推出XDPF-400系統(tǒng)、和利時推出MACS-Smartpro第四代DCS 系統(tǒng)、浙大中控Webfield(ECS)系統(tǒng)。2.2分散控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)它以多層計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為依過程控制子系統(tǒng)和人機(jī)接分散控制系統(tǒng)是縱向分層、橫向分散的大型綜合控制系統(tǒng)。 托，將分散在全廠范圍內(nèi)的各種控制、管理及決策功能。 一個分散控制系統(tǒng)中所有設(shè)備按功能可劃分為網(wǎng)絡(luò)通信子系統(tǒng)、 口子系統(tǒng)。2.2.1網(wǎng)絡(luò)通信子系統(tǒng)自下而上分別是：現(xiàn)場級、分散控制系統(tǒng)的縱向分層結(jié)構(gòu)將系統(tǒng)分成四個不同的層次， 控制級、監(jiān)控級和管

13、理級。對應(yīng)著這四層結(jié)構(gòu)，分別由四層計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)即現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)Fnet(Field Network)、控制網(wǎng)絡(luò) Cnet (Control Network )、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò) Snet(Supervision Network)和管理網(wǎng)絡(luò) Ment(Management Network)把相應(yīng)的設(shè)備連接在一起?，F(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)Fnet(Field Network )由類現(xiàn)場總線及遠(yuǎn)程I/O總線構(gòu)成，位于被控生產(chǎn) 過程附近用于連接遠(yuǎn)程I/O或現(xiàn)場總線儀表?？刂凭W(wǎng)絡(luò)Cent(Control Network)由位于控制柜內(nèi)部的柜內(nèi)低速總線(Cent-L )和位于控制柜與人機(jī)接口間的高速總線(Cn et- H)構(gòu)成用于傳遞實

14、時過程數(shù)據(jù)。監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)Snet(Supervision Network)位于監(jiān)控層，用于連接監(jiān)控層工程師站、操作員站、歷史記錄站等人機(jī)接口站，傳遞以歷史數(shù)據(jù)為主的過程監(jiān)控數(shù)據(jù)。管理網(wǎng)絡(luò)Mnet(Management Network)位于管理層，用于連接各類管理計算機(jī)。2.2.2過程控制子系統(tǒng)過程控制子系統(tǒng)是DCS系統(tǒng)中負(fù)責(zé)現(xiàn)場過程數(shù)據(jù)采集和過程控制的系統(tǒng)，由現(xiàn)場設(shè)備 與過程控制站組成。1. 現(xiàn)場設(shè)備現(xiàn)場設(shè)備一般位于被控生產(chǎn)過程的附近。典型的現(xiàn)場設(shè)備是各類傳感器、變送器和執(zhí) 行器，它們將生產(chǎn)過程中的各種物理量轉(zhuǎn)換成為電信號，送往過程控制站，或者將控制站 輸出的控制量轉(zhuǎn)換機(jī)械位移，帶動調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)

15、對生產(chǎn)過程的控制。目前現(xiàn)場設(shè)備的傳遞有三種方式：一種是傳統(tǒng)的420mA （或者其他類型的模擬量信號）模擬量傳輸方式；另一種上現(xiàn)場總線的全數(shù)字量傳輸方式；還有一種是在420mA莫擬量信號上，疊加上調(diào)制后的數(shù)字量信號的混合傳輸方式。現(xiàn)場信息以現(xiàn)場總線（Fnet）為基礎(chǔ)的全數(shù)字傳輸是今后的發(fā)展方向。按照傳統(tǒng)觀點，現(xiàn)場設(shè)備不屬于分散控制系統(tǒng)的范疇，但隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的飛速發(fā) 展，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)延伸到現(xiàn)場，微處理機(jī)已經(jīng)進(jìn)入變送器和執(zhí)行器，現(xiàn)場信息已經(jīng)成為整 個系統(tǒng)信息中不可缺少的一部分。因此，我們將其并入分散控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)中。2. 過程控制站過程控制站接收有現(xiàn)場設(shè)備，如傳感器、變送器、來的信號，按照一定

16、的控制策略計 算機(jī)出所需要的控制量，并送回到現(xiàn)場的執(zhí)行器中去。過程控制站可以同時完成模擬量連 續(xù)控制、開關(guān)量順序控制功能，也可能僅完成其中的一種控制功能。如果過程控制站僅接收由現(xiàn)場總線設(shè)備送來的信號，而不直接完成控制功能，則稱其 為數(shù)據(jù)采集站。數(shù)據(jù)采集站接收由現(xiàn)場設(shè)備送來的信號，對其進(jìn)行一些必要的轉(zhuǎn)換和處理 之后送到分散型控制系統(tǒng)中的其他部分，主要是監(jiān)控級設(shè)備中去，通過監(jiān)控級設(shè)備傳輸給 運行人員。一般在電廠中，把過程控制站集中安裝在位于主控室后的電子設(shè)備間中。許多新建電 廠為降低工程造價，在將過程控制站有限分散布置的同時（即將過程控制站分別布置在靠 近鍋爐房和汽機(jī)房的電子設(shè)備間中），大量采用遠(yuǎn)

17、程I/O并逐步采用現(xiàn)場總線儀表。2.2.3人機(jī)接口子系統(tǒng)（HMDDCS人機(jī)接口子系統(tǒng)主要由監(jiān)控級和管理級和管理級設(shè)備組成，是DCS系統(tǒng)信息展示和人機(jī)交互的平臺。1.監(jiān)控級監(jiān)控級的主要設(shè)備有操作員站、工程師站、計算站。其中操作員站安裝在中央控制室, 工程師站、歷史記錄站和計算站一般安裝在電子設(shè)備間。操作員站是運行人員與分散控制系統(tǒng)相互交換信息的人機(jī)接口設(shè)備。運行人員通過操 作員站來監(jiān)視和控制整個生產(chǎn)過程。運行人員可以在操作員站上觀察生產(chǎn)過程的運行情 況，讀出每一個過程變量的數(shù)值和狀態(tài)，判斷每個控制回路是否工作正常，并且可以隨時 進(jìn)行手動/自動控制方式的切換，修改給定值，調(diào)整控制量，操作現(xiàn)場設(shè)備。

18、以實現(xiàn)對生 產(chǎn)過程的干預(yù)。另外還可以打印各種報表，拷貝屏幕上的畫面和曲線等。為了實現(xiàn)以上功 能，操作員站是由一臺具有較強(qiáng)圖形處理功能的微型機(jī)，以及相應(yīng)的外部設(shè)備組成，一般 配有CRT顯示器、大屏幕顯示裝置（選件）、打印機(jī)、拷貝機(jī)、鍵盤、鼠標(biāo)或球標(biāo)。工程師站是為了便于控制工程師對分散控制系統(tǒng)進(jìn)行配置、組態(tài)、調(diào)試、維護(hù)等工作 所設(shè)置的工作站。工程師站的另一個作用是對各種設(shè)計文件進(jìn)行歸類和管理，形成各種設(shè) 計文件，例如，各種圖紙、表格等。工程師站一般由高性能工作站配置一定數(shù)量的外部設(shè) 備所組成，例如打印機(jī)、繪圖機(jī)等。歷史工作站、計算站的主要任務(wù)是實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的重要參數(shù)進(jìn)行連續(xù)記錄、監(jiān)督和 控制，例

19、如，機(jī)組優(yōu)化和性能計算、先進(jìn)控制策略的實現(xiàn)等。由于計算站的主要功能是完 成復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和運算功能，因此，對它的要求主要功能是完成復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和運算 功能，因此對它的要求主要是運算能力和運算速度。機(jī)組運行優(yōu)化也可以由一套獨立的控 制計算機(jī)和優(yōu)化軟件構(gòu)成，只是在機(jī)組控制網(wǎng)絡(luò)上設(shè)一接口，利用優(yōu)化軟件的計算結(jié)果去 改變控制系統(tǒng)的給定值或偏置。2.管理級管理級包含的內(nèi)容比較廣泛，一般來說，它可能是一個發(fā)電廠的廠級管理計算機(jī)，可 能是若干機(jī)組的管理計算機(jī)。它所面向的使用者是廠長、經(jīng)理、總工程師、值長等行政管 理或運行管理人員。廠級管理系統(tǒng)的主要任務(wù)是監(jiān)測企業(yè)各部分運行情況，利用歷史數(shù)據(jù) 和實時數(shù)據(jù)預(yù)測

20、可能發(fā)生的各種情況，從企業(yè)全局利益出發(fā)輔助企業(yè)管理人員進(jìn)行情況， 利用歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)預(yù)測可能發(fā)生的各種情況，從企業(yè)全局利益出發(fā)輔助企業(yè)管理人 員進(jìn)行決策，幫助企業(yè)實現(xiàn)其規(guī)劃目標(biāo)。管理級屬于廠級的，也可分成實時監(jiān)控（SIS）和日常管理（MIS ）兩部分。實時監(jiān)控 是全廠各機(jī)組和公用輔助工藝系統(tǒng)的運行管理層，承擔(dān)全廠性能監(jiān)視、運行優(yōu)化、全廠負(fù) 荷分配和日常運行管理等任務(wù)，主要為值長服務(wù)。日常管理承擔(dān)全廠的管理決策、計劃管 理、行政管理等任務(wù)，主要是為了廠長和各管理部門服務(wù)。2.3分散控制系統(tǒng)（DCS）的特點分散控制系統(tǒng)是一種以微處理器為基礎(chǔ)，應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、CRTS示技 術(shù)及過程

21、控制技術(shù)構(gòu)成的新型控制系統(tǒng)。DCS的應(yīng)用改變了熱電廠傳統(tǒng)的生產(chǎn)操作手段 ，降低了能耗，改善了勞動條件，為機(jī)組的安全、經(jīng)濟(jì)運行提供了可靠的保證。與常規(guī)控制系 統(tǒng)相比,DCS具有以下特點：1.功能分層體系DCS的層次化體系特點，充分體現(xiàn)了集中操作管理、分散控制的思想，便于運行人員對 機(jī)組綜合信息的獲得和操作，同時使控制系統(tǒng)的危險分散。在熱電廠的應(yīng)用中，DCS的功能 體系一般由直接控制級（又稱過程控制級）、過程管理級組成。直接控制級直接與現(xiàn)場各類設(shè)備（如變送器、執(zhí)行器、溫度儀表等）連接,對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行 采集、處理，并通過總線與過程管理級交換信息。過程管理級主要包括監(jiān)控計算機(jī)、操作 站及工程師工作站。

22、它綜合監(jiān)視過程各點的信息，集中顯示操作，進(jìn)行控制回路修改、參數(shù) 組態(tài)、優(yōu)化過程處理等。2. 功能齊全,操作方便DCS可以提供多種顯示畫面，包括操作顯示、成組顯示、棒狀圖顯示、趨勢顯示等 ，并 可進(jìn)行報警提示，操作指導(dǎo),制表記錄，歷史數(shù)據(jù)存儲和檢索。多層顯示結(jié)構(gòu)適合電站特點 ， 便于運行人員對整個生產(chǎn)過程的監(jiān)視和操作控制 ，通過計算機(jī)事件順序記錄和事故追憶 ， 可迅速判斷并處理事故,恢復(fù)運行,減少停機(jī)時間。DCS雖大的軟件功能,可以實現(xiàn)復(fù)雜的控 制、保護(hù)功能，從而保證機(jī)組的安全、可靠運行。同時，DCS人機(jī)界面友好，運行人員可通過 鍵盤、鼠標(biāo)、軌跡球等多種輸入設(shè)備，進(jìn)行機(jī)組控制或系統(tǒng)組態(tài)、修改，而

23、且，操作指令在 短時間內(nèi)便可得到執(zhí)行。3. 可靠性高從元器件選擇、電路設(shè)計到系統(tǒng)配置、軟件實現(xiàn)，DCS都具有很高的可靠性。在系統(tǒng)設(shè) 計上廣泛采用容錯、冗余技術(shù)。過程處理器、電源和通訊總線，一般冗余配置，單項故障不 會影響系統(tǒng)運行；重要的輸入、輸出通道冗余設(shè)置，并分配在不同模件上；操作員站之間互 為備用。此外還具有軟、硬件自診斷功能，并有故障報警提示，故障消除后可自動恢復(fù)工作， 使設(shè)備的故障率大為降低。4. 擴(kuò)展方便,組態(tài)靈活目前的DCS具有開放的操作系統(tǒng)，開放的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，擴(kuò)展方便,組態(tài)靈活、直觀。利用 這些特點，在熱電廠的擴(kuò)建和改造中，可減少投資，縮短工期，大大節(jié)省工程成本。5. 增強(qiáng)了自動調(diào)

24、節(jié)功能DCS采用先進(jìn)的控制理論和控制策略，實現(xiàn)了常規(guī)儀表無法完成的復(fù)雜的自動調(diào)節(jié)，提 高了主參數(shù)的控制精度和自動調(diào)節(jié)投入率，從而節(jié)約了能源，提高了熱電廠的經(jīng)濟(jì)效益。6. 通信功能強(qiáng)DCS各站通過總線相連，系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)共享，并能與其他系統(tǒng)進(jìn)行通訊、交換信息，可以節(jié) 約大量控制電纜、一次元件、變送器等，并可減少備品配件的品種和數(shù)量，降低維護(hù)、管理 的工作和費用。熱電廠中利用 DCS勺通訊功能，在控制室內(nèi)便可了解其他系統(tǒng)運行情況，便 于快速、準(zhǔn)確地協(xié)調(diào)整個生產(chǎn)過程的運行。3過熱汽溫控制系統(tǒng)概述3.1過熱蒸汽溫度控制的意義和任務(wù)鍋爐過熱蒸汽溫度是影響機(jī)組生產(chǎn)過程安全性和經(jīng)濟(jì)性的重要參數(shù)?，F(xiàn)代鍋爐的過熱

25、器是在高溫、高壓的條件下工作的，過熱器出口的過熱蒸汽溫度是機(jī)組整個汽水行程中工 質(zhì)溫度的最高點，也是金屬壁溫度的最高處。過熱器采用的是耐高溫高壓的合金鋼材料， 過熱器正常運行時的溫度已接近材料所允許的最高溫度。如果過熱蒸汽溫度過高，容易損 壞過熱器，也會使整齊管道、汽輪機(jī)內(nèi)某些零部件產(chǎn)生過大的熱膨脹變形而毀壞，影響機(jī) 組的安全運行。如果過熱蒸汽溫度過低，將會降低機(jī)組的熱效率，一般蒸汽溫度每降低 510C，熱效率約降低1%,不僅增加燃料消耗量，浪費能源，而且還將使汽輪機(jī)最后幾 級的蒸汽溫度增加，加速汽輪機(jī)葉片的水蝕。另外，過熱蒸汽溫度降低還會導(dǎo)致汽輪機(jī)高 壓部分級的焓降減少，引起各級反動度增大，

26、也對汽輪機(jī)的安全運行帶來不利影響。 所以, 過熱整齊溫度過高或過低都是生產(chǎn)過程不允許的。過熱汽溫控制的任務(wù)是維持過熱器出口主蒸汽溫度在允許的范圍內(nèi)，并對過熱器進(jìn)行 保護(hù)，使管壁金屬溫度不超過允許的工作范圍。正常運行時，一般要求過熱器出口蒸汽溫 度與額定值偏差不超過± 5%。3.2被控對象動態(tài)特性分析控制對象是控制系統(tǒng)的一個重要組成部分。它的輸出信號是要求控制的被調(diào)量；它的 輸入信號是引起被調(diào)量變化的各種因素，一般對于不同的輸入信號所引起的被調(diào)量的變化 特性是不同的，要了解對象的動態(tài)特性，就要了解各通道的動態(tài)特性。影響過熱出口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

27、水 溫度變化、進(jìn)入過熱器的蒸汽溫度變化、流經(jīng)過熱器的煙汽溫度和和流速變化、鍋爐受熱 面污垢等。歸納起來主要有1蒸汽流量擾動下；2煙汽熱量擾動下；3減溫水量擾動下。 本次課題是以減溫水的擾動為例來研究過熱汽溫控制系統(tǒng)。過熱汽溫調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性是指引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、進(jìn)入過熱器的蒸汽溫 度變化、流過過熱器的煙汽溫度和流速變化等。歸結(jié)起來，過熱汽溫調(diào)節(jié)對象的擾動主要 來自三個方面：蒸汽流量變化（負(fù)荷變化），加熱煙汽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)對象做階躍實驗， 可得到在不同擾

28、動作用下的對象動態(tài)特性。它們均為有遲延的慣性環(huán)節(jié)，但各自的動態(tài)特性參數(shù)值有較大差別。其中：為延遲時間，為響應(yīng)時間，P為自平衡系數(shù)。3.2.1鍋爐負(fù)荷擾動下過熱汽溫的階躍響應(yīng)曲線圖3 1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。所以在負(fù)荷擾動下，汽溫的遲延和慣性比較小。3.2.2煙汽熱量擾動下過熱汽溫的階躍響應(yīng)曲線煙汽熱量擾動（煙汽溫度和流速產(chǎn)生變化）時，由于煙汽流速和溫度的變化也是沿整個過熱 器同時改變的，因而沿過熱器整個長度使煙汽傳遞熱量也同時變化，所以汽溫反應(yīng)較

29、快， 其時間常數(shù)T和遲延:均比其他擾動小。3.2.3減溫水量擾動下過熱汽溫的階躍響應(yīng)曲線W 1：當(dāng)減溫水量擾動時，改變了高溫過熱器的入口汽溫，從而影響了過熱器出口汽溫，由 于大型鍋爐的過熱器管路很長，因此減溫水流量擾動時，汽溫的反應(yīng)是較慢的。其階躍響 應(yīng)曲線如圖所示。動態(tài)特性特點通過階躍響應(yīng)曲線可看出減溫水量擾動下的過熱汽溫動態(tài)特性特點是 有遲延、有慣性、有自平衡能力，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。延遲時間 T與時間常數(shù)T ct30s60 S ;Tc1 0 0 So3.2.4減溫水量擾動與負(fù)荷擾動或煙汽量擾動的比較當(dāng)鍋爐負(fù)荷擾動時，蒸汽流量的變化

30、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)，使過熱器各點的蒸汽溫度幾乎同時變化，因 而汽溫反應(yīng)較快，T / T c較小。c和延遲煙汽熱量擾動時，由于煙汽流速和溫度的變化也是沿整個過熱器同時改變的，因而沿 過熱器整個長度使煙汽傳遞熱量也同時改變，所以汽溫反應(yīng)較快，其時間常數(shù)T時間T均比其他擾動小。這樣可見，當(dāng)負(fù)荷擾動或煙汽熱量擾動時，汽溫的反應(yīng)較快；而減溫水量擾動時，汽 溫的反應(yīng)較慢。因而從過熱汽溫控制對動態(tài)特性的角度來考慮，改變煙汽側(cè)溫度（改變煙 汽溫度和煙汽流量）的控制手段是比較理想的（因為負(fù)荷信號由用戶決定，不能作為控制 量），但具體實現(xiàn)較困難。所以

31、一般很少被采用。噴水減溫對過熱器的安全運行比較有利， 所以盡管對象的動態(tài)特性不太理想，但還是目前廣泛采用的過熱器溫控制方法。3.2.5改善減溫水量擾動下動態(tài)特性的方法采用噴水減溫時，由于對象控制通道有較大的延遲和慣性以及運行中要求有較小的汽 溫控制偏差，所以采用單回路控制系統(tǒng)往往不能獲得較好的控制品質(zhì)。針對過熱汽溫控制 對象控制通道慣性延遲大，被調(diào)量信號反饋慢的特點，應(yīng)該從對象的控制通道中找出一個 比被調(diào)量反應(yīng)快的中間信號作為調(diào)節(jié)器的反饋信號，以改善對象控制通道的動態(tài)特性，提 高控制系統(tǒng)的質(zhì)量。3.3常規(guī)過熱汽溫傳統(tǒng)控制策略從動態(tài)特性的角度來看，改變煙汽側(cè)參數(shù)的調(diào)節(jié)手段比較理想， 但具體實現(xiàn)比

32、較困難, 一般很少采用。而噴水減溫對過熱器的安全運行比較有利，所以盡管對象的調(diào)節(jié)特性不夠 理想，但目前還是作為過熱蒸汽溫度的調(diào)節(jié)方法被廣泛采用。采用噴水減溫時，由于對象 調(diào)節(jié)通道有較大的遲延和慣性，如果采用單回路反饋系統(tǒng)，調(diào)節(jié)器必須緩慢地動作，才能 保證系統(tǒng)具有必要的穩(wěn)定性裕量，這樣會增加調(diào)節(jié)過程中被調(diào)量的動態(tài)偏差。但在實際運 行中，對過熱汽溫的控制要求較高，只允許有較小的汽溫控制偏差，所以有必要對單回路 反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。針對過熱汽溫被控對象通道慣性遲延大，被調(diào)量信號反饋慢的特 點，可以從對象的調(diào)節(jié)通道中找出一個比被調(diào)量提前反應(yīng)擾動的中間點輔助信號作為調(diào)節(jié) 器的補(bǔ)充反饋信號，來有效地限制

33、被調(diào)量的動態(tài)偏差，改善對象通道的動態(tài)特性。目前在電廠采用的過熱汽溫自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要有兩種，串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)和采用導(dǎo)前汽溫 微分信號作為輔助信號的雙回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)。3.4串級汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)3.4.1過熱汽溫串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的組成圖2-5所示為過熱汽溫的串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其中Yrl ' yr2分別為溫度變送器斜率,t。為減溫器后汽溫，t2為過熱器出口汽溫。汽溫調(diào)節(jié)對象由噴水調(diào)節(jié)閥、減溫器和過熱 器組成，噴水調(diào)節(jié)閥的開度是調(diào)節(jié)通道的輸入信號，過熱器出口汽溫t。為輸出信號。過熱器減溫器過熱器蒸汽關(guān)于導(dǎo)前汽溫的的選取，如果導(dǎo)前汽溫信號選取過于提前，則副回路改善動態(tài)特性 的作用就小了，而如果導(dǎo)前汽溫信號很接近被調(diào)

34、量過熱器出口汽溫，提前反應(yīng)擾動的作用 就不大了，因此，選取導(dǎo)前汽溫信號，既要使它能提前反應(yīng)較多擾動，又要使副回路能起 到有效改善調(diào)節(jié)對象特性的作用。基于以上考慮，系統(tǒng)中采用減溫器出口處汽溫t，作為輔助調(diào)節(jié)信號(稱為導(dǎo)前汽溫信號)。顯然，如果有某種擾動，比如減溫水流量的自發(fā)變化， 使得汽溫t,比t2提前反應(yīng)，由于副調(diào)節(jié)器的提前動作，就能十分有效的減少過熱器出 口的偏差。整個汽溫被控對象的動態(tài)特性主要由兩部分組成：t,作為輸出信號的對象，這1) 以噴水調(diào)節(jié)閥開度作為輸入信號，減溫器出口溫度部分調(diào)節(jié)通道稱為導(dǎo)前區(qū)，傳遞函數(shù)為 G,(s)2) 以減溫器出口汽溫t。為輸入信號，過熱器出口汽溫分調(diào)節(jié)通道為

35、對象惰性區(qū)，傳遞函數(shù)為 Gz (s)， 性要比JJ:性區(qū)Gz (s)的慣性小得多。t2為輸出信號的通道，這部顯然導(dǎo)前區(qū)G,(s)的遲延與慣3.4.2串級系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理根據(jù)在減溫水量 Wb擾動時，主蒸汽溫度0 1有較大的容積遲延，而減溫器出口蒸汽溫 度0 2有明顯的導(dǎo)前作用，完全可以構(gòu)成以0 2為副參數(shù)，0 1主參數(shù)的串級控制系統(tǒng)，系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)如圖所示。系統(tǒng)中有主，副兩個調(diào)節(jié)器。主調(diào)節(jié)器PI1用于主蒸汽溫度0 1,使其等于給定值。副調(diào)節(jié)器PI2接受主調(diào)節(jié)器的輸出信號和減溫器的出口溫度信號，副調(diào)節(jié)器的 輸出控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)Kz的位移，從而控制減溫水調(diào)節(jié)閥的開度。串級系統(tǒng)是改善控制過程品 質(zhì)極為有效

36、的方法，得到了廣泛的應(yīng)用。系統(tǒng)中以減溫器的噴水作為控制手段，因為減溫器距離過熱器出口較遠(yuǎn)，且過熱器管壁熱容較大，主汽溫對象的滯后和慣性較大。若采用單回路控制主汽溫0 1 (既將0 1作為主信號反饋到調(diào)節(jié)器PI1, PI1直接去控制閥門開度)無法取得滿意的控制品質(zhì)。為此在取 一個對減溫水量變化反映快的中間溫度信號0 2作為導(dǎo)前信號，增加一個調(diào)節(jié)器PI2組成如圖所示的串級控制系統(tǒng)。調(diào)節(jié)器PI2根據(jù)0 2信號控制減溫水閥，如果有某種擾動使汽溫0 2比0 1提早反映（例如：內(nèi)擾為噴水量 W的自發(fā)性變化,那么由于PI2的提前動作，擾動引 起的波動0 2很快消除，從而使主汽溫0 1基本不影響。另外，PI2

37、的給定值受調(diào)節(jié)器 PI1 的影響，后者根據(jù)0 1改變的0 2給定值，從而保證負(fù)荷擾動時，仍能保持 0 1滿足要求?？?見，串級系統(tǒng)中采用了兩級控制器，各有其特殊任務(wù)。3.4.3主汽溫串級控制系統(tǒng)原理R1 is)圖3 52,量,從方框圖中可以看到，串級系統(tǒng)和簡單系統(tǒng)有一個明顯的區(qū)別，即其再結(jié)構(gòu)上形成了 兩個閉環(huán)，一個閉環(huán)在里面，被稱為內(nèi)回路或者副回路，在控制過程中起著粗調(diào)的作用； 一個閉環(huán)在外面，被稱為外回路或者主回路，用來完成細(xì)調(diào)任務(wù)，以最終保證被調(diào)量滿足 生產(chǎn)要求。無論主回路還是副回路都有各自的控制對象，測量變送器和調(diào)節(jié)器。在主回路 內(nèi)的控制對象（如方框圖中為過熱器，其輸入為 0 2,輸出為

38、0 1）、被測參數(shù)（圖中為0 1） 和調(diào)節(jié)器（圖中為溫度調(diào)節(jié)器 1）分別被稱為主對象、主參數(shù)（主變量）和主調(diào)節(jié)器。在 副回路內(nèi)則相應(yīng)地被稱為副對象（其輸入為控制量，輸出為 0 2）、副參數(shù)（或副邊量，圖 中0 2）和副調(diào)節(jié)器（圖中為溫度調(diào)節(jié)器 2）0副對象是整個控制對象的一部分，常稱為控 制對象的導(dǎo)前區(qū)；主對象是整個控制對象的另一部分，常稱為控制對象的惰性區(qū)。應(yīng)該指 出，系統(tǒng)中有兩個調(diào)節(jié)器，它們的作用各不相同。主調(diào)節(jié)器具有自己獨立的給定值，它的 輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定值，而副調(diào)節(jié)器的輸出信號則是送到調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)去控制生產(chǎn)過程。 比較串級系統(tǒng)和簡單系統(tǒng)，前者只比后者多了一個測量變送器和一個調(diào)節(jié)器，增

39、加的儀表 投資并不多，但控制效果卻有明顯的改善。344串級汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)的分析 如圖所示，它有兩個閉合的控制回路:1由對象的導(dǎo)前區(qū) W02（s）,導(dǎo)前汽溫變送器丫。2，副調(diào)節(jié)器Wt2（s），執(zhí)行器Kz減溫水 調(diào)節(jié)閥K.組成的副回路（內(nèi)回路）；2由對象的惰性區(qū) Woi（s）,主汽溫變送器Y ei，主調(diào)節(jié)器 Wti（s）,以及副回路組成的 外回路（主回路）。串級控制系統(tǒng)能改善控制品質(zhì)，主要是由于有一個快速動作的內(nèi)回路存在。由圖可以看出，導(dǎo)前汽溫e 2信號能快速反映擾動，尤其是減溫水側(cè)的自發(fā)性擾動Wbi，只要e 2變化，內(nèi)回路就立即動作，用副調(diào)節(jié)器Wt2（s）的輸出控制減溫水量，使e 2維持在一定的范

40、圍 內(nèi)，從而使過熱汽溫e 1基本不變。當(dāng)主汽溫e 1偏離給定值時，則由主調(diào)節(jié)器 Wti （s）發(fā)出 校正信號V1,通過副調(diào)節(jié)器及執(zhí)行器改變減溫水量，使主汽溫最終恢復(fù)到給定值。主調(diào)節(jié) 器的輸出信號V1相當(dāng)于副調(diào)節(jié)器的可變給定值。可見，在串級過熱汽溫控制系統(tǒng)中，內(nèi)回路的任務(wù)是盡快減溫水量的自發(fā)性擾動和其 他進(jìn)入內(nèi)回路的各種擾動，對過熱汽溫的穩(wěn)定起粗調(diào)作用，副調(diào)節(jié)器一般可采用P或PD調(diào)節(jié)器；而外回路的任務(wù)是保持過熱汽溫等于給定值，所以主調(diào)節(jié)器可采用PI或PID調(diào)節(jié)器。4過熱汽溫的整定4.1串級控制系統(tǒng)方框圖串級控制系統(tǒng)的原理方框圖如圖(4 1)所示，由于副回路具有快速作用，因此，串 級控制系統(tǒng)對進(jìn)入

41、副回路的擾動有很強(qiáng)的克服能力；由于副回路的存在，改善了對象的動 態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率；由于副回路的存在，串級系統(tǒng)有一定的自適應(yīng)能力。圖4 1W(s)、Wt2(s)主、副調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)；W1(s)、W2(s)主、副對象的傳遞函數(shù)； Wi(s)、Wm一主、副變送器的傳遞函數(shù)；W(s)調(diào)節(jié)閥的傳遞函數(shù)；W(s)執(zhí)行器的傳遞函數(shù)；WOf(s) 干擾通道的傳遞函數(shù)干擾當(dāng)f經(jīng)干擾通道W(s)進(jìn)入副回路后，首先影響副參數(shù)y2,由于副調(diào)節(jié)器立即動作，力圖消弱干擾對y2的影響。顯然，干擾經(jīng)過副回路的抑止后再進(jìn)入主回路，對y1的影響將有較大的減弱。如圖(4 1)所示，為了方便分析，假設(shè)當(dāng)執(zhí)行器的傳遞函數(shù)

42、w(s)=1，變送器的傳遞函數(shù)Wi(s)、W=1時，PID調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為Wt(s)=1/ S (1+1/T iS+TdS)控制對象的傳遞函數(shù)為Wo（s）=1/6(1+5S)3圖4 2則系統(tǒng)方框圖如圖（4 2）所示。4.2過熱汽溫的參數(shù)整定(1+5S)3由圖（4 3）可知被控對象的傳遞函數(shù)是Wo(s)=1/6通過傳遞函數(shù)可知n=3,T=5.再由表43可求得Tc=18.46,T =4.025時間常數(shù)Tc、滯后時間T與階數(shù)n、時間常數(shù)T的關(guān)系n12345T /Tc00.1040.2180.3190.410T /T00.2820.8051.4302.100Tc/ T12.7123.6924.485

43、.120表4 3表45響應(yīng)曲線法整定參數(shù)計算表（護(hù)=0.75）拎制對象的階甌晌應(yīng)曲線控制對彙的近似稷遞函數(shù)丁t或有明顯滯后（也括對象參數(shù)控制規(guī)律0.2r' -ST.§T. JP1 r,豐-CM用2”6 丄卩土 5丁PI>-1.1丄看Pi3.3廠2.fi卩青40托0.8幾PID1fl.務(wù)丄¥ PV2t0.5r- 0.152冷丄卩 y+ 0,380.8SK+049r_0.25因為T /Tc=0.218 , 0.2< T /TCV1.5 .所以可以用上表左邊第三行求得調(diào)節(jié)器 個參數(shù)S、PID的兩Ti。通過表 4-5 可以得到 S =0.0271, Ti =15

44、.71735 , Td=1.00625 所以PID調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：Wt(s)=1/0.0271*(1+1/15.71735s+1.00625s)5 SAMA圖分析5.1控制系統(tǒng)SAMA圖繪制SHOTTBP!SrUETWIS-kllflTPIF圖5 15.2控制系統(tǒng)SAMA圖分析1被調(diào)量給定值的設(shè)定汽輪機(jī)調(diào)速級壓力PI11 V卜過熱器前出口溫廈A .設(shè)定値圖5 2被調(diào)量的給定值是由鍋爐負(fù)荷大小的汽輪機(jī)調(diào)速級壓力信號PI，經(jīng)函數(shù)模塊f（x）轉(zhuǎn)換后和設(shè)定器A給出的定值信號相加作為被調(diào)量的給定值信號送到PI1 （主調(diào)節(jié)器）。2前饋信號B0PI1PI2圖燃燒器傾角指令BIO作為前饋信號送入 消除負(fù)荷測擾動，提高控制量。3過熱器副調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)5 3PI