熱工過程自動(dòng)控制 CH05-3 大型單元機(jī)組的生產(chǎn)過程及其自動(dòng)控制

1、123火電廠的系統(tǒng)構(gòu)成火電廠的系統(tǒng)構(gòu)成（1）汽水系統(tǒng)，由）汽水系統(tǒng)，由鍋爐鍋爐、汽輪機(jī)汽輪機(jī)、凝汽器、水泵、加、凝汽器、水泵、加熱器及其管路組成；熱器及其管路組成；（2）燃料、燃燒系統(tǒng)，包括：輸煤系統(tǒng)、制粉系統(tǒng)、）燃料、燃燒系統(tǒng)，包括：輸煤系統(tǒng)、制粉系統(tǒng)、煙風(fēng)系統(tǒng)和除灰除塵系統(tǒng)；煙風(fēng)系統(tǒng)和除灰除塵系統(tǒng)；（3）其它輔助熱力系統(tǒng)）其它輔助熱力系統(tǒng)（4）電氣系統(tǒng)）電氣系統(tǒng)45.1.2 單元機(jī)組的自動(dòng)控制系統(tǒng)組單元機(jī)組的自動(dòng)控制系統(tǒng)組成成5一、協(xié)調(diào)控制的基本概念一、協(xié)調(diào)控制的基本概念 從大系統(tǒng)理論出發(fā)，從大系統(tǒng)理論出發(fā)，協(xié)調(diào)控制協(xié)調(diào)控制是一種解決是一種解決大系大系統(tǒng)統(tǒng)控制問題的基本策略控制問題的基本策

2、略。 所謂大系統(tǒng)可理解所謂大系統(tǒng)可理解為由若干相互關(guān)聯(lián)子系統(tǒng)組為由若干相互關(guān)聯(lián)子系統(tǒng)組成的復(fù)雜系統(tǒng)成的復(fù)雜系統(tǒng)。應(yīng)用大系統(tǒng)理論處理這類龐大而復(fù)。應(yīng)用大系統(tǒng)理論處理這類龐大而復(fù)雜系統(tǒng)控制問題的基本方法就是分解雜系統(tǒng)控制問題的基本方法就是分解協(xié)調(diào)的方協(xié)調(diào)的方法。所謂法。所謂分解就是把大系統(tǒng)化為若干子系統(tǒng)，以便分解就是把大系統(tǒng)化為若干子系統(tǒng)，以便進(jìn)行分塊的處理與控制，求得各子系統(tǒng)的局部最優(yōu)進(jìn)行分塊的處理與控制，求得各子系統(tǒng)的局部最優(yōu)解解；而；而協(xié)調(diào)則是從系統(tǒng)的全局出發(fā)，合理地調(diào)整各協(xié)調(diào)則是從系統(tǒng)的全局出發(fā)，合理地調(diào)整各子系統(tǒng)之間的關(guān)系，求得各子系統(tǒng)之間的和諧與統(tǒng)子系統(tǒng)之間的關(guān)系，求得各子系統(tǒng)之間的和

3、諧與統(tǒng)一，進(jìn)而得到整個(gè)大系統(tǒng)的最優(yōu)解一，進(jìn)而得到整個(gè)大系統(tǒng)的最優(yōu)解。 6 大系統(tǒng)中包含的各子系統(tǒng)之間，相互關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)大系統(tǒng)中包含的各子系統(tǒng)之間，相互關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)有多種多樣的形式。其中最為普遍的形式是一種有多種多樣的形式。其中最為普遍的形式是一種遞階遞階的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)。在這種遞階的結(jié)構(gòu)中，。在這種遞階的結(jié)構(gòu)中，各子系統(tǒng)處于不同級(jí)各子系統(tǒng)處于不同級(jí)別的層次中別的層次中，并具有不同的職能。，并具有不同的職能。789105.1.3 單元機(jī)組自動(dòng)控制系統(tǒng)中的單元機(jī)組自動(dòng)控制系統(tǒng)中的協(xié)調(diào)控制級(jí)協(xié)調(diào)控制級(jí)111213145.1.4 單元機(jī)組自動(dòng)控制系統(tǒng)中的單元機(jī)組自動(dòng)控制系統(tǒng)中的基礎(chǔ)控制級(jí)基礎(chǔ)控制級(jí)151.鍋爐

4、燃燒控制系統(tǒng)鍋爐燃燒控制系統(tǒng)16171.鍋爐燃燒控制系統(tǒng)鍋爐燃燒控制系統(tǒng)181.鍋爐燃燒控制系統(tǒng)鍋爐燃燒控制系統(tǒng)191.鍋爐燃燒控制系統(tǒng)鍋爐燃燒控制系統(tǒng)20控制鍋爐汽包水位控制鍋爐汽包水位水位過高水位過高，會(huì)使蒸汽帶水，造成過熱器管內(nèi)結(jié)垢，會(huì)使蒸汽帶水，造成過熱器管內(nèi)結(jié)垢，影響傳熱效率，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起過熱管爆破，或影響傳熱效率，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起過熱管爆破，或者汽輪機(jī)進(jìn)水。者汽輪機(jī)進(jìn)水。水位過低，破壞鍋爐的水循環(huán)，造成水冷壁管燒水位過低，破壞鍋爐的水循環(huán)，造成水冷壁管燒壞而引起爆管。壞而引起爆管。2.給水控制系統(tǒng)給水控制系統(tǒng)213. 汽溫控制系統(tǒng)汽溫控制系統(tǒng)汽溫控制分為：汽溫控制分為：過熱汽溫和再熱汽

5、溫控制過熱汽溫和再熱汽溫控制大型鍋爐的過熱器是接近大型鍋爐的過熱器是接近過熱器金屬（耐高溫高壓過熱器金屬（耐高溫高壓的合金鋼）的極限溫度的的合金鋼）的極限溫度的條件下運(yùn)行條件下運(yùn)行223. 汽溫控制系統(tǒng)汽溫控制系統(tǒng)kgkg(1-1-1 1)kg)kg2 2kgkg1 1kgkg1kg1kgh02h02h2h2h01h011kg1kg12(1)TurbineCondenserqinqoutGeneratorElectricityBoiler PumpPumpPumpOpen FWHOpen FWHh1233. 汽溫控制系統(tǒng)汽溫控制系統(tǒng)244.輔助控制系統(tǒng)輔助控制系統(tǒng)主要有：主要有：除氧器壓力、水

6、位控制系統(tǒng)；空氣預(yù)熱除氧器壓力、水位控制系統(tǒng)；空氣預(yù)熱器冷端溫度控制系統(tǒng)；凝汽器水位控制系統(tǒng)；器冷端溫度控制系統(tǒng)；凝汽器水位控制系統(tǒng)；輔助蒸汽控制系統(tǒng)；汽輪機(jī)潤滑油溫度控制系輔助蒸汽控制系統(tǒng)；汽輪機(jī)潤滑油溫度控制系統(tǒng)；高壓旁路、低壓旁路控制系統(tǒng)；高壓加熱統(tǒng)；高壓旁路、低壓旁路控制系統(tǒng)；高壓加熱器；低壓加熱器水位控制系統(tǒng)器；低壓加熱器水位控制系統(tǒng)25重要的參數(shù)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)重要的參數(shù)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 單元機(jī)組負(fù)荷控制系統(tǒng)單元機(jī)組負(fù)荷控制系統(tǒng) 鍋爐燃燒控制系統(tǒng)鍋爐燃燒控制系統(tǒng) 鍋爐給水控制系統(tǒng)鍋爐給水控制系統(tǒng) 過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)265.4 5.4 汽包鍋爐給水自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)汽包鍋

7、爐給水自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)27一、汽包水位被控對象的動(dòng)態(tài)特性一、汽包水位被控對象的動(dòng)態(tài)特性二、前饋二、前饋- -反饋給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)反饋給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)三三 串級(jí)給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)串級(jí)給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)四、全程給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)四、全程給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)五、給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)實(shí)例五、給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)實(shí)例5.4 5.4 汽包鍋爐給水自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)汽包鍋爐給水自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)28 給水自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)被調(diào)對象的示意圖給水自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)被調(diào)對象的示意圖: :一、一、 被調(diào)對象的動(dòng)態(tài)特性被調(diào)對象的動(dòng)態(tài)特性29 （）給水量；（）給水量； （）蒸汽量；（）蒸汽量； （）鍋爐燃燒率。（）鍋爐燃燒率。汽包水位汽包水位(steam drum level)變化原因示意圖變化

8、原因示意圖 被調(diào)量變化的主要原因：被調(diào)量變化的主要原因：301)給水量擾動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)特性給水量擾動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)特性 給水量擾動(dòng)時(shí)，汽包水位的變化過程可以分別從兩個(gè)給水量擾動(dòng)時(shí)，汽包水位的變化過程可以分別從兩個(gè) 角度加以分析：角度加以分析： 1 1、僅僅從物質(zhì)平衡的角度來分析；、僅僅從物質(zhì)平衡的角度來分析； 2 2、僅僅從熱平衡的角度來分析。、僅僅從熱平衡的角度來分析。31 綜合上述兩種角度分析的結(jié)果，綜合上述兩種角度分析的結(jié)果，對曲線和曲線進(jìn)行線性疊加，對曲線和曲線進(jìn)行線性疊加，得到在給水量階躍擾動(dòng)下，汽得到在給水量階躍擾動(dòng)下，汽包水位的實(shí)際變化曲線：包水位的實(shí)際變化曲線：32式中式中：遲延時(shí)間遲延

9、時(shí)間 ； 飛升速度飛升速度；1)s(s(s)G01 在給水量擾動(dòng)下，被調(diào)對象具有遲延、慣性和無自平衡在給水量擾動(dòng)下，被調(diào)對象具有遲延、慣性和無自平衡 能力特性。能力特性。00/WOAOBWdtdHOAt特征參數(shù)特征參數(shù)332)蒸汽量擾動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)特性蒸汽量擾動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)特性 蒸汽量擾動(dòng)時(shí)，汽包水位的變化過程同樣可以從兩個(gè)角蒸汽量擾動(dòng)時(shí)，汽包水位的變化過程同樣可以從兩個(gè)角度加以分析。度加以分析。 1 1僅僅從物質(zhì)平衡的角度來分析僅僅從物質(zhì)平衡的角度來分析 2 2僅僅從熱平衡的角度來分析。僅僅從熱平衡的角度來分析。 綜合上述兩種角度分析的結(jié)果，得到綜合上述兩種角度分析的結(jié)果，得到34在蒸汽量階躍擾動(dòng)下

10、，汽在蒸汽量階躍擾動(dòng)下，汽包水位的實(shí)際變化曲線。包水位的實(shí)際變化曲線。熱平衡熱平衡：流出量：流出量D D的增加會(huì)的增加會(huì)使汽包壓力下降，液面下氣使汽包壓力下降，液面下氣泡膨脹，汽包體積的增大將泡膨脹，汽包體積的增大將會(huì)使水位升高。會(huì)使水位升高。物質(zhì)平衡物質(zhì)平衡：流出量：流出量D D的階躍增的階躍增加，會(huì)使水位直線下降加，會(huì)使水位直線下降35 虛假水位虛假水位：當(dāng)蒸汽量突：當(dāng)蒸汽量突然增加時(shí)，雖然汽包的然增加時(shí)，雖然汽包的進(jìn)水量小于蒸發(fā)量，但進(jìn)水量小于蒸發(fā)量，但在開始的一段時(shí)間內(nèi)，在開始的一段時(shí)間內(nèi)，水位不僅不下降，反而水位不僅不下降，反而迅速上升。迅速上升。36動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)描述為：動(dòng)態(tài)特性的

11、數(shù)學(xué)描述為：s1Tsk(s)G02 1 k式中：式中： k比例系數(shù)比例系數(shù) ， T時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù) 飛升速度飛升速度371 1蒸汽量擾動(dòng)主要取決于汽輪機(jī)的運(yùn)行工況，屬于外部擾動(dòng)，蒸汽量擾動(dòng)主要取決于汽輪機(jī)的運(yùn)行工況，屬于外部擾動(dòng)，鍋爐燃 燒 率 擾 動(dòng) 其實(shí)也是一種間接的外部擾動(dòng)。鍋爐燃 燒 率 擾 動(dòng) 其實(shí)也是一種間接的外部擾動(dòng)。 很顯很顯 然這兩種物理量是不可能作為調(diào)節(jié)汽包水位的調(diào)節(jié)手段的，然這兩種物理量是不可能作為調(diào)節(jié)汽包水位的調(diào)節(jié)手段的，調(diào)調(diào)節(jié)作用量只能選擇給水量。節(jié)作用量只能選擇給水量。2 2“虛假水位虛假水位” ” (level swell)現(xiàn)象主要是來自于蒸汽量的變化，現(xiàn)象主要是

12、來自于蒸汽量的變化，顯然蒸汽量是一個(gè)不可調(diào)節(jié)的量（對調(diào)節(jié)系統(tǒng)而言），但它是顯然蒸汽量是一個(gè)不可調(diào)節(jié)的量（對調(diào)節(jié)系統(tǒng)而言），但它是一個(gè)可測量，所以在系統(tǒng)中引入這些擾動(dòng)信息來改善調(diào)節(jié)品質(zhì)一個(gè)可測量，所以在系統(tǒng)中引入這些擾動(dòng)信息來改善調(diào)節(jié)品質(zhì)是非常必要的。是非常必要的。 結(jié)論：結(jié)論：383)燃料量擾動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)特性燃料量擾動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)特性 特點(diǎn)：有慣性特點(diǎn)：有慣性、有時(shí)滯有時(shí)滯、無自平衡能力無自平衡能力39上節(jié)回顧上節(jié)回顧4041基礎(chǔ)控制級(jí)包括：基礎(chǔ)控制級(jí)包括：一、鍋爐燃燒控制系統(tǒng)一、鍋爐燃燒控制系統(tǒng)汽溫控制系統(tǒng)汽溫控制系統(tǒng) 四、輔助控制系統(tǒng)四、輔助控制系統(tǒng) 42汽包鍋爐給水自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)汽包鍋爐給水自動(dòng)

13、調(diào)節(jié)系統(tǒng)43 （）給水量；（）給水量； （）蒸汽量；（）蒸汽量； （）鍋爐燃燒率。（）鍋爐燃燒率。汽包水位汽包水位(steam drum level)變化原因示意圖變化原因示意圖 被調(diào)量變化的主要原因：被調(diào)量變化的主要原因：441)s(s(s)G01 在給水量擾動(dòng)下，被調(diào)對象在給水量擾動(dòng)下，被調(diào)對象具有遲延、慣性和無自平衡能具有遲延、慣性和無自平衡能力特性。力特性。1)給水量擾動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)特性給水量擾動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)特性 452)蒸汽量擾動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)特性蒸汽量擾動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)特性 熱平衡熱平衡：流出量：流出量D D的增加會(huì)使汽包壓力下降，液面下的增加會(huì)使汽包壓力下降，液面下氣泡膨脹，汽包體積的增大將會(huì)使水位

14、升高。氣泡膨脹，汽包體積的增大將會(huì)使水位升高。物質(zhì)平衡物質(zhì)平衡：流出量：流出量D D的階躍增加，會(huì)使水位直線下降的階躍增加，會(huì)使水位直線下降 虛假水位虛假水位：當(dāng)蒸汽量突然增加時(shí)，：當(dāng)蒸汽量突然增加時(shí)，雖然汽包的進(jìn)水量小于蒸發(fā)量，雖然汽包的進(jìn)水量小于蒸發(fā)量，但在開始的一段時(shí)間內(nèi)，水位不但在開始的一段時(shí)間內(nèi)，水位不僅不下降，反而迅速上升。僅不下降，反而迅速上升。s1Tsk(s)G02 463)燃料量擾動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)特性燃料量擾動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)特性 特點(diǎn)：有慣性特點(diǎn)：有慣性、有時(shí)滯有時(shí)滯、無自平衡能力無自平衡能力47 單沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)單沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng) 只依據(jù)只依據(jù)汽包水位一個(gè)汽包水位一個(gè)信號(hào)信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)進(jìn)行調(diào)節(jié)

15、第二節(jié)第二節(jié) 前饋前饋-反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)48第二節(jié)第二節(jié) 前饋前饋- -反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng) 單沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)未能解決的問題單沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)未能解決的問題 （1）調(diào)節(jié)對象的內(nèi)擾動(dòng)態(tài)特性存在一定的延遲）調(diào)節(jié)對象的內(nèi)擾動(dòng)態(tài)特性存在一定的延遲和慣性，當(dāng)給水流量變化時(shí)，汽包水位經(jīng)過一和慣性，當(dāng)給水流量變化時(shí)，汽包水位經(jīng)過一個(gè)延遲時(shí)間才會(huì)有所反應(yīng)。個(gè)延遲時(shí)間才會(huì)有所反應(yīng)。 （2）對象在蒸汽負(fù)荷時(shí)，有）對象在蒸汽負(fù)荷時(shí)，有“虛假水位虛假水位”現(xiàn)現(xiàn)象。象。49第二節(jié)第二節(jié) 前饋前饋- -反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)（一）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理（一）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理5051521 1內(nèi)回路內(nèi)回路(inner

16、 loop)的分析與整定的分析與整定 內(nèi)回路的主要任務(wù)是當(dāng)內(nèi)回路的主要任務(wù)是當(dāng)給水流量側(cè)給水流量側(cè)產(chǎn)生自發(fā)性擾動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生自發(fā)性擾動(dòng)時(shí)，必須必須迅速消除擾動(dòng)迅速消除擾動(dòng)，使，使被調(diào)量（汽包水位被調(diào)量（汽包水位H H）基本不受到）基本不受到自發(fā)性擾動(dòng)的影響自發(fā)性擾動(dòng)的影響；當(dāng)內(nèi)回路外部發(fā)生擾動(dòng)汽包水位；當(dāng)內(nèi)回路外部發(fā)生擾動(dòng)汽包水位H H 發(fā)發(fā)生變化時(shí)，內(nèi)回路要具有生變化時(shí)，內(nèi)回路要具有快速隨動(dòng)快速隨動(dòng)的特性，使給水流量的特性，使給水流量W W盡快地起到調(diào)節(jié)汽包水位的作用。盡快地起到調(diào)節(jié)汽包水位的作用。531 1內(nèi)回路內(nèi)回路(inner loop)的分析與整定的分析與整定)11 (1)(sTsGIW

17、WZIZIKKsTKKsTsG)11 (11)11 (1)(541內(nèi)回路內(nèi)回路(inner loop)的分析與整定的分析與整定 內(nèi)回路系統(tǒng)是內(nèi)回路系統(tǒng)是一階一階系統(tǒng)，系統(tǒng)，理論上理論上內(nèi)回路不會(huì)發(fā)生振蕩內(nèi)回路不會(huì)發(fā)生振蕩 和和TI可以選的很?。〝?shù)值越小，比例作用和積分作用越可以選的很小（數(shù)值越小，比例作用和積分作用越強(qiáng)強(qiáng)00)11 (11sWWZIWWZWWZIKKTKKKKsT）（551內(nèi)回路內(nèi)回路(inner loop)的分析與整定的分析與整定 把把WIWRsTG*)s11 (等效比例帶為和和TI，一般，一般TI取取10s, 根據(jù)衰減率要求來取，根據(jù)衰減率要求來取，具體數(shù)值需實(shí)驗(yàn)確定。具體

18、數(shù)值需實(shí)驗(yàn)確定。)11 (1)(sTsGI561內(nèi)回路內(nèi)回路(inner loop)的分析與整定的分析與整定WWsWsE)()(aWWWssEsWG1)()(a572外回路外回路(outer loop)的分析與整定的分析與整定WWWssEsWG1)()(a582外回路外回路(outer loop)的分析與整定的分析與整定592外回路外回路(outer loop)的分析與整定的分析與整定603. 蒸汽流量側(cè)蒸汽流量側(cè) 的選擇的選擇 D 61要使靜態(tài)偏差為零，靜態(tài)時(shí)必須滿足要使靜態(tài)偏差為零，靜態(tài)時(shí)必須滿足ID=IW，即即：wwDDWD 在正常運(yùn)行時(shí)，可認(rèn)為在正常運(yùn)行時(shí)，可認(rèn)為D=W，D=W，則有則有 D=W 因此，為了克服靜態(tài)偏差，蒸汽流量側(cè)分流器的分流系因此，為了克服靜態(tài)偏差，蒸汽流量側(cè)分流器的分流系數(shù)數(shù)D必須等于給水流量側(cè)分流器的分流系數(shù)必須等于給水流量側(cè)分流器的分流系數(shù)W。62單級(jí)三沖量給水自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的不足 1）分流系數(shù)）分流系數(shù)D=W，前饋信前饋信號(hào)的強(qiáng)弱程度受到了限制，不能更好的改善調(diào)號(hào)的強(qiáng)弱程度受到了限制，不能更好的改善調(diào)節(jié)過程的調(diào)節(jié)品質(zhì)節(jié)過程的調(diào)節(jié)品質(zhì)。63三串級(jí)三沖量給水自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)三串級(jí)三沖量給水自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)(Cascade Three-Element Feedwater Control System ) 串級(jí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)比單級(jí)系統(tǒng)更加靈活，克服靜串級(jí)系統(tǒng)實(shí)