過熱汽溫控制課程設(shè)計(jì)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)目錄概述 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -1中英文摘要 - - - - - - - - - - - - - - - - - -3 緒論 - - - - - - - - - - - - - - - - -51.1控制系統(tǒng)基本原理及組成1.2汽溫控制系統(tǒng)的被控對象 1.3本課程設(shè)計(jì)的題目及任務(wù)第二章 過熱汽溫控制 - - - - - - - - - - - - - -82.1 過熱汽溫控制的任務(wù)2.2 過熱汽溫控制的難點(diǎn)及設(shè)

2、計(jì)原則2.3 過熱汽溫對象模型的建立及其特性第三章 過熱汽溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) - - - - - - - - -153.1 過熱汽溫系統(tǒng)的串級控制方案3.2 具體設(shè)計(jì)方案3.3 設(shè)計(jì)的論證3.4 控制系統(tǒng)的切換第四章 課程設(shè)計(jì)總結(jié)及體會 - - - - - - - - - - -284.1課程設(shè)計(jì)總結(jié)4.2體會結(jié)束語 - - - - - - - - - - - - - - - - - - -31 參考文獻(xiàn) - - - - - - - - - - - - - - - - - -32 概述單元機(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。由于其工藝流程復(fù)雜，設(shè)備眾多，管道縱橫交錯，有上千個參

3、數(shù)需要監(jiān)視、操縱或控制，而且電能生產(chǎn)還要求有高度的安全可靠性和經(jīng)濟(jì)性，因此，目前，采用以分散微機(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(jì)算等多功能自動化系統(tǒng)。在現(xiàn)代火力發(fā)電廠熱工控制中，鍋爐過熱蒸汽溫度是影響鍋爐生產(chǎn)過程安全性和經(jīng)濟(jì)性的重要參數(shù),也是整個汽水行程中工質(zhì)的最高溫度，對電廠的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有重大影響。由于過熱器正常運(yùn)行時(shí)的溫度已接近材料允許的極限溫度，因此，必須相當(dāng)嚴(yán)格地將過熱汽溫控制在給定值附近。過熱汽溫偏高會使蒸汽管道、汽輪機(jī)內(nèi)某些零部件產(chǎn)生過大的熱膨脹變形而損壞，威脅機(jī)組的安全運(yùn)行。過熱汽溫偏低則會降低機(jī)組的熱效率，增加燃料消耗量，浪費(fèi)能源，

4、同時(shí)會使汽輪機(jī)最后幾級的蒸汽濕度增加，加速汽輪機(jī)葉片的水蝕，從而縮短汽輪機(jī)葉片的使用壽命，所以過熱蒸汽溫度過高或過低都是生產(chǎn)過程所不允許的。 過熱蒸汽溫度一般可以看作多容分布參數(shù)受控對象，其動態(tài)特性描述可用多容慣性環(huán)節(jié)表示，該對象具有明顯的滯后特性。現(xiàn)代鍋爐機(jī)組大多采用那些大容量、高參數(shù)、高效率的大型鍋爐，其過熱器管道加長，結(jié)構(gòu)也更復(fù)雜。在鍋爐運(yùn)行中，影響過熱器出口蒸汽溫度的因素很多，有蒸汽流量、燃燒狀況、鍋爐給水溫度、流經(jīng)過熱器的煙氣溫度、流量、流速等等。在這些因素的共同作用下，過熱汽溫對象除了具有多容、大慣性、大延遲特性之外，往往表現(xiàn)出一定的非線性和時(shí)變特性，因此，過熱汽溫控制是鍋爐各項(xiàng)控

5、制中較為困難的任務(wù)之一。針對上述情況設(shè)計(jì)的過熱汽溫控制系統(tǒng)，既要求對煙氣側(cè)擾動及負(fù)荷擾動等較大外擾具有足夠快的校正速度，同時(shí)又要求對減溫水內(nèi)擾有較強(qiáng)的抑制能力，從而使系統(tǒng)具有足夠的穩(wěn)定性和良好的控制品質(zhì)，并能保證系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。因此，能否對過熱汽溫進(jìn)行有效的控制，研究如何改善過熱汽溫系統(tǒng)的控制品質(zhì)，對電廠能否安全穩(wěn)定運(yùn)行來說是至關(guān)重要的，在經(jīng)濟(jì)性上也有十分重要的意義。摘要隨著我國電力工業(yè)的迅速發(fā)展，越來越多的高參數(shù)大容量機(jī)組陸續(xù)投產(chǎn)。從發(fā)展趨勢看, 600MW 及以上等級的火電機(jī)組已成為大電網(wǎng)的主力機(jī)組。鍋爐過熱蒸汽溫度是影響鍋爐生產(chǎn)過程安全性和經(jīng)濟(jì)性的重要鍋爐過熱蒸汽溫度是影響鍋爐生產(chǎn)過程

6、安全性和經(jīng)濟(jì)性的重要參數(shù),現(xiàn)代鍋爐的過熱器是在高溫、高壓的條件下工作。必須通過自動化手段加以控制，維持其出口蒸汽溫度在生產(chǎn)允許的范圍內(nèi)。因此，需要采用適當(dāng)?shù)臏p溫方式改變過熱器入口的蒸汽溫度。從而控制出口的過熱蒸汽溫度。本課程設(shè)計(jì)以600MW火電機(jī)組鍋爐串級過熱氣溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)為研究對象，根據(jù)已知的參數(shù)對其進(jìn)行設(shè)計(jì)，以達(dá)到準(zhǔn)確控制過熱氣溫目的。關(guān)鍵詞：過熱汽溫；串級控制系統(tǒng) ；動、靜態(tài)特性第一章 緒論1.1控制系統(tǒng)基本原理及組成在工業(yè)生產(chǎn)過程中，為了保證生產(chǎn)的安全性、經(jīng)濟(jì)性，保持設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，必須對標(biāo)志生產(chǎn)過程進(jìn)行情況的一些物理參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使它們保持在所要求的額定值附近，或按照一定的要求變化，如

7、火電廠中汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速，鍋爐蒸汽的溫度、壓力，汽包的水位，爐膛負(fù)壓等。在設(shè)備運(yùn)行中這些參數(shù)要經(jīng)常受到各種因素的影響而偏離額定值，此時(shí)，運(yùn)行人員就及時(shí)進(jìn)行操作，對它們加以控制，使這些參數(shù)保持為所希望的數(shù)值。這一操作過程就是調(diào)節(jié)，這個調(diào)節(jié)任務(wù)可以由人工操作來完成，稱為人工調(diào)節(jié)，假若用一套自動控制裝置來代替人工操作，就是自動調(diào)節(jié)。 自動控制系統(tǒng)一般由測量變送裝置、控制器、執(zhí)行器、被控對象等組成。其控制系統(tǒng)方塊圖如下所示。 圖1-1過程控制系統(tǒng)組成框圖其中，y(t)為被控參數(shù)，變送器單元將被控參數(shù)檢測出來并變換成便于遠(yuǎn)送的統(tǒng)一信號z(t)；z(t)與給定信號x(t)比較的偏差e(t)=z(t)-x(t)

8、；e(t)經(jīng)控制器運(yùn)算后輸出控制作用u(t)；u(t)控制執(zhí)行器調(diào)節(jié)閥的開度，改變流體的流量q(t),從而使被控參數(shù)y(t)回到給定值x（t）附近，q(t)稱為控制參數(shù)；從被控參數(shù)檢測點(diǎn)至調(diào)節(jié)閥之間的管道或設(shè)備，稱為被控過程，可簡稱過程；作用于過程且使被控參數(shù)y(t)變化得作用稱為擾動?？刂茀?shù)q(t)作用是使被控參數(shù)穩(wěn)定于給定值附近，稱為內(nèi)部擾動；擾動作用f(t)企圖使得被控參數(shù)y(t)偏離給定值x(t)，稱為外部擾動?？刂葡到y(tǒng)中控制作用就是要克服外部擾動f(t)對被控參數(shù)y(t)的影響，保證其盡快回到給定值。必須指出：(1) 兩個框圖之間的一條帶箭頭的連線表示其相互關(guān)系和信號傳遞方向，并不

9、表示兩框之間的物料聯(lián)系。(2) 各框之間信號作用是單向的，即各框的輸入信號會影響其輸出信號，而輸出信號會反過來影響輸入信號。(3) 調(diào)節(jié)閥控制的介質(zhì)流量可以是流入過程，也可以是從過程流出來。若被控物料是輸入過程的，則正好與箭頭方向一致；若被控物料從過程流出來，則與箭頭的方向不一致。而輸出信號會反過來影響輸入信號。1.2汽溫控制系統(tǒng)的被控對象對于控制系統(tǒng)來說，對一個系統(tǒng)的控制品質(zhì)的好壞取決于被控對象的認(rèn)識，對被控對象有了好的了解和認(rèn)識，就可以很好的對它進(jìn)行控制，如果不能夠很好認(rèn)識控制系統(tǒng)的被控對象，對控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析都是有很大難度的。600MW機(jī)組的汽溫控制系統(tǒng)一般由過熱器、高溫過熱器、低溫

10、再熱器和高溫再熱器組成。如下圖所示為一機(jī)組的汽溫控制系統(tǒng)的被控對象。整個過程工質(zhì)的流程：水冷壁過熱器汽輪機(jī)高壓缸再熱器汽輪機(jī)中、低壓缸 圖1-2汽溫控制對象工質(zhì)流程圖過熱器是鍋爐中將一定壓力下的飽和水蒸氣加熱成相應(yīng)壓力下的過熱水蒸氣的受熱面。按傳熱方式可分為對流式、輻射式和半輻射式；按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為蛇形管式、屏式、墻式和包墻式。主蒸汽按照：低溫過熱器屏式過熱器高溫過熱器經(jīng)過多級過熱器。飽和蒸汽由汽包引出后，進(jìn)入低溫對流過熱器，從低溫過熱器出來后，經(jīng)過第一級噴水減溫器減溫，再進(jìn)入屏式過熱器，從屏式過熱器中出來以后，再經(jīng)過二級噴水減溫，這后通過高溫對流之后進(jìn)入高壓汽缸做功。在低溫過熱器和屏式過熱器

11、、屏式過熱器與高溫過熱器之間都設(shè)置有噴水減溫器,利用減溫水來調(diào)節(jié)過熱汽溫，一般都采用多級過熱器。為提高控制品質(zhì)，過熱汽溫采用分段控制方案，即將整個過熱器系統(tǒng)分成若干段，每段都包含一個減溫器，分別控制各段過熱器出口汽溫，以維持過熱汽溫為給定值。機(jī)組汽溫給定值按機(jī)組的啟停和正常運(yùn)行工況的要求來形成，將隨負(fù)荷而變，即過熱汽溫被設(shè)計(jì)成全程控制系統(tǒng)。1.3 本課程設(shè)計(jì)的題目及任務(wù)1.3.1 題目：600MW機(jī)組過熱汽溫自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1.3.2 任務(wù)：(1) 蒸汽溫度自動控制系統(tǒng)測量信號的處理、顯示、報(bào)警。 (2) 按實(shí)際系統(tǒng)需要，選用單回路控制、串級控制、導(dǎo)前微分控制、前饋-反饋復(fù)合控制、比值控制等

12、控制原理。(3) 系統(tǒng)的組成及工作原理。(4) 畫出控制系統(tǒng)SAMA圖。(5) 確定控制規(guī)律，畫出系統(tǒng)工藝流程圖。(6) 畫出熱工控制系統(tǒng)原理圖。(7) 實(shí)現(xiàn)自動/手動和控制系統(tǒng)之間的無擾切換。(8) 撰寫設(shè)計(jì)說明書，要求字跡清楚，圖表規(guī)范。第二章 過熱汽溫控制2.1過熱汽溫控制的任務(wù)過熱蒸汽溫度是鍋爐運(yùn)行質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。過熱汽溫過高或過低都會影響電廠的經(jīng)濟(jì)性和安全性。因?yàn)檫^熱蒸汽溫度是鍋爐汽水通道中溫度最高的部分，過熱器正常運(yùn)行的溫度一般接近于材料允許的最高溫度。如果過熱蒸汽溫度過高，則過熱器、蒸汽管道容易損壞，也會使汽輪機(jī)內(nèi)部引起過度的熱膨脹，造成汽輪機(jī)的高壓部分金屬損壞;如果過熱蒸汽

13、溫度過低，則會降低設(shè)備的熱效率，一般汽溫每降低5-10，熱效率約降低1%，而且溫度降低會使汽輪機(jī)軸向推力增大而造成推力軸承過載，汽輪機(jī)最后幾級的蒸汽濕度增加，易引起葉片磨損。所以，過熱汽溫調(diào)節(jié)的任務(wù)是在鍋爐運(yùn)行中，必須保持過熱蒸汽溫度穩(wěn)定在規(guī)定值附近。一般要求過熱汽溫與規(guī)定值的暫時(shí)偏差值不超過士10，長期偏差不超過士5。因此，過熱蒸汽溫度控制的主要任務(wù)就是：(1) 克服各種干擾因素，將過熱器出口蒸汽溫度維持在規(guī)定允許的范圍內(nèi)，從而保持蒸氣品質(zhì)合格。 (2) 保護(hù)過熱器管壁溫度不超過允許的工作溫度。2.2過熱汽溫控制的難點(diǎn)及設(shè)計(jì)原則過熱汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)的難點(diǎn)在于： (1) 發(fā)生擾動后，時(shí)滯較大。此外

14、，測量溫度的傳感器也有較大的慣性。 (2) 設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與自動調(diào)節(jié)的要求存在矛盾。從調(diào)節(jié)的角度看，減溫設(shè)備應(yīng)安裝在過熱器出口的地方，這樣可以使調(diào)節(jié)作用的時(shí)滯最小，但是從設(shè)備安全的角度看，減溫設(shè)備應(yīng)安裝在過熱器入口的地方。(3) 造成過熱汽溫?cái)_動的因素很多，各種因素之間又相互影響，使對象的動態(tài)過程十分復(fù)雜。能使過熱器出口汽溫改變的因素有:蒸汽流量的變化、燃燒工況的變化、鍋爐給水溫度的變化、進(jìn)入過熱蒸汽熱焙的變化、流經(jīng)過熱器煙氣溫度即流速的變化、鍋爐受熱面結(jié)垢等。 綜上所述，過熱汽溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則可歸納為： (1) 從動態(tài)特性的角度考慮，改變煙氣側(cè)參數(shù)(如改變煙溫或煙氣流速)的調(diào)節(jié)手段是比較理

15、想的，但具體實(shí)現(xiàn)比較困難的，所以一般很少被采用。(2) 噴水減溫對過熱器的安全運(yùn)行比較理想，盡管對象的調(diào)節(jié)特性不夠理想，但還是目前被廣泛使用的過熱汽溫調(diào)節(jié)方法。采用噴水減溫時(shí)，由于對象調(diào)節(jié)通道有較大的遲延和慣性以及運(yùn)行中要求有較小的汽溫控制偏差，所以采用單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)往往不能獲得好的調(diào)節(jié)品質(zhì)。針對過熱汽溫調(diào)節(jié)對象調(diào)節(jié)通道慣性延遲大、被調(diào)量信號反饋慢的特點(diǎn)，應(yīng)該從對象的調(diào)節(jié)通道中找出一個比被調(diào)量反應(yīng)快的中間點(diǎn)信號作為調(diào)節(jié)器的補(bǔ)充反饋信號，以改善對象調(diào)節(jié)通道的動態(tài)特性，提高調(diào)節(jié)系統(tǒng)的質(zhì)量。(3) 使用快速的測量元件，安裝在正確的位置，保證測量信號傳遞的快速性，減小延遲和慣性。如果測量元件的延遲和慣

16、性比較大，就不能及時(shí)反映過熱汽溫的變化，就會造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，影響控制質(zhì)量。 (4) 現(xiàn)代電廠的過熱器管道的長度不斷加長，延遲和慣性越來越大，采用一級減溫已不能滿足要求，可以采用多級減溫，以保證汽溫控制的要求。2.3過熱汽溫對象模型的建立及其特性分析和設(shè)計(jì)自動控制系統(tǒng)的一個首要任務(wù)是建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，因?yàn)椴徽撘私獾氖呛唵蜗到y(tǒng)的特性還是復(fù)雜系統(tǒng)的特性，都必須掌握系統(tǒng)中各變量之間的相互動態(tài)關(guān)系。盡管電廠過熱汽溫控制系統(tǒng)的動態(tài)特性復(fù)雜，具有多變量、非線性和分布復(fù)雜的特點(diǎn)，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，但是運(yùn)用多種知識，建立能相對反映過熱汽溫控制系統(tǒng)動態(tài)性能的數(shù)學(xué)模型，還是對研究相應(yīng)的自動控制方法大有益處

17、。鍋爐過熱器是由輻射過熱器、對流過熱器和減溫器等組成，其任務(wù)是將從汽包出來的飽和蒸汽加熱到一定的數(shù)值，然后送往汽輪機(jī)去做功。通常稱減溫器前的過熱器為前級過熱器，減溫器后的過熱器為后級過熱器。過熱器布置在高溫?zé)煹乐?，大型鍋爐的過熱器往往分為若干段，在各段之間設(shè)置噴水減溫器，即采用過熱汽溫的分段控制，溫度控制用減溫水由鍋爐的給水系統(tǒng)提供。其示意圖如圖21所示。 圖2-1過熱汽溫噴水減溫系統(tǒng)示意圖圖中，為過熱器出口蒸汽溫度，它是控制系統(tǒng)的被調(diào)量；為減溫器出口的蒸汽溫度；D是過熱蒸汽流量；Wi是減溫器的噴水量，它是控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)量。2.3.1靜態(tài)特性過熱汽溫調(diào)節(jié)對象的靜態(tài)特性指汽溫隨鍋爐負(fù)荷變化的靜態(tài)

18、關(guān)系。鍋爐過熱器由對流式過熱器和輻射式過熱器等組成，但是從圖2-2所示的靜態(tài)特性可以看出，對流式過熱器和輻射式過熱器的過熱汽溫的靜態(tài)特性完全相反。圖2-2過熱汽溫的靜態(tài)特性圖對于對流式過熱器，當(dāng)負(fù)荷增加時(shí)，通過其煙氣的溫度和流速都增加，因而使過熱汽溫升高，所以對流式過熱氣的出口汽溫隨負(fù)荷增加而升高。對于輻射式過熱器，由于負(fù)荷增加時(shí)爐膛溫度升高不多，而爐膛煙溫升高所增加的輻射熱量小于蒸汽負(fù)荷增大所需要的吸熱量，此輻射式過熱器的出口汽溫隨負(fù)荷增加而降低?，F(xiàn)代大型鍋爐的過熱器，對流式過熱器的受熱面積大于輻射式過熱器受熱面積，因而總的汽溫將隨負(fù)荷增加而升高。2.3.2動態(tài)特性過熱汽溫調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性

19、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。蒸汽從汽包出來以后通過過熱器的低溫加熱段，之后經(jīng)過減溫調(diào)節(jié)器，然后再到過熱器的高溫加熱段，最后送入汽輪機(jī)，通常的的大中型鍋爐都是采用減溫器的辦法來控制過熱汽溫。各種鍋爐的結(jié)構(gòu)不同的過熱器的安置也是不一樣的。對過熱器出口蒸汽溫度影響的的因素有許多，例如煙氣的溫度和速度，爐膛的熱負(fù)荷，減溫水量和給水的溫度。但是總體來說，主要的影響因素有以下三方面的因素：煙氣傳熱量，蒸汽流量，減溫水量。目前，現(xiàn)在火電廠中大多利用噴水減溫的方法來控制過熱汽溫。在各種擾動情況下，汽溫控制對像具有大延遲、大慣性和自平衡能力。(1) 蒸汽流量(負(fù)荷)擾動下過熱汽溫的動態(tài)特性引

20、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(jī)控制汽門的開度變化。對于大型的鍋爐來說，一般情況下都采用復(fù)合式過熱器，當(dāng)鍋爐負(fù)荷增加時(shí)，鍋爐燃燒率增加，通過對流式過熱器的煙氣量增加，而且煙氣溫度也隨負(fù)荷的增大而升高。這兩個因素都會讓對流式過熱器的汽溫升高。然而，當(dāng)負(fù)荷增加時(shí)，爐膛溫度升高的并不明顯，由爐膛輻射傳給過熱器的熱量比鍋爐蕭汽量所需要熱量少，因此使輻射式過熱器出口溫度下降?？梢钥吹?，這兩種不同的過熱器，對蒸汽量的擾動的響影正好相反。所以，如果這兩種過熱器配合使用，就能使過熱器出口溫度隨蒸汽流量變化的影響減小。因此在實(shí)際的生產(chǎn)實(shí)踐中，需要把對流式過熱器和輻射式過熱器結(jié)合起來

21、使用。如果汽機(jī)負(fù)荷變化時(shí)，則會引起蒸汽量的擾動。然而當(dāng)蒸汽流量擾動時(shí)，將會改變過熱器和煙氣之間的傳熱關(guān)系，導(dǎo)致過熱蒸汽溫度發(fā)生變化。從蒸汽量擾動的動態(tài)特性曲線，我們可以看到，溫度的響應(yīng)具有平衡特性，而且慣性延遲都比較小，這是因?yàn)檎羝孔兓臅r(shí)侯，沿過熱汽管道的長度的方向的各個點(diǎn)的溫度幾乎是同時(shí)變化的。過熱器出口汽溫是隨蒸汽流量D的增加而升高的，過熱器出口汽溫在蒸汽流量擾動下的動態(tài)特性曲線如下圖所示：圖2-3蒸汽流量擾動下的汽溫響應(yīng)曲線 (2) 煙氣流量擾動下過熱汽溫的動態(tài)特性燃料量的增減，燃料種類的不同，送風(fēng)量的變化都對煙氣的流速和煙氣的溫度產(chǎn)生相對應(yīng)的影響，這會改變煙氣的傳熱情況，導(dǎo)致過熱氣

22、出口溫度的變化。對于煙氣的傳熱量的變化，是沿著整個過熱器的長度方向的變化，且這種變化是同時(shí)發(fā)生的。因此，我們可以看到，在煙氣擾動的動態(tài)特性曲線上，汽溫度化的遲延是非常小的，一般會在10s-20s之間。它與蒸汽量擾動時(shí)的情況有些類似。盡管引起煙氣傳熱量擾動的原因很多，但被控對象特征總的特點(diǎn)是有延遲、有慣性、時(shí)變、非線性和有自平衡能力。煙氣流量變化對過熱汽溫的影響的特性曲線如下圖所示：圖2-4煙氣側(cè)傳熱量擾動下的汽溫響應(yīng)曲線因從煙氣側(cè)來的擾動使沿整個長度的過熱器傳熱量發(fā)生變化，故汽溫變化反映較快，延遲時(shí)間一般較小，煙氣傳熱量擾動可以用來作為控帛量信號。 (3) 減溫水流量擾動下過熱汽溫的動態(tài)特性現(xiàn)

23、在我們控制過熱蒸汽溫度的主要方法是利用噴水減溫來實(shí)現(xiàn)，也是我們目前最常見的一種方法。故而對于這種控制方法，噴水量就成了基本擾動量。過熱器的特性決定了噴水減溫系統(tǒng)的特性。我們呆以把過熱器看成是無窮多個單容對象串聯(lián)起來組成的多容對象。當(dāng)噴水減溫發(fā)生改變之后，這就需要通過這些串聯(lián)的單容對象，最終引起了過熱器出口的過熱蒸汽溫度的變化。因而，過熱器出口的過熱蒸汽的溫度有很大的延遲。減溫水量擾動下的被控對象特征曲線，如下圖所示：圖2-5噴水量擾動下的汽溫響應(yīng)曲線總的來說，根據(jù)對過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)對象作階躍擾動試驗(yàn)得出的動態(tài)特性曲線可知，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(T、P)有較大的差別。

24、第三章過熱汽溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)單回路控制系統(tǒng)是各種復(fù)雜的控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，而單回路控制系統(tǒng)也憑借其結(jié)構(gòu)簡單而得到了廣泛的應(yīng)用。但是隨著科技的發(fā)展，技術(shù)的不斷更新，生產(chǎn)不斷的強(qiáng)化，工業(yè)生產(chǎn)過程對工業(yè)參數(shù)提出了越來越嚴(yán)格的要求，并且隨著工業(yè)生產(chǎn)過程中的被控對象越來越復(fù)雜，被控對象的遲延和慣性也越來越大，這對控制系統(tǒng)提出了更高的要求，而面對這樣的被控對象，單回路控制系統(tǒng)顯然已經(jīng)不能滿足控制要求了。這樣，許多復(fù)雜的控制系統(tǒng)就應(yīng)動而生了，如串級控制系統(tǒng)、導(dǎo)前微分信號控制系統(tǒng)、Smith預(yù)估控制系統(tǒng)等。3.1 過熱汽溫系統(tǒng)的串級控制方案目前電廠采用噴水減溫來調(diào)節(jié)過熱汽溫。正如前面所分析的過熱汽溫的動態(tài)特性可知

25、:系統(tǒng)的延遲和慣性大，為了改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，根據(jù)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，引入中間點(diǎn)信號作為調(diào)節(jié)器的補(bǔ)充信號，以便快速反映影響過熱汽溫變化的擾動，而最能反映減溫水變化的就是減溫器出口的溫度，因此引入該點(diǎn)作為輔助被調(diào)量，組成了串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)。圖3-1為過熱汽溫串級控制系統(tǒng)。圖中，和分別為溫度變送器的斜率，為減溫器后汽溫，為過熱器出口汽溫。汽溫控制對象由減溫器和過熱器組成，減溫水流量Wi為對象調(diào)節(jié)通道的輸入信號，過熱器出口的汽溫為輸出信號。為了改善控制品質(zhì)，系統(tǒng)中采用減溫器出口處汽溫,作為輔助控制信號(稱為導(dǎo)前汽溫信號)。當(dāng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)動作(噴水量變化)后，導(dǎo)前汽溫信號，的反應(yīng)顯然要比過熱器出口的汽溫快很多

26、。圖3-1過熱汽溫串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的主調(diào)節(jié)器出口的信號不是直接控制減溫器的調(diào)節(jié)閥，而是作為副調(diào)節(jié)器的可變給定值，與減溫器出口汽溫信號比較，通過副調(diào)節(jié)器去控制執(zhí)行器動作，以調(diào)節(jié)減溫水流量，保證過熱汽溫基本保持不變。串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)之所以能改善系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，主要是由于有一個快速動作的副調(diào)節(jié)回路存在。為了保證快速性，副調(diào)節(jié)回路的調(diào)節(jié)器比例(P)或比例微分(PD)調(diào)節(jié)器，使過熱汽溫基本保持不變，起到了粗調(diào)的作用;為了保證調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確性，主調(diào)節(jié)回路的調(diào)節(jié)器采用比例積分(PI)或比例積分微分(PID)調(diào)節(jié)器，使過熱汽溫與設(shè)定值相等，起到了細(xì)調(diào)的作用。減溫水對過熱器出口蒸汽溫度T1和過熱器入口蒸汽溫度T

27、2的變化趨勢是一致的，蒸汽溫度T2的響應(yīng)速度快于出口蒸汽溫度T1，因此蒸汽溫度T2叫做導(dǎo)前蒸汽溫度。由此對象控制通道的動態(tài)特性G(s)可以看成為有兩部構(gòu)成：(1) 以減溫水量Wj為對象輸入，導(dǎo)前蒸汽溫度T2為輸出的通道，這部分控制通道稱為導(dǎo)前區(qū)，其傳遞函數(shù)為G2(s)。(2) 以導(dǎo)前蒸汽溫度T2為輸入，過熱器出口蒸汽溫度T1為輸出的通道，這部分控制通道稱為惰性區(qū)，其傳遞函數(shù)為G1(s)，整個被控對象控制通道可用如3-2圖來表示。圖3-2過熱汽溫控制對象方框圖在工程上，導(dǎo)前區(qū)的傳遞函數(shù)形式為G2(s)=T2(s)/ Wj(s)= K2/(1+ T2s)n2一般n2=12。惰性區(qū)的傳遞函數(shù)形式為

28、G2(s)=T1(s)/ T2(s)= K1/(1+ T1s)n1在現(xiàn)場往往是改變減溫水流量來獲取蒸汽溫度T1和蒸汽溫度教師批閱：T2響應(yīng)曲線，由響應(yīng)曲線利用切線法或兩點(diǎn)法可獲得導(dǎo)前區(qū)的傳遞函數(shù)G2(s)以及減溫水到過熱器出口蒸汽溫度T1的傳遞函數(shù)為GTWj(s)=T1(s)/ Wj(s)= K/(1+ Ts)n由G2(s)和GTWj(s)中的參數(shù)可獲得惰性區(qū)的傳遞函數(shù)G1(s)3.2 具體設(shè)計(jì)方案3.2.1串級控制系統(tǒng)的選擇圖33過熱汽溫串級控制系統(tǒng)在上圖中我們可以看到，過熱器溫串級控制系統(tǒng)是用減溫水量做為其控制手段的。而噴水減溫器離過熱器出口比較遠(yuǎn)，且通過上節(jié)對過熱器特性的分析，我們可以得

29、知過熱器的熱容較大，故使得主汽溫被控對象的滯后和慣性也較大。如果利用單回路控制系統(tǒng)控制如此的被控對象，則主汽溫度根本無法滿足被控對象的控制要求，控制品質(zhì)也達(dá)不到要求。因此，我們可以取一個對減溫水量變化反映快的中間點(diǎn)溫度做為導(dǎo)前信號，再增加一個PID控制器組成如上圖所示的串級控制系統(tǒng)?？刂破鱌I2根據(jù)Q2信號控制減溫水閥，如果有某種擾動使汽溫Q2比Q1提早反映（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Q2的波動很快就消除了，從而使主汽溫Q1基本不受影響。另外，PI2的給定值受調(diào)節(jié)器PI1的影響，后者根據(jù)Q1改變Q2的給定值，從而保證負(fù)荷擾動時(shí)，仍能保持主汽溫度滿足要

30、求。3.2.2 系統(tǒng)控制參數(shù)的確定主變量的選擇串級控制系統(tǒng)選擇主變量時(shí)要遵循以下原則：在條件許可的情況下，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某種單值對應(yīng)關(guān)系的間接單數(shù)作為主變量；所選的主變量必須有足夠的變化靈敏度。綜合以上原則，在本系統(tǒng)中選擇送入負(fù)荷設(shè)備的出口蒸汽溫度作為主變量。該參數(shù)可直接反應(yīng)控制目的。副變量的選擇副回路的設(shè)計(jì)質(zhì)量是保證發(fā)揮串級系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)的關(guān)鍵。副變量的選擇應(yīng)遵循以下原則：應(yīng)使主要干擾和更多的干擾落入副回路；應(yīng)使主、副對象的時(shí)間常數(shù)匹配；應(yīng)考慮工藝上的合理性、可能性和經(jīng)濟(jì)型綜合以上原則，選擇減溫器和過熱器之間的蒸汽溫度作為副變量。操縱變量的選

31、擇工業(yè)過程的輸入變量有兩類：控制變量和擾動變量。其中，干擾時(shí)客觀存在的，它是影響系統(tǒng)平穩(wěn)操作的因素，而操縱變量是克服干擾的影響，使控制系統(tǒng)重新穩(wěn)定運(yùn)行的因素。因此次設(shè)計(jì)中，過熱汽溫自動控制系統(tǒng)采用串級控制，且I、II級噴水減溫系統(tǒng)采用相同的設(shè)計(jì)方案。其原理框圖如圖3-4所示：圖34鍋爐過熱汽溫自動控制系統(tǒng)原理框圖為了保證快速性，副調(diào)節(jié)回路的調(diào)節(jié)器采用了比例(P)調(diào)節(jié)器，使過熱汽溫基本保持不變，起到了粗調(diào)的作用;為了保證調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確性，主調(diào)節(jié)回路的調(diào)節(jié)器采用比例積分(PI)，使過熱汽溫與設(shè)定值相等，起到了細(xì)調(diào)的作用。 對于串級汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)，無論擾動發(fā)生在副調(diào)節(jié)回路還是發(fā)生在主調(diào)節(jié)回路，都能迅速的作

32、出反應(yīng)，快速消除過熱汽溫的變化。3.2.3 I級減溫器的組態(tài)I級減溫控制系統(tǒng)由左、右兩側(cè)工作原理相同、互為獨(dú)立的串級控制系統(tǒng)組成。每個控制回路有一個主調(diào)節(jié)器和一個副調(diào)節(jié)器，各自控制左、右兩側(cè)的I級減溫噴水調(diào)節(jié)閥，以保證II級減溫器前后的汽溫差為負(fù)荷的某種函數(shù)關(guān)系。主調(diào)節(jié)器的被控參數(shù)為II級減溫器的汽溫差；副調(diào)節(jié)器的被控參數(shù)是I級減溫器出口的汽溫?，F(xiàn)通過對其中一側(cè)控制回路的分析來說明I級減溫控制系統(tǒng)的組態(tài)，系統(tǒng)框圖如3-5所示：圖35 I級減溫控制系統(tǒng)簡化圖圖中：2g主調(diào)節(jié)器的溫差給定值，為負(fù)荷的函數(shù)；1g副調(diào)節(jié)器的溫度給定值，為負(fù)荷的函數(shù)；Q總?cè)剂狭?，代表機(jī)組負(fù)荷；鍋爐尾部過熱器煙道檔板開度；

33、1I級噴水減溫器閥門開度這是一個典型的串級系統(tǒng)，主調(diào)節(jié)器5和副調(diào)節(jié)器12串在一起工作。主回路的組態(tài)分析，主調(diào)節(jié)器5的偏差信號的形成圖36主調(diào)節(jié)器的偏差信號回路主回路的設(shè)定值為對應(yīng)不同負(fù)荷下II級減溫器前后的溫差設(shè)計(jì)值2g，它與機(jī)組的負(fù)荷成一定函數(shù)關(guān)系，在組態(tài)中由函數(shù)發(fā)生器4產(chǎn)生： 2g=f(x)=f(Q)f(D)式中，Q為總?cè)剂狭?，代表機(jī)組總的復(fù)核；D為主蒸汽量。這一函數(shù)關(guān)系由鍋爐設(shè)計(jì)中的熱力計(jì)算得到主調(diào)節(jié)器的被控參數(shù)（主參數(shù)）為II 級減溫器前后溫差2：2=1-2式中22是取II級減溫器后兩個溫度變送器T2，T1 中的大值，并經(jīng)過一階慣性環(huán)節(jié)2，使它有一定的遲延，這是因?yàn)镮I級減溫器后的溫度

34、變化很快，為了與II級減溫器前的溫度1時(shí)間上相匹配，故在此加了一個一階慣性環(huán)節(jié)。主調(diào)節(jié)器5入口的偏差信號：e2 =2- 2g由于主調(diào)節(jié)器5的調(diào)節(jié)規(guī)律為PI規(guī)律，在系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)要滿足入口平衡條件，即e2 =2- 2g=0所以穩(wěn)態(tài)時(shí)2= 2g副調(diào)節(jié)器的組態(tài)：副調(diào)節(jié)器12的設(shè)定值11g包括兩部分：一是主調(diào)節(jié)器5的輸出調(diào)節(jié)指令R1，另一是由機(jī)組負(fù)荷信號經(jīng)過函數(shù)發(fā)生器13形成的修正值11g，故設(shè)定值11g為11g=R1-f(Q)= R1-11g副調(diào)的被控參數(shù)為I級噴水減溫器出口汽溫，兩個測量傳感器T4,T3測得兩個測點(diǎn)的溫度信號經(jīng)大選塊3選大值作為副調(diào)節(jié)器的被控參數(shù)11。副調(diào)節(jié)器的入口偏差信號為e1=11

35、g-11+dQ/dt+d/dt式中，dQ/dt和d/dt分別為負(fù)荷和尾部煙道檔板開度的微分信號。圖37副調(diào)節(jié)器的偏差信號回路當(dāng)偏差為正時(shí)，則關(guān)小I級減溫水閥開度1；反之，則開大減溫水閥。過熱度保護(hù)功能的組態(tài)：過熱度的保護(hù)作用是針對I級減溫水的最大量加以限制，從而防止屏式過熱器的入口汽溫低于該點(diǎn)壓力下水蒸汽的飽和溫度。其組態(tài)如圖3-8，乘法器27的輸出為相應(yīng)汽包壓力Pb下的屏式過熱器入口蒸汽的飽和溫度，再加上一個適當(dāng)?shù)倪^熱度（由常數(shù)設(shè)定器28設(shè)定），與屏式過熱器入口1相比較，獲得的差值e0經(jīng)大選器30限低值后（常數(shù)設(shè)定器29設(shè)定為0.0）得0，再與副調(diào)節(jié)回路的偏差信號e1在小選塊6中進(jìn)行比較，取

36、小值輸出去副調(diào)節(jié)器。這樣就可限制屏式過熱器入口溫度不會低于相應(yīng)的飽和溫度，防止屏式過熱器入口蒸汽帶水。圖38過熱度保護(hù)功能的組態(tài)常數(shù)設(shè)定器28取2030K(K為熱力學(xué)溫度單位符號：開爾文)。3.3 設(shè)計(jì)的論證3.3.1、假設(shè)系統(tǒng)參數(shù): 根據(jù)網(wǎng)上搜查資料，找出一組傳遞函數(shù)進(jìn)行論證：控制對象的導(dǎo)前區(qū)傳遞函數(shù)為：控制對象的導(dǎo)前區(qū)傳遞函數(shù)為：溫度變送器的傳遞函數(shù)為：執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)閥的傳遞函數(shù)為： 3.3.2、主、副控制器的參數(shù)的整定：本設(shè)計(jì)的串級控制系統(tǒng)主調(diào)節(jié)器采用比例積分控制，副調(diào)節(jié)器采用比例控制。根據(jù)邊界穩(wěn)定法整定主、副控制器的參數(shù)，具體步驟如下： (1)先決定副調(diào)節(jié)器的比例帶。方法如下：主、副回

37、路全部投入閉環(huán)，主調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置： 置于較大位置，T,T=0。副調(diào)節(jié)器的 置于較大位置，且T,T=0。，而后將副調(diào)節(jié)器的比例帶由大往小調(diào)，使副回路產(chǎn)生不衰減振蕩，記下此時(shí)的 (臨界比例帶)，則副調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置為： 根據(jù)此方法，可得出 =1/ =0.46,從而可以得到 = =0.32。(2)決定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)。副調(diào)節(jié)器參數(shù)按步驟(1)整定好并投入后，主調(diào)節(jié)器此時(shí)仍在步驟(1)設(shè)置的位置上。閉合主、副回路逐漸減小 ，觀察 ，使主回路產(chǎn)生不衰蕩，記下此時(shí)的 和 ，則主調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置為： ， 根據(jù)此方法，可得出 =0.45， =205.25。3.3.3、仿真與調(diào)試按照串級過熱汽溫自動控制系統(tǒng)原理

38、方框圖在MATLAB中組成系統(tǒng)仿真模型，并根據(jù)已知和計(jì)算后的參數(shù)對所設(shè)計(jì)的串級控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。通過計(jì)算出來的主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)并不是十分理想的，因此我們要對所計(jì)算出來的參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚捎迷囂椒▽?shù)進(jìn)行修正，最終可得以下仿真模型及階躍響應(yīng)曲線：圖39過熱汽溫控制系統(tǒng)仿真模型 圖310 過熱汽溫自動控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線根據(jù)圖的仿真曲線可知，在階躍的輸入下，響應(yīng)有較小的超調(diào)量、穩(wěn)態(tài)誤差和較短的調(diào)節(jié)時(shí)間。為了精確地確定超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間，本設(shè)計(jì)利用Matlab編程對其進(jìn)行求取。計(jì)算控制品質(zhì)的Matlab源程序 t=0:0.025:1500; %定義時(shí)間序列%求取超調(diào)量 C = 0.9; Y

39、,k=max(simout); percentovershoot=100*(Y-C)/C; %求取調(diào)節(jié)時(shí)間 i=length(t); while(simout(i)0.95*C)&(simout(i)1.05*C) i=i-1; endsetllingtime=t(i);運(yùn)行結(jié)果：圖310 過熱汽溫自動控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得出超調(diào)量為1.51%，調(diào)節(jié)時(shí)間為281.5s，符合本次設(shè)計(jì)的要求。3.4 控制系統(tǒng)的切換 控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為手動切換的一般原則是：(1)測量信號出現(xiàn)問題；(2)控制偏差大；(3)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)出現(xiàn)問題；(4)設(shè)備的一些問題；此次設(shè)計(jì)中I級減溫控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為手動切換的條件是：(1)導(dǎo)前蒸

40、汽溫度信號故障(2)蒸汽溫度信號故障(3)蒸汽流量信號故障(4)溫度設(shè)定值與實(shí)際值偏差大(5)調(diào)節(jié)閥控制指令與反饋偏差大(6)主燃料跳閘（MFT）；(7)汽機(jī)跳閘；(8)鍋爐負(fù)荷低于20%。當(dāng)出現(xiàn)上述條件之一時(shí)，切換器切向NO,強(qiáng)制手動控制第四章 課程設(shè)計(jì)總結(jié)及體會4.1課程設(shè)計(jì)總結(jié)控制策略的總結(jié)：后屏過熱器出口蒸汽溫度設(shè)定值是隨負(fù)荷而變化的，其設(shè)定值的理想形式與末級過熱器的蒸汽流量擾動下的蒸汽溫度特性相反，即蒸汽流量增加溫度設(shè)定值下降。這樣既可避免一級減溫水流量在鍋爐高負(fù)荷時(shí)大幅度減少，合理分配一、二級減溫水流量；又因?yàn)檎羝麥囟入S蒸汽流量增加而下降，從而使末級過熱器入口蒸汽溫度下降，抑止了蒸

41、汽流量的增加而使末級過熱器出口蒸汽溫度上升的趨勢，使蒸汽流量對鍋爐的出口蒸汽溫度影響減少。全文總結(jié)：由于過熱蒸汽溫度過高或過低都會顯著的影響電廠的安全性和經(jīng)濟(jì)性。而隨著電力行業(yè)的改革與發(fā)展，對機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性要求越來越高。同時(shí)由于過熱汽溫對象的動態(tài)特性較差，延遲和滯后比較大，在機(jī)組變負(fù)荷調(diào)峰運(yùn)行時(shí)，汽溫控制的難度加大。為了消除這一不利因素，可利用串級控制系統(tǒng)過熱汽溫進(jìn)行控制。本文的前兩部分介紹了過熱汽溫調(diào)節(jié)的任務(wù)、過熱汽溫控制的難點(diǎn)、過熱汽溫對象的特性，并提出利用串級控制系統(tǒng)對汽溫進(jìn)行調(diào)節(jié)的必要性。第三部分是本文的主要部分，介紹了過熱汽溫串級控制系統(tǒng)的控制方案；具體的設(shè)計(jì)內(nèi)容；組態(tài)的分

42、析；設(shè)計(jì)的可行性論證；畫出了系統(tǒng)原理圖和SAMA圖。同時(shí)還對系統(tǒng)的無擾動切換進(jìn)行了論述。根據(jù)以上完成設(shè)計(jì)的工作，通過設(shè)計(jì)鍋爐過熱汽溫儀表控制系統(tǒng)可以得到以下結(jié)論：針對過熱汽溫對象的動態(tài)特性較差，延遲和滯后比較大的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)利用串級控制系統(tǒng)對其進(jìn)行控制，并利用Simulink的仿真平臺驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的串級控制系統(tǒng)具有良好的控制性能，且符合本次設(shè)計(jì)要求。4.2體會此次過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，鞏固了我們所學(xué)的熱工測量與控制儀表的知識，使我對熱工控制的方法與原理有了深入的了解。作為電廠常用的過熱汽溫控制系統(tǒng)之一的串級控制系統(tǒng)，對它的設(shè)計(jì)直接影響到整個過熱汽溫控制的品質(zhì)，因此，串級控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和相關(guān)參數(shù)的精確計(jì)算是至關(guān)重要的。經(jīng)過這次課程設(shè)計(jì)，我進(jìn)一步了解了儀表控制系統(tǒng)的原理，串級控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。對PID控制也有了深刻的了解和認(rèn)識，學(xué)會了對過程控制系統(tǒng)的動態(tài)仿真以及用CAD軟件對控制系統(tǒng)的示意圖、SAMA圖、組態(tài)圖等進(jìn)行繪制，并靈活運(yùn)用MATLAB程序?qū)刂葡到y(tǒng)進(jìn)行論證。本次課程設(shè)計(jì)要求我們廣泛地查閱文獻(xiàn)資料，以對此次的課程設(shè)計(jì)有更全面的了解，從而使得對過熱汽溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更有理有據(jù)。因此，我將已經(jīng)被束之高閣的一些書籍重新找出，認(rèn)真閱讀，從中不僅查找到了設(shè)計(jì)中需要的知