主汽溫導前微分控制系統(tǒng)的仿真研究課件

1、主汽溫導前微分控制系統(tǒng)的仿真研究摘要對于大慣性和大延遲的熱工對象，常規(guī)PID控制往往不能取得令人滿意的效果，尤其是火電廠再熱汽溫這種大滯后、大慣性以及動態(tài)特性隨工況參數變化的汽溫被控對象，主汽溫的控制成為研究大型火力發(fā)電機組不可缺少的一個項目。鍋爐過熱蒸汽溫度是影響鍋爐生產過程安全性和經濟性的重要鍋爐過熱蒸汽溫度是影響鍋爐生產過程安全性和經濟性的重要參數,現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允許的范圍內。因此，需要采用適當的減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。目前大多數機組都采用二級噴水減溫控制方式。本文介紹

2、了利用MATLAB在火電廠單元機組過熱蒸汽溫度導前微分控制系統(tǒng)中參數整定和抗擾性能分析中的應用。它具有安全、可靠等優(yōu)點，為加快大型火電廠汽溫自動控制系統(tǒng)的反應速度、提高火電廠的自動投運提供了一個很好的方法。關鍵詞：過熱蒸汽溫度；MATLAB；參數整定；抗擾性能Simulation Study of Superheated Steam Temperature Guidance Differential Control System in Power PlantAbstractLarge delay and strong inertia for thermal object, convention

3、al PID control often can not obtain satisfactory results, especially the thermal power plant main steam temperature of this large delay, strong inertia and dynamic changes with the working parameters of steam temperature controlled object，and the steam temperature control of large thermal power gene

4、rating units to become an indispensable item.Boiler superheat steam temperature is an important parameter which influences boiler produce process safety and economic value. Sophisticated boiler super heater working on condition that high temperature and high pressure must be controlled by automatic

5、methods, and keep the outlet steam temperature in the range of produce permitting. For this reason, we should use suitable desuperheat methods to alter the inlet steam temperature of superheater, so that control the outlet temperature of superheater. At the moment, most unit sets use jet desuperheat

6、 control.This paper presents a simulation study of a superheated steam temperature control system in thermal power plantsThe tuning of the regulaters and the disturbance reduction performance are discussed in detail.Key Words：surperheated steam temperature；MATLAB；tuning of parameters; disturbance re

7、duction目錄摘要IAbstractII1 前言11.1 主汽溫控制系統(tǒng)研究的背景及意義11.2大型火電機組典型的主汽溫控制方案11.3 本文的主要工作22 PID控制器的設計原理及原則32.1三種基本調節(jié)作用的特點32.1.1比例控制 （簡稱P作用）32.1.2 積分控制 （簡稱I作用）32.1.3 微分控制 （簡稱D作用）42.2 自動調節(jié)器典型動態(tài)特性52.2.1 比例（P）調節(jié)器52.2.2 比例積分（PI）調節(jié)器62.2.3 比例微分（PD）調節(jié)器72.2.4 比例積分微分（PID）調節(jié)器93 過熱汽溫控制概述113.1 火力發(fā)電廠的生產流程113.2 過熱汽溫控制的任務113.

8、3 過熱汽溫控制的難點分析123.4 影響主蒸汽溫度的因素123.5 過熱汽溫被控對象的動態(tài)特性133.5.1蒸汽流量（負荷）擾動下過熱汽溫對象的動態(tài)特性133.5.2 煙氣側擾動下過熱汽溫的動態(tài)特性133.5.3工質側擾動下的過熱汽溫動態(tài)特性154 過熱汽溫控制系統(tǒng)的典型方案174.1 汽溫串級控制系統(tǒng)及其分析整定174.1.1汽溫串級控制系統(tǒng)原理174.1.2 汽溫串級控制系統(tǒng)的內回路的分析整定184.1.3 汽溫串級控制系統(tǒng)的主回路的分析整定194.2 汽溫串級控制系統(tǒng)的工程整定方法及仿真204.2.1 串級控制系統(tǒng)的工程方法204.2.2 串級控制系統(tǒng)的PID整定214.3 導前汽溫微

9、分信號的過熱汽溫自動控制系統(tǒng)214.3.1導前微分控制系統(tǒng)的組成224.3.2 導前微分控制系統(tǒng)的分析224.4 導前微分控制系統(tǒng)的參數整定及仿真實驗224.4.1導前微分環(huán)節(jié)的參數整定224.4.2調節(jié)器參數整定244.5 系統(tǒng)的抗干擾性及魯棒性分析、仿真244.5.1 抗內擾分析244.5.2 抗外擾分析244.5.3 魯棒性分析255 總結26參考文獻27致謝28281 前言1.1 主汽溫控制系統(tǒng)研究的背景及意義隨著我國國民經濟的迅猛發(fā)展，我國電力裝機容量以每年7%-8%的速率遞增，其中火電燃煤機組占有很大比重。火力發(fā)電廠鍋爐主汽溫控制系統(tǒng)又是提高機組熱效率和保證機組安全運行的重要組成部

10、分。主汽溫（即過熱蒸汽）的控制又是鍋爐各項控制任務中較困難的一項。其原因是過熱汽溫的干擾因素很多、很頻繁、且擾動量很大。對各種擾動作用下過熱汽溫動態(tài)特性具有大遲延、大慣性、時變性和非線性的特點，從而加大了控制的難度。過熱汽溫是主汽溫度、壓力、流量等,三個基本參數之一，是一個十分重要的參數。主汽溫控制系統(tǒng)關系著機組運行的安全性和經濟性，其一方面主汽溫是全廠汽水系統(tǒng)中溫度的最高點。主汽溫過高，過熱汽器管壁和汽輪機高壓缸將使金屬的強度下降，以致造成主器的高溫段爆管和汽輪機的高壓缸損壞；主汽溫過低，還會使汽輪機尾部的蒸汽濕度增加，甚至帶水，將嚴重威脅汽輪機低壓缸、轉子和凝汽器的安全。另一方面過熱汽溫降

11、低，還使汽輪機的熱效率就降低(過熱汽溫降低5 ，汽輪機的熱效率就降低1)。因此主汽溫是影響機組安全、經濟運行的重要參數，運行中要盡量保持穩(wěn)定，一般要求保持在額定溫度的2度范圍內。因此對主汽溫的控制的要求非常嚴格。但由于該系統(tǒng)被控對象的慣性和遲延較大，受到的干擾因素較多，具有非線性、時變性等特點，尤其由于發(fā)電機組向大容量、高參數發(fā)展，使得被控對象更加復雜，對控制的要求更高，分散控制系統(tǒng)DCS具有高速度、大容量的運算能力，具有功能強大的軟、硬件資源，它在大型火電機組中的廣泛應用為采用先進的控制策略提供了技術基礎，從而使得現代控制理論和智能控制在汽溫控制中的應用得到了很大的進展。例如，帶觀測器的狀態(tài)

12、反饋控制、自適應預測控制、模糊控制等都已經在實際運行中得到了較好的效果。因此，主氣溫調節(jié)系統(tǒng)應選用調節(jié)品質高、穩(wěn)定性好的控制策略，以提高機組安全性和經濟性。因此設計一種可以使主汽溫在各個運行工況下能迅速穩(wěn)定在給定值且避免振蕩的方法是非常具有實用價值的。1.2大型火電機組典型的主汽溫控制方案最近幾年來，對火電廠大時滯、大慣性系統(tǒng)的研究引起了國內許多外學者的重視。主汽溫控制系統(tǒng)因其對象具有非線性、大慣性、大遲延等特點，成為火電廠較難控制的系統(tǒng)之一。與此同時，也涌現出對主汽溫的先進控制方法，歸納起來主要有以下幾個方向：（1）過熱汽溫串級自動控制系統(tǒng)的重點控制策略：過熱汽溫串級自動控制系統(tǒng)中，主回路采

13、用PID運算，副回路采用PD運算。在主回路串級自動控制系統(tǒng)采用微分作用,對于延遲和慣性較大的對象調節(jié)質量較好。過熱汽溫串級自動控制系統(tǒng)中主、副調節(jié)回路相對獨立，因此在投運時，參數整定、調試直觀方便.串級自動控制系統(tǒng)數據運算較復雜，對運算設備要求高。（2）智能控制控制算法：常用的有專家系統(tǒng)、模糊控制、人工神經網絡控制以及基于現場應用的仿人工智能的控制方法。這些算法是根據某個領域一個或多個專家提供的知識和經驗，進行推理和判斷，模擬人腦的智能識別和智能決策過程，對復雜不確定系統(tǒng)進行有效控制。（3）基于H理論的狀態(tài)變量控制：將大慣性大滯后對象等效成為多容的慣性環(huán)節(jié)，在此基礎上設計了無靜差的狀態(tài)反饋控制

14、，針對部分狀態(tài)不可測的問題，設計魯棒性較強的狀態(tài)觀測器，觀測出這些狀態(tài)變量，使系統(tǒng)能夠快速地檢測到系統(tǒng)內部擾動，及時發(fā)出控制信號，維持出口汽溫。（4）自抗擾控制技術：自抗擾技術由PID思想發(fā)展而來，吸收了現代控制理論的信號處理思想，提高了系統(tǒng)的控制品質和控制精度，具有良好的控制品質、抗干擾能力和魯棒性。（5）自適應控制理論的應用：自適應系統(tǒng)能相應的改變和調整控制器的參數，以適應系統(tǒng)特性的變化，保證整個系統(tǒng)的性能指標達到令人滿意的結果，主要有模型參考自適應控制系統(tǒng)、自校正控制系統(tǒng)、自整定PID調節(jié)器三種。這些控制方法提高了系統(tǒng)抗外擾的自適應能力，有效地克服了對象的大滯后、大慣性特性。（6）應用預

15、測控制方法：預測控制算法簡單、易于計算機實現,對待控過程的模型化要求低,控制的最優(yōu)性和魯棒性較好,并對復雜系統(tǒng)具有較強的適應性。1.3 本文的主要工作當純遲延時間與過程的廣義時間常數T之比大于0.3，該系統(tǒng)為大遲延系統(tǒng)?；痣姀S蒸汽溫度控制系統(tǒng)就是典型的大遲延系統(tǒng)，本文介紹了利用MATLAB在火電廠過熱蒸汽溫度導前微分控制系統(tǒng)中參數整定和抗擾性能分析中的應用。該系統(tǒng)具有安全、可靠等優(yōu)點，為加快大型火電廠汽溫自動控制系統(tǒng)的反應速度、提高火電廠的自動投運提供了一個很好的方法。論文的主要工作包括:（1）闡述控制過熱蒸汽溫度的重要性，并對PID控制器做基本介紹闡述。（2）分析其被控對象動態(tài)特性，對主氣溫

16、的常見控制系統(tǒng)作基礎研究，了解其優(yōu)點及弊端。（3）針對被控對象的數學模型，設計主汽溫的導前微分控制系統(tǒng)，并通過計算仿真整定控制器參數。（4）通過仿真試驗，研究主汽溫導前微分控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、魯棒性、抗干擾能力等。2 PID控制器的設計原理及原則圖2-1 調節(jié)系統(tǒng)示意圖在工程實際中，應用最為廣泛的調節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調整方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數不能完全掌握，或得不到精確的數學模型時，控制理論的其它技術難以采用時，系統(tǒng)控制器的結構和參數必須依靠

17、經驗和現場調試來確定，這時應用PID控制技術最為方便。即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數時，最適合用PID控制技術。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。2.1三種基本調節(jié)作用的特點2.1.1比例控制 （簡稱P作用）比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-stateerror）。比例作用的動態(tài)方程式為m=S1e（2-1）比例作用的調節(jié)規(guī)律是：偏差值e愈大，調節(jié)機關位移量也愈大；偏差值e的變化速度

18、即 快，調節(jié)機關的移動速度 也快。在恒值調節(jié)系統(tǒng)中，上述偏差值e即為被調量Y。當采用P調節(jié)器時，如果圖2-1所示的系統(tǒng)為一恒值調節(jié)系統(tǒng)，則調節(jié)閥的位置與被調量的數值之間必然存在著一一對應關系，因此，在不同負荷時（閥門位置不同），被調量的數值也必然是不同的，或者說，調節(jié)過程結束后，被調量將是有差的。2.1.2 積分控制 （簡稱I作用）積分作用的動態(tài)方程為：（2-2a）或表示為（2-2b）由上式可以看出：如果被調量不等于給定值，即e0，執(zhí)行機構就會不停地動作，只有e=0，即偏差消失時，執(zhí)行機構才停止動作。因此，調節(jié)構成結束時，被調量必定是無差的。圖2-2 積分作用示意圖在調節(jié)過程中，積分作用也存在

19、不合理的一面，由圖2-2可說明這種情況：（b）圖中的a，b兩點表示了兩種狀態(tài)，由于偏差相同，積分作用也相同。結合圖2-2可見，對應于a點所示的狀態(tài)，水位高于給定值，并且Q1Q2水位將繼續(xù)上升，此時，積分作用調節(jié)器（）將關小進水閥，使Q1與Q2的差別減小，此動作是正確的。對應于b點所示的狀態(tài)，水位高于給定值，但Q1Q2水位將下降，但對于積分作用調節(jié)器來說，它仍將輸出信號去關小進水閥，結果是：Q1進一步減小，Q1與Q2的差別進一步擴大，使水位以更快的速度下降。因此，當調節(jié)過程進行到c點時，雖然偏差等于零，積分作用保持不變，但由于流入流量Q1比流出流量Q2小很多，水位急劇下降，將會使調節(jié)過程產生振蕩

20、。由上述分析可見，只有積分作用的調節(jié)器，工業(yè)上很少應用。在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（System with Steady-state Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。2.1.3 微分控制 （簡稱D作用）微分作用

21、的動態(tài)方程是（2-3）由上式可以看出，調節(jié)過程結束時， 必須等于0，即調節(jié)閥開度不變，這樣就不能適應負荷的變化。因此，只有微分作用的調節(jié)器是不能執(zhí)行調節(jié)任務的。微分作用的特點是調節(jié)機關的位移與被調量偏差信號的變化速度成正比。在調節(jié)過程開始階段，被調量y偏離給定值r很小，但變化速度較大，此時，調節(jié)器中的P、I作用都很弱，而微分作用卻較強，它可以使調節(jié)閥產生一個較大的位移，微分作用比P、I作用超前，它加強了調節(jié)作用，限制了偏差的近一步增大，微分作用可以有效地減少動態(tài)偏差，這是調節(jié)器中加入微分作用的主要目的。在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關系。自動控制系統(tǒng)在克

22、服誤差的調節(jié)過程中可能會出現振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調節(jié)過程中的動態(tài)特性。綜上所述，比例作用可

23、使調節(jié)過程趨于穩(wěn)定，但在單獨使用時，被調量產生靜態(tài)偏差，積分作用能使被調量無靜態(tài)偏差，但單獨使用時，會使調節(jié)過程變成振蕩甚至不穩(wěn)定，微分作用能有效地減少動態(tài)偏差，但不能單獨使用。由于比例作用、積分作用和微分作用各有特點，所以目前工業(yè)上常采用P、PI、PD和PID調節(jié)器。2.2 自動調節(jié)器典型動態(tài)特性2.2.1 比例（P）調節(jié)器比例調節(jié)器的動態(tài)方程與比例作用的動態(tài)方程相同，即：（2-4）式中：KP調節(jié)器的比例系數，即偏差改變一個單位時，調節(jié)機構的位移變化量； 比例系數KP的倒數，稱為比例帶，即當調節(jié)機關的位置改變100%時，偏差產生的改變量。比例調節(jié)器的傳遞函數為：（2-5）比例帶是可調的，表示

24、比例作用強弱的參數。越大比例作用越弱;越小比例作用越強。調節(jié)過程中輸入e0對輸出的響應無遲延、無慣性，并且調節(jié)方向正確，因此比例調節(jié)器在控制系統(tǒng)中是使控制過程穩(wěn)定的因素。當被控對象的給定值發(fā)生變化后，執(zhí)行機構必須移動到一個與給定值相適應的位置才能使被控對象再度平衡，調節(jié)的最終結果是有差的，因而比例調節(jié)器稱為有差調節(jié)器。比例調節(jié)器的階躍響應曲線如圖2-3所示：圖2-3 比例調節(jié)器階躍響應曲線2.2.2 比例積分（PI）調節(jié)器 比例積分調節(jié)器是比例作用和積分作用的疊加，其動態(tài)方程為：（2-6a）或寫成（2-6b）式中：KI調節(jié)器的積分速度，即偏差改變100%時，調節(jié)機構的移動速度； Ti積分時間。

25、比例積分（PI）調節(jié)器的傳遞函數為：（2-7）這種調節(jié)器有兩個可供調整的參數，即KP和KI或和Ti。當Ti時，比例積分調節(jié)器就成為比例調節(jié)器；當Ti0時，即KP0（Ti=KP/KI，而KI是不可能的)時，比例積分調節(jié)器就成為積分調節(jié)器。積分時間Ti影響積分作用的強弱，比例帶不但影響比例作用的強弱，而且也會影響積分作用的強弱。由于比例積分調節(jié)器是在比例調節(jié)基礎上，又加上積分調節(jié)，相當于在粗調的基礎上再加上細調，能使控制過程結束后沒有靜態(tài)偏差。圖2-4為PI調節(jié)器階躍響應曲線圖2-4 PI調節(jié)器階躍響應曲線將階躍擾動幅值e0代入動態(tài)方程式（2-6b），可得比例積分（PI）調節(jié)器階躍響應曲線的方程為

26、：（2-8）把t=Ti代人式(2-8)可得：（2-9）式(2-9)說明，當總的輸出等于比例作用輸出的2倍時，其時間就是積分時間Ti。應用這個關系我們就可以通過PI調節(jié)器的階躍響應曲線確定積分時間Ti。2.2.3 比例微分（PD）調節(jié)器比例微分調節(jié)器由比例作用和微分作用組合而成，理想的比例微分調節(jié)器動態(tài)方程為：（2-10a）或寫成（2-10b）式中：Kd微分作用的比例系數； Td微分時間。理想的比例微分（PD）調節(jié)器的傳遞函數為：（2-11）圖2-5 比例微分（PD）調節(jié)器階躍響應曲線比例微分（PD）調節(jié)器有兩個可供調整的參數，即KP和Kd或和Td。微分時間Td影響調節(jié)器微分作用的強弱；比例帶不

27、但影響調節(jié)器比例作用的強弱，而且也影響微分作用的強弱。輸入等速變化時(圖b)比例微分（PD）調節(jié)器的階躍響應曲線方程為：（2-12）上圖中（c）所示為實際比例微分（PD）調節(jié)器的階躍響應曲線，其動態(tài)方程為：（2-13）式中：TD 微分慣性時間常數。實際比例微分（PD）調節(jié)器的傳遞函數為：(2-14)上式說明實際比例微分調節(jié)器比理想的比例微分調節(jié)器增加了一個慣性環(huán)節(jié)。實際比例微分（PD）調節(jié)器的階躍響應曲線方程為：（2-15）其中：式中：KD 微分放大系數或微分增益。 TD 微分慣性時間常數。微分慣性時間常數Td可以表征微分作用強弱：當Td大時，微分輸出部分衰減得慢，說明微分作用強；反之Td小，

28、表示微分作用弱。而比例帶不但影響調節(jié)器比例作用的強弱，而且也影響微分作用的強弱。在比例微分調節(jié)器中，微分作用可以在擾動出現時立刻產生一加強的階躍輸出，從而有效降低偏差的變化速度。之后微分作用逐漸減弱，在t時，只有比例作用依然存在。因此比例微分調節(jié)器不能消除被調量的穩(wěn)態(tài)偏差，是一種有差調節(jié)器。 2.2.4 比例積分微分（PID）調節(jié)器理想的比例積分微分（PID）調節(jié)器由比例、積分和微分三種調節(jié)作用疊加而成，其動態(tài)方程為： （2-16）理想的比例積分微分（PID）調節(jié)器的傳遞函數為：(2-17)實際比例積分微分（PID）調節(jié)器的動態(tài)方程為：(2-18)其傳遞函數為： (2-19)式中：積分時間：

29、微分時間： 比例帶：微分慣性時間常數：PID調節(jié)器中，有三個可以調整的參數：即比例帶、積分時間Ti 和微分時間Td。適當選擇這三個參數的數值，可以獲得良好的調節(jié)質量。實際PID調節(jié)器的階躍響應曲線如下圖所示： 圖2-6 實際PID調節(jié)器的階躍響應曲線實際PID調節(jié)器在階躍輸入下，開始時微分作用的輸出變化最大，使總的輸出大幅度地變化，產生一個強烈的超前調節(jié)作用，把這種調節(jié)作用看成為預調；然后微分作用消失，積分作用逐漸占主導地位，只要靜態(tài)偏差存在，積分作用便不斷增加，把這種調節(jié)作用可看成為細調，一直到靜態(tài)偏差完全消失，積分作用才停止；而在PID的輸出中，比例作用是自始至終與偏差相對應的，它是一種基

30、本的調節(jié)作用。3 過熱汽溫控制概述3.1 火力發(fā)電廠的生產流程火電廠中，通常將燃料運至電廠，經輸送加工后，送入鍋爐進行燃燒，使燃料中的化學能轉變?yōu)闊崮懿鬟f給鍋爐中的水，使水變成高溫高壓的蒸汽，通過管道將壓力和溫度都較高的過熱蒸汽送人汽輪機，推動汽輪機旋轉作功，蒸汽參數則迅速降低，最后排入凝汽器。在這一過程中，蒸汽的熱能轉變?yōu)槠啓C轉子旋轉的機械能。發(fā)電機與汽輪機是用聯軸器相連一同旋轉的，汽輪機轉子的機械能，通過發(fā)電機轉變成電能。發(fā)電機產生的電能，經升壓變壓器后送人輸電線路提供給用戶。火力發(fā)電廠的主要系統(tǒng)燃料與燃燒系統(tǒng)：用煤將爐水燒成蒸汽（化學能轉化為熱能）（1）燃煤制備流程：煤從儲煤場經輸煤

31、皮帶送到鍋爐房的煤斗中，再進入磨煤機制成煤粉。煤粉與來自空氣預熱器的熱風混合后噴入鍋爐爐膛燃燒。（2）煙氣流程：煤在爐內燃燒后產生的熱煙氣經過鍋爐的各部受熱面?zhèn)鬟f熱量后，流進除塵器及煙囪排入大氣。（3）通風流程：用送風機供給煤粉燃燒時所需要的空氣，用吸粉機吸出煤粉燃燒后的煙氣并排入大氣。（4）排灰流程：爐底排出的灰渣以及除塵器下部排出的細灰用機械或水利派往儲灰場。汽水系統(tǒng):蒸汽推動汽輪機做功（熱能轉化為機械能）（1）汽水流程：水在鍋爐內變成過熱蒸汽，過熱蒸汽在汽輪機中不斷膨脹、高速流公，推動汽輪機高速旋轉，最后排入凝汽器中冷凝成水，再經升壓、除氧、加熱后送回鍋爐，形成閉合的汽水循環(huán)。（2）補給

32、水流程：汽水循環(huán)中水有損失，必須經常補充，補給水要經過化學處理，水質合格后送入汽水系統(tǒng)。（3）冷卻水流程：在汽輪機排氣的凝結過程中，放出的大量的潛熱需有冷卻水帶走。冷卻水的吸取，冷卻即其設施構成冷卻水流程。電氣系統(tǒng)：汽輪機帶動發(fā)電機發(fā)電（機械能轉化為電能），并通過輸配電裝置將電能送往用戶。（1）向外供電流程：發(fā)電機發(fā)出的電能由變壓器升壓后，經高壓配電裝置和輸電線路送往用戶。（2）廠用電流程：發(fā)電廠內的自用電由廠用變壓器降壓后，經廠用配電裝置相場內各種附機及照明等供電?？刂葡到y(tǒng)：操作機械化、自動化。（1）燃料的裝卸、入倉、制粉、輸送機械化、自動化。（2）鍋爐給水、氣溫和燃料的自動調節(jié)，爐膛滅火安

33、全保護系統(tǒng)（3）汽輪機自動控制系統(tǒng)包括調節(jié)、自啟停、監(jiān)視與保護和主蒸汽旁路控制等。（4）發(fā)電機控制系統(tǒng)包括參數顯示、勵磁調節(jié)、運行操作和安全保護等（5）廠用電控制系統(tǒng)包括廠用電備用電源自動切換、直流系統(tǒng)監(jiān)視和和交流不停電電源系統(tǒng)等。3.2 過熱汽溫控制的任務過熱蒸汽溫度自動控制的任務是維持過熱器出口蒸汽溫度在允許范圍內，并且保護過熱器，使管壁溫度不超過允許的工作溫度。過熱蒸汽溫度是鍋爐運行質量的重要指標之一，過熱蒸汽溫度過高或過低都會顯著地影響電廠的安全性和經濟性。過熱蒸汽溫度過高，過熱汽器管壁和汽輪機高壓缸將使金屬的強度下降，以致造成主器的高溫段爆管和汽輪機的高壓缸損壞,過熱汽溫的上限一般不

34、應超過額定值5。過熱蒸汽溫度過低，主汽溫過低，還會使汽輪機尾部的蒸汽濕度增加，甚至帶水，將嚴重威脅汽輪機低壓缸、轉子和凝汽器的安全。另一方面過熱汽溫降低，還使汽輪機的熱效率就降低(過熱汽溫降低5，汽輪機的熱效率就降低1),因而過熱汽溫的下限一般不低于額定值10。過熱汽溫的額定值通常在500以上，例如高壓鍋爐一般為540，就是說要使過熱汽溫保持在5405的范圍內。主汽溫控制系統(tǒng)關系著機組運行的安全性和經濟性，其一方面主汽溫是全廠汽水系統(tǒng)中溫度的最高點。因此主汽溫是影響機組安全、經濟運行的重要參數，運行中要盡量保持穩(wěn)定。3.3 過熱汽溫控制的難點分析 過熱汽溫的控制多年來一直是電廠過程控制中的一個

35、難點，主要是因為以下幾點原因： (1) 過熱汽溫是一個遲延現象比較嚴重的對象，機組容量越大，遲延現象就越嚴重。當有些機組的過熱汽溫的遲延太大時，反饋控制根本來不及控制。而PID控制就是屬于反饋控制。 (2) 過熱汽溫容易受到多種因素的影響，如煙氣溫度和壓力的波動、負荷的變化、主蒸汽壓力的變化、燃料量的變化、給水溫度和流量的波動及減溫水流量的抖動、吹灰器投入、磨煤機的切換等都會引起過熱汽溫的變化。(3) 過熱汽溫被控對象工藝流程復雜，不同的機組過熱汽溫特性完全不同，很難得到對象與干擾之間準確的數學模型。即使通過現場試驗的辦法得到當時對象的數學模型，但隨著時間的推移和機組工況的變化，對象的模型會發(fā)

36、生變化。3.4 影響主蒸汽溫度的因素過熱汽溫是鍋爐運行中的主要參數之一。汽溫過高會加快金屬材料的蠕變產生額外的熱應力，縮短設備的使用壽命。汽溫過低會使汽輪機葉片的侵蝕作用加劇損壞設備，使發(fā)電廠的經濟性降低。引起汽溫變化的基本原因有兩方面，即煙氣側傳熱的改變和蒸汽側吸熱工況的改變。煙氣側的影響因素有：1.燃料性質的變化。2.風量的變化。3.噴燃器運行方式的改變。4.給水溫度的變化。5.受熱面的清潔程度。蒸汽側的影響因素有：1.鍋爐負荷的變化。2.飽和蒸汽濕度的變化。3.減溫水的變化。對汽溫的調節(jié)可以從兩方面來進行。蒸汽側調節(jié)汽溫:目前高壓和超高壓鍋爐基本上都采用噴水減溫器。另外一種減溫器則為表面

37、式，它是利用給水間接吸收蒸汽熱量。噴水式減溫器比表面式減溫器調節(jié)溫度要快，對處理蒸汽溫度突然的變化比較有效。煙氣側調節(jié)汽溫:是通過改變過熱器煙氣側的傳熱條件，即改變過熱器受熱面的吸熱量。根據具體設備有兩種方法。即改變火焰中心位置和改變煙氣量。 為了得到良好的氣溫調節(jié)特性，往往應用兩種以上調節(jié)方法，并常以噴水減溫與一種或兩種煙氣側調溫方法相配合。一般情況下，煙氣側調溫只能作為粗調，而蒸汽側調溫才能進行細調。最終要根據生產實際情況來進行調節(jié)3.5 過熱汽溫被控對象的動態(tài)特性影響過熱器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、鍋爐給水溫度變化、進入過熱器的蒸汽溫度變化、流經過熱器的煙

38、氣溫度和流速變化、鍋爐受熱面結垢等。但歸納起來，主要有三個方面：3.5.1蒸汽流量（負荷）擾動下過熱汽溫對象的動態(tài)特性當鍋爐負荷擾動時，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，使過熱器各點的蒸汽溫度幾乎同時改變，因而汽溫反應較快。過熱器出口汽溫的階躍響應曲線如圖3-1所示，其特點是：有滯后、有慣性、有自平衡能力，且c較小。但由于蒸汽量是由機組負荷決定的，不能用來作為調節(jié)氣溫的手段。當鍋爐負荷增加時，對流式過熱器和輻射式過熱器的出口汽溫隨負荷變化的方向是相反的。負荷增加時，通過對流式過熱器的煙氣溫度和流速都增加，從而使對流過熱器的出口汽溫升

39、高。但是，由于負荷增加時，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荷增大所需的吸熱量，因而當負荷增加時，輻射式過熱器出口汽溫是下降的。現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的受熱面積，因此總的汽溫將隨負荷增加而升高。圖3-1鍋爐負荷擾動下過熱汽溫的階躍響應曲線3.5.2 煙氣側擾動下過熱汽溫的動態(tài)特性煙氣側對汽溫的影響干擾因素較多。由于過熱器及再熱器是熱交換器，其出口汽溫反映了蒸汽帶走的熱量和煙氣側吸收的熱量之間的熱平衡關系。因此，凡是影響煙氣和蒸汽之間換熱的因素都是對汽溫的擾動因素。煙氣側的擾動主要包括以下幾方面：(1)煤質的變化燃煤中的水分和灰分增加

40、時，燃煤的發(fā)熱量降低，為了保證鍋爐蒸發(fā)量，必須增加燃料消耗量。因為水分蒸發(fā)和灰分本身提高溫度均要吸收爐內的熱量，故使爐內溫度水平降低，爐內輻射傳熱量減少；爐膛出口煙溫升高，水分增加使煙氣體積增大，煙氣流速增加，使對流傳熱增加，故使汽溫升高。當燃煤的揮發(fā)分降低，含碳量增加（例如由燒煙煤該成燒無煙煤或貧煤）或煤粉較粗時，煤粉在爐內的燃盡時間較長，火焰中心上移，爐膛出口煙溫升高，從而使汽溫上升。（2）爐內過?？諝庀禂档淖兓斔惋L量和漏風量增加使爐內過?？諝庀禂翟黾訒r，低溫空氣的吸熱及煙氣容量的增加將使爐膛溫度降低，流經過熱器的煙量增加，煙速增高，使對流過熱器傳熱加強，汽溫升高。（3）燃燒器運行方式的

41、變化燃燒器運行方式改變，例如，燃燒器從上排切換到下排，或燃燒其的噴口角度改變時，火焰中心位置也會改變，從而引起汽溫變化。（4）配風工況的改變在總風量不便的情況下，由于配風工況不同，也會造成火焰中心位置的變化而使汽溫發(fā)生變化。當送風和引風配合不當而造成爐膛負壓變化使火焰中心位置變化時，也會造成汽溫變化。圖3-2表示煙氣熱量Qy階躍變化時過熱汽溫的反應曲線，其特點是：有遲延、有慣性、有自平衡能力。煙氣熱量擾動（煙氣溫度和流速產生變化）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，所以汽溫反應較快，其時間常數c和遲延均比其他擾動小。其遲延時間與

42、煙氣側的擾動原因以及鍋爐的運行工況有關。圖3-2 煙氣熱量擾動下過熱汽溫的階躍響應曲線由于煙氣側的擾動是沿過熱器及再熱器整個管段長度使煙氣傳熱量同時變化的，所以汽溫變化反應較快，因此可以利用煙氣側的擾動來作為調節(jié)汽溫的手段，例如可以采用煙氣再循環(huán)和改變噴燃器角度等?，F場當中是通過改變煙氣溫度（例如改變噴燃器角度或改變噴燃器投入的個數）或改變煙氣流量來求取汽溫響應曲線的。3.5.3工質側擾動下的過熱汽溫動態(tài)特性工質側擾動除蒸汽負荷擾動外還包括以下幾個方面：（1）給水溫度的變化在具有給水母管的系統(tǒng)中，給水溫度一般不會變動很大。但對于單元機組來說，如果壓加熱器不能投入運行，給水溫度可能比額定值低50

43、120，而給水溫度的降低將增加給水進入鍋爐后水加熱階段的吸熱量。如果燃料量不便，則會降低蒸發(fā)量，因為過熱器所吸收的熱量基本不變，所以在過熱器中每公斤蒸汽所吸收的熱量增加，使汽溫升高。如果要恢復蒸發(fā)量以滿足汽機的需要，必須增加燃料，結果同樣使汽溫升高。對于單元機組，給水溫度是隨著機組的出力而變化的。當機組出力降低時，由于抽氣壓力隨之降低，使用于加熱器加熱給水的蒸汽減少，因此它對過熱汽溫的變化起到一定的自補償作用，但由于管道系統(tǒng)很長，其遲延較大。（2）飽和蒸汽含濕量的變化過熱器入口蒸汽（即飽和蒸汽）的焓值決定于蒸汽壓力及其含濕量，飽和蒸汽含濕量越大，蒸汽焓值越小。在正常情況下，進入過熱器的飽和蒸汽

44、含濕量一般變化很小，飽和蒸汽的濕度一般保持不變。（3）減溫水流量的變化當減溫水流量擾動時，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，其階躍響應曲線如圖3-3所示。從圖3-3中可看出，其特點也是有遲延、有慣性、有自平衡能力的。但是由于現代大型鍋爐的過熱器管道很長，因而當減溫水流量擾動時，汽溫反應較慢。對于一般高、中壓鍋爐，當減溫水流量擾動時，汽溫的遲延時間30-60s，時間常數c100s，而當煙氣側擾動時10-20s，c100s。圖3-3 減溫水擾動下過熱汽溫的階躍響應曲線可見，當負荷擾動或煙氣熱量擾動時，汽溫的反應較快；而減溫水量擾動時，汽溫的反應較慢。因而從過熱汽溫控制對象動態(tài)特

45、性的角度考慮，改變煙氣側參數（改變煙溫或煙氣流量）的控制手段是比較理想的（因為負荷信號由用戶決定，不能作為控制量），但具體實現較困難，所以一般很少采用。噴水減溫對過熱器的安全運行比較有利，所以盡管對象的特性不太理想，但還是目前廣泛被采用的過熱蒸汽溫度控制方法。采用噴水減溫時，由于對象控制通道有較大的遲延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。針對過熱汽溫的控制對象控制通道慣性遲延大、被調量信號反饋慢的特點，應該從對象的控制通道中找出了一個比被調量反應快的中間點信號作為調節(jié)器的補充反饋信號，以改善對象控制通道的動態(tài)特性，提高控制系統(tǒng)的質量。目前

46、采用的過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)主要有串級控制系統(tǒng)和采用導前汽溫微分信號的雙回路汽溫控制系統(tǒng)。4 過熱汽溫控制系統(tǒng)的典型方案在主要的擾動(減溫水量)作用下，過熱汽溫對象的動態(tài)特性對于蒸汽流量的擾動和煙氣側的擾動，過熱汽溫對象的動態(tài)特性雖然較好，但兩者之中或者不宜作為汽溫的調節(jié)手段，或者會使鍋爐結構復雜，盡管減溫水擾動時對象的動態(tài)特性不夠理想，但由于結構簡單，且對過熱器的安全比較有利，因此，目前大多仍采用噴水式減溫器來調節(jié)汽溫，它是利用減溫水直接噴入過熱蒸汽中進行減溫的。當減溫水量發(fā)生擾動時，雖然減溫器處汽溫已產生變化，但要經過較長的過熱器管道才能影響到出口汽溫的變化，使汽溫反應的遲延很大。而且減溫器

47、離過熱器出口較遠，則對象調節(jié)通道的遲延和慣性愈大。因此，調節(jié)汽溫的最有效的方法是在過熱器出口處直接進行噴水減溫，但這又對過熱器和汽輪機的安全運行不利。為此噴水式減溫器通常裝在過熱器高溫段的前面，這樣既保護了過熱器的高溫段，又使對象的遲延能減小些。但是，遲延時間仍較大，一般約為3060s。采用噴水減溫方式調節(jié)過熱汽溫時，汽溫調節(jié)對象的遲延較大。如果只根據汽溫的偏差大小來改變減溫水量，勢必使調節(jié)的時間加長，動態(tài)偏差增大。為了提高調節(jié)品質，通常在減溫器后選取一個輔助溫度信號，該信號能比出口汽溫提前反應減溫水量的擾動，稱為“超前信號”。目前，鍋爐普遍采用過熱汽溫串級自動控制系統(tǒng)和帶有導前微分信號的雙信

48、號控制系統(tǒng)。4.1 汽溫串級控制系統(tǒng)及其分析整定4.1.1汽溫串級控制系統(tǒng)原理串級過熱汽溫自動控制系統(tǒng)以過熱汽溫2為被調量，根據噴水減溫器出口溫度1調節(jié)減溫水量，其系統(tǒng)結構圖4-1如下： 噴水減溫器出口溫度1可以快速反應對過熱汽溫的擾動，只要1變化，就可以通過副調器PI1調節(jié)減溫水量，維持1在一定范圍以內，從而使過熱汽溫2基本不變，提高控制品質。圖中，PI2主調節(jié)器:維持過熱汽溫2等于其給定值。PI1副調節(jié)器:根據1和主調節(jié)器PI2。輸出信號的變化調節(jié)減溫水量。 圖4-1對應的汽包鍋爐串級過熱汽溫自動控制系統(tǒng)的原理方框圖如圖4-2 所示： 圖4-1 串級過熱汽溫自動控制系統(tǒng)結構圖 圖4-2 串

49、級過熱汽溫自動控制系統(tǒng)原理方框圖系統(tǒng)的組成：內回路：導前區(qū)傳遞函數W1(s)、溫度變送器、副調節(jié)器WT1(s)、執(zhí)行器比例系數KZ、噴水調節(jié)閥比例系數K。主回路：惰性區(qū)傳遞函數W2(s)、溫度變送器 、主調節(jié)器WT2(s)、內回路。4.1.2 汽溫串級控制系統(tǒng)的內回路的分析整定圖4-3 內回路原理方框圖對于內回路可以看作由被控對象和廣義調節(jié)器組成的單回路控制系統(tǒng)進行整定，廣義調節(jié)器的傳遞函數為： (4-1) 因此廣義調節(jié)器是一個比例作用調節(jié)器，其等效比例帶為： (4-2) 通過減溫水量WB的階躍擾動試驗，可以得到導前區(qū)汽溫1的階躍響應曲線如圖4-4所示： 圖4-4 減溫水量的階躍擾動下汽溫1的

50、階躍響應曲線根據以上階躍響應曲線，由單回路控制系統(tǒng)的整定方法，可以得到比例調節(jié)器等效比例帶 的計算公式如下： (4-3) 因此副調節(jié)器WT1(s)的比例帶為： (4-4)4.1.3 汽溫串級控制系統(tǒng)的主回路的分析整定主回路原理方框圖如下： 圖4-5 主回路原理方框圖如果主調節(jié)器為PID調節(jié)器，其傳遞函數為： (4-5)忽略導前區(qū)的慣性和遲延，則簡化后導前區(qū)傳遞函數為： (4-6)此時主回路原理方框圖可以簡化為圖4-6，其中對應的主回路廣義調節(jié)器的傳遞函數為 (4-7) 圖4-6主回路原理方框圖簡化圖則主回路廣義調節(jié)器的等效比例帶為： (4-8)此時主回路廣義調節(jié)器中各參數可以通過試驗得到的等效

51、被控對象W0(s)的輸出端過熱汽溫2在減溫水量WB擾動下的階躍響應曲線，按單回路控制系統(tǒng)整定方法進行計算： (4-9)因此主調節(jié)器WT2(s)的各參數為： (4-10)4.2 汽溫串級控制系統(tǒng)的工程整定方法及仿真 4.2.1 串級控制系統(tǒng)的工程方法串級控制系統(tǒng)中主副兩個回路是彼此相互影響的，副控制器的整定對主控制器的影響一目了然，因為副回路的特性本身就是主回路廣義對象的一個組成部分。由于主控制器的輸出本身就是副回路的設定值，所以對副回路的響應有影響。如果主回路的工作頻率相差很大，則對副回路而言在它的控制過程中可以近似認為主回路還沒有來得及反應，可以忽略主回路的副回路的影響，則控制器參數整定可以按由內而外的原則，分別獨立按單回路系統(tǒng)控制器的參數整定方法整定。如果必須考慮主副回路之間的影響，則實驗中通?？梢圆捎萌N方法:逐次逼近法和兩步法。逐次逼近法：這是一種主副回路反復調試以逐步接近最優(yōu)的方法，其過程主要有如下4個步驟：主回路開環(huán)，按單回路方法，整定副控制器，記為Wc2(s);主回路閉環(huán)，在已經按Wc2(s)整定的副控制器下整定主控制器，記為Wc1(s)在主回路閉環(huán)的條件下，重新整定副控制器參數，記為Wc2(s)在副控制器為Wc2(s) 的基礎上，在重新整定主控制器，記為Wc1(s).這4個步驟按順序循環(huán)往復，直至滿意為止，但這種方法費時費力，在實際中很少使用。兩步法