發(fā)電廠鍋爐過(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)

1、i尊本科生課程設(shè)計(jì)（論文）遼寧工業(yè)大學(xué)過(guò)程控制課程設(shè)計(jì)（論文）題目： 發(fā)電廠鍋爐過(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)院（系）：電氣工程學(xué)院專(zhuān)業(yè)班級(jí)：自動(dòng)化093學(xué) 號(hào)： 090302075學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師： （簽字）起止時(shí)間：課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評(píng)語(yǔ)院（系）：電氣工程學(xué)院教研室：號(hào) 學(xué)豐亠課程設(shè)計(jì)論文任務(wù)、 匕匕 厶冃 功 的 成 完 題 mK 1進(jìn)度計(jì)劃指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)及成績(jī)?nèi)?竹 月 WI年 指辯昔:軌 時(shí) 成 平 總注：成績(jī)：平時(shí)20% 論文質(zhì)量60% 答辯20%以百分制計(jì)算本科生課程設(shè)計(jì)（論文）本文是針對(duì)鍋爐過(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行的分析和設(shè)計(jì)，而對(duì)鍋爐過(guò)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(jì)采用串級(jí)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(gè)較為 良好的狀態(tài)下工作，同時(shí)鍋爐過(guò)熱器出口蒸汽溫度在允許的范圍內(nèi)變化，并保護(hù) 過(guò)熱器管壁溫度不超過(guò)允許的工作溫度。在本設(shè)計(jì)用到串級(jí)控制系統(tǒng)中，主對(duì)象為送入負(fù)荷設(shè)備的出口溫度，副對(duì)象 為減溫器和過(guò)熱器之間的蒸汽溫度。通過(guò)控制減溫水的流量來(lái)實(shí)現(xiàn)控制過(guò)熱蒸汽 溫度的目的關(guān)鍵詞：串級(jí)控制系統(tǒng)；過(guò)熱蒸汽溫度；溫度控制；本科生課程設(shè)計(jì)（論文）目錄第1章緒論 1第2章生產(chǎn)工藝概述 22.2過(guò)熱器的介紹 32.3過(guò)熱蒸汽溫度控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性 4第3章過(guò)熱蒸汽溫度控制原理簡(jiǎn)介 103.1簡(jiǎn)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(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的條件 113.4串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 13第4章過(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 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(jí)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(jì)（論文）第1章緒論蒸汽溫度是鍋爐

4、安全 高效 經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的主要參數(shù)，因此對(duì)蒸汽溫度控制要求 嚴(yán)格。過(guò)高的蒸汽溫度會(huì)造成過(guò)熱器，蒸汽管道及汽輪機(jī)因過(guò)大的熱應(yīng)力變形而 毀壞；蒸汽溫度過(guò)低，又會(huì)引起熱效率降低，影響經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。鍋爐控制現(xiàn)場(chǎng)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(jī)，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(jì)的主要考慮部分是鍋爐蒸汽溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。蒸汽過(guò)熱系統(tǒng)包括一級(jí)過(guò)熱器、減溫器、二級(jí)過(guò)熱器。鍋爐汽溫控制系統(tǒng)主要包括過(guò)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(duì)機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì) 運(yùn)行時(shí)非常重要的。過(guò)熱蒸汽溫度控制的任務(wù)是維持過(guò)熱器出口溫度在允許的范 圍之內(nèi)，并保

5、護(hù)過(guò)熱器，使其管壁溫度不超允許的工作溫度。過(guò)熱蒸汽溫度是鍋爐汽水系統(tǒng)中的溫度的最高點(diǎn)，過(guò)熱蒸汽溫度過(guò)高或是過(guò) 低，對(duì)鍋爐運(yùn)行及蒸汽設(shè)備是不利的。蒸汽溫度過(guò)高會(huì)使過(guò)熱器管壁金屬?gòu)?qiáng)度下 降，以至燒壞過(guò)熱器的高溫段，嚴(yán)重影響安全。一般規(guī)定過(guò)熱器的溫度與規(guī)定值 的暫時(shí)偏差不超過(guò)+-10攝氏度，長(zhǎng)期偏差不超過(guò)+-5攝氏度。如果過(guò)熱蒸汽溫度偏低，則會(huì)降低電廠的工作效率，同時(shí)使汽輪機(jī)后幾級(jí)的 蒸汽濕度增加，引起葉片磨損。據(jù)估計(jì)，溫度每降低5攝氏度，熱經(jīng)濟(jì)性將下降約1%;且汽溫偏低會(huì)使汽輪機(jī)尾部蒸汽溫度升高，甚至使之帶水，嚴(yán)重影響汽 輪機(jī)的安全運(yùn)行。一般規(guī)定過(guò)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(guò)熱汽溫在 540攝氏度的范圍內(nèi)。由于汽溫對(duì)象的復(fù)雜性，給汽溫控制帶來(lái)許多的困難，其主要難點(diǎn)表現(xiàn)在以 下兩個(gè)方面：1由于過(guò)熱器是一個(gè)多容且延遲較大的慣性環(huán)節(jié)，設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(guò)剩空氣系數(shù)和溫度等都可能引起汽溫變化。2隨著機(jī)組容量和參數(shù)的增加，蒸汽的過(guò)熱受熱面的比例加大，使其延遲和 慣性更大，從而進(jìn)一步加大了汽溫控制的難度。1本科生課程設(shè)計(jì)（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(guò)程工業(yè)中必不可少的動(dòng)力設(shè)備。它所產(chǎn)生的蒸汽不僅可提供生產(chǎn)過(guò) 程作為熱源，而且還可以作為蒸汽透平的動(dòng)力源。

7、在熱電廠中按鍋爐設(shè)備所使用 的燃料的種類(lèi)、燃燒設(shè)備、鍋體形式、鍋爐功能和運(yùn)行要求的不同，鍋爐生產(chǎn)有 各種不同的流程。常見(jiàn)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(jìn)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(guò)過(guò)熱器成一定氣溫的過(guò)熱蒸汽 D,匯集至蒸汽母管。壓力 為Pm的過(guò)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(shí)，燃燒過(guò)程中 產(chǎn)生煙氣，將飽和的蒸汽變成過(guò)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(jī)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(shí)要使鍋爐在安全、經(jīng)濟(jì)的條件下運(yùn)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(jì)性和鍋爐 的安全運(yùn)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(guò)熱蒸汽系統(tǒng)控制：主要使過(guò)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(guò)工藝允許范圍；d）鍋爐水處理過(guò)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(jì)（論文）

9、圖1.1鍋爐設(shè)備主要工藝流程2.2過(guò)熱器的介紹過(guò)熱器定義：鍋爐中將蒸汽從飽和溫度進(jìn)一步加熱至過(guò)熱溫度的部件。過(guò)熱 器概述：過(guò)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(jià)等因素，對(duì)電站鍋爐來(lái)說(shuō)，低壓鍋爐的溫度一般為350375攝氏度，過(guò)熱器前布置有大量對(duì)蒸汽管束，進(jìn)入過(guò)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(guò)熱汽溫為450攝氏度，這時(shí)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(guò)熱熱量增大很多，而蒸發(fā)熱減少，當(dāng)有中間再過(guò)熱時(shí)，情況更為突出，這時(shí) 必須把一部分過(guò)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(guò)熱蒸汽溫度，否則蒸汽在汽輪機(jī)膨脹終了的濕度就會(huì)過(guò)高，影響 汽輪機(jī)的安全。但蒸汽溫度的增高需受到過(guò)熱器剛才高濕強(qiáng)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(jī)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(jī)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(jī)組采用中間再熱時(shí)，理論上可使循環(huán)經(jīng)濟(jì)性相對(duì)提高68%在實(shí)際設(shè)備中，由 3本科生課程設(shè)計(jì)（論文）于有壓降損失，熱經(jīng)濟(jì)性的提高比理論值稍低。由于過(guò)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(shí)還要用奧氏體鉻鎳不銹鋼。鍋爐運(yùn)行中如果管子承受的溫度超過(guò)材料的持久強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度或表面氧化所容許的溫度限值，則會(huì)發(fā)生管子爆 裂等事故。2.3過(guò)熱蒸汽溫度控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性過(guò)熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性是指引起過(guò)熱汽溫變化的擾動(dòng)與汽溫 之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。引起過(guò)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(jìn)入過(guò)熱器的蒸汽溫度變化、流經(jīng)過(guò)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(lái)，過(guò)熱汽溫調(diào)節(jié)對(duì)象的擾動(dòng)主要來(lái)自

12、三個(gè)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(guò)熱器入口汽溫變 化）。通過(guò)對(duì)過(guò)熱汽溫調(diào)節(jié)對(duì)象作階躍擾動(dòng)試驗(yàn)，可得到在不同擾動(dòng)作用下的對(duì)象 動(dòng)態(tài)特性。1蒸汽流量擾動(dòng)下過(guò)熱汽溫對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性引起蒸汽流量擾動(dòng)的原因有兩個(gè)：一是蒸汽母管的壓力變化：二是汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度變化。結(jié)構(gòu)形式不 同的過(guò)熱器，在相同蒸汽流量的擾動(dòng)下，汽溫變化的特性是不一樣的。當(dāng)鍋爐負(fù) 荷擾動(dòng)時(shí)，蒸汽流量的變化使沿整個(gè)過(guò)熱器管路長(zhǎng)度上各點(diǎn)的蒸汽流速幾乎同時(shí) 改變，從而改變過(guò)熱器的對(duì)流放熱系數(shù)，使沿整個(gè)過(guò)熱器各點(diǎn)的蒸汽溫度幾乎同 時(shí)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(dòng)時(shí)被控對(duì)象的放大系數(shù);T一負(fù)荷擾動(dòng)后對(duì)象的滯后時(shí)間；TD兇象的時(shí)間常數(shù)。從階躍響應(yīng)曲線可知，其特點(diǎn)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(shí)間常數(shù)TD和滯后時(shí)間T都比較小，且T幾較小。動(dòng)態(tài)特性曲線如圖2圖2鍋爐負(fù)荷擾動(dòng)下過(guò)熱器出口汽溫的階躍響應(yīng)曲線2煙氣熱量擾動(dòng)下過(guò)熱汽溫對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性煙氣傳熱量擾動(dòng)引起的原因很多，如給粉機(jī)給粉不均勻、煤中水分改變、蒸 發(fā)受熱面結(jié)渣、過(guò)?？諝庀禂?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(dòng)（煙氣溫度和流速產(chǎn)生變化）時(shí)，由于煙氣流速和溫度的變化 也是沿整個(gè)過(guò)熱器同時(shí)改變

14、的，因而沿過(guò)熱器整個(gè)長(zhǎng)度使煙氣傳遞熱量也同時(shí)變 化，所以汽溫反應(yīng)較快，時(shí)間常數(shù)和延遲均比其它擾動(dòng)小。和蒸汽流量擾動(dòng)的影 響類(lèi)似，煙氣熱量的擾動(dòng)也幾乎同時(shí)影響過(guò)熱器管道長(zhǎng)度方向各處的蒸汽溫度， 故它是一個(gè)具有自平衡能力、滯后和慣性都不大的對(duì)象，其傳遞函數(shù)可表示為一 個(gè)二階系統(tǒng)，即：G(S) =2(S)11 + 吋 + 3式中：0。為煙氣溫度但對(duì)象特征總的特點(diǎn)是：有遲延，有慣性，有自平衡能力，其動(dòng)態(tài)特性曲 線如圖3所示。5本科生課程設(shè)計(jì)（論文）圖3煙氣熱量擾動(dòng)下過(guò)熱汽溫的階躍響應(yīng)曲線2過(guò)熱蒸汽控制系統(tǒng)的控制策略的設(shè)計(jì)3減溫水量擾動(dòng)下過(guò)熱汽溫對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性常見(jiàn)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(jí)過(guò)熱器高溫段前面，一方面保護(hù)了過(guò)熱器高溫段；另一方面 又改善了調(diào)節(jié)性能。這種過(guò)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(shí)間能減小1/4。當(dāng)減溫水流量擾動(dòng)時(shí)，改變了高溫過(guò)熱器入口汽溫，從而 影響了過(guò)熱器出口汽溫。在噴水減溫過(guò)熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，噴水量擾動(dòng)是系 統(tǒng)的基本擾動(dòng)。從噴水減溫的工藝過(guò)程可知，以噴水量為輸入，過(guò)熱蒸汽溫度為 輸出，對(duì)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(duì)象串 聯(lián)組成的多容對(duì)象，噴水量的變化必須通過(guò)這些單容對(duì)象，才能影響到過(guò)熱器出 口蒸汽溫度。由于大型鍋爐的過(guò)熱器管路很長(zhǎng)，減溫水流量擾動(dòng)時(shí)，汽溫的反應(yīng)

16、 是較慢的。因此，與蒸汽量擾動(dòng)和煙氣傳熱量擾動(dòng)的情況相比，減溫水流量擾動(dòng) 時(shí)，汽溫的反應(yīng)比較慢，對(duì)象具有大得多的慣性和延遲，這是此對(duì)象難以控制的 原因。其動(dòng)態(tài)特性曲線如圖4所示。從圖中可以看出，其特點(diǎn)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(guò)熱器管路很長(zhǎng)，因而當(dāng)減溫水流量 擾動(dòng)時(shí)，汽溫反應(yīng)較慢。對(duì)于一般高、中壓鍋爐，當(dāng)減溫水流量擾動(dòng)時(shí)，汽溫的遲延時(shí)間r=30-60s，6本科生課程設(shè)計(jì)（論文）7本科生課程設(shè)計(jì)（論文）時(shí)間常數(shù)To 100s,而當(dāng)煙氣側(cè)擾動(dòng)時(shí)f1020s, ZvIOOs#本科生課程設(shè)計(jì)（論文）#本科生課程設(shè)計(jì)（論文）圖4減溫水?dāng)_動(dòng)下過(guò)熱器出IZI汽溫的階躍響應(yīng)曲

17、線由圖可見(jiàn)，在減溫水流量擾動(dòng)下，減溫器出口過(guò)熱汽溫 0 I的響應(yīng)比過(guò)熱器出 121汽溫0 2快得多，可以肯定，在噴水減溫過(guò)熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，以 0I作為 導(dǎo)前信號(hào)構(gòu)成串級(jí)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(dòng)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(dòng)下導(dǎo)前汽溫的放大系數(shù)；TI 一為減溫水流量擾動(dòng)下導(dǎo)前汽溫對(duì)象的時(shí)間常數(shù); n1階數(shù)；在減溫水流量擾動(dòng)下，過(guò)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(dòng)下過(guò)熱蒸汽溫度的放大系數(shù); To_為減溫水流量擾動(dòng)下過(guò)熱蒸汽溫度的時(shí)間常數(shù);nor

18、階數(shù)：對(duì)象惰性區(qū)的傳遞函數(shù)可表示為：2過(guò)熱蒸汽控制系統(tǒng)的控制策略的設(shè)計(jì)G2（s）=&2（S）二 Kj石而_（1十式中：K2-減溫水流量擾動(dòng)下惰性區(qū)溫度的放大系數(shù)；T2-為減溫水流量擾動(dòng)下惰性區(qū)溫度的時(shí)間常數(shù)；112- 一階數(shù)；由于惰性區(qū)的傳遞函數(shù)無(wú)法直接通過(guò)實(shí)驗(yàn)求出，所以可由實(shí)驗(yàn)得到的Tl、111和硒、T o、no來(lái)求取，計(jì)算公式如下：Kl、Ko(S)K】(S)厲2 -佔(zhàn)2g2（s）=02 (S)q(S)0(l + NS 產(chǎn)總的來(lái)說(shuō)，根據(jù)對(duì)過(guò)熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)對(duì)象做階躍擾動(dòng)試驗(yàn)得出的動(dòng)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(dòng)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(jì)（論文

19、）第3章過(guò)熱蒸汽溫度控制原理簡(jiǎn)介過(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)采用兩級(jí)噴水減溫，這樣做的目的有兩個(gè)，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(hù)過(guò)熱器。第一級(jí)噴水減溫器布置 在前屏過(guò)熱器之后，調(diào)節(jié)量較大且調(diào)節(jié)惰性大，用來(lái)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(hù)屏式過(guò)熱器和對(duì)流過(guò)熱 器受熱面的作用。第二級(jí)噴水減溫器布置在高溫對(duì)流過(guò)熱器 （末級(jí)過(guò)熱器）之前, 這一級(jí)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(jí)安裝 兩只，每只噴水量為每級(jí)噴水量的一半。減溫水源為自制冷凝水。目前，過(guò)熱汽 溫的控制方案很多，而且隨著自動(dòng)控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)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：?jiǎn)位芈房刂葡到y(tǒng)和串級(jí)氣溫控制系統(tǒng)。3.1簡(jiǎn)單蒸汽溫度控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單回路控制蒸汽溫度系統(tǒng)主要由調(diào)節(jié)器和控制對(duì)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(duì)象的特征參數(shù)和調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)參數(shù)對(duì)控 制質(zhì)量的影響是非常必要的。對(duì)象動(dòng)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(duì)象動(dòng)態(tài)特性和生產(chǎn)過(guò)程對(duì)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(xiàng)重要工作。當(dāng)然控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jiǎn)單過(guò)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(duì)象一一過(guò)熱器管道，執(zhí)行機(jī)構(gòu)一一氣動(dòng)噴水閥 門(mén)（執(zhí)行器），檢測(cè)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(cè)量值）蒸汽溫度，調(diào)節(jié)量（控制信號(hào)卜噴 水流量，干擾信號(hào)一一爐膛燃燒工況。簡(jiǎn)單蒸汽溫度控制系統(tǒng)原理方框圖如圖 6所示圖6簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)原理方框圖2過(guò)熱蒸汽控制系統(tǒng)的控制策略的設(shè)計(jì)當(dāng)蒸汽溫度的測(cè)量值等于設(shè)定值時(shí)，噴水閥門(mén)不動(dòng)，則系統(tǒng)處在動(dòng)態(tài)平衡狀 態(tài)，此時(shí)，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(cè)量值產(chǎn)生 偏差，則偏差信號(hào)經(jīng)過(guò)控制器的方向判斷及數(shù)學(xué)運(yùn)算后，產(chǎn)生控制信號(hào)使噴水閥 門(mén)開(kāi)大，則減溫水流量增大

22、。測(cè)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(jiǎn)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(jī)組越來(lái)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(shí)變性、非線性等特點(diǎn)顯得更加突出，對(duì)于這些復(fù)雜較難控制的 過(guò)程，控制質(zhì)量要求很?chē)?yán)的參數(shù)，簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)就無(wú)能為力了。因此，需要改進(jìn) 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(jí)控制、前饋控制和多變量解耦等控制，其中最普遍的是串 級(jí)控制系統(tǒng)。3.3米用串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的條件串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)需滿足如下兩個(gè)條件：（1）控制對(duì)象可以分段。如圖

23、7所示的對(duì)象，在物理上可分為兩段，兩段的傳12本科生課程設(shè)計(jì)(論文)遞函數(shù)分別為Wol(S),和W02(S),整個(gè)對(duì)象的傳遞函數(shù)為 W(S)=WoKS)W02(S) 其中Wol(S)稱作對(duì)象的導(dǎo)前區(qū)，W02(S)稱為對(duì)象惰性區(qū).r I11!11L6 2 .J g Qi,(F1p): R1申I 十i IiiI圖7串級(jí)系統(tǒng)控制對(duì)象方框圖 中間信號(hào)可測(cè)。在圖7中，中間信號(hào)02必須是可以測(cè)量的。0l為被調(diào)量，一般為系統(tǒng)的給定值，火電廠過(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)符合這兩個(gè)條件。2.串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的分析根據(jù)在減溫水量擾動(dòng)時(shí)，過(guò)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(jí)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(hào)反饋到調(diào)節(jié)器，由調(diào)節(jié)器直接去控制閥門(mén)開(kāi)度 )的基礎(chǔ)上增加一個(gè)對(duì)減溫水流 量變化反應(yīng)快的中間溫度信號(hào)02作為導(dǎo)前信號(hào)，增加一個(gè)副調(diào)節(jié)器，如圖 8所示 的串級(jí)控制信號(hào)系統(tǒng)。副調(diào)節(jié)器根據(jù) 02信號(hào)控制減溫水閥，如果有某種擾動(dòng)，蒸 汽溫度02比0 l提早反映，使擾動(dòng)引起的02波動(dòng)很快消除，從而使過(guò)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(jí)控制結(jié)構(gòu)框圖根據(jù)在減溫水量W擾動(dòng)時(shí)，過(guò)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(guò)熱蒸汽溫度響應(yīng)快得多，且它的變化又可以預(yù)測(cè)過(guò)熱蒸汽溫度 的變化趨勢(shì)，有明顯的導(dǎo)前作用，故可引入以0 2信號(hào)為導(dǎo)前信號(hào)。以0l為被控量信號(hào)的串級(jí)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的原理框圖如圖9所示。系統(tǒng)中有主、副兩個(gè)調(diào)節(jié)器，主調(diào)節(jié)器WTI(S)接受過(guò)熱蒸汽溫度信號(hào)0 I，用于維持過(guò)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(hào)和減溫器出口溫度信號(hào) 0 2， 副調(diào)節(jié)器的輸出控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)Kz的大小，從而控制減溫水調(diào)節(jié)閥門(mén)的開(kāi)度。從兩 圖中可以以看出：串級(jí)過(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)由內(nèi)、外兩個(gè)閉合的控制回路構(gòu)成。內(nèi)回路由對(duì)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(duì)象的惰性區(qū)【W(wǎng)oI(S)，過(guò)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(guò)熱蒸汽控制系統(tǒng)的控制策略的設(shè)計(jì)圖9串級(jí)過(guò)熱汽溫控制系統(tǒng)原理方框圖3.4串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)串級(jí)控制系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)(1) 串級(jí)控制系統(tǒng)具有很強(qiáng)的克服內(nèi)擾的能力系統(tǒng)的開(kāi)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(qiáng)，副調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)整定的越大，這個(gè)優(yōu) 點(diǎn)越顯著。(2) 串級(jí)控制系統(tǒng)可以減小副回路的時(shí)間常數(shù)，改善對(duì)象動(dòng)態(tài)特性，提高系統(tǒng) 的工作頻率，當(dāng)主、副對(duì)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(shí)， 串級(jí)控制系統(tǒng)由于改善了對(duì)象的特性，從而使整個(gè)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(duì)象特性一定時(shí)，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(shí)，上述特點(diǎn)也是適用的。這一特 點(diǎn)說(shuō)明即使在外擾作用下，由于副回路減小了對(duì)象的時(shí)間常數(shù)，使整個(gè)系統(tǒng)的工 頻得以提高，因此仍能改善整個(gè)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的品質(zhì)。串級(jí)控制系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)能力，串級(jí)控制系統(tǒng)主回路是一個(gè)定值系 14本科生課程設(shè)計(jì)（論文）統(tǒng)，其副回路是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，它的定值是主調(diào)節(jié)器的輸出，是一個(gè)隨機(jī)變化的 量，主調(diào)節(jié)器按照被控對(duì)象的特性和擾動(dòng)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(shí)間常數(shù)縮短能很快克服擾動(dòng)，改善動(dòng)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(méi)有這種隨動(dòng)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(lái)，串級(jí)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(jí)控制系統(tǒng)主副回路確定串級(jí)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(jí)控制系統(tǒng)的上述優(yōu) 點(diǎn)，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，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(guò)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(dòng)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(duì)主參數(shù)的影響，提高系統(tǒng)的抗干擾能力；主、 副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)應(yīng)適當(dāng)匹配，串級(jí)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(duì)象的時(shí)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(duì)象之間的動(dòng)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(gè)先振蕩，必將引起另一個(gè)也振蕩，這樣，兩個(gè)參數(shù)互相促進(jìn)，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(shí)在對(duì)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(jí)控制方式時(shí)，主、副調(diào)節(jié)器均可采用比例控制。 要求主參數(shù)波動(dòng)范圍很小，且不允許有余差 （穩(wěn)

30、態(tài)誤差），此時(shí)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(jí)控制系統(tǒng)中，兩個(gè)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(gè)控制過(guò)程兩個(gè)調(diào)節(jié)器協(xié)調(diào)一致，互相配合，若干擾來(lái) 自副回路，副調(diào)節(jié)器首先進(jìn)行粗調(diào)，主調(diào)節(jié)器再進(jìn)一步進(jìn)行細(xì)調(diào)。相對(duì)于過(guò)于簡(jiǎn) 單的單回路控制系統(tǒng)，串級(jí)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(méi)減少了控制對(duì)象的時(shí)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(gè)系統(tǒng)的工作頻率，使振蕩周期明顯縮短，調(diào)節(jié)時(shí) 間也有一定程度上的縮短，系統(tǒng)的快速性相對(duì)增強(qiáng)了；3整個(gè)控制系統(tǒng)對(duì)二次干擾即包括在副回路范圍內(nèi)的

31、擾動(dòng)具有很強(qiáng)的克服能 力，這是單回路控制系統(tǒng)所不能實(shí)現(xiàn)的；4對(duì)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(jí)控制系統(tǒng)更適應(yīng)鍋爐蒸汽溫度的控制。第4章 過(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jí)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(duì)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(qiáng)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(dòng)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(jì)時(shí)，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(dòng)。同時(shí)要求主、副對(duì)象的時(shí) 間常數(shù)應(yīng)適當(dāng)匹配。且應(yīng)保證副變量的選擇能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工藝上的合理性，可 能性和經(jīng)濟(jì)性。終上所述，應(yīng)該選擇減溫器和過(guò)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(dòng)變量時(shí)工業(yè)過(guò)程的兩大輸入變量。其中，干擾時(shí)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(yùn)行的因素，選擇操縱變量的基本原則為：1選擇對(duì)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(jì)（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(jī)構(gòu)，是按照調(diào)節(jié)器所給定的信號(hào)大 小和方向，改變閥門(mén)的開(kāi)度，來(lái)實(shí)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(guò)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(gè)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(kāi)度應(yīng)處于15%85之間，具體應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要的流

34、通能力大大小進(jìn)行選擇。調(diào)節(jié)閥按驅(qū)動(dòng)方式可分為：氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和液動(dòng)調(diào)節(jié)，即以 壓縮空氣為動(dòng)力源的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，以電動(dòng)力源的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，以液體介質(zhì)壓力 為動(dòng)力的電液動(dòng)調(diào)節(jié)閥；由于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)有防爆要求，所以應(yīng)選擇氣動(dòng)執(zhí)行器。此設(shè)計(jì)中的串級(jí)控制系統(tǒng)主要是通過(guò)換熱來(lái)達(dá)到控制目的，過(guò)熱蒸汽在過(guò) 熱器內(nèi)與減溫水進(jìn)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(lái)控制減溫水的水量，在氣源中斷時(shí)，調(diào)節(jié)閥應(yīng)處于開(kāi)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(dòng)和氣動(dòng)，常用的控制儀表有電動(dòng)II型、III型。在串級(jí)系統(tǒng)中，選用的儀表不同，具

35、體的實(shí)施方案也不同。電動(dòng)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(hào)而言是存在差異的。具體變現(xiàn)在：電動(dòng)II型的典型控制信號(hào)為010mAD動(dòng)III 型的典型控制信號(hào)是420mADC另外，與II型儀表相比 操作、維護(hù)更為方便簡(jiǎn) 捷，同時(shí)儀表還有較完善的跟蹤、保持電路，使得手動(dòng)切換更為方便，隨時(shí)都可 以進(jìn)行轉(zhuǎn)換，而且保證無(wú)干擾。綜上所述，在本設(shè)計(jì)中需選用電動(dòng)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(jì)中，最好選用熱電偶溫 度傳感器。原因在于熱電偶的測(cè)溫范圍廣，耐高溫，精度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(shì)測(cè)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(cè)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(dòng)勢(shì)較大，靈敏度高，穩(wěn)定性和均勻性好, 抗氧化性能強(qiáng)，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，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(duì)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(jí)控制 的生產(chǎn)過(guò)程，對(duì)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(duì)象惰性區(qū)的容積 數(shù)目較多，同時(shí)又有主要擾動(dòng)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(dòng)作以消除進(jìn)入副回路內(nèi)的擾動(dòng)，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)