熱工過(guò)程自動(dòng)控制 CH05-3 大型單元機(jī)組的生產(chǎn)過(guò)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(wèn)題的基本策略控制問(wèn)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(wèn)題的基本方法就是分解雜系統(tǒng)控制問(wèn)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(guò)高水位過(guò)高，會(huì)使蒸汽帶水，造成過(guò)熱器管內(nèi)結(jié)垢，會(huì)使蒸汽帶水，造成過(guò)熱器管內(nèi)結(jié)垢，影響傳熱效率，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起過(guò)熱管爆破，或影響傳熱效率，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起過(guò)熱管爆破，或者汽輪機(jī)進(jìn)水。者汽輪機(jī)進(jìn)水。水位過(guò)低，破壞鍋爐的水循環(huán)，造成水冷壁管燒水位過(guò)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(guò)熱汽溫和再熱汽

5、溫控制過(guò)熱汽溫和再熱汽溫控制大型鍋爐的過(guò)熱器是接近大型鍋爐的過(guò)熱器是接近過(guò)熱器金屬（耐高溫高壓過(guò)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(rùn)滑油溫度控制系輔助蒸汽控制系統(tǒng)；汽輪機(jī)潤(rùn)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(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)過(guò)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(duì)象的動(dòng)態(tài)特性一、汽包水位被控對(duì)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(duì)象的示意圖給水自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)被調(diào)對(duì)象的示意圖: :一、一、 被調(diào)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性被調(diào)對(duì)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(guò)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(guò)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(lái)分析；、僅僅從物質(zhì)平衡的角度來(lái)分析； 2 2、僅僅從熱平衡的角度來(lái)分析。、僅僅從熱平衡的角度來(lái)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(duì)曲線和曲線進(jìn)行線性疊加，對(duì)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(duì)象具有遲延、慣性和無(wú)自平衡在給水量擾動(dòng)下，被調(diào)對(duì)象具有遲延、慣性和無(wú)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(guò)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(guò)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(lái)分析僅僅從物質(zhì)平衡的角度來(lái)分析 2 2僅僅從熱平衡的角度來(lái)分析。僅僅從熱平衡的角度來(lái)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(kāi)始的一段時(shí)間內(nèi)，在開(kāi)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(lái)自于蒸汽量的變化，現(xiàn)象主要是

12、來(lái)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(duì)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(duì)調(diào)節(jié)系統(tǒng)而言），但它是一個(gè)可測(cè)量，所以在系統(tǒng)中引入這些擾動(dòng)信息來(lái)改善調(diào)節(jié)品質(zhì)一個(gè)可測(cè)量，所以在系統(tǒng)中引入這些擾動(dòng)信息來(lái)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(wú)自平衡能力無(wú)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(duì)象在給水量擾動(dòng)下，被調(diào)對(duì)象具有遲延、慣性和無(wú)自平衡能具有遲延、慣性和無(wú)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(kāi)始的一段時(shí)間內(nèi)，水位不但在開(kāi)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(wú)自平衡能力無(wú)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(wèn)題單沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)未能解決的問(wèn)題 （1）調(diào)節(jié)對(duì)象的內(nèi)擾動(dòng)態(tài)特性存在一定的延遲）調(diào)節(jié)對(duì)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(guò)一和慣性，當(dāng)給水流量變化時(shí)，汽包水位經(jīng)過(guò)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(duì)象在蒸汽負(fù)荷時(shí)，有）對(duì)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?。〝?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(lái)取，根據(jù)衰減率要求來(lái)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(guò)程的調(diào)節(jié)品質(zhì)節(jié)過(guò)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)