熱工過(guò)程自動(dòng)控制 CH05-2 大型單元機(jī)組的生產(chǎn)過(guò)程及其自動(dòng)控制

上節(jié)回顧12火電廠的系統(tǒng)構(gòu)成（1）汽水系統(tǒng)，由鍋爐、汽輪機(jī)、凝汽器、水泵、加熱器及其管路組成；（2）燃料、燃燒系統(tǒng)，包括：輸煤系統(tǒng)、制粉系統(tǒng)、煙風(fēng)系統(tǒng)和除灰除塵系統(tǒng)；（3）其它輔助熱力系統(tǒng)（4）電氣系統(tǒng)35.1.2單元機(jī)組的自動(dòng)控制系統(tǒng)組成4一、協(xié)調(diào)控制的基本概念從大系統(tǒng)理論出發(fā)，協(xié)調(diào)控制是一種解決大系統(tǒng)控制問(wèn)題的基本策略。所謂大系統(tǒng)可理解為由若干相互關(guān)聯(lián)子系統(tǒng)組成的復(fù)雜系統(tǒng)。應(yīng)用大系統(tǒng)理論處理這類龐大而復(fù)雜系統(tǒng)控制問(wèn)題的基本方法就是分解——協(xié)調(diào)的方法。所謂分解就是把大系統(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)解；而協(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)一，進(jìn)而得到整個(gè)大系統(tǒng)的最優(yōu)解。5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遞階的結(jié)構(gòu)。在這種遞階的結(jié)構(gòu)中，各子系統(tǒng)處于不同級(jí)別的層次中，并具有不同的職能。6

協(xié)調(diào)控制級(jí)上的協(xié)調(diào)控制器要對(duì)下一級(jí)中的若干個(gè)控制器進(jìn)行協(xié)調(diào)。協(xié)調(diào)的過(guò)程是一個(gè)多目標(biāo)決策的過(guò)程，也是一個(gè)全局優(yōu)化的過(guò)程。7二、單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)（CCS）

Coordinatedcontrolsystem單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)把鍋爐和汽輪發(fā)電機(jī)組作為一個(gè)整體進(jìn)行控制，采用了遞階控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，把自動(dòng)調(diào)節(jié)、邏輯控制、聯(lián)鎖保護(hù)等功能有機(jī)地結(jié)合在一起，構(gòu)成一種具有多種控制功能，滿足不同運(yùn)行方式和不同工況下控制要求的綜合控制系統(tǒng)。單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)充分利用了機(jī)爐對(duì)象特性方面的特點(diǎn)，采用了前饋、補(bǔ)償、多變量解耦等控制策略，使控制系統(tǒng)具有合理、可靠、易于維護(hù)調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)。8單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)框圖

95.1.3單元機(jī)組自動(dòng)控制系統(tǒng)中的協(xié)調(diào)控制級(jí)10單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)可認(rèn)為是一種二級(jí)遞階控制系統(tǒng)。處于上位級(jí)的機(jī)爐協(xié)調(diào)級(jí)，也叫作單元機(jī)組主控系統(tǒng)，是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分。處于局部控制級(jí)的子系統(tǒng)包括鍋爐燃料控制系統(tǒng)，風(fēng)量控制系統(tǒng)，汽輪機(jī)功率/頻率調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以及鍋爐的給水控制系統(tǒng)。單元機(jī)組主控系統(tǒng)產(chǎn)生指揮機(jī)爐控制器動(dòng)作的鍋爐指令和汽機(jī)指令。局部控制級(jí)的控制器執(zhí)行主控系統(tǒng)發(fā)出的指令，完成指定的控制任務(wù)。11控制任務(wù)：使系統(tǒng)能快速的跟蹤外界負(fù)荷的要求，同時(shí)又能保持主氣壓的穩(wěn)定。協(xié)調(diào)控制主控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

MB、MT-分別為主控制系統(tǒng)對(duì)鍋爐和汽輪機(jī)的主控制（負(fù)荷）指令；P0是主蒸汽壓力的給定值；PE和PT-分別為機(jī)組實(shí)發(fā)電功率和主蒸汽壓力。12單元機(jī)組主要有鍋爐和汽輪機(jī)汽輪機(jī)從蒸汽進(jìn)入到發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能是一個(gè)快速過(guò)程。當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)：鍋爐：從給水到形成過(guò)熱蒸汽，需要一段時(shí)間來(lái)吸熱，具有較大的容積滯后。負(fù)荷控制方式：鍋爐跟隨汽輪機(jī)的控制方式和汽輪機(jī)跟隨鍋爐的控制方式和協(xié)調(diào)控制方式（以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)或以汽機(jī)跟隨為基礎(chǔ)）：相互切換135.1.4單元機(jī)組自動(dòng)控制系統(tǒng)中的基礎(chǔ)控制級(jí)14一、燃燒控制系統(tǒng)的基本任務(wù)

電站鍋爐燃燒過(guò)程實(shí)質(zhì)是將燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝麩崮艿哪芰啃问睫D(zhuǎn)換過(guò)程。燃燒過(guò)程控制的根本任務(wù)是使燃燒所提供的熱量適應(yīng)鍋爐蒸汽負(fù)荷的需要，并保證鍋爐安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。1．維持蒸汽壓力穩(wěn)定

鍋爐蒸汽壓力作為表征鍋爐運(yùn)行狀態(tài)的重要參數(shù)，不僅直接關(guān)系到鍋爐設(shè)備的安全運(yùn)行，而且其是否穩(wěn)定反映了燃燒過(guò)程中能量供求關(guān)系。在單元機(jī)組中，鍋爐蒸汽壓力控制與汽機(jī)負(fù)荷控制是相互關(guān)聯(lián)的，鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的任務(wù)是及時(shí)調(diào)整鍋爐燃料量，使鍋爐的能量輸出與汽機(jī)為適應(yīng)對(duì)外界負(fù)荷需求而需要的能量輸入相適應(yīng)，其標(biāo)志是蒸汽壓力的穩(wěn)定。

1.鍋爐燃燒控制系統(tǒng)152．保證燃燒過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性保證燃燒過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性是提高鍋爐效率的重要方面，它是通過(guò)維持進(jìn)入爐膛的燃料量與送風(fēng)量之間的最佳比值來(lái)實(shí)現(xiàn)，即在有足夠的風(fēng)量使燃料得以充分燃燒的同時(shí)，盡可能減少排煙造成的熱損失。3．維持爐膛壓力穩(wěn)定

鍋爐爐膛壓力是否穩(wěn)定反映了燃燒過(guò)程中進(jìn)入爐膛的風(fēng)量與流出爐膛的煙氣量之間的工質(zhì)平衡關(guān)系。若送風(fēng)量大于引風(fēng)量，爐膛壓力升高，太高的壓力會(huì)造成爐膛向外噴火；送風(fēng)量小于引風(fēng)量爐膛壓力下降，過(guò)低的壓力會(huì)造成漏風(fēng)而降低爐膛溫度，影響爐內(nèi)燃燒工況，經(jīng)濟(jì)性下降。所以說(shuō)，爐膛壓力是否在允許范圍內(nèi)變化，關(guān)系到鍋爐的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。16燃燒控制系統(tǒng)包括：（1）燃料量控制系統(tǒng)（2）磨煤機(jī)控制系統(tǒng)（3）風(fēng)量控制系統(tǒng)（4）爐膛壓力控制系統(tǒng)1.鍋爐燃燒控制系統(tǒng)17（1）燃料量控制系統(tǒng)A:燃油控制（燃油壓力控制）1.鍋爐燃燒控制系統(tǒng)油槍安全運(yùn)行的最低油壓<燃油壓力<霧化蒸汽壓力B：燃煤控制：根據(jù)鍋爐指令并與送風(fēng)量相配合，產(chǎn)生給煤機(jī)的轉(zhuǎn)速指令。18（2）磨煤機(jī)控制系統(tǒng)磨煤機(jī)控制主要包括：磨煤機(jī)風(fēng)量控制，磨煤機(jī)出口煤粉/空氣混合物溫度控制，一次風(fēng)壓控制。1.鍋爐燃燒控制系統(tǒng)（3）風(fēng)量控制系統(tǒng)

風(fēng)量控制和燃料量控制一起，共同保證鍋爐的出力能適應(yīng)外界負(fù)荷的要求，同時(shí)使燃燒過(guò)程在經(jīng)濟(jì)、安全的狀況下進(jìn)行（4）爐膛壓力控制系統(tǒng)

任務(wù)是調(diào)節(jié)鍋爐的引風(fēng)量，使之與送風(fēng)量相適應(yīng)，以維持爐膛具有一定負(fù)壓力，保證鍋爐運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。19控制鍋爐汽包水位水位過(guò)高，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)，造成水冷壁管燒壞而引起爆管。2.給水控制系統(tǒng)汽包水位是鍋爐給水量和蒸發(fā)量是否平衡的標(biāo)志。203.汽溫控制系統(tǒng)汽溫控制分為：過(guò)熱汽溫和再熱汽溫控制大型鍋爐的過(guò)熱器是接近過(guò)熱器金屬（耐高溫高壓的合金鋼）的極限溫度的條件下運(yùn)行整個(gè)汽水系統(tǒng)的最高溫度過(guò)熱蒸汽溫度的上限<（規(guī)定值+5℃）控制在煙道中分布的再熱器的再熱溫度不是省煤器、空氣預(yù)熱器…213.汽溫控制系統(tǒng)ⅡⅠkg(1-α1)kgα2kgα1kg1kgh02’h02h2’h2h01h01’1kgTurbineCondenserqinqoutGeneratorElectricityBoilerPumpPumpPumpOpenFWHOpenFWHh11、汽輪發(fā)電機(jī)組采用中間再熱（1）中間再熱在中間再熱式機(jī)組的運(yùn)行過(guò)程中，由鍋爐過(guò)熱器來(lái)的新蒸汽經(jīng)汽輪機(jī)高壓缸做功后，送到再熱器進(jìn)行再加熱，使其溫度達(dá)到或接近新蒸汽溫度而成為再熱蒸汽，再熱蒸汽送到汽輪機(jī)中壓缸繼續(xù)做功，這就是一次中間再熱。22（2）采用中間再熱意義:對(duì)在高壓缸做功后的蒸汽進(jìn)行再熱，不僅提高汽輪機(jī)終端的排汽干度，而且改善了汽輪機(jī)末級(jí)的工作條件；如果再熱蒸汽壓力選得合適，采取一次中間再熱后可提高機(jī)組熱效率達(dá)4%~5%。3.汽溫控制系統(tǒng)234.輔助控制系統(tǒng)主要有：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)；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)；高壓加熱器；低壓加熱器水位控制系統(tǒng)…24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)鍋爐燃燒控制系統(tǒng)鍋爐給水控制系統(tǒng)過(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)255.4汽包鍋爐給水自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)任務(wù)：維持汽包水位在允許范圍內(nèi)被控量：汽包水位調(diào)節(jié)量：給水流量三沖量系統(tǒng)：主蒸汽流量（汽包出口流量），汽包水位，給水流量。有單級(jí)（前饋-反饋控制系統(tǒng)）和串級(jí)26一、汽包水位被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性二、前饋-反饋給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)三串級(jí)給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)四、給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)實(shí)例五、全程給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)5.4汽包鍋爐給水自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)27?給水自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)被調(diào)對(duì)象的示意圖:一、被調(diào)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性28（１）給水量Ｗ；（２）蒸汽量Ｄ；（３）鍋爐燃燒率。汽包水位(steamdrumlevel)變化原因示意圖

被調(diào)量Ｈ變化的主要原因：291)．給水量Ｗ擾動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)特性

?給水量Ｗ擾動(dòng)時(shí)，汽包水位Ｈ的變化過(guò)程可以分別從兩個(gè)角度加以分析：1、僅僅從物質(zhì)平衡的角度來(lái)分析；2、僅僅從熱平衡的角度來(lái)分析。30綜合上述兩種角度分析的結(jié)果，對(duì)曲線１和曲線２進(jìn)行線性疊加，得到在給水量Ｗ階躍擾動(dòng)下，汽包水位Ｈ的實(shí)際變化曲線：物質(zhì)平衡：當(dāng)蒸汽流量不變，給水流量增加，汽包水位是上升的。熱平衡：鍋爐給水溫度相對(duì)較低，會(huì)吸收原有的飽和水中的熱量，使蒸汽產(chǎn)量下降，液面下的氣泡體積減小，使水位下降。特點(diǎn)：有慣性無(wú)自平衡能力31式中：τ──遲延時(shí)間

；

ε──飛升速度；?在給水量Ｗ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。322)．蒸汽量Ｄ擾動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)特性

?蒸汽量Ｄ擾動(dòng)時(shí)，汽包水位Ｈ的變化過(guò)程同樣可以從兩個(gè)角度加以分析。1．僅僅從物質(zhì)平衡的角度來(lái)分析2．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33在蒸汽量Ｄ階躍擾動(dòng)下，汽包水位的實(shí)際變化曲線。熱平衡：流出量D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)使水位升高。物質(zhì)平衡：流出量D的階躍增加，會(huì)使水位直線下降特點(diǎn)：無(wú)自平衡能力34虛假水位：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，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。汽包蒸汽空間的壓力下降占主要作用。給水量和用汽量的不平衡關(guān)系占主要作用35動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)描述為：式中：k──比例系數(shù)，

T──時(shí)間常數(shù)

ε──飛升速度361．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)。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，調(diào)節(jié)作用量只能選擇給水量。2．“虛假水位”(levelswell)現(xiàn)象主要是來(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