热工过程自动控制 CH05-3 大型单元机组的生产过程及其自动控制

1、123火电厂的系统构成火电厂的系统构成（1）汽水系统，由）汽水系统，由锅炉锅炉、汽轮机汽轮机、凝汽器、水泵、加、凝汽器、水泵、加热器及其管路组成；热器及其管路组成；（2）燃料、燃烧系统，包括：输煤系统、制粉系统、）燃料、燃烧系统，包括：输煤系统、制粉系统、烟风系统和除灰除尘系统；烟风系统和除灰除尘系统；（3）其它辅助热力系统）其它辅助热力系统（4）电气系统）电气系统45.1.2 单元机组的自动控制系统组单元机组的自动控制系统组成成5一、协调控制的基本概念一、协调控制的基本概念 从大系统理论出发，从大系统理论出发，协调控制协调控制是一种解决是一种解决大系大系统统控制问题的基本策略控制问题的基本策

2、略。 所谓大系统可理解所谓大系统可理解为由若干相互关联子系统组为由若干相互关联子系统组成的复杂系统成的复杂系统。应用大系统理论处理这类庞大而复。应用大系统理论处理这类庞大而复杂系统控制问题的基本方法就是分解杂系统控制问题的基本方法就是分解协调的方协调的方法。所谓法。所谓分解就是把大系统化为若干子系统，以便分解就是把大系统化为若干子系统，以便进行分块的处理与控制，求得各子系统的局部最优进行分块的处理与控制，求得各子系统的局部最优解解；而；而协调则是从系统的全局出发，合理地调整各协调则是从系统的全局出发，合理地调整各子系统之间的关系，求得各子系统之间的和谐与统子系统之间的关系，求得各子系统之间的和

3、谐与统一，进而得到整个大系统的最优解一，进而得到整个大系统的最优解。 6 大系统中包含的各子系统之间，相互关联的结构大系统中包含的各子系统之间，相互关联的结构有多种多样的形式。其中最为普遍的形式是一种有多种多样的形式。其中最为普遍的形式是一种递阶递阶的结构的结构。在这种递阶的结构中，。在这种递阶的结构中，各子系统处于不同级各子系统处于不同级别的层次中别的层次中，并具有不同的职能。，并具有不同的职能。789105.1.3 单元机组自动控制系统中的单元机组自动控制系统中的协调控制级协调控制级111213145.1.4 单元机组自动控制系统中的单元机组自动控制系统中的基础控制级基础控制级151.锅炉

4、燃烧控制系统锅炉燃烧控制系统16171.锅炉燃烧控制系统锅炉燃烧控制系统181.锅炉燃烧控制系统锅炉燃烧控制系统191.锅炉燃烧控制系统锅炉燃烧控制系统20控制锅炉汽包水位控制锅炉汽包水位水位过高水位过高，会使蒸汽带水，造成过热器管内结垢，会使蒸汽带水，造成过热器管内结垢，影响传热效率，严重时会引起过热管爆破，或影响传热效率，严重时会引起过热管爆破，或者汽轮机进水。者汽轮机进水。水位过低，破坏锅炉的水循环，造成水冷壁管烧水位过低，破坏锅炉的水循环，造成水冷壁管烧坏而引起爆管。坏而引起爆管。2.给水控制系统给水控制系统213. 汽温控制系统汽温控制系统汽温控制分为：汽温控制分为：过热汽温和再热汽

5、温控制过热汽温和再热汽温控制大型锅炉的过热器是接近大型锅炉的过热器是接近过热器金属（耐高温高压过热器金属（耐高温高压的合金钢）的极限温度的的合金钢）的极限温度的条件下运行条件下运行223. 汽温控制系统汽温控制系统kgkg(1-1-1 1)kg)kg2 2kgkg1 1kgkg1kg1kgh02h02h2h2h01h011kg1kg12(1)TurbineCondenserqinqoutGeneratorElectricityBoiler PumpPumpPumpOpen FWHOpen FWHh1233. 汽温控制系统汽温控制系统244.辅助控制系统辅助控制系统主要有：主要有：除氧器压力、水

6、位控制系统；空气预热除氧器压力、水位控制系统；空气预热器冷端温度控制系统；凝汽器水位控制系统；器冷端温度控制系统；凝汽器水位控制系统；辅助蒸汽控制系统；汽轮机润滑油温度控制系辅助蒸汽控制系统；汽轮机润滑油温度控制系统；高压旁路、低压旁路控制系统；高压加热统；高压旁路、低压旁路控制系统；高压加热器；低压加热器水位控制系统器；低压加热器水位控制系统25重要的参数控制系统的设计重要的参数控制系统的设计 单元机组负荷控制系统单元机组负荷控制系统 锅炉燃烧控制系统锅炉燃烧控制系统 锅炉给水控制系统锅炉给水控制系统 过热蒸汽温度控制系统过热蒸汽温度控制系统265.4 5.4 汽包锅炉给水自动调节系统汽包锅

7、炉给水自动调节系统27一、汽包水位被控对象的动态特性一、汽包水位被控对象的动态特性二、前馈二、前馈- -反馈给水调节系统反馈给水调节系统三三 串级给水调节系统串级给水调节系统四、全程给水调节系统四、全程给水调节系统五、给水调节系统实例五、给水调节系统实例5.4 5.4 汽包锅炉给水自动调节系统汽包锅炉给水自动调节系统28 给水自动调节系统被调对象的示意图给水自动调节系统被调对象的示意图: :一、一、 被调对象的动态特性被调对象的动态特性29 （）给水量；（）给水量； （）蒸汽量；（）蒸汽量； （）锅炉燃烧率。（）锅炉燃烧率。汽包水位汽包水位(steam drum level)变化原因示意图变化

8、原因示意图 被调量变化的主要原因：被调量变化的主要原因：301)给水量扰动时的动态特性给水量扰动时的动态特性 给水量扰动时，汽包水位的变化过程可以分别从两个给水量扰动时，汽包水位的变化过程可以分别从两个 角度加以分析：角度加以分析： 1 1、仅仅从物质平衡的角度来分析；、仅仅从物质平衡的角度来分析； 2 2、仅仅从热平衡的角度来分析。、仅仅从热平衡的角度来分析。31 综合上述两种角度分析的结果，综合上述两种角度分析的结果，对曲线和曲线进行线性叠加，对曲线和曲线进行线性叠加，得到在给水量阶跃扰动下，汽得到在给水量阶跃扰动下，汽包水位的实际变化曲线：包水位的实际变化曲线：32式中式中：迟延时间迟延

9、时间 ； 飞升速度飞升速度；1)s(s(s)G01 在给水量扰动下，被调对象具有迟延、惯性和无自平衡在给水量扰动下，被调对象具有迟延、惯性和无自平衡 能力特性。能力特性。00/WOAOBWdtdHOAt特征参数特征参数332)蒸汽量扰动时的动态特性蒸汽量扰动时的动态特性 蒸汽量扰动时，汽包水位的变化过程同样可以从两个角蒸汽量扰动时，汽包水位的变化过程同样可以从两个角度加以分析。度加以分析。 1 1仅仅从物质平衡的角度来分析仅仅从物质平衡的角度来分析 2 2仅仅从热平衡的角度来分析。仅仅从热平衡的角度来分析。 综合上述两种角度分析的结果，得到综合上述两种角度分析的结果，得到34在蒸汽量阶跃扰动下

10、，汽在蒸汽量阶跃扰动下，汽包水位的实际变化曲线。包水位的实际变化曲线。热平衡热平衡：流出量：流出量D D的增加会的增加会使汽包压力下降，液面下气使汽包压力下降，液面下气泡膨胀，汽包体积的增大将泡膨胀，汽包体积的增大将会使水位升高。会使水位升高。物质平衡物质平衡：流出量：流出量D D的阶跃增的阶跃增加，会使水位直线下降加，会使水位直线下降35 虚假水位虚假水位：当蒸汽量突：当蒸汽量突然增加时，虽然汽包的然增加时，虽然汽包的进水量小于蒸发量，但进水量小于蒸发量，但在开始的一段时间内，在开始的一段时间内，水位不仅不下降，反而水位不仅不下降，反而迅速上升。迅速上升。36动态特性的数学描述为：动态特性的

11、数学描述为：s1Tsk(s)G02 1 k式中：式中： k比例系数比例系数 ， T时间常数时间常数 飞升速度飞升速度371 1蒸汽量扰动主要取决于汽轮机的运行工况，属于外部扰动，蒸汽量扰动主要取决于汽轮机的运行工况，属于外部扰动，锅炉燃 烧 率 扰 动 其实也是一种间接的外部扰动。锅炉燃 烧 率 扰 动 其实也是一种间接的外部扰动。 很显很显 然这两种物理量是不可能作为调节汽包水位的调节手段的，然这两种物理量是不可能作为调节汽包水位的调节手段的，调调节作用量只能选择给水量。节作用量只能选择给水量。2 2“虚假水位虚假水位” ” (level swell)现象主要是来自于蒸汽量的变化，现象主要是

12、来自于蒸汽量的变化，显然蒸汽量是一个不可调节的量（对调节系统而言），但它是显然蒸汽量是一个不可调节的量（对调节系统而言），但它是一个可测量，所以在系统中引入这些扰动信息来改善调节品质一个可测量，所以在系统中引入这些扰动信息来改善调节品质是非常必要的。是非常必要的。 结论：结论：383)燃料量扰动时的动态特性燃料量扰动时的动态特性 特点：有惯性特点：有惯性、有时滞有时滞、无自平衡能力无自平衡能力39上节回顾上节回顾4041基础控制级包括：基础控制级包括：一、锅炉燃烧控制系统一、锅炉燃烧控制系统汽温控制系统汽温控制系统 四、辅助控制系统四、辅助控制系统 42汽包锅炉给水自动调节系统汽包锅炉给水自动

13、调节系统43 （）给水量；（）给水量； （）蒸汽量；（）蒸汽量； （）锅炉燃烧率。（）锅炉燃烧率。汽包水位汽包水位(steam drum level)变化原因示意图变化原因示意图 被调量变化的主要原因：被调量变化的主要原因：441)s(s(s)G01 在给水量扰动下，被调对象在给水量扰动下，被调对象具有迟延、惯性和无自平衡能具有迟延、惯性和无自平衡能力特性。力特性。1)给水量扰动时的动态特性给水量扰动时的动态特性 452)蒸汽量扰动时的动态特性蒸汽量扰动时的动态特性 热平衡热平衡：流出量：流出量D D的增加会使汽包压力下降，液面下的增加会使汽包压力下降，液面下气泡膨胀，汽包体积的增大将会使水位

14、升高。气泡膨胀，汽包体积的增大将会使水位升高。物质平衡物质平衡：流出量：流出量D D的阶跃增加，会使水位直线下降的阶跃增加，会使水位直线下降 虚假水位虚假水位：当蒸汽量突然增加时，：当蒸汽量突然增加时，虽然汽包的进水量小于蒸发量，虽然汽包的进水量小于蒸发量，但在开始的一段时间内，水位不但在开始的一段时间内，水位不仅不下降，反而迅速上升。仅不下降，反而迅速上升。s1Tsk(s)G02 463)燃料量扰动时的动态特性燃料量扰动时的动态特性 特点：有惯性特点：有惯性、有时滞有时滞、无自平衡能力无自平衡能力47 单冲量调节系统单冲量调节系统 只依据只依据汽包水位一个汽包水位一个信号信号进行调节进行调节

15、第二节第二节 前馈前馈-反馈调节系统反馈调节系统48第二节第二节 前馈前馈- -反馈调节系统反馈调节系统 单冲量调节系统未能解决的问题单冲量调节系统未能解决的问题 （1）调节对象的内扰动态特性存在一定的延迟）调节对象的内扰动态特性存在一定的延迟和惯性，当给水流量变化时，汽包水位经过一和惯性，当给水流量变化时，汽包水位经过一个延迟时间才会有所反应。个延迟时间才会有所反应。 （2）对象在蒸汽负荷时，有）对象在蒸汽负荷时，有“虚假水位虚假水位”现现象。象。49第二节第二节 前馈前馈- -反馈调节系统反馈调节系统（一）系统结构和工作原理（一）系统结构和工作原理5051521 1内回路内回路(inner

16、 loop)的分析与整定的分析与整定 内回路的主要任务是当内回路的主要任务是当给水流量侧给水流量侧产生自发性扰动时，产生自发性扰动时，必须必须迅速消除扰动迅速消除扰动，使，使被调量（汽包水位被调量（汽包水位H H）基本不受到）基本不受到自发性扰动的影响自发性扰动的影响；当内回路外部发生扰动汽包水位；当内回路外部发生扰动汽包水位H H 发发生变化时，内回路要具有生变化时，内回路要具有快速随动快速随动的特性，使给水流量的特性，使给水流量W W尽快地起到调节汽包水位的作用。尽快地起到调节汽包水位的作用。531 1内回路内回路(inner loop)的分析与整定的分析与整定)11 (1)(sTsGIW

17、WZIZIKKsTKKsTsG)11 (11)11 (1)(541内回路内回路(inner loop)的分析与整定的分析与整定 内回路系统是内回路系统是一阶一阶系统，系统，理论上理论上内回路不会发生振荡内回路不会发生振荡 和和TI可以选的很小（数值越小，比例作用和积分作用越可以选的很小（数值越小，比例作用和积分作用越强强00)11 (11sWWZIWWZWWZIKKTKKKKsT）（551内回路内回路(inner loop)的分析与整定的分析与整定 把把WIWRsTG*)s11 (等效比例带为和和TI，一般，一般TI取取10s, 根据衰减率要求来取，根据衰减率要求来取，具体数值需实验确定。具体

18、数值需实验确定。)11 (1)(sTsGI561内回路内回路(inner loop)的分析与整定的分析与整定WWsWsE)()(aWWWssEsWG1)()(a572外回路外回路(outer loop)的分析与整定的分析与整定WWWssEsWG1)()(a582外回路外回路(outer loop)的分析与整定的分析与整定592外回路外回路(outer loop)的分析与整定的分析与整定603. 蒸汽流量侧蒸汽流量侧 的选择的选择 D 61要使静态偏差为零，静态时必须满足要使静态偏差为零，静态时必须满足ID=IW，即即：wwDDWD 在正常运行时，可认为在正常运行时，可认为D=W，D=W，则有则有 D=W 因此，为了克服静态偏差，蒸汽流量侧分流器的分流系因此，为了克服静态偏差，蒸汽流量侧分流器的分流系数数D必须等于给水流量侧分流器的分流系数必须等于给水流量侧分流器的分流系数W。62单级三冲量给水自动调节系统的不足 1）分流系数）分流系数D=W，前馈信前馈信号的强弱程度受到了限制，不能更好的改善调号的强弱程度受到了限制，不能更好的改善调节过程的调节品质节过程的调节品质。63三串级三冲量给水自动调节系统三串级三冲量给水自动调节系统(Cascade Three-Element Feedwater Control System ) 串级系统实现自动调节比单级系统更加灵活，克服静串级系统实