电厂热工控制系统

1、自动控制理论自动控制理论与热工控制系统与热工控制系统 Tel：mail : lxz_山西大学工程学院太原电力高等专科学校张丽香 给水自动调节系统主要内容 蒸汽温度自动调节系统 燃烧过程自动调节系统 单回路反馈调节系统 单元机组负荷自动控制系统 自动调节系统的类型及应用场合自动调节理论及热工控制系统自动调节理论及热工控制系统自动调节理论及热工控制系统自动调节理论及热工控制系统 给水自动调节系统主要内容 蒸汽温度自动调节系统 燃烧过程自动调节系统 单回路反馈调节系统 单元机组负荷自动控制系统 自动调节系统的类型及应用场合单回路反馈调节系统的组成单回路反馈调节系统的组成1

2、1、单回路反馈调节系统、单回路反馈调节系统包括：热工调节对象包括：热工调节对象 测量变送器测量变送器 自动调节器自动调节器 执行机构（执行器和调节机构）执行机构（执行器和调节机构）1 1、单回路反馈调节系统、单回路反馈调节系统热工对象动态热工对象动态特性的获取特性的获取 1 1、单回路反馈调节系统、单回路反馈调节系统现场试验及数据处理现场试验及数据处理 通过手动操作使工作在所需测试的负荷下，稳定运行一段时间后，通过手动操作使工作在所需测试的负荷下，稳定运行一段时间后，快速改变过程的输入量，记录过程的输入快速改变过程的输入量，记录过程的输入/ /输出的变化曲线。经过一段时输出的变化曲线。经过一段

3、时间后，过程进入新的稳定，实验就可结束，得到的记录曲线就是过程程间后，过程进入新的稳定，实验就可结束，得到的记录曲线就是过程程的阶跃响应曲线。的阶跃响应曲线。 热工对象动态特性的获取热工对象动态特性的获取 热工对象动态特性的获取热工对象动态特性的获取 1 1合理选择阶跃扰动信号的幅值。过小的阶跃扰动幅度不能保证测试合理选择阶跃扰动信号的幅值。过小的阶跃扰动幅度不能保证测试结果的可靠性，而过大的扰动幅度则会使正常生产受到严重干扰甚至危及结果的可靠性，而过大的扰动幅度则会使正常生产受到严重干扰甚至危及生产安全。一般是取通过控制阀门流入量最大值的生产安全。一般是取通过控制阀门流入量最大值的10%左右

4、为宜。当生产左右为宜。当生产上限制较严时应降到上限制较严时应降到5%，相反也可提高到，相反也可提高到20%20%，以不影响生产为准。，以不影响生产为准。 2 2试验开始前确保被测过程处于某一选定的稳定工况。试验期间应设试验开始前确保被测过程处于某一选定的稳定工况。试验期间应设法避免发生偶然性的其它扰动。通常同一实验应重复进行几次，至少要获法避免发生偶然性的其它扰动。通常同一实验应重复进行几次，至少要获得两次基本相同的响应曲线，以排除偶然性干扰的影响。得两次基本相同的响应曲线，以排除偶然性干扰的影响。 3 3考虑到实际被测对象的非线性，扰动要正反方向变化，分别测出正考虑到实际被测对象的非线性，扰

5、动要正反方向变化，分别测出正反方向变化的阶跃响应曲线。反方向变化的阶跃响应曲线。现场试验及数据处理注意事项现场试验及数据处理注意事项 热工对象动态特性的获取热工对象动态特性的获取 脉冲响应曲线与阶跃响应曲线脉冲响应曲线与阶跃响应曲线热工对象动态特性的获取热工对象动态特性的获取 有自平衡能力被控对象无自平衡能力被控对象热工对象的典型动态特性热工对象的典型动态特性aT1tanCTKtan热工对象动态特性的获取热工对象动态特性的获取切线法求取对象的近似传递函数 1）0)(xyK2）求出 / Tc的数值；3）查下表，即可得到与 / Tc 值相对应的 n 值和 / T0 的数值，同时可求得T0。n0s1

6、 (s）（TKW热工对象动态特性的获取热工对象动态特性的获取两点法求取对象的近似传递函数 n0s1 (s）（TKW0 x)(yKnttT16. 2210式中： n 的数值可以从下表求得。 影响控制系统性能的因素影响控制系统性能的因素 被控对象调节通道的动态特性被控对象调节通道的动态特性 放大系数，迟延，惯性等放大系数，迟延，惯性等 影响控制系统性能的因素影响控制系统性能的因素调节阀的理想流量特性调节阀的理想流量特性 调节阀的流量特性及管路条件调节阀的流量特性及管路条件 S0.30.5X0.8tQQX1tonppS 影响控制系统性能的因素影响控制系统性能的因素 调节器动作规律及参数调节器动作规律

7、及参数 影响控制系统性能的因素影响控制系统性能的因素 PID PID调节系统调节系统Kd=0Kd=2Kd=4Kd=6Kd=8PIPI调节系统调节系统单回路调节系统的工程整定方法单回路调节系统的工程整定方法 图表法无自平衡能力对象的整定参数 图表法有自平衡能力对象的整定参数 单回路调节系统的工程整定方法单回路调节系统的工程整定方法 临界比例带法临界比例带法 (1) 使调节器只具有比例作用,将积分时间 调至无穷大,微分时间 调至零。然后，将调节器的比例带放至比较大的位置，将闭环调节系统投入运行。 (2) 逐渐改变调节器的比例带值,由大逐渐变小,观察不同值下的调节过程，直到调节过程出现等幅振荡为止。

8、待闭环系统处在临界稳定状态，记下此时的调节器比例带数值 和振荡周期 。 (3) 调节器的最佳参数可按下表计算。 KKTiTdTdT衰减曲线法衰减曲线法 (1) 使调节器只具有比例作用,将积分时间调至无穷大,微分时间调至零。然后，将调节器的比例带放至比较大的位置，将闭环调节系统投入运行。 (2) 逐渐改变调节器的比例带值,由大逐渐变小,观察不同值下的调节过程(可以人为加入扰动),直到调节过程处于（4:1）衰减振荡过程时，记下此时的调节器比例带数值 和衰减振荡周期 。 (3) 调节器的最佳参数可按下表计算。 ssT单回路调节系统的工程整定方法单回路调节系统的工程整定方法 给水自动调节系统主要内容

9、蒸汽温度自动调节系统 燃烧过程自动调节系统 单回路反馈调节系统 单元机组负荷自动控制系统 自动调节系统的类型及应用场合自动调节理论及热工控制系统自动调节理论及热工控制系统2 2、自动调节系统的类型及应用场合、自动调节系统的类型及应用场合 串级调节系统串级调节系统 串级调节系统适用于对象调节通道动态特性具有较大的迟延和惯性，同时该调节对象可以划分为导前区动态特性和惰性区动态特性时使用。 电厂中的给水调节系统、汽温调节系统、主蒸汽压力调节系统、烟气含氧量调节系统（送风调节系统）等，经常采用串级控制方案。2 2、自动调节系统的类型及应用场合、自动调节系统的类型及应用场合 前馈前馈- -反馈调节系统反

10、馈调节系统 前馈调节适用于系统外部干扰频繁出现，且扰动幅度较大的场合。 电厂中的负荷调节系统、给水调节系统、汽温调节系统、引风调节系统等，经常采用前馈-反馈控制方案。前馈调节补偿控制原理。前馈调节与反馈调节的差别： (1)调节的依据不同； (2)调节的效果不同； (3)系统的结构不同； (4)实现的经济性和可能性不同。2 2、自动调节系统的类型及应用场合、自动调节系统的类型及应用场合 比值调节系统比值调节系统 比值调节适用于生产过程中要求两种物料保持比值关系的场合。电厂中的燃料量和送风量就采用了比值调节系统。 选择性调节系统选择性调节系统 可以实现不同被控变量的选择可以实现“软保护” 可以实现

11、非线性规律 2 2、自动调节系统的类型及应用场合、自动调节系统的类型及应用场合 Smith Smith预估补偿方案预估补偿方案 Smith预估补偿控制方案预估补偿控制方案适用于具有大迟延特点的固定参数被控对象。设Smith预估补偿器为：得：)1)()(0sesWSWsasaeSWsWeSWsW)()(1)()(R(s)Y(s)W(s)00saaeSWsWSWsW)()(1)()(R(s)Y(s)002 2、自动调节系统的类型及应用场合、自动调节系统的类型及应用场合 模糊控制系统 模糊-PID控制系统 模糊-Smith控制系统自动调节理论及热工控制系统自动调节理论及热工控制系统 给水自动调节系统

12、主要内容 蒸汽温度自动调节系统 燃烧过程自动调节系统 单回路反馈调节系统 单元机组负荷自动控制系统 自动调节系统的类型及应用场合3 3、单元机组负荷自动控制系统、单元机组负荷自动控制系统 锅锅 炉炉 汽轮发电机汽轮发电机锅 炉控制子系统汽轮机控制子系统协调控制级基本控制级单元机组单元机组负荷控制系统AGC锅炉侧负荷指令调汽门调汽门给水给水风量风量燃料燃料DCS系统汽轮机侧负荷指令MAN f .单单元元机机组组自自动动控控制制系系统统总总体体结结构构3 3、单元机组负荷自动控制系统、单元机组负荷自动控制系统锅炉燃烧率B发电机去电网汽轮机TpDENT 图11-1 单元机组负荷控制对象方框图KpK)

13、(sWp)(sWpBTBTpEP)(sWT)(sWP)(sWp)(sWpBTBTpEP)(sWPB( (a a) )( (b b) )(a) 原理方框图； (b)等效变换方框图 单元机组负荷自动控制的任务单元机组负荷自动控制的任务1、保证机组输出功率迅速满足电网的要求；2、迅速协调锅炉、汽轮机之间的能量供求平衡关系， 使输入机组的热量 尽快与机组输出功率相适应；3、在各种运行工况下，均能保证机组安全运行 单元机组负荷自动控制系统的功能单元机组负荷自动控制系统的功能1、参加电网调峰、调频 ；2、稳定机组运行 ；3、机组出力与主机和辅机实际能力的协调； 4、具有多种可选择的运行方式； 5、完善的与

14、其他控制系统间的通讯接口 负荷控制的特点1、单元机组是一个相互关联的复杂的多输入多输出的控制对 象，必须将锅炉和汽轮发电机视为一个整体来考虑。2、锅炉和汽轮机在适应电网负荷变化上存在差异。从动态特 性上看，锅炉具有较大的惯性，从燃烧率的改变到机前压 力的变化有较大的时间常数和迟延时间。3、电网供电质量对单元机组参加调频的能力要求日益提高。4、电网自动化水平的提高对单元机组负荷控制提出了更高的 要求。3 3、单元机组负荷自动控制系统、单元机组负荷自动控制系统 机组负荷控制系统的运行方式机组负荷控制系统的运行方式锅炉跟随控制方式汽机跟随控制方式特点：特点： 适应负荷的能力强适应负荷的能力强 机组运

15、行的稳定性差机组运行的稳定性差特点：特点： 适应负荷的能力差适应负荷的能力差 机组运行特别稳定机组运行特别稳定 机组负荷控制系统的运行方式机组负荷控制系统的运行方式机炉协调控制方式特点：特点： 适应负荷的能力较强适应负荷的能力较强 机组运行较稳定机组运行较稳定单元机组负荷控制的四种方式： 1.基本控制方式 锅炉主控和汽机主控都处于手动或跟踪方式锅炉主控和汽机主控都处于手动或跟踪方式 2.锅炉跟随控制方式 锅炉主控自动，汽机主控手动或跟踪方式锅炉主控自动，汽机主控手动或跟踪方式 3.汽机跟随控制方式 汽机主控自动，锅炉主控手动或跟踪方式汽机主控自动，锅炉主控手动或跟踪方式 4.协调控制方式 锅炉

16、主控和汽机主控都处于自动方式锅炉主控和汽机主控都处于自动方式 机组负荷控制系统的结构机组负荷控制系统的结构四种运行方式：四种运行方式： 1.基本方式：锅炉主控手动或跟踪锅炉主控手动或跟踪 汽机主控手动或跟踪汽机主控手动或跟踪 2.锅炉跟随方式：锅炉主控自动锅炉主控自动 汽机主控手动或跟踪汽机主控手动或跟踪 3.汽机跟随方式：汽机主控自动汽机主控自动 锅炉主控手动或跟踪锅炉主控手动或跟踪 4.协调控制方式：锅炉主控自动锅炉主控自动 汽机主控自动汽机主控自动外部负荷指令： AGC，MAN，f内部负荷指令： RB，BI/BD，RU/RD，TRACK1）、以锅炉跟随为基础的协调控制系统 负荷协调控制系

17、统的典型方案负荷协调控制系统的典型方案2）、以汽轮机跟随为基础的协调控制系统 负荷协调控制系统的典型方案负荷协调控制系统的典型方案3）、机炉综合协调控制系统 负荷协调控制系统的典型方案负荷协调控制系统的典型方案4）、直接能量平衡协调控制系统 负荷协调控制系统的典型方案负荷协调控制系统的典型方案 热量信号与能量平衡信号的概念热量信号与能量平衡信号的概念能量平衡信号的概念热量信号的概念 是汽轮机对锅炉的能量需求 是锅炉所具有的能量 能量 汽轮机调门开度 静态：热量 = 蒸汽流量 动态：热量 汽包压力的变化Tppp01dtdpCDQbk 能量只反映汽轮机对蒸汽量的需求，不应受燃料量变化的影响 热量只

18、反映燃料的实际发热量，不应该受负荷侧的扰动影响 负荷控制系统实例负荷控制系统实例3 3、单元机组负荷自动控制系统、单元机组负荷自动控制系统 某600MW机组，锅炉为东方锅炉厂生产DG2060/17.6-II1型亚临界自然循环汽包炉，前后墙对冲燃烧，一次中间再热、单炉膛平衡通风结构。过热器二级喷水减温，烟气挡板调节再热汽温加事故喷水。锅炉最大连续出力时，过热器蒸汽流量2060 t/h，过热器蒸汽压力17.6Mpa，过热器蒸汽温度541。 汽轮机为哈尔滨汽轮机厂生产NZK600-16.7/538/538型亚临界、中间再热、四缸四排汽、直接空冷凝汽式汽轮机，额定主蒸汽压力16.67Mpa、额定蒸汽流

19、量1842.92t/h、额定主蒸汽温度538。发电机为哈尔滨电机厂提供的QFSN-600-2YHG发电机。 配置有正压冷一次风直吹式制粉系统，配备了6台ZGM型中速磨，5台正常运行，一台备用。DCS系统采用ABB公司的SYMPHONY分散控制系统。 负荷控制系统实例负荷控制系统实例3 3、单元机组负荷自动控制系统、单元机组负荷自动控制系统机组目标负荷形成回路频差校正信号的形成原理频差校正信号的形成原理 负荷控制系统实例负荷控制系统实例机组内部负荷指令的产生机组内部负荷指令的产生 锅炉锅炉 BI 指令指令机组内部负荷指令的产生机组内部负荷指令的产生 锅炉锅炉 BD 指令指令机组内部负荷指令的产生

20、机组内部负荷指令的产生 汽轮机汽轮机 BI/BD 指令指令机组内部负荷指令的产生机组内部负荷指令的产生 BI/BDBI/BD指令指令机组内部负荷指令的产生机组内部负荷指令的产生 RD RD 指令指令RB RB 指指令令激激活活机组内部负荷指令的产生机组内部负荷指令的产生 RB RB 目标值目标值机组内部负荷指令的产生机组内部负荷指令的产生 主汽压力设定值主汽压力设定值 负荷控制系统实例负荷控制系统实例主汽压力设定值形成回路主汽压力设定值形成回路 负荷控制系统实例负荷控制系统实例锅炉主控制系统锅炉主控制系统 负荷控制系统实例负荷控制系统实例汽轮机主控制系统汽轮机主控制系统 负荷控制系统实例负荷控

21、制系统实例自动调节理论及热工控制系统自动调节理论及热工控制系统 给水自动调节系统主要内容 蒸汽温度自动调节系统 燃烧过程自动调节系统 单回路反馈调节系统 单元机组负荷自动控制系统 自动调节系统的类型及应用场合4 4、燃烧过程自动调节系统、燃烧过程自动调节系统控制任务控制任务系统结构系统结构 维持汽压的稳定维持汽压的稳定 保证燃烧过程的经济性保证燃烧过程的经济性 维持炉膛内压力的稳定维持炉膛内压力的稳定机跟炉机跟炉运行方式运行方式 炉跟机炉跟机运行方式运行方式 KZK PIPI-PTP0BPIPI-O20%O2% ZVPI-PfPf0-ZG P0 - - 主汽压设定值；主汽压设定值； PT 主汽

22、压测量值；主汽压测量值； O2%- - 烟气含氧量；烟气含氧量； O20%- - 含氧量设定值；含氧量设定值； P Pf f 炉膛压力测量值；炉膛压力测量值； P Pf0f0 炉膛压力设定值炉膛压力设定值 B 燃料量；燃料量； V 送风量；送风量； G 引风量引风量锅炉燃烧控制系统原则性方案锅炉燃烧控制系统原则性方案炉跟机炉跟机运行方式运行方式 锅炉燃料量子系统的基本方案锅炉燃料量子系统的基本方案采用热量信号作反馈采用热量信号作反馈采用给粉机转速作反馈信号采用给粉机转速作反馈信号 锅炉燃料量子系统的基本方案锅炉燃料量子系统的基本方案以一次风量作反馈信号以一次风量作反馈信号以给煤机转速作反馈信号

23、以给煤机转速作反馈信号 锅炉送风量子系统的基本方案锅炉送风量子系统的基本方案带氧量校正的串级送风系统带氧量校正的串级送风系统 最佳含氧量与负荷的关系最佳含氧量与负荷的关系 锅炉送风量子系统的基本方案锅炉送风量子系统的基本方案氧量校正送风量反馈信号的送风系统氧量校正送风量反馈信号的送风系统 锅炉送风量子系统的基本方案锅炉送风量子系统的基本方案氧量信号校正送风指令的方案氧量信号校正送风指令的方案 燃料与风量交叉限制燃料与风量交叉限制 实现了增加负荷时先加风、后加燃料；减负荷时先减燃料、后减风的调节过程。保证变负荷过程中有一定的送风裕量，不致发生冒黑烟现象。 燃烧控制系统实例燃烧控制系统实例某某30

24、0MW300MW机组燃烧系统工艺流程简图机组燃烧系统工艺流程简图 300MW机组燃烧系统总体结构机组燃烧系统总体结构 燃料主控制系统燃料主控制系统 燃油压力与燃油流量调节系统燃油压力与燃油流量调节系统 磨煤机负荷调节系统磨煤机负荷调节系统 磨煤机一次风量调节系统磨煤机一次风量调节系统 一次风压调节系统一次风压调节系统 二次风量调节系统二次风量调节系统炉膛压力调节系统炉膛压力调节系统 超驰信号超驰信号 当发生MFT时，由于炉膛内烟气质量和温度突然降低，则导致炉膛压力急剧下降。为了避免这种危险发生，在引风机控制指令中反方向加入了一个超驰信号，该信号在MFT发生时产生，其幅值与MFT发生前一刻的总风

25、量信号成正比，随着时间的延续，逐渐减少到0。自动调节理论及热工控制系统自动调节理论及热工控制系统 给水自动调节系统主要内容 蒸汽温度自动调节系统 燃烧过程自动调节系统 单回路反馈调节系统 单元机组负荷自动控制系统 自动调节系统的类型及应用场合5 5、蒸汽温度自动调节系统、蒸汽温度自动调节系统过热器与再热器过热器与再热器工艺流程简介工艺流程简介汽温控制任务与对象动态特性汽温控制任务与对象动态特性控制任务控制任务 维持主蒸汽温度在额度温度维持主蒸汽温度在额度温度55范围内范围内，同时对，同时对过热器受热面起保护作用。过热器受热面起保护作用。 汽温过高会使锅炉受热面及蒸汽管道金属材料的蠕汽温过高会使

26、锅炉受热面及蒸汽管道金属材料的蠕 变速度加快变速度加快, ,影响使用寿命。影响使用寿命。汽温降低汽温降低, ,将会使机组循环热效率降低将会使机组循环热效率降低, ,煤耗增大。煤耗增大。过热汽温变化过大，除使管材及有关部件产生疲劳过热汽温变化过大，除使管材及有关部件产生疲劳 外外, ,还将引起汽轮机中转子与汽缸的胀差变化还将引起汽轮机中转子与汽缸的胀差变化, ,甚甚 至产生剧烈振动，危及机组安全运行。至产生剧烈振动，危及机组安全运行。对机组的安全经济运行有极大的作用对机组的安全经济运行有极大的作用静态与动态特性静态与动态特性 汽温控制任务与对象动态特性汽温控制任务与对象动态特性动态特性动态特性

27、汽温控制任务与对象动态特性汽温控制任务与对象动态特性过热汽温控制策略过热汽温控制策略串级汽温串级汽温控制系统控制系统 过热汽温控制策略过热汽温控制策略导前汽温微分信号的双回路汽温控制系统导前汽温微分信号的双回路汽温控制系统 过热汽温控制策略过热汽温控制策略汽温自适应预测控制系统汽温自适应预测控制系统过热汽温控制策略过热汽温控制策略汽温自适应预测控制系统汽温自适应预测控制系统 )( )(1 )()()(2*11*2sKWsWKsWsWsWWKW过热汽温控制策略过热汽温控制策略汽温自适应预测控制系统汽温自适应预测控制系统(n)(n)e(n)1101)e(ne(n)ec(n)e e、ecec的模糊子集：的模糊子集：负大负大NB、负小、负小NS、零零ZO、正小正小PS、正大、正大PB；KpKp的模糊子集：的模糊子集：很小很小VS、小、小S、中中M、大大B、很大、很大VB 过热汽温控制系统实例过热汽温控制系统实例过热器一级喷水过热器一级喷水减温控制系统减温控制系统末级过热器喷水减温控制