过程控制-10-火力发电厂大型单元机组的控制

1、第十章火力发电厂大型单元机组的振动控制锅炉设备的工艺流程热空气燃料燃料嘴炉膛汽包过热器减温器PMD负荷设备调节阀过热蒸汽送负荷设备炉墙省煤器热空气送往炉膛给水空气预热器冷空气烟气(经引风机送往烟囱)锅炉设备的控制问题给水量减温水燃料量送风量引风量水 位蒸汽温度蒸汽压力过剩空气炉膛负压负荷锅炉设备 系统分解：（1）锅炉汽包水位的控制；（2）锅炉燃烧系统的控制；（3）过热蒸汽系统的控制。控制系统控制系统被控变量被控变量操纵变量操纵变量控制目的控制目的锅炉给水控制系统锅炉汽包水位给水流量锅炉内生产的蒸汽和给水的物料平衡锅炉燃烧控制系统蒸汽压力烟气成分炉膛负压燃料流量送风流量引风流量蒸汽负荷的平衡燃烧

2、的完全和经济性锅炉运行的安全性过热蒸汽控制系统过热蒸汽温度喷水流量过热蒸汽的温度和安全性锅炉设备的控制问题10.2 单元机组控制系统l 锅炉跟踪方式l 汽机跟踪方式l 机炉协调方式10.2.1 锅炉跟踪方式B10.2.2 汽机跟踪方式B10.2.3 机炉协调控制方式B 保证出口蒸汽压力稳定，能按负荷要求自动增减燃料量； 保证燃烧状况良好即要防止空气不足使烟囱冒黑烟，也不要因空气过量而增加热量损失； 保持锅炉有一定的负压，以免负压太小，造成炉膛内热气向外冒出，影响设备和工作人员安全。锅炉燃烧过程的控制主要包括：燃料量控制；送风控制；负压控制。锅炉燃烧过程的控制10.3.2 蒸汽压力控制和燃料与空

3、气比值控制系统图10.6(a) 燃烧过程的控制方案之一 图10.6(b) 燃烧过程的控制方案之二烟气含氧量的闭环控制系统图10.9 烟气中氧含量的闭环控制方案在锅炉燃烧系统中，燃料量和空气量需要满足一定的比值关系。为了使燃料完全燃烧，在提负荷时，要求先提空气量，后提燃料量；在降负荷时，要求先降燃料量，后降空气量。为此，可采用选择性控制系统，设置低选器FY1和高选器FY2，保证燃料量只在空气量足够的情况下才能加大，在减燃料量时，自动减少空气量。从而，提量过程中，先提空气量，后提燃料量。反之，在系统降量过程中，则先降燃料量，后降空气量，从而实现了空气和燃料量之间的逻辑要求，保证了充分燃烧，不会因空

4、气不足而使烟囱冒黑烟，也不会因空气过多而增加热量损失。锅炉燃烧过程的控制双交叉燃烧控制系统图10.10 双交叉燃烧控制系统炉膛负压控制与安全保护系统图10.11 炉膛负压前馈-反馈控制系统图10.12 防回火的联锁控制 图10.13 防脱火的选择控制 图10.14 防脱火和回火的选择控制炉膛负压控制与安全保护系统汽包水位的控制问题p被控变量：汽包水位，用H (s)表示p控制变量：汽包给水量，用G (s)表示p主要干扰：蒸汽负荷（蒸汽流量），用D (s)表示p通道对象：非自衡、非最小相位、非线性等特性被控变量是汽包水位，操作变量是给水流量。它主要是保持汽包内部的物料平衡，使给水量适应锅炉的蒸汽量

5、，维持汽包中水位在工艺允许范围内。这是保证锅炉、气轮机安全运行的必要条件，是锅炉正常运行的重要指标。当蒸汽流量突然增加时，水位应该下降。但是蒸汽流量突增瞬间导致汽包压力下降。汽包内水沸腾突然加剧，产生闪蒸，水中汽泡迅速增加。因此水位呈现出一开始不仅不下降反而迅速上升，然后再下降的所谓“虚假水位”现象。DHH 0HH 2H 1tt燃料量不变，蒸汽量Qs突然增加，瞬间会导致气包压力下降，气包内水位沸腾加剧，水中气泡迅速增加Vs，将整个水位抬高。形成虚假水位上升现象。所以在D的直接扰动下，水位变化曲线为：从物料平衡角度 ASsDsHDADGdHdA1LGH 变化得：经蒸汽流量变化量给水变化量锅炉气包

6、液位变化量锅炉气包容量参数在D作用下，该通道特性为一积分环节，曲线，引起水位变化H1。蒸汽负荷对水位的影响蒸汽负荷对水位的影响汽包水位的动态特性 12TsKsDsHD对H为一非周期环节，DPsVsH。直至压力Ps下降所放出得热量和水汽化吸收得热相平衡时，Vs不再变化，才达到新的平衡。曲线如图所示，传函为： 二者同时考虑曲线H表示了在D扰动下水位变化曲线，由H可得出：当DH（虚假水位），然后再下降。当DH，然后再上升。虚假水位大小与工作压力和蒸汽流量D变化有关。100-230T/h高中压锅炉，当负荷变化1时，假水位可达30-40mm。 1111121TsASsKATSKASsDsHsDsHsDs

7、H 从热平衡角度汽包水位的动态特性 给水流量给水流量G G对水位的影响（控制通道特性）对水位的影响（控制通道特性）GHHH 1tt物料平衡 ASsGsHDGdtHdA1L0D 1变换得：取时热平衡 12TsKsDsHG（开始阶段）H，因为水有一定过汽度，在热负荷不变化情况下。加热这部分水，需要在原有得水中吸收热量。结果导致总得气泡量VsH，直到气泡冷凝放热与增加得冷水吸热相等时。液位不再下降，Vs不变化，才达到了新得平衡。二者同时考虑其特性为在G作用下，H响应可以用一个纯滞后加积分环节表示。GHHH 1tt2H seASsGsH1汽包水位的动态特性非最小相位特性1)()(221sTKsKsDs

8、H) 1() 1() 1()()()(20121212sTssTKsTsKsTKKsDsH2120TKKT对象为非最小相位（存在位于复平面右半平面的零点）的条件为02120TKKT汽包水位的单冲量控制LC蒸汽汽包省煤器给水L 汽包液位 受控变量G 锅炉进水 控制变量适于小型锅炉，水在汽包内停留时间长，负荷变化小，假水位不显著时。单冲量控制系统存在三个问题：单冲量控制系统存在三个问题： 当负荷变化产生虚假液位时，将使控制器反向错误动作； 对负荷不灵敏。即当负荷变化时，需要引起汽包水位变化后才起控制作用，由于控制缓慢往往导致控制效果下降； 对给水干扰不能及时克服。当给水系统出现扰动时，控制作用缓慢

9、，需要等水位发生变化时才起作用。 为了克服以上问题，除了依据汽包水位以外，有时也可以根据蒸汽 流量和给水流量的变化控制给水阀，将能获得良好的控制效果。汽包水位的单冲量控制针对单冲量控制系统不能克服假水位的影响，针对单冲量控制系统不能克服假水位的影响，如果根据如果根据蒸汽流量来引起校正作用，就可以纠正虚假水位引起的蒸汽流量来引起校正作用，就可以纠正虚假水位引起的误动作，而且可以提前发现负荷变化，从而大大地改善误动作，而且可以提前发现负荷变化，从而大大地改善了控制的品质。了控制的品质。将蒸汽流量信号的引入，就构成了双冲将蒸汽流量信号的引入，就构成了双冲量控制系统。量控制系统。下图所示双冲量控制系统

10、实质上是一个前馈加单回路反下图所示双冲量控制系统实质上是一个前馈加单回路反馈控制的前馈馈控制的前馈-反馈控制系统。这里的前馈仅为静态前馈，反馈控制系统。这里的前馈仅为静态前馈，若要考虑两条通道在动态上的差异，则必须引入动态补若要考虑两条通道在动态上的差异，则必须引入动态补偿环节。偿环节。 汽包水位的双冲量控制汽包水位的双冲量控制LC蒸汽汽包省煤器给水PCPFC1PC +C2PF+C0前馈补偿原理：假设调节阀为气关阀，C1=1，则调节器为正作用，而C2应取负号，具体数值可现场调整或根据阀门特性计算其初始值。C0为一恒定偏置。设C0是在正常负荷下使之与C2PF相抵消，相当于静态时，对蒸汽流量的前馈

11、信号为0。此时相当于液面单回路控制，当负荷变化时，变化量作为前馈信号进入系统。负荷变化幅度大，停留时间较短，假水位严重时，可把蒸汽流量这一主要干扰作为一个冲量引入系统，构成双冲量控制系统。由于能同时根据L、D信号校正给水量。所以调节及时、准确，大大减小了气泡水位的波动。实质上该方案是在单回路基础上增加了一个前馈调节信号，对D干扰直接补偿。汽包水位的双冲量控制图10.19 双冲量控制系统方框图汽包水位的双冲量控制该控制方案的优点是水位上升与蒸汽流量增加时，控制阀动作方向相反，信号是相减的，因此，可节省仪表。缺点是由于水位控制器的测量信号是水位信号与蒸汽流量信号之差，因此，采用静态前馈时，不能保证

12、水位无余差。汽包水位的三冲量控制LC蒸汽汽包省煤器给水PCPFFCLC水位蒸汽FC给水PCPFC1PC +C2PF+C0三冲量控制系统的简化连接LC水位蒸汽给水C1C2C3LC水位蒸汽给水C3C1C2图10.22 三冲量控制系统方案一方框图汽包水位的三冲量控制(a) 原理图 (b) 控制系统方框图图10.23 三冲量控制系统方案二汽包水位的三冲量控制(a) 原理图 (b) 控制系统方框图图10.24 三冲量控制系统方案三汽包水位的三冲量控制蒸汽过热系统包括一级过热器、减温器、二级过热器。控制任务是使过热器出口温度维持在允许范围内，并且保护过热器使管壁温度不超过允许的工作温度。影响过热器出口温度

13、的主要扰动:蒸汽流量扰动、烟气侧传热量的扰动和喷水量的扰动。蒸汽过热系统的控制图10.28 过热蒸汽串级控制系统 图10.29 过热蒸汽双冲量控制系统蒸汽过热系统的控制 设定值回路设定值回路：在低负荷运行时，主蒸汽温度达不到额定温度，因而需要建立蒸汽温度设定值与蒸汽流量之间的函数关系。经蒸汽流量校正后的设定值与手动上限设定值一起组成设定值回路，向温度控制器提供设定值。 先行信号回路：先行信号回路：采用了反映外扰的先行信号，它建立在蒸汽流量与喷水控制阀门开度的函数关系的基础上，经过蒸汽流量和各种燃料混烧比等外扰修正后得到的喷水阀门开度信号，直接控制喷水阀的动作，起到前馈的作用，提高了系统克服扰动的能力。 主蒸汽温度的相位补偿回路：主蒸汽温度的相位补偿回路：在喷水量的扰动下，蒸汽温度的响