锅炉过热蒸汽的温度控制设计说明

1、本科生毕业设计本科生毕业设计锅炉过热蒸汽的温度控制锅炉过热蒸汽的温度控制TemperatureTemperature ControlofControlof SuperheatedSuperheated BoilerBoiler SteamSteamI / 50毕业设计原创承诺书1本人承诺：所呈交的毕业设计锅炉过热蒸汽的温度控制 ，是认真学习理解学校的理工大学本科毕业设计工作条例后，在教师的指导下，保质保量独立地完成了任务书中规定的容，不弄虚作假，不抄袭别人的工作容。2本人在毕业设计中引用他人的观点和研究成果，均在文中加以注释或以参考文献形式列出，对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体均已在文

2、中注明。3在毕业设计中对侵犯任何方面知识产权的行为，由本人承担相应的法律责任。4本人完全了解学校关于保存、使用毕业设计的规定，即：按照学校要求提交论文和相关材料的印刷本和电子版本；同意学校保留毕业设计的复印件和电子版本，允许被查阅和借阅；学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存毕业设计，可以公布其中的全部或部分容。以上承诺的法律结果将完全由本人承担！ 作者签名： 年 月 日I / 50摘摘 要要过热蒸汽温度控制系统是单元机组不可缺少的重要组成部分，其性能和可靠性已成为保证单元机组安全性和经济性的重要因素。过热蒸汽温度较高时，机组热效率则相对较高，但过高时，汽机的金属材料又无法承受，气温过低则影

3、响机组效率。过热蒸汽温度的稳定对机组的安全经济运行非常重要，所以对其控制有较高的要求。但是由于过热蒸汽温度是一个典型的大迟延、大惯性、非线性和时变性的复杂系统，本次设计采用串级控制以提高系统的控制性能，在系统中采用了主控-串级控制的切换装置，使系统可以适用于不同的工作环境。通过使用该系统，可以使得锅炉过热器出口蒸汽温度在允许的围变化，并保护过热器营壁温度不超过允许的工作温度。关键词：过热蒸汽温度 串级控制系统 Smith 预估器 MATLAB 仿真 II / 50AbstractThe superheated steam temperature control system is an imp

4、ortant and indispensable unit aircrew part, its performance and reliability has become ensure safety and economic behavior of the unit aircrew important factors. The superheated steam temperature is higher, the thermal efficiency is relatively high, but is high, the metal materials and the turbine u

5、nable to bear, the temperature is too low will influence the unit efficiency. The superheated steam temperature stability of the unit safe and economic operation is very important, so for the control have higher requirements. But because the superheated steam temperature is a typical time-delayed, l

6、arge inertia, nonlinear and changeable complex system, this design USES the cascade control in order to improve the control performance of the system, in the system by the master-cascade control of switching device, make the system can be used in different working environment. By using this system,

7、can make the boiler overheating export steam temperature in allowed within the scope of the change, and the protection of superheater wall temperature not more than allow the camp of working temperature.Key words: the superheated steam temperature; cascade control system;Smith predictor;MATLAB simul

8、ation2 / 50目录目录摘要 IAbstractII第 1 章绪论 11.1 选题的背景与意义 11.2 国外研究现状 11.3 本次设计的目的 21.4 本次设计的容 2第 2 章过热蒸汽温度控制系统的组成与对象特性 32.1 过热器的分类与基本结构 32.1.1 过热器的分类 32.1.2 过热器的基本结构 42.2 锅炉过热蒸汽温度控制系统的基本结构与工作原理 52.2.1 过热器一级减温控制系统 52.2.2 过热器二级减温控制系统 62.3 过热蒸汽温度控制对象的动静态特性 72.3.1 静态特性 72.3.2 动态特性 82.4 过热蒸汽温度调节的概念和方法 102.4.1

9、从蒸汽侧调节汽温 112.4.2 烟气侧调节汽温 11第 3 章过热蒸汽温度控制系统的基本方案 133.1 PID 控制器 133.1.1 比例积分微分（PID）调节器 133.1.2 PID 参数整定方法 143.2 串级温度控制系统 153.2.1 串级温度控制系统的基本结构与原理 153.2.2 串级温度控制系统的设计 163.2.3 串级温度控制系统的整定 183.2.4 串级温度控制系统的仿真 213.3 导前微分控制系统 223.3.1 导前微分控制系统的组成与原理 223.3.2 导前微分控制系统的分析 233 / 503.3.3 导前微分控制系统的整定 243.3.4 导前微分

10、控制系统的仿真 263.4 两种自动控制系统的比较与控制方案选择 27第 4 章主蒸汽温度控制系统的改进与仿真 294.1 Smith 预估补偿器 294.2 改进型史密斯预估器 324.3 带有改进型 Smith 预估器的主蒸汽温度控制系统设计与仿真 34第 5 章 结论 37参考文献 38致 39附录 401 / 50第第 1 1 章章 绪论绪论1.11.1 选题的背景与意义选题的背景与意义锅炉的过热蒸汽温度是工业蒸汽锅炉安全，稳定运行的重要指标之一。温度过高，会使蒸汽带水过多，汽水分离差，使后续的过热管壁结垢，传热效率下降，过热蒸汽温度下降，影响生产和安全；温度过低又将破坏部分水冷壁的水

11、循环还不能满足工艺要求，严重时会引起爆炸。因此，在锅炉运行中，保证过热蒸汽的温度达标是非常重要的1。过热蒸汽的温度一般可以看作是多容分布参数的受控对象，其动态特性描述可用多容惯性环节表示，该对象具有明显的滞后特性。在锅炉运行中，影响过热器出口蒸汽温度的因素很多，有蒸汽流量、锅炉给水温度、烟气温度、流量、流速等。在这些因素的共同作用下，过热汽温对象除了具有多容、大惯性、大延迟的特性之外，往往还表现出一定的非线性和时变特性，因此，过热蒸汽温度控制系统是锅炉各项控制系统中较为复杂的控制系统之一。所以针对上述情况设计的控制系统，既要求对烟气侧扰动与负荷扰动等较大外扰具有足够快的校正速度，同时又要求能够

12、对减温水的扰有较强的抑制能力，从而使系统具有足够的稳定性和良好的控制品质，并能保证系统运行的安全性。1.21.2 国外研究现状国外研究现状随着自动化技术与电子技术的发展，微型计算机、工业专用控制计算机的出现以与广泛的应用，为锅炉控制领域开辟了一片广阔的天地。运用计算机技术的高效率、高可靠性、全自动的微机工业测控系统开始日益得到重视。80 年代后期至今，国外已经陆续出现了各种各样的锅炉微机测控系统，明显的改善了锅炉的运行状况，但还不够完善。随着控制理论的发展，PID 控制已经广泛应用到了锅炉的过热蒸汽温度控制中。国外广大专家学者和现场工作人员主要关注的热点问题是：面对具有大延迟、工况参数对模型参

13、数有较大影响的过热汽温，如何稳定、准确、快速地对其进行有效的控制。过热汽温对象具有时变性、不确定性、非线性等特点，并且会有一些随机的扰动产生，工艺流程复杂，使其难以建立精确的数学模型。同时还具有延迟和惯性较大等特性。所以常规 PID 控制方法更难以取得满意的控制效果。因此，许多火电厂都希望能有一种理想的控制策略实现对过热汽温的有效控制。随着控制理论的不断发展，控制领域出现了许多新的控制方法，如预测控制方法、自适应控制方法、各种智能控制方法(包括模糊控制、神经网络、遗传算法等等)。除此之外还有综合了几种控制形式的混合式智能控制器等多种形式，如以模糊控制为基础的专家模糊控制系统，最常见的是以常规

14、PID 数字控制为基础，通过专家系统在线实时整定 PID 控制参数，即智能自适应 PID 控制器2。2 / 50一直以来，国外许多专家学者都在积极研究将这些新的控制算法应用到过热蒸汽温度的控制上。目前比较有效的是模糊-PID 复合串级控制系统，较好实现对过热蒸汽温度的控制。1.31.3 本次设计的目的本次设计的目的本文的设计目的，就是针对过热蒸汽温度的特点，在深入分析过热蒸汽温度调节的过程，过热蒸汽温度调节对象的静态特性、动态特性以与过热蒸汽温度控制的设计难的基础上，确定在过热蒸汽温度控制系统中应用串级控制的可行性，并考虑根据蒸汽温度偏差和偏差的变化情况调整控制器的各个参数，实现控制过热蒸汽温

15、度。并且通过仿真验证来控制效果。1.41.4 本次设计本次设计的容的容1分析了过热蒸汽温度调节的任务，静态特性，在蒸汽流量扰动、烟气流量扰动、减温水流量扰动三种主要扰动下过热汽温的动态特性，过热汽温控制的难点和设计原则，并对过热蒸汽温度控制系统的现状进行了大致的介绍。2.由于汽温对象具有大延迟、大惯性的特点，尤其随着机组容量和参数的增加，蒸汽的过热受热面的比例加大，使其延迟和惯性更大，使其控制难度加大。在各种扰动作用下反映出非线性、时变等特性，从而进一步加大了汽温控制的难度。介绍了串级控制系统和导前微分控制系统，并加以分析、比较。并对该系统参数进行整定。根据两种方案的特点，初步选用串级控制系统

16、，将串级控制引入到过热蒸汽温度控制系统中，但串级控制系统不能克服纯之后带来的影响，在接下来对串级控制系统进行了改进。3.通过对控制系统的改进与仿真，确定了一种引入改进型 Smith 预估器的串级控制系统，该系统根据蒸汽温度的偏差和偏差变化情况调整控制器的 PID因子，进而调整了控制系统的控制策略，解决具有纯迟延的过程控制，提高控制品质。同时，通过相应控制器去控制减温水调节阀的阀位开度，根据调节减温水的流量大小来控制过热蒸汽温度的变化，从而实现对过热蒸汽温度控制。仿真结果表明，基于改进型 Smith 预估器对大惯性、纯延迟系统具有较好的控制效果，提高了系统的鲁棒性得以提高，使控制品质变好。3 /

17、 50第第 2 2 章章 过热蒸汽温度控制系统的组成与对象特性过热蒸汽温度控制系统的组成与对象特性这里主要是针对 300MW 的单元机组锅炉，通过了解其高温、亚临界压力、自然循环、单炉膛前后对冲燃烧、燃煤粉汽包炉，且汽轮机为单轴、三缸、两排汽、再热、凝汽冲动式，说明过热器与再热器在锅炉中的位置与布置情况，从而全面掌握研究对象的生产过程，并熟悉其动静态特性与分析影响汽温变化的各种因素。2.12.1 过热器的分类与基本结构过热器的分类与基本结构2.1.12.1.1 过热器的分类过热器的分类过热器可以根据传热方式分为对流过热器、半辐射过热器与辐射过热器三种。现代大容量高参数锅炉的过热器主要由对流过热

18、器，屏式过热器，包覆过热器，顶棚过热器，联箱与减温器构成3。（1）对流过热器：布置在烟道，依靠热烟气对流传热的过热器，称为对流式过热器。对流过热器是由联箱和很多细长的蛇形管束所组成。过热器的进出口联箱放在炉墙外部，起着分配和汇集蒸汽的作用。蛇形管与联箱上的管接头焊接在一起。（2）辐射过热器：辐射过热器可布置在燃烧室四壁，也称墙式或壁式过热器，或布置在炉顶，称顶棚过热器，直接吸收辐射热。在做墙式布置时辐射过热器的管子可以布置在燃烧室四壁的任一面墙上，可以仅布置在燃烧室上部，也可以沿燃烧室高度全部布置；它可以集中布置在某一区域，也可以与蒸发受热面管子间隔布置。（3）屏式过热器和包覆过热器除了以上两

19、种过热器，还有一种介于两者之间的半辐射过热器。最常用的半辐射过热器是布置在燃烧室上部或出口处的高温烟区的屏式过热器。其管屏悬挂在炉顶的钢梁上，受热后能自由的向下膨胀。为了保持各屏间的节距，可将相临两屏中的若干对管子弯绕出来互相夹持在一起，而各屏本身的管子也应夹持在同一平面上。屏式过热器的汽温变化特性介于辐射与对流过热器之间，所以变化也比较平稳。图 2-1 是布置在不同烟温区域的过热器的汽温特性示意图。从图中可以看出，当锅炉负荷从 33%增加到满负荷时，曲线 1 所示的屏式过热器的汽温变化非常平稳，仅上升了 10；曲线 2 和 3 所示的对流过热器的汽温上升了 42和50；而曲线 4 代表的辐射

20、过热器的汽温却大幅下降了。由于屏式过热器具有过热汽温平稳的特点，在现代大型锅炉上广泛地采用了这种过热器。为了得到较好的传热效果，最好把屏式过热器布置在烟温为 9501050的烟道中。根据已采用屏式过热器的许多锅炉运行实践证明，它能够在 10001300烟温区可靠工作，并具有良好的汽温变化特性。4 / 501-布置在烟温 1200区域的屏式过热器；2、3-布置在烟温为 1000和 900区域的对流过热器；4-布置在燃烧室的辐射过热器图 2-1 布置在不同烟温区域的过热器气温特性2.1.22.1.2 过热器的基本结构过热器的基本结构300MW 单元机组是是我国火力发电机组的主要型号。300MW 机

21、组锅炉的过热器，具体结构如图 2-2 所示。该过热器具有以下特点：由于过热蒸汽参数高，炉膛布置大量屏式过热器。采用辐射式、半辐射式和对流过热器联合过热系统，以获得良好的过热蒸汽温度变化特性。低温过热器采用逆流布置，以便获得较大的传热温差，从而节约钢材。1-汽包；2-前屏过热器；3-后屏过热器；4-顶棚过热器；5-侧墙包覆过热器；6-后墙包覆过热器；7-低温对流过热器；8-第一级减温器；9-第二级减温器；10-高温对流过热器图 2-2 300MW 机组过热器系统图5 / 50采用两级喷水减温，一是为了使汽温调节更灵敏，减小热惯性，二是为了保护过热器。第一级喷水减温器布置在前屏过热器之后，用来调节

22、因负荷、给水温度和燃料性质变化而引起的汽温变化，为粗调。第二级喷水减温器布置在高温对流过热器之前，这一级热惯性小，可保证出口汽温能得到迅速调节。减温器共有四只，每级安装两只，每只喷水量为每级喷水量的一半。蒸汽流程为：饱和蒸汽由汽包引出后经一部分顶棚过热器进入侧墙和后墙包覆过热器，流出后在联箱混合，进入低温对流过热器，出来后再经过另一部分顶棚过热器进入前屏过热器，流出后经过第一级喷水减温器减温，再进入后屏过热器，流出后经过第二级减温器减温，进入高温对流过热器完成最后一次过热后，送往汽轮机。2.22.2 锅炉过热蒸汽温度控制系统的基本结构与工作原理锅炉过热蒸汽温度控制系统的基本结构与工作原理这里针

23、对 300MW 机组锅炉的过热蒸汽温度控制系统为设计对象，对其系统结构和工作原理进行介绍。 该 300MW 机组锅炉的过热蒸汽温度控制采用二级喷水减温控制方式。过热器设计成两级喷水减温方式，除可以有效减小过热蒸汽温度在基本扰动下的延迟，改善过热蒸汽温度的调节品质外，第一级喷水减温还具有防止屏式过热器超温、确保机组安全运行的作用。本机组锅炉过热器一、二级喷水减温器的控制目标就是在机组不同负荷下维持锅炉二级减温器入口和二级减温器出口的蒸汽温度为设定值。2.2.12.2.1 过热器一级减温控制系统过热器一级减温控制系统过热器一级减温控制系统的原理简图如图 2-3 所示。该系统是在一个串级双回路控制系

24、统的基础上，引入前馈信号和防超温保护回路而形成喷水减温控制系统。主回路的被控量为二级减温器入口的蒸汽温度，其实测值送入主回路与其给定值进行比较，形成二级减温器入口蒸汽温度的偏差信号。主回路的给定值由代表机组负荷的主蒸汽流量信号经函数器 f(x)产生，其含义为给定值是负荷的函数。运行人员在操作员站上可对此给定值给予正负偏置。主回路的控制由 PID1 来完成。主回路控制器接受二级减温器入口蒸汽温度偏差信号，经控制运算后其输出送至副回路。副回路的被控量为一级减温器出口的蒸汽温度。其温度的测量值送入副回路与其给定值进行比较，形成一级减温器出口蒸汽温度的偏差信号。副回路的给定值是由主回路控制器的输出与前

25、馈信号叠加形成。副回路采用 PID2 调节器，它接受一级减温器出口蒸汽温度的偏差信号。6 / 50图 2-3 过热器一级减温控制系统由于机组的负荷会改变，控制对象的动态特性也随之而变，为了在较大的负荷变化围都具备较高的控制品质，在大型机组的蒸汽温度控制中，可充分利用计算机分散控制的优点，将主、副调节器设计成自动随着负荷的变化不断地修改整定参数的调节器，上述蒸汽温度控制系统就是如此。2.2.22.2.2 过热器二级减温控制系统过热器二级减温控制系统过热器二级减温控制系统的原理简图如图 2-4 所示。该系统与一级减温控制系统的结构基本一样，不同之处在于：主、副调节器输入的偏差信号不同，采用的前馈信

26、号也不同。二级减温控制系统的主回路的被控量为二级过热器的出口蒸汽温度，该蒸汽温度与主回路的给定值进行比较，形成二级过热器出口蒸汽温度偏差信号，主回路的给定值由运行人员手动设定，对于 300MW 机组在正常负荷时，给定值一般为 540。副回路的被控量为二级减温器出口蒸汽温度，其温度的测量值送入副回路与其给定值比较，形成二级减温器出口蒸汽温度的偏差信号。副回路给定值是上主回路控制器的输出与前馈信号叠加而形成的。二级减温控制的主回路前馈信号采用了基于焓值计算的较为完善的方案。其前馈信号有主蒸汽温度和压力的给定值的函数，还有主蒸汽流量代表机组负荷以与送风量、燃烧器火嘴摆动倾角等。7 / 50图 2-4

27、 过热器二级减温控制系统除了以上容外，二级减温控制系统的其他部分以与工作原理与一级减温控制系统完全一样。由于二级过热器蒸汽温度控制是锅炉出口蒸汽温度的最后一道控制手段，为了保证汽轮机的安全运行，要求尽可能提高锅炉出口蒸汽温度的调节品质。因此本次设计主要是对二级减温控制系统的设计，使机组在不同负荷下维持锅炉二级减温器入口和二级减温器出口的蒸汽温度为设定值。2.32.3 过热蒸汽温度控制对象的动静态特性过热蒸汽温度控制对象的动静态特性2.3.12.3.1 静态特性静态特性1.锅炉负荷与过热汽温的关系对于对流式过热器来说，当锅炉的负荷增加时，会使出口汽温的稳态值升高；辐射式过热器则具有相反的汽温特性

28、，即当锅炉的负荷增加时，会使出口汽温的稳态值降低。如果两种过热器串联配合，可以取得较平坦的汽温特性。2.过剩空气系数与过热汽温的静态关系8 / 50过剩空气量改变时，燃烧生成的烟气量改变，因而所有对流受热面吸热随之改变，而且对离炉膛出口较远的受热面影响显著。因此，当增大过剩空气量时将使过热汽温上升。3.给水温度与汽温关系提高给水的温度，将使过热汽温下降，这是因为产生每千克蒸汽所需的燃料量减少了，流过过热器烟气也就减少了。也可以认为：提高给水温度后，在一样燃料下，锅炉的蒸发量增加了，因此过热汽温将下降。则是否投入高压给水加热器将使给水温度相差很大，这对过热汽温有显著的影响。4.燃烧器的运行方式与

29、过热汽温的静态关系在炉膛投入高度不同的燃烧器或改变燃烧器的摆角会影响炉温度分布和炉膛出口烟温，因而也会影响过热汽温，火焰中心相对提高时，过热汽温将升高。2.3.22.3.2 动态特性动态特性目前，单元机组厂广泛采用喷水减温方式来控制过热蒸汽温度。影响汽温变化的因素很多，但主要有蒸汽流量、烟气传热量和减温水量等。在各种扰动下，汽温控制对象是有延迟、惯性和自平衡能力的4。1.蒸汽流量扰动下的蒸汽温度对象的动态特性引起蒸汽流量扰动的原因有两个：一是蒸汽母管的压力变化；二是汽轮机调节阀的开度变化。当锅炉负荷扰动时，蒸汽流量的变化使沿整个过热器管路长度上各点的蒸汽流速几乎同时改变，从而改变过热器的对流放

30、热系数，使沿整个过热器各点的蒸汽温度几乎同时改变，因而汽温反应较快。其传递函数可以表示为：2( )( )( )1sDDSKW SeD ST S(2-1)式中 ：KD锅炉负荷扰动时被控对象的放大系数；一负荷扰动后对象的滞后时间；TD对象的时间常数。从阶跃响应曲线可知，其特点是：有延迟、有惯性、有自平衡能力，但其延迟和惯性都比较小，即时间常数 和滞后时间 都比较小,且 较小。动态特性曲线如图 2-5（a）所示。9 / 50(a)蒸汽量 D 或烟气传热量 Q 扰动（b）减温水 WS扰动图 2-5 在扰动下温度的变化曲线2.烟气侧热量扰动下蒸汽温度对象的动态特性当燃料量、送风量或煤种等发生变化时，都会

31、引起烟气流速和烟气温度的变化，导致过热器出口温度的变化。烟气侧扰动的汽温响应曲线如图 2-5（a）所示。它与蒸汽量扰动下的情况类似。烟气热量的扰动也几乎同时影响过热器管道长度方向各处的蒸汽温度，故它是一个具有自平衡能力、滞后和惯性都不大的对象，其传递函数可表示为一个二阶系统，见式(2-2)22212( )1( )( )1SSW SSTST S(2-2)式中：( )SS为烟气温度但对象特征总的特点是：有迟延，有惯性，有自平衡能力，其动态特性曲线如图 2-5（a）所示。3.蒸汽温度在减温水量扰动下的动态特性当减温水量发生扰动时，虽然减温器出口处汽温已发生变化，但要经过较长的过热器管道才能使出口汽温

32、发生变化，其扰动地点与测量蒸汽温度的地点之间有着较大的距离，此时过热器是一个有纯滞后的多容对象。动态曲线图如图 2-5（b）所示。当扰动发生后，要隔较长时间才能是蒸汽温度发生变化，滞后时间比较大。综上所述，可归纳出以下几点：（1）过热器出口蒸汽温度对象不管在哪一种扰动下都有延迟和惯性，有自平衡能力。而且改变任何一个输入参数，其他的输入参数都可能直接或间接的影响出口蒸汽温度，这使得控制对象的动态过程十分复杂。（2）在减温水流量扰动下，过热器出口蒸汽温度对象具有较大的传递滞后和容量滞后，减小减温器与蒸汽温度控制点之间的距离，可以改善其动态特性。（3）在烟气侧热量和蒸汽流量扰动下，蒸汽温度控制对象的

33、动态特性比较好。10 / 50由图可见，在减温水流量扰动下，减温器出口过热汽温1的响应比过热器出口汽温2快得多，可以肯定，在喷水减温过热蒸汽温度调节系统中，以1作为导前信号构成串级调节系统，可大大改善控制系统的性能。在减温水流量扰动下，导前汽温的传递函数可表示为：222022( )( )( )(1)nSKWSST S（2-3）式中：2K减温水流量扰动下导前汽温的放大系数；2T为减温水流量扰动下导前汽温对象的时间常数；2n阶数；在减温水流量扰动下，过热汽温的传递函数可表示为：00100( )( )( )(1)nKSW SST S（2-4）式中：0K一减温水流量扰动下过热蒸汽温度的放大系数；0T为

34、减温水流量扰动下过热蒸汽温度的时间常数；0n阶数；对象惰性区的传递函数可表示为：1110121( )( )( )(1)nSKWSSTS（2-5）式中：1K减温水流量扰动下惰性区温度的放大系数；1T为减温水流量扰动下惰性区温度的时间常数；1n阶数；总的来说，根据对过热蒸汽温度调节对象做阶跃扰动试验得出的动态特性曲线可知，它们均为有延迟的惯性环节，但各自的动态特性参数值有较大的差别。2.42.4 过热蒸汽温度调节的概念和方法过热蒸汽温度调节的概念和方法维持稳定的汽温是保证锅炉安全和经济运行所必须的。汽温过高会使金属应力下降，将影响机组的安全运行；汽温降低则会机组的循环的效率。因此，要求锅炉设置适当

35、的调温手段，以减小扰动对汽温波动的影响。对汽温调节方法的基本要：调节惯性或延迟时间小，调节围大，对热循环热效率影响小，结构简单可靠与附加设备消耗少。11 / 50汽温的调节可归结为两大类：蒸汽侧的调节和烟气侧的调节。所谓蒸汽侧的调节，是指通过改变蒸汽的热焓来调节温度。例如喷水式减温器向过热器中喷水，喷入的水的加热和蒸发要消耗过热蒸汽的一部分热量，从而使汽温下降，调节喷入的水量，可以达到调节汽温的目的。烟气侧的调节，使通过改变锅炉辐射受热面和对流受热面的吸热量分配比例的方法或改变流经过热器的烟气量的方法来调节过热蒸汽温度。2.4.12.4.1 从蒸汽侧调节汽温从蒸汽侧调节汽温汽温调节通常采用喷水

36、减温作为主要调节手段。减温器通常采用给水作为冷却工质。喷水减温的方法是将水呈雾状直接喷射到过热蒸汽中去与之混合，吸收过热蒸汽的热量使本身加热，蒸发，过热，最后也成为过热蒸汽的一部分。被调温的过热蒸汽由于放热，所以汽温降低，达到了调温的目的。喷水减温调节操作简单，只要根据汽温的变化适当的变更相应的减温水调节阀门开度，改变进入减温器的减温水量即可达到调节过热汽温的目的。当汽温偏高时，开大调节门增加减温水量；当汽温偏低时，关小调节阀门减少减温水量，或者根据需要将减温器撤出运行。单元机组的锅炉对汽温要求较高，故通常装置两级以上的喷水减温器。第一级布置在分隔屏过热器之前，被调参数是屏式过热器出口汽温，其

37、主要任务是保护屏式过热器，防止壁管超温。这级减温器只能作为主蒸汽温度的粗调节。该锅炉第二级喷水减温器设在末级对流过热器进口，被调参数是主蒸汽出口温度，由于此处距主蒸汽出口距离近，且此后蒸汽温度变化幅度也不大，所以第二级喷水减温的灵敏度高，调节时滞也小，能有效的保证主蒸汽出口温度符合要求，因而该级喷水调节是主蒸汽的细调节。第二级喷水减温器往往分两侧布置，以减小过热汽温热偏差。喷水减温器调节汽温的特点是，只能使蒸汽减温而不能升温。因此，锅炉按锅炉额定负荷设计时，过热器受热面的面积是超过需要的，也就是说，锅炉在额定负荷下运行时过热器吸收的热量将大于蒸汽所需要的过热热量，这时就必须用减温水来降低蒸汽的

38、温度使之保持额定值。由于喷水减温设备简单，操作方便，调节又灵敏，所以仍得到广泛应用。2.4.22.4.2 从烟气侧调节汽温从烟气侧调节汽温1、改变火焰中心位置。改变火焰的中心位置可以改变炉辐射吸热量和进入过热器的烟气速度，因而可以调节过热汽温。当火焰中心位置抬高时，火焰离过热器较近，炉辐射吸热量减少，炉膛出口烟温升高，则过热汽温将升高。火焰中心位置降低时，则过热汽温降低。改变火焰中心位置的方法有：（1）调整喷燃器的倾角。在高负荷时，将喷燃器向下倾斜某一角度，可以使火焰中心位置下移，使进入过热器区的烟气温度下降，减小过热器的传热温12 / 50差，使汽温降低。而在低负荷时，将喷燃器向上倾斜适当角

39、度，则可以使火焰中心位置提高，使汽温升高。（2）改变喷燃器的运行方式。当沿炉膛高度布置有多排喷燃器时，可以将不同高度的喷燃器组投入或停止工作，即通过上、下排喷燃器的切换，来改变火焰中心位置。当汽温高时应尽量先投用下排的燃烧器，汽温低时可切换成上排喷燃器运行。（3）变化配风工况。用改变上、下排二次风分配比例的办法来改变火焰中心位置。当汽温高时，可开大上排二次风，关小下排二次风，以压低火焰中心。当汽温低时，则关小上排二次风，开大下排二次风，以抬高火焰中心。2.改变烟气量。若改变流经过热器的烟气量，则烟气流速必然改变，使对流传热系数变化，从而改变了烟气对过热器的放热量。烟气量增多时，烟气流速大，使汽

40、温升高；烟气量减少时，烟气流速小，使汽温降低。改变烟气量即改变烟气流速的方法有：（1）采用烟气再循环。改变再循环烟气量，可以同时改变流过过热器的烟气流量和烟气含热量，因而可以调节汽温。（2）烟气旁路调节。采用这种方法是将过热器处的对流烟道分隔成主烟道和旁路烟道两部分。在旁路烟道中的受热面之后装有烟气挡板，调节烟气挡板的开度，即可改变通过主烟道的烟气流速，从而改变主烟道中受热面的吸热量。（3）调节送风量。调节送风量可以改变流经过热器的烟气量，即改变烟气流速，达到调节过热汽温的目的。调节送风量首先必须满足燃烧工况的要求，以保证锅炉机组运行的安全性和经济性。由以上分析可知喷水减温调节操作简单，调节又

41、灵敏，只要根据汽温的变化适当的变更相应的减温水调节阀门开度，改变进入减温器的减温水量即可达到调节过热汽温的目的。并且对过热器的安全运行比较理想，尽管对象的调节特性不够理想，但可以从对象的调节通道中找出一个比被调量反应快的中间点信号作为调节器的补充反馈信号，以改善对象调节通道的动态特性，提高调节系统的质量。所以喷水减温还是目前被广泛使用的过热蒸汽温度调节方法。本次设计就是采用喷水减温作为主要调节手段。13 / 50第第 3 3 章章 过热蒸汽温度控制系统的基本方案过热蒸汽温度控制系统的基本方案过热气温控制中一般应用 PID 控制器来进行调节，下面将简单介绍 PID 控制器和 PID 参数整定的方

42、法。过热汽温的控制方案很多，传统的汽温控制系统有两种：串级汽温控制系统和采用导前微分信号的汽温控制系统。由于过热汽温控制通道的迟延和惯性很大，被调量信号反应慢，因此选择减温器后的汽温作为局部反馈信号，形成了上述的两种双回路控制系统。下面将分别加以介绍并确定控制方案。3.13.1 PIDPID 控制器控制器在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称 PID 控制，又称 PID 调节5。PID 控制器问世至今已有近 70 年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理

43、论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用 PID 控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用 PID 控制技术。PID 控制，实际中也有 PI 和 PD 控制。PID 控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。3 3. .1 1. .1 1 比例积分微分（比例积分微分（PIDPID）调节器）调节器理想的比例积分微分（ PID）调节器由比例、积分和微分三种调节作用叠加而成，其动态方程为：(3-1)t0didtdeTedtT1e1其传递函数为：(3-2)( )(

44、)( )+1+11=sE=ssTsTsWdiPID式中：积分时间：piIKTK；微分时间：ddpKTK；比例带：1pK；微分惯性时间常数：dDDTTKPID 调节器中，有三个可以调整的参数：即比例带、积分时间 Ti和微分时间 Td。适当选择这三个参数的数值，可以获得良好的调节质量。14 / 50实际 PID 调节器的阶跃响应曲线如下图所示：teoe0to0eD0K1eDPIPID图3-1 实际 PID 调节器的阶跃响应曲线实际 PID 调节器在阶跃输入下，开始时微分作用的输出变化最大，使总的输出大幅度地变化，产生一个强烈的超前调节作用，把这种调节作用看成为预调；然后微分作用消失，积分作用逐渐占

45、主导地位，只要静态偏差存在，积分作用便不断增加，把这种调节作用可看成为细调，一直到静态偏差完全消失，积分作用才停止；而在 PID 的输出中，比例作用是自始至终与偏差相对应的，它是一种基本的调节作用。3.1.23.1.2 PIDPID 参数整定方法参数整定方法1.临界比例度法先在纯比例作用下（把积分时间放到最大，微分时间放到零） ，在闭合的调节系统中，从大到小地逐渐地改变调节器的比例度，就会得到一个临界振荡过程。这时的比例度叫临界比例度 k，周期为临界振荡周期 Tk。记下 k和 Tk，然后按经验公式来确定调节器的各参数值。2.衰减曲线法临界比例度法是要系统等幅振荡，还要多次试凑，而用衰减曲线法较

46、简单，一般又有两种方法。（1）4：1 衰减曲线法使系统处于纯比例作用下，在达到稳定时，用改变给定值的办法加入阶跃干扰，观察记录曲线的衰减比，然后逐渐从大到小改变比例度，使出现 4：1 的衰减比为止。记下此时的比例度 k和振荡周期 Ts。再按经验公式（见附录）来确定 PID 数值。（2）10：1 衰减曲线法有的过程，4：1 衰减仍嫌振荡过强，可采用 10：1 衰减曲线法。方法同上，得到 10：1 衰减曲线，记下此时的比例度 k 和上升时间 Ts，再按经验公式（见附录）来确定 PID 的数值。15 / 503.经验试凑法（1）根据不同调节系统的特点，先把 P、I、D 各参数放在基本合适的经验数值上

47、，这些数值是由大量实践经验总结得来的（按 4：1 衰减） 。（2）看曲线，调参数，根据操作经验，看曲线的形状，直接在闭合的调节系统中逐步反复试凑，一直得到满意数据。4.软件自动整定法（1）在自动或手动模式下对回路引入一个阶跃测试；（2）软件自动收集过程数据，运用专家系统加以分析，并建立数学模型；（3）使用建立的学模型自动计算出具有鲁棒性的 PID 参数。目前国应用最为广泛的方法是经验试凑法，但需要工程师的经验。而国外应用最为广泛的方法是软件自动整定法，方便、快捷、可靠。3.23.2 串级温度控制系统串级温度控制系统单回路控制系统是各种复杂控制系统的基础，由于其控制简单而得到广泛应用。但随着工业

48、技术的不断更新，工业生产过程对工业参数提出了越来越严格的要求，并且由于生产过程中各参数间的关系复杂化与控制对象迟延和惯性的增大，都使得单回路控制系统不能满足要求。因而产生了许多新的、较复杂的控制系统，如串级控制、导前微分控制、复合控制、分段控制、多变量控制等。串级控制系统对改善控制品质有独到之处，本节将对其组成、特点与整定进行讨论。3.2.13.2.1 串级温度控制系统的基本结构与原理串级温度控制系统的基本结构与原理过热蒸汽温度串级控制系统的结构图 3-2 所示：图 3-2 过热汽温串级控制系统16 / 50该汽温串级控制系统中，有主、副两个调节器。由于汽温对象具有较大的延迟和惯性，主调节器多

49、采用 PID 控制规律，其输入偏差信号为0I-2I，输出信号为1TI，副调节器采用 PI 或 P 控制规律，接受导前汽温信号1I和主调节器输出信号 I1T，输出为2TI。当过热汽温升高时，2I增加，主调节器输出1TI减小，副调节器输出2TI减小，减温水量增加，过热汽温下降。在主、副调节器均具有PI 控制规律的情况下，当系统达到稳定时，主、副调节器的输入偏差均为零，即：2I=0I；1I=1TI由此也可以认为主调节器的输出1TI是导前汽温1I的给定值。过热汽温串级控制系统的原理方框图如图 3-3 所示，具有外两个回路。回路由导前汽温变送器、副调节器、执行器、减温水调节阀与减温器组成；外回路由主汽温

50、对象、汽温变送器、主调节器与整个回路组成。系统中以减温器的喷水作为控制手段，因为减温器离过热器出口较远，且过热器管壁热容较大，主汽温对象的滞后和惯性较大。若采用单回路控制主汽温1q，无法取得满意的控制品质。为此再取一个对减温水量变化反映快的中间温度信号2q作为导前信号，增加一个调节器 PI2 组成如图 3-2 所示的串级控制系统。调节器 PI2 根据2q信号控制减温水阀，如果有某种扰动使汽温2q比1q提早反映，那么由于 PI2的提前动作，扰动引起的2q波动很快消除，从而使主汽温1q基本不受影响。另外，PI2 的给定值受调节器 PI1 的影响，后者根据1q改变2q的给定值，从而保证负荷扰动时，仍

51、能保持 X 满足要求。可见，串级系统中采用了两级调节器。温温度度调调节节器器1 1温温度度调调节节器器2执执行行器器阀阀门门减减温温器器过过热热器器温温度度变变送送器器2温温度度变变送送器器1内内扰扰温温度度测测量量值值温温度度给给定定值值图 3-3 过热汽温串级控制系统的原理方框图3.2.23.2.2 串级温度控制系统的设计串级温度控制系统的设计为充分发挥串级控制系统的优点，在设计实施控制系统时，还应适当合理的设计主、副回路与选择主、副调节器的控制规律。1.主、副回路的设计原则17 / 50（1）副参数的选择，应使副回路的时间常数小，控制通道短，反应灵敏。通常串级控制系统是被用来克服对象的容

52、积迟延和惯性。副回路应该把生产系统的主要干扰包括在，应力求把变化幅度最大、最剧烈和最频繁的干扰包括在副回路，以充分发挥副回路改善系统动态特性的作用，保证主参数的稳定。因此，在设计串级控制系统时，应设法找到一个反应灵敏的副参数，使得干扰在影响主参数之前就得到克服，副回路的这种超前控制作用，必然使控制质量有很大的提高。（2）副回路应包含被控对象所受到的主要干扰。串级控制系统对进入副回路的扰动有很强的克服能力，为发挥这一特殊作用，在系统设计时，副参数的选择应使得副回路尽可能多的包括一些扰动。但这将与要求副回路控制通道短，反应快相矛盾，应在设计中加以协调。在具体情况下，副回路的围应当多大，取决于整个对

53、象的容积分布情况以与各种扰动影响的大小。副回路的围也不是愈大愈好。太大了，副回路本身的控制性能就差，同时还可能使主回路的控制性能恶化。一般应使副回路的频率比主回路的频率高的多，当副回路的时间常数加在一起超过了主回路时，串级控制效果就不明显。（3）主、副对象的时间常数应适当匹配。由于串级系统中主、副回路是两个相互独立又密切相关的回路。如果在某种干扰作用下，主参数的变化进入副回路时，会引起副回路中参数振幅增加，而副参数的变化传到主回路后，又迫使主参数变化幅度增大，如此循环往复，就会使主、副参数长时间大幅度波动，这就是所谓串级系统的“共振现象” 。一旦发生了共振系统就失去控制，不仅使系统控制品质恶化

54、，如不与时处理，甚至可能导致生产事故，引起严重后果。为确保串级系统不受共振现象的威胁，一般取（3-3）12310ddTT式子中： 为主回路的振荡周期； 为副回路振荡周期，要满足式子（3-3） ，除了在副回路设计中加以考虑之外，还与主、副调节器的整定参数有关。2.主、副调节器的选型串级控制系统中，主调节器和副调节器的任务不同，对于它们的选型即控制规律的选择也有不同考虑。（1）副调节器的选型副调节器的任务是要快速动作以迅速消除进入副回路的扰动，而且副参数并不要求无差，所以一般都选 P 调节器，也可采用 PD 调节器，但这增加了系统的复杂性，在一般情况下，采用 P 调节器就足够了，如果主、副回路频率

55、相差很大，也可以考虑采用 PI 调节器。（2）主调节器的选型18 / 50主调节器的任务是准确保持被调量符合生产要求。凡是需采用串级控制的生产过程，对控制的品质都是很高的，不允许被调量存在静差。因此主调节器必须具有积分作用，一般都采用 PI 调节器。如果控制对象惰性区的容积数目较多，同时又有主要扰动落在副回路以外的话，就可以考虑采用 PID 调节器。3.主、副回路调节器调节规律的选择原则（1）主参数控制质量要求不十分严格，同时在对副参数的要求也不高的情况下，为使两者兼顾而采用串级控制方式时，主、副调节器均可以采用比例控制。（2）要求主参数波动围很小，且不允许有余差，此时副调节器可以采用比例控制

56、，主调节器采用比例积分控制。（3）主参数要求高，副参数亦有一定要求这时主、副调节器均采用比例积分形式。3.2.33.2.3 串级温度控制系统的整定串级温度控制系统的整定在如图 3-4 所示的串级系统中，因为两个调节器串在一起，在一个系统中工作，相互之间或多或少的有些影响，因此在串级系统的整定要比简单系统复杂些。图 3-4 串级控制系统方框图 1.两步整定法：先整定副控制器，后整定主控制器（1）先整定副调节器当副回路受到阶跃扰动时，在较短时间副回路控制过程就结束。在此期间，主回路基本上不参加动作，由图 3-3 得整定副回路时的方框图，如图 3-5（a）所示。可按单回路系统的整定方法整定副调节器

57、2TWs。 （2）整定主调节器 当主回路进行控制时，副回路几乎起理想随动作用，由图 3-4 可得副回路的闭和传递函数：222( )1( )( )mY sR sWs（3-4）19 / 50 即在主回路中副回路可看作一个比例环节，由此画出整定主回路时的方框图，如图 3-5（b）所示。可按单回路系统的整定方法整定主调节器 1TWs的参数。按上述步骤整定系统后，通常应满足213（1、2分别为主、副回路主导衰减振荡成分的频率） 。要达到此要求整定时应考虑以下几个问题： 对象的动态特性。控制对象前区动态特性02( )Ws与整个控制对象的动态特性00102( )( )( )W sWs Ws相比，应有较小的迟

58、延和惯性。 调节器类型的选择。副调节器2( )TWs可选用 P（或 PD）调节器，主调节器应选用 PI 调节器，以使副回路有较高的衰减振荡频率。 整定指标的选择。副回路可取较低的稳定性裕量（例如0.75）而主回路则取较高的稳定性裕度（例如0.9） 。Wr2(s)W02(s)Wm2(s)Wr1(s)Wm1(s)1/Wm2(s)R2(s)Y2(s)a)W01(s)b)R2(s)Y2(s)图 3-5 主副调节器分别独立整定时的方框图另外，按此方法整定串级系统时还应考虑控制对象惰性区动态特性的求取。在图 3-5 中，控制对象导前区的特性02( )Ws可直接由实验测得，而惰性区的特性01( )Ws不一定

59、能直接由实验获得，但整个控制对象的动态特性00102( )( )( )W sWs Ws总是可以由实验测得，因此对象惰性区的动态特性01( )Ws原则上可以由0( )W s和02( )Ws算出：00102( )( )( )W sWsWs（3-5）例如：锅炉过热蒸汽温度控制对象与其导前区的动态特性常可表示为：001001020( )( )( )( )( )(1)nKsW sWs WssT s（3-6）222022( )( )( )(1)nsKWssT s（3-7）式中：为减温水阀门的开度。利用级数展开和低阶近似，惰性区的动态特征可表示为： 1110121( )( )( )(1)nsKWssTs（3

60、-8）20 / 50式中： 22200220002211122200220022;n Tn TKn Tn TKTnKn Tn Tn Tn T如果控制对象与其导前区动态特性可以用式（3-4） 、 （3-5）来表示，而且有22n 和03n ，那么当 00223n Tn T时（00n T和22n T分别为0( )W s和02( )Ws分母中 s 项的系数） ，可以满足主、副调节器按图 3-5 分别整定的条件，而惰性区对象表示为： (3-9)002000101ns)T(1KKns)T(1K(s)W这样避免了由0( )W s和02( )Ws计算出01( )Ws的麻烦，尤其用阶跃响应实验曲线整定主调节器时