MW机组汽温控制系统分析

1、.600MW机组的主汽温控制系统分析、设计与仿真摘要：随着经济发展、科技技术的革新、国民对电力的更高要求的不断提升，现在300MW机组已经慢慢退出电力发产的舞台中心，取而代之的是600MW机组。电站锅炉主汽温（过热汽温）影响着机组的安全经济运行，所以主汽温（过热汽温）的控制系统的设计和分析就非常必要。本文对被控对象过热器进行了特性分析，较为详细的描述了常用的串级控制、导前微分信号控制和SMITH控制的系统的结构和原理。并结合了托克托电厂的汽温控制系统较为全面的分析了其汽温控制系统的特点和优点。关键字：600MW机组 主汽温（过热汽温）控制 Analysis of 600MW Unit Stea

2、m Temperature Control SystemAbstractWith economic development, science and technology innovation, people on higher demand for electricity on the rise，Now 300MW power unit has slowly made out of center stage production，replaced by the 600MW unit. Superheated steam temperature has an important influen

3、ce on safe and economic operation of the unit. So design and analysis of superheated steam temperature and reheated steam temperature control system is very necessary. This paper was accused of object characteristics of superheater , a more detailed description of the commonly used cascade control,

4、Guidance Differential signal control, SMITH control system structure and principle . And combined with steam temperature control system of Tuoketuo power plant , analyzed its steam temperature control systems characteristics and advantages.Keywords : 600MW Unit Superheated steam temperature control

5、目录摘要：IIAbstractIII一、600MW机组的介绍51.1、近年我国600MW机组发展情况51.2 600MW机组的汽温系统介绍21.2.1 过热汽温控制的重要性21.2.2过热汽温控制系统的被控对象21.3 600MW过热汽温控制系统的现况4二、600MW机组的几种典型的汽温控制方42.1、600MW机组的过热汽温控制系统的任务和难度42.2 600MW机组过热汽温控制对象的动静态特性52.2.1、静态特性52.2.2 动态特性62.3 过热汽温系统的串级控制方案92.3.1串级控制系统的基本原理92.3.2串级控制系统的分析112.4 过热汽温的导前微分控制方案142.4.1导前

6、微分控制系统的特点152.4.2导前微分控制系统的组成152.4.3导前微分控制系统分析162.5、SMITH预估控制系统182.6 三种汽温控制系统的比较20三、再热汽温控制系统的分析21四、托克托电厂的汽温控制系统分析224.1 托克托电厂汽温控制系统的组成224.2托克托电厂的汽温系统分析224.2.1过热汽温控制系统分析224.2.2再热汽温控制系统分析274.3、总结托克托电厂控制系统的特点31五、结束语325.1、本次毕业设计的收获和心得325.2、致谢32六、附录：32*;一、600MW机组的介绍1.1、近年我国600MW机组发展情况近年来，随着我国经济的快速发展，国民经济的发展

7、，人民生活的提高，电能早已是我们日常生活中必不可少的。我国各发电企业也通过优化发展来推动加快发展，结构调整取得明显成效。300MW机现在已经在慢慢的被淘汰，取而代之的是更大的600MW机组，这就是说，在未来的几年甚至十几年中，600MW机组将会取代300MW机组而成为我国电力行业的骨干机组。2008年，全国投产火电机组6575万kW，虽然比2007年少投产1785万kW，但高等级机组比例增加，小机组替代力度加大，火电结构进一步优化，技术等级进一步提高。到2008年底，火电机组总容量达到6亿kW。从常规火电技术看，我国已开始由电力大国向电力强国转变，火电在超(超)临界机组、大型循环流化床机组、空

8、冷机组、脱硫设施建设和运行等各方面，都走在了世界前列。600MW超临界压力机组已是世界上一项比较成熟的技术, 加快建设和发展高效超临界火电机组是解决电力短缺、提高能源利用率和减少环境污染的最现实、最有效的途径。我国从20世纪90年代开始，引进技术的亚临界300发电机组逐步取代了200MW机组，成为我国的主力机组。300MW机组无论是在安全可靠性，还是经济性上均远胜于200MW机组。我国的第一台600MW机组是1985年从德国引进并投产的元宝山电厂的2号机组。在普遍认可和掌握亚临只是300MW机组技术的基础之上，进入21世纪以后，兴起了一波争上亚临只是600MW机组的热潮。而这后600MW超临界

9、机组开始在我国电力行业现身，目前已经成为国内新建、扩建机组的主要趋势，其主汽压力和主汽温参数高，可大大提高机组的热效率和经济性。截至2008年底，全国600Mw及以上机组共有276台，而2008年当年新投产机组就有67台、4112万kW，占新投产火电机组总容量的63.11，是当前电网的主力机组和发展的主要领域。从下表1中可以看出：近几年来机组数量每年分别增加了113、58和32，发展迅猛。（表 1：近年来我国600MW机组的装机总量）年份2005200620072008总台数/台62132209276总容量/MW3916823513127174001.2 600MW机组的汽温系统介绍1.2.1

10、 汽温控制的重要性在大型的火电厂机组的控制上，蒸汽温度是一个至关重要的被控参数，对于锅炉都有明确的额定汽温值，并且有严格的要求，运行中不得有过大的偏差，一般误差范围都要保持在+5-10。这是由于：（1）、汽温过高，锅炉的受热面及蒸汽管道金属材料的蠕变速度加快，会使其寿命减短。同时，当汽温超过允许值时，还会使汽轮机的汽缸、主汽门、调节汽门、前几级喷嘴和页片等部件的机械强度降低，会缩短部件的使用寿命。（2）、汽温过低，这将会使机组的热效率降低，使汽耗率增大，汽温过低还会使汽轮机末几级叶片的蒸汽湿度增大，这不仅使汽轮机内效率降低，而且重要的是会造成末几级叶片的浸蚀增加，会缩短汽轮机的寿命。（3）、过

11、热汽温和再热汽温变化过大，除了对管道和相关部件的蠕变和损坏之外，还会引起汽机差胀的变化，甚至产生机组的振动，危及机组的安全运行。1.2.2汽温控制系统的被控对象对于控制系统来说，对一个系统的控制品质的好坏取决于被控对象的认识，对被控对象有了好的了解和认识，就可以很好的对它进行控制，如果不能够很好认识控制系统的被控对象，对控制系统的设计和分析都是有很大难度的。600MW机组的汽温控制系统一般由过热器、高温过热器、低温再热器和高温再热器组成。如下图所示为一机组的汽温控制系统的被控对象。整个过程工质的流程水冷壁过热器汽轮机高压缸再热器汽轮机中、低压缸过热器：过热器是锅炉中将一定压力下的饱和水蒸气加热

12、成相应压力下的过热水蒸气的受热面。按传热方式可分为对流式、辐射式和半辐射式；按结构特点可分为蛇形管式、屏式、墙式和包墙式。主蒸汽按照：低温过热器屏式过热器高温过热器经过多级过热器。饱和蒸汽由汽包引出后，进入低温对流过热器，从低温过热器出来后，经过第一级喷水减温器减温，再进入屏式过热器，从屏式过热器中出来以后，再经过二级喷水减温，这后通过高温对流之后进入高压汽缸做功。在低温过热器和屏式过热器、屏式过热器与高温过热器之间都设置有喷水减温器,利用减温水来调节过热汽温，一般都采用多级过热器。为提高控制品质，过热汽温采用分段控制方案，即将整个过热器系统分成若干段，每段都包含一个减温器，分别控制各段过热器

13、出口汽温，以维持过热汽温为给定值。机组汽温给定值按机组的启停和正常运行工况的要求来形成，将随负荷而变，即过热汽温被设计成全程控制系统。如上图所示，一级喷水减温器布置在屏式过热器入口，二级喷水减温器布置在高温段对流过热器入口。一级喷水减温调节系统用以维持段过热器出口汽温2为给定值，二级喷水减温调节系统用以调节主汽温度4为给定值。段过热器出口汽温2的调节为维持主汽温度奠定了基础。采用两级喷水减温，这样做的目的有两个，一是为了使汽温调节更加灵敏，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式过热器之后，调节量较大且调节惰性大，用来调节因负荷、给水温度和燃料性质变化而引起的汽温变化。除此

14、之外，它还有保护屏式过热器和对流过热器的作用。第二级喷水减温器布置在末级过热器之前，这一级热惯性小，可保证出口汽温能得到迅速的调节。再热器：再热器实质上是一种把作过功的低压蒸汽再进行加热并达到一定温度的蒸汽过热器，再热器的作用进一步提高了电厂循环的热效率，并使汽轮机末级叶片的蒸汽温度控制在允许的范围内。再热蒸汽温度调节一般采用摆动火嘴加喷水减温的控制方式。再热蒸汽按照：汽轮机高压缸排汽低温再热器高温再热器依次经过不同阶段的再热器，最后从再热器出来的符合要求的再热蒸汽进入中压和低压缸做功。1.3 600MW汽温控制系统的现况过热汽温控制系统是锅炉运行质量的重要指标之一，它直接关系到电厂的安全性和

15、经济性。过热蒸汽温度过高或过低，都会对电厂的安全性和经济性具有巨大的影响。目前，仍然采用以分散微机为基础的集散控制系统（DCS）。目前，在过热汽温控制系统中采用主要有串级控制系统和采用导前汽温微分信号的双回路汽温控制系统。二、600MW机组主汽温（过热蒸汽温度）控制方案2.1、600MW机组的主汽温（过热蒸汽温度）控制系统的任务和难度600MW机组的汽温控制系统分为过热蒸汽温度的控制和再热蒸汽温度的控制，故而汽温控制系统又分为两个小的方向：过热蒸汽温度控制和再热蒸汽温度控制。过热蒸汽温度控制的任务：保证过热汽器的出口蒸汽温度维持在允许的范围内，并且能保护过热器，使管壁温度不超过允许的工作温度，

16、使过热器能够安全的工作。过热蒸汽温度过高，可能会造成过热器、蒸汽通道和汽轮机的高压部分金属损坏，因而过热汽温的上限一般不应超过额定值5 。过热蒸汽温度过低，又会降低全厂的热效率并影响汽轮机的安全经济运行。如果过热蒸汽过低，则会降低电厂的工作效率，据估计，温度每降低5，热经济效率将下降1%；且汽温偏低会使汽轮机尾部蒸汽温度升高，甚至使之带水，严重影响汽轮机的安全运行。因而过热汽温的下限一般不低于额定值10 。过热汽温的额定值通常在500以上，例如高压锅炉一般为540，就是说要使过热汽温保持在540±5的范围之内。过热蒸汽温度控制系统的控制难度：由于汽温被控对象的复杂性，给汽温控制带来许

17、多的困难，其主要难点表现在以下几个方面：1）、影响汽温变化的因素很多，例如，蒸汽负荷、减温水量、烟汽侧的过剩空气系数和火焰中心位置、燃料成分等都可能引起汽温变化。2）、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，使其延迟和惯性更加的大了，这使其表现出了极差的动态特性，从而进一步的加大了汽温控制的难度。3）、汽温对象在各种扰动的作用下（如机组负荷、工况的变化）反映出来的非线性、时变性等特性，使其控制的难度加大。2.2 600MW机组主汽温（过热汽温）控制对象的动静态特性2.2.1、静态特性过热汽温被控对象的静态特性指过热汽温随锅炉负荷变化的静态关系

18、。过热器的传热形式、结构和布置将直接影响过热器的静态特性。大容量锅炉的过热器系统都采取了对流式过热器、辐射式过热器和屏式(半辐射式)过热器交替串联布置的结构。这有利于减小过热器出口汽温的偏差，并改善了过热汽温被控对象的静态特性。i. 锅炉负荷与过热汽温的关系：锅炉负荷增加时，炉膛燃烧的燃料增加，但是，炉膛中的最高的温度没有多大的变化，炉膛辐射放热量相对变化不大，所以炉膛温度也增高不大。这就是说负荷增加时每千克燃料的辐射放热面分率减少，而在炉膛温后的对流区中，由于烟温和烟速的提高，每千克燃料的对流放热百分率增加。因此，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

19、器则具有相反的汽温特性，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，但一般在采用这两种过热器串联的锅炉中，过热器出口蒸汽温度在某个负荷范围内，仍随负荷 的增加而有所升高。ii. 过剩空气系数与过热汽温的静态关系：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。iii. 给水温度与过热汽温的关系：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要的燃料量减少了，流过过热器烟气也就减少了。也可以认为：提高给水温度后，在相同燃料量下

20、，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。iv. 燃烧器的运行方式与过热汽温的静态关系：在膛内投入高度不同的燃烧器或改变燃烧器的摆角会影响炉内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。2.2.2 动态特性过热汽温调节对象的动态特性是指引起过热汽温变化的扰动与汽温之间的动态关系。蒸汽从汽包出来以后通过过热器的低温加热段，之后经过减温调节器，然后再到过热器的高温加热段，最后送入汽轮机，通常的的大中型锅炉都是采用减温器的办法来控制过热汽温。各种锅炉的结构不同的过热器的安置也是不一样的。对过

21、热器出口蒸汽温度影响的的因素有许多，例如烟气的温度和速度，炉膛的热负荷，减温水量和给水的温度。但是总体来说，主要的影响因素有以下三方面的因素：烟气传热量，蒸汽流量，减温水量。目前，现在火电厂中大多利用喷水减温的方法来控制过热汽温。在各种扰动情况下，汽温控制对像具有大延迟、大惯性和自平衡能力。i. 蒸汽流量扰动下：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，二是汽轮机控制汽门的开度变化。对于大型的锅炉来说，一般情况下都采用复合式过热器，当锅炉负荷增加时，锅炉燃烧率增加，通过对流式过热器的烟气量增加，而且烟气温度也随负荷的增大而升高。这两个因素都会让对流式过热器的汽温升高。然而，当负荷增

22、加时，炉膛温度升高的并不明显，由炉膛辐射传给过热器的热量比锅炉萧汽量所需要热量少，因此使辐射式过热器出口温度下降。可以看到，这两种不同的过热器，对蒸汽量的扰动的响影正好相反。所以，如果这两种过热器配合使用，就能使过热器出口温度随蒸汽流量变化的影响减小。因此在实际的生产实践中，需要把对流式过热器和辐射式过热器结合起来使用。如果汽机负荷变化时，则会引起蒸汽量的扰动。然而当蒸汽流量扰动时，将会改变过热器和烟气之间的传热关系，导致过热蒸汽温度发生变化。从蒸汽量扰动的动态特性曲线，我们可以看到，温度的响应具有平衡特性，而且惯性延迟都比较小，这是因为蒸汽量变化的时侯，沿过热汽管道的长度的方向的各个点的温度

23、几乎是同时变化的。过热器出口汽温是随蒸汽流量D的增加而升高的，过热器出口汽温在蒸汽流量扰动下的动态特性曲线如下图所示：（ 图：过热器出口温度随蒸汽流量扰动的变化）在上图中，我们可以清楚的看到过热汽温对蒸汽量扰动的响影，响影特性为一条有迟延、自平衡的曲线。 然而，由于蒸汽流量扰动是由用户所人定的，故而它不能做为控制信号来使用ii. 烟气侧热量扰动下：燃料量的增减，燃料种类的不同，送风量的变化都对烟气的流速和烟气的温度产生相对应的影响，这会改变烟气的传热情况，导致过热气出口温度的变化。对于烟气的传热量的变化，是沿着整个过热器的长度方向的变化，且这种变化是同时发生的。因此，我们可以看到，在烟气扰动的

24、动态特性曲线上，汽温度化的迟延是非常小的，一般会在10s-20s之间。它与蒸汽量扰动时的情况有些类似。尽管引起烟气传热量扰动的原因很多，但被控对象特征总的特点是有延迟、有惯性、时变、非线性和有自平衡能力。烟气流量变化对过热汽温的影响的特性曲线如下图所示：（图：过热器出口温度随烟气量扰动的变化）因从烟气侧来的扰动使沿整个长度的过热器传热量发生变化，故汽温变化反映较快，延迟时间一般较小，烟气传热量扰动可以用来作为控帛量信号。iii. 喷水量扰动：现在我们控制过热蒸汽温度的主要方法是利用喷水减温来实现，也是我们目前最常见的一种方法。故而对于这种控制方法，喷水量就成了基本扰动量。过热器的特性决定了喷水

25、减温系统的特性。我们呆以把过热器看成是无穷多个单容对象串联起来组成的多容对象。当喷水减温发生改变之后，这就需要通过这些串联的单容对象，最终引起了过热器出口的过热蒸汽温度的变化。因而，过热器出口的过热蒸汽的温度有很大的延迟。减温水量扰动下的被控对象特征曲线，如下图所示：（图： 过热器出口温度随减温水量扰动的变化 ） 如上图所示：其特点是有延迟，有惯性和有自平衡能力。减温水量是经常使用的控制量。综合述上关于汽温被控对象的的动静态特性，我们可以得出汽温控制系统的控制要求：即调节惯性或迟延尽可能的小，调节范围要大，对热循环效率影响要小。通过对三种扰动的动静态分析，我们可以得到汽温控制的两种方法：即蒸汽

26、侧的调节和烟气侧的调节。蒸汽侧的调节，是指通过改变蒸汽的所负载的热来调节温度。例如喷水式减温器向过热器中喷水，喷入的水可以吸收一部分的过热蒸汽的热量，从而降低过热蒸汽的温度，所以，调节喷水量就可以起到调节蒸汽温度的效果。烟气侧的调节，是指通过调节锅炉内辐射受热面和对流受热面的吸热分配的比例来起到调节蒸汽温度的效果。2.3 过热汽温系统的串级控制方案单回路控制系统是各种复杂的控制系统的基础，而单回路控制系统也凭借其结构简单而得到了广泛的应用。但是随着科技的发展，技术的不断更新，生产不断的强化，工业生产过程对工业参数提出了越来越严格的要求，并且随着工业生产过程中的被控对象越来越复杂，被控对象的迟延

27、和惯性也越来越大，这对控制系统提出了更高的要求，而面对这样的被控对象，单回路控制系统显然已经不能满足控制要求了。这样，许多复杂的控制系统就应动而生了，如串级控制系统、导前微分信号控制系统、Smith预估控制系统等。本节对串级控制系统在汽温控制系统中的应用进行讨论。2.3.1串级控制系统的基本原理在火电厂中，过热汽温的串级控制系统如下图所示：（图：过热汽温的串级控制系统 ）在上图中我们可以看到，过热器温串级控制系统是用减温水量做为其控制手段的。而喷水减温器离过热器出口比较远，且通过上节对过热器特性的分析，我们可以得知过热器的热容较大，故使得主汽温被控对象的滞后和惯性也较大。如果利用单回路控制系统

28、控制如此的被控对象，则主汽温度根本无法满足被控对象的控制要求，控制品质也达不到要求。因此，我们可以取一个对减温水量变化反映快的中间点温度做为导前信号，再增加一个PID控制器组成如上图所示的串级控制系统。控制器PI2根据Q2信号控制减温水阀，如果有某种扰动使汽温Q2比Q1提早反映（如：内扰为喷水量W的自发性变化），那么由于PI2的提前动作，扰动引起的Q2的波动很快就消除了，从而使主汽温Q1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Q1改变Q2的给定值，从而保证负荷扰动时，仍能保持主汽温度满足要求。从分析中可得，串级控制系统采用了两级控制器，各有其特殊任务。过热汽温串级控制系

29、统的原理方框图如下所示：从上图可以得到，串级系统和简单控制系统在结构上有一个明显的区别，即：串级控制系统在结构上形成了两个闭环，而单回路控制系统只有一个闭环。对于串级控制系统，其中里面的那个闭环被称为是内回路或者是副回路，在控制系统中，内回路起到粗调的作用；而外面的那一个闭环，则称为外回路或者是主回路，它的任务是对控制系统起到微调的作用，以保证被调量满足生产要求。无论是内回路还是外回路都具有自己的控制对象和温度变送器、PID调节器。在外回路内，被控对象为过热器、还有温度变送器和PID1调节器，它们在整个系统中被称为：主对象、主参数、和主调节器。相应的，在内回路中，也有相对应的副对象、副参数和副

30、调节器。而一般来说，副对象是整个广义被控对象的一部分，我们称其为控制对象的导前区；主对象是整个广义被控对象的另一部分，通常被称为控制对象的惰性区。对于主副回路中的调节器，它们各有各的作用和任务。主调节器具有自己独立的给定值，而对于副调节器来说，主调节器的输出就是主调节器的给定值，而副调节器的输出则被送到了调节机构去控制生产过程了。2.3.2串级控制系统的分析 串级控制系统多了一个PID调节器，增加了一个闭合回路，却达到了很好的控制品质，主要是因为过热器温的吕级控制系统具有以下几个方面的特点：1）、能够很好的克服二次扰动：通过上节的分析我们可以得知，副回路具有快速作用的特点，因此，串级控制系统对

31、副回路的扰动有很强的克服作用。，接下来，我们借助传递函数来了解关于这一特点的本质。一般的串级控制系统的原理方框图如下所示：（图 ：串级系统的一般的原理方框图）如上图所示，当二次扰动进入系统时，首先通过扰动通道影响内回路的输出Y(s)，这时副回路调节器的输入端就会产生偏差，从而使得副调节器立即动作，使图去消除扰动信号对Y(s)所产生的影响。明显看到，扰动信号经过了副回路的抑制以后，才进入到了主回路。这样就会在很在程度上减弱扰动信号对系统输出Y(s)的影响。根据上面的原理方框图，我们可以写出扰动信号与过热器出口的温度的传递函数： =（式1）如果是单回路控制系统，其原则方框图如下所示：（图：过热汽温

32、的单回路控制系统）这个单回路控制系统的扰动信号与系统输出之间的传递函数为： （式2）其中：W为调节器的传递函数。比较上面两个式子，先假定W=W，且注意到单回路系统中的W就是串级系统中的W，可以看到，串级系统中的分母项中多了一项，即：在主回路工作频率下，这项乘积的数值一般较大，而且当副回路调节器的比例增益增大时，这个数值也在增大。一般情况下，副调节器的比例增益是大于1的。因此可以说，串级控制系统的结构使二次干扰对主参数这一通道的动态增益明显减小。当二次干扰出现时，很快就被副调节器所克服。与单回路控制系统相比，被调量受到二次干扰的影响往往可以减小10100倍，这要视主环与副环中容积分布情况而定。2

33、）、提高了系统的工作频率：由于副环起到改善对象动态特性的作用，因此可以加大主调节器的增益，提高系统的工作频率。分析串级控制系统与单回路控制系统的原理方框图，可以发现串级控制系统中的副环似乎代替了单回路中一部分对象，亦即可以把整个副回路看成是一个等效的对象W，记做：W= 假设副回路中各环节的传递函数为W= ; W; W ； W ；W 将上述式子代入W=，则有： W= 若令： K= T= 则上式就变为：W = 式中的K和T分别为等效对象的增益种时间常数。 比较W和W，由于1+KKKKK>1，这个不等式在任何条件下都是成立的，因此有：T<T 这就表明，由于副回路的存在，直到改善动态特性的

34、作用。等效对象的时间常数缩小了（1+KKKKK）倍，而且随着副调节器比例的增益而减小。通常情况下，副对象是单容或双容对象，因此副调节器的比例增益可以取得很大，这样，等效时间常数就可以减到很小的数值，从而加快了副环的响应速度，提高了系统的工作频率。3）、有一定的自适应能力：由于副回路的存在，系统具有一定的自适应能力。在工业生产过程中，往往包含有一些非线性因素。因此，在一定的负荷 下，即在确定的工作点情况下，按一定控制质量指标整定的调节参数只适应于工作点附近的一个小范围。如果负荷变化过大，超出了这个范围，那么控制质量就一定会下降，在单回路控制系统中，若不采取其它措施是难以解决的。但是在串级控制系统

35、中，情况就不同了，负荷变化引起的副回路内各环节参数的变化，可以较少影响或是不影响系统的控制质量。一方面可以看到等效副对象的增益为： K=一般情况下KKKKK>>1，因此，如果副对象增益或调节阀的特性随负荷变化时，对等效增益K的影响不大。因而在不改变调节器整定参数的情况下，系统的副回路能自动地克服非线性因素的影响，保持或接近原有的控制质量。从另一方面看，由于副回路通常是一个流量随动系统，当系统操作条件或负荷改变时，主调节器将改变其输出值，副回路能快速跟踪及时而又精确地控制流量，从而保证系统的控制品质。从上述两点，可以看出串级控制系统具有一定的自适应能力。2.4 过热汽温的导前微分控制

36、方案如上节所分析可知，温度控制系统中，影响汽温的扰动主要有三个：减温水量、蒸汽流量、烟气的传热量。蒸汽温度对这三个扰动的响影具有共同的特性，即：有惯性、有迟延。为了改善控制系统的被控对象的动态特性，可以引入一个副信号组成串级控制系统，来提高系统的控制品质。导前微分控制系统的结构特点是：只有一个控制器，调节器的输入信号有两个，一个是主蒸汽温度通过变送器转换直接进入到调节器中，另一个则是把经过喷水减温器的蒸汽温度通过微分器后，再返回到调节器中。这样，这两个信号在时间上和相位上有个超前与滞后的关系，后一个微分信号总是超前与主蒸汽温度信号，故而把这种控制系统叫做导前微分控制系统。这个微分信号的作用是能

37、够反映出输出量的变化趋势，因而能提前反映出输出量的变化，从而可以改善控制系统的控制品质。2.4.1导前微分控制系统的特点导前微分控制系统具有以下几的主要特点：1）、引入导前微分信号缩短了延迟时间，等效于改善了控制对象的动态特性，把系统的迟延时间给缩短了，这将有利于我们后续的控制，可以很好的改善了系统的可控性，提高了系统的控制品质。这主要是因为：影响系统控制品质的因素除了调节器之外，更多的还是在于系统本身的一些特性。2）、引入导前微分信号能减小动态偏差，改善系统的控制品质。因为引入了导前微分，会起到一个提前调节的做用，故而可以减小动态偏差，所以这也可以改善系统的控制品质。2.4.2导前微分控制系

38、统的组成采用导前微分信号的过热汽温控制系统如下图所示：（图： 导前微分控制系统）这个系统引入了导前汽温控的微分信号作为调节器的补充信号，双达到改善控制品质的目的。因为和主汽温度的变化趋势是具有一致性的，并且的变化要超前于的变化，因此它能够迅速的的反映的娈化的趋势。引入导前微分信号后，将会加快系统的调节器的调节速度。在动态过程中，调节器将按照的微分信号和和给定值之间的偏差进行调节。当在静态的时侯，不发生改变，则它的微分将为0，故而在静态的时侯，的微分信号将会消失，过热汽温必定会与的给定值相等。如果不采用这种导前微分控制系统，则调节器静态的输出值将会为（+），而不能保持在给定上了。通过上图的分析，

39、我们可以得到导前微分控制系统的原理方框图如下所示：（图： 导前微分控制系统的原理方框图）由上图可以看出，采用导前微分控制系统包括了两个闭合的控制回路：1）、由控制对象的导前区W(s) ，导前汽温变送器、微分器W(s)、调节器W(s)、执行器K和减温水调节阀K组成的副回路(导前补偿回路)2）、由被控对象的惰性区W(s)、主汽温变送器 和副回路组成的主回路。2.4.3导前微分控制系统分析：1）、加入导前汽温的微分信号可以改善控制对象的动态特性：对于导前微控制系统的原理方框图，如果去掉导前微汽温的微分信号时，系统就变成了单回路控制系统，控制对象W(s)=W(s) W(s)的迟延、惯性较大。当系统中加

40、入导前汽温微分信号后，调节器将同时接受两个输入信号，系统也成了双回路结构。但对于这个双回路系统作适当的等效变换后，发现仍可把它当作一个单回路系统来处理，如下图所示：当作双回路系统处理时的原理方框图如下，这也可以简化为一个单回路控制系统：只是由于微分信号的引入改变了控制对象的动态特性。这个新的控制对象的输入仍然是减温水流量信号W，但输出信号为=+，等效控制对象的传递函数可以根据方框图求得。W=W(s) W(s)+W(s)在静态时，微分器输出为零，所以等效控制对象的输出=;在动态过程中，等效控制对象的输出中除了主汽温度之外，还叠加了导前汽温的微分信号。由于的惯性迟延比小得多，因而等效对象的输出的惯

41、性迟延比小得多。因此加入导前汽温微分信号的作用可以理解为改变了被控对象的动态特性，因此，如果设计得当，是可以通过改变被控对象的动态特性，以保证系统取得更好的控制品质。可见，等效控制对象的输出响影有了很大的改善，所以，在控制对象惯性迟延较大的的情况下导前汽温微分系统的的控制品质比单回路控制系统好的多。2.5、SMITH预估控制系统：在热工过程控制中，有一些被控对象具有较大的纯延迟，当过程控制通道或测量环节存在延迟时侯，会降低系统的稳定性；另外纯延迟会导致控制量的最大动态偏差增大，系统的动态质量会下降，而且当系统的可控比越大系统就越不容易控制。解决具有纯延迟的过程控制是一个比较棘手的问题，对于闭环

42、系统内的纯延迟若只是采用上节中提到的串级控制系统和导前微分信号控制系统是无法达到令人满意的控制品质的。下面，我们将对SMITH预估控制系统在过热汽温控制系统中的应用进行分析。SMITH控制系统的原理：Smith预估控制的工作原理是将被控对象在基本扰动作用下的动态特性，简化为一个纯迟延与一个一阶惯性环节相串联的数学模型，预估器根据这个输入的数学模型，预先估计出所采用的控制作用对被控量的可能的影响，而不必等到被控量有所反应之后再去采取控制动作，这有利于改善系统的动态性能。当采用单回路控制系统时，原理方框图如下所示：被控对象的传递函数为 W=W(s)e 时，系统的输出与输入之间的传递函数为：=而扰动

43、与输出之间的传递函数为：=从上面两个传递函数中我们可以看到，此系统的特征方程为：G=1+，此系统的特征方程中含有纯延迟项，如此会对闭环极点有极为不利的影响，如果上两式子中的e项可以消除，则纯延迟将不再对系统的闭环极点的有不利的影响。SMITH预估补偿控制系统的其本思想就是消除系统特征方程中的e项，从而消除了纯延迟项对系统控制品质的影响。实现的方法是把被控对象的数学模型引入到控制回路之内，设法取得更为及时的反馈信息，以改进控制品质。SMITH预估补偿控制系统如下图所示： 其中W是被控对象除去纯迟延环节后的传递函数，W是 SMITH预估补偿器的传递传数。如果系统不加这一预估补偿器，则(s)与Y(s

44、)之间的传递函数为：，上式说明了，受到控制作用的被控量要经过纯延迟之后才会反映到控制器。若系统采用预估补偿器，则控制器 与反馈到控制器的信号Y之间的传递函数为两个通道并联之和，即=W+W(s) 。为了使系统不含有纯延迟项，则只需令=W，可以得到系统的补偿器的传递函数W=W。一般SMITH预估补偿器的框架图如下图所示：由上图可知，Smith预估补偿器由两部分组成，即一个是被控对象除去纯迟延后传递函数为W的环节，另一个迟延时间等于的纯迟延环节。这就是Smith预估补偿器的模型，它将消除大迟延对系统控制过程的影响，使控制过程的品质与过程无迟延环节时的情况一样，只是在时间坐标上向后推迟了一个时间，这是

45、因为分子中有e的缘故。所以，预补偿完全补偿了纯迟延对过程控制的不利影响，控制系统品质与被控过程无纯迟延时，完全相同。2.6 三种汽温控制系统的比较：目前在过热汽温控制实际应用中，大多数火电厂仍然采用串级控制系统。串级控制系统具有主、副两个回路的结构。副回路中的温度变送器、执行器、阀门可以认为是比例环节。当副控制器采用比例规律时，由于副回路可以近似地被等效成为一个比例环节，因而副回路具有快速性，即副回路可以快速地消除发生在副回路的内扰，使串级控制系统具有很强的抗干扰能力和自适应能力。不仅如此，等效的副回路也改善了被控对象的动态特性，能够抑制过热器大迟延、大惯性对过热汽温控制的影响。过热汽温控制系

46、统的副回路对过热汽温起到“粗调”的作用。人们一般对导前区的汽温没有特殊的要求，导前区的汽温变化只是用来反映过热器出口的过热汽温的变化趋势。主回路对过热汽温起“细调”的作用，主控制器采用的PI(或PID)控制规律，保证了串级控制系统稳定时，没有静态偏差。系统的外扰主要由主回路进行控制。串级控制系统具有主、副两个回路的结构，使串级控制系统的整定比较容易，主、副控制器各施其责，系统的稳定性、快速性和准确性得到了一定程度上的保证。串级控制在结构上有两个特点。一是单输入/出的定值控制系统，二是副回路是一个随动系统和主回路与副控制器形成串级结构。串级控制在控制品质上有四个特点。一是副回路具有快速消除系统的

47、内扰，有利于提高整个过热汽温控制系统的快速性，二是主回路可以保证系统没有静态偏差，三是主、副回路串级控制结构使主、副回路各施其责，有利于系统参数的整定，增强了整个系统的自适应性，四是主、副回路串级控制结构有利于整个系统的稳定。在串级控制系统设计时，一般将内扰设计在串级控制系统的副回路中，外扰设计在主回路中。因减温器出口处过热汽温对外扰的导前作用并不明显，而被控对象特性具有不确定性，精确的数学模型难以建立等原因。故不变的控制参数是不能满足系统不同工况要求的，在负荷变化的主要因素影响下，过热汽温控制并不理想。被控对象的数学模型变化对串级和Smith预估控制系统的控制过程影响很大，即串级和Smith

48、预估控制系统都严重依赖被控对象的数学模型。Smith预估控制的控制过程，是预先估计出过程在基本扰动下的动态特性，然后由预估器进行补偿，能提前下感知被控量的变化，并将其反馈到控制器的输入端，使控制器提前动作，从而明显地减小超调量和加速控制过程。要充分发挥Smith预估控制对大迟延、大惯性被控对象的有效控制，至少应当具备两个必要条件。一是被控对象的数学模型不变，二是补偿器能够实现。仿真结果表明，当满足这两个必要条件后，过热汽温Smith预估控制系统的动态性能比过热汽温串级控制系统好许多。在实际控制过程中，很难保证被控对象的数学模型不发生变化，这就使Smith预估控制具有一定的局限性。人们一直在不断

49、地探索对Smith预估控制系统改进的途径。因为工况、负荷和诸多的因素会改变过热器的数学模型，使基于数学模型的经典PID控制规律很难适应，使用串级控制策略也不能完全让人满意，采用Smith预估控制则显得有些苍白无力。所以，正确选择控制过热汽温的手段及控制策略是非常重要的。四、托克托电厂的汽温控制系统分析4.1 托克托电厂汽温控制系统的组成将本章以内蒙古托克托电厂为例，分析其汽温控制系统。首先先对其汽温控制系统的组成做一下了解。托克托电厂的汽温控制系统由两级过喷水减温组成，再热汽温控制系统由喷水减温、燃烧器摆角控制和烟气挡板控制方案组成。4.2托克托电厂的汽温系统分析4.2.1过热汽温控制系统分析

50、1）、过热器一级减温控制系统的分析：再热器烟气挡板指令总的空气流量汽包压力值一级减温器出口温度主蒸汽流量TEANTESECLECTF(x)F(x) ILEAD LAGF(x)A LEAD LAGLEAD LAGSPF(x)PVTETESECLECTPID1XXPVSPPID2ITA如上图所示为，托克托电厂的一级过热汽温控制的SAMA图。该系统是以串级控制系统为基础，引入了前馈信号形成的喷水减温控制系统。主回路的被控量是第二级减温器入口的蒸汽温度，其测量信号送入主回路与其给定值进行比较求偏差，形成第二级减温器入口蒸汽温度的偏差信号。主回路的给定值由表征着机组负荷的主蒸汽流量信号（代表机组的负荷信

51、号）经过函数发生器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完成。主回路控制器接受第二级减温器入口蒸汽温度偏差信号，经控制运算后输出送至副回路。我们可以看到，系统中还有一个前馈信号是由一些超前滞后环节组成，由超前滞后环的特性可知，这些超前滞后环节利用是为了抗高频扰动，把实际现场中一些高频信号，比如白噪声等干扰信号过滤掉，保证系统的抗干扰能力，有助于系统消除静态误差，当然系统加入了前馈控制，也可以提高系统的被调量跟踪给定值的能力，能更好的提升控制系统的控制品质。副回路的被控量为第一级减温器出口的蒸汽温度。副回路的给定值是主回路控

52、制器的输出值。其被控量温度的测量值送入副回路与锅炉负荷经过乘法器运算之后做为副调节回路的反馈值，这样做是为了在过热汽温控制系统中体现出机组负荷对过热蒸汽温度的影响，可以把系统喷水减温器的喷水量与系统机组负荷联系起来，更能够有效的控制系统的过热蒸汽温度。然后对上述的给定值与反馈信号求偏差，形成第一级减温器出口蒸汽的偏差信号，再通过PID2对副环进行控制。系统的反馈值都是温度值，我们可以从上图中看到，所有的反馈值是经过选择模块，这样可以确保系统所有的反馈值可靠性和准确性，能够很好的反映系统的状态，从而减小系统控制中可能因为反馈值引起的误差。系统引入了前馈信号有机组负荷、空气流量和再热器烟气挡板的调

53、节指令等外扰信号。，其中，空气流量和再热器烟气挡板的调节指令都经过了函数发生器，说明这两个值是的与一级过热汽温有关，而这个关系就是图中的F(x)。这些信号都会引起过热蒸汽温度的明显变化，因此将它们作为反馈信号引入系统，来抑制它们对过热蒸汽温度的影响，改善第一级过热蒸汽温度的控制品质。在系统的执行器前，设置了手自动切换模块和上限报警模块，这样保证了系统的安全性和经济性。对于手自动切换模块，这个模块是进行手动和自动控制切换的模块，例如，有些时侯在调节过程中，需要用到手动调节，则可以将手自动切换到手动上，然后可以手为的调节，当调节好这后，在切换到自动上来，这样，系统就可以实现手自动切换；对于上限报警

54、模块，如果PID的输出信号，即执行器的输入信号，达到一定的上限，则系统的安全性就可能出现问题，可能是某些部件出现了故障。这样就限制了PID的输出值，从而间接的限制了执行器的输入信号的范围，也就是限制了执行器的输出的行程，这样不允许执行器大范围的动作，也可以使系统平稳的运行。由于机组负荷会改变，控制对象的动态特性也随之而变，为了在较大的负荷变化范围内都具备较高的控制品质，在大型机组的蒸汽温度控制中，可以充分利用计算机分散控制的优点。 2）、过热器二级减温控制系统的分析：再热汽烟气挡板指令总的空气流量二级减温器出口蒸汽温度中间测点温度总的燃料量温度设定值主蒸汽流量TETETETESECLECTSE

55、CLECTF(x)LEADLAGAILEADLAGF(x)LEADLAGPVSPPID1LEAD LAGF(x)XXPVSPPID2ITAI上图为托克托电厂的第二级过热控制系统。该系统也是以串级控制系统为基础，引入了前馈信号形成的喷水减温控制系统。主回路的被控量是过热器出口的蒸汽温度，其测量信号被送入主回路与其给定值进行求差，形成过热器出口蒸汽温度的偏差信号。主回路的给定值是由运行人员在操作员站上手动设定的。主回路的控制由PID1完成。主回路控制器接受过热器出口蒸汽温度偏差信号，经控制运算后输出送至副回路。我们可以看到，系统中还有一个前馈信号是由一些超前滞后环节组成，由超前滞后环的特性可知，这些超前滞后环节利用是为了抗高频扰动，把实际现场中一些高频信号，比如白噪声等干扰信号过滤掉，保证系统的抗干扰能力，有助于系统消除静态误差。然而，由前馈控制的特点可以得知，这前馈也可以提高系统的被调量跟踪