主汽温导前微分控制系统的仿真研究分析

1、 主汽温导前微分控制系统的仿真研究摘要对于大惯性和大延迟的热工对象，常规PID控制往往不能取得令人满意的效果，尤其是火电厂再热汽温这种大滞后、大惯性以及动态特性随工况参数变化的汽温被控对象，主汽温的控制成为研究大型火力发电机组不可缺少的一个项目。锅炉过热蒸汽温度是影响锅炉生产过程安全性和经济性的重要锅炉过热蒸汽温度是影响锅炉生产过程安全性和经济性的重要参数，现代锅炉的过热器是在高温、高压的条件下工作。必须通过自动化手段加以控制，维持其出口蒸汽温度在生产允许的范围内。因此，需要采用适当的减温方式改变过热器入口的蒸汽温度。从而控制出口的过热蒸汽温度。目前大多数机组都采用二级喷水减温控制方式。本文介

2、绍了利用MATLAB在火电厂单元机组过热蒸汽温度导前微分控制系统中参数整定和抗扰性能分析中的应用。它具有安全、可靠等优点，为加快大型火电厂汽温自动控制系统的反应速度、提高火电厂的自动投运提供了一个很好的方法。关键词：过热蒸汽温度；MATLAB；参数整定；抗扰性能SimulationStudyofSuperheatedSteamTemperatureGuidanceDifferentialControlSysteminPowerPlantAbstractLargedelayandstronginertiaforthermalobject,conventionalPIDcontroloftenca

3、nnotobtainsatisfactoryresults,especiallythethermalpowerplantmainsteamtemperatureofthislargedelay,stronginertiaanddynamicchangeswiththeworkingparametersofsteamtemperaturecontrolledobject,andthesteamtemperaturecontroloflargethermalpowergeneratingunitstobecomeanindispensableitem.Boilersuperheatsteamtem

4、peratureisanimportantparameterwhichinfluencesboilerproduceprocesssafetyandeconomicvalue.Sophisticatedboilersuperheaterworkingonconditionthathightemperatureandhighpressuremustbecontrolledbyautomaticmethods,andkeeptheoutletsteamtemperatureintherangeofproducepermitting.Forthisreason,weshouldusesuitable

5、desuperheatmethodstoaltertheinletsteamtemperatureofsuperheater,sothatcontroltheoutlettemperatureofsuperheater.Atthemoment,mostunitsetsuseIIjetdesuperheatcontrol.Thispaperpresentsasimulationstudyofasuperheatedsteamtemperaturecontrolsysteminthermalpowerplants.Thetuningoftheregulatersandthedisturbancer

6、eductionperformancearediscussedindetail.KeyWords:surperheatedsteamtemperature；MATLAB；tuningofparameters;disturbancereductioniii目录TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark2 o Current Document 摘要1 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document AbstractII1前言1 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 1.1主汽温控制系统研究的背

7、景及意义1 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 1.2大型火电机组典型的主汽温控制方案1 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 1.3本文的主要工作2 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 2PID控制器的设计原理及原则3 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 2.1三种基本调节作用的特点3 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 2.1.1比例控制（简称P作用）3

8、HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 2.1.2积分控制（简称I作用）3 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 2.1.3微分控制（简称D作用）4 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 2.2自动调节器典型动态特性5 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 2.2.1比例（P）调节器5 HYPERLINK l bookmark54 o Current Document 2.2.2比例积分（PI）调节器6 HYPER

9、LINK l bookmark66 o Current Document 2.2.3比例微分（PD）调节器72.2.4比例积分微分（PID）调节器9 HYPERLINK l bookmark110 o Current Document 3过热汽温控制概述11 HYPERLINK l bookmark112 o Current Document 3.1火力发电厂的生产流程11 HYPERLINK l bookmark114 o Current Document 3.2过热汽温控制的任务11 HYPERLINK l bookmark116 o Current Document 3.3过热汽温控制的

10、难点分析12 HYPERLINK l bookmark118 o Current Document 3.4影响主蒸汽温度的因素12 HYPERLINK l bookmark120 o Current Document 3.5过热汽温被控对象的动态特性13 HYPERLINK l bookmark122 o Current Document 3.5.1蒸汽流量（负荷）扰动下过热汽温对象的动态特性13 HYPERLINK l bookmark124 o Current Document 3.5.2烟气侧扰动下过热汽温的动态特性133.5.3工质侧扰动下的过热汽温动态特性15 HYPERLINK l

11、 bookmark128 o Current Document 4过热汽温控制系统的典型方案17 HYPERLINK l bookmark130 o Current Document 4.1汽温串级控制系统及其分析整定17 HYPERLINK l bookmark132 o Current Document 4.1.1汽温串级控制系统原理17 HYPERLINK l bookmark134 o Current Document 4.1.2汽温串级控制系统的内回路的分析整定184.1.3汽温串级控制系统的主回路的分析整定19 HYPERLINK l bookmark156 o Current D

12、ocument 4.2汽温串级控制系统的工程整定方法及仿真20 HYPERLINK l bookmark158 o Current Document 4.2.1串级控制系统的工程方法20 HYPERLINK l bookmark160 o Current Document 4.2.2串级控制系统的PID整定21 IV HYPERLINK l bookmark162 o Current Document 4.3导前汽温微分信号的过热汽温自动控制系统21 HYPERLINK l bookmark164 o Current Document 4.3.1导前微分控制系统的组成22 HYPERLINK

13、l bookmark166 o Current Document 4.3.2导前微分控制系统的分析22 HYPERLINK l bookmark168 o Current Document 4.4导前微分控制系统的参数整定及仿真实验22 HYPERLINK l bookmark170 o Current Document 4.4.1导前微分环节的参数整定22 HYPERLINK l bookmark174 o Current Document 4.4.2调节器参数整定24 HYPERLINK l bookmark176 o Current Document 4.5系统的抗干扰性及鲁棒性分析、仿

14、真24 HYPERLINK l bookmark178 o Current Document 4.5.1抗内扰分析24 HYPERLINK l bookmark180 o Current Document 4.5.2抗外扰分析244.5.3鲁棒性分析25 HYPERLINK l bookmark182 o Current Document 5总结26 HYPERLINK l bookmark184 o Current Document 参考文献27 HYPERLINK l bookmark188 o Current Document 致谢28 A-s-u*1刖言1.1主汽温控制系统研究的背景及

15、意义随着我国国民经济的迅猛发展，我国电力装机容量以每年7%-8%的速率递增，其中火电燃煤机组占有很大比重。火力发电厂锅炉主汽温控制系统又是提高机组热效率和保证机组安全运行的重要组成部分。主汽温（即过热蒸汽）的控制又是锅炉各项控制任务中较困难的一项。其原因是过热汽温的干扰因素很多、很频繁、且扰动量很大。对各种扰动作用下过热汽温动态特性具有大迟延、大惯性、时变性和非线性的特点，从而加大了控制的难度。过热汽温是主汽温度、压力、流量等，三个基本参数之一，是一个十分重要的参数。主汽温控制系统关系着机组运行的安全性和经济性，其一方面主汽温是全厂汽水系统中温度的最高点。主汽温过高，过热汽器管壁和汽轮机高压缸

16、将使金属的强度下降，以致造成主器的高温段爆管和汽轮机的高压缸损坏；主汽温过低，还会使汽轮机尾部的蒸汽湿度增加，甚至带水，将严重威胁汽轮机低压缸、转子和凝汽器的安全。另一方面过热汽温降低，还使汽轮机的热效率就降低（过热汽温降低5C，汽轮机的热效率就降低1%）。因此主汽温是影响机组安全、经济运行的重要参数，运行中要尽量保持稳定，一般要求保持在额定温度的2度范围内。因此对主汽温的控制的要求非常严格。但由于该系统被控对象的惯性和迟延较大，受到的干扰因素较多，具有非线性、时变性等特点，尤其由于发电机组向大容量、高参数发展，使得被控对象更加复杂，对控制的要求更高，分散控制系统DCS具有高速度、大容量的运算

17、能力，具有功能强大的软、硬件资源，它在大型火电机组中的广泛应用为采用先进的控制策略提供了技术基础，从而使得现代控制理论和智能控制在汽温控制中的应用得到了很大的进展。例如，带观测器的状态反馈控制、自适应预测控制、模糊控制等都已经在实际运行中得到了较好的效果。因此，主气温调节系统应选用调节品质高、稳定性好的控制策略，以提高机组安全性和经济性。因此设计一种可以使主汽温在各个运行工况下能迅速稳定在给定值且避免振荡的方法是非常具有实用价值的。1.2大型火电机组典型的主汽温控制方案最近几年来，对火电厂大时滞、大惯性系统的研究引起了国内许多外学者的重视。主汽温控制系统因其对象具有非线性、大惯性、大迟延等特点

18、，成为火电厂较难控制的系统之一。与此同时，也涌现出对主汽温的先进控制方法，归纳起来主要有以下几个方向：（1）过热汽温串级自动控制系统的重点控制策略：过热汽温串级自动控制系统中,主回路采用PID运算，副回路采用PD运算。在主回路串级自动控制系统采用微分作用，对于延迟和惯性较大的对象调节质量较好。过热汽温串级自动控制系统中主、副调节回路相对独立，因此在投运时，参数整定、调试直观方便串级自动控制系统数据运算较复杂，对运算设备要求高。智能控制控制算法：常用的有专家系统、模糊控制、人工神经网络控制以及基于现场应用的仿人工智能的控制方法。这些算法是根据某个领域一个或多个专家提供的知识和经验，进行推理和判断

19、，模拟人脑的智能识别和智能决策过程，对复杂不确定系统进行有效控制。基于理论的状态变量控制:将大惯性大滞后对象等效成为多容的惯性环节，在此基础上设计了无静差的状态反馈控制，针对部分状态不可测的问题，设计鲁棒性较强的状态观测器，观测出这些状态变量，使系统能够快速地检测到系统内部扰动，及时发出控制信号，维持出口汽温。自抗扰控制技术：自抗扰技术由PID思想发展而来，吸收了现代控制理论的信号处理思想，提高了系统的控制品质和控制精度，具有良好的控制品质、抗干扰能力和鲁棒性。自适应控制理论的应用：自适应系统能相应的改变和调整控制器的参数，以适应系统特性的变化，保证整个系统的性能指标达到令人满意的结果，主要有

20、模型参考自适应控制系统、自校正控制系统、自整定PID调节器三种。这些控制方法提高了系统抗外扰的自适应能力，有效地克服了对象的大滞后、大惯性特性。应用预测控制方法：预测控制算法简单、易于计算机实现对待控过程的模型化要求低，控制的最优性和鲁棒性较好,并对复杂系统具有较强的适应性。1.3本文的主要工作当纯迟延时间与过程的广义时间常数T之比大于0.3，该系统为大迟延系统。火电厂蒸汽温度控制系统就是典型的大迟延系统，本文介绍了利用MATLAB在火电厂过热蒸汽温度导前微分控制系统中参数整定和抗扰性能分析中的应用。该系统具有安全、可靠等优点，为加快大型火电厂汽温自动控制系统的反应速度、提高火电厂的自动投运提

21、供了一个很好的方法。论文的主要工作包括：阐述控制过热蒸汽温度的重要性，并对PID控制器做基本介绍阐述。分析其被控对象动态特性，对主气温的常见控制系统作基础研究，了解其优点及弊端。针对被控对象的数学模型，设计主汽温的导前微分控制系统，并通过计算仿真整定控制器参数。通过仿真试验，研究主汽温导前微分控制系统的稳定性、鲁棒性、抗干扰能力等。2PID控制器的设计原理及原则在工程实际中，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。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

22、完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理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:调节对象图2-1调节系统示意图时应用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。2.1三种基本调节作用的特点2.1.1比例控制（简称P作用）比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-stateerr

23、or）。比例作用的动态方程式为m=S】e（2-1）比例作用的调节规律是：偏差值e愈大，调节机关位移量也愈大；偏差值e的变化速度即竺快，调节机关的移动速度也也快。在恒值调节系统中，上述偏差值dtdte即为被调量Y。当采用P调节器时，如果图2-1所示的系统为一恒值调节系统，则调节阀的位置与被调量的数值之间必然存在着一一对应关系，因此，在不同负荷时（阀门位置不同），被调量的数值也必然是不同的，或者说，调节过程结束后，被调量将是有差的。2.1.2积分控制（简称I作用）积分作用的动态方程为:(2-2a)或表示为(2-2b)dm=Sedt0执行机构就会不停地动调节构成结束时，被由上式可以看出：如果被调量不

24、等于给定值，即e半0,作，只有e=0，即偏差消失时，执行机构才停止动作。因此,调量必定是无差的。e八（h）-aQ1(a)Q2(b)图2-2积分作用示意图在调节过程中，积分作用也存在不合理的一面，由图2-2可说明这种情况：（b）图中的a，b两点表示了两种状态，由于偏差相同，积分作用也相同。结合图2-2可见，对应于a点所示的状态，水位高于给定值，并且QQ2水位将继续上升，此时，积分作用调节器（I）将关小进水阀，使Q1与Q2的差别减小，此动作是正确的。对应于b点所示的状态，水位高于给定值，但QQ2水位将下降，但对于积分作用调节器来说，它仍将输出信号去关小进水阀，结果是：Q1进一步减小，Q1与Q2的差

25、别进一步扩大，使水位以更快的速度下降。因此，当调节过程进行到c点时，虽然偏差等于零，积分作用保持不变，但由于流入流量Q1比流出流量Q2小很多，水位急剧下降，将会使调节过程产生振荡。由上述分析可见，只有积分作用的调节器，工业上很少应用。在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（SystemwithSteady-stateError）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而

26、加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。2.1.3微分控制（简称D作用）微分作用的动态方程是2dt(2-3)由上式可以看出，调节过程结束时，必须等于0，即调节阀开度不变，这dt样就不能适应负荷的变化。因此，只有微分作用的调节器是不能执行调节任务的。微分作用的特点是调节机关的位移与被调量偏差信号的变化速度成正比。在调节过程开始阶段，被调量y偏离给定值r很小，但变化速度较大，此时，调节器中的P、I作用都很弱，而微分作用却较强，它可以使调节阀产生一个较大的位移，微分作用比P、I作用超前，它加强了调节作用，限制了偏

27、差的近一步增大，微分作用可以有效地减少动态偏差，这是调节器中加入微分作用的主要目的。在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”,即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑

28、制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。综上所述，比例作用可使调节过程趋于稳定，但在单独使用时，被调量产生静态偏差，积分作用能使被调量无静态偏差，但单独使用时，会使调节过程变成振荡甚至不稳定，微分作用能有效地减少动态偏差，但不能单独使用。由于比例作用、积分作用和微分作用各有特点，所以目前工业上常采用P、PI、PD和PID调节器。2.2自动调节器典型动态特性2.2.1比例（P）调节器比例调节器的动态方程与比例作用的动态方程相同，即：卩=Ke=K（r-y）PP卩=e=-1（r-y）（

29、2-4）oo式中：KP调节器的比例系数，即偏差改变一个单位时，调节机构的位移变化量；（5比例系数KP的倒数，称为比例带，即当调节机关的位置改变100%时,偏差产生的改变量。比例调节器的传递函数为：(2-5)(s)=比例带C是可调的，表示比例作用强弱的参数。C越大比例作用越弱Q越小比例作用越强。调节过程中输入卜e0对输出Aa的响应无迟延、无惯性，并且调节方向正确，因此比例调节器在控制系统中是使控制过程稳定的因素。当被控对象的给定值发生变化后，执行机构必须移动到一个与给定值相适应的位置才能使被控对象再度平衡，调节的最终结果是有差的，因而比例调节器称为有差调节器。比例调节器的阶跃响应曲线如图2-3所

30、示：AeAeo卩詁&oot图2-3比例调节器阶跃响应曲线2.2.2比例积分（PI）调节器卩=Ke+KJedt二二Ke+Kiftedtp10pKp0丿或写成1H5111e+ftedtoJ其中：T=iKp-Ki比例积分调节器是比例作用和积分作用的叠加，其动态方程为:(2-6a)(2-6b)100%时，调节机构的移动速度;(2-7)式中：KI调节器的积分速度，即偏差改变T积分时间。1比例积分（PI）调节器的传递函数为：K1W(s)二K+-A二pips5这种调节器有两个可供调整的参数，即KP和K或3和T.。当T.fg时，比PI11例积分调节器就成为比例调节器；当T.f0时，即心一0（Ti=KJK，而K

31、厂s是1PPII不可能的）时，比例积分调节器就成为积分调节器。积分时间T1影响积分作用的强弱，比例带3不但影响比例作用的强弱，而且也会影响积分作用的强弱。由于比例积分调节器是在比例调节基础上，又加上积分调节，相当于在粗调的基础上再加上细调，能使控制过程结束后没有静态偏差。图2-4为PI调节器阶跃响应曲线图2-4PI调节器阶跃响应曲线将阶跃扰动幅值/e0代入动态方程式（2-6b），可得比例积分（PI）调节器阶跃响应曲线的方程为：1人1卩二Ae+oooTi(2-8)把t=T1代人式（2-8）可得:1A1Aep=Ae+AeT=2o0o0Toi0i(2-9)式（2-9）说明，当总的输出等于比例作用输出

32、的2倍时，其时间就是积分时间T.。应用这个关系我们就可以通过PI调节器的阶跃响应曲线确定积分时间T.。112.2.3比例微分（PD）调节器比例微分调节器由比例作用和微分作用组合而成，理想的比例微分调节器动态方程为：de=Ke+K=KPddtP(Kde)e+d.Kdt)p丿(2-10a)或写成e+Tdeddt丿其中:KdKp(2-10b)式中：Kd微分作用的比例系数；dTd微分时间。d理想的比例微分（PD）调节器的传递函数为:(a)图2-5比例微分（PD）调节器阶跃响应曲线(2-11)比例微分（PD）调节器有两个可供调整的参数，即Kp和Kd或6和Td。微分Pdd时间Td影响调节器微分作用的强弱；

33、比例带6不但影响调节器比例作用的强弱，d而且也影响微分作用的强弱。输入等速变化时（图b）比例微分（PD）调节器的阶跃响应曲线方程为：de、dt丿11fat+aTood(2-12)上图中（c）所示为实际比例微分（PD）调节器的阶跃响应曲线，其动态方程为：e+Tddt(2-13)式中：TD微分惯性时间常数。实际比例微分（PD）调节器的传递函数为：W（s）凹二丄律（1+Ts）J4）pde（s）Ts+15dD上式说明实际比例微分调节器比理想的比例微分调节器增加了一个惯性环节。实际比例微分（PD）调节器的阶跃响应曲线方程为：1_KD1丄叩)即+%十_八裙A即+(%_1)e_td(2-15)其中:KDTd

34、KD式中：KD微分放大系数或微分增益。TD微分惯性时间常数。微分惯性时间常数Td可以表征微分作用强弱：当Td大时，微分输出部分衰减得慢，说明微分作用强；反之Td小，表示微分作用弱。而比例带5不但影响调节器比例作用的强弱，而且也影响微分作用的强弱。在比例微分调节器中，微分作用可以在扰动出现时立刻产生一加强的阶跃输出，从而有效降低偏差的变化速度。之后微分作用逐渐减弱，在t时，只有比例作用依然存在。因此比例微分调节器不能消除被调量的稳态偏差，是一种有差调节器。2.2.4比例积分微分（PID）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：L(e+T-i严

35、+Td料i(2-16)理想的比例积分微分（PID）调节器的传递函数为：TOC o 1-5 h z卩(s)111(2-17)W(s)=(1+Ts)PIDE(s)Ts+15TsdDi实际比例积分微分（PID）调节器的动态方程为:dp1/1(t、”+P(e+fedt+Tdt5Todde)dt(2-18)其传递函数为:W(s)PID式中:卩(s)_1门EW5(1+Tsi1+Ts)d(2-19)积分时间:微分时间:TK1d-dKP比例带:TDPID调节器中，有三个可以调整的参数：微分惯性时间常数:即比例带3、积分时间Ti和微分时i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。实际PID调节器

36、的阶跃响应曲线如下图所示：图2-6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。ii3过热汽温控制概述3.1火力发电厂的生产流程火电厂中，通常将燃料运至电厂，经输送加工后，送入锅炉进行燃烧，使燃料中的化学能转变为热能并传递给锅炉中的水，使水变成高温高压

37、的蒸汽，通过管道将压力和温度都较高的过热蒸汽送人汽轮机，推动汽轮机旋转作功，蒸汽参数则迅速降低，最后排入凝汽器。在这一过程中，蒸汽的热能转变为汽轮机转子旋转的机械能。发电机与汽轮机是用联轴器相连一同旋转的，汽轮机转子的机械能，通过发电机转变成电能。发电机产生的电能，经升压变压器后送人输电线路提供给用户。火力发电厂的主要系统燃料与燃烧系统：用煤将炉水烧成蒸汽（化学能转化为热能）（1）燃煤制备流程：煤从储煤场经输煤皮带送到锅炉房的煤斗中，再进入磨煤机制成煤粉。煤粉与来自空气预热器的热风混合后喷入锅炉炉膛燃烧。（2）烟气流程：煤在炉内燃烧后产生的热烟气经过锅炉的各部受热面传递热量后，流进除尘器及烟囱

38、排入大气。（3）通风流程：用送风机供给煤粉燃烧时所需要的空气，用吸粉机吸出煤粉燃烧后的烟气并排入大气。（4）排灰流程：炉底排出的灰渣以及除尘器下部排出的细灰用机械或水利派往储灰场。汽水系统:蒸汽推动汽轮机做功（热能转化为机械能）（1）汽水流程：水在锅炉内变成过热蒸汽，过热蒸汽在汽轮机中不断膨胀、高速流公，推动汽轮机高速旋转，最后排入凝汽器中冷凝成水，再经升压、除氧、加热后送回锅炉，形成闭合的汽水循环。（2）补给水流程：汽水循环中水有损失，必须经常补充，补给水要经过化学处理，水质合格后送入汽水系统。（3）冷却水流程：在汽轮机排气的凝结过程中，放出的大量的潜热需有冷却水带走。冷却水的吸取，冷却即其

39、设施构成冷却水流程。电气系统：汽轮机带动发电机发电（机械能转化为电能），并通过输配电装置将电能送往用户。（1）向外供电流程：发电机发出的电能由变压器升压后，经高压配电装置和输电线路送往用户。（2）厂用电流程：发电厂内的自用电由厂用变压器降压后，经厂用配电装置相场内各种附机及照明等供电。控制系统：操作机械化、自动化。（1）燃料的装卸、入仓、制粉、输送机械化、自动化。（2）锅炉给水、气温和燃料的自动调节，炉膛灭火安全保护系统（3）汽轮机自动控制系统包括调节、自启停、监视与保护和主蒸汽旁路控制等。（4）发电机控制系统包括参数显示、励磁调节、运行操作和安全保护等（5）厂用电控制系统包括厂用电备用电源自

40、动切换、直流系统监视和和交流不停电电源系统等。3.2过热汽温控制的任务过热蒸汽温度自动控制的任务是维持过热器出口蒸汽温度在允许范围内，并且保护过热器，使管壁温度不超过允许的工作温度。过热蒸汽温度是锅炉运行质量的重要指标 之一，过热蒸汽温度过高或过低都会显著地影响电厂的安全性和经济性。过热蒸汽温度过高，过热汽器管壁和汽轮机高压缸将使金属的强度下降，以致造成主器的高温段爆管和汽轮机的高压缸损坏，过热汽温的上限一般不应超过额定值5C。过热蒸汽温度过低，主汽温过低，还会使汽轮机尾部的蒸汽湿度增加，甚至带水，将严重威胁汽轮机低压缸、转子和凝汽器的安全。另一方面过热汽温降低，还使汽轮机的热效率就降低(过热

41、汽温降低5C,汽轮机的热效率就降低1%),因而过热汽温的下限一般不低于额定值10C。过热汽温的额定值通常在500C以上，例如高压锅炉一般为540C，就是说要使过热汽温保持在5405C的范围内。主汽温控制系统关系着机组运行的安全性和经济性，其一方面主汽温是全厂汽水系统中温度的最高点。因此主汽温是影响机组安全、经济运行的重要参数，运行中要尽量保持稳定。3.3过热汽温控制的难点分析过热汽温的控制多年来一直是电厂过程控制中的一个难点，主要是因为以下几点原因：过热汽温是一个迟延现象比较严重的对象，机组容量越大，迟延现象就越严重。当有些机组的过热汽温的迟延太大时，反馈控制根本来不及控制。而PID控制就是属

42、于反馈控制。过热汽温容易受到多种因素的影响，如烟气温度和压力的波动、负荷的变化、主蒸汽压力的变化、燃料量的变化、给水温度和流量的波动及减温水流量的抖动、吹灰器投入、磨煤机的切换等都会引起过热汽温的变化。过热汽温被控对象工艺流程复杂，不同的机组过热汽温特性完全不同，很难得到对象与干扰之间准确的数学模型。即使通过现场试验的办法得到当时对象的数学模型，但随着时间的推移和机组工况的变化，对象的模型会发生变化。3.4影响主蒸汽温度的因素过热汽温是锅炉运行中的主要参数之一。汽温过高会加快金属材料的蠕变产生额外的热应力，缩短设备的使用寿命。汽温过低会使汽轮机叶片的侵蚀作用加剧损坏设备，使发电厂的经济性降低。

43、引起汽温变化的基本原因有两方面，即烟气侧传热的改变和蒸汽侧吸热工况的改变。烟气侧的影响因素有：1燃料性质的变化。2风量的变化。3喷燃器运行方式的改变。4给水温度的变化。5受热面的清洁程度。蒸汽侧的影响因素有：1锅炉负荷的变化。2饱和蒸汽湿度的变化。3减温水的变化。对汽温的调节可以从两方面来进行。蒸汽侧调节汽温：目前高压和超高压锅炉基本上都采用喷水减温器。另外一种减温器则为表面式，它是利用给水间接吸收蒸汽热量。喷水式减温器比表面式减温器调节温度要快，对处理蒸汽温度突然的变化比较有效。烟气侧调节汽温:是通过改变过热器烟气侧的传热条件，即改变过热器受热面的吸热量。根据具体设备有两种方法。即改变火焰中

44、心位置和改变烟气量。为了得到良好的气温调节特性，往往应用两种以上调节方法，并常以喷水减温与一种或两种烟气侧调温方法相配合。一般情况下，烟气侧调温只能作为粗调，而蒸汽侧调温才能进行细调。最终要根据生产实际情况来进行调节3.5过热汽温被控对象的动态特性影响过热器出口蒸汽温度变化的原因很多，如蒸汽流量变化、燃烧工况变化、锅炉给水温度变化、进入过热器的蒸汽温度变化、流经过热器的烟气温度和流速变化、锅炉受热面结垢等。但归纳起来，主要有三个方面：3.5.1蒸汽流量（负荷）扰动下过热汽温对象的动态特性当锅炉负荷扰动时，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热

45、系数，使过热器各点的蒸汽温度几乎同时改变，因而汽温反应较快。过热器出口汽温的阶跃响应曲线如图3-1所示，其特点是：有滞后、有惯性、有自平衡能力，且t/Tc较小。但由于蒸汽量是由机组负荷决定的，不能用来作为调节气温的手段。当锅炉负荷增加时，对流式过热器和辐射式过热器的出口汽温随负荷变化的方向是相反的。负荷增加时，通过对流式过热器的烟气温度和流速都增加，从而使对流过热器的出口汽温升高。但是，由于负荷增加时，炉膛温度升高不多，而炉膛烟温升高所增加的辐射热量小于蒸汽负荷增大所需的吸热量，因而当负荷增加时，辐射式过热器出口汽温是下降的。现代大型锅炉的过热器，对流式过热器的受热面积大于辐射式过热器的受热面

46、积，因此总的汽温将随负荷增加而升高。图3-1锅炉负荷扰动下过热汽温的阶跃响应曲线3.5.2烟气侧扰动下过热汽温的动态特性烟气侧对汽温的影响干扰因素较多。由于过热器及再热器是热交换器，其出口汽温反映了蒸汽带走的热量和烟气侧吸收的热量之间的热平衡关系。因此，凡是影响烟气和蒸汽之间换热的因素都是对汽温的扰动因素。烟气侧的扰动主要包括以下几方面：煤质的变化燃煤中的水分和灰分增加时，燃煤的发热量降低，为了保证锅炉蒸发量，必须增加燃料消耗量。因为水分蒸发和灰分本身提高温度均要吸收炉内的热量，故使炉内温度水平降低，炉内辐射传热量减少；炉膛出口烟温升高，水分增加使烟气体积增大，烟气流速增加，使对流传热增加，故

47、使汽温升高。当燃煤的挥发分降低，含碳量增加(例如由烧烟煤该成烧无烟煤或贫煤)或煤粉较粗时，煤粉在炉内的燃尽时间较长，火焰中心上移，炉膛出口烟温升高，从而使汽温上升。炉内过剩空气系数的变化当送风量和漏风量增加使炉内过剩空气系数增加时，低温空气的吸热及烟气容量的增加将使炉膛温度降低，流经过热器的烟量增加，烟速增高，使对流过热器传热加强，汽温升高。燃烧器运行方式的变化燃烧器运行方式改变，例如，燃烧器从上排切换到下排，或燃烧其的喷口角度改变时，火焰中心位置也会改变，从而引起汽温变化。配风工况的改变在总风量不便的情况下，由于配风工况不同，也会造成火焰中心位置的变化而使汽温发生变化。当送风和引风配合不当而

48、造成炉膛负压变化使火焰中心位置变化时，也会造成汽温变化。图3-2表示烟气热量Qy阶跃变化时过热汽温的反应曲线，其特点是：有迟延、有惯性、有自平衡能力。烟气热量扰动(烟气温度和流速产生变化)时，由于烟气流速和温度的变化也是沿整个过热器同时改变的，因而沿过热器整个长度使烟气传递热量也同时变化，所以汽温反应较快，其时间常数Tc和迟延t均比其他扰动小。其迟延时间与烟气侧的扰动原因以及锅炉的运行工况有关。L.2图3-2烟气热量扰动下过热汽温的阶跃响应曲线由于烟气侧的扰动是沿过热器及再热器整个管段长度使烟气传热量同时变化的，所以汽温变化反应较快，因此可以利用烟气侧的扰动来作为调节汽温的手段，例如可以采用烟

49、气再循环和改变喷燃器角度等。现场当中是通过改变烟气温度（例如改变喷燃器角度或改变喷燃器投入的个数）或改变烟气流量来求取汽温响应曲线的。3.5.3工质侧扰动下的过热汽温动态特性工质侧扰动除蒸汽负荷扰动外还包括以下几个方面：（1）给水温度的变化在具有给水母管的系统中，给水温度一般不会变动很大。但对于单元机组来说，如果压加热器不能投入运行，给水温度可能比额定值低50120C，而给水温度的降低将增加给水进入锅炉后水加热阶段的吸热量。如果燃料量不便，则会降低蒸发量，因为过热器所吸收的热量基本不变，所以在过热器中每公斤蒸汽所吸收的热量增加，使汽温升高。如果要恢复蒸发量以满足汽机的需要，必须增加燃料，结果同

50、样使汽温升高。对于单元机组，给水温度是随着机组的出力而变化的。当机组出力降低时，由于抽气压力随之降低，使用于加热器加热给水的蒸汽减少，因此它对过热汽温的变化起到一定的自补偿作用，但由于管道系统很长，其迟延较大。（2）饱和蒸汽含湿量的变化过热器入口蒸汽（即饱和蒸汽）的焓值决定于蒸汽压力及其含湿量，饱和蒸汽含湿量越大，蒸汽焓值越小。在正常情况下，进入过热器的饱和蒸汽含湿量一般变化很小，饱和蒸汽的湿度一般保持不变。（3）减温水流量的变化当减温水流量扰动时，改变了高温过热器的入口汽温，从而影响了过热器出口汽温，其阶跃响应曲线如图3-3所示。从图3-3中可看出，其特点也是有迟延、有惯性、有自平衡能力的。

51、但是由于现代大型锅炉的过热器管道很长，因而当减温水流量扰动时，汽温反应较慢。对于一般高、中压锅炉，当减温水流量扰动时，汽温的迟延时间t30-60s，时间常数Tc100s，而当烟气侧扰动时T10-20s,Tc100s。可见，当负荷扰动或烟气热量扰动时，汽温的反应较快；而减温水量扰动时，汽温的反应较慢。因而从过热汽温控制对象动态特性的角度考虑，改变烟气侧参数（改变烟温或烟气流量）的控制手段是比较理想的（因为负荷信号由用户决定，不能作为控制量），但具体实现较困难，所以一般很少采用。喷水减温对过热器的安全运行比较有利，所以尽管对象的特性不太理想，但还是目前广泛被采用的过热蒸汽温度控制方法。采用喷水减温

52、时，由于对象控制通道有较大的迟延和惯性以及运行中要求有较小的汽温控制偏差，所以采用单回路控制系统往往不能获得较好的控制品质。针对过热汽温的控制对象控制通道惯性迟延大、被调量信号反馈慢的特点，应该从对象的控制通道中找出了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，以改善对象控制通道的动态特性，提高控制系统的质量。目前采用的过热蒸汽温度控制系统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。喷朮讨煤器减阳器过热器4过热汽温控制系统的典型方案在主要的扰动（减温水量）作用下，过热汽温对象的动态特性对于蒸汽流量的扰动和烟气侧的扰动，过热汽温对象的动态特性虽然较好，但两者之中或者

53、不宜作为汽温的调节手段，或者会使锅炉结构复杂，尽管减温水扰动时对象的动态特性不够理想，但由于结构简单，且对过热器的安全比较有利，因此，目前大多仍采用喷水式减温器来调节汽温，它是利用减温水直接喷入过热蒸汽中进行减温的。当减温水量发生扰动时，虽然减温器处汽温已产生变化，但要经过较长的过热器管道才能影响到出口汽温的变化，使汽温反应的迟延很大。而且减温器离过热器出口较远，则对象调节通道的迟延和惯性愈大。因此，调节汽温的最有效的方法是在过热器出口处直接进行喷水减温，但这又对过热器和汽轮机的安全运行不利。为此喷水式减温器通常装在过热器高温段的前面，这样既保护了过热器的高温段，又使对象的迟延能减小些。但是，

54、迟延时间仍较大，一般约为3060s。采用喷水减温方式调节过热汽温时，汽温调节对象的迟延较大。如果只根据汽温的偏差大小来改变减温水量，势必使调节的时间加长，动态偏差增大。为了提高调节品质，通常在减温器后选取一个辅助温度信号，该信号能比出口汽温提前反应减温水量的扰动，称为“超前信号”。目前，锅炉普遍采用过热汽温串级自动控制系统和带有导前微分信号的双信号控制系统。4.1汽温串级控制系统及其分析整定4.1.1汽温串级控制系统原理串级过热汽温自动控制系统以过热汽温02为被调量，根据喷水减温器出口温度01调节减温水量，其系统结构图4-1如下:喷水减温器出口温度01可以快速反应对过热汽温的扰动，只要01变化

55、，就可以通过副调器PI1调节减温水量，维持01在一定范围以内，从而使过热汽温02基本不变，提高控制品质。图中，PI2主调节器:维持过热汽温02等于其给定值。PI1副调节器:根据01和主调节器PI2。输出信号的变化调节减温水量。图4-1对应的汽包锅炉串级过热汽温自动控制系统的原理方框图如图4-2所示：图4-1串级过热汽温自动控制系统结构图Win图4-2串级过热汽温自动控制系统原理方框图系统的组成：内回路：导前区传递函数Wl(s)、温度变送器、副调节器WTl(s)、执行器比例系数KZ、喷水调节阀比例系数Kp。主回路：惰性区传递函数W2(s)、温度变送器、主调节器WT2(s)、内回路。4.1.2汽温

56、串级控制系统的内回路的分析整定wH1图4-3内回路原理方框图对于内回路可以看作由被控对象和广义调节器组成的单回路控制系统进行整定，广(4-1)义调节器的传递函数为：(4-2)因此广义调节器是一个比例作用调节器，其等效比例带为:iyKK01Zu通过减温水量WB的阶跃扰动试验，可以得到导前区汽温a的阶跃响应曲线如图4-4所示:根据以上阶跃响应曲线，由单回路控制系统的整定方法，可以得到比例调节器等效比例带q*的计算公式如下：-0.08当Q.2彳1.3时；6丄心AA+0.7因此副调节器WTl(s)的比例带为：4.1.3汽温串级控制系统的主回路的分析整定(4-3)(4-4)如果主调节器为PID调节器，其

57、传递函数为:wt2(s)=r2忽略导前区的惯性和迟延，则简化后导前区传递函数为:()01WIs丿二4u-iWBPl(4-5)(4-6)此时主回路原理方框图可以简化为图4-6,数为其中对应的主回路广义调节器的传递函(4-7)等效被悝对象图4-6主回路原理方框图简化图+T*sd1+T*siw()W1W*Is=B=T20O*22k调肖器主回路原理方框图如下:(4-8)则主回路广义调节器的等效比例带为:2P1Y02此时主回路广义调节器中各参数可以通过试验得到的等效被控对象W0(s)的输出端过热汽温02在减温水量WB扰动下的阶跃响应曲线，按单回路控制系统整定方法进行计算：0.13无=3.7丄(4-9)P

58、三十TcT*=TciT；=0.157；*因此主调节器WT2(s)的各参数为:(4-10)4.2汽温串级控制系统的工程整定方法及仿真4.2.1串级控制系统的工程方法串级控制系统中主副两个回路是彼此相互影响的，副控制器的整定对主控制器的影响一目了然，因为副回路的特性本身就是主回路广义对象的一个组成部分。由于主控制器的输出本身就是副回路的设定值，所以对副回路的响应有影响。如果主回路的工作频率相差很大，则对副回路而言在它的控制过程中可以近似认为主回路还没有来得及反应，可以忽略主回路的副回路的影响，则控制器参数整定可以按由内而外的原则，分别独立按单回路系统控制器的参数整定方法整定。如果必须考虑主副回路之

59、间的影响，则实验中通常可以采用三种方法:逐次逼近法和两步法。逐次逼近法：这是一种主副回路反复调试以逐步接近最优的方法，其过程主要有如下4个步骤：主回路开环，按单回路方法,整定副控制器，记为Wc2(s);主回路闭环，在已经按Wc2(s)整定的副控制器下整定主控制器，记为W】cl(s)在主回路闭环的条件下，重新整定副控制器参数，记为W2c2(s)在副控制器为W2c2(s)的基础上，在重新整定主控制器，记为W2c1(s).这4个步骤按顺序循环往复，直至满意为止，但这种方法费时费力，在实际中很少使用。两步法：两步法是在主副回路工作频率相差比较大的条件下采用的一种方法，所谓两步法就是整定分为两步进行，先

60、整定副回路，再整定主回路，具体步骤如下：将主副回路均闭环，置主控制器的比例带为100%，积分时间最大，微分时间为最小，然后按4：1衰减曲线法整定副回路的比例带和振荡周期；（2）将副控制器的比例带置为所得到的比例带，积分时间为最大，微分时间为最小，按4：1的衰减曲线法整定主回路的比例带和震、振荡周期。（3）按所得到的主副回路的比例带和振荡周期，结合主副控制器的选型，采用4：1衰减经验曲线公式，分别整定主，副控制器的参数；（4）在主副回路均闭合的条件下，采用步骤（3）所得到的控制器的参数，按先副回路后主回路，先比例后积分最后微分的顺序对系统进行调试，观察控制过程的曲线，如果结果不够满意，可适当进行