热工过程自动控制 CH05-2 大型单元机组的生产过程及其自动控制

上节回顾12火电厂的系统构成（1）汽水系统，由锅炉、汽轮机、凝汽器、水泵、加热器及其管路组成；（2）燃料、燃烧系统，包括：输煤系统、制粉系统、烟风系统和除灰除尘系统；（3）其它辅助热力系统（4）电气系统35.1.2单元机组的自动控制系统组成4一、协调控制的基本概念从大系统理论出发，协调控制是一种解决大系统控制问题的基本策略。所谓大系统可理解为由若干相互关联子系统组成的复杂系统。应用大系统理论处理这类庞大而复杂系统控制问题的基本方法就是分解——协调的方法。所谓分解就是把大系统化为若干子系统，以便进行分块的处理与控制，求得各子系统的局部最优解；而协调则是从系统的全局出发，合理地调整各子系统之间的关系，求得各子系统之间的和谐与统一，进而得到整个大系统的最优解。5大系统中包含的各子系统之间，相互关联的结构有多种多样的形式。其中最为普遍的形式是一种递阶的结构。在这种递阶的结构中，各子系统处于不同级别的层次中，并具有不同的职能。6

协调控制级上的协调控制器要对下一级中的若干个控制器进行协调。协调的过程是一个多目标决策的过程，也是一个全局优化的过程。7二、单元机组协调控制系统（CCS）

Coordinatedcontrolsystem单元机组协调控制系统把锅炉和汽轮发电机组作为一个整体进行控制，采用了递阶控制系统结构，把自动调节、逻辑控制、联锁保护等功能有机地结合在一起，构成一种具有多种控制功能，满足不同运行方式和不同工况下控制要求的综合控制系统。单元机组协调控制系统的设计充分利用了机炉对象特性方面的特点，采用了前馈、补偿、多变量解耦等控制策略，使控制系统具有合理、可靠、易于维护调整等优点。8单元机组协调控制系统框图

95.1.3单元机组自动控制系统中的协调控制级10单元机组协调控制系统可认为是一种二级递阶控制系统。处于上位级的机炉协调级，也叫作单元机组主控系统，是整个系统的核心部分。处于局部控制级的子系统包括锅炉燃料控制系统，风量控制系统，汽轮机功率/频率调节系统，以及锅炉的给水控制系统。单元机组主控系统产生指挥机炉控制器动作的锅炉指令和汽机指令。局部控制级的控制器执行主控系统发出的指令，完成指定的控制任务。11控制任务：使系统能快速的跟踪外界负荷的要求，同时又能保持主气压的稳定。协调控制主控系统结构框图

MB、MT-分别为主控制系统对锅炉和汽轮机的主控制（负荷）指令；P0是主蒸汽压力的给定值；PE和PT-分别为机组实发电功率和主蒸汽压力。12单元机组主要有锅炉和汽轮机汽轮机从蒸汽进入到发电机产生电能是一个快速过程。当负荷变化时：锅炉：从给水到形成过热蒸汽，需要一段时间来吸热，具有较大的容积滞后。负荷控制方式：锅炉跟随汽轮机的控制方式和汽轮机跟随锅炉的控制方式和协调控制方式（以锅炉跟随为基础或以汽机跟随为基础）：相互切换135.1.4单元机组自动控制系统中的基础控制级14一、燃烧控制系统的基本任务

电站锅炉燃烧过程实质是将燃料化学能转变为蒸汽热能的能量形式转换过程。燃烧过程控制的根本任务是使燃烧所提供的热量适应锅炉蒸汽负荷的需要，并保证锅炉安全经济运行。1．维持蒸汽压力稳定

锅炉蒸汽压力作为表征锅炉运行状态的重要参数，不仅直接关系到锅炉设备的安全运行，而且其是否稳定反映了燃烧过程中能量供求关系。在单元机组中，锅炉蒸汽压力控制与汽机负荷控制是相互关联的，锅炉燃烧控制系统的任务是及时调整锅炉燃料量，使锅炉的能量输出与汽机为适应对外界负荷需求而需要的能量输入相适应，其标志是蒸汽压力的稳定。

1.锅炉燃烧控制系统152．保证燃烧过程的经济性保证燃烧过程的经济性是提高锅炉效率的重要方面，它是通过维持进入炉膛的燃料量与送风量之间的最佳比值来实现，即在有足够的风量使燃料得以充分燃烧的同时，尽可能减少排烟造成的热损失。3．维持炉膛压力稳定

锅炉炉膛压力是否稳定反映了燃烧过程中进入炉膛的风量与流出炉膛的烟气量之间的工质平衡关系。若送风量大于引风量，炉膛压力升高，太高的压力会造成炉膛向外喷火；送风量小于引风量炉膛压力下降，过低的压力会造成漏风而降低炉膛温度，影响炉内燃烧工况，经济性下降。所以说，炉膛压力是否在允许范围内变化，关系到锅炉的安全经济运行。16燃烧控制系统包括：（1）燃料量控制系统（2）磨煤机控制系统（3）风量控制系统（4）炉膛压力控制系统1.锅炉燃烧控制系统17（1）燃料量控制系统A:燃油控制（燃油压力控制）1.锅炉燃烧控制系统油枪安全运行的最低油压<燃油压力<雾化蒸汽压力B：燃煤控制：根据锅炉指令并与送风量相配合，产生给煤机的转速指令。18（2）磨煤机控制系统磨煤机控制主要包括：磨煤机风量控制，磨煤机出口煤粉/空气混合物温度控制，一次风压控制。1.锅炉燃烧控制系统（3）风量控制系统

风量控制和燃料量控制一起，共同保证锅炉的出力能适应外界负荷的要求，同时使燃烧过程在经济、安全的状况下进行（4）炉膛压力控制系统

任务是调节锅炉的引风量，使之与送风量相适应，以维持炉膛具有一定负压力，保证锅炉运行的安全性和经济性。19控制锅炉汽包水位水位过高，会使蒸汽带水，造成过热器管内结垢，影响传热效率，严重时会引起过热管爆破，或者汽轮机进水。水位过低，破坏锅炉的水循环，造成水冷壁管烧坏而引起爆管。2.给水控制系统汽包水位是锅炉给水量和蒸发量是否平衡的标志。203.汽温控制系统汽温控制分为：过热汽温和再热汽温控制大型锅炉的过热器是接近过热器金属（耐高温高压的合金钢）的极限温度的条件下运行整个汽水系统的最高温度过热蒸汽温度的上限<（规定值+5℃）控制在烟道中分布的再热器的再热温度不是省煤器、空气预热器…213.汽温控制系统ⅡⅠkg(1-α1)kgα2kgα1kg1kgh02’h02h2’h2h01h01’1kgTurbineCondenserqinqoutGeneratorElectricityBoilerPumpPumpPumpOpenFWHOpenFWHh11、汽轮发电机组采用中间再热（1）中间再热在中间再热式机组的运行过程中，由锅炉过热器来的新蒸汽经汽轮机高压缸做功后，送到再热器进行再加热，使其温度达到或接近新蒸汽温度而成为再热蒸汽，再热蒸汽送到汽轮机中压缸继续做功，这就是一次中间再热。22（2）采用中间再热意义:对在高压缸做功后的蒸汽进行再热，不仅提高汽轮机终端的排汽干度，而且改善了汽轮机末级的工作条件；如果再热蒸汽压力选得合适，采取一次中间再热后可提高机组热效率达4%~5%。3.汽温控制系统234.辅助控制系统主要有：除氧器压力、水位控制系统；空气预热器冷端温度控制系统；凝汽器水位控制系统；辅助蒸汽控制系统；汽轮机润滑油温度控制系统；高压旁路、低压旁路控制系统；高压加热器；低压加热器水位控制系统…24重要的参数控制系统的设计单元机组负荷控制系统锅炉燃烧控制系统锅炉给水控制系统过热蒸汽温度控制系统255.4汽包锅炉给水自动调节系统任务：维持汽包水位在允许范围内被控量：汽包水位调节量：给水流量三冲量系统：主蒸汽流量（汽包出口流量），汽包水位，给水流量。有单级（前馈-反馈控制系统）和串级26一、汽包水位被控对象的动态特性二、前馈-反馈给水调节系统三串级给水调节系统四、给水调节系统实例五、全程给水调节系统5.4汽包锅炉给水自动调节系统27∙给水自动调节系统被调对象的示意图:一、被调对象的动态特性28（１）给水量Ｗ；（２）蒸汽量Ｄ；（３）锅炉燃烧率。汽包水位(steamdrumlevel)变化原因示意图

被调量Ｈ变化的主要原因：291)．给水量Ｗ扰动时的动态特性

∙给水量Ｗ扰动时，汽包水位Ｈ的变化过程可以分别从两个角度加以分析：1、仅仅从物质平衡的角度来分析；2、仅仅从热平衡的角度来分析。30综合上述两种角度分析的结果，对曲线１和曲线２进行线性叠加，得到在给水量Ｗ阶跃扰动下，汽包水位Ｈ的实际变化曲线：物质平衡：当蒸汽流量不变，给水流量增加，汽包水位是上升的。热平衡：锅炉给水温度相对较低，会吸收原有的饱和水中的热量，使蒸汽产量下降，液面下的气泡体积减小，使水位下降。特点：有惯性无自平衡能力31式中：τ──迟延时间

；

ε──飞升速度；∙在给水量Ｗ扰动下，被调对象具有迟延、惯性和无自平衡能力特性。322)．蒸汽量Ｄ扰动时的动态特性

∙蒸汽量Ｄ扰动时，汽包水位Ｈ的变化过程同样可以从两个角度加以分析。1．仅仅从物质平衡的角度来分析2．仅仅从热平衡的角度来分析。综合上述两种角度分析的结果，得到33在蒸汽量Ｄ阶跃扰动下，汽包水位的实际变化曲线。热平衡：流出量D的增加会使汽包压力下降，液面下气泡膨胀，汽包体积的增大将会使水位升高。物质平衡：流出量D的阶跃增加，会使水位直线下降特点：无自平衡能力34虚假水位：当蒸汽量突然增加时，虽然汽包的进水量小于蒸发量，但在开始的一段时间内，水位不仅不下降，反而迅速上升。汽包蒸汽空间的压力下降占主要作用。给水量和用汽量的不平衡关系占主要作用35动态特性的数学描述为：式中：k──比例系数，

T──时间常数

ε──飞升速度361．蒸汽量扰动主要取决于汽轮机的运行工况，属于外部扰动，锅炉燃烧率扰动其实也是一种间接的外部扰动。很显然这两种物理量是不可能作为调节汽包水位的调节手段的，调节作用量只能选择给水量。2．“虚假水位”(levelswell)现象主要是来自于蒸汽量的变化，显然蒸汽量是一个不可调节的量（对调节系统而言