MW機組汽溫控制系統(tǒng)分析

1、.600MW機組的主汽溫控制系統(tǒng)分析、設計與仿真摘要：隨著經濟發(fā)展、科技技術的革新、國民對電力的更高要求的不斷提升，現在300MW機組已經慢慢退出電力發(fā)產的舞臺中心，取而代之的是600MW機組。電站鍋爐主汽溫（過熱汽溫）影響著機組的安全經濟運行，所以主汽溫（過熱汽溫）的控制系統(tǒng)的設計和分析就非常必要。本文對被控對象過熱器進行了特性分析，較為詳細的描述了常用的串級控制、導前微分信號控制和SMITH控制的系統(tǒng)的結構和原理。并結合了托克托電廠的汽溫控制系統(tǒng)較為全面的分析了其汽溫控制系統(tǒng)的特點和優(yōu)點。關鍵字：600MW機組 主汽溫（過熱汽溫）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、目錄摘要：IIAbstractIII一、600MW機組的介紹51.1、近年我國600MW機組發(fā)展情況51.2 600MW機組的汽溫系統(tǒng)介紹21.2.1 過熱汽溫控制的重要性21.2.2過熱汽溫控制系統(tǒng)的被控對象21.3 600MW過熱汽溫控制系統(tǒng)的現況4二、600MW機組的幾種典型的汽溫控制方42.1、600MW機組的過熱汽溫控制系統(tǒng)的任務和難度42.2 600MW機組過熱汽溫控制對象的動靜態(tài)特性52.2.1、靜態(tài)特性52.2.2 動態(tài)特性62.3 過熱汽溫系統(tǒng)的串級控制方案92.3.1串級控制系統(tǒng)的基本原理92.3.2串級控制系統(tǒng)的分析112.4 過熱汽溫的導前微分控制方案142.4.1導前

6、微分控制系統(tǒng)的特點152.4.2導前微分控制系統(tǒng)的組成152.4.3導前微分控制系統(tǒng)分析162.5、SMITH預估控制系統(tǒng)182.6 三種汽溫控制系統(tǒng)的比較20三、再熱汽溫控制系統(tǒng)的分析21四、托克托電廠的汽溫控制系統(tǒng)分析224.1 托克托電廠汽溫控制系統(tǒng)的組成224.2托克托電廠的汽溫系統(tǒng)分析224.2.1過熱汽溫控制系統(tǒng)分析224.2.2再熱汽溫控制系統(tǒng)分析274.3、總結托克托電廠控制系統(tǒng)的特點31五、結束語325.1、本次畢業(yè)設計的收獲和心得325.2、致謝32六、附錄：32*;一、600MW機組的介紹1.1、近年我國600MW機組發(fā)展情況近年來，隨著我國經濟的快速發(fā)展，國民經濟的發(fā)展

7、，人民生活的提高，電能早已是我們日常生活中必不可少的。我國各發(fā)電企業(yè)也通過優(yōu)化發(fā)展來推動加快發(fā)展，結構調整取得明顯成效。300MW機現在已經在慢慢的被淘汰，取而代之的是更大的600MW機組，這就是說，在未來的幾年甚至十幾年中，600MW機組將會取代300MW機組而成為我國電力行業(yè)的骨干機組。2008年，全國投產火電機組6575萬kW，雖然比2007年少投產1785萬kW，但高等級機組比例增加，小機組替代力度加大，火電結構進一步優(yōu)化，技術等級進一步提高。到2008年底，火電機組總容量達到6億kW。從常規(guī)火電技術看，我國已開始由電力大國向電力強國轉變，火電在超(超)臨界機組、大型循環(huán)流化床機組、空

8、冷機組、脫硫設施建設和運行等各方面，都走在了世界前列。600MW超臨界壓力機組已是世界上一項比較成熟的技術, 加快建設和發(fā)展高效超臨界火電機組是解決電力短缺、提高能源利用率和減少環(huán)境污染的最現實、最有效的途徑。我國從20世紀90年代開始，引進技術的亞臨界300發(fā)電機組逐步取代了200MW機組，成為我國的主力機組。300MW機組無論是在安全可靠性，還是經濟性上均遠勝于200MW機組。我國的第一臺600MW機組是1985年從德國引進并投產的元寶山電廠的2號機組。在普遍認可和掌握亞臨只是300MW機組技術的基礎之上，進入21世紀以后，興起了一波爭上亞臨只是600MW機組的熱潮。而這后600MW超臨界

9、機組開始在我國電力行業(yè)現身，目前已經成為國內新建、擴建機組的主要趨勢，其主汽壓力和主汽溫參數高，可大大提高機組的熱效率和經濟性。截至2008年底，全國600Mw及以上機組共有276臺，而2008年當年新投產機組就有67臺、4112萬kW，占新投產火電機組總容量的63.11，是當前電網的主力機組和發(fā)展的主要領域。從下表1中可以看出：近幾年來機組數量每年分別增加了113、58和32，發(fā)展迅猛。（表 1：近年來我國600MW機組的裝機總量）年份2005200620072008總臺數/臺62132209276總容量/MW3916823513127174001.2 600MW機組的汽溫系統(tǒng)介紹1.2.1

10、 汽溫控制的重要性在大型的火電廠機組的控制上，蒸汽溫度是一個至關重要的被控參數，對于鍋爐都有明確的額定汽溫值，并且有嚴格的要求，運行中不得有過大的偏差，一般誤差范圍都要保持在+5-10。這是由于：（1）、汽溫過高，鍋爐的受熱面及蒸汽管道金屬材料的蠕變速度加快，會使其壽命減短。同時，當汽溫超過允許值時，還會使汽輪機的汽缸、主汽門、調節(jié)汽門、前幾級噴嘴和頁片等部件的機械強度降低，會縮短部件的使用壽命。（2）、汽溫過低，這將會使機組的熱效率降低，使汽耗率增大，汽溫過低還會使汽輪機末幾級葉片的蒸汽濕度增大，這不僅使汽輪機內效率降低，而且重要的是會造成末幾級葉片的浸蝕增加，會縮短汽輪機的壽命。（3）、過

11、熱汽溫和再熱汽溫變化過大，除了對管道和相關部件的蠕變和損壞之外，還會引起汽機差脹的變化，甚至產生機組的振動，危及機組的安全運行。1.2.2汽溫控制系統(tǒng)的被控對象對于控制系統(tǒng)來說，對一個系統(tǒng)的控制品質的好壞取決于被控對象的認識，對被控對象有了好的了解和認識，就可以很好的對它進行控制，如果不能夠很好認識控制系統(tǒng)的被控對象，對控制系統(tǒng)的設計和分析都是有很大難度的。600MW機組的汽溫控制系統(tǒng)一般由過熱器、高溫過熱器、低溫再熱器和高溫再熱器組成。如下圖所示為一機組的汽溫控制系統(tǒng)的被控對象。整個過程工質的流程水冷壁過熱器汽輪機高壓缸再熱器汽輪機中、低壓缸過熱器：過熱器是鍋爐中將一定壓力下的飽和水蒸氣加熱

12、成相應壓力下的過熱水蒸氣的受熱面。按傳熱方式可分為對流式、輻射式和半輻射式；按結構特點可分為蛇形管式、屏式、墻式和包墻式。主蒸汽按照：低溫過熱器屏式過熱器高溫過熱器經過多級過熱器。飽和蒸汽由汽包引出后，進入低溫對流過熱器，從低溫過熱器出來后，經過第一級噴水減溫器減溫，再進入屏式過熱器，從屏式過熱器中出來以后，再經過二級噴水減溫，這后通過高溫對流之后進入高壓汽缸做功。在低溫過熱器和屏式過熱器、屏式過熱器與高溫過熱器之間都設置有噴水減溫器,利用減溫水來調節(jié)過熱汽溫，一般都采用多級過熱器。為提高控制品質，過熱汽溫采用分段控制方案，即將整個過熱器系統(tǒng)分成若干段，每段都包含一個減溫器，分別控制各段過熱器

13、出口汽溫，以維持過熱汽溫為給定值。機組汽溫給定值按機組的啟停和正常運行工況的要求來形成，將隨負荷而變，即過熱汽溫被設計成全程控制系統(tǒng)。如上圖所示，一級噴水減溫器布置在屏式過熱器入口，二級噴水減溫器布置在高溫段對流過熱器入口。一級噴水減溫調節(jié)系統(tǒng)用以維持段過熱器出口汽溫2為給定值，二級噴水減溫調節(jié)系統(tǒng)用以調節(jié)主汽溫度4為給定值。段過熱器出口汽溫2的調節(jié)為維持主汽溫度奠定了基礎。采用兩級噴水減溫，這樣做的目的有兩個，一是為了使汽溫調節(jié)更加靈敏，減小熱慣性，二是為了保護過熱器。第一級噴水減溫器布置在前屏式過熱器之后，調節(jié)量較大且調節(jié)惰性大，用來調節(jié)因負荷、給水溫度和燃料性質變化而引起的汽溫變化。除此

14、之外，它還有保護屏式過熱器和對流過熱器的作用。第二級噴水減溫器布置在末級過熱器之前，這一級熱慣性小，可保證出口汽溫能得到迅速的調節(jié)。再熱器：再熱器實質上是一種把作過功的低壓蒸汽再進行加熱并達到一定溫度的蒸汽過熱器，再熱器的作用進一步提高了電廠循環(huán)的熱效率，并使汽輪機末級葉片的蒸汽溫度控制在允許的范圍內。再熱蒸汽溫度調節(jié)一般采用擺動火嘴加噴水減溫的控制方式。再熱蒸汽按照：汽輪機高壓缸排汽低溫再熱器高溫再熱器依次經過不同階段的再熱器，最后從再熱器出來的符合要求的再熱蒸汽進入中壓和低壓缸做功。1.3 600MW汽溫控制系統(tǒng)的現況過熱汽溫控制系統(tǒng)是鍋爐運行質量的重要指標之一，它直接關系到電廠的安全性和

15、經濟性。過熱蒸汽溫度過高或過低，都會對電廠的安全性和經濟性具有巨大的影響。目前，仍然采用以分散微機為基礎的集散控制系統(tǒng)（DCS）。目前，在過熱汽溫控制系統(tǒng)中采用主要有串級控制系統(tǒng)和采用導前汽溫微分信號的雙回路汽溫控制系統(tǒng)。二、600MW機組主汽溫（過熱蒸汽溫度）控制方案2.1、600MW機組的主汽溫（過熱蒸汽溫度）控制系統(tǒng)的任務和難度600MW機組的汽溫控制系統(tǒng)分為過熱蒸汽溫度的控制和再熱蒸汽溫度的控制，故而汽溫控制系統(tǒng)又分為兩個小的方向：過熱蒸汽溫度控制和再熱蒸汽溫度控制。過熱蒸汽溫度控制的任務：保證過熱汽器的出口蒸汽溫度維持在允許的范圍內，并且能保護過熱器，使管壁溫度不超過允許的工作溫度，

16、使過熱器能夠安全的工作。過熱蒸汽溫度過高，可能會造成過熱器、蒸汽通道和汽輪機的高壓部分金屬損壞，因而過熱汽溫的上限一般不應超過額定值5 。過熱蒸汽溫度過低，又會降低全廠的熱效率并影響汽輪機的安全經濟運行。如果過熱蒸汽過低，則會降低電廠的工作效率，據估計，溫度每降低5，熱經濟效率將下降1%；且汽溫偏低會使汽輪機尾部蒸汽溫度升高，甚至使之帶水，嚴重影響汽輪機的安全運行。因而過熱汽溫的下限一般不低于額定值10 。過熱汽溫的額定值通常在500以上，例如高壓鍋爐一般為540，就是說要使過熱汽溫保持在540±5的范圍之內。過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)的控制難度：由于汽溫被控對象的復雜性，給汽溫控制帶來許

17、多的困難，其主要難點表現在以下幾個方面：1）、影響汽溫變化的因素很多，例如，蒸汽負荷、減溫水量、煙汽側的過?？諝庀禂岛突鹧嬷行奈恢?、燃料成分等都可能引起汽溫變化。2）、汽溫對象具有大延遲、大慣性的特點，尤其隨著機組容量和參數的增加，蒸汽的過熱受熱面的比例加大，使其延遲和慣性更加的大了，這使其表現出了極差的動態(tài)特性，從而進一步的加大了汽溫控制的難度。3）、汽溫對象在各種擾動的作用下（如機組負荷、工況的變化）反映出來的非線性、時變性等特性，使其控制的難度加大。2.2 600MW機組主汽溫（過熱汽溫）控制對象的動靜態(tài)特性2.2.1、靜態(tài)特性過熱汽溫被控對象的靜態(tài)特性指過熱汽溫隨鍋爐負荷變化的靜態(tài)關系

18、。過熱器的傳熱形式、結構和布置將直接影響過熱器的靜態(tài)特性。大容量鍋爐的過熱器系統(tǒng)都采取了對流式過熱器、輻射式過熱器和屏式(半輻射式)過熱器交替串聯布置的結構。這有利于減小過熱器出口汽溫的偏差，并改善了過熱汽溫被控對象的靜態(tài)特性。i. 鍋爐負荷與過熱汽溫的關系：鍋爐負荷增加時，爐膛燃燒的燃料增加，但是，爐膛中的最高的溫度沒有多大的變化，爐膛輻射放熱量相對變化不大，所以爐膛溫度也增高不大。這就是說負荷增加時每千克燃料的輻射放熱面分率減少，而在爐膛溫后的對流區(qū)中，由于煙溫和煙速的提高，每千克燃料的對流放熱百分率增加。因此，對于對流式過熱器來說，當鍋爐的負荷增加時，會使出口汽溫的穩(wěn)態(tài)值升高：輻射式過熱

19、器則具有相反的汽溫特性，即當鍋爐的負荷增加時，會使出口汽溫的穩(wěn)態(tài)值降低。如果兩種過熱器串聯配合，可以取得較平坦的汽溫特性，但一般在采用這兩種過熱器串聯的鍋爐中，過熱器出口蒸汽溫度在某個負荷范圍內，仍隨負荷 的增加而有所升高。ii. 過?？諝庀禂蹬c過熱汽溫的靜態(tài)關系：過?？諝饬扛淖儠r，燃燒生成的煙氣量改變，因而所有對流受熱面吸熱隨之改變，而且對離爐膛出口較遠的受熱面影響顯著。因此，當增大過?？諝饬繒r將使過熱汽溫上升。iii. 給水溫度與過熱汽溫的關系：提高給水的溫度，將使過熱汽溫下降，這是因為產生每千克蒸汽所需要的燃料量減少了，流過過熱器煙氣也就減少了。也可以認為：提高給水溫度后，在相同燃料量下

20、，鍋爐的蒸發(fā)量增加了，因此過熱汽溫將下降。則是否投入高壓給水加熱器將使給水溫度相差很大，這對過熱汽溫有顯著的影響。iv. 燃燒器的運行方式與過熱汽溫的靜態(tài)關系：在膛內投入高度不同的燃燒器或改變燃燒器的擺角會影響爐內溫度分布和爐膛出口煙溫，因而也會影響過熱汽溫，火焰中心相對提高時，過熱汽溫將升高。2.2.2 動態(tài)特性過熱汽溫調節(jié)對象的動態(tài)特性是指引起過熱汽溫變化的擾動與汽溫之間的動態(tài)關系。蒸汽從汽包出來以后通過過熱器的低溫加熱段，之后經過減溫調節(jié)器，然后再到過熱器的高溫加熱段，最后送入汽輪機，通常的的大中型鍋爐都是采用減溫器的辦法來控制過熱汽溫。各種鍋爐的結構不同的過熱器的安置也是不一樣的。對過

21、熱器出口蒸汽溫度影響的的因素有許多，例如煙氣的溫度和速度，爐膛的熱負荷，減溫水量和給水的溫度。但是總體來說，主要的影響因素有以下三方面的因素：煙氣傳熱量，蒸汽流量，減溫水量。目前，現在火電廠中大多利用噴水減溫的方法來控制過熱汽溫。在各種擾動情況下，汽溫控制對像具有大延遲、大慣性和自平衡能力。i. 蒸汽流量擾動下：引起蒸汽流量擾動的原因有兩個。一是蒸汽母管的壓力變化，二是汽輪機控制汽門的開度變化。對于大型的鍋爐來說，一般情況下都采用復合式過熱器，當鍋爐負荷增加時，鍋爐燃燒率增加，通過對流式過熱器的煙氣量增加，而且煙氣溫度也隨負荷的增大而升高。這兩個因素都會讓對流式過熱器的汽溫升高。然而，當負荷增

22、加時，爐膛溫度升高的并不明顯，由爐膛輻射傳給過熱器的熱量比鍋爐蕭汽量所需要熱量少，因此使輻射式過熱器出口溫度下降?？梢钥吹?，這兩種不同的過熱器，對蒸汽量的擾動的響影正好相反。所以，如果這兩種過熱器配合使用，就能使過熱器出口溫度隨蒸汽流量變化的影響減小。因此在實際的生產實踐中，需要把對流式過熱器和輻射式過熱器結合起來使用。如果汽機負荷變化時，則會引起蒸汽量的擾動。然而當蒸汽流量擾動時，將會改變過熱器和煙氣之間的傳熱關系，導致過熱蒸汽溫度發(fā)生變化。從蒸汽量擾動的動態(tài)特性曲線，我們可以看到，溫度的響應具有平衡特性，而且慣性延遲都比較小，這是因為蒸汽量變化的時侯，沿過熱汽管道的長度的方向的各個點的溫度

23、幾乎是同時變化的。過熱器出口汽溫是隨蒸汽流量D的增加而升高的，過熱器出口汽溫在蒸汽流量擾動下的動態(tài)特性曲線如下圖所示：（ 圖：過熱器出口溫度隨蒸汽流量擾動的變化）在上圖中，我們可以清楚的看到過熱汽溫對蒸汽量擾動的響影，響影特性為一條有遲延、自平衡的曲線。 然而，由于蒸汽流量擾動是由用戶所人定的，故而它不能做為控制信號來使用ii. 煙氣側熱量擾動下：燃料量的增減，燃料種類的不同，送風量的變化都對煙氣的流速和煙氣的溫度產生相對應的影響，這會改變煙氣的傳熱情況，導致過熱氣出口溫度的變化。對于煙氣的傳熱量的變化，是沿著整個過熱器的長度方向的變化，且這種變化是同時發(fā)生的。因此，我們可以看到，在煙氣擾動的

24、動態(tài)特性曲線上，汽溫度化的遲延是非常小的，一般會在10s-20s之間。它與蒸汽量擾動時的情況有些類似。盡管引起煙氣傳熱量擾動的原因很多，但被控對象特征總的特點是有延遲、有慣性、時變、非線性和有自平衡能力。煙氣流量變化對過熱汽溫的影響的特性曲線如下圖所示：（圖：過熱器出口溫度隨煙氣量擾動的變化）因從煙氣側來的擾動使沿整個長度的過熱器傳熱量發(fā)生變化，故汽溫變化反映較快，延遲時間一般較小，煙氣傳熱量擾動可以用來作為控帛量信號。iii. 噴水量擾動：現在我們控制過熱蒸汽溫度的主要方法是利用噴水減溫來實現，也是我們目前最常見的一種方法。故而對于這種控制方法，噴水量就成了基本擾動量。過熱器的特性決定了噴水

25、減溫系統(tǒng)的特性。我們呆以把過熱器看成是無窮多個單容對象串聯起來組成的多容對象。當噴水減溫發(fā)生改變之后，這就需要通過這些串聯的單容對象，最終引起了過熱器出口的過熱蒸汽溫度的變化。因而，過熱器出口的過熱蒸汽的溫度有很大的延遲。減溫水量擾動下的被控對象特征曲線，如下圖所示：（圖： 過熱器出口溫度隨減溫水量擾動的變化 ） 如上圖所示：其特點是有延遲，有慣性和有自平衡能力。減溫水量是經常使用的控制量。綜合述上關于汽溫被控對象的的動靜態(tài)特性，我們可以得出汽溫控制系統(tǒng)的控制要求：即調節(jié)慣性或遲延盡可能的小，調節(jié)范圍要大，對熱循環(huán)效率影響要小。通過對三種擾動的動靜態(tài)分析，我們可以得到汽溫控制的兩種方法：即蒸汽

26、側的調節(jié)和煙氣側的調節(jié)。蒸汽側的調節(jié)，是指通過改變蒸汽的所負載的熱來調節(jié)溫度。例如噴水式減溫器向過熱器中噴水，噴入的水可以吸收一部分的過熱蒸汽的熱量，從而降低過熱蒸汽的溫度，所以，調節(jié)噴水量就可以起到調節(jié)蒸汽溫度的效果。煙氣側的調節(jié)，是指通過調節(jié)鍋爐內輻射受熱面和對流受熱面的吸熱分配的比例來起到調節(jié)蒸汽溫度的效果。2.3 過熱汽溫系統(tǒng)的串級控制方案單回路控制系統(tǒng)是各種復雜的控制系統(tǒng)的基礎，而單回路控制系統(tǒng)也憑借其結構簡單而得到了廣泛的應用。但是隨著科技的發(fā)展，技術的不斷更新，生產不斷的強化，工業(yè)生產過程對工業(yè)參數提出了越來越嚴格的要求，并且隨著工業(yè)生產過程中的被控對象越來越復雜，被控對象的遲延

27、和慣性也越來越大，這對控制系統(tǒng)提出了更高的要求，而面對這樣的被控對象，單回路控制系統(tǒng)顯然已經不能滿足控制要求了。這樣，許多復雜的控制系統(tǒng)就應動而生了，如串級控制系統(tǒng)、導前微分信號控制系統(tǒng)、Smith預估控制系統(tǒng)等。本節(jié)對串級控制系統(tǒng)在汽溫控制系統(tǒng)中的應用進行討論。2.3.1串級控制系統(tǒng)的基本原理在火電廠中，過熱汽溫的串級控制系統(tǒng)如下圖所示：（圖：過熱汽溫的串級控制系統(tǒng) ）在上圖中我們可以看到，過熱器溫串級控制系統(tǒng)是用減溫水量做為其控制手段的。而噴水減溫器離過熱器出口比較遠，且通過上節(jié)對過熱器特性的分析，我們可以得知過熱器的熱容較大，故使得主汽溫被控對象的滯后和慣性也較大。如果利用單回路控制系統(tǒng)

28、控制如此的被控對象，則主汽溫度根本無法滿足被控對象的控制要求，控制品質也達不到要求。因此，我們可以取一個對減溫水量變化反映快的中間點溫度做為導前信號，再增加一個PID控制器組成如上圖所示的串級控制系統(tǒng)?？刂破鱌I2根據Q2信號控制減溫水閥，如果有某種擾動使汽溫Q2比Q1提早反映（如：內擾為噴水量W的自發(fā)性變化），那么由于PI2的提前動作，擾動引起的Q2的波動很快就消除了，從而使主汽溫Q1基本不受影響。另外，PI2的給定值受調節(jié)器PI1的影響，后者根據Q1改變Q2的給定值，從而保證負荷擾動時，仍能保持主汽溫度滿足要求。從分析中可得，串級控制系統(tǒng)采用了兩級控制器，各有其特殊任務。過熱汽溫串級控制系

29、統(tǒng)的原理方框圖如下所示：從上圖可以得到，串級系統(tǒng)和簡單控制系統(tǒng)在結構上有一個明顯的區(qū)別，即：串級控制系統(tǒng)在結構上形成了兩個閉環(huán)，而單回路控制系統(tǒng)只有一個閉環(huán)。對于串級控制系統(tǒng)，其中里面的那個閉環(huán)被稱為是內回路或者是副回路，在控制系統(tǒng)中，內回路起到粗調的作用；而外面的那一個閉環(huán)，則稱為外回路或者是主回路，它的任務是對控制系統(tǒng)起到微調的作用，以保證被調量滿足生產要求。無論是內回路還是外回路都具有自己的控制對象和溫度變送器、PID調節(jié)器。在外回路內，被控對象為過熱器、還有溫度變送器和PID1調節(jié)器，它們在整個系統(tǒng)中被稱為：主對象、主參數、和主調節(jié)器。相應的，在內回路中，也有相對應的副對象、副參數和副

30、調節(jié)器。而一般來說，副對象是整個廣義被控對象的一部分，我們稱其為控制對象的導前區(qū)；主對象是整個廣義被控對象的另一部分，通常被稱為控制對象的惰性區(qū)。對于主副回路中的調節(jié)器，它們各有各的作用和任務。主調節(jié)器具有自己獨立的給定值，而對于副調節(jié)器來說，主調節(jié)器的輸出就是主調節(jié)器的給定值，而副調節(jié)器的輸出則被送到了調節(jié)機構去控制生產過程了。2.3.2串級控制系統(tǒng)的分析 串級控制系統(tǒng)多了一個PID調節(jié)器，增加了一個閉合回路，卻達到了很好的控制品質，主要是因為過熱器溫的呂級控制系統(tǒng)具有以下幾個方面的特點：1）、能夠很好的克服二次擾動：通過上節(jié)的分析我們可以得知，副回路具有快速作用的特點，因此，串級控制系統(tǒng)對

31、副回路的擾動有很強的克服作用。，接下來，我們借助傳遞函數來了解關于這一特點的本質。一般的串級控制系統(tǒng)的原理方框圖如下所示：（圖 ：串級系統(tǒng)的一般的原理方框圖）如上圖所示，當二次擾動進入系統(tǒng)時，首先通過擾動通道影響內回路的輸出Y(s)，這時副回路調節(jié)器的輸入端就會產生偏差，從而使得副調節(jié)器立即動作，使圖去消除擾動信號對Y(s)所產生的影響。明顯看到，擾動信號經過了副回路的抑制以后，才進入到了主回路。這樣就會在很在程度上減弱擾動信號對系統(tǒng)輸出Y(s)的影響。根據上面的原理方框圖，我們可以寫出擾動信號與過熱器出口的溫度的傳遞函數： =（式1）如果是單回路控制系統(tǒng)，其原則方框圖如下所示：（圖：過熱汽溫

32、的單回路控制系統(tǒng)）這個單回路控制系統(tǒng)的擾動信號與系統(tǒng)輸出之間的傳遞函數為： （式2）其中：W為調節(jié)器的傳遞函數。比較上面兩個式子，先假定W=W，且注意到單回路系統(tǒng)中的W就是串級系統(tǒng)中的W，可以看到，串級系統(tǒng)中的分母項中多了一項，即：在主回路工作頻率下，這項乘積的數值一般較大，而且當副回路調節(jié)器的比例增益增大時，這個數值也在增大。一般情況下，副調節(jié)器的比例增益是大于1的。因此可以說，串級控制系統(tǒng)的結構使二次干擾對主參數這一通道的動態(tài)增益明顯減小。當二次干擾出現時，很快就被副調節(jié)器所克服。與單回路控制系統(tǒng)相比，被調量受到二次干擾的影響往往可以減小10100倍，這要視主環(huán)與副環(huán)中容積分布情況而定。2

33、）、提高了系統(tǒng)的工作頻率：由于副環(huán)起到改善對象動態(tài)特性的作用，因此可以加大主調節(jié)器的增益，提高系統(tǒng)的工作頻率。分析串級控制系統(tǒng)與單回路控制系統(tǒng)的原理方框圖，可以發(fā)現串級控制系統(tǒng)中的副環(huán)似乎代替了單回路中一部分對象，亦即可以把整個副回路看成是一個等效的對象W，記做：W= 假設副回路中各環(huán)節(jié)的傳遞函數為W= ; W; W ； W ；W 將上述式子代入W=，則有： W= 若令： K= T= 則上式就變?yōu)椋篧 = 式中的K和T分別為等效對象的增益種時間常數。 比較W和W，由于1+KKKKK>1，這個不等式在任何條件下都是成立的，因此有：T<T 這就表明，由于副回路的存在，直到改善動態(tài)特性的

34、作用。等效對象的時間常數縮小了（1+KKKKK）倍，而且隨著副調節(jié)器比例的增益而減小。通常情況下，副對象是單容或雙容對象，因此副調節(jié)器的比例增益可以取得很大，這樣，等效時間常數就可以減到很小的數值，從而加快了副環(huán)的響應速度，提高了系統(tǒng)的工作頻率。3）、有一定的自適應能力：由于副回路的存在，系統(tǒng)具有一定的自適應能力。在工業(yè)生產過程中，往往包含有一些非線性因素。因此，在一定的負荷 下，即在確定的工作點情況下，按一定控制質量指標整定的調節(jié)參數只適應于工作點附近的一個小范圍。如果負荷變化過大，超出了這個范圍，那么控制質量就一定會下降，在單回路控制系統(tǒng)中，若不采取其它措施是難以解決的。但是在串級控制系統(tǒng)

35、中，情況就不同了，負荷變化引起的副回路內各環(huán)節(jié)參數的變化，可以較少影響或是不影響系統(tǒng)的控制質量。一方面可以看到等效副對象的增益為： K=一般情況下KKKKK>>1，因此，如果副對象增益或調節(jié)閥的特性隨負荷變化時，對等效增益K的影響不大。因而在不改變調節(jié)器整定參數的情況下，系統(tǒng)的副回路能自動地克服非線性因素的影響，保持或接近原有的控制質量。從另一方面看，由于副回路通常是一個流量隨動系統(tǒng)，當系統(tǒng)操作條件或負荷改變時，主調節(jié)器將改變其輸出值，副回路能快速跟蹤及時而又精確地控制流量，從而保證系統(tǒng)的控制品質。從上述兩點，可以看出串級控制系統(tǒng)具有一定的自適應能力。2.4 過熱汽溫的導前微分控制

36、方案如上節(jié)所分析可知，溫度控制系統(tǒng)中，影響汽溫的擾動主要有三個：減溫水量、蒸汽流量、煙氣的傳熱量。蒸汽溫度對這三個擾動的響影具有共同的特性，即：有慣性、有遲延。為了改善控制系統(tǒng)的被控對象的動態(tài)特性，可以引入一個副信號組成串級控制系統(tǒng)，來提高系統(tǒng)的控制品質。導前微分控制系統(tǒng)的結構特點是：只有一個控制器，調節(jié)器的輸入信號有兩個，一個是主蒸汽溫度通過變送器轉換直接進入到調節(jié)器中，另一個則是把經過噴水減溫器的蒸汽溫度通過微分器后，再返回到調節(jié)器中。這樣，這兩個信號在時間上和相位上有個超前與滯后的關系，后一個微分信號總是超前與主蒸汽溫度信號，故而把這種控制系統(tǒng)叫做導前微分控制系統(tǒng)。這個微分信號的作用是能

37、夠反映出輸出量的變化趨勢，因而能提前反映出輸出量的變化，從而可以改善控制系統(tǒng)的控制品質。2.4.1導前微分控制系統(tǒng)的特點導前微分控制系統(tǒng)具有以下幾的主要特點：1）、引入導前微分信號縮短了延遲時間，等效于改善了控制對象的動態(tài)特性，把系統(tǒng)的遲延時間給縮短了，這將有利于我們后續(xù)的控制，可以很好的改善了系統(tǒng)的可控性，提高了系統(tǒng)的控制品質。這主要是因為：影響系統(tǒng)控制品質的因素除了調節(jié)器之外，更多的還是在于系統(tǒng)本身的一些特性。2）、引入導前微分信號能減小動態(tài)偏差，改善系統(tǒng)的控制品質。因為引入了導前微分，會起到一個提前調節(jié)的做用，故而可以減小動態(tài)偏差，所以這也可以改善系統(tǒng)的控制品質。2.4.2導前微分控制系

38、統(tǒng)的組成采用導前微分信號的過熱汽溫控制系統(tǒng)如下圖所示：（圖： 導前微分控制系統(tǒng)）這個系統(tǒng)引入了導前汽溫控的微分信號作為調節(jié)器的補充信號，雙達到改善控制品質的目的。因為和主汽溫度的變化趨勢是具有一致性的，并且的變化要超前于的變化，因此它能夠迅速的的反映的孌化的趨勢。引入導前微分信號后，將會加快系統(tǒng)的調節(jié)器的調節(jié)速度。在動態(tài)過程中，調節(jié)器將按照的微分信號和和給定值之間的偏差進行調節(jié)。當在靜態(tài)的時侯，不發(fā)生改變，則它的微分將為0，故而在靜態(tài)的時侯，的微分信號將會消失，過熱汽溫必定會與的給定值相等。如果不采用這種導前微分控制系統(tǒng)，則調節(jié)器靜態(tài)的輸出值將會為（+），而不能保持在給定上了。通過上圖的分析，

39、我們可以得到導前微分控制系統(tǒng)的原理方框圖如下所示：（圖： 導前微分控制系統(tǒng)的原理方框圖）由上圖可以看出，采用導前微分控制系統(tǒng)包括了兩個閉合的控制回路：1）、由控制對象的導前區(qū)W(s) ，導前汽溫變送器、微分器W(s)、調節(jié)器W(s)、執(zhí)行器K和減溫水調節(jié)閥K組成的副回路(導前補償回路)2）、由被控對象的惰性區(qū)W(s)、主汽溫變送器 和副回路組成的主回路。2.4.3導前微分控制系統(tǒng)分析：1）、加入導前汽溫的微分信號可以改善控制對象的動態(tài)特性：對于導前微控制系統(tǒng)的原理方框圖，如果去掉導前微汽溫的微分信號時，系統(tǒng)就變成了單回路控制系統(tǒng)，控制對象W(s)=W(s) W(s)的遲延、慣性較大。當系統(tǒng)中加

40、入導前汽溫微分信號后，調節(jié)器將同時接受兩個輸入信號，系統(tǒng)也成了雙回路結構。但對于這個雙回路系統(tǒng)作適當的等效變換后，發(fā)現仍可把它當作一個單回路系統(tǒng)來處理，如下圖所示：當作雙回路系統(tǒng)處理時的原理方框圖如下，這也可以簡化為一個單回路控制系統(tǒng)：只是由于微分信號的引入改變了控制對象的動態(tài)特性。這個新的控制對象的輸入仍然是減溫水流量信號W，但輸出信號為=+，等效控制對象的傳遞函數可以根據方框圖求得。W=W(s) W(s)+W(s)在靜態(tài)時，微分器輸出為零，所以等效控制對象的輸出=;在動態(tài)過程中，等效控制對象的輸出中除了主汽溫度之外，還疊加了導前汽溫的微分信號。由于的慣性遲延比小得多，因而等效對象的輸出的慣

41、性遲延比小得多。因此加入導前汽溫微分信號的作用可以理解為改變了被控對象的動態(tài)特性，因此，如果設計得當，是可以通過改變被控對象的動態(tài)特性，以保證系統(tǒng)取得更好的控制品質?？梢?，等效控制對象的輸出響影有了很大的改善，所以，在控制對象慣性遲延較大的的情況下導前汽溫微分系統(tǒng)的的控制品質比單回路控制系統(tǒng)好的多。2.5、SMITH預估控制系統(tǒng)：在熱工過程控制中，有一些被控對象具有較大的純延遲，當過程控制通道或測量環(huán)節(jié)存在延遲時侯，會降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性；另外純延遲會導致控制量的最大動態(tài)偏差增大，系統(tǒng)的動態(tài)質量會下降，而且當系統(tǒng)的可控比越大系統(tǒng)就越不容易控制。解決具有純延遲的過程控制是一個比較棘手的問題，對于閉環(huán)

42、系統(tǒng)內的純延遲若只是采用上節(jié)中提到的串級控制系統(tǒng)和導前微分信號控制系統(tǒng)是無法達到令人滿意的控制品質的。下面，我們將對SMITH預估控制系統(tǒng)在過熱汽溫控制系統(tǒng)中的應用進行分析。SMITH控制系統(tǒng)的原理：Smith預估控制的工作原理是將被控對象在基本擾動作用下的動態(tài)特性，簡化為一個純遲延與一個一階慣性環(huán)節(jié)相串聯的數學模型，預估器根據這個輸入的數學模型，預先估計出所采用的控制作用對被控量的可能的影響，而不必等到被控量有所反應之后再去采取控制動作，這有利于改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。當采用單回路控制系統(tǒng)時，原理方框圖如下所示：被控對象的傳遞函數為 W=W(s)e 時，系統(tǒng)的輸出與輸入之間的傳遞函數為：=而擾動

43、與輸出之間的傳遞函數為：=從上面兩個傳遞函數中我們可以看到，此系統(tǒng)的特征方程為：G=1+，此系統(tǒng)的特征方程中含有純延遲項，如此會對閉環(huán)極點有極為不利的影響，如果上兩式子中的e項可以消除，則純延遲將不再對系統(tǒng)的閉環(huán)極點的有不利的影響。SMITH預估補償控制系統(tǒng)的其本思想就是消除系統(tǒng)特征方程中的e項，從而消除了純延遲項對系統(tǒng)控制品質的影響。實現的方法是把被控對象的數學模型引入到控制回路之內，設法取得更為及時的反饋信息，以改進控制品質。SMITH預估補償控制系統(tǒng)如下圖所示： 其中W是被控對象除去純遲延環(huán)節(jié)后的傳遞函數，W是 SMITH預估補償器的傳遞傳數。如果系統(tǒng)不加這一預估補償器，則(s)與Y(s

44、)之間的傳遞函數為：，上式說明了，受到控制作用的被控量要經過純延遲之后才會反映到控制器。若系統(tǒng)采用預估補償器，則控制器 與反饋到控制器的信號Y之間的傳遞函數為兩個通道并聯之和，即=W+W(s) 。為了使系統(tǒng)不含有純延遲項，則只需令=W，可以得到系統(tǒng)的補償器的傳遞函數W=W。一般SMITH預估補償器的框架圖如下圖所示：由上圖可知，Smith預估補償器由兩部分組成，即一個是被控對象除去純遲延后傳遞函數為W的環(huán)節(jié)，另一個遲延時間等于的純遲延環(huán)節(jié)。這就是Smith預估補償器的模型，它將消除大遲延對系統(tǒng)控制過程的影響，使控制過程的品質與過程無遲延環(huán)節(jié)時的情況一樣，只是在時間坐標上向后推遲了一個時間，這是

45、因為分子中有e的緣故。所以，預補償完全補償了純遲延對過程控制的不利影響，控制系統(tǒng)品質與被控過程無純遲延時，完全相同。2.6 三種汽溫控制系統(tǒng)的比較：目前在過熱汽溫控制實際應用中，大多數火電廠仍然采用串級控制系統(tǒng)。串級控制系統(tǒng)具有主、副兩個回路的結構。副回路中的溫度變送器、執(zhí)行器、閥門可以認為是比例環(huán)節(jié)。當副控制器采用比例規(guī)律時，由于副回路可以近似地被等效成為一個比例環(huán)節(jié)，因而副回路具有快速性，即副回路可以快速地消除發(fā)生在副回路的內擾，使串級控制系統(tǒng)具有很強的抗干擾能力和自適應能力。不僅如此，等效的副回路也改善了被控對象的動態(tài)特性，能夠抑制過熱器大遲延、大慣性對過熱汽溫控制的影響。過熱汽溫控制系

46、統(tǒng)的副回路對過熱汽溫起到“粗調”的作用。人們一般對導前區(qū)的汽溫沒有特殊的要求，導前區(qū)的汽溫變化只是用來反映過熱器出口的過熱汽溫的變化趨勢。主回路對過熱汽溫起“細調”的作用，主控制器采用的PI(或PID)控制規(guī)律，保證了串級控制系統(tǒng)穩(wěn)定時，沒有靜態(tài)偏差。系統(tǒng)的外擾主要由主回路進行控制。串級控制系統(tǒng)具有主、副兩個回路的結構，使串級控制系統(tǒng)的整定比較容易，主、副控制器各施其責，系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準確性得到了一定程度上的保證。串級控制在結構上有兩個特點。一是單輸入/出的定值控制系統(tǒng)，二是副回路是一個隨動系統(tǒng)和主回路與副控制器形成串級結構。串級控制在控制品質上有四個特點。一是副回路具有快速消除系統(tǒng)的

47、內擾，有利于提高整個過熱汽溫控制系統(tǒng)的快速性，二是主回路可以保證系統(tǒng)沒有靜態(tài)偏差，三是主、副回路串級控制結構使主、副回路各施其責，有利于系統(tǒng)參數的整定，增強了整個系統(tǒng)的自適應性，四是主、副回路串級控制結構有利于整個系統(tǒng)的穩(wěn)定。在串級控制系統(tǒng)設計時，一般將內擾設計在串級控制系統(tǒng)的副回路中，外擾設計在主回路中。因減溫器出口處過熱汽溫對外擾的導前作用并不明顯，而被控對象特性具有不確定性，精確的數學模型難以建立等原因。故不變的控制參數是不能滿足系統(tǒng)不同工況要求的，在負荷變化的主要因素影響下，過熱汽溫控制并不理想。被控對象的數學模型變化對串級和Smith預估控制系統(tǒng)的控制過程影響很大，即串級和Smith

48、預估控制系統(tǒng)都嚴重依賴被控對象的數學模型。Smith預估控制的控制過程，是預先估計出過程在基本擾動下的動態(tài)特性，然后由預估器進行補償，能提前下感知被控量的變化，并將其反饋到控制器的輸入端，使控制器提前動作，從而明顯地減小超調量和加速控制過程。要充分發(fā)揮Smith預估控制對大遲延、大慣性被控對象的有效控制，至少應當具備兩個必要條件。一是被控對象的數學模型不變，二是補償器能夠實現。仿真結果表明，當滿足這兩個必要條件后，過熱汽溫Smith預估控制系統(tǒng)的動態(tài)性能比過熱汽溫串級控制系統(tǒng)好許多。在實際控制過程中，很難保證被控對象的數學模型不發(fā)生變化，這就使Smith預估控制具有一定的局限性。人們一直在不斷

49、地探索對Smith預估控制系統(tǒng)改進的途徑。因為工況、負荷和諸多的因素會改變過熱器的數學模型，使基于數學模型的經典PID控制規(guī)律很難適應，使用串級控制策略也不能完全讓人滿意，采用Smith預估控制則顯得有些蒼白無力。所以，正確選擇控制過熱汽溫的手段及控制策略是非常重要的。四、托克托電廠的汽溫控制系統(tǒng)分析4.1 托克托電廠汽溫控制系統(tǒng)的組成將本章以內蒙古托克托電廠為例，分析其汽溫控制系統(tǒng)。首先先對其汽溫控制系統(tǒng)的組成做一下了解。托克托電廠的汽溫控制系統(tǒng)由兩級過噴水減溫組成，再熱汽溫控制系統(tǒng)由噴水減溫、燃燒器擺角控制和煙氣擋板控制方案組成。4.2托克托電廠的汽溫系統(tǒng)分析4.2.1過熱汽溫控制系統(tǒng)分析

50、1）、過熱器一級減溫控制系統(tǒng)的分析：再熱器煙氣擋板指令總的空氣流量汽包壓力值一級減溫器出口溫度主蒸汽流量TEANTESECLECTF(x)F(x) ILEAD LAGF(x)A LEAD LAGLEAD LAGSPF(x)PVTETESECLECTPID1XXPVSPPID2ITA如上圖所示為，托克托電廠的一級過熱汽溫控制的SAMA圖。該系統(tǒng)是以串級控制系統(tǒng)為基礎，引入了前饋信號形成的噴水減溫控制系統(tǒng)。主回路的被控量是第二級減溫器入口的蒸汽溫度，其測量信號送入主回路與其給定值進行比較求偏差，形成第二級減溫器入口蒸汽溫度的偏差信號。主回路的給定值由表征著機組負荷的主蒸汽流量信號（代表機組的負荷信

51、號）經過函數發(fā)生器F(x)產生，其含義為給定值是負荷的函數。運行人員在操作員站上可對此給定值給予正負偏置。主回路的控制由PID1完成。主回路控制器接受第二級減溫器入口蒸汽溫度偏差信號，經控制運算后輸出送至副回路。我們可以看到，系統(tǒng)中還有一個前饋信號是由一些超前滯后環(huán)節(jié)組成，由超前滯后環(huán)的特性可知，這些超前滯后環(huán)節(jié)利用是為了抗高頻擾動，把實際現場中一些高頻信號，比如白噪聲等干擾信號過濾掉，保證系統(tǒng)的抗干擾能力，有助于系統(tǒng)消除靜態(tài)誤差，當然系統(tǒng)加入了前饋控制，也可以提高系統(tǒng)的被調量跟蹤給定值的能力，能更好的提升控制系統(tǒng)的控制品質。副回路的被控量為第一級減溫器出口的蒸汽溫度。副回路的給定值是主回路控

52、制器的輸出值。其被控量溫度的測量值送入副回路與鍋爐負荷經過乘法器運算之后做為副調節(jié)回路的反饋值，這樣做是為了在過熱汽溫控制系統(tǒng)中體現出機組負荷對過熱蒸汽溫度的影響，可以把系統(tǒng)噴水減溫器的噴水量與系統(tǒng)機組負荷聯系起來，更能夠有效的控制系統(tǒng)的過熱蒸汽溫度。然后對上述的給定值與反饋信號求偏差，形成第一級減溫器出口蒸汽的偏差信號，再通過PID2對副環(huán)進行控制。系統(tǒng)的反饋值都是溫度值，我們可以從上圖中看到，所有的反饋值是經過選擇模塊，這樣可以確保系統(tǒng)所有的反饋值可靠性和準確性，能夠很好的反映系統(tǒng)的狀態(tài)，從而減小系統(tǒng)控制中可能因為反饋值引起的誤差。系統(tǒng)引入了前饋信號有機組負荷、空氣流量和再熱器煙氣擋板的調

53、節(jié)指令等外擾信號。，其中，空氣流量和再熱器煙氣擋板的調節(jié)指令都經過了函數發(fā)生器，說明這兩個值是的與一級過熱汽溫有關，而這個關系就是圖中的F(x)。這些信號都會引起過熱蒸汽溫度的明顯變化，因此將它們作為反饋信號引入系統(tǒng)，來抑制它們對過熱蒸汽溫度的影響，改善第一級過熱蒸汽溫度的控制品質。在系統(tǒng)的執(zhí)行器前，設置了手自動切換模塊和上限報警模塊，這樣保證了系統(tǒng)的安全性和經濟性。對于手自動切換模塊，這個模塊是進行手動和自動控制切換的模塊，例如，有些時侯在調節(jié)過程中，需要用到手動調節(jié)，則可以將手自動切換到手動上，然后可以手為的調節(jié)，當調節(jié)好這后，在切換到自動上來，這樣，系統(tǒng)就可以實現手自動切換；對于上限報警

54、模塊，如果PID的輸出信號，即執(zhí)行器的輸入信號，達到一定的上限，則系統(tǒng)的安全性就可能出現問題，可能是某些部件出現了故障。這樣就限制了PID的輸出值，從而間接的限制了執(zhí)行器的輸入信號的范圍，也就是限制了執(zhí)行器的輸出的行程，這樣不允許執(zhí)行器大范圍的動作，也可以使系統(tǒng)平穩(wěn)的運行。由于機組負荷會改變，控制對象的動態(tài)特性也隨之而變，為了在較大的負荷變化范圍內都具備較高的控制品質，在大型機組的蒸汽溫度控制中，可以充分利用計算機分散控制的優(yōu)點。 2）、過熱器二級減溫控制系統(tǒng)的分析：再熱汽煙氣擋板指令總的空氣流量二級減溫器出口蒸汽溫度中間測點溫度總的燃料量溫度設定值主蒸汽流量TETETETESECLECTSE

55、CLECTF(x)LEADLAGAILEADLAGF(x)LEADLAGPVSPPID1LEAD LAGF(x)XXPVSPPID2ITAI上圖為托克托電廠的第二級過熱控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)也是以串級控制系統(tǒng)為基礎，引入了前饋信號形成的噴水減溫控制系統(tǒng)。主回路的被控量是過熱器出口的蒸汽溫度，其測量信號被送入主回路與其給定值進行求差，形成過熱器出口蒸汽溫度的偏差信號。主回路的給定值是由運行人員在操作員站上手動設定的。主回路的控制由PID1完成。主回路控制器接受過熱器出口蒸汽溫度偏差信號，經控制運算后輸出送至副回路。我們可以看到，系統(tǒng)中還有一個前饋信號是由一些超前滯后環(huán)節(jié)組成，由超前滯后環(huán)的特性可知，這些超前滯后環(huán)節(jié)利用是為了抗高頻擾動，把實際現場中一些高頻信號，比如白噪聲等干擾信號過濾掉，保證系統(tǒng)的抗干擾能力，有助于系統(tǒng)消除靜態(tài)誤差。然而，由前饋控制的特點可以得知，這前饋也可以提高系統(tǒng)的被調量跟蹤