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1、课 程 设 计 用 纸 目录 概述- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -1 中英文摘要- - - - - - - - - - - - - - - - - -3 第一章 绪论- - - - - - - - - - - - - - - - -5 1.1控制系统基本原理及组成 1.2汽温控制系统的被控对象 1.3本课程设计的题目及任务 第二章 过热汽温控制- - - - - - - - - - - - - -8 2.1 过热汽温控制的任务 2.2 过热汽温控制的难点及设计原则 2.3 过热汽温对象模型的建立及其特性 第三章 过热汽温控制系统的设计- - -
2、 - - - - - -15 3.1 过热汽温系统的串级控制方案 3.2 具体设计方案 3.3 设计的论证 3.4 控制系统的切换 第四章 课程设计总结及体会- - - - - - - - - - -28 4.1课程设计总结 4.2体会 结束语- - - - - - - - - - - - - - - - - - -31 参考文献- - - - - - - - - - - - - - - - - -32 教师批阅： 0 课 程 设 计 用 纸 概述 单元机组是由锅炉、汽轮发电机和辅助设备组成的庞大的 设备群。由于其工艺流程复杂，设备众多，管道纵横交错，有 上千个参数需要监视、操纵或控制，而且电
3、能生产还要求有高 度的安全可靠性和经济性，因此，目前，采用以分散微机 为 基础的集散型控制系统（TDCS）组成一个完整的控制、保护、 监视、操作及计算等多功能自动化系统。 在现代火力发电厂热工控制中，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,也是整个汽水行程 中工质的最高温度，对电厂的安全经济运行有重大影响。由于 过热器正常运行时的温度已接近材料允许的极限温度，因此， 必须相当严格地将过热汽温控制在给定值附近。过热汽温偏高 会使蒸汽管道、汽轮机内某些零部件产生过大的热膨胀变形而 损坏，威胁机组的安全运行。过热汽温偏低则会降低机组的热 效率，增加燃料消耗量，浪费能源，同时会使
4、汽轮机最后几级 的蒸汽湿度增加，加速汽轮机叶片的水蚀，从而缩短汽轮机叶 片的使用寿命，所以过热蒸汽温度过高或过低都是生产过程所 不允许的。 过热蒸汽温度一般可以看作多容分布参数受控对象，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。现代锅炉机组大多采用那些大容量、高参数、高效率的大 型锅炉，其过热器管道加长，结构也更复杂。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、燃烧状况、 锅炉给水温度、流经过热器的烟气温度、流量、流速等等。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、 教师批阅： 1 课 程 设 计 用 纸 大延迟特性之外，往往表现出一
5、定的非线性和时变特性， 因此，过热汽温控制是锅炉各项控制中较为困难的任务之一。 针对上述情况设计的过热汽温控制系统，既要求对烟气侧扰动 及负荷扰动等较大外扰具有足够快的校正速度，同时又要求对 减温水内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。因此，能否 对过热汽温进行有效的控制，研究如何改善过热汽温系统的控 制品质，对电厂能否安全稳定运行来说是至关重要的，在经济 性上也有十分重要的意义。 教师批阅： 2 课 程 设 计 用 纸 中英文摘要 随着我国电力工业的迅速发展，越来越多的高参数大容量 机组陆续投产。从发展趋势看, 600MW 及以上等级的
6、火电机组 已成为大电网的主力机组。 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。 本课程设计以600MW火电机组锅炉串级过热气温调节系 统为研究对象，根据已知的参数对其进行设计，以达到准确控 制过热气温目的。 关键词：过热汽温；串级控制系统 ；动、静态特性 教师批阅： 3 课 程 设 计 用 纸 Abstract With C
7、hinas power industry developing rapidly, more and more large-capacity high-parameter units have put into production. From the development trend, above 600 MW unit will become a main unit of the power grids in the future. Boiler superheat steam temperature is an important parameter which influences b
8、oiler produce process safety and economic value. Sophisticated boiler super heater working on condition that high temperature and high pressure must be controlled by automatic methods, and keep the outlet steam temperature in the range of produce permitting. For this reason, we should use suitable d
9、esuperheat methods to alter the inlet steam temperature of superheater, so that control the outlet temperature of superheater. According to some required parameter, the design use the cascade control system of a 600MW boiler as an research object, aiming at controling the super-heated temperature ac
10、curately. Key words: super-heated steam temperature ；cascade control system；the static characteristics and the dynamic characteristics 教师批阅： 4 课 程 设 计 用 纸 第一章 绪论 1.1控制系统基本原理及组成 在工业生产过程中，为了保证生产的安全性、经济性，保 持设备的稳定运行，必须对标志生产过程进行情况的一些物理 参数进行调节，使它们保持在所要求的额定值附近，或按照一 定的要求变化，如火电厂中汽轮机的转速，锅炉蒸汽的温度、 压力，汽包的水位，炉膛负压
11、等。在设备运行中这些参数要经 常受到各种因素的影响而偏离额定值，此时，运行人员就及时 进行操作，对它们加以控制，使这些参数保持为所希望的数值。 这一操作过程就是调节，这个调节任务可以由人工操作来完 成，称为人工调节，假若用一套自动控制装置来代替人工操作， 就是自动调节。 自动控制系统一般由测量变送装置、控制器、执行器、被 控对象等组成。其控制系统方块图如下所示。 f(t) x(t)e(t)u(t)q(t) 控制器 执行器 被控对象 教师批阅： y(t) - + Z(t) 变送器 图1-1过程控制系统组成框图 其中，y(t)为被控参数，变送器单元将被控参数检测出来并变 换成便于远送的统一信号z(
12、t)；z(t)与给定信号x(t)比较的偏差 e(t)=z(t)-x(t)；e(t)经控制器运算后输出控制作用u(t)；u(t)控制 5 课 程 设 计 用 纸 执行器调节阀的开度，改变流体的流量 q(t),从而使被控参数 y(t)回到给定值x（t）附近，q(t)称为控制参数；从被控参数检 测点至调节阀之间的管道或设备，称为被控过程，可简称过程； 作用于过程且使被控参数 y(t)变化得作用称为扰动。控制参数 q(t)作用是使被控参数稳定于给定值附近，称为内部扰动；扰 动作用f(t)企图使得被控参数y(t)偏离给定值x(t)，称为外部扰 动。控制系统中控制作用就是要克服外部扰动 f(t)对被控参数
13、 y(t)的影响，保证其尽快回到给定值。 必须指出： (1) 两个框图之间的一条带箭头的连线表示其相互关系和 信号传递方向，并不表示两框之间的物料联系。 (2) 各框之间信号作用是单向的，即各框的输入信号会影响 其输出信号，而输出信号会反过来影响输入信号。 (3) 调节阀控制的介质流量可以是流入过程，也可以是从 过程流出来。若被控物料是输入过程的，则正好与箭头方向一 致；若被控物料从过程流出来，则与箭头的方向不一致。而输 出信号会反过来影响输入信号。 1.2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
14、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 教师批阅： 6 课 程 设 计 用 纸 教师批阅： 图1-2汽温控制对象工质流程图 过热器是锅炉中将一定压力下的饱和水蒸气加热成相 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
15、 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。 1.3
16、本课程设计的题目及任务 1.3.1 题目： 600MW机组过热汽温自动控制系统的设计 1.3.2 任务： (1) 蒸汽温度自动控制系统测量信号的处理、显示、报警。 7 课 程 设 计 用 纸 (2) 按实际系统需要，选用单回路控制、串级控制、导前微分 控制、前馈-反馈复合控制、比值控制等控制原理。 (3) 系统的组成及工作原理。 (4) 画出控制系统SAMA图。 (5) 确定控制规律，画出系统工艺流程图。 (6) 画出热工控制系统原理图。 (7) 实现自动/手动和控制系统之间的无扰切换。 (8) 撰写设计说明书，要求字迹清楚，图表规范。 第二章 过热汽温控制 2.1过热汽温控制的任务 过热蒸汽
17、温度是锅炉运行质量的重要指标之一。过热汽温 过高或过低都会影响电厂的经济性和安全性。因为过热蒸汽温 度是锅炉汽水通道中温度最高的部分，过热器正常运行的温度 一般接近于材料允许的最高温度。 如果过热蒸汽温度过高，则过热器、蒸汽管道容易损坏， 也会使汽轮机内部引起过度的热膨胀，造成汽轮机的高压部分 金属损坏;如果过热蒸汽温度过低，则会降低设备的热效率， 一般汽温每降低5-10，热效率约降低1%，而且温度降低会 使汽轮机轴向推力增大而造成推力轴承过载，汽轮机最后几级 的蒸汽湿度增加，易引起叶片磨损。所以，过热汽温调节的任 务是在锅炉运行中，必须保持过热蒸汽温度稳定在规定值附 近。一般要求过热汽温与规
18、定值的暂时偏差值不超过士10， 长期偏差不超过士5。因此，过热蒸汽温度控制的主要任务 就是：(1) 克服各种干扰因素，将过热器出口蒸汽温度维持在 规定允许的范围内，从而保持蒸气品质合格。 教师批阅： 8 课 程 设 计 用 纸 (2) 保护过热器管壁温度不超过允许的工作温度。 教师批阅： 2.2过热汽温控制的难点及设计原则 过热汽温调节系统的难点在于： (1) 发生扰动后，时滞较大。此外，测量温度的传感器也 有较大的惯性。 (2) 设备的结构设计与自动调节的要求存在矛盾。从调节 的角度看，减温设备应安装在过热器出口的地方，这样可以使 调节作用的时滞最小，但是从设备安全的角度看，减温设备应 安装
19、在过热器入口的地方。 (3) 造成过热汽温扰动的因素很多，各种因素之间又相互 影响，使对象的动态过程十分复杂。能使过热器出口汽温改变 的因素有:蒸汽流量的变化、燃烧工况的变化、锅炉给水温度 的变化、进入过热蒸汽热焙的变化、流经过热器烟气温度即流 速的变化、锅炉受热面结垢等。 综上所述，过热汽温控制系统设计原则可归纳为： (1) 从动态特性的角度考虑，改变烟气侧参数(如改变烟 温或烟气流速)的调节手段是比较理想的，但具体实现比较困 难的，所以一般很少被采用。 (2) 喷水减温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，但还是目前被广泛使用的过热汽温调节方 法。采用喷水减温时，由于对
20、象调节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，所以采用单回路调节 系统往往不能获得好的调节品质。针对过热汽温调节对象调节 通道惯性延迟大、被调量信号反馈慢的特点，应该从对象的调 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 9 课 程 设 计 用 纸 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。 (3) 使用快速的测量元件，安装在正确的位置，保证测量 信号传递的快速性，减小延迟和惯性。如果测量元件的延迟和 惯性比较大，就不能及时反映过热汽温的变化，就会造成系统 不稳定，影响控制质量。 (4) 现代电厂的过热器管道的长度不断加长，延迟和惯性 越
21、来越大，采用一级减温已不能满足要求，可以采用多级减温， 以保证汽温控制的要求。 2.3过热汽温对象模型的建立及其特性 分析和设计自动控制系统的一个首要任务是建立系统的 数学模型，因为不论要了解的是简单系统的特性还是复杂系统 的特性，都必须掌握系统中各变量之间的相互动态关系。尽管 电厂过热汽温控制系统的动态特性复杂，具有多变量、非线性 和分布复杂的特点，难以建立精确的数学模型，但是运用多种 知识，建立能相对反映过热汽温控制系统动态性能的数学模 型，还是对研究相应的自动控制方法大有益处。锅炉过热器是 由辐射过热器、对流过热器和减温器等组成，其任务是将从汽 包出来的饱和蒸汽加热到一定的数值，然后送往
22、汽轮机去做 功。通常称减温器前的过热器为前级过热器，减温器后的过热 器为后级过热器。 过热器布置在高温烟道中，大型锅炉的过热器往往分为若 干段，在各段之间设置喷水减温器，即采用过热汽温的分段控 制，温度控制用减温水由锅炉的给水系统提供。其示意图如图 21所示。 教师批阅： 10 课 程 设 计 用 纸 教师批阅： 汽包 图2-1过热汽温喷水减温系统示意图 图中， 2 q 为过热器出口蒸汽温度，它是控制系统的被调量； q 1 为减温器出口的蒸汽温度；D 是过热蒸汽流量；Wi 是减温器 的喷水量，它是控制系统的调节量。 2.3.1 静态特性 过热汽温调节对象的静态特性指汽温随锅炉负荷变化的 静态关
23、系。锅炉过热器由对流式过热器和辐射式过热器等组 成，但是从图 2-2 所示的静态特性可以看出，对流式过热器和 辐射式过热器的过热汽温的静态特性完全相反。 2 图 2-2 过热汽温的静态特性图 对于对流式过热器，当负荷增加时，通过其烟气的温度和 流速都增加，因而使过热汽温升高，所以对流式过热气的出口 11 课 程 设 计 用 纸 汽温随负荷增加而升高。对于辐射式过热器，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 汽负荷增大所需要的吸热量，此辐射式过热器的出口汽温随负 荷增加而降低。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受热面积，因而总的汽温将随
24、负荷增加 而升高。 2.3.2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
25、制对像具有大延迟、大惯性 和自平衡能力。 (1) 蒸汽流量(负荷)扰动下过热汽温的动态特性 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，当负荷增加时，炉膛温度升高的并不明显，由炉 教师批阅： 12 课 程 设 计 用 纸 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
26、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 2-3 蒸汽流量扰
27、动下的汽温响应曲线 (2) 烟气流量扰动下过热汽温的动态特性 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 教师批阅： 13 课 程 设 计 用 纸 的。因此，我们可以看到，在烟气扰动的动态特性曲线上，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
28、的影响的特性曲 线如下图所示： 图 2-4 烟气侧传热量扰动下的汽温响应曲线 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。 (3) 减温水流量扰动下过热汽温的动态特性 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。
29、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： 教师批阅： 14 课 程 设 计 用 纸 本 教师批阅： -Wy 1 wa 图 2-5 喷水量扰动下的汽温响应曲线 总的来说，根据对过热蒸汽温度调节对象作阶跃扰动试验 得出的动态特性曲线可知，它们均为有迟延的惯性环节，但各 自的动态特性参数值(T、P)有较大的差别。 第三章过热汽温控制系统的设计 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
30、工业生产过程 中的被控对象越来越复杂，被控对象的迟延和惯性也越来越 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。 3.1 过热汽温系统的串级控制方案 目前电厂采用喷水减温来调节过热汽温。正如前面所分析 的过热汽温的动态特性可知:系统的延迟和惯性大，为了改善 15 课 程 设 计 用 纸 系统的动态特性，根据控制系统的设计原则，引入中间点信号 作为调节器的补充信号，以便快速反映影响过热汽温变化的扰 动，而最能反映减温水变化的就是减温器出
31、口的温度，因此引 入该点作为辅助被调量，组成了串级调节系统。图3-1为过热 g 和 g 分别为温度变送器的斜率， 2 汽温串级控制系统。图中， 1 q 为减温器后汽温， 1 2 q 为过热器出口汽温。汽温控制对象由减 温器和过热器组成，减温水流量 Wi 为对象调节通道的输入信 q 为输出信号。为了改善控制品质，系 统中采用减温器出口处汽温 1 号，过热器出口的汽温 2 q ,作为辅助控制信号(称为导前 汽温信号)。当调节机构动作(喷水量变化)后，导前汽温信号 1 1 PRES ott ines 1oEEs 教师批阅： q ，的反应显然要比过热器出口的汽温 2 q 快很多。 44 8, &, 8
32、q FETs 图 3-1 过热汽温串级调节系统 串级调节系统的主调节器出口的信号不是直接控制减温 器的调节阀，而是作为副调节器的可变给定值，与减温器出口 汽温信号比较，通过副调节器去控制执行器动作，以调节减温 水流量，保证过热汽温基本保持不变。 串级调节系统之所以能改善系统的调节品质，主要是由于 16 课 程 设 计 用 纸 有一个快速动作的副调节回路存在。为了保证快速性，副调节 回路的调节器比例(P)或比例微分(PD)调节器，使过热汽温基本 在现场往往是改变 减温水流量来获取 保持不变，起到了粗调的作用;为了保证调节的准确性，主调 节回路的调节器采用比例积分(PI)或比例积分微分(PID)调
33、节 器，使过热汽温与设定值相等，起到了细调的作用。 减温水对过热器出口蒸汽温度T1 和过热器入口蒸汽温度 蒸汽温度 温度 T 1 和蒸汽 T2 的变化趋势是一致的，蒸汽温度 T2 的响应速度快于出口蒸 汽温度 T1，因此蒸汽温度 T2叫做导前蒸汽温度。由此对象控 制通道的动态特性G(s)可以看成为有两部构成： (1) 以减温水量 Wj为对象输入，导前蒸汽温度 T2为输出 的通道，这部分控制通道称为导前区，其传递函数为 G2(s)。 (2) 以导前蒸汽温度 T2 为输入，过热器出口蒸汽温度 T1 为输出的通道，这部分控制通道称为惰性区，其传递函数为 G1(s)，整个被控对象控制通道可用如3-2图
34、来表示。 图 3-2 过热汽温控制对象方框图 在工程上，导前区的传递函数形式为 (s)=T (s)/ W (s)= K 2 j 教师批阅： G 2 一般n2=12。 惰性区的传递函数形式为 /(1+ T 2 s) n2 2 G 2 (s)=T 1 (s)/ T 2 (s)= K 1 /(1+ T 1 s) n1 17 课 程 设 计 用 纸 T 2 响应曲线，由响应曲线利用切线法或两点法可获得导前区的 传递函数G2(s)以及减温水到过热器出口蒸汽温度 数为 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 T 的
35、传递函 1 系统控制如此的被 控对象，则主汽温度 G TWj (s)=T 1 (s)/ W j (s)= K/(1+ Ts) n 根本无法满足被控 对象的控制要求，控 由G2(s)和 G TWj (s)中的参数可获得惰性区的传递函数G 1 (s) 制品质也达不到要 求。因此，我们可以 3.2 具体设计方案 3.2.1串级控制系统的选择 图33过热汽温串级控制系统 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， 取一个对减温水量 变化反映快的中间 点温度做为导前信 教师批阅： 18 课 程 设 计 用 纸 号，再增加一个PID控制器组成
36、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。 3.2.2 系统控制参数的确定 主变量的选择 串级控制系统选择主变量时要遵循以下原则：在条件许可 的情况下，首先应尽 量选择能直接反应 控制目的的参数为 主变量；其次要选择 与控制目的有某种 单值对应关系的间 接单数作为主变量；
37、所选的主变量必须 有足够的变化灵敏 度。综合以上原则， 在本系统中选择送 入负荷设备的出口 蒸汽温度作为主变 量。该参数可直接反 应控制目的。 副变量的选择 副回路的设计质 量是保证发挥串级 系统优点的关键。副 变量的选择应遵循 以下原则：应使主要 干扰和更多的干扰 落入副回路；应使 主、副对象的时间常 数匹配；应考虑工艺 上的合理性、可能性 和经济型综合以上 19 课 程 设 计 用 纸 原则，选择减温器和过热器之间的蒸汽温度作为副变量。 操纵变量的选择 工业过程的输入变量有两类：控制变量和扰动变量。其中， 干扰时客观存在的，它是影响系统平稳操作的因素，而操纵变 量是克服干扰的影响，使控制系
38、统重新稳定运行的因素。 因此次设计中，过热汽温自动控制系统采用串级控制，且 教师批阅： I、II 级喷水减温系 统采用相同的设计 方案。其原理框图如 图3-4所示： tis 173 BIEHE 执 PI PKs 图34 锅炉过热汽温 自动控制系统原理框 图 为了保证快速 性，副调节回路的调 节器采用了比例(P) 调节器，使过热汽温 基本保持不变，起到 了粗调的作用;为了 保证调节的准确性， 主调节回路的调节 器 采 用 比 例 积 分 20 课 程 设 计 用 纸 (PI)，使过热汽温与设定值相等，起到了细调的作用。 对于串级汽温调节系统，无论扰动发生在副调节回路还是 发生在主调节回路，都能迅
39、速的作出反应，快速消除过热汽温 的变化。 3.2.3 I级减温器的组态 I级减温控制系统由左、右两侧工作原理相同、互为独立的 串级控制系统组成。每个控制回路有一个主调节器和一个副调 节器，各自控制左、右两侧的I级减温喷水调节阀，以保证II 级减温器前后的汽温差为负荷的某种函数关系。主调节器的被 控参数为II级减温器的汽温差；副调节器的被控参数是I级减 温器出口的汽温。现通过对其中一侧控制回路的分析来说明 I 级减温控制系统的组态，系统框图如3-5所示： 教师批阅： Hits HE v 图35 I级减温控制系 统简化图 图中： 2g主调 节器的温差给定值，为负荷 的函数； 1g副调节器 的温度给
40、定值，为负荷的函 21 课 程 设 计 用 纸 数；Q总燃料量，代表机组负荷；锅炉尾部过热器烟道档板开度；1I级喷 水减温器阀门开度 这是一个典型的串级系统，主调节器5和副调节器12串在 一起工作。主回路的组态分析，主调节器5的偏差信号的形成 Fin CELE TAT 图36主调节器的偏差信号回路 主回路的设定值为对应不同负荷下II级减温器前后的温 差设计值2g，它与机组的负荷成一定函数关系，在组态中 由函数发生器4产生： 2g=f(x)=f(Q)f(D) 式中，Q为总燃料量，代表机组总的复核；D为主蒸汽量。 教师批阅： 这一函数关系由锅 炉设计中的热力计 算得到主调节器的 被控参数（主参数）
41、 为 II 级减温器前后 温差2： 2=1-2 式中22是取II 级减温器后两个温 22 课 程 设 计 用 纸 度变送器 T2，T1 中的大值，并经过一阶惯性环节 2，使它有 一定的迟延，这是因为 II 级减温器后的温度变化很快，为了 与II级减温器前的温度1时间上相匹配，故在此加了一个一 阶惯性环节。 主调节器5入口的偏差信号： e2 =2- 2g 由于主调节器 5 的调节规律为 PI 规律，在系统稳定时要 满足入口平衡条件，即 e2 =2- 2g=0 所以稳态时2= 2g 副调节器的组态： 副调节器12的设定值11g包括两部分：一是主调节器5 的输出调节指令 R1，另一是由机组负荷信号经过函数发生器 13形成的修正值11g，故设定值11g为 11g=R1-f(Q)= R1-11g 副调的被控参数为I级喷水减温器出口汽温，两个测量传 感器T4,T3测得两个测点的温度信号经大选块 3选大值作为副