過程控制-10-火力發(fā)電廠大型單元機組的控制

1、第十章火力發(fā)電廠大型單元機組的振動控制鍋爐設(shè)備的工藝流程熱空氣燃料燃料嘴爐膛汽包過熱器減溫器PMD負荷設(shè)備調(diào)節(jié)閥過熱蒸汽送負荷設(shè)備爐墻省煤器熱空氣送往爐膛給水空氣預(yù)熱器冷空氣煙氣(經(jīng)引風(fēng)機送往煙囪)鍋爐設(shè)備的控制問題給水量減溫水燃料量送風(fēng)量引風(fēng)量水 位蒸汽溫度蒸汽壓力過?？諝鉅t膛負壓負荷鍋爐設(shè)備 系統(tǒng)分解：（1）鍋爐汽包水位的控制；（2）鍋爐燃燒系統(tǒng)的控制；（3）過熱蒸汽系統(tǒng)的控制?？刂葡到y(tǒng)控制系統(tǒng)被控變量被控變量操縱變量操縱變量控制目的控制目的鍋爐給水控制系統(tǒng)鍋爐汽包水位給水流量鍋爐內(nèi)生產(chǎn)的蒸汽和給水的物料平衡鍋爐燃燒控制系統(tǒng)蒸汽壓力煙氣成分爐膛負壓燃料流量送風(fēng)流量引風(fēng)流量蒸汽負荷的平衡燃燒

2、的完全和經(jīng)濟性鍋爐運行的安全性過熱蒸汽控制系統(tǒng)過熱蒸汽溫度噴水流量過熱蒸汽的溫度和安全性鍋爐設(shè)備的控制問題10.2 單元機組控制系統(tǒng)l 鍋爐跟蹤方式l 汽機跟蹤方式l 機爐協(xié)調(diào)方式10.2.1 鍋爐跟蹤方式B10.2.2 汽機跟蹤方式B10.2.3 機爐協(xié)調(diào)控制方式B 保證出口蒸汽壓力穩(wěn)定，能按負荷要求自動增減燃料量； 保證燃燒狀況良好即要防止空氣不足使煙囪冒黑煙，也不要因空氣過量而增加熱量損失； 保持鍋爐有一定的負壓，以免負壓太小，造成爐膛內(nèi)熱氣向外冒出，影響設(shè)備和工作人員安全。鍋爐燃燒過程的控制主要包括：燃料量控制；送風(fēng)控制；負壓控制。鍋爐燃燒過程的控制10.3.2 蒸汽壓力控制和燃料與空

3、氣比值控制系統(tǒng)圖10.6(a) 燃燒過程的控制方案之一 圖10.6(b) 燃燒過程的控制方案之二煙氣含氧量的閉環(huán)控制系統(tǒng)圖10.9 煙氣中氧含量的閉環(huán)控制方案在鍋爐燃燒系統(tǒng)中，燃料量和空氣量需要滿足一定的比值關(guān)系。為了使燃料完全燃燒，在提負荷時，要求先提空氣量，后提燃料量；在降負荷時，要求先降燃料量，后降空氣量。為此，可采用選擇性控制系統(tǒng)，設(shè)置低選器FY1和高選器FY2，保證燃料量只在空氣量足夠的情況下才能加大，在減燃料量時，自動減少空氣量。從而，提量過程中，先提空氣量，后提燃料量。反之，在系統(tǒng)降量過程中，則先降燃料量，后降空氣量，從而實現(xiàn)了空氣和燃料量之間的邏輯要求，保證了充分燃燒，不會因空

4、氣不足而使煙囪冒黑煙，也不會因空氣過多而增加熱量損失。鍋爐燃燒過程的控制雙交叉燃燒控制系統(tǒng)圖10.10 雙交叉燃燒控制系統(tǒng)爐膛負壓控制與安全保護系統(tǒng)圖10.11 爐膛負壓前饋-反饋控制系統(tǒng)圖10.12 防回火的聯(lián)鎖控制 圖10.13 防脫火的選擇控制 圖10.14 防脫火和回火的選擇控制爐膛負壓控制與安全保護系統(tǒng)汽包水位的控制問題p被控變量：汽包水位，用H (s)表示p控制變量：汽包給水量，用G (s)表示p主要干擾：蒸汽負荷（蒸汽流量），用D (s)表示p通道對象：非自衡、非最小相位、非線性等特性被控變量是汽包水位，操作變量是給水流量。它主要是保持汽包內(nèi)部的物料平衡，使給水量適應(yīng)鍋爐的蒸汽量

5、，維持汽包中水位在工藝允許范圍內(nèi)。這是保證鍋爐、氣輪機安全運行的必要條件，是鍋爐正常運行的重要指標。當(dāng)蒸汽流量突然增加時，水位應(yīng)該下降。但是蒸汽流量突增瞬間導(dǎo)致汽包壓力下降。汽包內(nèi)水沸騰突然加劇，產(chǎn)生閃蒸，水中汽泡迅速增加。因此水位呈現(xiàn)出一開始不僅不下降反而迅速上升，然后再下降的所謂“虛假水位”現(xiàn)象。DHH 0HH 2H 1tt燃料量不變，蒸汽量Qs突然增加，瞬間會導(dǎo)致氣包壓力下降，氣包內(nèi)水位沸騰加劇，水中氣泡迅速增加Vs，將整個水位抬高。形成虛假水位上升現(xiàn)象。所以在D的直接擾動下，水位變化曲線為：從物料平衡角度 ASsDsHDADGdHdA1LGH 變化得：經(jīng)蒸汽流量變化量給水變化量鍋爐氣包

6、液位變化量鍋爐氣包容量參數(shù)在D作用下，該通道特性為一積分環(huán)節(jié)，曲線，引起水位變化H1。蒸汽負荷對水位的影響蒸汽負荷對水位的影響汽包水位的動態(tài)特性 12TsKsDsHD對H為一非周期環(huán)節(jié)，DPsVsH。直至壓力Ps下降所放出得熱量和水汽化吸收得熱相平衡時，Vs不再變化，才達到新的平衡。曲線如圖所示，傳函為： 二者同時考慮曲線H表示了在D擾動下水位變化曲線，由H可得出：當(dāng)DH（虛假水位），然后再下降。當(dāng)DH，然后再上升。虛假水位大小與工作壓力和蒸汽流量D變化有關(guān)。100-230T/h高中壓鍋爐，當(dāng)負荷變化1時，假水位可達30-40mm。 1111121TsASsKATSKASsDsHsDsHsDs

7、H 從熱平衡角度汽包水位的動態(tài)特性 給水流量給水流量G G對水位的影響（控制通道特性）對水位的影響（控制通道特性）GHHH 1tt物料平衡 ASsGsHDGdtHdA1L0D 1變換得：取時熱平衡 12TsKsDsHG（開始階段）H，因為水有一定過汽度，在熱負荷不變化情況下。加熱這部分水，需要在原有得水中吸收熱量。結(jié)果導(dǎo)致總得氣泡量VsH，直到氣泡冷凝放熱與增加得冷水吸熱相等時。液位不再下降，Vs不變化，才達到了新得平衡。二者同時考慮其特性為在G作用下，H響應(yīng)可以用一個純滯后加積分環(huán)節(jié)表示。GHHH 1tt2H seASsGsH1汽包水位的動態(tài)特性非最小相位特性1)()(221sTKsKsDs

8、H) 1() 1() 1()()()(20121212sTssTKsTsKsTKKsDsH2120TKKT對象為非最小相位（存在位于復(fù)平面右半平面的零點）的條件為02120TKKT汽包水位的單沖量控制LC蒸汽汽包省煤器給水L 汽包液位 受控變量G 鍋爐進水 控制變量適于小型鍋爐，水在汽包內(nèi)停留時間長，負荷變化小，假水位不顯著時。單沖量控制系統(tǒng)存在三個問題：單沖量控制系統(tǒng)存在三個問題： 當(dāng)負荷變化產(chǎn)生虛假液位時，將使控制器反向錯誤動作； 對負荷不靈敏。即當(dāng)負荷變化時，需要引起汽包水位變化后才起控制作用，由于控制緩慢往往導(dǎo)致控制效果下降； 對給水干擾不能及時克服。當(dāng)給水系統(tǒng)出現(xiàn)擾動時，控制作用緩慢

9、，需要等水位發(fā)生變化時才起作用。 為了克服以上問題，除了依據(jù)汽包水位以外，有時也可以根據(jù)蒸汽 流量和給水流量的變化控制給水閥，將能獲得良好的控制效果。汽包水位的單沖量控制針對單沖量控制系統(tǒng)不能克服假水位的影響，針對單沖量控制系統(tǒng)不能克服假水位的影響，如果根據(jù)如果根據(jù)蒸汽流量來引起校正作用，就可以糾正虛假水位引起的蒸汽流量來引起校正作用，就可以糾正虛假水位引起的誤動作，而且可以提前發(fā)現(xiàn)負荷變化，從而大大地改善誤動作，而且可以提前發(fā)現(xiàn)負荷變化，從而大大地改善了控制的品質(zhì)。了控制的品質(zhì)。將蒸汽流量信號的引入，就構(gòu)成了雙沖將蒸汽流量信號的引入，就構(gòu)成了雙沖量控制系統(tǒng)。量控制系統(tǒng)。下圖所示雙沖量控制系統(tǒng)

10、實質(zhì)上是一個前饋加單回路反下圖所示雙沖量控制系統(tǒng)實質(zhì)上是一個前饋加單回路反饋控制的前饋饋控制的前饋-反饋控制系統(tǒng)。這里的前饋僅為靜態(tài)前饋，反饋控制系統(tǒng)。這里的前饋僅為靜態(tài)前饋，若要考慮兩條通道在動態(tài)上的差異，則必須引入動態(tài)補若要考慮兩條通道在動態(tài)上的差異，則必須引入動態(tài)補償環(huán)節(jié)。償環(huán)節(jié)。 汽包水位的雙沖量控制汽包水位的雙沖量控制LC蒸汽汽包省煤器給水PCPFC1PC +C2PF+C0前饋補償原理：假設(shè)調(diào)節(jié)閥為氣關(guān)閥，C1=1，則調(diào)節(jié)器為正作用，而C2應(yīng)取負號，具體數(shù)值可現(xiàn)場調(diào)整或根據(jù)閥門特性計算其初始值。C0為一恒定偏置。設(shè)C0是在正常負荷下使之與C2PF相抵消，相當(dāng)于靜態(tài)時，對蒸汽流量的前饋

11、信號為0。此時相當(dāng)于液面單回路控制，當(dāng)負荷變化時，變化量作為前饋信號進入系統(tǒng)。負荷變化幅度大，停留時間較短，假水位嚴重時，可把蒸汽流量這一主要干擾作為一個沖量引入系統(tǒng)，構(gòu)成雙沖量控制系統(tǒng)。由于能同時根據(jù)L、D信號校正給水量。所以調(diào)節(jié)及時、準確，大大減小了氣泡水位的波動。實質(zhì)上該方案是在單回路基礎(chǔ)上增加了一個前饋調(diào)節(jié)信號，對D干擾直接補償。汽包水位的雙沖量控制圖10.19 雙沖量控制系統(tǒng)方框圖汽包水位的雙沖量控制該控制方案的優(yōu)點是水位上升與蒸汽流量增加時，控制閥動作方向相反，信號是相減的，因此，可節(jié)省儀表。缺點是由于水位控制器的測量信號是水位信號與蒸汽流量信號之差，因此，采用靜態(tài)前饋時，不能保證

12、水位無余差。汽包水位的三沖量控制LC蒸汽汽包省煤器給水PCPFFCLC水位蒸汽FC給水PCPFC1PC +C2PF+C0三沖量控制系統(tǒng)的簡化連接LC水位蒸汽給水C1C2C3LC水位蒸汽給水C3C1C2圖10.22 三沖量控制系統(tǒng)方案一方框圖汽包水位的三沖量控制(a) 原理圖 (b) 控制系統(tǒng)方框圖圖10.23 三沖量控制系統(tǒng)方案二汽包水位的三沖量控制(a) 原理圖 (b) 控制系統(tǒng)方框圖圖10.24 三沖量控制系統(tǒng)方案三汽包水位的三沖量控制蒸汽過熱系統(tǒng)包括一級過熱器、減溫器、二級過熱器?？刂迫蝿?wù)是使過熱器出口溫度維持在允許范圍內(nèi)，并且保護過熱器使管壁溫度不超過允許的工作溫度。影響過熱器出口溫度

13、的主要擾動:蒸汽流量擾動、煙氣側(cè)傳熱量的擾動和噴水量的擾動。蒸汽過熱系統(tǒng)的控制圖10.28 過熱蒸汽串級控制系統(tǒng) 圖10.29 過熱蒸汽雙沖量控制系統(tǒng)蒸汽過熱系統(tǒng)的控制 設(shè)定值回路設(shè)定值回路：在低負荷運行時，主蒸汽溫度達不到額定溫度，因而需要建立蒸汽溫度設(shè)定值與蒸汽流量之間的函數(shù)關(guān)系。經(jīng)蒸汽流量校正后的設(shè)定值與手動上限設(shè)定值一起組成設(shè)定值回路，向溫度控制器提供設(shè)定值。 先行信號回路：先行信號回路：采用了反映外擾的先行信號，它建立在蒸汽流量與噴水控制閥門開度的函數(shù)關(guān)系的基礎(chǔ)上，經(jīng)過蒸汽流量和各種燃料混燒比等外擾修正后得到的噴水閥門開度信號，直接控制噴水閥的動作，起到前饋的作用，提高了系統(tǒng)克服擾動的能力。 主蒸汽溫度的相位補償回路：主蒸汽溫度的相位補償回路：在噴水量的擾動下，蒸汽溫度的響