過(guò)程控制課程設(shè)計(jì)-蒸汽溫度控制

重慶大學(xué)本科學(xué)生課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)課程設(shè)計(jì)題目發(fā)電廠單元機(jī)組蒸汽溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院專業(yè)自動(dòng)化年級(jí)2008已知參數(shù)和設(shè)計(jì)要求：火電廠對(duì)生產(chǎn)的連續(xù)性和負(fù)荷適應(yīng)性要求極為嚴(yán)格，必須通過(guò)有效的控制手段予以保證。本課程設(shè)計(jì)要求學(xué)生完成發(fā)電廠單元機(jī)組負(fù)荷協(xié)調(diào)控制系統(tǒng),蒸汽溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在Matlab下進(jìn)行控制系統(tǒng)的仿真,并對(duì)控制系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析。學(xué)生應(yīng)完成的工作：1．了解發(fā)電廠單元機(jī)組的生產(chǎn)過(guò)程及其對(duì)控制的要求。2．設(shè)計(jì)單元機(jī)組的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，給出控制系統(tǒng)的功能模塊，對(duì)每個(gè)模塊的功能進(jìn)行詳細(xì)的闡述。3．設(shè)計(jì)蒸汽溫度控制系統(tǒng)。列出儀器儀表的選型；在Matlab下對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究?；诜抡娼Y(jié)果，分析控制系統(tǒng)的性能。目前資料收集情況（含指定參考資料）：1.何離慶主編。過(guò)程控制系統(tǒng)與裝置。重慶大學(xué)出版社。2.PaoC.Chau,ProcessControl:AFirstCoursewithMATLAB,Cambridge課程設(shè)計(jì)的工作計(jì)劃：1．課堂講授一次課，布置設(shè)計(jì)任務(wù)，為學(xué)生講解電廠單元機(jī)組的生產(chǎn)過(guò)程。2．課程設(shè)計(jì)時(shí)間為一周。任務(wù)下達(dá)日期2011年9月26日完成日期2011年10月7日指導(dǎo)教師（簽名）學(xué)生（簽名）說(shuō)明：1、學(xué)院、專業(yè)、年級(jí)均填全稱，如：光電工程學(xué)院、測(cè)控技術(shù)、2003。2、本表除簽名外均可采用計(jì)算機(jī)打印。本表不夠，可另附頁(yè)，但應(yīng)在頁(yè)腳添加頁(yè)碼。目錄一、引言1.1課程設(shè)計(jì)的背景………………….1.2火力發(fā)電廠自動(dòng)控制需求…………………1.3火力發(fā)電廠的單元機(jī)組蒸汽溫度控制現(xiàn)狀………………二、火力發(fā)電廠的單元機(jī)組的生產(chǎn)過(guò)程…………2.1燃燒系統(tǒng)……………………2.2汽水系統(tǒng)……………………2.3電氣系統(tǒng)……………………三、火力發(fā)電廠的單元機(jī)組的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)……………………3.1單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)及其組成……………………3.2單元機(jī)組負(fù)荷控制系統(tǒng)（協(xié)調(diào)控制級(jí)）……………………3.2.1負(fù)荷控制的原則及負(fù)荷控制方式……………………3.3負(fù)荷控制系統(tǒng)（協(xié)調(diào)級(jí)）的組成及作用……………………3.3.1負(fù)荷控制系統(tǒng)控制中心（LMCC）主要作用……………………3.3.2機(jī)、爐主控制器的作用……………………四、火力發(fā)電廠的單元機(jī)組蒸汽溫度控制系統(tǒng)……………………四、火力發(fā)電廠的單元機(jī)組蒸汽溫度控制系統(tǒng)……………………4.1過(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)……………………4.1.1過(guò)熱汽溫的主要影響因素……………………4.1.2過(guò)熱蒸汽溫度對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性……………………4.1.3過(guò)熱汽溫控制系統(tǒng)典型方案……………………4.1.4過(guò)熱溫度控制系統(tǒng)模型……………………4.1.5MATLB仿真……………………4.2再熱汽溫控制系統(tǒng)……………………4.2.1再熱汽溫控制系統(tǒng)的任務(wù)……………………4.2.2再熱汽溫的控制手段及控制系統(tǒng)……………………五、蒸汽溫控系統(tǒng)的儀器儀表的選型……………………5.1溫度測(cè)量、變送器的選擇……………………5.2噴水閥的選擇……………………5.3執(zhí)行電動(dòng)機(jī)的選擇……………………六、總結(jié)……………………參考文獻(xiàn)……………………引言1.1課程設(shè)計(jì)的背景隨著電力工業(yè)的快速發(fā)展，高參數(shù)、大容量的火力發(fā)電機(jī)組在電網(wǎng)中所占的比例越來(lái)越大。大容量機(jī)組的汽輪發(fā)電機(jī)和鍋爐都是采用單元制運(yùn)行方式。什么叫單元制？單元制就是由一臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)組和一臺(tái)鍋爐所組成的相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)。單元制運(yùn)行方式與以往的母管制運(yùn)行方式相比，機(jī)組的熱力系統(tǒng)得到了簡(jiǎn)化，且使蒸汽經(jīng)過(guò)中間再熱處理成為可能，從而提高了機(jī)組的熱效率。高參數(shù)、大容量的發(fā)電機(jī)組也給生產(chǎn)帶來(lái)了一定的危險(xiǎn)性。所以如何保護(hù)單元機(jī)組的安全、可靠且經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，減少事故，提高設(shè)備的可靠性和運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，是十分重要的問(wèn)題。1.2火力發(fā)電廠自動(dòng)控制需求發(fā)電機(jī)組是由鍋爐、汽輪發(fā)電機(jī)和輔助設(shè)備組成的龐大的設(shè)備群，是典型的過(guò)程控制對(duì)象。火電廠生產(chǎn)過(guò)程實(shí)質(zhì)上是一個(gè)能源轉(zhuǎn)換的過(guò)程，火電廠的產(chǎn)品——電能現(xiàn)階段尚不能大量?jī)?chǔ)存，因而其發(fā)、送、用電的過(guò)程是同時(shí)完成的，這就對(duì)電力生產(chǎn)的連續(xù)性和負(fù)荷適應(yīng)性要求極為嚴(yán)格，必須通過(guò)有效的控制手段予以保證。目前，機(jī)組以從早期的手動(dòng)控制發(fā)展到現(xiàn)在的自動(dòng)控制，從就地控制發(fā)展到現(xiàn)在的爐、機(jī)、電集中控制。過(guò)去，運(yùn)行人員通過(guò)手動(dòng)操作執(zhí)行機(jī)構(gòu)和人工記錄報(bào)表，如今，現(xiàn)代化大型機(jī)組普遍采用計(jì)算機(jī)控制、大屏幕顯示和高分辨率的CRT監(jiān)視操作，從而將復(fù)雜的機(jī)組運(yùn)行參數(shù)集中處理，并以圖表、文字形式實(shí)時(shí)顯示，供運(yùn)行人員操作指導(dǎo)。由此可見(jiàn)，大機(jī)組自動(dòng)控制不僅可減輕運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且可減少運(yùn)行人員，節(jié)省勞動(dòng)力。1.3火力發(fā)電廠的單元機(jī)組蒸汽溫度控制現(xiàn)狀鍋爐控制現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，采用傳統(tǒng)的基于模擬技術(shù)的控制器、儀器儀表或單片機(jī)，不僅結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，效率比較低，并且可靠性也不高。大型單元機(jī)組都采用再熱式機(jī)組，鍋爐蒸汽溫度控制直接影響到全廠熱效率及設(shè)備的安全運(yùn)行。因此，汽溫控制系統(tǒng)式鍋爐的重要控制系統(tǒng)之一。鍋爐蒸汽溫度控制包括過(guò)熱蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度的溫度過(guò)高或過(guò)低都會(huì)顯著地影響電廠的安全性和經(jīng)濟(jì)性。在過(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)中采用主要有串級(jí)控制系統(tǒng)和采用導(dǎo)前汽溫微分信號(hào)的雙回路汽溫控制系統(tǒng)。再熱汽溫的控制一般以煙氣控制方式為主，可采用的煙氣控制方法有：控制煙氣擋板的位置，采用煙氣再循環(huán)，也可通過(guò)改變擺動(dòng)燃燒器的傾角來(lái)控制再熱汽溫。在本次課程設(shè)計(jì)中，我們將闡述上述控制方式的特點(diǎn)?；鹆Πl(fā)電廠的單元機(jī)組的生產(chǎn)過(guò)程火力發(fā)電廠的單元機(jī)組的主要組成和工作流程如下圖2-1：圖2-11—汽輪機(jī)高壓缸；2—汽輪機(jī)中、低壓缸；3—汽包；4—爐膛；5—煙道；6—發(fā)電機(jī)；7—冷凝器；8—補(bǔ)充水；9—凝結(jié)水泵；10—循環(huán)水泵；11—低壓加熱器；12—除氧器；13—給水泵；14—高壓加熱器；15—給水調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)；16—省煤器；17—過(guò)熱器；18—過(guò)熱器噴水減溫器；19—汽機(jī)高壓調(diào)汽門(mén)；20—再熱器；21—再熱器噴水減溫器；22—汽機(jī)中壓調(diào)汽門(mén)；23—煤粉倉(cāng)；24—燃料量控制機(jī)構(gòu)；25—噴燃器；26—送風(fēng)機(jī)；27—空氣預(yù)熱器；28—調(diào)風(fēng)門(mén)；29—水冷壁管；30—引風(fēng)機(jī)；31—煙道擋板。單元機(jī)組主要包括三大系統(tǒng)：燃燒系統(tǒng)、汽水系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)。2.1燃燒系統(tǒng)燃燒系統(tǒng)的任務(wù)一方面是將燃料B由燃料控制機(jī)構(gòu)24經(jīng)噴燃器25送入爐膛燃燒，另一方式將助燃的空氣V由送風(fēng)機(jī)26經(jīng)空氣預(yù)熱器27預(yù)熱后再經(jīng)調(diào)風(fēng)門(mén)28按一定比例送入爐膛。空氣和燃料在爐膛內(nèi)燃燒，產(chǎn)生大量熱量傳給蒸發(fā)受熱面（水冷壁）29中的水。燃燒后的高溫?zé)煔饨?jīng)∏型煙道，不斷將熱量傳給過(guò)熱器17、再熱器20、省煤器16和空氣預(yù)熱器27，每經(jīng)過(guò)一個(gè)設(shè)備煙氣溫度便會(huì)降低一次，最后低溫?zé)煔庥梢L(fēng)機(jī)30吸出，經(jīng)煙囪排入大氣中。2.2汽水系統(tǒng)在汽水系統(tǒng)中，鍋爐的給水W由給水泵13打出，先經(jīng)過(guò)高溫加熱器14，再經(jīng)過(guò)省煤器16吸收一部分煙氣的余熱后進(jìn)入汽包3。汽包中的水在水冷壁中進(jìn)行自然或強(qiáng)制循環(huán)，不斷地吸收爐膛輻射熱量，由此產(chǎn)生的飽和蒸汽由汽包頂部流出，再經(jīng)過(guò)多級(jí)（3~4級(jí)）過(guò)熱器17進(jìn)一步加熱成過(guò)熱蒸汽D。這個(gè)具有一定壓力和溫度的過(guò)熱蒸汽就是鍋爐的產(chǎn)品。蒸汽的高溫和高壓是為了提高單元機(jī)組的熱效率。2.3電氣系統(tǒng)汽輪機(jī)高壓缸1接受從鍋爐供給的過(guò)熱蒸汽，其轉(zhuǎn)子被蒸汽推動(dòng)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生電能Pe(MW)。從高壓缸汽輪機(jī)1做功后的蒸汽，其壓力、溫度都降低了。為了提高熱效率，需要把這部分蒸汽送回鍋爐，在再熱器20中再次加熱，然后再進(jìn)入汽輪機(jī)中、低壓缸2做功，最后成為乏汽從汽輪機(jī)低壓缸尾部排入冷凝器7冷凝為凝結(jié)水。凝結(jié)水和補(bǔ)充水8一起經(jīng)凝結(jié)水泵9先打入低壓加熱器11，然后進(jìn)入除氧器12，除氧后進(jìn)入給水泵，從而形成汽水系統(tǒng)的循環(huán)。高壓加熱器14和低壓加熱器11是利用汽輪機(jī)的中間抽汽來(lái)加熱給水和凝結(jié)水，以提高電廠的熱效率的設(shè)備?；鹆Πl(fā)電廠的單元機(jī)組的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)3.1單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)及其組成目前火力發(fā)電廠普遍采用分散控制系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，是單元機(jī)組自動(dòng)控制系統(tǒng)的總稱，是將單元機(jī)組的鍋爐和汽輪機(jī)作為一個(gè)整體來(lái)進(jìn)行控制的系統(tǒng)。協(xié)調(diào)控制級(jí)上的協(xié)調(diào)控制器要對(duì)下一級(jí)中的若干個(gè)控制器進(jìn)行協(xié)調(diào)。協(xié)調(diào)的過(guò)程是一個(gè)多目標(biāo)決策的過(guò)程，也是一個(gè)全局優(yōu)化的過(guò)程。單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)充分利用了機(jī)爐對(duì)象特性方面的特點(diǎn)，采用了前饋、補(bǔ)償、多變量解耦等控制策略，使控制系統(tǒng)具有合理、可靠、易于維護(hù)調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)。建立在現(xiàn)代控制理論和方法基礎(chǔ)上的單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)也處于研究和發(fā)展之中。為了單元機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行，必須將生產(chǎn)過(guò)程中的主要工藝參數(shù)（如主蒸汽壓力、溫度、再熱蒸汽溫度、鍋爐汽包水位、爐膛氣壓、過(guò)?？諝夂瘮?shù)、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速等）嚴(yán)格地控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，為此，我們需要設(shè)置相當(dāng)數(shù)量的、最基本的控制系統(tǒng)，它們是：汽輪機(jī)的功率——轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)、鍋爐的燃燒過(guò)程控制系統(tǒng)、汽包水位控制系統(tǒng)、蒸汽溫度控制系統(tǒng)等。汽輪機(jī)、鍋爐爐兩大部分既有動(dòng)態(tài)特性差異大的一面，又是一個(gè)發(fā)電整體。因此，我們需要在汽輪機(jī)和鍋爐的多個(gè)基本的控制系統(tǒng)之上，設(shè)置一個(gè)上位控制系統(tǒng)。利用這個(gè)控制系統(tǒng)，實(shí)施汽輪機(jī)與鍋爐在響應(yīng)負(fù)荷要求時(shí)的協(xié)調(diào)動(dòng)作與配合，這樣單元機(jī)組的自動(dòng)控制系統(tǒng)從總體上看，構(gòu)成了一個(gè)由上層的協(xié)調(diào)控制級(jí)（負(fù)荷控制系統(tǒng)）和下層各基礎(chǔ)控制級(jí)兩部分組成的分級(jí)型控制系統(tǒng)如下圖圖3-1單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的組成框架從單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的組成框架可知，協(xié)調(diào)控制級(jí)由負(fù)荷管理控制中心和機(jī)爐主控制器兩部分組成，作用為上位控制作用，也就是單元機(jī)組的負(fù)荷控制系統(tǒng)；下邊的鍋爐、汽輪機(jī)的各子控制系統(tǒng)則作為基礎(chǔ)控制級(jí)，起著最基本、也是最直接的控制作用。3.2單元機(jī)組負(fù)荷控制系統(tǒng)（協(xié)調(diào)控制級(jí)）單元機(jī)組自動(dòng)控制的首要任務(wù)是機(jī)組負(fù)荷的自動(dòng)控制，使機(jī)組的出力適應(yīng)電網(wǎng)的需要。從電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，要求機(jī)組的出力能快速地適應(yīng)外界負(fù)荷的需要；從機(jī)組本身來(lái)說(shuō)，其出力由鍋爐和汽機(jī)兩者共同決定的。困難之處在于兩者的特性有很大差別，表現(xiàn)在適應(yīng)負(fù)荷變化的能力有很大差異。蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)到發(fā)電機(jī)送出電能是非常迅速的過(guò)程，與鍋爐相比，汽輪發(fā)電機(jī)是一個(gè)慣性小、反應(yīng)快的控制對(duì)象；而鍋爐從給水到生成過(guò)熱蒸汽則是一個(gè)很慢的過(guò)程，也是一個(gè)慣性大、反應(yīng)慢、復(fù)雜的多變量的對(duì)象。負(fù)荷控制的任務(wù)是就在于如何控制鍋爐和汽輪機(jī)各自的出力，使之相互適應(yīng)，以滿足機(jī)組負(fù)荷的需要。相互適應(yīng)的標(biāo)志就是主蒸汽壓力pT的穩(wěn)定程度。因此，機(jī)組負(fù)荷控制系統(tǒng)有兩個(gè)被調(diào)量：機(jī)組實(shí)發(fā)功率Pe和主蒸汽壓力pT3.2.1負(fù)荷控制的原則及負(fù)荷控制方式當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷變動(dòng)時(shí)，從汽輪機(jī)側(cè)看，只要改變調(diào)汽門(mén)，就能迅速改變蒸汽量，立即適應(yīng)負(fù)荷的需要。但鍋爐則不然，當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，即使馬上調(diào)整燃料量B和給水量W，由于鍋爐固有的慣性及延遲，不可能立即改變提供給汽輪機(jī)的蒸汽量D。因此，如果汽輪機(jī)調(diào)汽門(mén)開(kāi)度已改變，流入汽機(jī)的蒸汽量相應(yīng)地發(fā)生變化，此時(shí)就只能利用主汽壓力的改變來(lái)彌補(bǔ)或儲(chǔ)蓄這個(gè)蒸汽量供需差額。在這個(gè)過(guò)程中，主汽壓力一定會(huì)產(chǎn)生較大的波動(dòng)。也就是說(shuō)，提高機(jī)組負(fù)荷的適應(yīng)能力和保持汽壓穩(wěn)定這兩者之間存在著一定的矛盾。為了提高機(jī)組的響應(yīng)性能，可在保證安全運(yùn)行（即主蒸汽壓力在允許范圍內(nèi)變化）的前提下，充分利用鍋爐的蓄熱能力，也就是在負(fù)荷變動(dòng)時(shí)，通過(guò)汽輪機(jī)進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥的適當(dāng)動(dòng)作，允許氣壓有一定波動(dòng)。即釋放或吸收部分蓄能，加快機(jī)組初期負(fù)荷的響應(yīng)速度；與此同時(shí)，根據(jù)外部負(fù)荷的請(qǐng)求指令，加強(qiáng)對(duì)鍋爐側(cè)燃燒率（及相應(yīng)的給水流量）的控制，及時(shí)恢復(fù)蓄能，使鍋爐蒸發(fā)量與機(jī)組負(fù)荷保持一致。這就是負(fù)荷控制的基本原則，也是機(jī)、爐協(xié)調(diào)控制的基本原則。在設(shè)計(jì)負(fù)荷控制系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)根據(jù)機(jī)組在電網(wǎng)負(fù)荷變化中所承擔(dān)的任務(wù)而采用適當(dāng)?shù)目刂品绞?。下面為三種可供選擇的控制方式：（1）鍋爐跟蹤方式、（2）汽機(jī)跟蹤方式、（3）機(jī)、爐跟蹤方式（1）鍋爐跟蹤方式下圖所示為鍋爐跟蹤方式的原理圖，這種控制方式是汽輪機(jī)調(diào)負(fù)荷（即調(diào)節(jié)輸出電功率）鍋爐調(diào)主汽壓?；军c(diǎn)：汽輪機(jī)為基礎(chǔ)，鍋爐跟隨的負(fù)荷控制方式，簡(jiǎn)稱爐跟機(jī)方式。汽輪機(jī)接受負(fù)荷指令，負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)功率，具有較好的負(fù)荷響應(yīng)能力；爐負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)汽壓，維持汽壓的穩(wěn)定，由于鍋爐動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，動(dòng)態(tài)過(guò)程中汽壓波動(dòng)大；因機(jī)爐間的相互影響，燃料擾動(dòng)（如增加）時(shí)壓力、功率都有變動(dòng)（上升），而為保持原有功率，汽輪機(jī)調(diào)節(jié)汽門(mén)要?jiǎng)幼鳎P(guān)小），更使壓力有所波動(dòng)（增加）。圖3-2爐跟機(jī)的工作過(guò)程當(dāng)負(fù)荷指令改變時(shí)，汽機(jī)主控制器發(fā)出指令，改變汽機(jī)的調(diào)氣門(mén)開(kāi)度μT，使發(fā)電機(jī)輸出功率Pe迅速與功率調(diào)節(jié)器的設(shè)定值P0一致，以滿足電網(wǎng)負(fù)荷的要求。與此同時(shí)，由于調(diào)汽門(mén)開(kāi)度改變，主汽壓力也隨之改變，鍋爐主控制器根據(jù)汽壓偏差發(fā)出指令，改變?nèi)紵始跋鄳?yīng)的給水流量，使汽壓pT恢復(fù)到pT0，從而跟蹤汽機(jī)的負(fù)荷變化。這種控制方式是先讓汽機(jī)適應(yīng)外界負(fù)荷的需要，再讓鍋爐跟隨汽機(jī)的需要，因此稱為“圖3-3“爐跟機(jī)”控制方式（2）汽機(jī)跟蹤方式基本點(diǎn)：鍋爐為基礎(chǔ)，汽輪機(jī)跟隨的負(fù)荷控制方式，簡(jiǎn)稱機(jī)跟爐方式。圖3-4機(jī)跟爐的工作過(guò)程機(jī)跟爐方式：爐接受負(fù)荷指令，負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)功率，負(fù)荷響應(yīng)能力差，不僅不能利用鍋爐蓄能，負(fù)荷增加時(shí)，還要先向鍋爐附加蓄能，要先提高汽包壓力；因機(jī)爐間的相互影響，燃料擾動(dòng)時(shí)，機(jī)組功率波動(dòng)也大，如燃料增加時(shí)，功率、汽壓都上升，要保持原有汽壓，汽輪機(jī)調(diào)節(jié)汽門(mén)開(kāi)大，會(huì)使功率更為增加，對(duì)燃煤機(jī)組來(lái)說(shuō)這個(gè)缺點(diǎn)比較突出。單純的汽輪機(jī)跟蹤運(yùn)行方式對(duì)電網(wǎng)干擾較大，不利于電網(wǎng)周波的穩(wěn)定；但因汽輪機(jī)調(diào)壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)比鍋爐調(diào)壓快，不論負(fù)荷變化或燃料擾動(dòng)，汽壓波動(dòng)都小，有利于機(jī)組本身運(yùn)行參數(shù)的穩(wěn)定。圖3-3“機(jī)跟爐”控制方式在這種控制方式中，由于主汽壓pT（3）機(jī)、爐協(xié)調(diào)方式這種控制方式是建立在協(xié)調(diào)鍋爐和汽機(jī)適應(yīng)外界負(fù)荷變化能力基礎(chǔ)上的中綜合型協(xié)調(diào)控制方式。它既克服了“爐跟機(jī)”方式中因調(diào)用鍋爐蓄熱量過(guò)大而引起主汽壓波動(dòng)太大的問(wèn)題，又解決了“機(jī)跟爐”方式中根本不動(dòng)用鍋爐蓄熱量以致不能較快地響應(yīng)負(fù)荷變化的矛盾。實(shí)際上，這種方式是把上述兩種方法結(jié)合起來(lái)，取長(zhǎng)補(bǔ)短。下圖為“機(jī)、爐協(xié)調(diào)控制”方式的示意圖。圖3-4機(jī)、爐協(xié)調(diào)控制方式當(dāng)負(fù)荷指令P0當(dāng)主蒸汽壓力產(chǎn)生偏差時(shí)，機(jī)、爐主控制器對(duì)鍋爐側(cè)和汽輪機(jī)側(cè)同時(shí)進(jìn)行操作。一方面加強(qiáng)鍋爐燃燒率的控制作用，補(bǔ)償蓄能的變化；另一方面又通過(guò)前饋適當(dāng)限制汽輪機(jī)進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，控制蒸汽流量，維持主蒸汽壓力穩(wěn)定，以保證機(jī)、爐之間的能量平衡?？刂七^(guò)程結(jié)束后，穩(wěn)態(tài)下機(jī)、爐控制器共同保證實(shí)際發(fā)電率Pe和負(fù)荷指令P0一致，機(jī)前壓力pT由此可見(jiàn)，綜合性協(xié)調(diào)控制方式能較好地保持機(jī)組內(nèi)外兩個(gè)能量供求的平衡關(guān)系。這種方式的本質(zhì)是，通過(guò)有節(jié)制地調(diào)用鍋爐的蓄熱量，既保證了機(jī)組有較好的負(fù)荷適應(yīng)能力，又具有良好的汽壓控制性能，它是一種較為合理的和完善的協(xié)調(diào)控制方式，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。這種控制方式一般適用于帶有變動(dòng)負(fù)荷的單元機(jī)組。由于這種控制方式具有機(jī)、爐兼顧，互相協(xié)調(diào)的特點(diǎn)，在大型單元機(jī)組中得到普遍的應(yīng)用。應(yīng)當(dāng)指出，目前在大型單元機(jī)組中，一般同時(shí)具有上述三種控制方式，可根據(jù)機(jī)組運(yùn)行的需要，經(jīng)過(guò)邏輯開(kāi)關(guān)切換到其中任一種控制方式。并可通過(guò)自動(dòng)/手動(dòng)開(kāi)關(guān)切換到全手動(dòng)方式，不論哪種控制方式，最終都是向機(jī)組輸出汽機(jī)調(diào)速器位置指令和鍋爐燃料量指令，然后通過(guò)機(jī)、爐各自的控制回路改變汽機(jī)調(diào)汽門(mén)和燃料量來(lái)進(jìn)行的。3.3負(fù)荷控制系統(tǒng)（協(xié)調(diào)級(jí)）的組成及作用負(fù)荷控制系統(tǒng)（協(xié)調(diào)控制級(jí)）由負(fù)荷管理中心（LMCC）和機(jī)爐主控制器組成，如單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的組成框架圖所示。3.3.1負(fù)荷控制系統(tǒng)控制中心（LMCC）主要作用負(fù)荷管理控制中心（LMCC）的主要作用是：對(duì)機(jī)組的各負(fù)荷請(qǐng)求指令（電網(wǎng)中心調(diào)度所負(fù)荷自動(dòng)調(diào)度指令A(yù)DS或運(yùn)行操作人員設(shè)定的負(fù)荷指令）進(jìn)行選擇和處理，并與電網(wǎng)頻率偏差信號(hào)?f一起形成機(jī)組主、輔設(shè)備負(fù)荷能力和安全運(yùn)行所能接受的、具有一次調(diào)頻能力的機(jī)組負(fù)荷指令P0LMCC除對(duì)外部負(fù)荷指令進(jìn)行選擇外，還根據(jù)機(jī)組主、輔設(shè)備運(yùn)行狀況，設(shè)定最大（或最?。┴?fù)荷限值；根據(jù)機(jī)組當(dāng)前變負(fù)荷能力，對(duì)正常及非正常情況下負(fù)荷指令的變化速率進(jìn)行限制。當(dāng)機(jī)組設(shè)備或控制系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí)，LMMC可對(duì)負(fù)荷指令進(jìn)行修改，使機(jī)組負(fù)荷降至適當(dāng)?shù)乃健?.3.2機(jī)、爐主控制器的作用機(jī)、爐主控制器的主要作用是：接受LMCC輸出的負(fù)荷指令P0、機(jī)組實(shí)際發(fā)電功率Pe、主蒸汽壓力給定值pT0及實(shí)際主蒸汽壓力pT等信號(hào)；根據(jù)機(jī)組當(dāng)前運(yùn)行條件及要求，選擇合適的負(fù)荷控制方式，并實(shí)現(xiàn)不同控制方式間的切換；根據(jù)機(jī)組功率負(fù)荷偏差?P=P0-PE和機(jī)前主蒸汽壓力偏差?p=pT0機(jī)、爐主控制器又稱機(jī)、爐主控制回路，由汽輪機(jī)主控制器與鍋爐主控制器兩部分組成，是機(jī)、爐協(xié)調(diào)控制思想的具體體現(xiàn)。大多數(shù)負(fù)荷控制的基本方案是一個(gè)以前饋—反饋控制為主的多變量協(xié)調(diào)控制方案。其中，反饋控制是負(fù)荷控制的基礎(chǔ)，通過(guò)它確保機(jī)組內(nèi)外兩個(gè)能量供求平衡關(guān)系以及實(shí)現(xiàn)多種負(fù)荷控制方式的選擇切換。前饋控制主要是為了補(bǔ)償機(jī)組的動(dòng)態(tài)延遲，加快負(fù)荷響應(yīng)，同時(shí)也為了保證有關(guān)運(yùn)行參數(shù)的穩(wěn)定值與指令一致，是動(dòng)態(tài)變化值始終在其穩(wěn)態(tài)值附近。引入前饋控制運(yùn)算，使機(jī)、爐之間的能量失衡或剛要失衡時(shí)及時(shí)按照機(jī)、爐雙方特性采取前饋控制，以產(chǎn)生一種能量失衡在較小范圍內(nèi)的控制作用。這一功能是協(xié)調(diào)控制的核心。機(jī)組的協(xié)調(diào)控制功能是在基本的鍋爐跟隨（或汽機(jī)跟隨）控制方式的兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的反饋回路基礎(chǔ)上，引進(jìn)適當(dāng)?shù)那梆伩刂品绞接枰詫?shí)現(xiàn)的。單獨(dú)的“鍋爐跟隨”或“汽機(jī)跟隨”控制都存在著能量失衡嚴(yán)重的現(xiàn)象，因?yàn)樗鼈儍H僅依賴于主蒸汽壓力pT來(lái)維持機(jī)組或機(jī)組內(nèi)部能量平衡，而p根據(jù)不同的前饋通道，設(shè)計(jì)可分為按負(fù)荷指令P0間接平衡和按能量信號(hào)p1/pT直接平衡的兩種不同類型的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，前者以負(fù)荷指令P0為前饋信號(hào)，后者以汽輪機(jī)第一級(jí)后壓力圖3-5按能量信號(hào)直接平衡的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)原理圖火力發(fā)電廠的單元機(jī)組蒸汽溫度控制系統(tǒng)大型單元機(jī)組都采用再熱式機(jī)組，鍋爐蒸汽溫度控制直接影響到全廠的熱效率及設(shè)備的安全運(yùn)行。因此汽溫控制系統(tǒng)是鍋爐的重要控制系統(tǒng)之一。鍋爐蒸汽溫度控制包括過(guò)熱蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度控制。我們?cè)谶@里主要設(shè)計(jì)過(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)。4.1過(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)過(guò)熱汽溫控制的任務(wù)是維持過(guò)熱器出口主蒸汽溫度在允許的范圍內(nèi)，并對(duì)過(guò)熱器進(jìn)行保護(hù)，使管壁金屬溫度不超過(guò)允許的工作溫度。過(guò)熱蒸汽溫度是鍋爐汽水系統(tǒng)中的溫度最高點(diǎn)，蒸汽溫度過(guò)高會(huì)使過(guò)熱器管壁金屬?gòu)?qiáng)度下降，以至燒壞過(guò)熱器的高溫段，嚴(yán)重影響安全。過(guò)熱蒸汽溫度偏低，則會(huì)降低發(fā)電機(jī)組能量轉(zhuǎn)換效率，據(jù)分析，汽溫每降低5℃，熱經(jīng)濟(jì)性將下降1%；且汽溫偏低會(huì)使汽輪機(jī)尾部蒸汽濕度增大，甚至使之帶水，嚴(yán)重影響汽輪機(jī)的安全運(yùn)行。因此，必須將過(guò)熱汽溫嚴(yán)格控制在設(shè)定值（+5~-5℃）范圍內(nèi)。4.1.1過(guò)熱汽溫的主要影響因素(1)燃料、給水比（煤水比）只要燃料、給水比的值不變，過(guò)熱汽溫就不變。只要保持適當(dāng)?shù)拿核?，在任何?fù)荷和工況下，直流鍋爐都能維持一定的過(guò)熱汽溫。(2)給水溫度正常情況下，給水溫度一般不會(huì)有大的變動(dòng)；但當(dāng)高壓加熱器因故障出系時(shí)，給水溫度就會(huì)降低。對(duì)于直流鍋爐，若燃料不變，由于給水溫度降低，加熱段加長(zhǎng)、過(guò)熱段縮短，過(guò)熱汽溫會(huì)隨之降低，負(fù)荷也會(huì)降低。(3)過(guò)?？諝庀禂?shù)過(guò)?？諝庀禂?shù)的變化直接影響鍋爐的排煙損失，同時(shí)影響對(duì)流受熱面與輻射受熱面的吸熱比例。當(dāng)過(guò)?？諝庀禂?shù)增大時(shí)，除排煙損失增加、鍋爐效率降低外，爐膛水冷壁吸熱減少，造成過(guò)熱器進(jìn)口溫度降低、屏式過(guò)熱器出口溫度降低；雖然對(duì)流過(guò)熱器吸熱量有所增加，但在煤水比不變的情況下，末級(jí)過(guò)熱器出口汽溫有所下降。過(guò)?？諝庀禂?shù)減小時(shí)，結(jié)果與增加時(shí)相反。若要保持過(guò)熱汽溫不變，則需重新調(diào)整煤水比。(4)火焰中心高度火焰中心高度變化的影響與過(guò)?？諝庀禂?shù)變化的影響相似。在煤水比不變的情況下，火焰中心上移類似于過(guò)?？諝庀禂?shù)增加，過(guò)熱汽溫略有下降；反之，過(guò)熱汽溫略有上升。若要保持過(guò)熱汽溫不變，亦需重新調(diào)整煤水比(5)受熱面結(jié)渣煤水比不變的調(diào)節(jié)下：爐膛水冷壁結(jié)渣時(shí)，過(guò)熱汽溫有所降低；過(guò)熱器結(jié)渣或積灰時(shí)，過(guò)熱汽溫下降明顯。前者發(fā)生時(shí)，調(diào)整煤水比就可；后者發(fā)生時(shí)，不可隨便調(diào)整煤水比，必須在保證水冷壁溫度不超限的前提下調(diào)整煤水比。4.1.2過(guò)熱蒸汽溫度對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性過(guò)熱汽溫控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性是指引起過(guò)熱汽溫變化的擾動(dòng)與汽溫之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。引起過(guò)熱汽溫變化的因素有很多，歸納起來(lái)主要為蒸汽流量（負(fù)荷）D、加熱煙氣量V和減溫水流量G的變化。abc圖4-1過(guò)熱氣溫控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性(a)鍋爐負(fù)荷擾動(dòng)下（b）煙氣量擾動(dòng)下（c）減溫水?dāng)_動(dòng)下汽溫對(duì)象在不同的擾動(dòng)作用下，其動(dòng)態(tài)特性參數(shù)值（對(duì)象延遲時(shí)間τ，對(duì)象時(shí)間常數(shù)TC，對(duì)象自平衡系數(shù)ρ）可能有很大差別。因此為了能在調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)動(dòng)作后能及時(shí)的對(duì)汽溫變化產(chǎn)生影響，要求在調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)動(dòng)作后，汽溫對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性具有較小的τ和τ/T在3個(gè)擾動(dòng)中，減溫水?dāng)_動(dòng)最大，煙氣擾動(dòng)次之，蒸汽流量擾動(dòng)最小。其中蒸汽流量是主蒸汽流量，為機(jī)組負(fù)荷，不能作為控制手段，而煙氣流量實(shí)現(xiàn)又比較困難，且會(huì)與再熱汽溫互相影響，所以一般采用噴水減溫作為控制手段。對(duì)于維持汽溫來(lái)說(shuō)，汽溫對(duì)象在控制作用下動(dòng)態(tài)特性的延遲τ和時(shí)間常數(shù)TC4.1.3過(guò)熱汽溫控制系統(tǒng)典型方案對(duì)象在噴水量Wj的擾動(dòng)下，過(guò)熱器出口汽溫θs有較大的容積延遲，但減溫器出口蒸汽溫度θd則有明顯的導(dǎo)前作用，若以θd為副參數(shù)、θs為主參數(shù)組成如圖4-2所示的串級(jí)控制系統(tǒng)，可使控制質(zhì)量得到改善。該系統(tǒng)中副回路及副控制器的任務(wù)是快速消除作用與內(nèi)回路的干擾影響，主回路及主控制器則保證過(guò)熱器出口汽溫恒定。圖4-2汽溫串級(jí)控制系統(tǒng)目前大多數(shù)機(jī)組過(guò)熱器都分段布置采用兩級(jí)噴水減溫控制方式，Ⅰ、Ⅱ級(jí)汽溫控制系統(tǒng)是各自獨(dú)立的串級(jí)系統(tǒng)，如圖4-3所示。圖4-3過(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)如僅從過(guò)熱器出口主蒸汽溫度的控制效果來(lái)考慮，則Ⅰ級(jí)汽溫控制系統(tǒng)相當(dāng)于粗調(diào)，Ⅱ級(jí)汽溫控制系統(tǒng)相當(dāng)于細(xì)調(diào)；Ⅰ級(jí)汽溫控制的任務(wù)是消除來(lái)自燃燒工況變化等擾動(dòng)的影響，穩(wěn)態(tài)時(shí)維持屏式過(guò)熱器出口汽溫θs1為設(shè)定值，該設(shè)定值隨負(fù)荷而改變。同時(shí)，Ⅰ級(jí)噴水減溫還具有防止屏式過(guò)熱器超溫，確保機(jī)組安全運(yùn)行的作用；Ⅱ級(jí)汽溫控制的任務(wù)則是保證過(guò)熱器出口主蒸汽溫度等于設(shè)定值。為了改善控制質(zhì)量，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上還考慮了機(jī)組負(fù)荷等作為前饋信號(hào)。4.1.4過(guò)熱溫度控制系統(tǒng)模型對(duì)一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制，多采用比例、積分、微分（PID）進(jìn)行控制的調(diào)節(jié)。在進(jìn)行調(diào)節(jié)的過(guò)程中，針對(duì)控制對(duì)象來(lái)進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)。過(guò)熱蒸汽溫度的控制影響因素主要為蒸汽流量（負(fù)荷）D、加熱煙氣量V和減溫水流量G的變化。所以系統(tǒng)是一個(gè)典型的多模型串級(jí)PID控制系統(tǒng)。系統(tǒng)模型如下圖所示：圖4-4主汽溫蒸汽溫度的多模型串級(jí)PID控制模型控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4-4所示。KP、KI、Kp1、Tp1、Kp2、Tp2為系統(tǒng)內(nèi)回路的固定參數(shù),便于快速消除系統(tǒng)內(nèi)擾。系統(tǒng)外回路部分采用多模型PID控制,用于對(duì)系統(tǒng)最終輸出進(jìn)行調(diào)節(jié)。虛線框內(nèi)為局部模型，局部模型的加權(quán)和為全局模型。4.1.5MATLB仿真查閱資料，以某鍋爐為例，內(nèi)回路PID控制器取比例積分形式，其參數(shù)固定為:Kp=1.1，KI=0.04。外回路控制器PID1為如下實(shí)際PID形式:當(dāng)負(fù)荷率為62%時(shí)，導(dǎo)前區(qū)的函數(shù)為4.35/(19s+1)^2，惰性區(qū)的函數(shù)為1.83/(28.2s+1)^4，Kc=0.34，TI=60，TD=28，進(jìn)行SIMULINK仿真如下：圖4-5MATLAB下的SIMULINK仿真給系統(tǒng)加一個(gè)階躍信號(hào)，數(shù)值540。在系統(tǒng)平衡之后，分別加入如圖4-5的兩次干擾，在采樣1000單位時(shí)間處加入導(dǎo)前區(qū)的內(nèi)干擾，在采樣1500單位時(shí)間處，引入一個(gè)外干擾，系統(tǒng)響應(yīng)如下圖4-6：圖4-6系統(tǒng)響應(yīng)仿真由圖4-6知，控制系統(tǒng)具有良好的快速性和穩(wěn)定性，在受到外界干擾的影響下，能夠迅速作出反應(yīng)，并能夠達(dá)到之前的穩(wěn)定狀態(tài)。此系統(tǒng)可在不同負(fù)荷率下，均能達(dá)到理想的穩(wěn)定狀態(tài)。4.2再熱汽溫控制系統(tǒng)4.2.1再熱汽溫控制系統(tǒng)的任務(wù)對(duì)于大容量、高參數(shù)機(jī)組，為了提高機(jī)組的循環(huán)熱效率，防止汽輪機(jī)末級(jí)帶水，需采用中間再熱系統(tǒng)，新蒸汽經(jīng)過(guò)高壓缸做功后，被加熱后的再熱蒸汽推動(dòng)中低壓缸做功。理論上，只有當(dāng)附加的再熱循環(huán)熱效率高于附加前郎肯循環(huán)熱效率時(shí)，具有再熱系統(tǒng)的循環(huán)熱效率才會(huì)提高。因而保證汽輪機(jī)末級(jí)蒸汽干度是使用再熱器的根本原因。再熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)的任務(wù)是將再熱蒸汽溫度控制在某個(gè)定值上。此外在低負(fù)荷時(shí)或者機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)，以至汽輪機(jī)跳閘時(shí)，保護(hù)再熱器不超溫，以保證機(jī)組安全運(yùn)行。4.2.2再熱汽溫的控制手段及控制系統(tǒng)再熱汽溫控制一般以煙氣控制方式為主?？刹捎脽煔饪刂品椒ㄓ校嚎刂茻煔鈸醢宓奈恢?，采用煙氣再循環(huán)，也可以通過(guò)改變擺動(dòng)燃燒器的傾角來(lái)控制再熱汽溫。上述各種再熱汽溫控制方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，但就可靠性、滯后時(shí)間、對(duì)其他參數(shù)的影響、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性等技術(shù)指標(biāo)而言，改變煙氣擋板位置和調(diào)整燃燒器傾角的方法優(yōu)于其他方法。圖4-7煙氣擋板再熱汽溫控制系統(tǒng)的原理圖作為煙氣擋板控制或調(diào)整燃燒器傾角控制的輔助控制手段，是微量噴水或事故噴水減溫方法。當(dāng)用煙氣擋板或者調(diào)整燃燒器傾角不能將再熱汽溫控制住，在再熱汽溫高過(guò)一定值時(shí)，則通過(guò)噴水快速降低再熱汽溫。由于采用減溫水控制再熱汽溫會(huì)降低機(jī)組的循環(huán)熱效率，因此不宜作為再熱汽溫的主要控制手段。煙氣擋板再熱汽溫控制系統(tǒng)的工作原理：再熱汽溫作為主信號(hào)(被調(diào)量)，左側(cè)通過(guò)加法器，調(diào)節(jié)器去調(diào)節(jié)煙氣擋板，右側(cè)去調(diào)節(jié)噴水。正常時(shí)主要靠煙氣擋板來(lái)調(diào)節(jié)再熱汽溫，兩個(gè)函數(shù)發(fā)生器用以修正擋板的非線性，反相器是用以使兩個(gè)擋板反向動(dòng)作(即一開(kāi)一關(guān))。煙氣擋板再熱汽溫控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的原理如圖4-7所示，正常情況下，再熱汽溫的定值是主蒸汽流量的函數(shù)，考慮到低負(fù)荷時(shí)，擋板難以將再熱汽溫維持在較高溫度（例如540℃），因而保證一定的過(guò)熱度的情況下，