过热汽温控制课程设计(共27页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上目录概述 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -1中英文摘要 - - - - - - - - - - - - - - - - - -3第一章 绪论 - - - - - - - - - - - - - - - - -51.1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 - - - - - - - - - - - - - -82.1 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、 - - - -153.1 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 - - - - - - - - - - -284.1课程设计总结4.2体会结束语 - - - - - - - - - - - - - - - - - - -31 参考文献 - - - - - - - - - - - - - - - - - -32 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

3、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

4、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、大延迟特性之外，往往表现出一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

5、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。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

6、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，炉膛负压等。在设备运行中这些参数要经常

7、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。 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(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)控制执行器调节阀的开度，改变流体的流量q

8、(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

9、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

10、过热器汽轮机高压缸再热器汽轮机中、低压缸 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

11、。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 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。 (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，

12、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

13、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。 (2) 保护过热器管壁温度不超过允许的工作温度。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

14、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

15、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

16、过热器管道的长度不断加长，延迟和惯性越来越大，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

17、的数值，然后送往汽轮机去做功。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。 图2-1过热汽温喷水减温系统示意图图中，为过热器出口蒸汽温度，它是控制系统的被调量；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

18、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。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

19、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

20、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

21、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

22、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

23、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。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：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

24、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

25、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为过热汽温串级控制系统。图中，和分别为温度变送器的斜率，为减温器后汽温，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号，过热器出口的汽温为输出信号。为了改善控制品质，系统中采用减温器出口处汽温,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，的反应显然要比过热器出口的汽温快很多。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

26、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

27、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G2(s)=T2(s)/ Wj(s)= K2/(1+ T2s)n2一般n2=12。惰性区的传递函数形式为 G2(s)=T1(s)/ T2(s)= K1/(1+ T1s)n1在现场往往是改变减温水流量来

28、获取蒸汽温度T1和蒸汽温度教师批阅：T2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T1的传递函数为GTWj(s)=T1(s)/ Wj(s)= K/(1+ Ts)n由G2(s)和GTWj(s)中的参数可获得惰性区的传递函数G1(s)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，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系统控制如此的被

29、控对象，则主汽温度根本无法满足被控对象的控制要求，控制品质也达不到要求。因此，我们可以取一个对减温水量变化反映快的中间点温度做为导前信号，再增加一个PID控制器组成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

30、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；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

31、因素，而操纵变量是克服干扰的影响，使控制系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：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(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

32、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：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副调节器的温度给定值，为负荷的函数；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

33、组态分析，主调节器5的偏差信号的形成图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。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）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

34、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选大值作为副调节器的被控参数11。副调节器的入口偏差信号为e1=11g-11+dQ/dt+d/dt式中，dQ/dt和d/dt分别为负荷和尾部烟道档板开度的微分信号

35、。图37副调节器的偏差信号回路当偏差为正时，则关小I级减温水阀开度1；反之，则开大减温水阀。过热度保护功能的组态：过热度的保护作用是针对I级减温水的最大量加以限制，从而防止屏式过热器的入口汽温低于该点压力下水蒸汽的饱和温度。其组态如图3-8，乘法器27的输出为相应汽包压力Pb下的屏式过热器入口蒸汽的饱和温度，再加上一个适当的过热度（由常数设定器28设定），与屏式过热器入口1相比较，获得的差值e0经大选器30限低值后（常数设定器29设定为0.0）得0，再与副调节回路的偏差信号e1在小选块6中进行比较，取小值输出去副调节器。这样就可限制屏式过热器入口温度不会低于相应的饱和温度，防止屏式过热器入口蒸

36、汽带水。图38过热度保护功能的组态常数设定器28取2030K(K为热力学温度单位符号：开尔文)。3.3 设计的论证3.3.1、假设系统参数: 根据网上搜查资料，找出一组传递函数进行论证：控制对象的导前区传递函数为：控制对象的导前区传递函数为：温度变送器的传递函数为：执行机构和调节阀的传递函数为： 3.3.2、主、副控制器的参数的整定：本设计的串级控制系统主调节器采用比例积分控制，副调节器采用比例控制。根据边界稳定法整定主、副控制器的参数，具体步骤如下： (1)先决定副调节器的比例带。方法如下：主、副回路全部投入闭环，主调节器的参数设置： 置于较大位置，T,T=0。副调节器的 置于较大位置，且T

37、,T=0。，而后将副调节器的比例带由大往小调，使副回路产生不衰减振荡，记下此时的 (临界比例带)，则副调节器的参数设置为： 根据此方法，可得出 =1/ =0.46,从而可以得到 = =0.32。(2)决定主调节器的参数。副调节器参数按步骤(1)整定好并投入后，主调节器此时仍在步骤(1)设置的位置上。闭合主、副回路逐渐减小 ，观察 ，使主回路产生不衰荡，记下此时的 和 ，则主调节器的参数设置为： ， 根据此方法，可得出 =0.45， =205.25。3.3.3、仿真与调试按照串级过热汽温自动控制系统原理方框图在MATLAB中组成系统仿真模型，并根据已知和计算后的参数对所设计的串级控制系统进行仿真

38、验证。通过计算出来的主、副调节器的参数并不是十分理想的，因此我们要对所计算出来的参数进行适当的修正，采用试探法对参数进行修正，最终可得以下仿真模型及阶跃响应曲线：图39过热汽温控制系统仿真模型 图310 过热汽温自动控制系统阶跃响应曲线根据图的仿真曲线可知，在阶跃的输入下，响应有较小的超调量、稳态误差和较短的调节时间。为了精确地确定超调量和调节时间，本设计利用Matlab编程对其进行求取。计算控制品质的Matlab源程序l t=0:0.025:1500; %定义时间序列%求取超调量 C = 0.9; Y,k=max(simout); percentovershoot=100*(Y-C)/C;

39、%求取调节时间 i=length(t); while(simout(i)0.95*C)&(simout(i)1.05*C) i=i-1; endsetllingtime=t(i);运行结果：图310 过热汽温自动控制系统实验数据可得出超调量为1.51%，调节时间为281.5s，符合本次设计的要求。3.4 控制系统的切换 控制系统转换为手动切换的一般原则是：(1)测量信号出现问题；(2)控制偏差大；(3)调节机构出现问题；(4)设备的一些问题；此次设计中I级减温控制系统转换为手动切换的条件是：(1)导前蒸汽温度信号故障(2)蒸汽温度信号故障(3)蒸汽流量信号故障(4)温度设定值与实际值偏差大(5

40、)调节阀控制指令与反馈偏差大(6)主燃料跳闸（MFT）；(7)汽机跳闸；(8)锅炉负荷低于20%。当出现上述条件之一时，切换器切向NO,强制手动控制第四章 课程设计总结及体会4.1课程设计总结控制策略的总结：后屏过热器出口蒸汽温度设定值是随负荷而变化的，其设定值的理想形式与末级过热器的蒸汽流量扰动下的蒸汽温度特性相反，即蒸汽流量增加温度设定值下降。这样既可避免一级减温水流量在锅炉高负荷时大幅度减少，合理分配一、二级减温水流量；又因为蒸汽温度随蒸汽流量增加而下降，从而使末级过热器入口蒸汽温度下降，抑止了蒸汽流量的增加而使末级过热器出口蒸汽温度上升的趋势，使蒸汽流量对锅炉的出口蒸汽温度影响减少。全

41、文总结：由于过热蒸汽温度过高或过低都会显著的影响电厂的安全性和经济性。而随着电力行业的改革与发展，对机组运行的经济性和安全性要求越来越高。同时由于过热汽温对象的动态特性较差，延迟和滞后比较大，在机组变负荷调峰运行时，汽温控制的难度加大。为了消除这一不利因素，可利用串级控制系统过热汽温进行控制。本文的前两部分介绍了过热汽温调节的任务、过热汽温控制的难点、过热汽温对象的特性，并提出利用串级控制系统对汽温进行调节的必要性。第三部分是本文的主要部分，介绍了过热汽温串级控制系统的控制方案；具体的设计内容；组态的分析；设计的可行性论证；画出了系统原理图和SAMA图。同时还对系统的无扰动切换进行了论述。根据

42、以上完成设计的工作，通过设计锅炉过热汽温仪表控制系统可以得到以下结论：针对过热汽温对象的动态特性较差，延迟和滞后比较大的特点，本设计利用串级控制系统对其进行控制，并利用Simulink的仿真平台验证了本设计的串级控制系统具有良好的控制性能，且符合本次设计要求。4.2体会此次过热蒸汽温度控制系统的设计，巩固了我们所学的热工测量与控制仪表的知识，使我对热工控制的方法与原理有了深入的了解。作为电厂常用的过热汽温控制系统之一的串级控制系统，对它的设计直接影响到整个过热汽温控制的品质，因此，串级控制系统的设计和相关参数的精确计算是至关重要的。经过这次课程设计，我进一步了解了仪表控制系统的原理，串级控制系

43、统设计。对PID控制也有了深刻的了解和认识，学会了对过程控制系统的动态仿真以及用CAD软件对控制系统的示意图、SAMA图、组态图等进行绘制，并灵活运用MATLAB程序对控制系统进行论证。本次课程设计要求我们广泛地查阅文献资料，以对此次的课程设计有更全面的了解，从而使得对过热汽温控制系统的设计更有理有据。因此，我将已经被束之高阁的一些书籍重新找出，认真阅读，从中不仅查找到了设计中需要的知识点，还发现了一些以前学习中忽略了的知识。灵活地运用MATLAB程序对系统进行仿真、计算、分析，以提高运算速度与精度。在计算期间，我也深刻地体会到了严谨和细心的重要性，一旦计算的某一个环节出错，几乎就要从头再来，

44、这是本次课程设计中我认为最大的一个挑战。巧妙地运用WORD对文档进行排版，使文档整洁美观；精确地使用CAD对控制系统的示意图、SAMA图等进行绘制等多方面技能的综合运用。也正是大学生综合素质与技能的体现。在做本次课程设计之前，我一直以为自己的理论知识学的很好了。但当我拿到设计任务书的时候，有一种懵懂的感觉，不知如何下手。开始着手时又总是被一些小的、细的问题挡住了前进的步伐，让我总是要花费很长时间来解决这些问题。最后查阅其他书籍才能找出解决的办法。并且我在做设计的过程中发现有很多东西，我都还不知道。其实在做设计的时候，基础是一个不可缺少的知识，但是往往一些核心的高层次的东西更是不可或缺。通过这些

45、天的课程设计，我对锅炉过热汽温自动控制系统的设计有了更加系统、全面、深刻的了解与掌握，进一步提高了我的动手能力，以及如何充分利用身边的资源去处理实际问题的能力。同时在这次课程设计中我也学到了在大学课堂中学不到的东西，让我深刻地感受到了理论与实践相结合的重要性，认识到了自己在实际的工程能力上还有很大的不足，但是，我也看到了自己在这次课程设计中的成长和进步，因此我相信，通过不断的训练和磨砺，自己的能力和水平会更上一层楼。本次课程设计将会是我走向工作岗位的一块跳板。结束语光阴似箭，岁月如梭。大四阶段的学习生活仿佛才刚刚开始，但现在就要结束了，而这次课程设计就是其结束的标志。回想这四年，点点滴滴不禁浮

46、现在眼前整洁优美的校园、年轻有为的老师、团结奋进的集体、朝气蓬勃的组员，所有这一切都将使我终生难忘。首先，特别感谢王老师对我们耐心指导和严格要求，是老师的悉心指导和新颖的育才手段让我们顺利地完成了本次课程设计的任务，同时也是老师您的严格要求让我们在本次课程设计中学到新的知识和提高自主学习能力。同时也感谢王老师在控制仪表的课程中对我们的严格要求，让我们很好的掌握控制仪表的知识。祝愿老师阖家幸福安康，事业更加辉煌成功。一个人的成长和进步，离不开其所在的集体。我为我能够在这样一个朝气蓬勃、团结自主的小组里学习和工作而感到由衷的幸运和高兴。感谢全体组员，在课程设计中积极探讨和分工合作。也感谢上一届的学长学姐们，在以前的课程设计中所做的工作，这些工作为我们小组提供了借鉴和参考。参考文献：1 祝凌风. 电站锅炉过热汽温控制策略的改进研究. 华中科技大学硕士学位论文.20052 阮刚. 锅炉过热蒸汽温度控制新策略动态仿真研究. 华中科技大学硕士学位论文.20