3ooMW火力发电机组过热汽温仪表控制系统设计解析.docx

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1、锅炉过热气温仪表控制系统设计本文是针对锅炉过热蒸汽温度控制进行的分析和设计。而对炉温过热蒸汽 的良好控制是保证系统输出蒸汽温度稳定的前提，所以本设计采用串级控制系 统，能克服时滞和惯性较大的过程动态特性，可以极大的消除控制系统工作过 程中的各种干扰因素，使系统能在一个较为良好，较为稳定的状态下工作，同 时使锅炉过热器出口蒸汽温度在允许的范围内变化，并保护过热器管壁温度不 超过允许的工作温度。本设计用到的串级控制系统中，主对象为送入负荷设备的出口蒸汽温度，副对象为减温器 和过热器之间的蒸汽温度。通过控制减温水的流量来达到实现控制过热蒸汽温度的目的。 仿真实实验证明，改系统适用于中压型锅炉，也适用

2、于对现有自动化仪表系统进行改造， 而且在及时性、可靠性、自动化程度方面均有常规控制系统无法比较的优点。关键词：过热蒸汽蒸汽温度控制系统串级控制 仿真过热蒸汽温度过高或过低，对锅炉运行及蒸汽用户设备都是不利 的，过热蒸汽温度过高，过热器容易损坏，汽轮机也会因内部过度的 膨胀而严重影响安全运行；过热蒸汽温度过低，一方面是设备的效率 降低，同时使汽轮机后几级的蒸汽湿度增加，引起叶片磨损，所以必 须把过热器出口蒸汽的温度控制在规定范围内。影响过热蒸汽温度的因素很多，其中主要的有：过热器是一个多 容且延迟较大的惯性环节，设备结构设计与控制要求存在一些矛盾， 各种扰动因素之间相互影响，如蒸汽量、燃烧工况、

3、锅炉给水温度、 进入过热蒸汽的热焰、流经过热器的烟气温度及流速的变化等。而对 各种不同的扰动，过热蒸汽温度的动态特性也各不相同。因此，过热 蒸汽温度控制的主要任务就是：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，从而保证蒸汽品质合格；保护过热器管壁温度不超过允许的工 作温度。本设计主要以控制减温水流量的变化来阐述对过热蒸汽温度的 自动调节。教师批阅:2过热蒸汽温度控制原理简介过热蒸汽温度控制系统采用两级喷水减温。这样做的目的有两 个，一是为了使汽温调节更灵敏，减小热惯性，而是为了保护过热器。 第一级喷水减温器布置在前屏过热器之后，调节量较大且调节惰性大, 用来调节因负荷、给

4、水温度和燃料性质变化而引起的汽温变化，为粗 调。另外，它还有保护屏式过热器受热面的作用。第二级喷水减温器 布置在高温对流过热器（末级过热器）之前，这一级热惯性小，可保 证出口蒸汽汽温能得到迅速调节。减温器共有四只，每级安装两只， 每只喷水量为每级水量的一半。减温水源自为自制冷凝水。目前，过热汽温的控制方案很多，而且随着自动控制技术和计算 机技术的不断发展，新的控制方法不断出现，汽温控制的质量也不断 提高。传统的汽温控制系统有两种：单回路控制系统和串级汽温控制 系统。2.1 控制方案的选择2.1.1 单回路控制方案在运行过程中，改变减温水流量，实际上是改变过热器出口蒸汽 的热焰，亦就是改变进口蒸

5、汽温度，如下图2.1所示。从动态特性上 看，这种调节方法是最不理想的，但由于设备简单，因此，应用较为 广泛。入口蒸汽过热器出;然汽温度(mJ LJ J减温水图2-1改变减温水量控制蒸汽温度系统减温器有表面式和喷水式两种。减温器应尽可能地安装在靠近蒸教师批阅:汽出口处，但一定要考虑过热器材料的安全问题，这样能够获得较好 的动态特性。但作为控制对象的过热器，由于管壁金属的热容量比较 大，使之有较大的热惯性。加上管道较长有一定的传递滞后，如果采 用下图所示的控制系统，调节器接受过热器出口蒸汽温度t变化后， 调节器才开始动作，去控制减温水流量肌 减温水流量W的变化又要 经过一段时间才能影响到蒸汽温度t

6、o这样，即使整个系统采用PID 算法，也既不能急躁发现扰动，又不能及时反映控制的效果，将使蒸 汽温度t发生不能允许的动态偏差。严重影响锅炉生产的安全和经济 运行。实际中过热蒸汽控制系统常采用减温水流量作为操纵变量，但由 于控制通道的时间常数及纯滞后均较大，组成单回路控制系统往往不 能满足生产的要求。因此，常采用串级控制系统，减温器出口温度为副参数，以提高对过热蒸汽温度的控制质量。2.1.2 串级控制方案过热器出口蒸汽温度串级控制系统的方框图如下图2. 2所示。图22过热蒸汽温度串级调节系统原理图采用两级调节器，这两级调节器串在一起，各有其特殊任务，调节阀 直接受调节器1的控制，而调节器1的给定

7、值受到调节器2的控制形教师批阅:成了特有的双闭环系统，由副调节器和减温器出口温度形成的闭环称 为副环。由主调节器和主信号一一出口蒸汽温度，形成的闭环称为主 环，可见副环是在主环之中。内回路由导前汽温变送器、副调节器、执行器、减温水调节阀及 减温器组成；外回路由主汽温对象、汽温变送器、主调节器及整个内 回路组成。由图可知，主调节器的输出即副调节器的给定，而副调节 器的输出直接送往调节阀。其中主调节器的给定值是一个定值，所以 主回路是一个定值控制系统。而副回路的给定值是由主调节器的输出 给定的，所以它随主调节器输出的变化而变化，为一个随动控制系统。系统中以减温器的喷水作为控制手段，通过减温水的控制

8、达到控 制蒸汽温度的效果。由于汽温对象具有较大的延迟和惯性，主调节器 多采用PID控制规律，副调节器采用PI或P控制规律。在主、付调节 器均具有PI控制规律的情况下，当系统达到稳定时，主、副调节器的 输入偏差均为零。从而提高了整个系统的准确度和实用性。再者，在串级控制系统中，两个调节器串联工作，但是以主调节 为主导，保证主变量为目的，在整个控制过程两个调节器协调一致， 相互配合，若干扰来自副回路，副调节器首先进行粗调，主调节器再 进一步进行细调。相对于过于简单的单回路控制系统，串级控制系统 的控制质量明显优越。具体体现在：(1)由于副回路的存在，减少了控制对象的时间常数，缩短了 控制通道，使控

9、制作用更加明显；(2)在一定程度上提高了系统的工作频率，是振荡周期明显缩 短，调节时间也有一定程度上的缩短，系统的快速性相对增强了；(3整个控制系统对二次干扰，既包括在副回路范围内的扰动, 具有很强的克服能力，这是单回路控制系统所不能实现的；(4对负荷或操作条件的变化有一定的自适能力。综上所述，相比之下，串级控制系统更适应锅炉蒸汽温度的控制。2. 2串级控制方案论证串级控制是随着工业的发展，新工艺不断出现，生产过程日趋 强化，对产品质量要求越来越高，简单控制系统已不能满足工艺要求 的情况下产生的。教师批阅:主攵4Bl 2-3 方框图由上图2.3可知，主控制器的输出即副控制器的给定，而副控 制器

10、的输出直接送往控制阀。主控制器的给定值是由工艺规定的，是 一个定制，因此，主环是一个定值控制系统；而副环控制器的给定值 是由主控制器的输出提供的，它随主控制器输出变化而变化，因此， 副环是一个随动控制系统。一般来说，一个设计合理的串级控制系统，当干扰从副回路进 入时，其最大偏差会减小到控制系统的0.01-0.1,即便是干扰从主 回路进入，最大偏差也会缩小到单回路控制系统的0.20.3。但是， 如果串级控制系统设计得不合理，其优越性就不能够充分体现。因此, 串级控制系统的设计合理性十分重要。3过热蒸汽温度控制系统的设计3. 1汽温控制对象的实验建模3.1.1 控制系统的数学建模描述自动控制系统及

11、子系统的输入输出变量之间静态或动态关系的数学表 达式或图表成为控制系统的数学模型。统的数学模型关系到整个系统的分析和研 究，建立合理的数学模型是自动控制系统分析中最重要的环节。建立数学模型有两种基本方法：一种是分析系统各部分静态关系和动态机理，根据这些机理分别写出描述各部分和运动机理的代数方程及微分方程，将它 们合在一起组成描述整个系统的方程。这种方法成为机理分析建模方法；另一种 方法是人为地给系统输入某种测试信号(例如阶跃信号)，并记录系统的输出响 应数据，然后根据这些数据拟合出系统的数学模型，这种方法称为实验建模方法。 在实验建模过程中，有时连测试的信号也可以不加，直接记录系统运动时各变量

12、 的实际运动(输入、输出信号的动态数据)，从而建立系统的数学模型。实验建 模方法又称为系统辨识方法。系统辨识方法主要用于系统的运动机理比较复杂而 不便于分析或不可能分析的情况。由于过热汽温的控制的运动机理比较复杂因此 采用实验建模方法。3.1.2 单位阶跃响应曲线3.1. 2.1用矩形脉冲响应特性测取对象模型当控制对象在受到一定阶跃扰动(例如10%-15%)时，若被控对象的变化将 超出允许的变化范围，这种情况宜施加矩形脉冲扰动进行实验。有自平衡对象的矩形脉冲响应曲线，如图3-1 (a)所示。由于扰动量。在时刻“以后消失，所 以被控制量y最终将回到起始值。无自平衡对象的矩形脉冲响应曲线如图3-1

13、 (b) 所示。由于对象存在积分作用， ”所以被控量稳定在某个新的数值。五图31矩形脉冲响应曲线(a)有自平衡对象(b)无自平衡对象矩形脉冲响应特性曲线的实验方法步骤与阶跃响应特性实验基本相同。但要 注意两点：一是要适当选择矩形脉冲的幅值和宽度。矩形脉冲幅值可以比阶跃信 号取得大一些，可取额定值的20%-30吼矩形脉冲信号的宽度过大过小都不好。图3-2矩形脉冲信号与阶跃信 号的关系过大容易引起被控量的变化超出允许值；过小，被控量变化小，降低测试精度。 一般在实验前通过试探方法选定脉冲幅值和宽度。二是实验结束时，要使扰动量 真正恢复到扰动前的数值，否则被控量不能变化到应有的平衡状态，造成测试误

14、差。由矩形脉冲响应曲线能简便地画出阶跃响应曲线。说明如下：一个脉冲宽度为a、幅值为了。的矩形脉冲，可以看成由幅值相等、方向相反 而在时间上相差a的两个阶跃信号所组成，如图3-2所示。阶跃信号l2可看做阶跃信号与的反向迟延环节，迟延时间为旬于是矩形脉冲x(t)可表示为：%Q) = F (0+% =%1 一%1Q式中 x2 (t) = -Xj (t - a)(3-1)由矩形脉冲扰动引起的矩形脉冲响应y(t)也可看作是由两部分构成的：由 X1 (?)的阶跃响应口和2的阶跃响应当(歹)叠加而成，即式中为=一，一。)或yQ) = y) + y。)(3-2)式(32)说明，由矩形脉冲响应y(t)与一个迟延

15、a后的阶跃响应yQ-a) 叠加便可得到阶跃响应必。具体求法可以分段进行，逐段向后推进。先将时 间轴按a等分为若干等分图33 (a)。注意到前一段的y (La),再按式(3 -2)叠加，便可得出后一段的y(a)。如此向后推进。下面取几个点说明图3 一3 (a):11图33由矩形脉冲响应画出阶跃响应曲线(a)有自平衡对象(b)无电平衡对象t=a 时，M() = M)，即阶跃响应与矩形脉冲响应重合，由此确定了 y的第一点lo在t=2a时，y (2a) = (2。) +%()，由此确定了以的第二点2。在t=3a时、y (3) = y(3) + y (2)，由此确定了必的第三点3。如此后推，直到把y的点

16、全部求出。用同样方法，可以依据无自平衡对象的矩形脉冲响应yQ)画出其阶跃响应 %。如图33 (b)所示。最后指出，倘若在做阶跃响应特性实验时，被控量 的变化超出了允许范围，这时应立即取消扰动量，但实验记录可继续进行，所得 的被控量变化曲线实际上就是矩形脉冲响应曲线。用上述方法便可画出阶跃响应 曲线。3. 1. 2. 2实验阶跃响应曲线的测取由实验测得导前区数据如表(3-1)表3-1T153045607590105120y01.26732.53213.66754.52465.10825.26455.70440.27560.99171.26481.13540.85710.58360.15630.4

17、39912由上述数据用描点法作出导前区的阶跃响应曲线如图3-4o 由实验测得控制通道数据如表（3-2）表3-2t4282126168210252294336一必（,一。）04.11817.81119.21099.78919.95029.98929.9978y)0.62133.49683.69331.39980.57820.16110.03910.0086由上述数据用描点法作出控制通道的阶跃响应曲线如图3-5所示。控制对象传递函数求取3. 1. 3.1导前区及控制通道的传递函数图2-4表示在减温水量控制阀开度阶跃关小下，由试验得出的导前汽温。2与主汽温4的响应特性。可以看出，对象导前区和对象控制

18、通道的动态特性 都是有惯性、有自平衡的。导前区的惯性较小，而控制通道的惯性较大。从图上13图3-5控制通道阶跃响应曲线可求导前区的参数人、匕2、3及控制通道的参数7、T（, Ko 一般u二3060s, Tc=40100so过热汽温对象的导前区W血（s）及控制通道必（s）的传递函数可表示为：%2(S) =2(S)= K?M(S) 一 (1 + 7S)2K二一aM(S)K?(1 + 75)(34)根据从阶跃响应曲线上得到的r、T由表（1-1）可得出上述传递函数中的 时间常数72及丁、阶数 2及。传递函数中的K2及K及为从图1-3中求出的 K 2及 K。惯性区传递的传递函数在分析、整定过热汽温控制系

19、统时，常需要知道汽温对象惯性区的传递函数 Wm（s）,但惯性区的阶跃响应特性不能直接从现场试验求得，因为无法施加一个导前汽温名的阶跃扰动。因此，对象惯性区的传递函数Wm（s）只能用计算法 求出。对象惯性区的传递函数Wg（s）可表示为Wobl (s)=d(s)。2)%（S）K(1 +3户(3-5)(3-6)利用级数展开并取低阶项系数相等，可求出式（3-5）中的、和二项展开式为：（1 + 1 + nx H- %? +., （- 生/+.%”（3-7）2K!式中 K=0, 1, 2,；=1, 2,。将式（3-5）按式（3-7）的形式展开，并舍去s2项以后的项，得W .“（s）=K| （l + 7s）

20、=* + ：（/+1）*2/ （3-8）为解出如、T,需在列写一个方程式。将式（3-6）的右端也按式（3-8）的形式展开，并舍去S2项以后项后：14课题研究背景及发展火电厂中汽温控制系统是锅炉的重要控制系统之一。汽温控制的质量直接影 响到机组的安全与经济运行。蒸汽温过高，会引起锅炉和汽轮机金属材料的超温 过热，加速金属的氧化，降低材料的使用寿命；而汽温过低会降低热力循环的效 率，同时使汽轮机末级叶片处的湿度增加，对叶片侵蚀作用增强，影响汽轮机安 全运行。火电厂在额定功率运行时通常规定允许主汽温偏离额定值的范围为 -10+5,然而影响主汽温变化的因素很多，主要有锅炉负荷、炉膛过量空气 系数、给水

21、温度、燃料性质、受热面污染情况和燃烧器的运行方式等；且主汽温 被控对象本身具有大迟延、大惯性和时变特性。因此，这些因素使得常规控制方 法的控制性能指标不够理想。为此，人们一直试图利用改变一些对生产过程影响 的种种扰动，以控制目标值的恒定，串级控制系统孕育而生。以前锅炉系统比较简单，单回路的控制系统基本上可以满足控制要求。但 是随着科技的发展，国家经济的腾飞，各种高科技技术开始应用于电厂锅炉。锅 炉系统也变的越来越复杂，原来的单回路的控制方式，已经远远不能满足控制要 求了。而在控制过程中，当单回路控制系统不能满足控制系统的性能要求时，需 要采用功能更完善的多回路控制系统或其他复杂的控制系统来完成

22、。因此过热蒸 汽的汽温控制是十分重要的。叫-2K(1 + 4S) K2(+TS)nK K?1 + 2 为 S H (叼-1)与2 S 2：1一TS + g(n + l)T2s2-(nT- n2T2)sK2 +-2/177 + 2(4 -1)T； + 几( +12s、2对比式（3-7）与式（3-8）,s项的系数应相等，即n(Tx - nT -n2T2nT-n.T1 i =-I(3-10)(3-9)s2项的系数也应相等，即n (% +1)72 = -2nTn2T2 + n2 (n2 -1)72 + nn + 1)T2(3-11)由式（3-9）、式（3-10）得:(3-12)按上式算出Ki后，便确定

23、了对象惯性区的传递函数若用乘积nT表示对象惯性的大小，则当 7=3272时，即控制通道的惯性远大于对象导前区的传递函数W（S）可写为:%S)K、(1+rsy(3-13)式中，分母为控制通道传递函数W,（s）的分母见式（3-4）,而分子仍用15惯性区的K 。这时，可省去。惯性区传递的传递函数热生产过程常含有热交换，蒸发等过程，因此控制对象常具有多容惯性的特 征，其传递函数可以表示为：叱必(S) =K(1 + 75)式中特性参数T、n、K都可以从阶跃响应曲线上求得。常用的有两种方法：切线法和两点法。运用两种方法均可以求出上式中的特性参数T、 n、K但运用切线法时要通过阶跃响应曲线的拐点作切线。由于

24、切点位置和切线斜率不易准确确定，因而得出的c、7；值就可能因人而异，出现不同程度的误差。这是切线的缺点。如果能在阶跃响应上适当地选取两点，根据这两点的数据来确 定传递函数分母中的T、n,而值K按式K = 求出，这样就可校正确的写出 Ax0所求的近似传递函数。两点法是在阶跃响应曲线上找到y(，i) = 0.4y(oo)和y(/2)= 0.8y(oc)两点，并读出这两点对应的时间4、右如图19所示。然后按下面介绍的近似关系求传递 函数中的参数n、T、Ko(1)1.075-12+ 0.5(3-14)计算阶数n。为简便把(3-2)给列成表3-3供查用。表3-3n123456789101214th0.3

25、20.460.530.580.620.650.670.6850.700.710.7350.75(2) .C x 1 +”2(3-15)2.16求To(3) K值按式K = 计算。 %由表3-3看出，4儿=0.32口寸，是一阶惯性环节。乙=。%时是二阶惯性环节。16(3-16)当0.3242361s2+38$ + 1+二=0上式与1+2勿+比=0比较,可得从上两式解出(3-19)设内回路的整定指标取 二09,对应的阻尼比 二0344, m = 0,366,则由式（3-19）算出副控制器的比例度2为:=0.161如果用近似计算法整定，由表知，当 =2时，1=0.104,当时，3 _1 .二=.2/

26、7.45=0.161 P Tc3. 3. 3. 2主控制器的参数整定内回路整定好后，可看成一个快速随动回路，近似等效为一比例环节w(、51% 2(s) =K (s) %对象惯性区传递函数中的参数（、小、（可得:T U2fz25x182_2x1527? =h 21nT n2T25x18-2x15241生产工艺概述11.1 锅炉生产工艺介绍11.2 过热器的介绍21.3 过热器出口蒸汽温度的干扰因素31.4 蒸汽过热系统的控制42过热蒸汽温度控制原理简介52.1 控制方案的选择52.1.1 单回路控制方案52.1.2 串级控制方案62.2 串级控制方案论证73过热蒸汽温度控制系统的设计83.1 汽

27、温控制对象的实验建模81. 1.1控制系统的数学建模 83. 1.2单位阶跃响应曲线 94. 1.3控制对象传递函数95. 2串级控制系统的设计和调节器选型9主、副回路的设计原则 93. 2. 2主、副调节器的选型93. 3串级汽温控制系统的整定9.3.1当串级汽温控制系统中内、外回路的工作频率相差大时整定103. 3.1当串级汽温控制系统中内、外回路的工作频率相差大时整定103. 4控制仪表的选择10温度变送器的选择103. 4. 2温度传感器的选择11_ (nT”了 _ (5x18 2x15)2nT2-n 5x182-2x152K 8 =1K2 8o 4 = 0.218 1力=3.695按

28、巧=3查表得/, /A% 0.2按近似计算法整定：/ 时，0.082,612；p 工+ 0 60.218+0.6TiX = 0.87；, = 0.8 x 3.659 x 6.4 x 21(5)则主控制器的传递函数为:% =（）3611 + 215副控制器的传递函数为：wcl=c2 0.1613. 4控制仪表的选择3. 4.1温度变送器的选择温度变送器可分为电动和气动，常用的控制仪表有电动n型、 ni型。在串级系统中，选用的仪表不同，具体的实施方案也不同。 电动II型和电动iii型仪表就其功能而言是基本上相同的，但是就其控 制信号而言是存在差异的。具体表现在：电动n型的典型控制信号为 0lOmA

29、DC,电动HI型的典型控制信号为420mDAC。另外,与II型教师批阅:仪表相比ni型仪表操作、维护更为方便、简捷，同时ni型仪表还有25 较完善的跟踪、保持电路，使得手动切换更为方便，随时都可以进 行转换，而且保证无干扰。综上所述，在本设计中需选用电动ni型仪表。3. 4. 2温度传感器的选择温度传感器有热电偶和热电阻两种。在本设计中，最好选用热 电偶温度传感器。原因在于热电偶的测温范围广(-2001300, 特殊情况下-2702800),耐高温，精度高，结构简单，更换方 便，压簧式感温元件，抗震性能好，可以将热信号转变为电信号， 用所产生的热电势测量温度。具体采用K型热电偶，原因在于：(1

30、) K型热电偶可以直接测量各种生产中从0到1300范围 的液体蒸汽和气体介质以及固体的表面温度。12K型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度高，稳 定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜等优点，能用于氧化 性惰性气氛中。教师批阅:4控制系统的分析及流程图由电动HI型仪表构成的串级控制系统的基本方案有如下两种:图4-1用电动IH型仪表组成的串级控制系统方框图-26该方案中采用了两台控制器，主、副变量通过一台双笔记录 仪进行记录。由于副控制器输出的是电流信号，而控制阀只能接受 0. 020. IMPa气压信号，所以在副控制器与控制阀之间设置了一 个电气转化器。图4-2用电动HI型仪表组成的主

31、控-串级控制系统方框图一该方案较于上一方案多设置了一个主控-串级控制切换开关，可 以根据不同情况使控制系统工作于主控制方式和串级控制方式下。在本设计中采用第二种方式可以使控制系统更好的工作，得 到更稳定的控制输出。教师批阅:27（b）图4-3直接喷水减温系统，（a）直接喷水减温系统示意图；（b）对象框图Goi（S）=仇（S）%（s）G（）2（S）=%。）叫（s）G（s） =婴! GozWGo/s） 明（s）式中0 2导前汽温0 1过热器出口汽温w 0减温喷水量教师批阅:串级汽温调节系统构成及原理:28WX/Wo图4-4串级汽温调节系统原理图图4-5串级汽温调节系统原理图，GO咐一导前区对象传递函数；001($厂中性区对象传递函数；81和I82Tg度81和 82的变送器系数；Kl执行机构传递系数；KU喷水调门传递系数；W8 1一调节作 用下减温水量；w81一扰动作用下减温水量；.we 总减温水量，we=wei+we2.内回路动作时，外回路可以视为开路状态；当外回路动作时，内 回路可视为快速随动系统。如果符合以上条件，则串级汽温调节系统 可以采取内、外回路分别整定的方法进行整定。一般nT23n2T2成立 时即可认为内回路为快速随动系统。教师批阅:(1)内回路分析设副调节器选用比例调节规律：G(s)29G(s)二就 vy021 + G02（s）G（s）KzK3此时可将除G02(s