锅炉过热串级控制系统设计.docx

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锅炉过热串级控制系统设计

第1章绪论

在现代火力发电厂的热工过程控制系统中，锅炉过热器出口温度（主汽温）对整个电厂的效率和安全具有十分重要的作用，是锅炉的主要参数之一，对电厂的安全经济运行有重大影响。

主汽温偏高，会使过热器和汽轮机高压缸承受过高的热应力而损坏，从而威胁机组的安全运行；主汽温偏低，则会降低机组的热效率，影响机组运行的经济性。

同时，主汽温偏低会使蒸汽的含水量增加，从而缩短汽轮机叶片的使用寿命。

因此，必须将主蒸汽温度严格控制在给定值附近。

若温度过高，过热器和高压锅炉会被损坏，若温度过低，电厂的效率会被降低。

过热器内部温度变化也要很好的抑制，否则，剧烈的温度变化会引起较大的机械压力，可能会引起锅炉破裂，从而会减少加热系统单元的生命并且增加维护费用。

因此合理控制主汽温对保证电厂的安全经济运行有重大影响。

 在实际中，由于过热汽温系统具有大迟滞，大惯性，对象具有明显的滞后性线性，时变性等特点，并且具有温度波动允许范围小，模型失配，参数不确定等素，控制主汽温并不是一件容易的工作。

国内电厂在这方面还有很多工作要做，例如我国刚开始刚引进的300MW，600MW的大型机组时，主蒸汽只有一级喷水减温器作为调温手段，由于我国热控自动化应用水平有限，导致主汽温经常失控，甚至超温。

到目前为止，锅炉生产厂家往往都采用至少两级喷水减温，降低控制难度来调节主汽温。

单回路调节系统（只有被调量一个反馈回路）虽然是一种最基本的最广泛的调节系统，但由于现场实际对象多半属于大迟延大惯性，用单回路调节系统性能指标很差，若调节质量要求较严时就无能为力了，采用传统的单回路控制难以达到控制要求。

因此，需要改进调节结构、增加辅助回路或添加其他环节，组成串级调节系统。

过热气温串级调节系统是火电厂最典型的调节系统，所以一般采用串级系统对生产流程加以控制。

串级控制系统是生产过程监视、控制技术发展和计算机与网络技术应用的产物，但它更是在过程工业发展对新型控制系统的强烈需要下产生的。

过程工业的生产组织形式大致经历了串级到集中的两个阶段。

早期的过程控制系统采用串级控制方式。

当时，控制装置安装在被控过程附近，而且每个控制贿赂豆油一个独立的控制器。

这些控制装置就地测量出过程变量的数值，并把它与给定值相比较而得到偏差值，然后按照一定的控制规律产生作用，通过执行机构去控制生产过程，运行人员串级在全厂的各处，分别管理着自己所负责的那一部分生产过程。

这种工串级控制方式适用于那些生产规模不太大、工艺过程不太复杂的企业。

我国在单元制机组出现以前，母管制火电机组的运行控制方式就是这种串级控制方式的典型代表。

现在，在大型单元机组中那些比较简单的过程控制领域仍然使用它们，如轴封压力、燃油压力、高低压加热器水位、输水箱水位的控制就常常采用这种类型的基地式调节器。

第2章串级控制系统的简介

2.1串级控制系统的产生

串级控制系统是以微处理器为基础，全面融合计算机技术、测量控制技术、网络数字通信技术、显示与人机界面技术而成的现代控制系统。

其主要特征在于串级控制和集中管理，即对生产过程进行集中监视、操作和管理，而控制则由不同的计算机控制装置去完成。

因此也有人将称之为串级控制系统。

串级控制系统已经在工业生产过程控制中迅速普与，广泛用于电力、石化、冶金、建材、制药等行业，成为过程控制系统的核心。

串级控制系统的应用大幅度地提高了生产过程的安全性、经济性、稳定性和可靠性。

2.2串级控制系统结构

串级控制系统是纵向分层、横向串级的大型综合控制系统。

它以多层计算机网络为依托，将串级在全厂范围内的各种控制、管理与决策功能。

一个串级控制系统中所有设备按功能可划分为网络通信子系统、过程控制子系统和人机接口子系统。

2.3串级控制系统的特点

串级控制系统是一种以微处理器为基础,应用网络通信技术、计算机技术、CRT显示技术与过程控制技术构成的新型控制系统。

PID的应用改变了热电厂传统的生产操作手段,降低了能耗,改善了劳动条件,为机组的安全、经济运行提供了可靠的保证。

与常规控制系统相比,具有以下特点:

1.功能分层体系

层次化体系特点,充分体现了集中操作管理、串级控制的思想,便于运行人员对机组综合信息的获得和操作,同时使控制系统的危险串级。

在热电厂的应用中,PID的功能体系一般由直接控制级（又称过程控制级）、过程管理级组成。

直接控制级直接与现场各类设备（如变送器、执行器、温度仪表等）连接,对现场数据进行采集、处理,并通过总线与过程管理级交换信息。

过程管理级主要包括监控计算机、操作站与工程师工作站。

它综合监视过程各点的信息,集中显示操作,进行控制回路修改、参数组态、优化过程处理等。

2.功能齐全,操作方便

PID可以提供多种显示画面,包括操作显示、成组显示、棒状图显示、趋势显示等,并可进行报警提示,操作指导,制表记录,历史数据存储和检索。

多层显示结构适合电站特点,便于运行人员对整个生产过程的监视和操作控制,通过计算机事件顺序记录和事故追忆,可迅速判断并处理事故,恢复运行,减少停机时间。

PID强大的软件功能,可以实现复杂的控制、保护功能,从而保证机组的安全、可靠运行。

同时,PID人机界面友好,运行人员可通过键盘、鼠标、轨迹球等多种输入设备,进行机组控制或系统组态、修改,而且,操作指令在短时间内便可得到执行。

3.可靠性高

从元器件选择、电路设计到系统配置、软件实现,PID都具有很高的可靠性。

在系统设计上广泛采用容错、冗余技术。

过程处理器、电源和通讯总线,一般冗余配置,单项故障不会影响系统运行;重要的输入、输出通道冗余设置,并分配在不同模件上;操作员站之间互为备用。

此外还具有软、硬件自诊断功能,并有故障报警提示,故障消除后可自动恢复工作,使设备的故障率大为降低。

4.扩展方便,组态灵活

目前的PID具有开放的操作系统,开放的网络结构,扩展方便,组态灵活、直观。

利用这些特点,在热电厂的扩建和改造中,可减少投资,缩短工期,大大节省工程成本。

5.增强了自动调节功能

PID采用先进的控制理论和控制策略,实现了常规仪表无法完成的复杂的自动调节,提高了主参数的控制精度和自动调节投入率,从而节约了能源,提高了热电厂的经济效益。

6.通信功能强

PID各站通过总线相连,系统内数据共享,并能与其他系统进行通讯、交换信息,可以节约大量控制电缆、一次元件、变送器等,并可减少备品配件的品种和数量,降低维护、管理的工作和费用。

热电厂中利用PID的通讯功能,在控制室内便可了解其他系统运行情况,便于快速、准确地协调整个生产过程的运行。

2.4串级控制系统控制方案

由如下串级控制系统方框图可知，主控制器的输出即副控制器的给定，而副控制器的输出直送往控制阀。

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。

串级控制系统中，两个控制器串联工作，以主控制器为主导，保证主变量稳定为目的，两个控制器协调一致，互相配合。

若干扰来自副环，副控制器首先进行“粗调”，主控制器再进一步进行“细调”。

因此控制质量优于简单控制系统。

图2—1串级控制系统方案图

第3章蒸汽温度控制系统

3.1主蒸汽温度控制对象

主蒸汽温度控制在火力发电厂控制系统安全和经济运行中起到重要作用。

主蒸汽温度（简称主汽温）自动控制的任务是维持过热器出口蒸汽温度在允许范围内，保护过热器，使管壁温度不超过允许的控制温度。

过热汽温调节系统如图3—1所示，通过喷水减温改变过热器人口温度θ1以与改变出口温度θ2，过热器分为惰性区和导前区。

主汽温是锅炉运行质量的重要指标之一，主汽温过高或过低都会显著地影响电厂的安全性和经济性。

图3—1过热汽温调节系统原理图

主汽温过高，可能造成过热器、蒸汽管道和汽轮机的高压部分金属损坏，因而主汽温的上限一般不超过额定值5K；主汽温过低，会降低全厂的热效率并影响汽轮机的安全运行，因而主汽温的下限一般不低于额定值10K。

主汽温控制系统本身具有一些特点。

首先，引起过热蒸汽温度变化的扰动因素很多，如蒸汽流量、火焰中心位置、燃烧工况、烟气温度和流速、炉膛受热面结焦、过热器积灰、减温水量等，都会使过热蒸汽温度发生变化。

其中，起主要作用的是蒸汽流量和减温水量。

过热汽温对象动态特性表现为大惯性、大迟延且有自平衡能力。

其次，主汽温对象动态特性随运行工况（主蒸汽流量、压力、温度）的变化而变化。

随着主蒸汽流量（负荷）的变化，主汽温对象特性变化明显，特别是惰性区的时间常数以与导前区的静态增益。

目前，从安全运行角度考虑，广泛采用喷水减温。

但此法使主汽温对象特性具有较大迟延和惯性。

3.3汽温调节对象的动态特性

大型锅炉的过热器一般布置在炉膛上部和高温烟道中,过热器往往分成多段,中间设置喷水减温器,减温水由锅炉给水系统供给,如图3-2所示。

影响过热器出口汽温θs的因素很多，有蒸汽流量、燃烧工况、锅炉给水温度、过热器入口蒸汽焓值、流经过热器的烟气温度、流量、流速、以与锅炉受热面的结渣、积灰、结垢情况等。

其中主要的影响因素是蒸汽流量、烟气传热量和减温水量，主要有以下三种扰动。

图3-2过热器分段喷水减温示意图

3.3.1蒸汽流量扰动

汽机负荷变化会引起蒸汽量的变化。

蒸汽量的变化将改变过热蒸汽和烟气之间的传热条件,导致汽温变化。

图2-3（a）是蒸汽流量扰动ΔD下过热蒸汽温度的响应曲线。

可以看到,温度响应具有自平衡特性,而且惯性和迟延都比较小。

这是因为蒸汽量变化时,沿过热器管道长度方向的各点温度几乎同时变化。

3.3.2.烟气侧传热量的扰动

燃料量增减,燃料种类的变化,送风量、吸风量的改变都将引起烟气流速和烟气温度的变化,从而改变了传热情况,导致过热器出口温度的变化。

由于烟气传热量的改变是沿着整个过热器长度方向上同时发生的,因此汽温变化的迟延很小,一般在10～20s之间。

它与蒸汽量扰动下的情况类似。

3.3.3喷水量扰动

应用喷水来控制蒸汽温度是目前广泛采用的一种方式。

对于这种控制方式,喷水量扰动就是基本扰动。

可以看出,过热器是具有分布参数的对象,可以把管内的蒸汽和金属管壁看作是无多个单容对象串联组成的多容对象。

当喷水量发生变化后,需要通过这些串联单容对象,最终引起出口蒸汽温度θs的变化。

因此,θs的响应有很大的迟延。

减温器离过热器出口越远,迟延越大。

第4章PID控制锅炉蒸汽温度

火电机组的汽温过程是典型的大时延，受控对象为多容、大惯性，且影响因素相当多，如蒸汽负荷、烟汽温度、减温水量、给水温度等，这就给气温调节带来很大的困难，因此将对象分为导前区和惰性区两部分,采用串级PID控制系统。

4.1主蒸汽温度的调节目标

锅炉主蒸汽温度是影响机组生产过程安全性和经济性的重要参数。

主蒸汽温度过高或过低都是生产过程所不允许的。

锅炉主蒸汽温度调节的任务有两项：

第一，维护过热器出口的汽温在允许范围内，使过热器管壁温度不超过允许的工作温度，汽温过高，将引起过热器、蒸汽管道以与汽轮机汽缸转子部分金属的强度降低，导致设备的损坏；汽温过低，则影响热力循环的效率，并使汽轮机末级蒸汽湿度过大，严重时还有可能产生水冲击，以致造成汽轮机叶片断裂损坏事故。

锅炉在运行中通常要求主蒸汽温度保持在540℃±5℃范围内。

第二，主蒸汽温度调节是通过两侧甲、乙侧进行调节，这样一方面能保证温度值的真实性和可靠性；另一方面能反映出两侧汽温的偏差并与时进行调整。

4.2串级PID控制策略

在系统的结构上，串级控制系统有两个闭合回路。

主、副控制器串联，主控制器的输出作为副控制器的给定值，系统通过副控制器的输出操纵控制阀动作，实现对主变量的定值控制。

所以在串级控制系统中，主回路是个定值控制系统，而副回路是个随动控制系统。

一般来说，在串级控制系统中，主变量是反映产品质量或生产过程运行情况的主要工艺参数。

控制系统设置的目的就在于稳定这一变量，使它等于工艺规定值。

所以，主变量的选择原则与简单控制系统的被控变量选择原则是一样的。

在串级控制系统中，副变量的引入往往是为了提高主变量的控制质量，它是基于主、副变量之间具有一定的内在关系而工作的。

因此，在主变量选定后，选择的副变量应与主变量有一定的关系。

在系统特性上，串级控制系统由于副回路的存在，改善了对象特性，使调节过程加快，具有超前控制作用，从而有效地克服滞后，提高控制质量。

因此，当对象的调节通道很长，容量滞后大或时间常数大，采用简单控制系统不能满足控制质量的要求时，可考虑采用串级控制系统。

4.3主汽温串级调节回路特点分析

主蒸汽温度调节的主要困难在于引起蒸汽温度变化的扰动因素很多，不容易控制。

如蒸汽流量、火焰中心位置、燃烧工况、烟汽温度和流速、炉膛受热面结焦和过热器积灰的变化等等，都会使主蒸汽温度发生变化。

其中起主要作用的是蒸汽流量和减温水流量两个方面。

由于被控对象（过热器通道）具有较大的延迟和惯性以与运行中要求有较小的温度控制偏差，所以采用单回路调节系统往往不能获得较好的调节品质。

针对主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选择一个比被调量反应快的中间点信号作为调节的补充反馈信号，以改善调节通道的动态特性，提高调节系统的控制品质。

第5章系统仿真

5.1主汽温串级控制系统的PID整定

串级控制系统中主副两个回路是彼此互相影响的，而副控制器的整定对主控制器的影响是一目了然的，因为副回路的特性本身就是主回路广义对象的一个组成部分。

主回路的特性对副回路的影响可以这么来考虑，即主控制器的输出本身就是副回路的设定值，当然对副回路的响应有影响。

如果主回路的工作频率相差很大，例如十倍以上，则对副回路而言在其控制过程中可以近似认为主回路还没有来得与反应，可以忽略主回路对副回路的影响，则控制器参数整定可以按由内而外的原则，分别独立按单回路系统控制器的参数整定方法整定。

它是一种先整定副环,后整定主环的方法,具体步骤是:

先整定副环。

在主、副环均闭合,主、副调节器都置于纯比例作用条件下,将主调节器的比例带δ放在100%处,按单回路整定法整定副环,这时得到副调节器的衰减率ψ=0.75时的比例带δ2s和副参数振荡周期T20。

整定主环。

主、副环仍然闭合,副调节器置于δ2s值上,用同样方法整定主调节器,得到主调节器在ψ=0.75下的比例带δ1s值和被调量的振荡周期T10。

依据上面两次整定得到的δ1s、δ2s和T10与T20,按所选调节器的类型,利用“衰减曲线法”的计算公式,分别求出调节器的整定参数值。

当然,按计算出来的整定参数进行投运,不一定能满足要求,仍需继续试验,适当修正,直到符合要求。

在MATLAB中进行参数整定。

在

=0.6，

=0.006，

=0.15，

=0时

系统输出响应曲线：

由图5-1可知，其中系统输出的衰减率ψ=4.7%，超调量σ=5%，调节时间Ts=1000s。

控制器调节较平缓。

控制器输出曲线：

图5-1控制器输出曲线

5.2分析主汽温串级控制的抗干扰能力

系统输出响应曲线如下：

图5-2加入扰动后系统输出响应曲线

由图可以看出，副回路是个快速回路，能很快消除作用于内回路的扰动。

此时

=0.6，

=0.06，

=0.2，

=0。

控制器输出曲线：

图5-3控制器输出响应曲线

对串级控制系统而言，它对二次扰动的抑制能力比对一次扰动的抑制能力更强，而且在系统的其他环节特性不变的情况下，副控制器的增益越大，则副回路的抗干扰能力越强，这点在设计串级控制系统时应该加以注意。

串级控制系统对动态过程的改善更为明显，一般认为对二次扰动的最大动态偏差可以减小几十倍，对一次扰动的最大动态偏差也可以减小几倍。

结论

基于锅炉汽温串级控制方法，设计了汽温串级控制系统。

用PID控制的控制方式对主汽温系统进行了仿真实验。

根据串级控制系统的特点，当对象的滞后和时间常数很大，干扰作用强而频繁，负荷变化大，简单控制系统满足不了要求时，使用串级控制系统是合适的，尤其是当主要干扰来自控制阀方面时，选择控制介质的流量或压力作为副变量来构成串级控制系统是很适宜的。

上述控制系统的仿真结果表明，本文所设计的控制系统具有较好的抗干扰性，并在一定程度上缓解了主汽温串级控制系统的大惯性大迟延的特性

致谢

衷心感谢老师对我的帮助和支持。

在我完成论文期间，特别是仿真实验阶段，遇到我所不能解决的问题时，都能与老师还有同学交流讨论，解除我的疑惑，指出我的错误。

正是有了老师与时而有效的帮助，才使我的论文能够顺利完成。

同时，也要真诚感谢我们小组的同学对我论文内容以与格式等等方面的帮助，我还要感谢我的同学朋友们，感谢你们在我有困难的时候向我伸出了援助之手，正是因为你们的鼓励和帮助，才是我在论文的写作中备感轻松，也让我有更多的时间和精力去研究那些未知的新事物。

未来的路还很长，而我们在一起的日子却有限了，在这即将离别日子里，提前祝愿你们在今后的人生里一帆风顺，事业有成。

参考文献

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