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火力发电厂热控自动调节系统之一 【基本概念】






由于用户对电能在质上的提高和量上的增加,电能做为特殊商品,发、供、用电必 须同时进行,发电机组的稳定运行越来越重要;由于用户的用电结构也在变化,使得电 网负荷的峰谷差加大, 发电机组要求有调峰能力, 对这种电网负荷指令的随时变化要求 能够快速稳定地响应;由于单元机组容量的逐步增大,机组的热工参数的提高,热工被 控对象变得越来越复

杂; 所有的这些, 都对火力发电厂热工自动控制提出了更新更高的 要求。 本书在介绍了自动调节系统控制理论的基础上, 以 300MW 火力发电单元机组为控制 对象,重点对机组的协调控制系统、燃烧控制系统、给水控制系统以及蒸汽温度控制系 统进行了讨论,内容包括的被控设备的工艺流程、控制系统的任务、被控对象的动态特 性和燃煤机组常用的几种控制策略,并对控制方案中的一些细节进行了剖析。 本书注重它的实用性和可操作性。 在自动调节系统基本控制理论的内容里, 介绍的 主要是从事热工控制专业工作人员所必须要掌握的内容, 而重点放在自动调节系统的现 场试验方法上, 如被控对象动态特性的试验获得方法、 阀门及风门挡板的特性试验方法、 自动调节系统的现场投运和整定方法等等, 有些试验方法是根据我们长年在现场进行相 关试验时的试验措施编写而成,具有很强的可操作性。在介绍协调、燃烧、给水和汽温 控制系统的章节里,所列举的系统结构、控制逻辑、直至系数设置和参数整定,大多是 在运行机组上的实例,具有参考价值。 本书注意了所述内容的通用性。 对同一控制对象而使用较为普偏的多种控制策略都 作了介绍和讨论, 并分析了各种控制策略的特点。 比如协调控制系统中的直接能量平衡 控制策略和间接能量平衡控制策略、 燃料控制系统中的燃料控制器指令调节磨煤机一次 风量和调节磨煤机的给煤机转速等等。 本书还注意到编写依据的实时性和先进性,以电力行业最新的标准、规程、导则、 要求和法规规定为依据编写而成。例如,在给水调节系统信号测量这一节中, 《防止电 力生产重大事故的二十五项重点要点》国电发[2000]589 号和《国家电力公司电站锅炉 汽包水位测量系统配置、安装和使用若干规定(试行) 》 【国电发(2001)795 号】作为 汽包水位补偿运算的依据;又如,在模拟量控制系统性能指标中,编写依据是 2001 年 国家经贸委颁布执行的《火力发电厂分散控制系统运行检修导则》 【DL/T774-2001】 ,

该导则针对单机容量 300MW 及以上采用分散控制系统(DCS)的火力发电机组而制定, 是目前热控专业对分散控制系统进行检修和维护的最新导则。 另外,本书还对机组协调控制系统中设计的快速甩负荷(FCB)逻辑,从意义上、 功能上、以及组态上进行了实例分析,由于目前试验难度比较大,实现起来有一定的风 险,这里供各位同行讨论。 吕佳同志为本书绘制了所有的插图,在此表示衷心感谢! 由于作者水平有限,加之编写时间仓促,书中的描述地不够详细,谬误和不妥之处 也在所难免,敬请各位批评指正。

何育生 二 00 三年十月


第一章.



自动调节系统的基础知识 ............................... 1
第一节 引言 ....................................................1 第二节 自动调节系统的基本概念 ..................................2 第三节 热工对象动态特性的特点 ..................................6 第四节 调节器的动态特性 .......................................19 第五节 自动调节系统的品质指标 .................................23 第六节 阀门和风门挡板的特性试验 ............................... 26 第七节 自动调节系统的整定方法 .................................28 第八节 自动调节系统的试验方法 .................................34 第九节 自动调节系统中的前馈控制 ............................... 35 第十节 用 SAMA 图表示的自动调节系统图 .......................... 37

第二章.

蒸汽温度自动控制系统 ................................ 40
第一节 汽温控制系统的任务 .....................................40 第二节 汽温控制系统的对象特性 .................................40 第三节 过热汽温控制系统结构 ...................................44 第四节 汽温控制系统细节分析 ...................................48 第五节 再热汽温控制系统结构 ...................................52

第三章.

给水自动控制系统 .......... Error! Bookmark not defined.
第一节 给水系统信号的测量 ...........Error! Bookmark not defined. 第二节 给水控制系统的任务 ...........Error! Bookmark not defined. 第三节 给水控制系统的对象特性 .......Error! Bookmark not defined. 第四节 给水系统的设备配置 ...........Error! Bookmark not defined. 第五节 给水全程控制系统的结构 .......Error! Bookmark not defined. 第六节 给水控制系统细节分析 .........Error! Bookmark not defined.

第四章.

燃烧控制系统 .............. Error! Bookmark not defined.
第一节 燃烧控制系统任务 .............Error! Bookmark not defined. 第二节 燃烧控制系统的对象特性 .......Error! Bookmark not defined. 第三节 燃烧控制系统的控制策略 .......Error! Bookmark not defined.

第四节 燃烧各控制子系统的分析 .......Error! Bookmark not defined.

第五章.

协调控制系统 .............. Error! Bookmark not defined.
第一节 协调控制系统的任务 ...........Error! Bookmark not defined. 第二节 协调控制系统的对象特性 .......Error! Bookmark not defined. 第三节 机组的负荷控制方式 ...........Error! Bookmark not defined. 第四节 协调控制的控制策略 ...........Error! Bookmark not defined.

第五节 机组负荷指令和压力设定值的形成回路Error! Bookmark not defined. 第六节 机组负荷指令的限制运算逻辑 ...Error! Bookmark not defined.

第一章.

自动调节系统的基础知识

第一节 引言
火力发电厂的生产过程是将一次能源转换成二次能源的过程, 对于燃煤机组, 就是将燃 煤中的化学能依次转换为热能、机械能,获得电能。 电力生产过程中. 除了必须保证产生的电能满足一定的电量和质量要求外, 同时主要保 证生产的安全和经济。这就要求生产过程必须在预定的工况下进行。但是.在实际生产 过程中总会经常受到各种因素的干扰和影响,首先,机组的负荷决定于用户的需要,即 网调的 AGC 指令, 随时变动的负荷影响机组的稳定工作, 这种来自外界的干扰称为外扰。 其次,即使机组带固定的基本负荷运行.但它们的运行工况也会不停变动,例如.燃煤 品种的变化、 执行机构的抖动、 运行设备的状态变化等情况的都会影响锅炉的稳定运行; 进而影响整个机组的稳定。这类来自系统内部的扰动称之为内扰。因此,机组的运行工 况经常由于外扰或内扰而发生变动。任何工况的变化都会引起机组某些运行参数的变 化,从而使运行工艺参数发生变化而偏离规定值。 过去的小型机组可以部分或全部地由人工调节。 在这种情况下. 运行人员必须时刻监视 仪表的指示值,检查设备的的工作情况.并根据机组的运行特性进行的分析,作出正确 的判断和及时的调整。运行人员对变化的参数及时进行操作.对它们加以控制,以使这 些参数保持为生产所期望的数值.这一操作控制过程就是调节。随着机组容量的增大, 蒸汽参数地提高以及分散控制系统的应用,这个机组的结构也愈加复杂,因此,对运行 参数调节的要求也愈来愈高, 人工调整已不能满足机组安全稳定运行的需求, 有运行经 验告诉我们, 某 300MW 机组在升负荷过程中, 汽包给水控制如果不能及时地投入自动调 节,而靠运行人员手动调节,则难以将机组负荷稳定在高负荷运行。因此,需要将这个 对参数的操作控制过程用一套自动控制装置来代替人工操作, 完成调节任务, 这就是自 动调节。 自动调节是一门能自动维持生产过程参数为要求值, 以使生产过程保持在规定的工况下 运行的自动控制技术。

?1?

第二节 自动调节系统的基本概念
一 术语 1 被调对象:

被调节的生产过程或工艺设备称为被调对象。 2 调节设备

如传感器、变送器、调节器、执行机构等用于代替人的眼睛,大脑和手来完成调节任务 的装置,称调节设备。 3 自动调节系统:

调节设备和被调对象构成的具有调节功能的统一体称为自动调节系统。 4 被调量:

被调对象中需要加以控制和调节的物理量, 叫做被调量或被调参数。 不能把对象中流入 或流出的物质如水、汽等工作介质当做被调对象的被调量。 5 给定值:

根据生产过程的要求,规定被调量应达到并保持的数值,叫做被调量的给定值。 6 输入量:

输入到调节系统中并对被调参数产生影响的信号(包括给定值和扰动)叫做输入量。不 可把调节设备使用的能源(如压缩空气、电源等)当做调节系统的输入量。 7 扰动:

引起被调量变化的各种因素称为扰动。阶跃变化的扰动叫做阶跃扰动。 8 反馈:

把输出量的全部或部分信号送到输入端称为反馈。 反馈信号与输入信号极性相同时称为 正反馈;极性相反时称为负反馈。 9 开环与闭环:

输出量和输入量之间存在反馈回路的系统叫做闭环系统;反之,称为开环系统。 二 自动调节系统的分类

工业生产过程中所应用的自动调节系统的形式是多种多样的, 为了分析各种调节系统的 特性,根据不同的分析方法有不同的分类。
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1

按给定值变化规律区分,有定值调节系统、程序调节系统和随动调节系统。

定值调节系统的给定值在系统工作过程中是恒定的。扰动作用会使被调量偏离给定值, 在调节过程结束后被调量能回到(或接近)给定值。锅炉的汽包水位等调节系统都属于 这类系统,在任何负荷下,在任何时间,汽包水位的定值都是不变化的。 按调节过程结束后被调量与给定值之间偏差的情况, 定值调节系统又分为有差调节系统 和无差调节。有差调节系统在调节过程结束后,被调量与给定值之间存在静差。具有比 例调节规律的调节系统属于有差调节系统。 无差调节系统在调节过程结束后, 被调量与 给定值之间不存在静差。 通常, 采用比例积分调节器的调节系统就是一种无差调节系统。 程序调节系统的给定值是根据生产过程的工艺要求, 按预先确定的时间函数变化的。 例 如在锅炉按升温、升压曲线启动的过程中,汽温汽压调节系统属于程序调节系统。 随动调节系统的给定值既不恒定又不按预定的规律变化, 而是决定于某些外来因素。 系 统的输出跟着给定值变化, 所以又称为跟踪系统。 例如锅炉烟气含氧量调节系统属于随 动调节系统,含氧量的定值随负荷变化而变化。 按调节系统的结构来分,有闭环调节系统、开环调节系统和复合调节系统。 输出量和输入量之间存在反馈回路的系统叫做闭环系统, 大多的调节系统都是闭环调节 系统, 如高低加水位等定值调节系统。 输出量和输入量之间不存在反馈回路的系统叫做 开环系统,如某 300MW 机组的燃料风调节系统(FUEL AIR DAMPER CONTROL)和燃烬风 调节系统(OVERFIRE AIR DAMPER CONTROL)都是开环调节系统。 既有开环调节作用又有闭环调节作用的系统复合调节系统, 其调节效果比一般闭环调节 系统的更好,如采用前馈信号的闭环调节系统都属于复合调节系统,其中的前馈调节, 是开环调节, 如引入蒸汽流量作为前馈信号的汽包水位调节系统, 引入总风量作为前馈 信号的炉膛负压调节系统等等。 2 按调节系统内闭环回路的数量来分,有单回路调节系统和多回路调节系统。

单回路调节系统中只有一个被调量信号反馈到调节器的输入端,只形成一个闭环回路。 这种调节系统适用于简单的调节对象。 如果调节对象有两个或两个以上的输出信号被反馈的调节器的输入端, 从而形成两个以 上的闭环回路的系统,则属于多回路调节系统。带有超前信号的汽温调节系统,就是多 回路调节系统。 3 按系统的特性来分,有线性调节系统和非线性调节系统。

当前火电厂热力生产过程中广泛采用的是线性、 闭环定值调节系统, 基本上能满足生产
?3?

实际要求。 三 自动调节系统的原理方框图

调节系统的原理方框图是人们从实际生产过程中总结出来的一种描述系统组成原理的 方法,用方框图分析和综合自动调节系统是非常方便的。在方框图中,用方框表示各种 环节,环节之间信号的传递方向用带箭头的线段表示。用符号?表示信号的叠加点,称 做比较器,箭头指向?的表示比较器的输入量,箭头离开?的表示比较器的输出量。输 出量等于各输入量的代数和。 方框图清楚地表示出自动调节系统中信号在个环节中的传递方向和顺序, 表示调节系统 的动态结构,在对调节系统的分析和设计是很有用的。对每个环节而言,输入量和输出 量是确定的每个环节受它前一个环节的作用, 又按照它本身的特性输出信号, 并对下一 个环节施加作用。 每个环节的输入量是引起该环节内部发生运动的原因, 其输出量是该 环节发生运动的结果。在就是说,输入量的变化引起输出量的变化,而输出量不会反过 来去影响输入量,这种特点称做调节系统的单向性。 方框图同工艺流程图不同, 方框图中的信号线并不表示工质的流向, 而只表示调节系统 中个环节之间的信号传递关系。在实际工作中,为便于分析问题,可以把一个设备划分 成几个环节,或者把几个设备合并为一个环节。 任何一个调节系统或复杂的环节都可以看作是由若干个比较简单的环节组成的, 这些简 单的环节是按一定的信号 传递方式联系起来的。系统的特性是由这些简单环节的特性 综合而成的。 常规的热工自动调节系统主要由四大部分组成:调节器、执行机构、测量变送器和被控 对象,用原理方框图可以表示如下:
调节器 定值 + - KC 测量变送器 WT(S) KZ 执行机构 Kf 被控对象 WD(S) Y

图 1-1 热工自动调节系统原理方框图 调节器的作用是接受主信号和定值信号之间的偏差信号, 进行一定规律的运算后产生一 个调节作用送给执行机构。通常用 Wt(S)表示。 执行机构通常包括执行器和阀门, 它接受调节器送来的控制信号去完成被控对象的控制 任务。通常用 Kz 和 Kf 表示。
?4?

测量变送器由测量元件和变送器组成, 它的作用是把系统中的被控信号测量出来, 并把 非电量信号转换成能进行控制运算的电量信号,通常用 Kc 来表示。 在电厂热工系统中, 温度信号采用热电偶或热电阻进行测量, 然后送进 DCS 内部进行处 理;流量信号采用节流孔板和喷嘴进行测量,送差压变送器进行转换;水位信号通过测 量筒产生差压信号,送差压变送器进行转换;压力信号送压力变送器进行转换。 被控对象是指需要进行控制的生产设备和生产过程,通常用 Wd(S)表示,被控对象中 需要进行控制的物理量称为被控制量。 对于火力发电机组,被控制量和相应的控制手段可以用下表表示:

被控制量 汽包水位 主蒸汽温度 再热汽温 锅炉负荷指令 炉膛负压 烟气含氧量,送风量 一次风压 机组功率 除氧器水位 凝汽器水位 高低加水位

控制手段 给水调节阀门、给水泵转速 减温水阀门开度 烟气再循环挡板、燃烧器倾角、减温水阀门 磨煤机一次风量、给煤量 引风挡板开度、引风勺管位置 送风挡板开度、动叶导向、送风勺管位置 一次风机挡板开度、动叶导向 DEH 调门开度、锅炉燃烧率 凝结水控制阀门开度 化学水补水门开度 高低加疏水门开度

?5?

第三节 热工对象动态特性的特点
调节对象的动态特性是指调节对象的输入(调节作用和扰动)发生变化时,其输出(被 调量)随时间变化的规律。

由于一个调节对象在生产过程中会受到多个输入(干扰)作用的影响,而在不同的输入 作用发生时, 调节对象的动态特性一般是不同的, 因此把调节对象的特性又区分为外扰 特性和内扰特性。 所谓调节对象内扰特性是调节器阀门开度发生变化时所引起被调量变 化的情况, 而外扰特性则是指对象在某一生产干扰发生变化时所引起的被调量的变化情 况。 对象内扰动态特性的掌握对研究自动调节问题的研究具有更重要的意义, 因为对象 的内扰动态特性将直接影响调节系统的调节过程。

图 1-2 为引风自动调节系统的方框图。 图中调节对象是多输入、单输出的物理系统,如图中虚线所示,引起被调量 Pf(S)变 化的原因很多(调节作用μ,外部扰动 X) ,而且各个输入信号引起被调量变化的动态特 性(W01,W02, )是不同的,这是热工对象的一个特点。

总风量x1

W02(S)

被控对象

炉膛压力定值 SP

+ -

Wf(S)

u

W01(S)

炉膛压力Pf

KC

图 1-2 引风自动调节系统的方框图

对于有些热工对象(例如锅炉――汽轮机组) ,可能是多输出的,即生产过程中要求控 制的被调量有好几个,而且,引起这些被调量变化的原因也是多种多样的,回此,调节 对象通常是一个多输出的环节。 一个多输入多输出的环节可以分解成若干个单输入单输 出和环节。
?6?

图 1-3 为协调控制系统的调节系统方框图,它表示了一个二输入二输出对象。

No 功率设定

- +

+ -

WT1(S)

W01(S)

+ +

Ne 功率设定

W02(S)

W03(S)

机前压力设定 Ps

+ - +



WT1(S)

W04(S)

+ +

机前压力 Pt

图 1-3 协调控制系统的调节系统方框图

在研究热工对象动态特性时, 应该充分了解各种引起被调量变化的原因, 并了解其全部 动态特性。 热工对象的动态特性, 原则上可以根据生产过程进行的机理和生产调备的具 体结构,用理论分析和计算的方法得出。但是,热工生产过程一般是物质和能量的传递 过程,用解析分法获得动态特性比较复杂, 因此, 通常采用现场测试的方法来了解热工对象的动态特性。 在各种测试动态特性的方 法中, 应用最普遍的是测出对象的阶跃响应曲线。 下面从热工对象的阶跃响应曲线出发, 研究一下热工对象动态特性的特点。 要全面了解调节对象的动态特性, 必须了解被调量的各种输入作用下的动态特性, 这里 更重要的是调节输出(调节量)作用下调节对象的动态特性。通过大量的现场测试和分 析,大多数热工对象的动态特性具有图 1—4(a)和图 1—4(b)所示的形状。

图 1—4 表示,热工对象尽管千差万别,但是,按它的阶跃响应特性基本上可以划分成 两类,一类是有自平衡能力的,如图 1—4(a)所示,另一类是无自平衡能力的,如图 1—4(b)所示。从两类响应曲线可以看出,热工调节对象的动态特性的基本特点是: 一开始被调量并不立即有显著变化, 而且达到新的平衡需要一个非周期的过程, 这说明 热工对象有一定的迟延和惯性,过渡过程是不振荡的,在曲线的最后阶段,被调量可能 达到新的平衡(图 1—4(a)) ,也可能被调量不断变化,而其变化速度趋近于某一数值
?7?

(图 1—4(b)) ,前者称为自平衡能力的对象,后者称为无自平衡的对象。

u
△u 0

u

△u 0

t y(t) y(t)

t

b

a τ 0 ta t Ta τ

a t

tb

b

ta

图 1—4 热工对象典型的阶跃响应特性曲线
(a)有自平衡能力 (b)无自平衡能力

一 调节对象动态特性的特征参数 当获取了调节对象的阶跃应试验曲线之后, 如何来判断该对象的可控性能呢?工程上常 用阶跃响应曲线上的几个特征参数来说明之。 1 有自平衡能力的对象

所谓对象有自平衡能力,就是指在阶跃输入扰动下,不需要经过外加调节作用,调节对 象的被调量经过一段时间后能自己稳定在一个新的平衡状态。 如主蒸汽温度等被控对象 特性属于有自平衡能力的对象。 图 1—4(a)所示为有自平衡能力对象的单位阶跃响应曲线,在此阶跃响应曲线的拐点 作切线,与被调量的起始值和最终平衡值的横坐标轴线相交,得时间间隔τ和 TC,并把 被调量的稳态变化量记作 y(∞) ,由此可定义下列特征参数。 自平衡系数(或自平衡率)ρ

??

??0 y?? ?

式中△μ0——阶跃输入量的幅值。 ρ表示对象的输出量(被调量)每变化一个单位,能克服多大的输入不平衡。ρ越 大,对象的自平衡能力就越强。ρ=0 表示象没有自平衡能力。ρ的倒数为 y(∞)/△ μ0,它就是对象的静态放大系数 K;
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(1) 时间常数 Tc 如果被调量以曲线上的最大速度(即阶跃响应曲线上拐点 q 处的速度)变化,则从起始 至最终平衡值所需的时间,就是对象的时间常数 Tc。 TC=tb-ta (2) 迟延时间τ 它是指从输入信号阶跃变化瞬间至切线与被调量起始值模轴交点间的距离,如图 1—4 (a)所示。 τ=ta 2 无自平衡能力的对象

所谓对象无平衡能力, 是指在阶跃输入扰动下, 被调量在最后阶段以一定的速度不断变 化,不能稳定下来。如汽包水位等被控对象特性属于无自平衡能力的对象。 图 1—4(b)所示为无自衡能力对象的单位阶跃响应曲线,作该曲线的渐近线, 与时间坐标轴交于 a 点, 得到时间间隔τ和倾斜角β, 与纵坐标轴交于 b 点, 得到 y(0), 由此可定义下列特征参数: (1) 迟延时间τ 从工作出发输入信号阶跃变化瞬间至渐近线与时间坐标轴交点间的距离,即 τ=ta τ反映了对象在阶跃输入作用下, 被调量的变化速度由零变到接近于渐近线斜率 所需的时间的长短。 (2) 响应速度(飞升速度)ε

??

y (0) ??0 * t a

式中△μO ——阶跃输入量的幅值。 ε表示当输入信号单位阶跃输入时,阶跃响应曲线上的被调量的最大变化速度。 有时也采用ε的倒数替ε作为特征参数,即

Ta ?

1

?

式中 Ta——对象的响应时间 综上所述,有自平衡能力的热工对象可用ε(或 Tc) ,τ、ρ三个特征参数来表示它的 动态特性;无自平衡能力的热工对象可用ε、τ两个特征参数来表示它的动态特性。如
?9?

果考虑到无自平衡能力的热工对象的ρ等于零,那么,不论对象有无自平衡能力,都可 统一用ε、τ、ρ三个特征参数来表征它们的动态特性。虽然它们不能很确切地表达热 工对象的动态特性, 但是, 这三个特征参数在热工调节系统的工程整定中是经常要用到 的。 由试验得到的热工对象阶跃响应曲线, 可以通过数学处理的方法写出热工对象的近似传 递函数, 从而为自动调节系统的进一步分析研究和整定计算提供必要的数学模型。 对于 图 1—4 所示的典型热工对象阶跃响应特性曲线,可用下列高阶递函数来近似描述: 有自衡能力的对象:

W0 ( S ) ?

K (1 ? Ta S ) n

无自衡能力的对象:

W0 ( S ) ?

1 Ta S (1 ? T0 S ) n

二 被调对象的动态特性的测试方法

1

试验获得阶跃响应特性曲线:

(1) 试验目的 了解被调对象的动态特性,掌握其纯延时时间。飞升速度,惯性阶数等特性参数,用以 选择调节系统的控制方案,设置有关系数,整定调节参数。 (2) 试验方法 在设备完好,运行工况稳定的条件下,对被调对象进行调节量扰动,扰动量为额定量的 10%--15%,用 DCS 实时趋势图同时记录扰动量和被调量等参数的变化曲线。 (3) 阶跃扰动的注意事项 根据阶跃响应曲线可以清楚地判别对象的性质,试验原理也很简单。但是,在生产实际 中使用时会碰到一系列困难。首先,工艺设备(被控对象)正常运行时总会存在着各种 各样的随机干扰, 使试验结果产生畸变, 在分析试验结果时难于分辨试验输入信号和随 机干扰对输出的影响;其次,工艺设备运行时往往不允许工艺参数作大幅度的变动,这 给阶跃响应试验带来一定的限制;再其次,不可能得到真正的阶跃输入信号,因为调节 机构只能以有限的速度动作; 最后, 工艺设备的缺陷和非线性会影响试验结果的准确性。
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上述问题的存在,严重时甚至使阶跃响应特性试验无法进行。总之,在测定阶跃应曲线 时,随机噪声是一个必须认真考虑的问题,只有在足够高的信噪比条件下,测试结果才 是有效的。

鉴于以上情况,为保证试验结果准确,在测定阶跃特性曲线时,应注意以下事项:

A

根据设备运行条件选择合适的输入信号幅值。为了区别试验输入信号与随机干扰

信号, 应保证有足够的输入信号幅值。 但要注意输入信号幅值过大可能引起输出信号超 过允许的变化范围。一般输入信号的幅值取被控对象额定负荷的 10%∽15%。 B 在试验开始前,应将工艺设备调整到适当的初始工况。如作负荷上升扰动的响应曲

线,则应将被对象输出调整到允许变动范围的下限值;反之,则应将被控对象输出调整 到允许变动的范围的上限值。 这就保证在试验过程中输出信号在允许范围内变化, 能获 得一条完整的试验曲线。 C 在调整到预定的初始工况后,要使工艺设备稳定运行一段时间,然后再开始进行试

验。 D 由于受执行结构动作速度的限制,输入阶跃信号μ(t)不可能是理想的阶跃信号,

而是有一定的变化斜率,为了获得更精确的试验结果,阶跃信号μ(t)的起始时间可 认为是从开始到达到扰动幅值的一半时间开始的。 E 在整个试验过程中,应尽量避免一切不必要的操作,并要采取措施防止各类干扰的

发生。 F 要特别仔细记录阶跃响应曲线初始阶段的数据,因为这部分数据的准确性对确定动

态特性参数的影响很大,对于有自平衡能力的对象,当输出信号接近到新的稳态值时, 输出信号变化很慢,一定要耐心等待足够长的时间,一直到输出信号达到新的稳态值。 另外, 对于有自平衡能力的对象, 当输入信号幅值过大而输出信号的稳态值超过对象允 许的变化范围时,应该立即改做方波响应试验(即扰动信号改为方波信号) ,不可错误 地认为被控对象是无自平衡能力的对象。 G 为了获得一条准确的阶跃响应曲线,在相同的试验条件下应重复试验几次,试验结

果中至少要有两条基本相同的曲线。 H 应测定输入信号上升和下降两个方向变化的阶跃起响应曲线,若二者无明显差别

时,取其动态参数的平均值作为对象的动态参数;否则,应对两种情况分别分析。
?11?

I

除记录被控对象输入、输出信号外,还应记录可能影响输入、输出信号的其他主要

参数,供分析试验结果时参考。 J 热工被控对象一般均在非线性特性,其动态特性随负荷不同而有所区别。因此,应

测出不同负荷时的动特性,以便在设计、分析、整定控制系统时,考虑到最差的动态特 性情况。 K 试验测定的被控对象动态特性与其实际的动态特性是有区别的, 前者包括了测试仪

表本身的动态特性,在试验结果中除去测试仪表动态特性的影响是很困难的,所以,应 选用滞后和惯性较小的测试仪表,使其对测试结果的影响减小到可以忽略的程度。

三 阶跃响应特性曲线的传递函数的求取 阶跃响应曲线形象地表示了被控对象的特性。 但是, 这种表达形式不便于控制系统的分 析和综合,往往需要由阶跃响应特性曲线求得传递函数,其基本方法是:先根据阶跃响 应的几何形状,选定被控对象传递函数的形式,然后通过作图法或计算法,确定传递函 数的未知参数 1 有平衡能力的一阶对象传递函数的求取方法

(1) 无滞后的有自平衡能力的一阶对象 这种被控对象的阶跃响应曲线如图 1—5 所示。在阶跃输入信号作用下,其响应曲线初 始阶段不是零,而是最大值,然后斜率逐渐减小,当曲线上升到稳态值时,斜率下降到 零。这种被控对象为一阶惯性环节,其传递函数为

W ( s) ?
式中

K 1? T S
K——被控对象放大系数;

T——被控对象时间常数。 这时需要确定的参数为放大系数 K 和时间常数 T, A a b 作图法求 K、T 画一条相应于 y(∞)的水平线; 按下式计算出被控对象的放大系数:

K?

y ( ?) x0

式中 x0 为阶跃输入信号的幅值。
?12?

c

作阶跃响应曲线起始点的切线,切线与 y(∞)线相交,这段切线在时间轴上的投

影即为时间常数 T,如图 1-5(a)中所示。 B 计算法求 T 由于切线不容易画准确, 也可利用一阶惯性环节的阶跃响应曲线方程直接计算时间 常数 T,即在阶跃响应曲线上找出对应 0.5y(∞)时的时间 t0.5,或者对应 0.63y(∞)时 的时间 t0.63,然后利用下述公式计算时间常数 T: T=1.44t0.5 或 T=t0.63

如图 1-5(b)中所示。

x
△x 0

x

△x0

t y(t) T
y(∞)

y(t)
0.632y(∞) 0.5y(∞)

y(∞)

t

t

图 1—5 无滞后的有自平衡能力一阶对象的阶跃响应特性曲线 (a)作图法 (2) 具有纯滞后有自平衡能力的一阶对象 若试验测得的阶跃响庆曲线为 S 形状的非周期曲线(如图 1-6 所示) ,则曲线可用 具有纯滞后的一阶惯性环节的传递函数近似表示: (b)计算法

W ( s) ?

K ??s e 1 ? Ts

式中,τ为纯滞后时间,T 为时间常数,放大系数 K,

K?

y ( ?) x0
?13?

参数τ、T 计算方法有两种:切线法和两点法,现分别介绍如下。 A 切线法:

通过阶跃响应曲线的拐点作切线,切线与时间轴交于 a 点(见图 1-6(a)) ,与以稳态值 y(∞)画的水平线交于 b 点,则 0a 即为被控对象的纯滞后的时间τ,切线线段 ab 在 时间轴上的投影即为时间常数 T。这个方法简单易行,但是,切线不容易作准确。 B 两点法:

参数时间常数 T 及纯滞后时间τ可利用阶跃响应曲线中两个 y(t)值计算得出。这时, 首先要将试验得到的曲线进行标么化,转换成标么形式:

y* (t ) ?

y(t ) y(?)

y*(t)为标么形式的阶跃响应曲线(见图 1-6(b)) 。 取 y*(t1)=0.39, y*(t2)=0.63 T=2(t2-t1) τ=2*t1-t2

u
△u0

u

△u 0

t y(t) y(t)
0.63y(∞) 0.39y(∞)

b

y(∞)

a 0 τ T t t1 t2

图 1—6 带纯滞后的有自平衡能力一阶对象的阶跃响应特性曲线

(a)试验曲线

(b)标么化曲线

2

高阶被控对象传递函数求取

(1) 求取被控对象传递数的切线法

?14?

实际应用中, 热工被控对象特性大部分都是高阶的, 通常采用一个 n 阶等容惯性环节来 近似表征有自平衡能力的被控对象,其传递函数为

W ( s) ?

K (1 ? Ts ) n

这个传递函数有三个待定的参数:放大系数 K、时间常数 T 和阶数 n。当 n>1 时,等容 惯性环节的阶跃响应曲线与二阶惯性环节的阶跃响应曲线类似, 响应曲线呈 S 形状时放 大系数 K 的求取和前面叙说的是一致的。 为了确定 T 和 n,通过阶跃响应曲线拐点作切线,根据阶跃曲线图上几个交点的数值, 求出 T 和 n。

y(t) Tc y(∞) y(tA) A B α 0 tA τ tC t c

图 1—7 高阶对象的阶跃响应特性曲线(切线法) 高阶被控对象的阶跃响应曲线如图 1-7 所示,过拐点 A 作切线,切线与时间轴及 y (∞)水平线相交于 B、C 两点,可得特征时间参数 Tc 及τ值(τ/Tc=ερτ) 。由图 1-7 可得如下关系式:

TC ?

K tg?

? ? tA ?

C (t A ) tg?

式中 a——切线与时间轴的夹角; C(tA)——拐点 A 处的 C(t)值。

在获得曲线的特性参数 Tc 和τ以后,可以通过如下的拟合公式求取被控对象的阶 数和时间常数。

?15?

?
n ? 24 TC

? 0.12

2.93 ?

?
TC

T?

? ? 0.5TC
n ? 0.35

用切线法求被控对象的传递函数比较方便, 但缺点是切线不容易画准确, 确定拐点 位置和切线方向时往往带有视觉误差。 (2) 求取被控对象传递数的两点法 两点法避免了作切线时容易引起的误差。 此法是在阶跃响曲线上适当选择两点, 然 后把这两点的数值代入经验公式, 从而确定被控对象的阶数和时间常数。 此法仍用前面 的方法确定被控对象的放大系数 K。

y(t)

0

t1 t2

图 1—8 高阶对象的阶跃响应特性曲线(两点法) 在试验获得如图 1-8 所示的阶跃响应曲线上,求得 y(t1)=0.4y(∞)及 y(t2)=0.8y(∞)时对应的时间 t1、t2 后,利用下式求阶数 n

1.075 t1 n?( ? 0.5) 2 t 2 ? t1
上式求得之 n 值不是整数时,应选用与其最接近的整数。 求到值 n 之后,再用下式求时间常数 T

T?

t 2 ? t1 2.16 n
?16?

在实际使用中,两点法比切线法简单易行,不一定要画出响应曲线,只要从试验数

据中选项出相应于 0.4y(∞)及 0.8y(∞)之 t1、t2 值,即可用上述公式确定 n 和 T。 而用切线法进,切线不容易画准确,尤其是当试验所得的曲线不规则时,切线法求得的 结果误差较大。 3 求取高阶无自平衡能力被调对象传递函数的方法 高阶无自平衡能力被控对象传递函数表达式为:

W ( s) ?
式中

1 Ta (1 ? Ts ) n
n ——阶数

T ——时间常数;

Ta——由渐近线所表示的积分的积分环节的积分时间。

其阶跃响应曲线如图 1-9 所示。

y(t)

a y(ta)

ta
-y(0)

t

图 1—9 高阶无自平衡能力对象的阶跃响应特性曲线

曲线的起始阶段有滞后,最后趋向于一条不断上升的直线,其渐近线与时间交于 a 点, 与纵轴交于-y(0)点。图中虚线 y0(t)是积分时间为 Ta 的积分环节的阶跃响应曲线。 (1) 阶数 n 的求取: 求的比值 r=y(ta)/ y(0),由下列表格查取阶数 n

n r

1 0.368

2 0.271

3 0.224

4 0.195

5 0.175

6 0.161

(2) 时间常数 T 的求取:
?17?

T= ta/n (3) 时间常数 Ta 的求取: Ta= (ta/ y(0))*x0 式中 x0 为阶跃扰动的幅度 (4) 阶数求取的结果大于 6 阶时, 即 r 小于 1.61 时, 无自平衡能力的被控对象传递 函数可以简化为

W ( s) ?
式中

1 ??s e Ta s
τ——纯滞后时间,等于 ta Ta——由渐近线所表示的积分的积分环节的积分时间。

?18?

第四节 调节器的动态特性
所谓调节特性,是指在调节过程中被调量的偏差信号(即调节器输入信号)与调节 器输出信号之间的运算关系,这种关系由调节器决定的。火电厂通常采用的有比例、比 例一积分、比例—积分—微分三种调节规律。

一 比例调节规律 图 1-10 所示是比例调节器的输出信号和输入信号之间的运算关系,
x

t y

Kpx

t

图 1-10 比例调节器特性 其输出信号和输入信号之间的运算关系可用下式来表示: y = Kpx 或 y =(1/δρ)x

式中 y —— 调节器的输出信号; δ—— 调节器的比例带,常以百分数表示, 它与 Kp 的关系是δp =(1/Kp)× 100%; Kp——调节器的比例系数(比例培益) ,其数值等于比例带的倒数; x——调节器的输入信号。 比例调节器输出信号和输入信号是同时变化的, 在时间上没有迟延, 这种调节器的调节 速度较快。比例系数 Kp 是一个只与调节器内部结构有关的并可进行调节的系数。 常用比例带表示比例调节作用的大小。 比例带的意义是: 调节器输出量的相对变化量和 输入量的相对变化量之比的百分数。比例带与比例系数互为倒数。
?19?

比例调节器是按被调量偏差值的极性和幅值大小成比例地改变调节器的输出, 使调节对 象最终达到能量或物料的平衡,被调量也能达到稳定值。当负荷变化时,为了建立能量 或物料新的平衡关系, 调节器的输出信号必须变化, 经执行器动作使调节机构的位移变 化,被调量最终达到新的稳定值。新的稳定值与原业的稳定值之差,就是比例调节形成 的静态偏差,简称静差。静差的大小与比例带的数值有关,比例带大,静差大;比例带 小,静差小。用传递函数来表示比例作用的调节器:

WT ( s ) ?

1

?

二 比例积分调节规律 比例积分调节规律由比例和积分两种调节规律组合而成。 比例调节规律前已述及。 所谓 积分规律, 就是调节器输出信号的变化量和输入信号的偏差及偏差存在的时间乘积的累 计值成正比。或者说输出量的变化速度与输入信号的偏差值成正比。所以,只要偏差信 号存在,调节器输出的信号的变化率就不会等于零,即输出信号一直变化下去,直到输 入信号的偏差消失,输出信号才停止变化,这时调节机构的位置也被确定。可见积分调 节作用使被调量的静差得到消除, 但调节器输出信号可以达到任何一个稳定值。 这是因 为比例作用结束后,积分作用使调节器输出信号继续变化,直到偏差消失,调节器输出 达到一个新的稳定的值为止。从理论上说,比例积分调节器在输入偏差信号为 0 时,其 输出信号可以为任何值,因此又把积分调节器称为无定式调节器。
x

t y
Kpx Kpx Ti Ti

t

图 1-11 比例积分调节器特性 在比例积分调节规律中,比例作用快,但不能消除静差。积分作用则是在比例作用后再 继续进行调节,故又称比例积分调节器为再调调节器。
?20?

比例积分调节器的输出是比例部分 Yp 和积分部分 Yi 之和, 如图 1-11 所示。 由图可知, 当输入为阶跃信号时,调节器的输出开始是一个跃变,幅值为 Kpx,接着继续上升,当 偏差信号消失时,积分作用停止,调节机构也停留在相应的位置上。 积分作用的有关参数是积分时间, 它是指当积分作用形成的输出达到和比例作用的输出 相等时所用的时间。积分时间短,积分作用强;积分时间长,积分作用弱;积分时间取 无穷大,则积分作用消失,比例积分调节器就成为纯比例调节器。 积分时间对调节过程的影响具有两面性,积分时间短,积分作用强,消除静差快,但将 使系统的稳定性降低,有产生振荡的倾向,积分时间越短,振荡的倾向越大,甚至会造 成发散振荡。对于滞后时间大的调节对象,其影响尤其明显。所以,使用比例积分调节 器时,积分时间要根据对象的特性来选择。滞后时间不大的对象积分时间可选得短些; 滞后较大的对象,积分时间可选得长一些。用传递函数来表示比例积分作用的调节器:

WT ( s) ?

1

?

(1 ?

1 ) Ti S

三 比例积分微分调节规律 比例积分调节器的输出是由比例、 积分和微分等三种调节作用组合而成的。 因此除了兼 有前面两种调节规律的特点外, 还因为微分调节作用的大小是与被调量偏差的速度成正 比的,所以只要被调量有一变化趋势,调节器就能及时动作,这种超前调节作用有助于 减小被调量的动态偏差, 并能提高调节系统的稳定性。 比例积分微分调节器常用于滞后 较大的控制对象。比例积分微分调节器的整定参数是: δp——调节器的比例带;Ti——调节器的微分时间;Td——调节器的微分增益;Kd—— 调节器的微分增益。 具有比例积分调节器的输入信号和输出信号关系如图 1-12 所示。
x

t

y

KpKd Kpx

Td Kd Ti

Kpx

t

图 1-12 比例积分微分调节器特性
?21?

在比例积分微分调节规律中, 微分作用反映了输出信号与输入信号的变化速度有关, 输 入信号不变化时,微分作用消失。由此可知,微分作用能及时消除对象的物质或能量的 不平衡,减小被调量的超调量,从而减弱了被调量的波动。 比例积分微分三种调节作用组合在一起,比例带、积分时间、微分时间等数选择适当, 就能获得较好的调节质量。 比例积分微分调节器的主要参数对调节过程的影响可归纳如下: (1)比例带增加时,比例调节作用减弱,调节过程变慢,比例带减小时,比例调节作 用增强,调节过程变快,但系统稳定降低;比例带过小时,调节过程会出现等幅振荡或 发散振荡; (2)积分时间长时,积分调节作用弱,积分速度慢,消除静差需要经过较长时间,积 分时间短进, 积分调节作用强, 积分速度快, 消除静差快, 但可能使调切过程出现振荡; 积分时间太短,调节过程将可能变成等幅振荡或发散振荡; (3)微分时间长,微分调节作用强,超调量减小,但容易使系统出现周期较短的等幅 振荡。 从以主分析可以看出,比例带太小、积分时间太短及微分时间过长,都会引起调节过程 振荡,只是振荡周期不同而已。积分时间太短引起的振荡的周期最大;比例带引起的振 荡周期较小;微分时间过长引起的振荡周期最小。 用传递函数来表示比例积分作用的调节器:

WT ( s) ?

1

?

(1 ?

1 ? Td S ) Ti S

?22?

第五节 自动调节系统的品质指标
一 调节品质指标的确定 对任何一个设计并安装完成的自动调节系统, 都希望它能具有良好的工作质量。 如何来 判断一个调节系统的工作好坏呢?最直观的方法是看系统受到扰动作用后, 被调量随时 间而变化的状况——调节过程。 因为一个原来处于平衡状态的调节对象, 一旦受到扰动 作用,被调量就会偏离规定值。这时,要通过自动调节作用才能使被调量重新稳定并回 到规定值。这一过程称为调节过程,调节过程可直接反映了调节系统工作的好坏。
y y

ym

y(∞)

0

t (a)

0

t (b)

y

y

ym
0

t (c)

0

(d)

t

y

0

(e)

图 1-13 几种典型的调节过程曲线
(a)是单调变化的非周期过程(b)是有单峰值的非周期过程(c)是衰减振荡过程(d)是等幅振荡过程(e)为扩大振 荡发散过程

显然,一个调节系统在不同形式和幅度的扰动作用下,其调节过程是不一样的。在实际 生产过程中可能遇到的扰动形式是多种多样的, 为了比较调节工作品质的好坏, 为了分 析系统工作品质能否满足生产过程的要求, 通常要选定一种最典型的或最经常出现的扰 动形式,作为研究调节系统工作品质的标准输入信号。在热工过程自动调节中,最常用 的是单位阶跃输入。 闭环调节系统在阶跃扰动作用下,被调量的调节过程可能有图 1-13 所示的几种不同形 状。其中(a) 、 (b) 、 (c)三种过程中,被调量最后能重新达到平衡。这新的平衡状态 的被调量数值,可能就是扰动前的数值,也可能是一个新的数值。具有这种调节过程的 系统稳定的。曲线(a)是单调变化的非周期过程。曲线(b)是有单峰值的非周期过程。
?23?

(c)是衰减振荡过程。 (d)是等幅振荡过程。调节系统受扰动作用后不能达到新的平 衡,被调量和调节作用都作等幅振荡。这种情况称为“边界稳定” 。 (e)为扩大振荡发 散过程。调节系统受扰动作用后,不但不能达到新的平衡,而且偏差时正时负,振幅越 来越大, 直到发生破坏作用或受到限幅保护装置的干涉为止。 这种调节系统是不稳定的。 从生产过程的要求来看, 希望自动调节系统能随时被调量和规定值相等, 不受任何扰动 的影响。实际上调节过程中被调量总是要发生变化,产生偏差。那么怎样来衡量一个调 节过程(即调节系统工作品质)的好坏呢?一般从三个方面,即稳定性、准确性和快速 性来衡量。 1 稳定性

调节过程的稳定性是对调节系统最基本的要求。不稳定的系统在生产上是不能采用的。 边界稳定的系统一般也符合生产的要求 (只有在个别情况下可以允许有振幅不大频率不 高的持续荡) 。只有稳定的系统才能完成正常的调节任务。在实际生产过程中,不但要 求系统是稳定的,而且还要求有一定的“稳定性裕度” ,以保证在每次调节过程中振荡 次数不致过多(2~3 次) 。 衰减率ψ是判定调节系统稳定性的主要指标, 检验一个调节过程的品质, 用衰减率比较 形象和直观,也能方便地从响应特性曲线上得到它的数值,如图 1-13(c)所示:

??

y1 ? y2 y1

热工控制对象的调节过程的衰减率通常选择ψ=0.75-0.9 2 准确性

准确性是指被调量偏差的大小,它包括动态偏差 ym 和静态偏差 y(∞)(图 1-13(c)) 。 动态偏差 ym 是指调节过程中被调量偏离规定的值的最大偏差值。通常要求调节系统保 证被调量的动态偏差, 即指使在可能出现的最大扰动作用下, 也不超过生产过程所允许 的变化范围。 静态偏关 y(∞)是指调节过程结束后被调量的残余偏差。 最大静态偏差往往出现在负荷 变动幅度最大的时候(如由满负荷跌到最低负荷) 。一般应使最大静态偏差不超过生产 所允许的变动范围。 但有时为了提高生产设备对变动负荷的适应能力, 有意造成静态偏 差(即不同负荷下被调量保持不同的稳定值) 。 3 快速性

快速性是指调过程持续时间的长短。一般希望尽可能短,以保证下一次扰动发生之前,
?24?

这次扰动所引起的调节过程已经结束。 不同的生产过程, 对这三方面的要求和排列主次地位是不同的, 对于一个调节系统同时 要求这三方面都达到很高的质量往往是困难的, 也是不必要的。 一般总是首先满足稳定 性要求,再兼顾到准确和快速性。 应当指出, 对调节系统除了上述三方面基本要求之外, 还应使它满足与运行条件有关的 其它一些要求, 例如有些生产过程对被调量的变化速度有一定限制, 有的对调节作用的 变化速度(开、关速度)和动作方式有一定限制等等。这些限制条件对调节系统的工作 往往有重大的影响。 二 :模拟量控制系统试验指标 1 投入运行的模拟量控制系统应定期做扰动试验。扰动试验分为内扰试验和外扰试

验。除定期试验外,出现下列情况时也应做扰动试验试: (1) (2) (3) (4) 2 设备大修; 控制策略变动; 调节参数有较大修改; 模拟量控制系统发生异常。

试验前应编写实验措施,经审批后方可执行。实验结束后,应填写试验报告。试验

结果如达不到规定的调节品质要求,应分析原因,提出解决对策。 3 内扰试验(包括定值扰动) 内扰试验应在 70%负荷以上进行,扰动量宜为被调介质满量程的 10%。调节过程衰减率 应在 0.7~0.9,被调节量的峰值不应达到保护动作值(对于主蒸汽压力和负荷控制系 统,衰减率应在 0.9~0.95) 。 4 评价标准:机组主要参数变化范围 给定负荷变化速率 负荷状态 主汽压力 Mpa 汽包水位 mm 新蒸汽温度℃ 在热汽温度℃ 炉膛压力 Pa 稳态 (<3%Pe/min) ±0.3 ±25 ±4 ±5 ±100 慢速变化 (3%Pe/min) ±0.5 ±40 ±8 ±10 ±200 快速变化 (5%Pe/min) ±0.8 ±60 ±10 ±12 ±250

?25?

第六节 阀门和风门挡板的特性试验
调节阀特性好坏, 是自动调节系统否投入运行的重要条件之一。 选用特性较好的调 节阀, 是自动化的基础工作。 调节特性满足要求是自动调节系统投入自动并获得理想调 节品质的主要条件。 一 试验目的 摄取阀门、挡板调节特性,了解漏流量、死行程、调节范围、饱和区、回程差等特 性参数,为调试、生产、维修提供直接资料。 二 试验方法 在相应的工况下,手动操作阀门或挡板的开度,使其单方向地从 0 开到 100%,再 单方向地从 100%关到 0,同时记录下开度和工质流量信号,并观察其它有关参数的变 化。 三 对调节阀的要求 1 最大流量应满定负荷的需要,并具有一定的裕度,一般要求最大流量是额定流量的

1.2~1.3 倍。 2 3 漏流量(阀门完全关闭后流量)一般应小于额定的流量的 15%。 变差流量(按开启和关闭两个方向操作到同一开度时流量的差值)应小于额定流量

的 2%。 4 5 死行程应小于行程的 10%。流量变化的饱和区应在开度的 85%以上出现。 在有效行程内,流量变化率随开度的变化应比较均匀。

四 注意事项 调节阀门的特性和阀门的结构及现场运行条件有关, 所以阀门特性通过现场试场试验求 取,试验方法及注意事项如下: 1 试验进应按开启和关闭两个方向进行,当进行开启试验时,每次操作应准确地达到

测试点的开度,中途不得有关闭的操作;当时行关闭试验时,每次操作也应准确的达到 测试点的开度,中途不得不开启的操作。开启和关闭两个方向的试验都要进行,以取得 完整的数据。 2 试验时要求主设备的负荷及运行工况稳定。如作给水调节阀门特性试时,应保持全

水压力和汽包压力稳定。
?26?

3

试验时必须将所有的旁路阀门全部关死,而所有串联的阀门则必须全部开启(包括

电动门和手动门) 。 4 5 试验过程中的操作应迅速准确,一次完成。 为保证明安全在进行开启试验时,事先应使被调量保持在较低的数值;进行关闭方

向的试验时,事先应使被调量保持在较高的数值(调节阀门装在对象的流入侧) 。 6 7 必要时,对上述试验多次进行,以便调节参数的逐步调整。 试验时,应减少或避免其它相应操作,防止对试验结果产生影响,保证试验结果的

准确性。 8 试验时,密切注意运行参数的变化,发现异常、参数越限等现象出现时,立即中止

试验,手动操作,确保人身设备安全。

?27?

第七节 自动调节系统的整定方法
单回路反馈控制系统的调节品质取决于系统的结构、 各元件的特性、 扰动的形式和 幅值以及系统整定得是否正确等因素。 所谓控制系统整定, 就是根据被控对象的特性选 择最佳的整定参数(调节器参数、各信号间的静态配俣、变送器斜率……) ,其中主要 是整定调节器参数(δ、Ti、Td) 。对于一个已安装好的控制系统,各元件特性已经确定 的情况下,能否使系统工作在最佳状态主要取决于系统参数整定得是否合适。 应该特别指出:系统整定只能在一定范围内起作用,如果设计方案不合理,自动 调节仪表和调节机构选项型不当,安装质量不高,被控对象存在缺陷……,则无论用什 么方法进行整定,都不会得到满意的结果。另外,对于动态特性较好的被控对象和控制 质量要求较高的系统, 整定参数在很大的范围内变动时都可能满足控制质量的要求。 但 是,决不能因此就可轻视系统整定的作用。实际上,一个设计合理、安装正确的控制系 统,只有经过正确的整定,才能达到预期的控制质量。 下面主要介绍几种实用的调节器参数的工程整定方法。 一 经验法 这种方法实质上是一种试凑法,它是在生产实践中总结出来的行之有效的

方法,并在现场中得到了广泛的应用。 这种方法的基本程序是先根据运行经验, 确定一组调节器参数, 并将系统投入闭环运行, 然后人为地加入阶跃扰动(如改变调节器的给定值) ,观察被调量或调节器输出的阶跃 响应曲线。 若认控制质量不满意, 则根据各整定参数对控制过程的影响改变调节器参数。 这样反复试验,直到满意为止。经验法简单可靠,但需要有一定现场运行经验,整定时 易带有主观片面性。当采用 PID 调节器时,有三个整定参数,反复试凑的次数增多,不 易得到最佳整定参数。 下面以 PID 调节器为例,具体说明经验法的整定步骤: 1 让调节器参数 Ti=∞,Td=0,控制系统投入闭环运行,由大到小改变比例带δ,用

给定值阶跃变化作扰动信号,观察控制过程,直到获得满意的控制过程为止。 2 将比例带增大 1.2 倍,由大到小改变积分时间 Ti,同样变化给定值输入扰动信号,

直到求得满意的控制过程。 3 积分时间保持不变,改变比例带,观察控制过程有无改善,如有改善则继续调整,

直到满意为止。
?28?

4

引入微分时间 Td,此时可适当减小比例带和积分时间,微分时间 Td 的数值一般取

积分时间 Ti 的 1/6-1/4 为宜(调节器型式不同,Td/Ti 比值不同) ,试凑中应使 Td/Ti 值尽量保持不变(保比) ,以保证调节器干扰系数不变,即不会由于 Ti、Td 的改变而引 起比例带的变化。和前述步骤相同,微分时间的整定也需反复调整,直到控制过程满意 为止。 二 临界比例带法 此法又称稳定边界法。 它的特点是不需要知道被控对象的动态特性

即可直接在闭环系统中进行整定。 这个方法的基本程序是将系统投入闭环运行, 先在 P 调节器条件下改变比例带, 直到系 统产生等幅振荡(临界稳定状态) ,然后根据界比例带δKP 和临界振荡周期 TKP 求得衰减 率ψ=0.75 时调节器的整定参数。具体作法如下: 1 2 使调节器参数 Ti=∞、Td=0,比例带δ置于较大的数值,将控制系统投入闭环运行。 待系统运行稳定后,逐步减小比例带,观察控制过程,直到系统出现等幅振荡为止

(一般连续等幅振荡 4-5 次即可认为在到等幅振荡) 。如图 1-14 所示,记下此时的临 界比例带δKP 和系统的临界振荡周期 TKP
y

0

Tkp

t

如图 1-14 临界比例带法整定调节参数

3

根据求得的δKP 和 TKP 由下表查调节器整定参数。

整定参数 P PI PID 4

δ 2δKP 2.2δKP 1.67δKP

Ti

Td

0.85TKP 0.5 TKP 0.13 TKP

将调节器参数按求得的数值设置好,比例带设置得可比求得的数值大一些,作系统

的阶跃扰动试验,观察控制过程,适当修改整定参数。由于被控对象的动态特性各不相
?29?

同,利用上表所查得的参数不一定都有得到满意的控制过程。 实践证明:对于无自平衡能力的对象,其传递函数形式

W ( s) ?

1 ??s e Ta s

的时候,用临比例带法整定所得到的控制过程往往是衰减率偏大(ψ>0.75) ;而对于 有自平衡能力的高阶等容对象:

W ( s) ?

K (1 ? Ts ) n ,

当 n>3 时, 用此法整定所得到的控制过程往往是衰减率偏小(ψ<0.75=另外, 整定时 其他各种未考虑的因素对控制过程都会产生程度不同影响。 所以, 用上表查得整定参数 后,应在系统实际运行过程中适当修改整定参数。 临界比例带法对于许多工业被控对象是适用的,对临界稳定时振幅不大、周期较长(TKP ≥30s)的控制系统,作系统的临界稳定试验是允许的。但是,对于那些被控对象时间 常数和滞后较小的控制系统(如锅炉给水控制系统) ,一般不允许进行系统临界稳定试 验;对某些时间常数较大的单容被控对象,采用 P 调节器时,系统永远是稳定的,所以 这两种情况都不能用临界比例带法求整定参数。 三 衰减曲线法 此法是在临界比例带法的基础上发展起来的, 它既不象经验法那样要经过大量的试凑过 程, 也不需要象临界比例那样要求系统产生临界振荡过程。 它是利用在比例作用在比例 作用条件下产生ψ=0.75 的控制过程时的调节器比例带δs 和控制过程周期 (衰减周期) Ts,如图 1-15 所示。

y

0

Tkp

t

如图 1-15 ψ=0.75 的衰减曲线法 或者ψ=0.9 的控制过程时调节器的比例δs 和控制过程上升时间 tr 来确定调节器的整
?30?

定参数。
y

0

Tr

t

如图 1-16 ψ=0.9 的衰减曲线法 这种方法简单明了,具体作法如下: 1 2 使调节器参数 Ti=∞,Td=0,比例带δ置于较大的数值,将控制系统投入闭环运行。 待系统运行稳定后,用给定值阶跃扰动试验信号,观察控制过程。若ψ大于要求的

数值,则逐步减小比例带δ,重复用给定值阶跃扰动试验信号,直到出现ψ=0.75 或ψ =0.9 的控制过程为止,并记下此时的比例带δs。 3 4 ψ ψ=0.75 ψ=0.75 ψ=0.75 ψ=0.9 ψ=0.9 ψ=0.9 5 从控制过程曲线上求取ψ=0.75 时的衰减周期 Ts,或ψ=0.9 时的上升时间 tr。 按下表计算调节器参数δ、Ti、Td。 整定参数 P PI PID P PI PID δ δs 1.2δs 0.8δs δs 1.2δs 0.8δs 2tr 1.2tr 0.4tr 0.5Ts 0.3Ts 0.1Ts Ti Td

先使调节器的比例带δ略大于计算值,然后将 Ti、Td 按计算值设置好,再将δ置

于计算值。作给定值阶跃扰动试验,观察控制过程,适当修改整定参数,直到控制过程 满意为止。 对于扰动频繁的控制系统, 往往得不到闭环系统的阶跃响应曲线, 从而得不到准确的δ
s

、Ts(或 tr) ,这时采用衰减曲线法不容易得到满意的效果。

四 响应曲线法 上述几种方法均不需要事先知道被控对象的动态特性,是直接在闭环系统中进行整定
?31?

的,响应曲线法则是根据被扰对象的阶跃响应曲线,求得被控对象的动态特性参数,然 后查表求得 PID 参数。 1 无自平衡能力的对象

无自平衡能力的对象的特性参数ε、τ如图 1-17 所示,
y(t)

ε=tgΘ

Θ
τ t

图 1-17 无自平衡能力的对象及其特性参数ε、τ 无自平衡能力的对象的 PID 参数可由下表查的: 整定参数 P PI PID 2 δ ετ 1.1ετ 0.83ετ 有自平衡能力的对象 3.3τ 2τ 0.5τ Ti Td

有自平衡能力的对象的特性参数ε、ρ、τ如图 1-18 所示,

y(t)

1 ρ

t τ 0 Tc

图 1-18 无自平衡能力的对象及其特性参数ε、ρ、τ

有自平衡能力的对象的 PID 参数可由下表查的:
?32?

?
TC

整定参数

δ

Ti

Td

?
TC

? 0.2
P

1 ? ? TC

?
TC

? 0.2
PI

1.1

1 ? ? TC 1 ? ? TC

3.3τ

?
TC
0.2 ?

? 0.2
PID

0.85

? ? 0.15 TC

P

? ? 0.08 1 TC 2 .6 ? ? ? 0 .7 TC
?
2 .6 1 TC ? 0.08



0.5τ

? 0.2 ? ? 0.15 TC
0.2 ?

PI

? ? ? 0 .6
TC

?
TC

? 0.15

PID

? ? 0.15 1 TC 2 .6 ? ? ? 0.88 TC

0.8Tc

0.81Tc+0.19τ

0.25τ

3

注意事项:

(1) 在使用上述表计算公式适用于表中所列的高阶被控对象。对于一阶或二阶被控 对象,按表中所列公式计算时具有较大的稳定裕量。 (2) 两表均只适用于ψ=0.75 的控制系统,若要求更高的衰减率,则需对公式进行 修正。 (3) 对工业被控对象进行试验所得到的阶跃响应曲线准确必不高,甚至有时不允许 作阶跃扰动试验,得不到阶跃响应曲线,这是响应曲线法的不足之处。

?33?

第八节 自动调节系统的试验方法
一 试验目的 稳定工况下,调节系统按预整定的调节参数投入自动后,通过系统的内部扰动、外部扰 动和定值扰动试验, 观察调节系统的调节作用, 修改有关调节参数, 努力寻求最佳整定, 获得理想的调节品质。 二 试验方法 1 内部扰动

手动操作调节阀门或挡板的开度指令,使调节系统内回路被调量产生 10%-15%的扰 动,随后立即投入自动,DCS 实时趋势图记录有关参数的变化,观察、分析调节系统动 作情况,修正相应的调节参数。 2 外部扰动

自动调节系统投入自动运行, 手动操作产生外部扰动的有关调节阀门或挡板, 使调节系 统外回路被调量产生 10%的扰动,DCS 实时趋势图记录有关参数的变化,观察、分析调 节系统动作情况,修正相应的调节参数。 3 定值扰动

自动调节系统投入自动运行, 手动操作定值, 使调节系统的定值设定在新的定值上, DCS 实时趋势图记录有关参数的变化, 观察、 分析调节系统动作情况, 修正相应的调节参数。 三 注意事项 1 2 上述试验需要多次反复进行,以便调节参数的逐步调整。 在运行工况允许的情况下,试验扰动量幅值应尽量加大,充分的激励才可获得充分

的响应。每次试验时间应尽量加长,以获得完整的试验结果。 3 试验时,应减少或避免其它相应操作,防止对试验结果产生影响,保证试验结果的

准确性。 4 试验时,密切注意运行参数的变化,发现异常、参数越限等现象出现时,立即中止

试验,手动操作,确保人身设备安全。

?34?

第九节 自动调节系统中的前馈控制
前馈控制是发电厂热工控制系统中使用很多的一种控制方式,而对于复杂的被控对象, 系统中往往采用了多种前馈信号,这里简单一下前馈控制的有关概念。 一 前馈控制的特点 前馈控制与反馈控制比较具有如下特点: 1 前馈控制是“基于扰动消除扰动对被控参数影响”的原理,而反馈控制是“基于偏

差”的原理,若于偏差存在则不存在反馈控制作用。 2 前馈比反馈控制更“及时” ,因为被控制量产生偏差的直接原因是存在干扰,如果

直接测量干扰,按扰动进行调节器节,当然要比按偏差控制来得及时。 3 前馈控制属于开环控制, 而反馈控制属于闭环控制。 闭环控制存在一个稳定性问题。

对于前馈系统,只要构成前馈系统的每个环节是稳定的,则系统就是稳定的;对于反馈 控制即构成反馈系统中的每个环节都是稳定的,系统也不一定稳定。 4 被控参数产生偏差包含着各种可测干扰的作用,前馈控制只对被作为前馈信号的干

扰有校正作用, 而对未被引入前馈调节器的干扰无校正作用; 但反馈控制对进入反馈回 路的所有干扰都有校正作用。 5 反馈控制规律是典型的控制规律(P、PI、PID 等) ,而前馈控制规律取决于对象干

扰通道和调节通道的特性。 二 前馈控制规律的设计 前馈控制规律的设计应根据补偿原理,在测得系统调节通道和干扰通道的特性的基础 上进行。如图 1-19 所示:
Z(s) WTq(S)

Wq(S)



E(s)
- +



WTf(S)

u

Wf(S)

+ +

Y(s)

图 1-19 前馈调节器的设计
?35?

根据完全补偿原理,前馈作用应完全抵消扰动对被控量的影响,即

Z (s) *Wq (s) ? ?Z (s) *WTq (s) *WTf (s) *W f (s)
由该式可得前馈控制器的控制规律(传递函数) :

WTq ( s) ? ?

Wq ( s) WTf ( s) *W f ( s)

可见,必须在上式中各传递函数已知的条件下才可算出前馈控制规律。 三 前馈控制的局限性 1 对象特性的精确模型很难得到,而且一般都具有非线性,因此要得到适用于各工况

下前馈控制器的控制规律是不容易甚至是不可能的; 2 3 前馈控制只能克服干扰可测量的情况,而对不可测量的干扰不能进行校正; 即使得到了对象调节通道和干扰通道道的精确模型,也不一定能完全实现。例如像

纯延时之类的传递函数是不可实现的。 综上所述,前馈控制通常只需对主要、经常发生的可测干扰前馈控制,这样可以进一步 降低对前馈控制规律的要求, 其它干扰由反馈控制克服。 所以把前馈控制与反馈控制相 结合,构成前馈——反馈复合系统。 值得一提的是,在前馈——反馈复合系统中,如果前馈调节器整定得精确,可以使得反 馈调节器只起到静态校正的作用。

?36?

第十节 用 SAMA 图表示的自动调节系统图
SAMA 图是美国科学仪器制造协会(Scientific Apparatus Maker’s Association)所 采用的绘制图例,它易于理解,能清楚地表示系统功能,广为自动控制系统所应用。

一 SAMA 图的外形

SAMA 图的外形分为四类,分别如图 1-20(a) 、 (b) 、 (c) 、 (d)所示。 图 1-20(a)为测量或信号显示功能, (b)为自动信号处理功能, (c)为手动信号处理 功能, (d)为执行机构

a

b

c

d

图 1-20 SAMA 图的外形 二 SAMA 功能图例

?37?

SAMA 图标准功能图例如图 1-21 所示:

FT 流量变送器 I 指示仪

LT 液位变送器 R 记录仪

PT 压力变送器 T 继电器线圈

TT 温度变送器

ZT 位置反馈

常开触点

常闭触点

√ 开方

× 乘法

÷ 除法

± 偏量

△ 偏差

∑ 加法

K 比例

∫ 积分

d/dt 微分

f(t) 时间函数

f(x) 函数

∑/N 均值

T 手动切换操作 手动增减操作

A 手动设置操作

A/M 手/自动切换

T 切换

TR 跟踪

> 大选

< 小选

≯ 高限

H/ 高报

/L 低报

V≯ 限速

≮≯ 限幅

A/D 模数转换

≮ 低限

P/I 气压-电流

I/P 电流-气压

V/I 电压-电流

I/V 电流-电压

D/A 数模转换

R/V 热电阻-电压 MO 电动执行机构 f(x) 执行机构

MV/V 热电偶-电压 MO 液动执行机构 气动执行机构 信号来源

直行程阀

角行程阀

图 1-21 SAMA 图标准功能图例 三 SAMA 功能图举例 如图 1-22 所示,为一带前馈的流量单回路调节系统,流量变送器测得的差压值,通过 阻尼运算,消去信号的高频干扰,然后进行开方运算,使其转换成流量信号,送往调节
?38?

器的偏差入口。 流量设定值由数值设定块设定, 它与实际流量的偏差值由调节器进行比例积分运算, 然 后加上前馈信号,作为调节运算输出值。 调节器处于手动状态时,调节器的输出由手动操作,当调节器处于自动状态时,调节运 算输出值经过限幅模块,送往执行机构。 输出通道上的函数模块用于阀门非线性的校正, 而反馈通道上的函数模块则是为了实现 无扰切换,其函数值为输出通道上的函数模块的反函数。

FT

a f(t)

f(x) √

△ K ∫ ∑ T ≮≯ TR

A

I

T

I

f(x)

f(x)

MO

ZT

图 1-22 带前馈的流量单回路调节系统

?39?

第二章.

蒸汽温度自动控制系统

第一节 汽温控制系统的任务
汽温(过热汽温、再热汽温)是火电厂热力系统中重要参数,汽温控制品质的优劣直接 影响到整个机组的安全性和经济性。通常要求过热汽温,暂时偏差不超过士 10℃,长 期偏差不允许超过士 5℃。目前,火电机组是电网调峰的主要力量,国产机组调峰幅度 小,启停及变负荷速度慢,要改善这种情况,不仅对锅炉、汽机及辅助设备要求有较大 的适应负荷变化的能力,对汽温控制系统也提出了较高的要求。 但是, 汽温调节过程是典型的大时延热工过程, 由于大时延的存在使过程可控指数很低, 受控对象为多容、大惯性系统,受控系统存在严重的非线性和时变特性,且影响汽温变 化的扰动因素很多,如蒸汽负荷、烟气温度和流速、火焰中心位置、减温水量、给水温 度等,这就给汽温调节带来很大的困难。

第二节 汽温控制系统的对象特性
对蒸汽温度的扰动主要有以下三种,蒸汽流量扰动△D,过热器吸热量扰动△Q;为 过热器入口汽温扰动△W。这三种扰动是造成过热器出口汽温变化△θ的主要原因。如 图 2-1 所示

△D

WD(S) + + +

△Q △W

WQ(S) WW(S)

图 2-1 影响过热汽温的主要扰动量 一 锅炉蒸汽负荷变化时过热器的动态特性 当锅炉负荷变化时, 沿过热器管道整个长度各点的温度几乎同时变化, 过热器出口
?40?

汽温的阶跃响应曲线的特点是有滞后,有惯性,有自平衡能力,且τ/T 较小。 对于对流式过热器,当锅炉的负荷增加时,负荷增加时,燃料量增加,通过对流式 过热器的炉烟量增加, 炉烟温度也随负荷增加而升高, 这两个因素都促使对流过热器汽 温升高。 而对于辐射式过热器,负荷增加时,炉膛温度升高较少,辐射传热量的增加比蒸汽 量增加引起吸热量增加要少,因此,当负荷增加时,辐射式过热器和对流式过热器的出 口汽温随负荷变化的方向是相反,辐射式过热器出口汽温是下降的。 对流和辐射两种过热器的综合作用, 对减少过热器出口汽温的偏差是有利的。 通常 锅炉过热器的对流方式比辐射方式吸热量为多,因此,总的汽温将随负荷升高而增加。 锅炉蒸汽负荷变化时过热器的动态特性可用下式表达:

WD ( s) ?

? 2 ( s)
D( s )

?

K D ??s e 1 ? TD s

二 过热器入口汽温度改变时过热器的动态特性 改变过热器入口蒸汽温度可以有效地调节出口温度,这是应用较广的一种汽温调节方 法,改变入口汽温的主要方法是直接喷减温水。 当然,由于直接喷水,混合式减温,相应地也要引起蒸汽流量的变化。运行实践证明, 过热器出口汽温的动态特性和减温器的位置有关, 减温器离过热器出口处越远, 或者过 热器管道越长, 过热器出口汽温变化的滞后也就越大。 采用减温器作为过热汽温的调节 手段时,要求有足够的调节余量,一般在减温水门关死的情况下、锅炉出力最大时,汽 温要高于给定值约 30~40℃。 当采用喷水减温来调节过热汽温时,一般把过热器分成两个区域,如图 2-2 所示。θ2 (减温器后汽温)测点前称为导前区,θ2 测点以后称为惰性区,其传递函数分别用 W1 (S) 、W2(S)表示,整个被控对象的传递函数则用 W(S)来表示。
减温器

喷水调门

Θ2

Θ1

图 2-2 喷水减温式过热汽温动态特性

?41?

通过进行减温水阶跃扰动试验,如图 2-3 所示,

W1(S)

W2(S) W(S)

Q1

图 2-3 喷水式减温水扰动时的导前汽温和出口汽温动态特性 由图 2-3 图可看出,过热器出口汽温θ1(主汽温)和导前汽温θ2(减温器后汽温)的 动态特性都是有滞后的,但θ2 的滞后小,而θ1 的滞后则较大,θ1、θ2 都具有自平衡 能力,在减温水流量 W 阶跃扰动下,θ1、θ2 最后分别能稳定在θ1(∞)和θ2(∞) 值,导前汽温的响应速度和变化幅值均大于出口汽温。 根据图中的特性参数,利用切线法等,可以获取整个被控对象的传递函数 W(S) 和导前汽温θ2 的动态特性传递函数 W2(S) ,可以求出汽温控制对象和导前区的传递函 数,其中出口汽温控制对象的传递函数为:

W ( s) ?
式中

?1 ( s)
W ( s)

?

K (1 ? T s)
n

K——整个汽温的放大系数;

T、n——分别为整个汽温对象的时间常数和阶数。 导前区的传递函数为:

W2 ( s) ?

? 2 ( s)
W ( s)

?

K2 (1 ? T2 s) n2

式中 K2——导前区的放大系数 T2、n2——导前区惯性环节的时间常数和阶数。 在控制系统分析及调器参数整定计算中,我们常常要用到惰性区的传递函数 W1(S)= △θ1/△θ2。由于无法直接测出惰性区的传递函数,只好用整个汽温对象的传递函数 W (S)和导前区的传递函数 W2(s) 来计算 W1(S) ,其计算公式如下:

K1 ?
T1 ?

K K2
nT 2 ? n2T2 nT ? n2T2
2

n1 ?

(nT ? n2T2 ) 2 nT ? n2T2
?42?

由此可得惰性区的传递函数:

W1 ( s) ?

?1 ( s) K1 ? ? 2 ( s) (1 ? T1s) n

1

以上分析了影响汽温的两种主要扰动。 汽温被控对象在不同的扰动作用下, 其动态特性 参数(τ、Τ、ρ)有较大的变化。例如,对于一般高、中压锅炉采用喷水减温,当减 温水扰动时,汽温的响应时间 T≈100s,滞后时间τ≈30~60s。

?43?

第三节 过热汽温控制系统结构
常规的主汽温控制方案大致有两种形式: 一种是串级汽温控制系统; 另一种是具有导前 汽温微分信号的双回路控制系统。 这里以某 300MW 单元机组前馈-串级分段控制方案为例,介绍汽温控制系统的控制策 略。其过热蒸汽流程简图如图 2-4 所示。

汽包所产生的饱和蒸汽先流经低温对流过热器进行低温过热,然后依次流经前屏过热 器、 后屏过热器和高温对流过热器后送入汽轮机。 屏式过热器和高温对流过热器均为左、 右两侧对称布置, 在前屏过热器、 后屏过热器和高温对流过热器的入口分别装设了Ⅰ级、 Ⅱ级和Ⅲ级喷水减温器, 以调整屏式过热器出口汽温和高温段过热器出口汽温, 其中Ⅱ 级和Ⅲ级喷水减温器均是左、右两侧对称布置。由于该机组过热器管道较长,结构和布 置较复杂, 过热汽温控制系统采用了前馈-串级分段控制方案, 与一般的过热汽温分段 控制方案相比, 在克服内扰、 外扰及左、 右两侧汽温的相互干扰方面, 有它的独到之处。

减温器 蒸汽 低温对流过热器

Θ61

Θ51

Θ41

Θ31

Θ21 Θ1

Θ62

Θ52

Θ42

Θ32

Θ22
高温对流过热器

前屏过热器

后屏过热器

Ⅰ级喷水

Ⅱ级喷水

Ⅲ级喷水

图 2-4 某 300MW 机组过热蒸汽流程简图

一 Ⅰ级减温控制系统
?44?

该系统由 3 段相对独立的串级汽温控制系统构成。第 1 段设计成一般的串级控制系统, 以前屏过热器入口汽温θ6 作为导前汽温信号, 通过控制Ⅰ级减温器的喷水量来维持前 屏过热器出口汽温θ5 为给定值,Ⅰ级减温控制系统原理图如图 2-5 所示:

Θ5
△ K TR S

Θ6

△ K TR S

A/M T TR

A

I

T

I

f(x) Ⅰ级喷水调节门压力

ZT

图 2-5Ⅰ级减温控制系统原理图

二 Ⅱ级减温控制系统

第 2 段设计成前馈-串级控制系统,以后屏过热器入口汽温θ4 为导前汽温信号,通过 控制Ⅱ级减温器的喷水量来维持后屏过热器出口汽温θ3 为给定值, 并采用了积分器控 制左、右两侧汽温的方案。由于烟气量是对主蒸汽温度的直接扰动,烟气量的变化使主 汽温变化很大, 因此控制系统引人锅炉总风量信号作为前馈作用, 通过函数发生器组件 进入级喷水回路.用于消除锅炉负荷变化时对主汽温的影响。同时,还引入第 3 段控制
?45?

系统中主调的输出信号作为前馈信号;

P1

Θ3
∑ K TR + ∑ + - ∑ △ S PI1

Θ4

f(x)

前馈信号



△ K TR S

PI2 ∑/2

校正信号 +

+ ∑

+ - ∑

A/M T TR

A/M T TR

A

I

T

I

f(x)

ZT

f(x)

ZT

Ⅰ级喷水调节阀A

Ⅱ级喷水调节阀B

图 2-6Ⅱ级减温控制系统原理图

三 Ⅲ级减温控制系统 第 3 段设计成双副调控制左、 右两侧汽温的串级控制系统, 以高温对流过热器入口汽温 θ2 为副参数,通过控制Ⅲ级减温器的喷水量,以保持高温对流过热器出口汽温住汽温 θ1 满足要求。
?46?

P1

Θ1
∑ K TR △ S ∑/2

Θ22

f(x)

Θ21

△ K TR S K

△ S TR

A/M T TR

A/M T TR

A

I

T

I

f(x)

ZT

f(x)

ZT

Ⅰ级喷水调节阀A

Ⅱ级喷水调节阀B

图 2-7Ⅲ级减温控制系统原理图

?47?

第四节 汽温控制系统细节分析
一 左右侧平均温度的求取 这里的 3 段汽温控制系统均采用串级控制,结构相似,该系统的主要特点体现在第 2 段控制系统上,见图 2-6。 该段控制系统是以后屏过热器出口汽温θ3 为被调量,以后屏过热器入口汽温θ4 为导 前汽温信号的串级控制系统。因为后屏过热器为左、右两侧对称布置,所以正常情况下 切换开关 T1、T2 切向 NC,θ3 取左、右两侧后屏过热器出口汽温的平均温度,当任何 一侧变送器故障时, 通过逻辑信号使该路 T1 或 T2 切向 NO, θ3 取正常一侧的汽温信号, 同时发出声、光报警,系统切手动,待故障变送器切除后,系统才正常运行,θ4、θ5、 θ6、以类似得方法获得。如图 2-8 所示:

Θ31
NC T1 N0 N01

Θ32
NC T2

∑/2

Θ3
图 2-8 左右侧平均温度的求取

前馈信号的组成 θ3 的给定值信号根据锅炉负荷大小来确定, 代表锅炉负荷大小的汽机调速级压力信号 P 经函数模块 F(X)转换后和定值器 A 给出的定值信号相加作为θ3 的给定值信号送入 第 2 段系统的主调节器 PI1,主调节器的输出和导前汽温信号θ4(亦取左、右两侧平
?48?

均值)送入第 2 段系统的副调节器 PI2。 该系统中的前馈信号由两部分组成,如图 2-9 所示。一部分是锅炉总风量信号 AF,将 AF 作为前馈信号也送到 PI2 的入口,这样可提前控制Ⅱ级减温水量,消除负荷侧扰动, 提高控制质量。 另一部分是第 3 段汽温控制系统中主调节器的输出信号, 在整个过热汽 温控制系统中,屏式过热器以辐射过热为主,而高温对流过热器为对流传热,对于这种 传热方式不同的过热器, 为防止负荷变化时Ⅱ级减温器和Ⅲ级减温器的喷水量相差很大 (l 个增加, l 个减少) , 在系统中将第 3 段汽温控制系统的主调节器的输出信号经函数 模块 F(x) 、F(t)转换后送到第 2 段控制系统的副调节器 PI1 的入口,作为第 2 段控 制系统的前馈信号,这样,当负荷增加时,主汽温θ1 上升,第 3 段系统中主调节器的 输出信号将使Ⅲ级减温器的喷水量增加,以保持θ1 值恒定,该信号经 F(x)运算后送 到第 2 段系统中副调节器的入口, 将使Ⅱ级减温器的喷水量也增加, 从而使Ⅱ级和Ⅲ级 减温器的喷水量大体相当。 同时, Ⅱ级减温器的多喷水量对高温段对流过热器出口汽温 θ3 来说有超前的调节作用。这样,各段过热器喷水量接近均匀,保证了过热器的安全 运行。

总风量信号AF

f(x) ∑/2 前馈信号

第3主调输出

f(x)

f(t)

图 2-9 前馈信号的形成

二 左右侧温差的校正信号

PI2 的输出同时送入甲乙侧手/自动操作器 AM 去分别控制左、右两侧Ⅱ级减温器的喷 水调节阀 A 和 B 的开度,以维持左、右两侧后屏过热器出口汽温θ3 为给定值。 系统中设计有左右侧汽温偏差校正回路,如图 2-10 所示,将左、右两侧后屏过热器出 口汽温温差经函数模块 F(x) (相当于一个带死区的非线性环节)转换后,送入积分器 进行积分,然后分别和副调节器 PI2 的输出进行相加和相减后,分别送入左右侧 AM, 这样,当左右两侧有较大的汽温偏差时,积分器作用使左右侧减温水调节门动作,保证
?49?

了左、右两侧后屏过热器出口汽温相差不大。

Θ31Θ32
+ ∑ -

f(x)

0 A

△ ∫

校正信号
图 2-10 左右侧温差校正信号的形成 三 减温水调节门的强关逻辑 当发生主燃料跳闸(MFT) 、汽轮机跳闸或主蒸汽流量低于 25%时,系统设计了强关减 温水调门的控制逻辑,如图 2-11 所示。在逻辑信号作用下,左右侧 AM 强迫切手动,T3 切向 NO,左右侧输出均为 0,喷水减温调节阀门 A 和 B 关闭,以防止θ3 值偏低。为了 防止阀门 A 和 B 漏流的影响,系统中专门设置了减温水截止阀,由逻辑信号控制,需要 减温水时其将全部打开,不需要时其将全部关闭。

A/M T TR

A =0 N0 T3 NC

?50?

图 2-11 减温水调节门的强关逻辑 当两侧Ⅱ级减温水调节阀都手动时,主调节器 PI1 的输出跟踪θ4 和前馈信号之差,以 防止主调节器的输出积分饱和,同时,副调节器 PI2 的输出跟踪左、右两侧阀位信号的 平均值。从而保证系统从手动切换到自动时是无扰动的。 四 双副回路调节器的应用 第 3 段控制系统和第 2 段控制系统结构稍有不同。 由于第 3 段系统对负荷扰动反应较第 2 段灵敏,并θ1 要求的控制精度比第 2 段系统要高,故第 3 段系统采用了 1 个主调节 器、2 个副调节器(PI4、PI5) ,主调节器的输出同时送入 2 个副调节器,2 个副调节器 还分别接受左、右两侧高温对流过热器的入口汽温θ2 为导前汽温信号,它们的输出经 手/自动操作器(3AM、4AM)去分别控制左、右两Ⅲ侧级喷水减温阀 A 和 B 的开度,这 样当任一侧发生内扰时(例如减温水量的自发性扰动) ,可以通过该侧副环加强该侧减 温水调节阀的动作,可快速消除扰动,而另一侧减温水调节阀基本不动作,从而减少了 左、 右两侧后屏过热器出口汽温在调节过程中的相互影响, 有效地避免了高温对流过热 器出口汽温在调节过程中的相互影响, 由于和第 2 段系统中采取的方案不一样, 所以第 3 段系统比第 2 段系统更好地克服了左、右两侧气温在调节过程中的相互干扰。 五 系统的特点 相对于常规的串级调节系统,这里的汽温调节系统具有如下几点特点: 1 该过热汽温控制系统采用分段控制,且各段均采用串级控制,并引入总风量信号作

为前馈信号,因此可以改善负荷变化对汽温的影响,提高了系统的控制品质。 2 该过热汽温控制系统克服了一般的分段汽温控制系统在负荷变化时,对流过热器和

辐射过热器减温喷水量相差很大的缺点,可提高控制品质,保证了过热器的安全运行。 3 该过热汽温控制系统采用了 2 种不同的控制方案, 用来克服左、 右两侧汽温在调节

过程中的相互影响,减少了过热汽温的波动,提高了被控参数的稳定性。

?51?

第五节 再热汽温控制系统结构

再热汽温控制系统的任务是维持再热蒸汽温度为给定值, 因为再热汽温过高可能损坏设 备,而再热汽温过低则不能保证机组的效率。目前,再热汽温的控制方法有以下两种: 再热蒸汽温度控制的主要手段是通过改变尾部烟道出口处再热烟气挡板的开度来控制 再热汽温, 锅炉的尾部烟道由分隔墙分成过热烟道和再热烟道, 过热器和再热器分别安 装在相应的烟道中。 改变烟气档板开度使再热蒸汽与烟气的热交换量变化, 达到控制再 热汽温的目的。

控制再热蒸汽温度的另一个手段是喷水减温, 它是一种辅助控制手段。 当烟气挡板开度 已经无法或来不及控制且再热汽温又高于一定值时, 则采用自动紧急喷水的方法, 以快 速降低再热汽温。 由于再热器用喷水减温的方法会降低机组热效率. 故一般希望只有当 再热汽温过高的情况下,才使用喷水调节。

一 再热汽温烟道挡板控制回路 再热汽温烟道挡板控制回路采用单回路 PI 控制系统。 如图 2-12 所示。 再热蒸汽温度定值随负荷变化而变化。 同时引入总燃料量信号 BD 作为 前馈信号, 由于再热器布置于烟气对流区, 流经再热器烟气流量的变化会影响到再热汽 温。烟气流量增加,则使再热汽温升高。因此,在烟道档板控制回路中采用总燃料量信 号作为控制再热挡板和过热挡板的前馈信号。 调节器的输出加上前馈信号后, 分别通过 两个特性相反的函数发生器产生调节反向相反的控制信号, 分别送往过热烟道挡板和再 热烟道挡板。

系统的调节过程:当机组负荷增加时,对流换热增强,将使再热蒸汽温度升高,并可能 超过当时负荷下的设定值。这使调节器的输出增加,加上增加的前馈信号,正方向作用 到过热烟道挡板上, 同时反方向作用到再热烟道挡板上, 从而减少了流经再热器的烟气, 使再热汽温降低到设定值上。

?52?

注意,对两侧的烟道挡板都不能关得太小,所以,这里要设置下限值。

Θ
△ K TR S

P1

BD

f(x)



f(x)

f(x)

f(x)

A/M T TR

A/M T TR

T

I

T

I

f(x)

ZT

f(x)

ZT

过热器烟道挡板

再热器烟道挡板

图 2-12 再热汽温烟道挡板控制回路 二 再热汽温减温水控制回路 再热蒸汽减温水控制回路为带以燃料量为前馈信号的串级调节系统, 被调量为再热蒸汽 温度, 设定值要设定的比烟道挡板控制回路的设定值偏高一些, 这样可以实现在烟道挡 板控制出现超出控制范围的情况时,才投入喷水,进行减温控制,既防止再热器超温, 又保证机组的热效率。以减温器出口温度作为导前温度,构成调节副回路,快速消除系 统内扰。

?53?


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热控标准清单_能源/化工_工程科技_专业资料。热控标准清单序号 1 2 3 4 5 ...系统试验导则 火力发电厂热自动化系统检修运行维护规程 汽轮机电液调节系统...
热控保护系统是火力发电厂一个十分重要的
热控保护系统是火力发电厂一个十分重要的、 不可缺少的组成部分, 对提高机组主...火力发电厂热控自动调节... 57页 2下载券 完善电厂热工保护系统可... 3页...
有关火电厂热控调试中的技术创新讨论
【摘要】火力发电厂热控系统,关系到整个发电厂的...随着热控自动化程度的提高,对热控元件的可 靠性...调整锅炉的燃烧程度和保障锅炉内一、二次风的混合...
火电厂热工自动化系统的品质优化
当前的一项基本国策,火力发电厂则是节能减排的重点对象, 牵涉到规 划、 设计、管理、运行、设备优化等很多方面, 其中仪表和控制系统即热工自动化系统的内 容也...
提高火力发电厂热控系统可靠性的探讨
提高火力发电厂热控系统可靠性的探讨 【摘要】 本文..., 也是反映火力发电厂自动化水平的 重要标志之一。...1.2.2 正确启动和停运变送器 变送器调校前,腔...
火力发电厂电气-热控一体化控制技术的探讨
火力发电厂电气-热控一体化控制技术的探讨_电力/水利_工程科技_专业资料。火力...要求火电厂要具备自动化的信息系统,所以,一些发电公司将 数字化电厂的理念提了...
热控专业标准汇编目录
火力发电厂热自动化术语 DLT711-1999 汽轮机调节控制系统试验导则 DLT774-...工自动化系统调试规程 DLT838-2003 发电企业设备检修导则 DLT855-2004 电力基本...
关于火力发电厂的常见热控保护技术的探讨
关于火力发电厂的常见热控保护技术的探讨 【摘要】 ...了热控保护技术有关的基本概念及其在火电厂中的应...近些年,DCS 控制系统的成熟与发展推动了热工的自动...
简析火力发电厂热控系统可靠性的技术
Reliability analysis; Technology optimization 1 前言 随着火力发电厂机组容量的增大和运行参数的提高 , 热控系统已成为整 个机组的一个十分重要的、不可缺少的组成...
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