【正文】 控制方法、各種智能控制方法 (包括模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等等 )。除此之外 還有綜合了幾種控制形式的混合式智能控制器等多種形式，如以模糊控制為基礎(chǔ)的專家模糊控制系統(tǒng)，最常見的是以常規(guī) PID 數(shù)字控制為基礎(chǔ)，通過專家系統(tǒng)在線實(shí)時(shí)整定 PID 控制參數(shù)，即智能自適應(yīng) PID 控制器 [2]。 一長(zhǎng)春理工大 學(xué) 本科 畢業(yè) 設(shè)計(jì) 2 直以來，國內(nèi)外許多專家學(xué)者都在積極研究將這些新的控制算法應(yīng)用到過熱蒸汽溫度的控制上。目前比較有效的是模糊 PID 復(fù)合串級(jí)控制系統(tǒng)，較好實(shí)現(xiàn)對(duì)過熱蒸汽溫度的控制。 本次設(shè)計(jì)的目的 本文的設(shè)計(jì)目的，就是針對(duì)過熱蒸汽溫度的特點(diǎn)，在深入分析過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)的過程，過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)對(duì)象的靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性以及過 熱蒸汽溫度控制的設(shè)計(jì)難的基礎(chǔ)上，確定在過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)中應(yīng)用串級(jí)控制的可行性，并考慮根據(jù)蒸 汽溫度偏差和偏差的變化情況調(diào)整控制器的各個(gè)參數(shù)， 實(shí)現(xiàn)控制過熱蒸汽溫度。并且通過仿真驗(yàn)證來控制效果。 本次設(shè)計(jì)的內(nèi)容 1．分析了過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)的任務(wù)，靜態(tài)特性，在蒸汽流量 擾動(dòng)、 煙氣流量擾動(dòng)、減溫水流量擾動(dòng)三種主要擾動(dòng)下過熱汽溫的動(dòng)態(tài)特性，過熱汽溫控制的難點(diǎn)和設(shè)計(jì)原則，并對(duì)過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀進(jìn)行了大致的介紹。 、大慣性的特點(diǎn)，尤其隨著機(jī)組容量和參數(shù)的增加，蒸汽的過熱受熱面的比 例加大，使其延遲和慣性更大，使其控制難度加大。在各種擾動(dòng)作用 下反映出非線性、時(shí)變等特性，從而進(jìn)一步加大了汽溫控制的難度。 介紹了串級(jí)控制系統(tǒng)和導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)，并加以分析、比較。 并對(duì)該系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行整定。 根據(jù)兩種方案的特點(diǎn)，初步選用串級(jí)控制系統(tǒng)， 將串級(jí)控制引入到過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)中， 但串級(jí)控制系統(tǒng)不能克服純之后帶來的影響，在接下來對(duì)串級(jí)控制系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)。 ，確定了一種引入改進(jìn)型 Smith 預(yù)估器的串級(jí)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)根據(jù)蒸汽溫度的偏差和偏差變化情況調(diào)整控制器的 PID 因子，進(jìn)而調(diào)整 了控制系統(tǒng)的控制策略，解決具有純遲延的過程控制，提高控制品質(zhì)。同時(shí)，通過相應(yīng)控制器去控制減溫水調(diào)節(jié)閥的閥位開度，根據(jù)調(diào)節(jié)減溫水的流量大小來控制過熱蒸汽溫度的變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)過熱蒸汽溫度控制。仿真結(jié)果表明，基 于改進(jìn)型 Smith 預(yù)估器對(duì)大慣性、純延遲系統(tǒng)具有較好的控制效果，提高了系統(tǒng)的魯棒性得以提高，使控制品質(zhì)變好。 長(zhǎng)春理工大 學(xué) 本科 畢業(yè) 設(shè)計(jì) 3 第 2 章 過熱 蒸 汽溫 度 控制系統(tǒng)的組成與對(duì)象 特性 這里主要是針對(duì) 300MW 的單元機(jī)組鍋爐，通過了解其高溫、亞臨界壓力、自然循環(huán)、單爐膛前后對(duì)沖燃燒、燃煤粉汽包爐，且汽輪機(jī)為單軸、三缸、 兩排汽、再熱、凝汽沖動(dòng)式，說明過熱器與再熱器在鍋爐中的位置及布置情況，從而全面掌握研究對(duì)象的生產(chǎn)過程，并熟悉其動(dòng)靜態(tài)特性及分析影響汽溫變化的各種因素。 過熱器的分類及基本結(jié)構(gòu) 過熱器的分類 過熱器可以根據(jù)傳熱方式分為對(duì)流過熱器、半輻射過熱器及輻射過熱器三種?，F(xiàn)代大容量高參數(shù)鍋爐的過熱器主要由對(duì)流過熱器，屏式過熱器，包覆過熱器，頂棚過熱器，聯(lián)箱及減溫器構(gòu)成 [3]。 （ 1）對(duì)流過熱器：布置在煙道內(nèi)，依靠熱煙氣對(duì)流傳熱的過熱器，稱為對(duì)流式過熱器。對(duì)流過熱 器是由聯(lián)箱和很多細(xì)長(zhǎng)的蛇形管束所組成 。 過熱器的進(jìn)出口聯(lián)箱放在爐墻外部，起著分配和匯集蒸汽的作用。蛇形管與聯(lián)箱上的管接頭焊接在一起。 （ 2）輻射過熱器：輻射過熱器可布置在燃燒室四壁，也稱墻式或壁式過熱器，或布置在爐頂，稱頂棚過熱器，直接吸收輻射熱。在做墻式布置時(shí)輻射過熱器的管子可以布置在燃燒室四壁的任一面墻上，可以僅布置在燃燒室上部，也可以沿燃燒室高度全部布置；它可以集中布置在某一區(qū)域，也可以與蒸發(fā)受熱面管子間隔布置。 （ 3）屏式過熱器和包覆過熱器 除了 以上 兩種過熱器，還有一種介于兩者之間的半輻射過熱器。最常用的半輻射過熱器是布置在燃燒 室上部或出口處的高溫?zé)焻^(qū)內(nèi)的屏式過熱器。 其 管屏懸掛在爐頂?shù)匿摿荷?，受熱后能自由的向下膨脹。為了保持各屏間的節(jié)距，可將相臨兩屏中的若干對(duì)管子彎繞出來互相夾持在一起，而各屏本身的管子也應(yīng)夾持在同一平面上。屏式過熱器的汽溫變化特性介于輻射與對(duì)流過熱器之間，所以變化也比較平穩(wěn)。 圖 21是布置在不同煙溫區(qū)域內(nèi)的過熱器的汽溫特性示意圖。從圖中可以看出，當(dāng)鍋爐負(fù)荷從 33%增加到滿負(fù)荷時(shí)，曲線 1 所示的屏式過熱器的汽溫變化非常平穩(wěn)，僅上升了 10℃；曲線 2 和 3所示的對(duì)流過熱器的汽溫上升了 42℃和 50℃；而曲線 4代表的 輻射過熱器的汽溫卻大幅下降了。由于屏式過熱器具有過熱汽溫平穩(wěn)的特點(diǎn)，在現(xiàn)代大型鍋爐上廣泛地采用了這種過熱器。 為了得到較好的傳熱效果，最好把屏式過熱器布置在煙溫為 950— 1050℃的煙道中 。根據(jù)已采用屏式過熱器的許多鍋爐運(yùn)行實(shí)踐證明，它能夠在 1000— 1300℃ 煙溫區(qū)內(nèi)可靠工作，并具有良好的汽溫變化特性。 長(zhǎng)春理工大 學(xué) 本科 畢業(yè) 設(shè)計(jì) 4 1布置在煙溫 1200℃區(qū)域的屏式過熱器； 3布置在煙溫為 1000℃ 和 900℃區(qū)域內(nèi)的對(duì)流過熱器； 4布置在燃燒室內(nèi)的輻射過熱器 圖 21 布置在不同煙溫區(qū)域內(nèi)的過熱器氣溫特性 過熱器的基本結(jié)構(gòu) 300MW 單元機(jī)組是是我國火力發(fā)電機(jī)組的主 要 型號(hào) 。 300MW 機(jī)組鍋爐的過熱器，具體結(jié)構(gòu) 如 圖 22所示。 該 過熱器具有以下特點(diǎn)：由于過熱蒸汽參數(shù)高，爐膛內(nèi)布置大量屏式過熱器。采用輻射式、半輻射式和對(duì)流過熱器聯(lián)合過熱系統(tǒng)，以獲得良好的過熱蒸汽溫度變化特性。低溫過熱器采用逆流布置，以便獲得較大的傳熱溫差，從而節(jié)約鋼材。 1汽包； 2前屏過熱器； 3后屏過熱器； 4頂棚過熱器； 5側(cè)墻包覆過熱器； 6后墻包覆過熱器； 7低溫對(duì)流過熱器； 8第一級(jí)減溫器； 9第二級(jí)減溫器； 10高 溫對(duì)流過熱器 圖 22 300MW 機(jī)組過熱器系統(tǒng)圖 長(zhǎng)春理工大 學(xué) 本科 畢業(yè) 設(shè)計(jì) 5 采用兩級(jí)噴水減溫，一是為了使汽溫調(diào)節(jié)更靈敏，減小熱慣性，二是為了保護(hù)過熱器。第一級(jí)噴水減溫器布置在前屏過熱器之后，用來調(diào)節(jié)因負(fù)荷、給水溫度和燃 料性質(zhì)變化而引起的汽溫變化，為粗調(diào)。 第二級(jí)噴水減溫器布置在高溫對(duì)流過熱器之前，這一級(jí)熱慣性小，可保證出口汽溫能得到迅速調(diào)節(jié)。減溫器共有四只，每級(jí)安裝兩只，每只噴水量為每級(jí)噴水量的一半。 蒸汽流程為：飽和蒸汽由汽包引出后經(jīng)一部分頂棚過熱器進(jìn)入側(cè)墻和后墻包覆過熱器，流出后在聯(lián)箱內(nèi)混合，進(jìn)入低溫對(duì)流過熱器，出來后再經(jīng)過另一 部分頂棚過熱器進(jìn)入前屏過熱器，流出后經(jīng)過第一級(jí)噴水減溫器減溫，再進(jìn)入后屏過熱器，流出后經(jīng)過第二級(jí)減溫器減溫，進(jìn)入高溫對(duì)流過熱器完成最后一次過熱后，送往汽輪機(jī)。 鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與工作原理 這 里針對(duì) 300MW 機(jī)組鍋爐的過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)為設(shè)計(jì)對(duì)象，對(duì)其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行介紹。 該 300MW 機(jī)組鍋爐的過熱蒸汽溫度控制采用二級(jí)噴水減溫控制方式。過熱器設(shè)計(jì)成兩級(jí)噴水減溫方式，除可以有效減小過熱蒸汽溫度在基本擾動(dòng)下的延遲，改善過熱蒸汽溫度的調(diào)節(jié)品質(zhì)外，第一級(jí)噴水減溫還 具有防止屏式過熱器超溫、確保機(jī)組安全運(yùn)行的作用。 本機(jī)組鍋爐過熱器一、二級(jí)噴水減溫器的控制目標(biāo)就是在機(jī)組不同負(fù)荷下維持鍋爐二級(jí)減溫器入口和二級(jí)減溫器出口的蒸汽溫度 為設(shè)定值。 過熱器 一 級(jí)減溫控制系統(tǒng) 過熱器一級(jí)減溫控制系統(tǒng)的原理簡(jiǎn)圖如圖 23 所示。該系統(tǒng)是在一個(gè)串級(jí)雙回路控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，引入前饋信號(hào)和防超溫保護(hù)回路而形成噴水減溫控制系統(tǒng)。主回路的被控量為二級(jí)減溫器入口的蒸汽溫度，其實(shí)測(cè)值送入主回路與其給定值進(jìn)行比較，形成二級(jí)減溫器入口蒸汽溫度的偏差信號(hào)。主回路的給定值由代表機(jī)組負(fù)荷的主蒸汽流量 信號(hào)經(jīng)函數(shù)器 f(x)產(chǎn)生，其含義為給定值是負(fù)荷的函數(shù)。運(yùn)行人員在操作員站上可對(duì)此給定值給予正負(fù)偏置。主回路的控制由 PID1 來完成。主回路控制器接受二級(jí)減溫器入口蒸汽溫度偏差信號(hào)，經(jīng)控制運(yùn)算后其輸出送至副回路。 副回路的被控量為一級(jí)減溫器出口的蒸汽溫度。其溫度的測(cè)量值送入副回路與其給定值進(jìn)行比較，形成一級(jí)減溫器出口蒸汽溫度的偏差信號(hào)。副回路的給定值是由主回路控制器的輸出與前饋信號(hào)疊加形成。副回路采用 PID2 調(diào)節(jié)器，它接受一級(jí)減溫器出口蒸汽溫度的偏差信號(hào)。 長(zhǎng)春理工大 學(xué) 本科 畢業(yè) 設(shè)計(jì) 6 圖 23 過熱器一級(jí)減溫控制系統(tǒng) 由于機(jī)組的負(fù)荷會(huì) 改變，控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性也隨之而變，為了在較大的負(fù)荷變化范圍內(nèi)都具備較高的控制品質(zhì)，在大型機(jī)組的蒸汽溫度控制中，可充分利用計(jì)算機(jī)分散控制的優(yōu)點(diǎn)，將主、副調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)成自動(dòng)隨著負(fù)荷的變化不斷地修改整定參數(shù)的調(diào)節(jié)器，上述蒸汽溫度控制系統(tǒng)就是如此。 過熱器 二級(jí)減溫控制系統(tǒng) 過熱器二級(jí)減溫控制系統(tǒng)的原理簡(jiǎn)圖如圖 24 所示。該系統(tǒng)與一級(jí)減溫控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)基本相同 ，不同之處在于：主、副調(diào)節(jié)器輸入的偏差信號(hào)不同，采用的前饋信號(hào)也不同。 二級(jí)減溫控制系統(tǒng)的主回路的被控量為二級(jí)過熱器的出口蒸汽溫度，該蒸汽溫度與主 回路的給定值進(jìn)行比較，形成二級(jí)過熱器出口蒸汽溫度偏差信號(hào)，主回路的給定值由運(yùn)行人員手動(dòng)設(shè)定，對(duì)于 300MW 機(jī)組在正常負(fù)荷時(shí)，給定值一般為 540℃ 。 副回路的被控量為二級(jí)減溫器出口蒸汽溫度，其溫度的測(cè)量值送入副回路與其給定值比較，形成二級(jí)減溫器出口蒸汽溫度的偏差信號(hào)。副回路給定值是上主回路控制器的輸出與前饋信號(hào)疊加而形成的。 二級(jí)減溫控制的主回路前饋信號(hào)采用了基于焓值計(jì)算的較為完善的方案。其前饋信號(hào)有主蒸汽溫度和壓力的給定值的函數(shù)，還有主蒸汽流量代表機(jī)組負(fù)荷以及送風(fēng)量、燃燒器火嘴擺動(dòng)傾角等。 長(zhǎng)春理工大 學(xué) 本科 畢業(yè) 設(shè)計(jì) 7 圖 24 過 熱器二級(jí)減溫控制系統(tǒng) 除了以上內(nèi)容外，二級(jí)減溫控制系統(tǒng)的其他部分以及工作原理與一級(jí)減溫控制系統(tǒng)完全相同。由于二級(jí)過熱器蒸汽溫度控制是鍋爐出口蒸汽溫度的最后一道控制手段，為了保證汽輪機(jī)的安全運(yùn)行，要求盡可能提高鍋爐出口蒸汽溫度的調(diào)節(jié)品質(zhì)。因此本次設(shè)計(jì)主要是對(duì) 二級(jí)減溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使機(jī)組在不同負(fù)荷下維持鍋爐二級(jí)減溫器入口和二級(jí)減溫器出口的蒸汽溫度為設(shè)定值。 過熱蒸汽溫度控制對(duì)象的動(dòng)靜態(tài)特性 靜態(tài)特性 對(duì)于對(duì)流式過熱器來說，當(dāng)鍋爐的負(fù)荷增加時(shí)，會(huì)使出口汽溫的 穩(wěn)態(tài)值升高；輻射式過熱器則具有相反的汽溫特性，即當(dāng)鍋爐的負(fù)荷增加時(shí)，會(huì)使出口汽溫 的穩(wěn)態(tài)值降低。如果兩種過熱器串聯(lián)配合，可以取得較平坦的汽溫特性。 長(zhǎng)春理工大 學(xué) 本科 畢業(yè) 設(shè)計(jì) 8 過?？諝饬扛淖儠r(shí)，燃燒生成的煙氣量改變，因而所有對(duì)流受熱面吸熱隨之改變，而且對(duì)離爐膛出口較遠(yuǎn)的受熱面影響顯著。因此，當(dāng)增大過剩空氣量時(shí)將使過熱汽溫上升。 提高給水的溫度，將使過熱汽溫下降，這是因?yàn)楫a(chǎn)生每千克蒸汽所需的燃料量減少了，流過過熱器煙氣也就減少了。也可以認(rèn)為：提高給水溫度后，在相同燃料下 ，鍋爐的蒸發(fā)量增加了，因此過熱汽溫將下降。則是否投入高壓給水加熱器將使給水溫度相差很大，這對(duì)過熱汽溫有顯著的影響。 在爐膛內(nèi)投入高度不同的燃燒器或改變?nèi)紵鞯臄[角會(huì)影響爐內(nèi)溫度分布和爐膛出口煙溫，因而也會(huì)影響過熱汽溫，火焰中心相對(duì)提高時(shí)，過熱汽溫將升高。 動(dòng)態(tài)特性 目前，單元機(jī)組廠廣泛采用噴水減溫方式來控制過熱蒸汽溫度。影響汽溫變化的因素很多，但主要有蒸汽流量、煙氣傳熱量和減溫水量等。在各種擾動(dòng)下，汽溫控制對(duì)象是有 延遲 、慣性和自平衡能力的 [4]。 引起蒸汽流量擾動(dòng)的原因有兩個(gè)：一是蒸汽母管的壓力變化； 二是汽輪機(jī) 調(diào)節(jié)閥的開度變化。 當(dāng)鍋爐負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)，蒸汽流量的變化使沿整個(gè)過熱器管路長(zhǎng)度上各點(diǎn)的蒸汽流速幾乎同時(shí)改變，從而改變過熱器的對(duì)流放熱系數(shù)，使沿整個(gè)過熱器各點(diǎn)的蒸汽溫度幾乎同時(shí)改變，因而汽溫反應(yīng)較快。 其傳遞函數(shù)可以表示為： 2 ()() ( ) 1 sDDSKW S eD S T S ???? ? (21) 式中 ： KD—鍋爐負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)被控對(duì)象的放大系數(shù) ； ?一負(fù)荷擾動(dòng)后對(duì)象的滯后時(shí)間； TD— 對(duì)象的時(shí)間常數(shù)。 從階躍響應(yīng) 曲線可知，其特點(diǎn)是：有延遲、有慣性、有自平衡能力，但其延遲和慣性都比較小，即時(shí)間常數(shù) 和滯后時(shí)間 都比較小 ,且 較小。動(dòng)態(tài)特性曲線如圖 25（ a） 所示。 長(zhǎng)春理工大 學(xué) 本科 畢業(yè) 設(shè)計(jì) 9 (a)蒸汽量 D 或煙氣傳熱量 Q 擾動(dòng) （ b）減溫水 WS擾動(dòng) 圖 25 在擾動(dòng)下溫度的變化曲線 當(dāng)燃料量、送風(fēng)量或煤種等發(fā)生變化時(shí) ，都會(huì)引起煙氣流速和煙氣溫度的變化 ，導(dǎo)致過熱器出口溫度的變化。煙氣側(cè)擾動(dòng)的汽溫響應(yīng)曲線如圖 25（ a） 所示。它與蒸汽量擾動(dòng)下的情況類似。煙氣熱量的擾動(dòng)也幾乎同時(shí) 影響過熱器管道長(zhǎng)度方向各處的蒸汽溫度，故它是一個(gè)具有自平衡 能力、滯后和慣性都不大的對(duì)象，其傳遞函數(shù)可表示為一個(gè)二階系統(tǒng)，見式 (22) 2 2212() 1() ( ) 1SSWS S T S T S? ???? ?? (22) 式中： ()SS? 為煙氣溫度