【文章內(nèi)容簡介】 線可知，其特點是：有延遲、有慣性、有自平衡能力，但其延遲和慣性都比較小，即時間常數(shù) TD 和滯后時間 ? 都比較小，且 ? 幾較小。動態(tài)特性曲線如圖 22: 圖 22鍋爐負荷擾動下過熱器出口汽溫的階躍響應曲線 煙氣熱量擾動下過熱汽溫對象的動態(tài)特性 煙氣傳熱量擾動引起的原因很多，如給粉機給粉不均勻、煤中水分改變、蒸發(fā)受熱面結渣、過?？諝庀禂?shù)改變、汽包給水溫度變化、燃燒火熾中心位置改變等。當煙氣熱量擾動 (煙氣溫度和流速產(chǎn)生變化 )時，由于煙氣流速和溫度的變化也是沿整個過熱器同時改變的，因而沿過熱器整個長度使煙氣傳遞熱量也同時變化，所以汽溫反應較快，時間常數(shù)和延遲均比其它擾動小。和蒸汽流量擾動的影 16 響類似，煙氣熱量的擾動也幾乎同時影響過熱器管道長度方向各 處的蒸汽溫度，故它是一個具有自平衡能力、滯后和慣性都不大的對象，其傳遞函數(shù)可表示為一個二階系統(tǒng)，即： 式中： T 為煙氣溫度 但對象特征總的特點是：有遲延，有慣性，有自平衡能力，其動態(tài)特性曲線如圖 23 所示： 圖 23煙氣熱量擾動下過熱汽溫的階躍響應曲線 減溫水量擾動下過熱汽溫對象的動態(tài)特性 常見的減溫方式有兩種：噴水式減溫和表面式減溫，前者的效果比后者好。減溫器一般裝在末級過熱器高溫段前面，一方面保護了過熱器高溫段；另一方面又改善了調節(jié)性能。這種過熱器的安裝方法與在飽和側裝設 表面式減溫器相比，延遲時間能減小 1／ 4。其動態(tài)特性曲線如下圖所示。從圖中可以看出，其特點也是有遲延、有慣性、有自平衡能力的。但是由于現(xiàn)代大型鍋爐的過熱器管路很長，因而當減溫水流量擾動時，汽溫反應較慢。 對于一般高、中壓鍋爐，當減溫水流量擾動時，汽溫的遲延時間 r=3060s， 17 時間常數(shù) T0≈ l00s，而當煙氣側擾動時 f≈ 10～ 20s， Zl00s 。 圖 24減溫水擾動下過熱器出 IZl汽溫的階躍響應曲線 由圖 24 可見，在減溫水流量擾動下，減溫器出口過熱汽溫 θl的響應比過熱器出口汽溫 θ2 快得多，可以肯定，在噴水減溫過熱蒸汽溫度調節(jié)系統(tǒng)中，以θl 作為導前信號構成串級調節(jié)系統(tǒng)，可大大改善控制系統(tǒng)的性能。在減溫水流量擾動下，導前汽溫的傳遞函數(shù)可表示為： 式中： Kl 一減溫水流量擾動下導前汽溫的放大系數(shù)； Tl 一為減溫水流量擾動下導前汽溫對象的時間常數(shù)； n1 一階數(shù)； 在減溫水流量擾動下，過熱汽溫的傳遞函數(shù)可表示為： 式中： K0一減溫水流量擾動下過熱蒸汽溫度的放大系數(shù)； T0為減溫水流量擾動下過熱蒸汽溫度的時間常數(shù) 18 0n 階數(shù)： 對象惰性區(qū)的傳遞函數(shù)可表示為： 式中： K2— 減溫水流量擾動下惰性區(qū)溫度的放大系數(shù)； T2一為減溫水流量擾動下惰性區(qū)溫度的時間常數(shù)； 2n 一階數(shù)； 由于惰性區(qū)的傳遞函數(shù)無法直接通過實驗求出，所以可由實驗得到的Kl、 Tl、 1n 和 K0、 T0、 0n 來求取，計算公式如下： 總的來說，根據(jù)對過熱蒸汽溫度調節(jié)對象做階躍擾動試驗得出的動態(tài)特性 曲線可知，它們均為有延遲的慣性環(huán)節(jié)，但各自的動態(tài)特性參數(shù)值有較大的差別。 19 第三章 過熱蒸汽溫度控制原理及方案設計 過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)采用兩級噴水減溫，這樣做的目的有兩個，一是為了使汽溫調節(jié)更靈敏，減小熱慣性，二是為了保護過熱器。第一級噴水減溫器布置在前屏過熱器之后，調節(jié)量較大且調節(jié)惰性大，用來調節(jié)因負荷、給水溫度和燃料性質變化而引起的氣溫變化，為粗調 。另外它還有保護屏式過熱器和對流過熱器受熱面的作用。第二級噴水減溫器布置在高溫對流過熱器（末級過熱器）之前，這一級熱慣性小，可保證出口汽溫能得到迅速調節(jié)。溫度器共有四只，每級安裝兩只，每只噴水量為每級噴水量的一半。減溫水源為自制冷凝水。目前，過熱汽溫的控制方案很多，而且隨著自動控制技術和計算機技術的不斷。 發(fā)展，新的控制方法不斷出現(xiàn)，汽溫控制的質量也不斷提高。傳統(tǒng)的汽溫控制系統(tǒng)有兩種：單回路控制系統(tǒng)和串級氣溫控制系統(tǒng)。 簡單蒸汽溫度控制系統(tǒng) 簡單回路控制蒸汽溫度系統(tǒng)主要由調節(jié)器和控 制對象組成 它們的特性將決定控制系統(tǒng)的控制質量，因此討論控制對象的特征參數(shù)和調節(jié)器的調節(jié)參數(shù)對控制質量的影響是非常必要的。對象動態(tài)特性是確定系統(tǒng)結構、調節(jié)器的控制規(guī)律、設置調節(jié)器參數(shù)的依據(jù)，那么根據(jù)對象動態(tài)特性和生產(chǎn)過程對控制質量的要求，確定調節(jié)參數(shù)的數(shù)值是控制系統(tǒng)投入前要做的一項重要工作。當然控制系統(tǒng)設計是否合理、控制儀表的安裝和調試是否正確等是控制系統(tǒng)能否使用的保障。簡單控制回路的結構示意圖如圖 31所示： 20 圖 31簡單控制回路的結構示意圖 從圖 31 可知該系統(tǒng)主要由被控對象 —— 過熱器管道，執(zhí)行 機構 —— 氣動噴水閥門 (執(zhí)行器 )，檢測變送部件 —— 熱電偶或溫度變送器，控制系統(tǒng)核心部件—— 控制器 (調節(jié)器 )組成。其中，被調量 (測量值 )—— 蒸汽溫度，調節(jié)量 (控制信號卜噴水流量，干擾信號 —— 爐膛燃燒工況。簡單蒸汽溫度控制系統(tǒng)原理方框圖如圖 32所示 : 圖 32簡單控制系統(tǒng)方框圖 過熱蒸汽控制系統(tǒng)的控制策略的設計 當蒸汽溫度的測量值等于設定值時，噴水閥門不動，則系統(tǒng)處在動態(tài)平衡狀態(tài)，此時，若爐膛燃燒工況發(fā)生變化使蒸汽溫度上升，造成給定值和測量值產(chǎn)生偏差，則偏差信號經(jīng)過控制器的方向判斷及 數(shù)學運算后，產(chǎn)生控制信號使噴水閥門開大，則減溫水流量增大。測量值最終回到設定值，系統(tǒng)重新回到平衡狀態(tài)。 21 復雜蒸汽溫度控制系統(tǒng) 簡單控制系統(tǒng)雖然是一種最基本的，使用最廣泛的控制系統(tǒng)，但是隨著火電廠鍋爐機組越來越向大容量、高參數(shù)和高效率的方向發(fā)展，生產(chǎn)系統(tǒng)日益復雜、系統(tǒng)的耦合性、時變性、非線性等特點顯得更加突出，對于這些復雜較難控制的過程，控制質量要求很嚴的參數(shù)，簡單控制系統(tǒng)就無能為力了。因此，需要改進控制結構，增加輔助回路或添加其它環(huán)節(jié)，組成復雜控制系統(tǒng)。目前關于蒸汽溫度控制系統(tǒng)主要有串級控制、前 饋控制和多變量解耦等控制，其中最普遍的是串級控制系統(tǒng)。 串級控制系統(tǒng)的特點 串級控制系統(tǒng)具有以下特點 : (1)串級控制系統(tǒng)具有很強的克服內(nèi)擾的能力系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)越大，穩(wěn)態(tài)誤差越小，克服干擾的能力也就越強，副調節(jié)器的放大倍數(shù)整定的越大，這個優(yōu)點越顯著。 (2)串級控制系統(tǒng)可以減小副回路的時間常數(shù)，改善對象動態(tài)特性，提高系統(tǒng)的工作頻率，當主、副對象都是一階慣性環(huán)節(jié)，主、副調節(jié)器都采用比例作用時，串級控制系統(tǒng)由于改善了對象的特性，從而使整個系統(tǒng)的工作頻率比單回路系統(tǒng)的工作頻 率有所提高，而且當主、副對象特性一定時，副調節(jié)器放大倍數(shù)越大，則工頻率越高。當主調節(jié)器采用其它調節(jié)規(guī)律時，上述特點也是適用的。這一特點說明即使在外擾作用下，由于副回路減小了對象的時間常數(shù)，使整個系統(tǒng)的工頻得以提高，因此仍能改善整個系統(tǒng)過渡過程的品質。 (3)串級控制系統(tǒng)具有一定的自適應能力，串級控制系統(tǒng)主回路是一個定值系統(tǒng)，其副回路是一個隨動系統(tǒng)，它的定值是主調節(jié)器的輸出，是一個隨機變化的量，主調節(jié)器按照被控對象的特性和擾動變化的情況，不斷地糾正著副調節(jié)器的給定值，副調節(jié)器使系統(tǒng)時間常數(shù)縮短能很快克服擾動 ，改善動態(tài)特性，也就是一種自適應能力。而采用單回路控制統(tǒng)就沒有這種隨動控制系統(tǒng)的作用。這種自適應能力可以從系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)偏差上出來，串級控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)偏差比單回路控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差要小得多，就在于前者具有一定的自適應力。 22 采用串級調節(jié)系統(tǒng)的條件 串級調節(jié)系統(tǒng)需滿足如下兩個條件： (1)控制對象可以分段。如圖 33所示的對象，在物理上可分為兩段，兩段的傳遞函數(shù)分別為 W0l(S) ，和 W02(S) ，整個對象的傳遞函數(shù)為W(S)=W01(S)W02(S)。 其中 W0l(S)稱作對象的 導前區(qū)， W02(S)稱為對象惰性區(qū) . 圖 33串級系統(tǒng)控制對象 (2)中間信號可測。在圖 33 中，中間信號 θ2 必須是可以測量的。 θl 為被調量，一般為系統(tǒng)的給定值，火電廠過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)符合這兩個條件。 ．串級調節(jié)系統(tǒng)的分析 根據(jù)在減溫水量擾動時，過熱蒸汽溫度有較大的容積遲延，而減溫器出口蒸汽溫度卻有明顯的導前作用，完全可以構成以減溫器出口蒸汽溫度為副參數(shù)， 主蒸汽溫度為主參數(shù)的串級控制系統(tǒng)，系統(tǒng)結構如圖 34所示。 系統(tǒng)中以減溫器的噴水為控制手段，在單回路控制主 汽溫 θ l(即將 θ1 作為主信號反饋到調節(jié)器，由調節(jié)器直接去控制閥門開度 )的基礎上增加一個對減溫水流量變化反應快的中間溫度信號 θ2 作為導前信號，增加一個副調節(jié)器，如圖 8 所示的串級控制信號系統(tǒng)。副調節(jié)器根據(jù) θ2信號控制減溫水閥，如果有某種擾動，蒸汽溫度 θ2比 θl 提早反映，使擾動引起的 θ2波動很快消除，從而使過熱蒸汽溫度基本不受影響。熱蒸汽溫度基本不受影響。 23 圖 34主汽溫串級控制結構圖 根據(jù)在減溫水量 WB 擾動時，過熱蒸汽溫度 θl 有較大的容積遲延。而減溫器出口蒸汽溫度 θ2 比過熱蒸汽溫度響應快得多，且它 的變化又可以預測過熱蒸汽溫度的變化趨勢，有明顯的導前作用，故可引入以 θ2 信號為導前信號。以 θl為被控量信號的串級控制系統(tǒng)，系統(tǒng)對應的原理框圖如圖 35所示。系統(tǒng)中有主、副兩個調節(jié)器，主調節(jié)器 WTl(S)接受過熱蒸汽溫度信號 θl，用于維持過熱蒸汽溫度，使其等于給定值；副調節(jié)器 WT2(S)接受主調節(jié)器的輸出信號和減溫器出口溫度信號 θ2，副調節(jié)器的輸出控制執(zhí)行機構 Kz的大小，從而控制減溫水調節(jié)閥門的開度。從兩圖中可以以看出：串級過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)由內(nèi)、外兩個閉合的控制回路構成。內(nèi)回路由對象的導前區(qū) [Wθ2(S)]，導前蒸汽溫度變送器[Y θ2]，副調節(jié)器 [WT2(S)]，執(zhí)行器 [Kz]和減溫水調節(jié)閥 (Ku)組成的；外回路 (主回路 )由對象的惰性區(qū) [Wθl(S)]，過熱蒸汽溫度變送器 (Y θ1)，主調節(jié)器[WTl(S)]，以及副回路組成。 過熱蒸汽控制系統(tǒng)的控制策略的設計 24 圖 35串級過熱汽溫控制系統(tǒng)原理方框圖 串級控制系統(tǒng)主副回路確定 串級控制系統(tǒng)主副回路和主副調節(jié)器選擇為充分發(fā)揮串級控制系統(tǒng)的上述優(yōu)點，設計控制系統(tǒng)時，還應當合理選擇副回路及主副調節(jié)器的規(guī)律。主副回路的選擇 原則。 副回路應該把生產(chǎn)過程的主要干擾包括在內(nèi)，應力求把變化幅度最大、最劇烈和最頻繁的干擾包括在副回路內(nèi)，充分發(fā)揮副回路改善系統(tǒng)動態(tài)特性的作用保證主參數(shù)的穩(wěn)定，以盡量減少它們對主參數(shù)的影響，提高系統(tǒng)的抗干擾能力；主、副對象的時間常數(shù)應適當匹配，串級控制系統(tǒng)與單回路控制系統(tǒng)相比，其工作頻率提高了，但這與主、副對象的時間常數(shù)選擇是有關的。原則是兩者相差大一些，效果好一些。主、副對象之間的動態(tài)聯(lián)系十分緊密。如果在干擾作用下，主、副參數(shù)任一個先振蕩，必將引起另一個也振蕩，這樣，兩個參數(shù)互相促進，振蕩更加劇烈，這就 是所謂的“共振效應 ，顯然應力求避免。主、副回路調節(jié)器調節(jié)規(guī)律的選擇原則主參數(shù)控制質量要求不十分嚴格，同時在對副參數(shù)的要求也不高的情況下為使兩者兼顧而采用串級控制方式時，主、副調節(jié)器均可采用比例控制。要求主參數(shù)波動范圍很小，且不允許有余差 (穩(wěn)態(tài)誤差 )，此時副調節(jié)器可采用比例控制主調節(jié)器采用比例積分或比例積分微分控制。 再者，在串級控制系統(tǒng)中，兩個調節(jié)器串聯(lián)工作，但是以主調節(jié)器為主導，保證主變量為目的，在整個控制過程兩個調節(jié)器協(xié)調一致，互相配合，若干擾來自副回路，副調節(jié)器首先進行粗調，主調節(jié)器再進一步進 行細調。相對于過于簡 25 單的單回路控制系統(tǒng)，串級控制系統(tǒng)的控制質量明顯優(yōu)越。具體體現(xiàn)在： ，縮短了控制通道，使控制作用更加明顯； ，使振蕩周期明顯縮短，調節(jié)時間也有一定程度上的縮短，系統(tǒng)的快速性相對增強了； 能力，這是單回路控制系統(tǒng)所不能實現(xiàn)的； 。 綜上所述，串級控制系統(tǒng)更適應鍋爐蒸汽溫度的控制。 導 前微分控制系統(tǒng) 在溫度控制系統(tǒng)中，常用的一種便是導前微分控制系統(tǒng)。 這種控制系統(tǒng)的結構特點是：只用了一個調節(jié)器，調節(jié)器的輸入取了兩個信號。一個信號是主汽溫經(jīng)變送器直接進入調節(jié)器的信號，另一個信號則是減溫器后的溫度經(jīng)微分器后送入調節(jié)器的信號。在時間和相位上，后一個信號超前于主信號（主汽溫信號），因此把這種系統(tǒng)稱為導前微分控制系統(tǒng)。又因為它有兩個信號直接送入到調節(jié)器，所以也稱這樣的系統(tǒng)為具有導前微分信號的雙沖量控制系統(tǒng)。微分作用能反映輸出量的變化趨勢，因而能提前反映輸出量的變化，把這種作用用于控制系統(tǒng)，能改善控制 性能。 導前微分控制系統(tǒng)的組成及原理 采用導前微分信號的過熱汽溫控制系統(tǒng)