【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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) TD 和滯后時(shí)間 ? 都比較小，且 ? 幾較小。動(dòng)態(tài)特性曲線如圖 22: 圖 22鍋爐負(fù)荷擾動(dòng)下過(guò)熱器出口汽溫的階躍響應(yīng)曲線 煙氣熱量擾動(dòng)下過(guò)熱汽溫對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性 煙氣傳熱量擾動(dòng)引起的原因很多，如給粉機(jī)給粉不均勻、煤中水分改變、蒸發(fā)受熱面結(jié)渣、過(guò)剩空氣系數(shù)改變、汽包給水溫度變化、燃燒火熾中心位置改變等。當(dāng)煙氣熱量擾動(dòng) (煙氣溫度和流速產(chǎn)生變化 )時(shí)，由于煙氣流速和溫度的變化也是沿整個(gè)過(guò)熱器同時(shí)改變的，因而沿過(guò)熱器整個(gè)長(zhǎng)度使煙氣傳遞熱量也同時(shí)變化，所以汽溫反應(yīng)較快，時(shí)間常數(shù)和延遲均比其它擾動(dòng)小。和蒸汽流量擾動(dòng)的影 16 響類似，煙氣熱量的擾動(dòng)也幾乎同時(shí)影響過(guò)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)，即： 式中： T 為煙氣溫度 但對(duì)象特征總的特點(diǎn)是：有遲延，有慣性，有自平衡能力，其動(dòng)態(tài)特性曲線如圖 23 所示： 圖 23煙氣熱量擾動(dòng)下過(guò)熱汽溫的階躍響應(yīng)曲線 減溫水量擾動(dòng)下過(guò)熱汽溫對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性 常見(jiàn)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(jí)過(guò)熱器高溫段前面，一方面保護(hù)了過(guò)熱器高溫段；另一方面又改善了調(diào)節(jié)性能。這種過(guò)熱器的安裝方法與在飽和側(cè)裝設(shè) 表面式減溫器相比，延遲時(shí)間能減小 1／ 4。其動(dòng)態(tài)特性曲線如下圖所示。從圖中可以看出，其特點(diǎn)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(guò)熱器管路很長(zhǎng)，因而當(dāng)減溫水流量擾動(dòng)時(shí)，汽溫反應(yīng)較慢。 對(duì)于一般高、中壓鍋爐，當(dāng)減溫水流量擾動(dòng)時(shí)，汽溫的遲延時(shí)間 r=3060s， 17 時(shí)間常數(shù) T0≈ l00s，而當(dāng)煙氣側(cè)擾動(dòng)時(shí) f≈ 10～ 20s， Zl00s 。 圖 24減溫水?dāng)_動(dòng)下過(guò)熱器出 IZl汽溫的階躍響應(yīng)曲線 由圖 24 可見(jiàn)，在減溫水流量擾動(dòng)下，減溫器出口過(guò)熱汽溫 θl的響應(yīng)比過(guò)熱器出口汽溫 θ2 快得多，可以肯定，在噴水減溫過(guò)熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，以θl 作為導(dǎo)前信號(hào)構(gòu)成串級(jí)調(diào)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(dòng)下，導(dǎo)前汽溫的傳遞函數(shù)可表示為： 式中： Kl 一減溫水流量擾動(dòng)下導(dǎo)前汽溫的放大系數(shù)； Tl 一為減溫水流量擾動(dòng)下導(dǎo)前汽溫對(duì)象的時(shí)間常數(shù)； n1 一階數(shù)； 在減溫水流量擾動(dòng)下，過(guò)熱汽溫的傳遞函數(shù)可表示為： 式中： K0一減溫水流量擾動(dòng)下過(guò)熱蒸汽溫度的放大系數(shù)； T0為減溫水流量擾動(dòng)下過(guò)熱蒸汽溫度的時(shí)間常數(shù) 18 0n 階數(shù)： 對(duì)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(dòng)下惰性區(qū)溫度的放大系數(shù)； T2一為減溫水流量擾動(dòng)下惰性區(qū)溫度的時(shí)間常數(shù)； 2n 一階數(shù)； 由于惰性區(qū)的傳遞函數(shù)無(wú)法直接通過(guò)實(shí)驗(yàn)求出，所以可由實(shí)驗(yàn)得到的Kl、 Tl、 1n 和 K0、 T0、 0n 來(lái)求取，計(jì)算公式如下： 總的來(lái)說(shuō)，根據(jù)對(duì)過(guò)熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)對(duì)象做階躍擾動(dòng)試驗(yàn)得出的動(dòng)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(dòng)態(tài)特性參數(shù)值有較大的差別。 19 第三章 過(guò)熱蒸汽溫度控制原理及方案設(shè)計(jì) 過(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)采用兩級(jí)噴水減溫，這樣做的目的有兩個(gè)，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(guò)熱器。第一級(jí)噴水減溫器布置在前屏過(guò)熱器之后，調(diào)節(jié)量較大且調(diào)節(jié)惰性大，用來(lái)調(diào)節(jié)因負(fù)荷、給水溫度和燃料性質(zhì)變化而引起的氣溫變化，為粗調(diào) 。另外它還有保護(hù)屏式過(guò)熱器和對(duì)流過(guò)熱器受熱面的作用。第二級(jí)噴水減溫器布置在高溫對(duì)流過(guò)熱器（末級(jí)過(guò)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)。溫度器共有四只，每級(jí)安裝兩只，每只噴水量為每級(jí)噴水量的一半。減溫水源為自制冷凝水。目前，過(guò)熱汽溫的控制方案很多，而且隨著自動(dòng)控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷。 發(fā)展，新的控制方法不斷出現(xiàn)，汽溫控制的質(zhì)量也不斷提高。傳統(tǒng)的汽溫控制系統(tǒng)有兩種：?jiǎn)位芈房刂葡到y(tǒng)和串級(jí)氣溫控制系統(tǒng)。 簡(jiǎn)單蒸汽溫度控制系統(tǒng) 簡(jiǎn)單回路控制蒸汽溫度系統(tǒng)主要由調(diào)節(jié)器和控 制對(duì)象組成 它們的特性將決定控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量，因此討論控制對(duì)象的特征參數(shù)和調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)參數(shù)對(duì)控制質(zhì)量的影響是非常必要的。對(duì)象動(dòng)態(tài)特性是確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律、設(shè)置調(diào)節(jié)器參數(shù)的依據(jù)，那么根據(jù)對(duì)象動(dòng)態(tài)特性和生產(chǎn)過(guò)程對(duì)控制質(zhì)量的要求，確定調(diào)節(jié)參數(shù)的數(shù)值是控制系統(tǒng)投入前要做的一項(xiàng)重要工作。當(dāng)然控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否合理、控制儀表的安裝和調(diào)試是否正確等是控制系統(tǒng)能否使用的保障。簡(jiǎn)單控制回路的結(jié)構(gòu)示意圖如圖 31所示： 20 圖 31簡(jiǎn)單控制回路的結(jié)構(gòu)示意圖 從圖 31 可知該系統(tǒng)主要由被控對(duì)象 —— 過(guò)熱器管道，執(zhí)行 機(jī)構(gòu) —— 氣動(dòng)噴水閥門 (執(zhí)行器 )，檢測(cè)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(diào)節(jié)器 )組成。其中，被調(diào)量 (測(cè)量值 )—— 蒸汽溫度，調(diào)節(jié)量 (控制信號(hào)卜噴水流量，干擾信號(hào) —— 爐膛燃燒工況。簡(jiǎn)單蒸汽溫度控制系統(tǒng)原理方框圖如圖 32所示 : 圖 32簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)方框圖 過(guò)熱蒸汽控制系統(tǒng)的控制策略的設(shè)計(jì) 當(dāng)蒸汽溫度的測(cè)量值等于設(shè)定值時(shí)，噴水閥門不動(dòng)，則系統(tǒng)處在動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，此時(shí)，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(cè)量值產(chǎn)生偏差，則偏差信號(hào)經(jīng)過(guò)控制器的方向判斷及 數(shù)學(xué)運(yùn)算后，產(chǎn)生控制信號(hào)使噴水閥門開(kāi)大，則減溫水流量增大。測(cè)量值最終回到設(shè)定值，系統(tǒng)重新回到平衡狀態(tài)。 21 復(fù)雜蒸汽溫度控制系統(tǒng) 簡(jiǎn)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(jī)組越來(lái)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(fù)雜、系統(tǒng)的耦合性、時(shí)變性、非線性等特點(diǎn)顯得更加突出，對(duì)于這些復(fù)雜較難控制的過(guò)程，控制質(zhì)量要求很嚴(yán)的參數(shù)，簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)就無(wú)能為力了。因此，需要改進(jìn)控制結(jié)構(gòu)，增加輔助回路或添加其它環(huán)節(jié)，組成復(fù)雜控制系統(tǒng)。目前關(guān)于蒸汽溫度控制系統(tǒng)主要有串級(jí)控制、前 饋控制和多變量解耦等控制，其中最普遍的是串級(jí)控制系統(tǒng)。 串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 串級(jí)控制系統(tǒng)具有以下特點(diǎn) : (1)串級(jí)控制系統(tǒng)具有很強(qiáng)的克服內(nèi)擾的能力系統(tǒng)的開(kāi)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(qiáng)，副調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)整定的越大，這個(gè)優(yōu)點(diǎn)越顯著。 (2)串級(jí)控制系統(tǒng)可以減小副回路的時(shí)間常數(shù)，改善對(duì)象動(dòng)態(tài)特性，提高系統(tǒng)的工作頻率，當(dāng)主、副對(duì)象都是一階慣性環(huán)節(jié)，主、副調(diào)節(jié)器都采用比例作用時(shí)，串級(jí)控制系統(tǒng)由于改善了對(duì)象的特性，從而使整個(gè)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(dāng)主、副對(duì)象特性一定時(shí)，副調(diào)節(jié)器放大倍數(shù)越大，則工頻率越高。當(dāng)主調(diào)節(jié)器采用其它調(diào)節(jié)規(guī)律時(shí)，上述特點(diǎn)也是適用的。這一特點(diǎn)說(shuō)明即使在外擾作用下，由于副回路減小了對(duì)象的時(shí)間常數(shù)，使整個(gè)系統(tǒng)的工頻得以提高，因此仍能改善整個(gè)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的品質(zhì)。 (3)串級(jí)控制系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)能力，串級(jí)控制系統(tǒng)主回路是一個(gè)定值系統(tǒng)，其副回路是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，它的定值是主調(diào)節(jié)器的輸出，是一個(gè)隨機(jī)變化的量，主調(diào)節(jié)器按照被控對(duì)象的特性和擾動(dòng)變化的情況，不斷地糾正著副調(diào)節(jié)器的給定值，副調(diào)節(jié)器使系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)縮短能很快克服擾動(dòng) ，改善動(dòng)態(tài)特性，也就是一種自適應(yīng)能力。而采用單回路控制統(tǒng)就沒(méi)有這種隨動(dòng)控制系統(tǒng)的作用。這種自適應(yīng)能力可以從系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)偏差上出來(lái)，串級(jí)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(yīng)力。 22 采用串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的條件 串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)需滿足如下兩個(gè)條件： (1)控制對(duì)象可以分段。如圖 33所示的對(duì)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(gè)對(duì)象的傳遞函數(shù)為W(S)=W01(S)W02(S)。 其中 W0l(S)稱作對(duì)象的 導(dǎo)前區(qū)， W02(S)稱為對(duì)象惰性區(qū) . 圖 33串級(jí)系統(tǒng)控制對(duì)象 (2)中間信號(hào)可測(cè)。在圖 33 中，中間信號(hào) θ2 必須是可以測(cè)量的。 θl 為被調(diào)量，一般為系統(tǒng)的給定值，火電廠過(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)符合這兩個(gè)條件。 ．串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的分析 根據(jù)在減溫水量擾動(dòng)時(shí)，過(guò)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(dǎo)前作用，完全可以構(gòu)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(jí)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(hào)反饋到調(diào)節(jié)器，由調(diào)節(jié)器直接去控制閥門開(kāi)度 )的基礎(chǔ)上增加一個(gè)對(duì)減溫水流量變化反應(yīng)快的中間溫度信號(hào) θ2 作為導(dǎo)前信號(hào)，增加一個(gè)副調(diào)節(jié)器，如圖 8 所示的串級(jí)控制信號(hào)系統(tǒng)。副調(diào)節(jié)器根據(jù) θ2信號(hào)控制減溫水閥，如果有某種擾動(dòng)，蒸汽溫度 θ2比 θl 提早反映，使擾動(dòng)引起的 θ2波動(dòng)很快消除，從而使過(guò)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(jí)控制結(jié)構(gòu)圖 根據(jù)在減溫水量 WB 擾動(dòng)時(shí)，過(guò)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(guò)熱蒸汽溫度響應(yīng)快得多，且它 的變化又可以預(yù)測(cè)過(guò)熱蒸汽溫度的變化趨勢(shì)，有明顯的導(dǎo)前作用，故可引入以 θ2 信號(hào)為導(dǎo)前信號(hào)。以 θl為被控量信號(hào)的串級(jí)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的原理框圖如圖 35所示。系統(tǒng)中有主、副兩個(gè)調(diào)節(jié)器，主調(diào)節(jié)器 WTl(S)接受過(guò)熱蒸汽溫度信號(hào) θl，用于維持過(guò)熱蒸汽溫度，使其等于給定值；副調(diào)節(jié)器 WT2(S)接受主調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)和減溫器出口溫度信號(hào) θ2，副調(diào)節(jié)器的輸出控制執(zhí)行機(jī)構(gòu) Kz的大小，從而控制減溫水調(diào)節(jié)閥門的開(kāi)度。從兩圖中可以以看出：串級(jí)過(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)由內(nèi)、外兩個(gè)閉合的控制回路構(gòu)成。內(nèi)回路由對(duì)象的導(dǎo)前區(qū) [Wθ2(S)]，導(dǎo)前蒸汽溫度變送器[Y θ2]，副調(diào)節(jié)器 [WT2(S)]，執(zhí)行器 [Kz]和減溫水調(diào)節(jié)閥 (Ku)組成的；外回路 (主回路 )由對(duì)象的惰性區(qū) [Wθl(S)]，過(guò)熱蒸汽溫度變送器 (Y θ1)，主調(diào)節(jié)器[WTl(S)]，以及副回路組成。 過(guò)熱蒸汽控制系統(tǒng)的控制策略的設(shè)計(jì) 24 圖 35串級(jí)過(guò)熱汽溫控制系統(tǒng)原理方框圖 串級(jí)控制系統(tǒng)主副回路確定 串級(jí)控制系統(tǒng)主副回路和主副調(diào)節(jié)器選擇為充分發(fā)揮串級(jí)控制系統(tǒng)的上述優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，還應(yīng)當(dāng)合理選擇副回路及主副調(diào)節(jié)器的規(guī)律。主副回路的選擇 原則。 副回路應(yīng)該把生產(chǎn)過(guò)程的主要干擾包括在內(nèi)，應(yīng)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(dòng)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(duì)主參數(shù)的影響，提高系統(tǒng)的抗干擾能力；主、副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)應(yīng)適當(dāng)匹配，串級(jí)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(duì)象的時(shí)間常數(shù)選擇是有關(guān)的。原則是兩者相差大一些，效果好一些。主、副對(duì)象之間的動(dòng)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(gè)先振蕩，必將引起另一個(gè)也振蕩，這樣，兩個(gè)參數(shù)互相促進(jìn)，振蕩更加劇烈，這就 是所謂的“共振效應(yīng) ，顯然應(yīng)力求避免。主、副回路調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇原則主參數(shù)控制質(zhì)量要求不十分嚴(yán)格，同時(shí)在對(duì)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(jí)控制方式時(shí)，主、副調(diào)節(jié)器均可采用比例控制。要求主參數(shù)波動(dòng)范圍很小，且不允許有余差 (穩(wěn)態(tài)誤差 )，此時(shí)副調(diào)節(jié)器可采用比例控制主調(diào)節(jié)器采用比例積分或比例積分微分控制。 再者，在串級(jí)控制系統(tǒng)中，兩個(gè)調(diào)節(jié)器串聯(lián)工作，但是以主調(diào)節(jié)器為主導(dǎo)，保證主變量為目的，在整個(gè)控制過(guò)程兩個(gè)調(diào)節(jié)器協(xié)調(diào)一致，互相配合，若干擾來(lái)自副回路，副調(diào)節(jié)器首先進(jìn)行粗調(diào)，主調(diào)節(jié)器再進(jìn)一步進(jìn) 行細(xì)調(diào)。相對(duì)于過(guò)于簡(jiǎn) 25 單的單回路控制系統(tǒng)，串級(jí)控制系統(tǒng)的控制質(zhì)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(diào)節(jié)時(shí)間也有一定程度上的縮短，系統(tǒng)的快速性相對(duì)增強(qiáng)了； 能力，這是單回路控制系統(tǒng)所不能實(shí)現(xiàn)的； 。 綜上所述，串級(jí)控制系統(tǒng)更適應(yīng)鍋爐蒸汽溫度的控制。 導(dǎo) 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(dǎo)前微分控制系統(tǒng)。 這種控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：只用了一個(gè)調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器的輸入取了兩個(gè)信號(hào)。一個(gè)信號(hào)是主汽溫經(jīng)變送器直接進(jìn)入調(diào)節(jié)器的信號(hào)，另一個(gè)信號(hào)則是減溫器后的溫度經(jīng)微分器后送入調(diào)節(jié)器的信號(hào)。在時(shí)間和相位上，后一個(gè)信號(hào)超前于主信號(hào)（主汽溫信號(hào)），因此把這種系統(tǒng)稱為導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)。又因?yàn)樗袃蓚€(gè)信號(hào)直接送入到調(diào)節(jié)器，所以也稱這樣的系統(tǒng)為具有導(dǎo)前微分信號(hào)的雙沖量控制系統(tǒng)。微分作用能反映輸出量的變化趨勢(shì)，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(dǎo)前微分控制系統(tǒng)的組成及原理 采用導(dǎo)前微分信號(hào)的過(guò)熱汽溫控制系統(tǒng)