【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 爐、電三大部分。把整個(gè)機(jī)組的能量轉(zhuǎn)換與傳熱過(guò)程劃分為爐內(nèi)燃燒與傳熱、管道傳熱、汽輪機(jī)做功三段過(guò)程。在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)出各段過(guò)程的物質(zhì)平衡、能量平衡和動(dòng)量平衡方程式。 東北電力大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 8 爐內(nèi)燃燒與管道傳熱 單元機(jī)組的燃燒與傳熱過(guò)程包括爐內(nèi)部分和管道傳熱兩個(gè)部分，而爐內(nèi)燃燒與傳熱過(guò)程是一個(gè)純時(shí)延的慣性環(huán)節(jié)，其表達(dá)式如下 [11]： 121 1sKeFBTS??? ? ?? () 21 1QDFTS? ? ?? () 其中， 1? ， 1T ， 2T 和 1K 可通過(guò)計(jì)算或?qū)嶒?yàn)求出。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，一般有 1 2~5 ,S? ? 125 ~ 10 ,T S T? 可根據(jù)鍋爐的水冷壁和金屬的蓄熱量 J 相對(duì) 于鍋爐負(fù)荷的變化率來(lái)確定 2 JT D??? () 式中， D 為鍋爐的蒸發(fā)量。在正常運(yùn)行工況下，通常為 ST 752 ?? 。當(dāng)單元機(jī)組采用直吹式制粉系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)該在燃料量之前增加描述制粉系統(tǒng)的環(huán)節(jié) 011112 . 411MMMQB B VT S V T S? ? ? ? ??? () 式中， 0B 為進(jìn)入制 粉系統(tǒng)的原煤量， 1V 為一次風(fēng)量， MQ 為磨煤機(jī)原煤裝載量。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，時(shí)間常數(shù) sTM 5040 ?? [12]。 把鍋爐和蒸汽管道的蓄熱能力分開(kāi)，可求出鍋爐的蓄熱量為 DQ D b dpD D c dt?? ? ? ? () 式中， bc 為鍋爐的蓄批熱系數(shù)，一般可根據(jù)實(shí)驗(yàn)方法確定。 熱能從爐膛傳遞管道時(shí)將經(jīng)過(guò)管 道傳熱，為了問(wèn)題簡(jiǎn)化，這里將主蒸汽管道看作集中參數(shù)系統(tǒng)，其蓄熱量可以表示為 TQ T n dPD D c dt?? ? ? ? () nnnnTTQcVPP????? () 其中， nc 為蒸汽管道蓄熱系數(shù)； nQ 為主蒸汽管道內(nèi)蒸汽量； nV 為蒸汽管道容積； n? 為蒸汽重度系數(shù) [13]。 蒸汽管道兩端的壓力降與管道蒸汽量之間的關(guān)系為： 2D T DP P kD?? () 第 3 章 單元機(jī)組燃燒與傳熱過(guò)程 9 其中， k 為蒸汽管道的阻力系數(shù)。 機(jī)前壓力 TP 與汽輪機(jī)進(jìn)汽量 TD 之間有以下關(guān)系 ()T V T TP R R D?? () 其中， VR 和 TR 分別為主蒸汽調(diào)節(jié)閥的阻力和汽輪機(jī)的沿程阻力。 定義蒸汽調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度為： 1VTRR?? ? () 將式 ()代入式 ()中，可得到： TTDP?? () 汽輪機(jī)做功過(guò)程 無(wú)中間再熱器時(shí)，機(jī)組從蒸汽流量變化到汽輪機(jī)功率變化的反應(yīng)很快，可以簡(jiǎn)單地將汽輪機(jī)做功過(guò)程表示為： TDkN 2? 或 2 TN k D? ? ? () 有中間再熱器系統(tǒng)，汽輪機(jī)的輸出功率為高壓缸輸出功率 HN 和中、低壓缸輸出功率LN 兩部分之和： HLN N N?? () 在靜態(tài)工況下： 22(1 )HTLTN k DN k D? ???? ??? () 其中， ? 為汽輪機(jī)高壓缸輸出功率在總輸出功率中所占比例系數(shù) [14]。 在動(dòng)態(tài)工況下，考慮再熱器的熱容積和阻力，將蒸汽流量與中、低壓缸輸出 功率的關(guān)系表示為： 23(1 )1LTkNDTS??? ? () 其中， 3T 為中間再熱器時(shí)間常數(shù)。 將式 ()和 ()代入 ()中得： 3222 33 ( 1 )( 1 ) 11T T TT S kkN k D D DT S T S??? ??? ? ??? () 在一般情況下， 1 4 ~1 2?? , 3 10 ~ 20TS? 。 根據(jù)以上 的分析，我們可以得出描述單元機(jī)組動(dòng)態(tài)特性的結(jié)構(gòu)框圖，如圖 31 所示。東北電力大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 10 這是一個(gè) 22 的非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。分別在輸入端加入階躍擾動(dòng)信號(hào)，可以得到定性的輸出響應(yīng)特性曲線，如圖 32 所示。 圖 32 單元機(jī)組動(dòng)態(tài)特性結(jié)構(gòu)圖 [15] (a) 汽輪機(jī)調(diào)門(mén)開(kāi)度擾動(dòng) (b) 燃料量擾動(dòng) (c) 給水流量擾動(dòng) 控制系統(tǒng)對(duì)模型精度要求 不同的控制理論和算法對(duì)模型的要求是不同的。例如，許多建立在現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)上的控制算法對(duì)象模型的精度要求很好。這些控制算法 在航天和軍事工業(yè)領(lǐng)域取得了成功的應(yīng)用，然而在工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域收效甚微。其主要原因之一在于很難建立起精確性很高的工業(yè)過(guò)程受控對(duì)象數(shù)學(xué)模型 [16]。反之，許多常規(guī)的工業(yè)控制技術(shù)，特別是 PID 控制技術(shù)，至今仍作為最為普遍的控制方法，廣泛應(yīng)用與工業(yè)控制領(lǐng)域，其重要原因也在于它對(duì)模型第 3 章 單元機(jī)組燃燒與傳熱過(guò)程 11 的精度要求是很低的。因而，建模的目的以及對(duì)模型精度的要求應(yīng)依據(jù)模型應(yīng)用的要求而定。分析受控過(guò)程的基本特性，掌握其內(nèi)最主要、最本質(zhì)的特性，對(duì)于設(shè)計(jì)出合理的控制系統(tǒng)是十分重要的 [17]。 如前所述，單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制以及全程控制系統(tǒng)，把機(jī)爐作 為一個(gè)整體，針對(duì)機(jī)爐對(duì)象的特性，運(yùn)用反饋、前饋、補(bǔ)償以及多變量解耦等控制理論方法，構(gòu)成功能完善、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠的控制系統(tǒng) [18]。這些系統(tǒng)對(duì)過(guò)程模型精度方面的要求并不是很高。在合理簡(jiǎn)單化的基礎(chǔ)上，利用比較簡(jiǎn)便的機(jī)理分析方法和實(shí)驗(yàn)方法，簡(jiǎn)歷單元機(jī)組動(dòng)態(tài)特性數(shù)學(xué)模型，可以滿(mǎn)足協(xié)調(diào)控制以及全程控制系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)的需要 [19]。 隨著工業(yè)過(guò)程控制技術(shù)的發(fā)展，一方面人們?cè)谔剿餍碌摹⒏鼮橛行У慕７椒ê图夹g(shù)，以適應(yīng)一系列現(xiàn)代控制理論和方法對(duì)模型方面的要求。另一方面，尋求更適用于工業(yè)過(guò)程控制的理論和方法，而這些理論和方法應(yīng)具 有對(duì)于模型要求不高的特點(diǎn) [20]。近年來(lái)，系統(tǒng)辨識(shí)理論方法和技術(shù)為建立更高精度的模型提供了方法和手段；而諸如模糊控制、自整定控制以及人工智能在控制中的應(yīng)用，則大大降低了對(duì)過(guò)程模型方面的要求 [21]。 東北電力大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 12 第 4 章年協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的基本原理及實(shí)現(xiàn) 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的基本原理 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)包括機(jī)爐局部控制子系統(tǒng)和處于上位協(xié)調(diào)級(jí)的單元機(jī)組主控系統(tǒng)。單元機(jī)組主控系統(tǒng)是討論整個(gè)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的核心。主控系統(tǒng)可分為負(fù)荷指令中心、機(jī)爐協(xié)調(diào)控制器以及相應(yīng)的邏輯控制系統(tǒng)幾個(gè)部分，構(gòu)成一個(gè)統(tǒng) 一的整體，滿(mǎn)足單元機(jī)組不同工況下的需要，保證機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行 [22]。 單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是大型火力發(fā)電機(jī)組普遍采用的控制系統(tǒng)。在許多國(guó)產(chǎn)機(jī)組以及從國(guó)外引進(jìn)的機(jī)組上設(shè)計(jì)了不同的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)原理、功能以及使用的控制系統(tǒng)設(shè)備有著許多差異和不同 [23]。在工程應(yīng)用中，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)能否成功地投入和運(yùn)行，發(fā)揮其應(yīng)有的功能，主要取決于機(jī)組主設(shè)備本身的可控性、系統(tǒng)控制設(shè)備的性能及可靠性、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與整定的合理性等因素。近年來(lái)，計(jì)算機(jī)分散控制系統(tǒng)（ DCS)的應(yīng)用 ,為實(shí)現(xiàn)功能更加完善，控制方式更加先進(jìn)的 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)提供良好的條件。主設(shè)備可控性以及局部控制系統(tǒng)性能的改善，譬如汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組數(shù)字式電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)的采用，也為機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的投入奠定了必要的基礎(chǔ) [24]。 對(duì)于協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，有不同的命名方式，亦可劃分為幾種不同的類(lèi)型。譬如，機(jī)爐綜合系統(tǒng)，聯(lián)合控制系統(tǒng)，總括控制系統(tǒng)等等。對(duì)系統(tǒng)的分類(lèi)方法也有許多不同。一種方法是根據(jù)系統(tǒng)發(fā)展的基礎(chǔ)，按照機(jī)跟爐、爐跟機(jī)的方式來(lái)劃分 [25]。但隨著系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不斷更新和變化，許多系統(tǒng)已難以區(qū)分究竟屬于機(jī)跟爐還是爐跟機(jī)的形式，另一種分類(lèi)方法是從能量平衡的觀點(diǎn)出發(fā)，把協(xié)調(diào)控制系 統(tǒng)劃分為直接能量平衡 (DEH)和簡(jiǎn)介能量平衡 (IEB)兩大類(lèi)。這種分類(lèi)方法從一定意義上講，揭示了協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)具有的內(nèi)在本質(zhì)特性。因?yàn)橛涗浛刂频母救蝿?wù)就在于維持整個(gè)機(jī)組運(yùn)行過(guò)程的能量平衡，包括機(jī)組輸入能量和輸出能量的平衡；機(jī)爐之間供需能量的平衡；鍋爐內(nèi)部各子系統(tǒng)之間物質(zhì)能量傳遞的平衡等 [26]。由于能量信號(hào)不便于直接測(cè)量，常常采用一些間接的參數(shù)表征這些平衡關(guān)系。最典型的例子就是把機(jī)前壓力 PT 作為鍋爐能量輸出與汽輪機(jī)能量需要之間的平衡特征參數(shù)。通過(guò)控制這些間接參數(shù)維持整個(gè)機(jī)組能量平衡的系統(tǒng)，稱(chēng)為間接能量平衡系 統(tǒng)。通過(guò)構(gòu)造出能量需求信號(hào)，并依此控制能量輸入的系統(tǒng)，稱(chēng)為直接能量平衡系統(tǒng)。在工程領(lǐng)域人們也習(xí)慣以國(guó)外不同公司的典型系統(tǒng)來(lái)區(qū)分協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的種類(lèi)。譬如美國(guó) Lamp。N 公司的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，貝利公司的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)， Foxboro 公司的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，日本日立公司的系統(tǒng)，第 4 章 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的基本原理及實(shí)現(xiàn) 13 瑞士 BBC 公司的系統(tǒng)等。 間接能量平衡協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)介紹 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)實(shí)在簡(jiǎn)單的機(jī)爐控制系統(tǒng)上發(fā)展起來(lái)的。按照控制方式的不同，這種簡(jiǎn)單的機(jī)爐空置系統(tǒng)可分為機(jī)跟爐方式兩種 [27]。 在機(jī)跟爐系統(tǒng)中，機(jī)組輸出功率由鍋爐給定，汽輪機(jī)主汽門(mén)開(kāi)度調(diào)節(jié)主蒸汽壓 力。因而，這個(gè)系統(tǒng)也稱(chēng)之為汽機(jī)調(diào)壓系統(tǒng)。這種控制方式的主要缺點(diǎn)在于對(duì)機(jī)組負(fù)荷變化需求的響應(yīng)速度慢。另外，當(dāng)鍋爐側(cè)產(chǎn)生內(nèi)部擾動(dòng)時(shí)，導(dǎo)致機(jī)前壓力 PT 的變化和輸出功率 N的變化。這將引起主汽門(mén)開(kāi)度和燃料量的同時(shí)動(dòng)作。正確的調(diào)節(jié)作用應(yīng)當(dāng)是由鍋爐調(diào)節(jié)器來(lái)改變?nèi)紵剩齼?nèi)部擾動(dòng)，使汽壓和功率回復(fù)到給定值?？梢?jiàn)，當(dāng)鍋爐內(nèi)部擾動(dòng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致輸出功率長(zhǎng)時(shí)間來(lái)回波動(dòng)甚至振蕩。因而，機(jī)跟爐控制方式既不適用于帶變動(dòng)負(fù)荷的運(yùn)行工況，也缺乏有效地抑制鍋爐側(cè)內(nèi)部擾動(dòng)的能力。目前在機(jī)爐控制中還保留這種控制方式，主要是用于當(dāng)鍋爐側(cè)輔機(jī)設(shè)備局部 故障，使鍋爐的最大處理受到限制，小于汽輪機(jī)最大可能出力時(shí)使用。由鍋爐給出最大負(fù)荷，汽機(jī)跟隨，保持壓力。 在爐跟機(jī)系統(tǒng)中，機(jī)組對(duì)外負(fù)荷變化需求的響應(yīng)性好。其實(shí)質(zhì)是利用了機(jī)組內(nèi)部的蓄熱能量，滿(mǎn)足外部負(fù)荷的需求。這一套基本特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用到機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中。然而，維持機(jī)爐能量的平衡，最終要由鍋爐輸入量的改變，保持機(jī)前壓力。由于這種方式?jīng)]有考慮機(jī)爐對(duì)象的耦合特性，系統(tǒng)品質(zhì)就不會(huì)很理想。如果調(diào)節(jié)器參數(shù)整定不當(dāng)，可能引起系統(tǒng)的振蕩和不穩(wěn)定，一般地，爐跟機(jī)方式在汽機(jī)側(cè)局部故障時(shí)使用。 單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)把機(jī)爐當(dāng)作一個(gè)整體，引入前饋、補(bǔ)償?shù)瓤刂剖侄?，盡可能消除機(jī)爐對(duì)象間不利的耦合因素，并充分吸收機(jī)跟爐和爐跟機(jī)控制方式的特點(diǎn)，克服其存在的弱點(diǎn)和不足，使系統(tǒng)的控制品質(zhì)得以改善和提高。 在簡(jiǎn)要介紹機(jī)跟爐和爐跟機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，現(xiàn)就典型的 IEB 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行討論。 補(bǔ)償鍋爐側(cè)擾動(dòng)的機(jī)跟爐協(xié)調(diào)系統(tǒng) 系統(tǒng)原理框圖如圖 41 所示。為敘述方便起見(jiàn)，統(tǒng)記為 Il系統(tǒng)。 東北電力大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 14 Σ G2PTN調(diào) 節(jié) 汽 門(mén)μ鍋 爐 指 令BPs pNs p++? ?G1Σ++ 圖 41 補(bǔ)償鍋爐側(cè)擾動(dòng)的機(jī)跟爐協(xié)調(diào)系統(tǒng)（ I1） I1 系統(tǒng)的基礎(chǔ)是機(jī)跟爐控制系統(tǒng)。引入功率偏差信號(hào)至汽機(jī)調(diào)節(jié)器，作為對(duì)鍋爐側(cè)擾動(dòng)的補(bǔ)償信號(hào)；引入功率定值信號(hào)作為鍋爐前饋信號(hào)。 當(dāng)鍋爐側(cè)出現(xiàn)擾動(dòng)，譬如進(jìn)入鍋爐的燃料量變化、或鍋爐燃燒工況產(chǎn)生擾動(dòng)時(shí)，將引起汽壓和輸出功率偏離給定值。依據(jù)功率偏差，鍋爐調(diào)節(jié)器輸出改變?nèi)剂狭?，以消除?nèi)部擾動(dòng)。此時(shí)，并不希望汽機(jī)調(diào)節(jié)汽門(mén)動(dòng)作。通過(guò)將功率偏差信號(hào)引入汽機(jī)調(diào)節(jié)器，利用機(jī)前壓力 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 和實(shí)發(fā)功率 N 對(duì)燃料擾動(dòng)反應(yīng)曲線形狀相似的特性，近似地使汽機(jī)調(diào)節(jié)器 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 上的功率偏差信號(hào)與汽壓偏差信號(hào)相互抵消，保持汽機(jī)調(diào)節(jié)器的輸出不變。這樣，實(shí)現(xiàn)了鍋爐側(cè)擾動(dòng)由鍋爐調(diào)節(jié)器消除，而不引起汽機(jī)調(diào)節(jié)汽門(mén)不必要的動(dòng)作。 當(dāng)機(jī)組功率定值 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 變化時(shí)，功率偏差信號(hào)將通過(guò) 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 立即使汽機(jī)調(diào)節(jié)汽門(mén)動(dòng)作、及時(shí)地利用鍋爐內(nèi)部蓄熱，使機(jī)組輸出功率跟上外負(fù)荷的需要。與此同時(shí)，功率定值又作為鍋爐指令前饋信號(hào)，快速地 改變?nèi)剂陷斎耄a(bǔ)充鍋爐蓄熱的變化。這樣有效地克服了單純機(jī)跟爐系統(tǒng)響應(yīng)外負(fù)荷緩慢的缺點(diǎn)。吸收了爐跟機(jī)系統(tǒng)能有效地利用鍋爐蓄熱能力，負(fù)荷響應(yīng)性好的特點(diǎn)，并保留了爐跟機(jī)方式能保持機(jī)前壓力錯(cuò)誤 !未找到引用源。 盡可能地穩(wěn)定的特點(diǎn)，使系統(tǒng)品質(zhì)得到改善