【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 文） 2 主 汽溫系統(tǒng)分析 火力發(fā)電廠的生產(chǎn)流程 下圖為一大型單元機(jī)組生產(chǎn)流程圖： 圖 21 大型單元機(jī)組生產(chǎn)流程圖 1— 高壓汽輪機(jī)； 2— 中、低壓汽輪機(jī)； 3— 發(fā)電機(jī)； 4— 高壓汽機(jī)調(diào)門； 5—汽包； 6— 爐膛； 7— 煙道； 8— 過熱器噴水減溫器； 9— 再熱器噴水減溫器； 10— 送風(fēng)機(jī)； l2— 中、低壓汽機(jī)調(diào)門； l3— 煙道擋板； 14— 引風(fēng)機(jī)； 15— 冷凝器；16— 凝結(jié)水泵； 17— 低壓加熱器； 18— 除氧器； 19— 給水泵； 20— 高壓加熱器；21— 給水調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)； 22— 燃料量控制機(jī)構(gòu)； 23— 噴燃器； 24— 補(bǔ)充水； 25— 水冷壁管； 26— 過熱器； 27— 再熱器； 28— 省煤器； 29— 空氣預(yù)熱器。 從上圖可以看到它是以鍋爐，高壓和中、低壓汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)為主 體設(shè)備的一個(gè)整體。根據(jù)生產(chǎn)流程又可以把鍋爐分成燃燒系統(tǒng)和汽水系統(tǒng)。 燃燒系統(tǒng)的任務(wù)一方面是將燃料 B 由燃料控制機(jī)構(gòu) 22 經(jīng)噴燃器 23 送入爐華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 膛燃燒，另一方面是將助燃的空氣 AF 由送風(fēng)機(jī) 10 經(jīng)空氣預(yù)熱器 29 預(yù)熱后再經(jīng)調(diào)風(fēng)門 11 按一定比例送入爐膛?？諝夂腿剂显跔t膛內(nèi)燃燒產(chǎn)生大量熱量傳給蒸發(fā)受熱面 (水冷壁 )25 中的水。燃燒后的高溫?zé)煔饨?jīng) I 型煙道，不斷將熱量傳給過熱器 2再熱器 2省煤器 28 和空氣預(yù)熱器 29，每經(jīng)過一個(gè)設(shè)備煙氣溫度便會(huì)降低一次，最后低溫?zé)煔庥梢L(fēng)機(jī) 14 吸出，經(jīng)煙囪排入大氣。 在汽水系統(tǒng)中，鍋爐的 給水 W由給水泵 19 打出，先經(jīng)過高壓加熱器 20，再經(jīng)過省煤器 28 回收一部分煙氣中的余熱后進(jìn)入汽包 5。汽包中的水在水冷壁中進(jìn)行自然或強(qiáng)制循環(huán)，不斷吸收爐膛輻射熱量，由此產(chǎn)生的飽和蒸汽由汽包頂部流出，再經(jīng)過多級(jí) (3— 4 級(jí) ) 過熱器 26 進(jìn)一步加熱成過熱蒸汽 D。這個(gè)具有一定壓力和溫度的過熱蒸汽就是鍋爐的產(chǎn)品。蒸汽的高溫和高壓是為了提高單元機(jī)組的熱效率。 高壓汽輪機(jī) 1 接受從鍋爐供給的過熱蒸汽，其轉(zhuǎn)子被蒸汽推動(dòng)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生電能 MW。從高壓汽輪機(jī) 1 排出的蒸汽，其溫度、壓力都降低了，為了提高熱效率，需要把這部分蒸汽 送回鍋爐，在再熱器 27 中再次加熱，然后再進(jìn)入中、低壓汽輪機(jī) 2 做功，最后成為乏汽從低壓汽輪機(jī)尾部排入冷凝器 15 冷凝為凝結(jié)水。凝結(jié)水與補(bǔ)充水 24 一起經(jīng)凝結(jié)水泵 16 先打到低壓加熱器 17，然后進(jìn)入除氧器 18，除氧后進(jìn)入給水泵，至此完成了汽水系統(tǒng)的一次循環(huán)。 在汽水系統(tǒng)中還有兩個(gè)噴水減溫器 8 和 9，它們是用來控制蒸汽溫度的。由于對(duì)進(jìn)入高壓和中、低壓汽輪機(jī)蒸汽的溫度有較高的要求，為此用過熱器噴水 W，經(jīng)減溫器 8，用再熱器噴水經(jīng)減溫器 9 分別加以控制。 高、低壓加熱器 20 和 17 的作用是利用汽輪機(jī)的中間抽汽來加熱給水和凝結(jié)水以提 高電廠的熱效率。 汽包鍋爐蒸汽基本流程 以下是某 300MW汽輪發(fā)電機(jī)組的汽包鍋爐為例，其過熱蒸汽流程圖如下圖所示 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 圖 22 過熱蒸汽流程圖 1 圖 23 過熱蒸汽流程圖 2 264591 01 11 21 31 41 5過 熱 蒸 汽（ 去 高 壓 缸 ）再 熱 蒸 汽（ 去 中 壓 缸 ）煙 氣8主 蒸 汽3BV2G167V1華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 主汽溫調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性 汽包鍋爐過熱汽溫調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性是指各種引起過熱汽溫變化的原因與過熱汽溫變化之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。下面重點(diǎn)分析蒸汽流量 D、煙氣熱量 yQ 和減溫水量 BW 三種擾動(dòng)下過熱汽溫 ? 變化的動(dòng)態(tài)特性： 蒸汽流量擾動(dòng)下過熱汽溫的動(dòng)態(tài)特性 在蒸汽流量 D 產(chǎn)生階躍擾動(dòng)下，過熱汽溫 ? 變化的響應(yīng)曲線如下圖所示： 圖 24 蒸汽流量擾動(dòng)下主汽溫響應(yīng)曲線 蒸汽流量 D 擾動(dòng)下，過熱汽溫調(diào)節(jié)對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的特點(diǎn)是 : 有滯后、有慣性、有自平衡能力。 當(dāng)鍋爐負(fù)荷增加時(shí)，通過對(duì)流式過熱器的煙氣溫度和流速都增加，因此對(duì)流式過熱器出口汽溫升高；但對(duì)于輻射式過熱器，爐膛內(nèi)煙溫升高增加的輻射傳熱量小于蒸汽流量增加所需的吸熱量 ，因此輻射式過熱器出口汽溫下降。 煙氣熱量擾動(dòng)下過熱汽溫的動(dòng)態(tài)特性 在煙氣熱量 yQ 產(chǎn)生階躍擾動(dòng)下，過熱汽溫 θ變化的響應(yīng)曲線如下圖所示： 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 圖 25 煙氣熱量擾動(dòng)下過熱汽溫響應(yīng)曲線 煙氣熱量 yQ 擾動(dòng)下，過熱汽溫調(diào)節(jié)對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的特點(diǎn)是 :有遲延、有慣性、有自平衡能力。 由于煙氣熱量變化時(shí)，沿過熱器長(zhǎng)度使煙氣和過熱蒸汽之間的傳熱量同時(shí)變化，因此過熱汽溫 θ反應(yīng)較快，其時(shí)間常數(shù) Tc 和遲延時(shí)間 τ均較小。 減溫 水量擾動(dòng)下過熱汽溫的動(dòng)態(tài)特性 減溫水量 BW 擾動(dòng)下，過熱汽溫調(diào)節(jié)對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的特點(diǎn)是 : 有遲延、有慣性、有自平衡能力。 由于現(xiàn)代大型鍋爐過熱器管路很長(zhǎng)，因此減溫水量 BW 變化時(shí)過熱汽溫 θ 反應(yīng)較慢，其時(shí)間常數(shù) Tc 和遲延時(shí)間τ均較大。 在減溫水量 BW 產(chǎn)生階躍擾動(dòng)下，過熱汽溫 θ變化的響應(yīng)曲線如下圖所示： 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 圖 26 減溫水量擾動(dòng)下過熱汽溫響應(yīng)曲線 主汽溫的控制方法 基 于 Smith 預(yù)估器的單神經(jīng)元 PSD自適應(yīng)主汽溫控制 針對(duì)電廠主汽溫控制系統(tǒng)具有大之滯后、非線性的特點(diǎn)，提出了一種新的基于 Smith 預(yù)估器的單神經(jīng)元 PSD 自適應(yīng)控制算法，即由 Smith 預(yù)估器和單神經(jīng)元 PSD 白適應(yīng)控制器組合的復(fù)合控制。并且利用 Lyapunov 穩(wěn)定性理論證明了單神經(jīng)元自適應(yīng)控制器的穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種控制方式具有較好的自適應(yīng)性和魯棒性。 Fuzzy自整定 PID參數(shù)的 Smith 預(yù)估主汽溫控制系統(tǒng) 針對(duì)火電廠鍋爐主汽溫被控對(duì)象的大遲延、模型不確定性，設(shè)計(jì)了模糊(Fuzzy)自整定 PID 參數(shù)的 Smith預(yù)估主汽溫控制系統(tǒng)。運(yùn)用 MATLAB 對(duì)系統(tǒng)在多種工況下進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)在穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確性、魯棒性方面明顯優(yōu)于常規(guī)的 Smith預(yù)估控制系統(tǒng)；由于該控制方案有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，所以適用于缺乏精確數(shù)學(xué)模型且參數(shù)變化的大遲延工業(yè)過程。 模糊自調(diào)整 PID過熱汽溫控制系統(tǒng) 首先對(duì)主汽溫特性進(jìn)行了試驗(yàn)分析，針對(duì)工況參數(shù)對(duì)特性具有較大影響的被控對(duì)象，建立了過熱汽溫模糊自整定 PID 控制系統(tǒng)。選用直接推理的強(qiáng)度轉(zhuǎn)移法，編程建立功能摸塊化形式的模糊控制算法，通過組態(tài)實(shí)現(xiàn)該 控制系統(tǒng)功能。仿真及動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)與原機(jī)組常規(guī)主汽溫串級(jí)控制系統(tǒng)相比，對(duì)外擾的適應(yīng)性大大加強(qiáng)，控制品質(zhì)得到明顯改善。 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 影響 主 汽溫的因素 運(yùn)行中影響主蒸汽溫度的因素很多，主要有鍋爐負(fù)荷、爐膛過量空氣系數(shù)、給水溫度、燃料性質(zhì)受熱面污染情況和燃燒器的運(yùn)行方式，這些因素可能同時(shí)發(fā)生影響并相互制約。 鍋爐負(fù)荷 過熱器出口蒸汽溫度與鍋爐負(fù)荷之間的關(guān)系稱為汽溫特性。采用不同的傳熱方式的過熱器，它們的汽溫特性就不同。 隨著鍋爐負(fù)荷的增加，輻射式過熱器中蒸汽流量和鍋爐的燃料消耗按比例增加，但 是，爐內(nèi)火焰溫度升高不多。所以，爐內(nèi)輻射熱并不按比例增多，從而使輻射式過熱器中單位蒸汽的輻射吸熱量減少、蒸汽的焓增相對(duì)減少、出口蒸汽溫度下降。 對(duì)流過熱器的汽溫變化特性與輻射式過熱器正好相反。當(dāng)鍋爐負(fù)荷增加時(shí)，燃料消耗量隨之增多、流經(jīng)過熱器的煙氣流速和煙氣溫度提高，使其中的蒸汽焓增升高。所以，對(duì)流過熱器出口蒸汽溫度是隨鍋爐負(fù)荷的提高而增加的。 過量空氣系數(shù) 當(dāng)送入爐膛的過量空氣增加時(shí)，理論燃燒溫度降低，爐膛出口煙氣溫度幾乎不變，爐膛內(nèi)溫度水平降低，于是爐內(nèi)輻射傳熱減弱、輻射式過熱器的蒸汽焓增減少、出口蒸汽溫度降低；對(duì)于對(duì)流過熱器，由于增加了過量空氣而增加了煙氣流量，煙氣流速增大、對(duì)流傳熱加強(qiáng)、對(duì)流過熱器焓增加大、出口蒸汽溫度升高。風(fēng)量減小時(shí)與上術(shù)情況相反。 給水溫度 給水溫度升高，產(chǎn)生一定蒸汽流量所需的燃料量減少，燃燒產(chǎn)物的容積也減少、煙氣流速下降，同時(shí)爐膛出口煙氣溫度降低。這與鍋爐負(fù)荷降低的現(xiàn)象相同。輻射式過熱器焓增加大、出口蒸汽溫度升高；對(duì)流過熱器焓增減小，出口蒸汽溫度降低。整個(gè)過熱器系統(tǒng)過熱器焓增減小、出口蒸汽溫度降低、減溫水量減少。 如果高壓加熱器出現(xiàn)故障不能投入時(shí)，溫度 給水下降，情況與鍋爐負(fù)荷增加時(shí)相同，會(huì)使鍋爐燃料量增大、爐內(nèi)溫度水平上升、爐膛出口煙氣溫度上升、加熱器中工質(zhì)總的焓增加大、出口溫度升高、減溫水量明顯增加。 燃料性質(zhì) 燃煤中水分和灰分增加時(shí)，燃煤的發(fā)熱量降低。為了保證鍋爐的蒸發(fā)量，必須增加燃煤消耗量。這樣，由于水分的增加，增大了煙氣體積。同時(shí)，水分的蒸發(fā)和灰分本身溫度的提高，都要吸收爐內(nèi)的熱量，因此使?fàn)t內(nèi)溫度水平降低，華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 輻射傳熱減少。同時(shí)，由于燃煤灰分的增加抬高了火焰中心，使得爐膛出口煙氣溫度提高、對(duì)流煙道的煙氣溫度升高。同時(shí)水分的增加，增大了煙 氣體積、使得對(duì)流傳熱增加，過熱器出口蒸汽溫度升高、減溫水量增加。 煤粉變粗時(shí)，煤粉在爐膛內(nèi)的燃燒時(shí)間增長(zhǎng)，火焰中心上移，爐膛出口煙氣溫度升高，過熱器吸熱量增加，導(dǎo)致蒸汽溫度升高。 燃燒器的運(yùn)行方式 燃燒器的運(yùn)行方式的改變，例如擺動(dòng)燃燒器噴口的傾角發(fā)生變化時(shí)，或者多排燃燒器的使用情況發(fā)生變化時(shí)，爐膛中的火焰中心就要發(fā)生變化，影響爐膛出口煙氣溫度。只要爐膛內(nèi)火焰中心升高，爐膛出口煙氣溫度升高，蒸汽溫度就上升。反之，汽溫就下降。 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 大 時(shí)滯 對(duì)象 控制 大時(shí)滯對(duì)象介紹 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，被控對(duì)象除了具有容積延遲外，往往不同程度地存在著純時(shí)滯?；痣姀S中的主汽溫的控制對(duì)象是一個(gè)典型的大遲延、大慣性對(duì)象。在這個(gè)過程中，由于時(shí)滯的存在，使得被調(diào)量不能及時(shí)反映系統(tǒng)所承受的擾動(dòng)，即使測(cè)量信號(hào)不能及時(shí)到達(dá)調(diào)節(jié)器，使之受到控制。因此，這樣的過程必然會(huì)產(chǎn)生較明顯的超調(diào)量和較長(zhǎng)的過渡過程時(shí)間。為了保持系統(tǒng)的穩(wěn)定就必須降低控制器的增益，而又降低了系統(tǒng)的反應(yīng)速度和抑制干擾能力。所以具有時(shí)滯的過程被認(rèn)為是較難控制的過程，其難度將隨著時(shí)滯 ? 占整個(gè)過程動(dòng)態(tài)的份額的增加而增加。一般認(rèn)為時(shí)滯時(shí)間 ? 與過程的時(shí)間常數(shù) T之比大于 ，則說該過程是具有大時(shí)滯的工藝過程 .當(dāng) ? / T增加，過程中相位滯后增加，使上述現(xiàn)象更為突出，導(dǎo)致控制精度降低，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，從而危及設(shè)備及人身安全。因此大時(shí)滯系統(tǒng)一直受到人們的關(guān)注，成為重要的研究課題之一。 目前克服時(shí)滯的基本方法就是對(duì)時(shí)滯環(huán)節(jié)進(jìn)行補(bǔ)償，研究表明，是否進(jìn)行補(bǔ)償取決于過程時(shí)滯因子與時(shí)間常數(shù)之比。 以單變量系統(tǒng)為例，設(shè)對(duì)象可表示為)1/()( ?? TssKesG ? ，則有如下結(jié)論 :當(dāng) ? ，無補(bǔ)償必要；當(dāng) ? ，應(yīng)考慮補(bǔ)償 。當(dāng) ? ，必須補(bǔ)償。 串級(jí) PID控制 PID控制是迄今為止應(yīng)用最廣泛的一種控制算法。目前在工業(yè)過程中采用 PID控制的占 90%以上，也是目前電廠中過熱汽溫控制中最普遍的控制方法。其優(yōu)點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單、通用性強(qiáng)、魯棒 性好而且使用方便，應(yīng)用 PID控制的關(guān)鍵技術(shù)是 PID參數(shù)的設(shè)置和整定。 串級(jí)過熱汽溫自動(dòng)控制系統(tǒng)以過熱汽溫 2? 為被調(diào)量，根據(jù)噴水減溫器出口溫度 1? 調(diào)節(jié)減溫水量。水減溫器出口溫度 1? 可以快速反應(yīng)對(duì)過熱汽溫的擾動(dòng)，只要1? 變化，就可以通過副調(diào)節(jié)器 1PI 調(diào)節(jié)減溫水量，維持 1? 在一定范圍以內(nèi)，從而使過熱汽溫 2? 基本不變，提高控制品質(zhì)。 對(duì)應(yīng)的汽包鍋爐串級(jí)過熱汽溫自動(dòng)控制系統(tǒng)的原理方框圖如下圖所示： 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 圖 3－ 1串級(jí)控制原理方框圖 常見的參數(shù)整定方法有：動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法、衰減曲線法、臨界震蕩法等等。 動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法 這是一種以被控對(duì)象控制的階躍響應(yīng)為依據(jù)，通過一些經(jīng)驗(yàn)公式求取調(diào)節(jié)器最佳參數(shù)整定值的開環(huán)整定方法。這種方法是由齊格勒和尼科爾斯于 1942年首先提出的 ,后來經(jīng)過不少改進(jìn)，總結(jié)出相應(yīng)的計(jì)算調(diào)節(jié)器最佳參數(shù)整定公式。這些公式均以衰減率 (ψ=)為系統(tǒng)的性能指標(biāo)，其中廣為流行的是柯恩 (Cohen)— 庫思 (Coon)整定公式： (1)比例調(diào)節(jié)器 3 3 )/( 1 ?? ?Tkk c ? (2)比例積分調(diào)節(jié)器 )]/([])/()/([/ 0 8 )/( 21TTTTT Tkk Ic ???? ??? ??? (3)比例積分微分調(diào)節(jié)器 )]/([)/()]/([])/()/([/)/(21TTTTTTTTTTkkDIc??????????