【正文】 曲線法。記下此時的比例度 δk 和振蕩周期 Ts。 臨界比例度法是要系統(tǒng)等幅振蕩，還要多次試湊，而用 衰減曲線法較簡單，一般又有兩種方法。這時的比例度叫臨界比例度 δk，周期為臨界振蕩周期 Tk。 實(shí)際 PID 調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)曲線如下圖所示： 長春理工大 學(xué) 本科 畢業(yè) 設(shè)計(jì) 14 teoΔ e0tμo0e??D0K1 e???DPIP I D 圖 31 實(shí)際 PID 調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)曲線 實(shí)際 PID 調(diào)節(jié)器在階躍輸入下，開始時微分作用的輸出變化最大，使總的輸出大幅度地變化，產(chǎn)生一個強(qiáng)烈的超前調(diào)節(jié)作用，把這種調(diào)節(jié)作用看成為預(yù)調(diào)；然后微分作用消失，積分作用逐漸占主導(dǎo)地位，只要靜態(tài)偏差存在，積分作用便不斷增加 ，把這種調(diào)節(jié)作用可看成為細(xì)調(diào)，一直到靜態(tài)偏差完全消失，積分作用才停止；而在 PID 的輸出中，比例作用是自始至終與偏差相對應(yīng)的，它是一種基本的調(diào)節(jié)作用。 比例積分微分（ PID）調(diào)節(jié)器 理想的比例積分微分（ PID）調(diào)節(jié)器由比例、積分和微分三種調(diào)節(jié)作用疊加而成，其動態(tài)方程為： ???????? ????? ?t0 di dtdeTe d tT1e1 (31) 其傳遞函數(shù)為： ( ) ( )( ) +1+11=sE=s sTsTsW diP I D ?? (32) 式中： 積分時間： pi IKT K?； 微分時 間：ddpKT K? ； 比例帶： 1pK??； 微分慣性時間常數(shù)： dD DTT K? PID 調(diào)節(jié)器中，有三個可以調(diào)整的參數(shù)：即比例帶 δ、積分時間 Ti 和微分時間 Td。 PID 控制，實(shí)際中也有 PI 和 PD 控制。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用 PID 控制技術(shù)最為方便。 PID控制器 在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱 PID 控制，又稱 PID 調(diào)節(jié) [5]。 由于過熱汽溫控制通道的遲延和慣性很大，被調(diào)量信號反應(yīng)慢，因此選擇減溫器后的汽溫作為局部反饋信號，形成了上述的兩種雙回路控制系統(tǒng)。 長春理工大 學(xué) 本科 畢業(yè) 設(shè)計(jì) 13 第 3 章 過熱 蒸 汽溫 度 控制系統(tǒng)的基本方案 過熱氣溫控制中一般 應(yīng)用 PID 控制器來進(jìn)行調(diào)節(jié) ，下面將簡單介紹 PID 控制器和 PID 參數(shù)整定的方法。所以噴水減溫還是目前被廣泛使用的過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)方法。 由以上分析可知 噴水減溫調(diào)節(jié)操作簡單，調(diào)節(jié)又靈敏，只要根據(jù)汽溫的變化適當(dāng)?shù)淖兏鄳?yīng)的減溫水調(diào)節(jié)閥門開度，改變進(jìn)入減溫器的減溫水量即可達(dá)到調(diào)節(jié)過熱汽溫的目的。調(diào)節(jié)送風(fēng)量可以改變流經(jīng)過熱器的煙氣量，即改變煙氣流速，達(dá)到調(diào)節(jié)過熱汽溫的目的。在旁路煙道中的受熱面之后裝有煙氣擋板，調(diào)節(jié)煙氣擋板的開度，即可改變通過主煙道的煙氣流速，從而改變主煙道中 受熱面的吸熱量。 （ 2）煙氣旁路調(diào)節(jié) 。改變煙氣量即改變煙氣流速的方法有： （ 1）采用煙氣再循環(huán) 。 若改變流經(jīng)過熱器的煙氣量，則煙氣流速必然改變，使對流傳熱系數(shù)變化，從而改變了煙氣對過熱器的放熱量。當(dāng)汽溫低時，則關(guān)小上排二次風(fēng)，開大下排二次風(fēng)，以抬高火焰中心。用改變上、下排二次風(fēng)分配比例的辦法來改變火焰中心位置。當(dāng)汽溫高時應(yīng)盡量先投用下排的燃燒器，汽溫低時可切換成上排噴燃器運(yùn)行 。 長春理工大 學(xué) 本科 畢業(yè) 設(shè)計(jì) 12 （ 2）改變噴燃器的運(yùn)行方式 。在高負(fù)荷時，將噴燃器向下傾斜某一角度，可以使火焰中心位置下移，使進(jìn)入過熱器區(qū)的煙氣溫度下降，減小過熱器的傳熱溫差，使汽溫降低?；鹧嬷行奈恢媒档蜁r，則過熱汽溫降低。 改變火焰的中心位置可以改變爐內(nèi)輻射吸熱量和進(jìn)入過熱器的煙氣速度，因而可以調(diào)節(jié)過熱汽溫。 由于噴水減 溫設(shè)備簡單，操作方便，調(diào)節(jié)又靈敏，所以仍得到廣泛應(yīng)用。 噴水減溫器調(diào)節(jié)汽溫的特點(diǎn)是， 只能使蒸汽減溫而不能升溫。該鍋爐第二級噴水減溫器設(shè)在末級對流過熱器進(jìn)口 ，被調(diào)參數(shù)是主蒸汽出口溫度，由于此處距主蒸汽出口距離近，且此后蒸汽溫度變化幅度也不大，所以第二級噴水減溫的靈敏度高，調(diào)節(jié)時滯也小，能有效的保證主蒸汽出口溫度符合要求，因而該級噴水調(diào)節(jié)是主蒸汽的細(xì)調(diào)節(jié)。 第一級布置在分隔屏過熱器之前，被調(diào)參數(shù)是屏式過熱器出口汽溫，其主要任務(wù)是保護(hù)屏式過 熱器，防止壁管超溫。當(dāng)汽溫偏高時，開大調(diào)節(jié)門增加減溫水量；當(dāng)汽溫偏低時，關(guān)小調(diào)節(jié)閥門減少減溫水量，或者根據(jù)需要將減溫器撤出運(yùn)行。被調(diào)溫的過熱蒸汽由于放熱，所以汽溫降低，達(dá) 到了調(diào)溫的目的。 減溫器通常采用給水作為冷卻工質(zhì)。煙氣側(cè)的調(diào)節(jié)，使通過改變鍋爐內(nèi)輻射受熱面和對流受熱面 的吸熱量分配比例的方法或改變流經(jīng)過熱器的煙氣量的方法來調(diào)節(jié)過熱蒸汽溫度。所謂蒸汽側(cè)的調(diào)節(jié)，是指通過改變蒸汽的熱焓來調(diào)節(jié)溫度。 對汽溫調(diào)節(jié)方法的基本要求是：調(diào)節(jié)慣性或延遲時間小，調(diào)節(jié)范圍大，對熱循環(huán)熱效率影響小，結(jié)構(gòu)簡單可靠及附加設(shè)備消耗少。汽溫過高會使金屬應(yīng)力下降，將影響機(jī)組的安全運(yùn)行；汽溫降低則會機(jī)組的循環(huán)的效率。 在減溫水流量擾動下，導(dǎo)前汽溫的傳遞函數(shù)可表 示為： 22202 2()() ( ) (1 ) nSKWS S T S???? ? （ 23） 式中 ： 2K — 減溫水流量擾動下導(dǎo)前汽溫的放大系數(shù)； 2T —為減溫水流量擾動下導(dǎo)前汽溫對象的時間常數(shù)； 2n — 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： 0010 0()() ( ) (1 ) nKSWS S T S???? ? （ 24） 式中： 0K 一減溫水流量擾動下過熱蒸汽溫度的放大系數(shù)； 0T —為減溫水流量擾動下過熱蒸汽溫度的時間常數(shù)； 0n — 階數(shù)； 對象惰性區(qū)的傳遞函數(shù)可表示為： 11101 21()() ( ) (1 ) nSKWS S T S???? ? （ 25） 式中： 1K —減溫水流量擾動下惰性區(qū)溫度的放大系數(shù)； 1T — 為減溫水流量擾動下惰性區(qū)溫度的時間常數(shù)； 1n — 階數(shù)； 總的來說，根據(jù)對過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)對象做階躍擾動試驗(yàn)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。 （ 3） 在煙氣側(cè)熱量和蒸汽流量擾動下，蒸汽溫度控制對象的動態(tài)特性比較好。而且改變?nèi)魏我粋€輸入?yún)?shù) ，其他的輸入?yún)?shù)都可能直接或間接的影響出口蒸汽溫度，這使得控制對象的動態(tài)過程十分復(fù)雜。當(dāng)擾動發(fā)生后，要隔較長時間才能是蒸汽溫度發(fā)生變化，滯后時間比較大 。 當(dāng)減溫水量發(fā)生擾動時，雖然減溫器出口處汽溫已發(fā)生變化，但要經(jīng)過較長的過熱器管道才能使出口汽溫發(fā)生變化，其擾動地點(diǎn) 與測量蒸汽溫度的地點(diǎn)之間有著較大的距離，此 時過熱器是一個有純滯后的多容對象。它與蒸汽量擾動下的情況類似。 長春理工大 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 （ b）減溫水 WS擾動 圖 25 在擾動下溫度的變化曲線 當(dāng)燃料量、送風(fēng)量或煤種等發(fā)生變化時 ，都會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。 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，即時間常數(shù) 和滯后時間 都比較小 ,且 較小。 當(dāng)鍋爐負(fù)荷擾動時，蒸汽流量的變化使沿整個過熱器管路長度上各點(diǎn)的蒸汽流速幾乎同時改變，從而改變過熱器的對流放熱系數(shù)，使沿整個過熱器各點(diǎn)的蒸汽溫度幾乎同時改變，因而汽溫反應(yīng)較快。在各種擾動下，汽溫控制對象是有 延遲 、慣性和自平衡能力的 [4]。 動態(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。則是否投入高壓給水加熱器將使給水溫度相差很大，這對過熱汽溫有顯著的影響。 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。 長春理工大 學(xué) 本科 畢業(yè) 設(shè)計(jì) 8 過?？諝饬扛淖儠r，燃燒生成的煙氣量改變，因而所有對流受熱面吸熱隨之改變，而且對離爐膛出口較遠(yuǎn)的受熱面影響顯著。 過熱蒸汽溫度控制對象的動靜態(tài)特性 靜態(tài)特性 對于對流式過熱器來說，當(dāng)鍋爐的負(fù)荷增加時，會使出口汽溫的 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，會使出口汽溫 的穩(wěn)態(tài)值降低。由于二級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)。其前饋信號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、燃燒器火嘴擺動傾角等。副回路給定值是上主回路控制器的輸出與前饋信號疊加而形成的。 二級減溫控制系統(tǒng)的主回路的被控量為二級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，形成二級過熱器出口蒸汽溫度偏差信號，主回路的給定值由運(yùn)行人員手動設(shè)定，對于 300MW 機(jī)組在正常負(fù)荷時，給定值一般為 540℃ 。 過熱器 二級減溫控制系統(tǒng) 過熱器二級減溫控制系統(tǒng)的原理簡圖如圖 24 所示。副回路采用 PID2 調(diào)節(jié)器，它接受一級減溫器出口蒸汽溫度的偏差信號。其溫度的測量值送入副回路與其給定值進(jìn)行比較，形成一級減溫器出口蒸汽溫度的偏差信號。主回路控制器接受二級減溫器入口蒸汽溫度偏差信號，經(jīng)控制運(yùn)算后其輸出送至副回路。運(yùn)行人員在操作員站上可對此給定值給予正負(fù)偏置。主回路的被控量為二級減溫器入口的蒸汽溫度，其實(shí)測值送入主回路與其給定值進(jìn)行比較，形成二級減溫器入口蒸汽溫度的偏差信號。 過熱器 一 級減溫控制系統(tǒng) 過熱器一級減溫控制系統(tǒng)的原理簡圖如圖 23 所示。過熱器設(shè)計(jì)成兩級噴水減溫方式，除可以有效減小過熱蒸汽溫度在基本擾動下的延遲，改善過熱蒸汽溫度的調(diào)節(jié)品質(zhì)外，第一級噴水減溫還 具有防止屏式過熱器超溫、確保機(jī)組安全運(yùn)行的作用。 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 300MW 機(jī)組鍋爐的過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)為設(shè)計(jì)對象，對其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行介紹。減溫器共有四只，每級安裝兩只，每只噴水量為每級噴水量的一半。第一級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)。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。 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。 長春理工大 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 。 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 。從圖中可以看出，當(dāng)鍋爐負(fù)荷從 33%增加到滿負(fù)荷時，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。屏式過熱器的汽溫變化特性介于輻射與對流過熱器之間，所以變化也比較平穩(wěn)。 其 管屏懸掛在爐頂?shù)匿摿荷?，受熱后能自由的向下膨脹? （ 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。 （ 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。 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。 （ 1）對流過熱器：布置在煙道內(nèi)，依靠熱煙氣對流傳熱的過熱器，稱為對流式過熱器。 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)傳熱方式分為對流過熱器、半輻射過熱器及輻射過熱器三種。仿真結(jié)果表明，基 于改進(jìn)型 Smith 預(yù)估器對大慣性、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。 ，確定了一種引入改進(jìn)型 Smith 預(yù)估器的串級控制系統(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)。 并對該系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行整定。在各種擾動作用 下反映出非線性、時變等特性，從而進(jìn)一步加大了汽溫控制的難度。 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、 煙氣流量擾動、減溫水流量擾動三種主要擾動下過熱汽溫的動態(tài)特性，過熱汽溫控制的難點(diǎn)和設(shè)計(jì)原則，并對過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀進(jìn)行了大致的介紹。 本次設(shè)計(jì)的目的 本文的設(shè)計(jì)目的，就是針對過熱蒸汽溫