【正文】 算機(jī) 、工業(yè)專用控制計算機(jī)的出現(xiàn)以及廣泛的應(yīng)用，為鍋爐控制領(lǐng)域開辟了一片廣闊的天地。 80 年代后期至今，國內(nèi)外已經(jīng)陸續(xù)出現(xiàn)了各種各樣的鍋爐微機(jī)測控系統(tǒng)，明顯的改善了鍋爐的運(yùn)行狀況，但還不夠完善 。 國內(nèi)外廣大專家學(xué)者和現(xiàn)場工作人員主要關(guān)注的熱點(diǎn)問題是：面對具有大延遲、工況 參數(shù)對模型參數(shù)有較大影響的過熱汽溫，如何穩(wěn)定、準(zhǔn)確、快速地對其進(jìn)行有效的控制。同時還具有延遲和慣性較大等特性。 因此，許多火電廠都希望能有一種理想的控制策略實現(xiàn)對過熱汽溫的有效控制。除此之外 還有綜合了幾種控制形式的混合式智能控制器等多種形式，如以模糊控制為基礎(chǔ)的專家模糊控制系統(tǒng)，最常見的是以常規(guī) PID 數(shù)字控制為基礎(chǔ)，通過專家系統(tǒng)在線實時整定 PID 控制參數(shù)，即智能自適應(yīng) PID 控制器 [2]。目前比較有效的是模糊 PID 復(fù)合串級控制系統(tǒng)，較好實現(xiàn)對過熱蒸汽溫度的控制。并且通過仿真驗證來控制效果。 、大慣性的特點(diǎn)，尤其隨著機(jī)組容量和參數(shù)的增加，蒸汽的過熱受熱面的比 例加大，使其延遲和慣性更大，使其控制難度加大。 介紹了串級控制系統(tǒng)和導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)，并加以分析、比較。 根據(jù)兩種方案的特點(diǎn)，初步選用串級控制系統(tǒng)， 將串級控制引入到過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)中， 但串級控制系統(tǒng)不能克服純之后帶來的影響，在接下來對串級控制系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)。同時，通過相應(yīng)控制器去控制減溫水調(diào)節(jié)閥的閥位開度，根據(jù)調(diào)節(jié)減溫水的流量大小來控制過熱蒸汽溫度的變化，從而實現(xiàn)對過熱蒸汽溫度控制。 長春理工大 學(xué) 本科 畢業(yè) 設(shè)計 3 第 2 章 過熱 蒸 汽溫 度 控制系統(tǒng)的組成與對象 特性 這里主要是針對 300MW 的單元機(jī)組鍋爐，通過了解其高溫、亞臨界壓力、自然循環(huán)、單爐膛前后對沖燃燒、燃煤粉汽包爐，且汽輪機(jī)為單軸、三缸、 兩排汽、再熱、凝汽沖動式，說明過熱器與再熱器在鍋爐中的位置及布置情況，從而全面掌握研究對象的生產(chǎn)過程，并熟悉其動靜態(tài)特性及分析影響汽溫變化的各種因素?，F(xiàn)代大容量高參數(shù)鍋爐的過熱器主要由對流過熱器，屏式過熱器，包覆過熱器，頂棚過熱器，聯(lián)箱及減溫器構(gòu)成 [3]。對流過熱 器是由聯(lián)箱和很多細(xì)長的蛇形管束所組成 。蛇形管與聯(lián)箱上的管接頭焊接在一起。在做墻式布置時輻射過熱器的管子可以布置在燃燒室四壁的任一面墻上，可以僅布置在燃燒室上部，也可以沿燃燒室高度全部布置；它可以集中布置在某一區(qū)域，也可以與蒸發(fā)受熱面管子間隔布置。最常用的半輻射過熱器是布置在燃燒 室上部或出口處的高溫?zé)焻^(qū)內(nèi)的屏式過熱器。為了保持各屏間的節(jié)距，可將相臨兩屏中的若干對管子彎繞出來互相夾持在一起，而各屏本身的管子也應(yīng)夾持在同一平面上。 圖 21是布置在不同煙溫區(qū)域內(nèi)的過熱器的汽溫特性示意圖。由于屏式過熱器具有過熱汽溫平穩(wěn)的特點(diǎn)，在現(xiàn)代大型鍋爐上廣泛地采用了這種過熱器。根據(jù)已采用屏式過熱器的許多鍋爐運(yùn)行實踐證明，它能夠在 1000— 1300℃ 煙溫區(qū)內(nèi)可靠工作，并具有良好的汽溫變化特性。 300MW 機(jī)組鍋爐的過熱器，具體結(jié)構(gòu) 如 圖 22所示。采用輻射式、半輻射式和對流過熱器聯(lián)合過熱系統(tǒng)，以獲得良好的過熱蒸汽溫度變化特性。 1汽包； 2前屏過熱器； 3后屏過熱器； 4頂棚過熱器； 5側(cè)墻包覆過熱器； 6后墻包覆過熱器； 7低溫對流過熱器； 8第一級減溫器； 9第二級減溫器； 10高 溫對流過熱器 圖 22 300MW 機(jī)組過熱器系統(tǒng)圖 長春理工大 學(xué) 本科 畢業(yè) 設(shè)計 5 采用兩級噴水減溫，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)過熱器。 第二級噴水減溫器布置在高溫對流過熱器之前，這一級熱慣性小，可保證出口汽溫能得到迅速調(diào)節(jié)。 蒸汽流程為：飽和蒸汽由汽包引出后經(jīng)一部分頂棚過熱器進(jìn)入側(cè)墻和后墻包覆過熱器，流出后在聯(lián)箱內(nèi)混合，進(jìn)入低溫對流過熱器，出來后再經(jīng)過另一 部分頂棚過熱器進(jìn)入前屏過熱器，流出后經(jīng)過第一級噴水減溫器減溫，再進(jìn)入后屏過熱器，流出后經(jīng)過第二級減溫器減溫，進(jìn)入高溫對流過熱器完成最后一次過熱后，送往汽輪機(jī)。 該 300MW 機(jī)組鍋爐的過熱蒸汽溫度控制采用二級噴水減溫控制方式。 本機(jī)組鍋爐過熱器一、二級噴水減溫器的控制目標(biāo)就是在機(jī)組不同負(fù)荷下維持鍋爐二級減溫器入口和二級減溫器出口的蒸汽溫度 為設(shè)定值。該系統(tǒng)是在一個串級雙回路控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，引入前饋信號和防超溫保護(hù)回路而形成噴水減溫控制系統(tǒng)。主回路的給定值由代表機(jī)組負(fù)荷的主蒸汽流量 信號經(jīng)函數(shù)器 f(x)產(chǎn)生，其含義為給定值是負(fù)荷的函數(shù)。主回路的控制由 PID1 來完成。 副回路的被控量為一級減溫器出口的蒸汽溫度。副回路的給定值是由主回路控制器的輸出與前饋信號疊加形成。 長春理工大 學(xué) 本科 畢業(yè) 設(shè)計 6 圖 23 過熱器一級減溫控制系統(tǒng) 由于機(jī)組的負(fù)荷會 改變，控制對象的動態(tài)特性也隨之而變，為了在較大的負(fù)荷變化范圍內(nèi)都具備較高的控制品質(zhì)，在大型機(jī)組的蒸汽溫度控制中，可充分利用計算機(jī)分散控制的優(yōu)點(diǎn)，將主、副調(diào)節(jié)器設(shè)計成自動隨著負(fù)荷的變化不斷地修改整定參數(shù)的調(diào)節(jié)器，上述蒸汽溫度控制系統(tǒng)就是如此。該系統(tǒng)與一級減溫控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)基本相同 ，不同之處在于：主、副調(diào)節(jié)器輸入的偏差信號不同，采用的前饋信號也不同。 副回路的被控量為二級減溫器出口蒸汽溫度，其溫度的測量值送入副回路與其給定值比較，形成二級減溫器出口蒸汽溫度的偏差信號。 二級減溫控制的主回路前饋信號采用了基于焓值計算的較為完善的方案。 長春理工大 學(xué) 本科 畢業(yè) 設(shè)計 7 圖 24 過 熱器二級減溫控制系統(tǒng) 除了以上內(nèi)容外，二級減溫控制系統(tǒng)的其他部分以及工作原理與一級減溫控制系統(tǒng)完全相同。因此本次設(shè)計主要是對 二級減溫控制系統(tǒng)的設(shè)計，使機(jī)組在不同負(fù)荷下維持鍋爐二級減溫器入口和二級減溫器出口的蒸汽溫度為設(shè)定值。如果兩種過熱器串聯(lián)配合，可以取得較平坦的汽溫特性。因此，當(dāng)增大過?？諝饬繒r將使過熱汽溫上升。也可以認(rèn)為：提高給水溫度后，在相同燃料下 ，鍋爐的蒸發(fā)量增加了，因此過熱汽溫將下降。 在爐膛內(nèi)投入高度不同的燃燒器或改變?nèi)紵鞯臄[角會影響爐內(nèi)溫度分布和爐膛出口煙溫，因而也會影響過熱汽溫，火焰中心相對提高時，過熱汽溫將升高。影響汽溫變化的因素很多，但主要有蒸汽流量、煙氣傳熱量和減溫水量等。 引起蒸汽流量擾動的原因有兩個：一是蒸汽母管的壓力變化； 二是汽輪機(jī) 調(diào)節(jié)閥的開度變化。 其傳遞函數(shù)可以表示為： 2 ()() ( ) 1 sDDSKW S eD S T S ???? ? (21) 式中 ： KD—鍋爐負(fù)荷擾動時被控對象的放大系數(shù) ； ?一負(fù)荷擾動后對象的滯后時間； TD— 對象的時間常數(shù)。動態(tài)特性曲線如圖 25（ a） 所示。煙氣側(cè)擾動的汽溫響應(yīng)曲線如圖 25（ a） 所示。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)，見式 (22) 2 2212() 1() ( ) 1SSWS S T S T S? ???? ?? (22) 式中： ()SS? 為煙氣溫度 但對象特征總的特點(diǎn)是：有遲延，有慣性，有自平衡能力，其動態(tài)特性曲 線如圖 25（ a） 所示。 動態(tài) 曲線圖如圖 25（ b） 所示。綜上所述，可歸納出以下幾點(diǎn)： （ 1）過熱器出口蒸汽溫度對象不管在哪一 種擾動下都有延遲和慣性，有自平衡能力。 （ 2）在減溫水流量擾動下，過熱器出口蒸汽溫度對象具有較大的傳遞滯后和容量滯后，減 小 減溫器與蒸汽溫度控制點(diǎn)之間的距離，可以改善其動態(tài)特性。 長春理工大 學(xué) 本科 畢業(yè) 設(shè)計 10 由圖可見，在減溫水流量擾動下，減溫器出口過熱汽溫 1? 的響應(yīng)比過熱器出口汽溫 2? 快得多，可以肯定，在噴水減溫過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，以 1? 作為導(dǎo)前信號構(gòu)成串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可大大改善控制系統(tǒng)的性能。 過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)的概念和方法 維持穩(wěn)定的汽溫是保證鍋爐安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行所必須的。因此，要求鍋爐設(shè)置適當(dāng)?shù)恼{(diào)溫手段，以 減小擾動 對汽溫波動的影響。 汽溫的調(diào)節(jié)可歸結(jié)為兩大類：蒸汽側(cè)的調(diào)節(jié)和煙氣側(cè)的調(diào)節(jié)。例如噴水式減溫器向過熱器中噴水，噴 入的水的加熱和蒸發(fā)要消耗過熱蒸汽的一部分熱量，從而使汽溫下降，調(diào)節(jié)噴長春理工大 學(xué) 本科 畢業(yè) 設(shè)計 11 入的水量，可以達(dá)到調(diào)節(jié)汽溫的目的。 從蒸汽側(cè)調(diào)節(jié)汽溫 汽 溫調(diào)節(jié)通常采用噴水減溫作為主要調(diào)節(jié)手段。噴水減溫的方法是將水呈霧狀直接噴射到過熱蒸汽中去與之混合，吸收過熱蒸汽的熱量使本身加熱，蒸發(fā)，過熱，最后也成為過熱蒸汽的一部分。 噴水減溫調(diào)節(jié)操作簡單，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。 單 元機(jī)組的鍋爐對汽溫要求較高，故通常裝置兩級以上的噴水減溫器。 這級減溫器只能作為主蒸汽溫度的粗調(diào)節(jié)。第二級噴水減溫器往往分兩側(cè)布置，以減小過熱汽溫?zé)崞?。因此，鍋爐按鍋爐額定負(fù)荷設(shè)計時，過熱器受熱面的面積是超過需要的，也就是說，鍋爐在額定負(fù)荷下運(yùn)行時過熱器吸收的熱量將大于蒸汽所需要的過熱熱量，這時就必須用減溫 水來降低蒸汽的溫度使之保持額定值。 從煙氣側(cè)調(diào)節(jié)汽溫 改變火焰中心位置。當(dāng)火焰中心位置抬高時，火焰離過熱器較近，爐內(nèi)輻射吸熱量減少，爐膛出口煙溫升高，則過熱汽溫將升高。改變火焰中心位置的方法有： （ 1）調(diào)整噴燃器的傾角。而在 低負(fù)荷時，將噴燃器向上傾斜適當(dāng)角度，則可以使火焰中心位置提高，使汽溫升高。當(dāng)沿爐膛高度布置有多排噴燃器時，可以將不同高度的噴燃器組投入或停止工作，即通過上、下排噴燃器的切換，來改變火焰中心位置。 （ 3）變化配風(fēng)工況 。當(dāng)汽溫高時，可開大上排二次風(fēng)，關(guān)小下排二次風(fēng)，以壓低火焰中心。 。煙氣量增多時，煙氣流速大，使汽溫升高；煙氣量減少時，煙氣流速小，使汽溫降低。 改變再循環(huán)煙氣量，可以同時改變流過過熱器的煙氣流量和煙氣含熱量，因而可以調(diào)節(jié)汽溫。采用這種方法是將過熱器處的對流煙道分隔成主煙道和旁路煙道兩部分。 （ 3）調(diào)節(jié)送風(fēng)量 。調(diào)節(jié)送風(fēng)量首先必須滿足燃燒工況的要求，以保證鍋爐機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。 并且 對過熱器的安全運(yùn)行比較理想，盡管對象的調(diào)節(jié)特性不夠理想， 但可以從對象的調(diào)節(jié)通道中找出一個比被調(diào)量反應(yīng)快的中間點(diǎn)信號作為調(diào)節(jié)器的補(bǔ)充反饋信號，以改善對象調(diào)節(jié)通道的動態(tài) 特性，提高調(diào)節(jié)系統(tǒng)的質(zhì)量。本次設(shè)計就是采用噴水減溫作為主要調(diào)節(jié)手段 。 過熱汽溫的控制方案很多， 傳統(tǒng)的汽溫控制系統(tǒng)有兩種：串級汽溫控制系統(tǒng)和采用導(dǎo)前微分信號的汽溫控制系統(tǒng)。下面將 分別加以介紹 并確定控制方案 。 PID 控制器問世至今已有近 70 年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。即當(dāng)我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲 得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用 PID 控制技術(shù)。 PID 控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進(jìn)行控制的 。適當(dāng)選擇這三個參數(shù)的數(shù)值，可以獲得良好的調(diào)節(jié)質(zhì)量。 PID 參數(shù)整定方法 先在純比例作用下（把積分時間放到最大，微分時間放到零），在閉合的調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，從大到小地逐漸地改變調(diào)節(jié)器的比例度，就會得到一個臨界振蕩過程。記下 δk 和 Tk，然后按經(jīng)驗公式來確定調(diào)節(jié)器的各參數(shù)值。 （ 1） 4： 1 衰減曲線法 使系統(tǒng)處于純比例作用下，在達(dá)到穩(wěn)定時，用改變給定值的辦法加入階躍干擾，觀察記錄曲線的衰減比，然后逐漸從大到小改變比例度，使出現(xiàn) 4： 1 的衰減比為止。再按經(jīng)驗公式（見附錄）來確定 PID 數(shù)值。方法同上，得到 10： 1 衰減曲線，記下此時的比例度 δk和上升時間 Ts，再按經(jīng)驗公式（見附錄）來確定 PID 的數(shù)值。 （ 2） 看曲線，調(diào)參數(shù)，根據(jù)操作經(jīng)驗，看曲線的形狀，直接在閉合的調(diào)節(jié)系統(tǒng)中逐步反復(fù)試湊，一直得到滿意數(shù)據(jù)。 目前國內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的方法是經(jīng)驗試湊法，但需要工程師的經(jīng)驗。 串級溫 度 控制系統(tǒng) 單回路控制系統(tǒng)是各種復(fù)雜控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，由于其控制簡單而得到廣泛應(yīng)用。 因而產(chǎn)生了許多新的、較復(fù)雜的控制系統(tǒng)，如串級控制、導(dǎo)前微分控制、復(fù)合控制、分段控制、多變量控制等。 串級 溫度 控制系統(tǒng)的基本結(jié) 構(gòu)及原理 過熱 蒸 汽溫 度 串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖 32所示： 圖 32 過熱汽溫串級控制系統(tǒng) 該汽溫串級控制系統(tǒng)中，有主、副兩個調(diào)節(jié)器。當(dāng)過熱汽溫升高時， 2I? 增加，主調(diào)節(jié)器輸出 1TI 減小，副調(diào)節(jié)器輸出 2TI 減小，減溫水量增加，過熱汽溫下降。 過熱汽溫串級控制系統(tǒng)的原理方框圖如圖 33 所示，具有內(nèi)外兩個回路。系統(tǒng)中以減溫器的噴水作為控制手段，因為減溫器離過熱器出口較遠(yuǎn)，且過熱器管壁熱容較大，主汽溫對象的滯后和慣性較大。為此再取一 個對減溫水量變化反映快的中間溫度信號 2q 作為導(dǎo)前信號，增加一個調(diào)節(jié)器 PI2 組成如圖 32 所示的串級控制系統(tǒng)。另外， PI2 的給定值受調(diào)節(jié)器 PI1 的影響，后者根據(jù) 1q 改變 2q 的給定值，從而保證負(fù)荷擾動時，仍能保持 X 滿足要求。 溫 度調(diào) 節(jié) 器 1溫 度調(diào) 節(jié)