【正文】 年代又相繼從國外引進(jìn)各種 300MW 以上的爐型 , 均沈陽工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 無一例外為中間再熱機(jī)組 , 所以有關(guān)再熱汽溫調(diào)節(jié)問題也引起了鍋爐界同仁的關(guān)注。 (2) 80 年代中尾部分隔煙道擋板再熱汽調(diào)溫方式得到鍋爐制造廠的青睞 。 (3) 80 年代后期隨大型電站鍋爐引進(jìn)美國 CE 公司技術(shù)后 , 以 CE 公司鍋爐技術(shù)特方式之一的擺動(dòng)燃燒器調(diào)節(jié)再熱汽溫 , 已作為 300MW 等以上容量鍋爐的調(diào)溫手段 。近幾年來 , 隨著各地工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的迅猛發(fā)展 ,電力建設(shè)事業(yè)進(jìn)展極快 , 各電廠均注重降低煤耗和發(fā)電成本 , 爭取低價(jià)上網(wǎng) , 而且由于地方電網(wǎng)裝機(jī)總量的增大 , 一些 200MW 甚至 300MW 容量的機(jī)組作調(diào)峰運(yùn)行已屢見不鮮 , 低負(fù)荷運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性已提上日程 。 國內(nèi) 現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 國內(nèi)的現(xiàn)狀是大部分執(zhí)行機(jī)構(gòu)老化或技術(shù)不夠先進(jìn)，我們國內(nèi)有很好的控制理論和控制系統(tǒng)， 但是到執(zhí)行機(jī)構(gòu)這里就出現(xiàn)問題了！就好像一個(gè)人有靈活的大腦，卻有笨拙的四肢，無法很好的支配一樣。它的控制系統(tǒng)“軟件”沒有問題，但是執(zhí)行機(jī)構(gòu)這個(gè)“硬件”就有問題了： 如四角不能同時(shí)擺動(dòng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)卡澀、燃燒器擺角下垂 (出現(xiàn)單個(gè)燃燒器下垂，也有整組燃燒器下垂 )，這些問題曾導(dǎo)致鍋爐運(yùn)行中燃燒不穩(wěn)定，甚至造成鍋爐滅火。因此微量噴水 調(diào)節(jié)就成為正常工況下汽溫調(diào)整的唯一手段。如在額定設(shè)計(jì)工況下減溫水用量是 t/h，實(shí)際中需投用減溫水量達(dá)到 20～ 30 t/h。 國內(nèi)發(fā)展趨勢是盡量 恢復(fù)燃燒器擺角作為再熱汽溫的主調(diào)節(jié)手段；改善被控對象的控制品質(zhì)；負(fù)荷變化時(shí)，使再熱汽溫盡可能穩(wěn)定。主要有蒸汽動(dòng)力發(fā)電廠、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電廠、內(nèi)燃機(jī)發(fā)電廠幾種類型。 熱力學(xué)第一定律：熱可以變?yōu)楣?，功也可以變?yōu)闊?，消耗一定熱量時(shí)，必產(chǎn)生相當(dāng)數(shù)量的功，消耗一定量的功時(shí)，必出現(xiàn)相應(yīng)數(shù)量的熱。機(jī)械能可以自動(dòng)轉(zhuǎn)化為熱能，而熱能卻不能自動(dòng)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。煤粉送至分離器進(jìn)行分離 ,合格的煤粉送到煤粉倉儲(chǔ)存 (倉儲(chǔ)式鍋爐 )。燃燒的煤粉放出大量的熱能將爐膛四周水冷壁管內(nèi)的水加熱成汽水混合物。過熱蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)做功推動(dòng)汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn) ,汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電 ,發(fā)電機(jī)發(fā)出的三相交流電通過發(fā)電機(jī)端部的引線經(jīng)變壓器升壓后引出送入電網(wǎng)。再熱式機(jī)組采用中間再熱過程 ,把在汽輪機(jī)高壓做功之后的蒸汽送到鍋爐的 再熱器中再熱 , 溫度合格的再熱蒸汽被送到汽輪機(jī)中、低壓缸繼續(xù)推動(dòng)汽輪機(jī)做功，如圖 21。 沈陽工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 圖 21 火力發(fā)電廠生產(chǎn)過程 火電廠三大控制系統(tǒng) 鍋爐給水控制系統(tǒng) 汽包鍋爐給水控制的主要任務(wù)是使鍋爐的給水量跟蹤鍋爐的蒸發(fā)量，保證鍋爐進(jìn)出的物質(zhì)平衡和正常運(yùn)行所需的工質(zhì)，對于國 產(chǎn) 300MW 機(jī)組普通采用的汽包鍋爐來說，就是維持汽 包水位在允許范圍內(nèi)變化。 汽包水位間接地反映了鍋爐內(nèi)物質(zhì)平衡狀況（主要是蒸汽負(fù)荷與給水量的平衡關(guān)系），因此，它是表征鍋爐安全運(yùn)行的重要參數(shù)之一，也是保證汽輪機(jī)安全運(yùn)行的重要條件之一。汽包水位過低，則會(huì)破壞鍋爐的水循環(huán)，使某些水冷壁管束得不到爐水冷卻而燒壞，甚至引起鍋爐爆炸事故。 鍋爐水位實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，不僅可提高鍋爐汽輪機(jī)組的安全性，還可提高鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。因此，電廠鍋爐的給水實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制以及自動(dòng)控制系統(tǒng)保持優(yōu)良的工作性能是十分重要性的?，F(xiàn)代鍋爐的過熱器是在高溫、高壓的條件下工作，過熱器出口的過熱蒸汽溫度是全廠整個(gè)汽水行程中工質(zhì)溫度的最高點(diǎn)，也是金屬壁溫的最高處。如果過熱蒸汽溫度過高，容易燒壞過熱器，也會(huì)使蒸汽管道、汽輪機(jī)內(nèi)某些零部件產(chǎn)生過大的熱膨脹變形而毀壞，影響機(jī)組的安全運(yùn)行；如果過熱蒸汽溫度過低，將會(huì)降低全廠的熱效率，一般蒸汽溫度每降低 5～10℃，熱效率約降低 1%， 不僅增加燃料消耗量，浪費(fèi)能源，而且還將使汽輪機(jī)最后幾級(jí)的蒸汽濕度增加，加速汽輪機(jī)葉片的水蝕。所以，過熱蒸汽溫度過高或過低都是生產(chǎn)過程所不允許的。因此，過熱蒸汽溫度的控制任務(wù)是：維持過熱器出口蒸汽溫度在生產(chǎn)允許的范圍內(nèi)，一般要求過熱蒸汽溫度的偏差不超過額定值 (給定值 )的 +5～ 10℃。采取蒸汽中間再熱可以提高電廠循環(huán)熱效率，降低汽輪機(jī)末端葉片的蒸汽濕度，減少汽耗等。因此，再熱器出口蒸汽溫度的控制成為大型火力發(fā)電機(jī)組不可缺少的一個(gè)控制項(xiàng)目。再熱蒸汽溫度控制的 任務(wù)，是保持再熱器出口蒸汽溫度在動(dòng)態(tài)過程中處于允許的范圍內(nèi)，穩(wěn)態(tài)時(shí)等于給定值。又稱控制量。表征生產(chǎn)過程是否正常運(yùn)行并需要加以調(diào)節(jié)的物理量。在許多情況下給定值是不變的（如正常運(yùn)行時(shí)鍋爐的汽包水位、過熱蒸汽溫度等），但在有些情況下給定值是變化的，如汽輪機(jī)啟 動(dòng)過程中轉(zhuǎn)速的給定值就應(yīng)不斷改變。即被調(diào)節(jié)的生產(chǎn)過程或設(shè)備稱為調(diào)節(jié)對象。 擾動(dòng)：引起被調(diào)量偏離給定值的各種原因稱為擾動(dòng)。如果擾動(dòng)發(fā)生在控制回路內(nèi)部，稱為內(nèi)擾。變更控制器的給定值的擾動(dòng)稱為定值擾動(dòng)，有時(shí)也稱控制作用的擾動(dòng)。這種直接根據(jù)擾動(dòng)進(jìn)行控制的系統(tǒng)，稱為前饋控制系統(tǒng)。 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類 前饋控制系統(tǒng) 在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，經(jīng)常又?jǐn)_動(dòng)的產(chǎn)生。如果根據(jù)被調(diào)量和給定值之間的偏差進(jìn)行控制的負(fù)反饋控制系統(tǒng)只有當(dāng)被控對象受到擾動(dòng)后，只有等被調(diào)量發(fā)生變化，偏差出現(xiàn)后才開始控制，這種控制動(dòng)作落后于擾動(dòng)，必然造成控制過程中存在（動(dòng)態(tài)）偏差。這種直接根據(jù)擾動(dòng)進(jìn)行控制的系統(tǒng)，稱為前饋控制系統(tǒng)。 1. 前饋控制系統(tǒng)的分析 前饋控制系統(tǒng)的原理框圖如圖 ： 300MW 發(fā)電 機(jī)組再熱 汽 溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7 圖 前饋控制系統(tǒng) 圖 ，擾動(dòng)量λ是引起被調(diào)量 y變化的原因，而前饋調(diào)節(jié)器在擾動(dòng)出現(xiàn)的同時(shí)就根據(jù)擾動(dòng)信號(hào)λ進(jìn)行調(diào)節(jié)，用此控制作用去抵消擾動(dòng)λ對被調(diào)量的影響。在前饋控制系統(tǒng)中，沒有被調(diào)量（及其它）的反饋信號(hào)，所 以系統(tǒng)是不閉合的，因此也稱開環(huán)控制系統(tǒng)。 （ 2） 前饋控制系統(tǒng)為開環(huán)控制系統(tǒng)，不存在系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。 （ 3） 前饋控制系統(tǒng)只能用來克服生產(chǎn)過程中主要的、可測的擾動(dòng)。 （ 4） 前饋控制系統(tǒng)一般只能實(shí)現(xiàn)局部補(bǔ)償而不能保證被調(diào)量的完全不變。為了取得偏差信號(hào)，必須要有被調(diào)量測量值的反饋信號(hào)，因而將系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)閉合回路，所以這種系統(tǒng)也稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。 （ 2） 在反饋控制系統(tǒng)中，除輸入量對輸出量產(chǎn)生控制作用外，輸出量也參與系統(tǒng)的控制，因而閉環(huán)系統(tǒng)具有抗干擾能力。所以反饋控制系統(tǒng)必須有檢測環(huán)節(jié)、給定環(huán)節(jié)和比較環(huán)節(jié)。反饋系數(shù)正是靠放大的偏差信號(hào)來推動(dòng)執(zhí)行 機(jī)構(gòu)，進(jìn)一步對控制對象進(jìn)行控制。由于反饋控制系統(tǒng)是利用偏差信號(hào)作為控制信號(hào)，自動(dòng)糾正輸出量與其期望值之間的誤差，因此可以構(gòu)成精確的控制系統(tǒng)。將經(jīng)常發(fā)生的主要擾動(dòng)（負(fù)荷）做為前饋信號(hào)，由于前饋信號(hào)快于被調(diào)量的偏差信號(hào)，故可以進(jìn)行“立即”調(diào)節(jié)，及時(shí)克服主要擾動(dòng)對被調(diào)量的影響。在 復(fù)合控制系統(tǒng)中把前饋控制稱為粗調(diào)，把反饋控制稱為細(xì)調(diào)。 性能指標(biāo) 一個(gè)控制系統(tǒng)控制品質(zhì)的優(yōu)劣，常用一些性能指標(biāo)來評(píng)價(jià)。最常用的設(shè)計(jì)是時(shí)域（以時(shí)間為自由變量的研究領(lǐng)域 )性能指標(biāo)。 在過程控制種對定值控制系統(tǒng)和隨動(dòng)控制系統(tǒng)的要求不同，就產(chǎn)生了兩類不同要求的性能指標(biāo)。對于隨動(dòng)控制系統(tǒng)，控制要求是使被控制量跟蹤新給定值。在定制控制系統(tǒng)中，突出的要求是克服擾動(dòng)的性能。在隨動(dòng)控制系統(tǒng)中突出的要求是跟蹤性能，希望被控制量穩(wěn)定、準(zhǔn)確、快速地跟蹤新給定值?？刂七^程的穩(wěn)定性是對控制系統(tǒng)最基本的要求。 邊界穩(wěn)定的系統(tǒng)一般也是不符合生產(chǎn)要求的，只有穩(wěn)定系統(tǒng)才能完成正常的調(diào)節(jié)任務(wù)。動(dòng)態(tài)偏差表示系統(tǒng)短期偏離給定值的程度。所偏離越大，則控制系統(tǒng)離開規(guī)定的工況就越遠(yuǎn)，這是不希望的。 快速性是指控制過程持續(xù)時(shí)間，控制過程的時(shí)間越短，即控制過程進(jìn)行得越迅速，說明控制系統(tǒng)克服干擾的能力越強(qiáng)。因此，在設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)該根據(jù)具體情況分清主次、區(qū)別對待，對于那些主要的指標(biāo)應(yīng)優(yōu)先予以保證。 圖 調(diào)節(jié)系統(tǒng)示意圖 調(diào)節(jié)器根據(jù)被調(diào)量 y與規(guī)定值 r 的偏差信號(hào) e 而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)按一定規(guī)律動(dòng)作，從而引起調(diào)節(jié)機(jī)關(guān)位置μ的變化。常用的調(diào)節(jié)器按其規(guī)律可分為比例調(diào)節(jié)器、比例積分調(diào)節(jié)器 、比例微分調(diào)節(jié)器、比例積分微分調(diào)節(jié)器。 基本調(diào)節(jié)作用 1. 比例作用（簡稱 P 作用） 比例作用的動(dòng)態(tài)方程式為 eKu P? (式 ） e＝ r－ y 式中 e—— 被調(diào)量偏差，調(diào)節(jié)器的輸入信號(hào)； μ —— 調(diào)節(jié)機(jī)關(guān)的位置，調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)； PK —— 比例作用的比例系數(shù)?；蛘哒f，調(diào)節(jié)機(jī)關(guān)移動(dòng)速度 dtdu 與偏差信號(hào)的變化速度 dtde 成正比。因此，比例作用在控制系統(tǒng)中是促使控制過程穩(wěn)定的因素。調(diào)節(jié)機(jī)關(guān)位置μ隨對象負(fù)荷的改變而改變，這樣才能適應(yīng)負(fù)荷變化的要求。所以調(diào)節(jié)結(jié)果被調(diào)量（靜態(tài)）偏差，有時(shí)稱比例作用為有差調(diào)節(jié)。 它的傳遞函數(shù)為 SKSE suW II ?? )( )( （ 式 ） 式（ ）說明，輸入 e隨時(shí)間的積累就是輸出μ。只有當(dāng)偏差為零時(shí)，調(diào)節(jié)機(jī)關(guān)的位置就保持不變了。 式（ ）說明，調(diào)節(jié)機(jī)關(guān)移動(dòng)速度 dtdu 只與偏差 e 的大小成正比，而不考慮偏差變化速度的大小和方向 ，這一特點(diǎn)使積分調(diào)節(jié)作用有時(shí)產(chǎn)生方向錯(cuò)誤，容易引起調(diào)節(jié)過程振蕩，300MW 發(fā)電 機(jī)組再熱 汽 溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11 所以積分作用在控制系統(tǒng)中是使過程振蕩的因素。 微分作用 (簡稱 D作用 ) 微分作用的動(dòng)態(tài)方程式為 dtdeKu d? （ 式 ） 式中 Kd—— 表示微分作用的比例系數(shù)。從以上分析可知微分動(dòng)作快于比例動(dòng)作，即微分作用具有超前調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，因此微分作用在控制系統(tǒng)中能提高過程的穩(wěn)定性。也可以說，微分作用對恒定不變的偏差是沒有克服能力的。 綜上所述，比例作用能單獨(dú)地執(zhí)行調(diào)節(jié)任務(wù)，并能使控制過程趨于穩(wěn)定，但使被調(diào)量產(chǎn)生靜態(tài)偏差。微分作用不能單獨(dú)使用，但能提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，有效地減少被調(diào)量的動(dòng)態(tài)偏差。 調(diào)節(jié)器的控制作用 1. 比例調(diào)節(jié)器 比例調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)方程式與比例作用的動(dòng)態(tài)方程式相同，即 ???????eueKu Pδ1 （ 式 ） 傳遞函數(shù)為δ1)s( )()s(W ??? pKE su （ 式 ） 式中 KP—— 調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)，即偏差改變一個(gè)單位時(shí)，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的位移變化量，它是調(diào)節(jié)器的參數(shù)； δ —— 比例系數(shù) KP 的倒數(shù)，即當(dāng)調(diào)節(jié)機(jī)關(guān)的位置改變 100％時(shí)，偏差應(yīng)有的改變量，稱比例帶。 δ是可調(diào)的表示比例作用強(qiáng)弱的參數(shù)，δ越大比例作用越弱；δ越小比例作用越強(qiáng)。當(dāng)控制對象的負(fù)荷發(fā)生變化之后，執(zhí)行機(jī)構(gòu)必須移動(dòng)到一個(gè)與負(fù)荷相適應(yīng)的位置才能使控制對象再度平衡。因而比例調(diào)節(jié)器稱為有差調(diào)節(jié)器。 Ti—— 積分時(shí)間。當(dāng) iT?? 時(shí)比例積分作用調(diào)節(jié)器就成比例作用調(diào)節(jié)器。積分時(shí)間越小，表示300MW 發(fā)電 機(jī)組再熱 汽 溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 13 積分作用越強(qiáng)。比例帶不但影響比例作 用的強(qiáng)弱而且也影響積分作用的強(qiáng)弱。階躍響應(yīng)曲線的方程式為 eet00i11μ = Δ ＋ Δδ δ Ｔ (式 ) 當(dāng) t=0時(shí)被調(diào)量偏差有一階躍 Δe 0,調(diào)節(jié)器立即輸出一個(gè)階躍值 Δe 0/δ, 然后隨時(shí)間逐漸上升。而積分作用是緩慢的、漸進(jìn)的、這兩種作用綜合后，某部分的調(diào)節(jié)方向還是錯(cuò)誤的，易造成控制系統(tǒng)振蕩。 單回路控制系統(tǒng) 控制器和控制對象是單回路控制系統(tǒng)的兩個(gè)主要組成部分。 單回路控制系統(tǒng)原理分析 單回路控制系統(tǒng)的原理方框圖如圖 。圖中WT(s)為調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)， Wz(s)為執(zhí)行器的傳遞函數(shù)， Wm(s)為測量變送器的傳遞函數(shù)，WO(s)為控制對象的傳遞函數(shù)。這樣圖 所示的單回路控制系統(tǒng)就由調(diào)節(jié)器和廣義對象兩部分組成，其等效原理方框圖如圖 所示，圖中 WO*(s)為廣義對象的傳遞函數(shù)。 若試驗(yàn)取得的對象特性包括了測量變送器的動(dòng)態(tài)特性，則廣義對象的傳遞函數(shù)為 *00( ) ( ) ( )mW s W s W s? (式 ) 這時(shí)等效調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 * ( ) ( ) ( )T T ZW s W s W s? （式 ） 上式中的執(zhí)行器的動(dòng)態(tài)特性可以近似認(rèn)為是比例環(huán)節(jié) ()ZZW s K? ,當(dāng)調(diào)節(jié)器為 PID 控規(guī)律時(shí)等效時(shí)等效調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 * ddii( ) s ( s )ZT KWs ? *1 １ 1（ 1 ＋ ＋ T ） ＝ １ ＋ ＋ Tδ T δ Tｓ （式 ） 式中等效比例帶 zKδδ ?* （式 ） 若試驗(yàn)取得的對象動(dòng)態(tài)特性包括了執(zhí)行器的動(dòng)態(tài)特性，則廣義對象的傳遞函數(shù)為 0(s)=W (s)W (s)*0 ｚＷ （式 ） 這時(shí)等效調(diào)節(jié)器的傳遞 函數(shù)為 Tm(s)= W (s)W (s)*TＷ （式 ） 上式中