内蒙古工业大学热工控制系统课程设计

课程设计说明书

题 目：300MW 单元机组过热汽温控制系统设计 学生姓名：郭付岭 学 院：能动学院 班 级：能环11-2 指导教师：施永红

2015年 01 月 9 日

内蒙古工业大学课程设计（论文）任务书

课程名称：热工控制系统专业课程设计 学院： 能动学院 班级： 能环11-2 学生姓名： 郭付岭 学号： [1**********]9 指导教师： 施永红

摘 要

采用导前气温微分信号的双回路过热气温控制系统，这个系统引入了导前气温的微分信号作为调节器的补充信号，能够迅速反映被调量的变化趋势并有助于过热气温调节的快速性。根据所选择的调节器对导前气温微分控制系统的调节器参数进行整定，在参数整定时根据所满足的条件将导前气温微分信号控制系统等效为串级控制系统，然后采用主副回路分别进行整定。在进行设计时应该先了解过热气温的特性，利用导前微分控制系统对过热气温进行分段控制，即将整个过热器分为若干段每段设置一个减温器，分别控制各段的气温，以维持主气温为给定值。它的任务是维持过热器出口温度在允许的范围之内，并且保护过热器，使管壁温度不超过允许的工作温度，而最终达到设计要求。 关键词：300MW 单元机组；过热汽温控制系统 ；导前双回路控制系统

目 录

第一章 过热汽温控制系统„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1 1.1 过热汽温控制的任务 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1 1.2 过热汽温控制对象的动态特性 „„„„„„„„„„„„„„„„„1 1.3 控制系统的组成和分析 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3 1.3.1控制系统的组成 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3 1.3.2控制系统的分析 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4 第二章 控制系统的整定 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„7 2.1微分器和调节器的参数整定„„„„„„„„„„„„„„„„„„„7 2.2按等效为串级控制系统的整定方法进行整定„„„„„„„„„„„„8 第三章 300MW单元机组过热汽温控制系统 „„„„„„„„„„„„„„„10 3.1 300MW单元机组过热蒸汽流程 „„„„„„„„„„„„„„„„„10 3.2 过热汽温控制系统方案„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„11 3.3 过热汽温控制系统分析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„11 参考文献 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„16

第一章 过热汽温控制系统

1.1过热汽温控制的任务

过热蒸汽温度自动控制的任务是维持过热器出口蒸汽温度在允许范围内保护过热器，使管壁温度不超过允许的工作温度。过热蒸汽温度是锅炉运行质量的重要指标之一，过热蒸汽温度过高或过低都会显著影响电厂的安全性和经济性。过热蒸汽温度过高，可能造成过热器、蒸汽管道和汽轮机的高压部分金属损坏，因而过热汽温的上限一般不应超过额定值5℃。过热蒸汽温度低，又会降低全厂的热效率并影响汽轮机的安全经济运行，因而过热汽温的下限一般不低于额定值10℃。过热汽温的额定值通常在500℃以上例如高压锅炉一般为540℃，就是说要使过热汽温保持在540℃±5℃的范围内[1]。

1.2过热汽温控制对象的动态特性

影响过热器出口蒸汽温度变化的因素很多，如蒸汽流量变化，燃烧工况的变化，锅炉给水温度的变化，进入过热器的蒸汽温度变化，流经过热器的烟气温度和流速变化，锅炉受热面结垢等。归纳起来，主要有三个方面：

1﹑蒸汽流量（负荷）扰动下过热汽温对象的动态特性。其特点是：有滞后、有惯性、有自平衡能力、且 c 较小。总的汽温将随负荷增加而升高。

图1-1 锅炉负荷扰动下过热气温的阶跃响应曲线

2﹑烟气热量扰动下的过热汽温的动态特性。其特点是：有迟延、有惯性、有自平衡能力。

图1-2 烟气热量扰动下过热气温的阶跃响应曲线

3﹑减温水量扰动下的过热汽温动态特性。其特点是：有迟延、有惯性、有自平衡能力。当负荷扰动或烟气热量扰动时，汽温的反应较快；而减温水量扰动时，汽温德反应较慢[3]。

图1-3 减温水量扰动下过热气温的阶跃响应曲线

1.3 控制系统的组成和分析

1.3.1控制系统的组成采用导前汽温微分信号的过热汽温控制系统如图1-4所示。

这个系统中引人了导前汽温θ2的微分信号作为调节器的补充信号，以改善控制质量。因为θ2和主汽温θ1的变化趋势是一致的，且θ2的反应比θ1快的多，因此它能迅速反映θ1的变化趋势。引入了θ2的微分信号后。将有助于调节器的动作快速性。在动态时，调节器将根据θ2的微分信号和θ1与给定值之间的偏差而动作；但在静态时，θ2的微分信号消失，过热汽温θ1必然等于给定值。如果不采用导前信号θ2的微分信号，则在静态时，调节器将保持（θ1+θ2）等于给定值，而不能保持θ1等于给定值。

从图1-5可以看出，采用导前汽温微分信号的双回路汽温控制系统包括两个闭合 的控制回路；（1）由控制对象的导前区W 02、导前汽温变送器r 2、微分器W d 调节器W t 执行器k z 和减温水调节阀k μ组成的主副回路（导前补偿回路）；（2）由控制对象的惰性区

W 02，主汽温变送器r θ1和副回路组成的主回路[2]。

图1-4采用导前汽温微分信号的双回路过热汽温控制系统方框

图1-5采用导前汽温微分信号的双回路汽温控制系统方框图

1.3.2控制系统的分析

对于这个控制系统的工作原理；有两种不同的分析方法。 （一）加入导前汽温的微分信号可以改善控制对象的动态特性

对于如图1-5所示的控制系统，当去掉导前汽温的微分信号时，系统就成为单回路 控制系统，如图1-6（a ）所示，控制对象W 0(s ) =W 01(s ) W 02(s ) 的迟延、惯性较大、当系统加入导前汽温微分信号后，调节器将同时接受两个输入信号，系统也成了双回路结构、但对这个双口路系统作适当的等效变换后发现仍可把它当作一个单回路系统来处理．如图1-6（b ）所示、只是由于微分信号的引入改变了控制对象的动态特性。这个新的控制对象的输入仍然是减温水流量信号W B ，但输出信号为θ1*=θ1+

d θ2r θ2

，等效控制对象⋅

d θt r θ1

⎡r ⎤

=W 02(s ) ⎢W 01(s ) +W d (s ) θ2⎥ （1-1） 的传递函数可以根据方框图求 W (s ) =

W B (s ) r θ1⎦⎣

*

θ1*(s )

1-6 a 单回路系统方框图

1-6 b 双回路系统的等效方框图

在静态时，微分器输出为零，所以等效控制对象的输出θ1*=θ1在动态过程中，等效控制对象的输出中除了主汽温信号θ1外，还叠加了导前汽温θ2的微分信号。由于θ2的惯性迟延比θ1小得多．因而等效对象的输出θ1*的惯性迟延比θ1小得多。因此，加入导前汽温的微分信号的作用可以理解力改变了控制对象的功态特性等效控制对象在减温水流量扰动下的特性。可见，等效控制对象的输出θ1*比主汽温θ1的响应有很大的改善。所以。在控制对象惯性迟延较大的情况下导前汽温微分信号的双回路汽温控制系统的控制品质远比孕回路控制系统好[2]。

(二) 采用导前汽温微分信号的控制系统是串级控制系统的变形

前面已经分析说明过，对于惯性迟延大的控制对象，采闲串级控制系统能获得较好的控制品质，导前汽温微分信号的双回路系统旦然在形式上不同于串级系统，但把它当作一种变形的串级控制系统来研究也是可行的。

图1-7 导前汽温檄分信号的控制系统是串级控制系统的方框图

只要把图1-5所示的采用导前汽温微分信号的控制系统等效变为 图1-7所示的串级控制系统，其中微分器的传递函数的倒数d (s ) 则相当于串级控制系统中主调节器的传递函数。而调节器与微分器的传递函数乘积W T (s ) W d (s ) 则相当于串级控制系统中副调节器的传递函数。在采用导前汽温微分信号的双回路系统中，微分器和凋节器的传递函数一般分别为

W d (s ) =

K D T D s 11

W (s ) =(1+) ； （1-2） ；T

1+T D s δT i s

式中K d ，T d -别为微分器的微分增益和微分惯性时间常数[1]。 所以当等效为串级系统时，等效主、副调节器的传递函数应为 1、等效主调节器

W T *1(s ) =

1+T D 11⎛ 1+1==

W d (s ) K D T D K D ⎝T D ⎫⎫1⎛

1+1⎪ （1-3） ⎪=⎪δ* T *s ⎪⎭1⎝i 1⎭

由上式可见，等效主调节器具有比例积分调节器的特性，它的参数为 等效比例带：δ1*=K D

*

等效积时间：T i 1=T D （1-4）

2、等效副调节器

⎡

K D ⎢*

⎢1+W 12(s ) =

δ⎢⎢⎣ W T *2(s ) ≈

11-T i T D 1+S T D

⎤⎥

⎥ （1-5） ⎥⎥⎦

⎛1⎫ 1+ T *⋅s ⎪⎪ （1-6）

12⎝⎭

K D ⎛1⎫1

⎪1+⎪=δ*δ T s i ⎭⎝2

所以，等效副凋节器也近似为具有比例积分调节器的特性，它的参数为

*

等效比例带：δ2=δK D

*等效积时间：T 12=T 1 （1-7）

当把采用导前微分信号的双回路控制系统等效为串级控制系统来分析时，可以清楚地看出微分器参数K d 、T d 和调节器参数σ、T 对控制系统性能的影响；

（1）微分器参数K d 、T d 相当于串级系统中主调长器的比例带和积分时问。按串级控制系统的分析方法，当副回路为快速随动系统时，增大KD 将使主同路（主汽温）稳定性提高，但使主汽温的动态偏差增大。增大T d 也会提高主回路的稳定性，但影响下太显著TD 增大后主汽温控制过程的时间拉长。

（2）等效副调节器的比例带σkd ，积分时间T i 主要影响副回路的控制过程时间，而σkd 则影响副回路的稳定性和动态偏差。

但是，K d 既是副回路的调节器参数又是主回路的调节器参数。当K d 增大时，虽然提高了主回路的稳定性，却使副回路的稳定性下降。所以，当需要增大K d 时，为了保持副回路的稳定性，应相应增大占使σkd 的比值保持不变[3]。

第二章 控制系统的整定

2.1微分器和调节器的参数整定

在自动调节系统的方案确定以后，调节器和调节机构都选定并已安装好以后，调节质量将取决与调节器参数（δ 、T i 、T D 等）的选择。调节器参数的确定称为调节系统的整定。调节系统整定的任务就是根据调节对象 的动态特性选择最佳的调节器参数，以使调节过程具有最佳的品质指标。

调节器参数可以通过理论计算求得，也可以通过现场实验调整求取。理论计算方法是，预先给定稳定裕量（或给定衰减率，或给定误差积分准则），通过计算求出最佳整定参数。

采用导前汽温微分信号的双回路汽温控制系统方框图如图2-1所示，系统中各环节的传递函数为：

图2-1 导前汽温微分信号的双回路汽温控制系统方框图

微分器传递函数 W d (s ) =

K D T D s

；

1+T D s

主控制器传递函数 W T (s ) =

1

δ

(1+

1

) ； T i s

99

=(︒C /V ) ； 235

(1+15s ) (1+25s ) (1+20.4s )

对象控制通道传递函数 W 0(s ) =W 01(s ) W 02(s ) =

对象导前区传递函数 W 02(s ) =

8

(︒C /V ) 2

(1+15s )

1.125︒

(C /V )

(1+25s ) 对象导前区传递函数 W01(s)=W0(s)/W02(s)＝

︒

温度变送器斜率 γθ1=γθ2=0. 1(V /C ) ；

减温水调节阀的比例系数 K z =K μ=1

2.2按等效为串级控制系统进行整定

根据控制对象及其导前区的传递函数得：n 2T 2=2⨯15=30, n T =5⨯20.4=102

由于 3n 2T 2

（1）先对主回路进行整定:

将图2-1的内回路等效变换成串级系统图2-2

图2－2 等效变换串级系统主回路

内回路的特征方程为：1+ W 01(s )

1

=0 d 即 1+

1+T D S 1.125D D (1+25s ) =0

对象惯性区传递函数中的参数T 1，n 1得。

22

nT 2-n 2T 25⨯20.42-2⨯152

==23 T 1=

nT -n 2T 25⨯20.4-2⨯15

(nT -n 2T 2) 2(5⨯20.4-2⨯15) 2

n 1===3 2222

nT -n 2T 25⨯20.4-2⨯15按n 1=3查表，得

τ

T c

=0.218，

T c

=3.692 T 1

按近似计算法整定：当

τ

〉0.2时，

T c

τ

δ1=2.6

1T c

-0.08

=2.6⨯1.125⨯

ρ+0.6

T c

0.218-0.08

≈0.49；

0.218+0.6

T i 1=0.8T c =0.8⨯3.692⨯23=68(s )

(2)对副调节器进行整定：

将图2-1的外回路可等效变换成串级系统图2-3

图2－3 等效变换串级系统副回路

外回路的特征方程为：1+W d (s ) W T (s ) γθ2W 02(s ) ≈

0.1K D

δ

(1+

1

) w 02(s ) +1=0 T i s

即1+

K D (1+Tis )0.8

=0

δTis 1+15s 1+15s K D

0.8

=0

δ1+15s 15s

令Ti=15 有 1+225s 2+15s +

0.8K D

δ

=0

设整定指标取ϕ=0.75时，对应的阻尼系数ζ=0.216，故

ζ=

=0.216

在外回路图2-3中，根据对象惯性区W 01(s ) =

1.125来整定微分器的参数K ，T 。

D D

(1+25s ) K D 相当于主控制器的比例度δ1，T D 相当于积分时间T i 1。

可得：K D =δ1=0.49 T D =T i 1=68

将K D =0.49代入式225s 2+15s +

0.8K D

δ

=0，求得δ=0.073

控制器的整定参数为：δ=0.073 Ti=15 （3）经整定后的各参数为：

K D =0.49 T D =68 δ=0.073 Ti=15s

表2-1 时间常数tc 、滞后时间t 与阶数n 、时间常数T 的关系

第三章 300MW单元机组过热汽温控制系统

3.1 300MW单元机组过热蒸汽流程

300MW 单元机组过热蒸汽流程如图3-1所示。汽包所产生的饱和蒸汽先流经低温对流过热器进行低温过热，然后依次流经前屏过热器、后屏过热器和高温过热器后送入汽轮机。在前屏过热器和高温对流过热器的入口分别装设Ⅰ级、Ⅱ级和Ⅲ级喷水减温器。根据以上条件画出其过热蒸汽流程简图如图3-1所示[3]。

图3-1 过热蒸汽流程示意图

3.2 过热汽温控制系统方案

该系统由三段相对独立的导前汽温控制系统构成。第一段控制系统中如图 3-2 所示，以前屏过热器入口汽温θ6作为导前汽温信号，通过控制Ⅰ级喷水量W B 1来维持前屏过热器出口汽温θ5为给定值；第二段控制系统中，以后屏过热器入口汽温θ4为导前汽温信号，通过控制Ⅱ级喷水量W B 2以维持后屏过热器出口汽温θ3为给定值；第三段控制系统中，以高温对流过热器入口汽温θ2为导前汽温信号，通过控制Ⅲ级喷水量W B 3以维持后屏过热器出口汽温θ1给定值[4]。

3.3 过热汽温控制系统分析

下面分别对三段控制系统进行分析：第一段控制系统的原理如图3-2所示，该段汽温控制系统是以前屏过热器出口汽温θ5为被调量，以前屏过热器入口汽温θ6为导前汽温 信号的串级控制系统。θ5取前屏过热器出口汽温值，θ5的给定值信号根据锅炉负荷大小来确定，代表锅炉负荷大小的汽轮机调速级压力信号P1经函数模块f(x)转换后和定值器A 给出的定值信号相加作为的θ3给定值信号送入第二段系统的主调节器PI1, 主调节器的

输出和导前汽温信号θ4送入第二段系统的副调节器的PI2。同时，将来自再热汽温控制系统的燃烧器倾角指令BTD 作为前馈信号也送到PI2的入口，这样可提前开展I 级减温水量，消除负荷侧扰动，提高控制质量。PI2的输出同时送入手/自动操作器AM 去控制I 级减温器的喷水调节阀A 的开度。系统中将前屏过热器出口汽温温差经函数模块f(x)转换后，送入积分器进行积分，然后分别和副调节器PI2的输出进行相加和相减，图3-2中的手/自动操作器除了依据运行条件自动实现手动/自动切换、直接对阀门进行操作外，还可以显示被调量、给定值及阀位信号[3]。

图 3-2 第一段过热汽温控制系统

当主燃料跳闸（MFT ）或汽轮机跳闸或主蒸汽流量

图3-3 第二段过热汽温控制系统

第二段控制系统的原理如图3-3所示，该段控制系统是以后屏过热器出口汽温θ3为被调量，以后屏过热器入口汽温θ4为导前汽温信号的串级控制系统。因为后屏过热器为左、右两侧对称布置, 所以正常情况下切换开关T1、T2切向NC ，θ3取左、右两侧后屏过

θ3取热器出口汽温的平均值，当任何一侧变送器故障时，通过逻辑信号使该路T 切向NO ，正常一侧的汽温信号，同时发出声、光报警，系统切手动，待故障变送器切除后，系统才正常运行[3]。

系统中将左、右两侧后屏过热器出口汽温温差经函数模块f(x)转换后, 送入积分器进行积分, 然后分别和副调节器PI2的输出进行相加后，分别送入1AM 和2AM ，这样当某一侧发生内扰时(例如减温水量的自发性扰动) ，可加强该侧减温水调节阀的动作，快速消除扰动，而另一侧减温水调节阀基本不动作，从而减少了左、右两侧后屏过热器出口汽温在调节过程中的相互影响，同时保证了左、右两侧后屏过热器出口汽温相差不大。

当主燃料跳闸(MFT)、汽轮机跳闸或主蒸汽流量低于25%时，在逻辑信号作用下，1AM

和2AM 强迫切手动，T3切向NO ，1AM 和2AM 输出均为0，喷水减温调节阀门A 和B 关闭，以防止值 3偏低。为了防止阀门A 和B 漏流的影响，系统中专门设置了降温闭锁阀A ′和B ′, 在逻辑信号控制下, 需要减温水时其将全部打开, 不需要时其将全部关闭[5]。

图 3-4 第三段过热汽温控制系统

第三段控制系统和第二段控制系统结构稍有不同。由于第三段系统对负荷扰动反应较第二段灵敏, 并且要求的控制精度比第二段系统要高, 故第三段系统采用了一个主调节器、两个副调节器, 主调节器的输出同时送入两个副调节器, 两个副调节器还分别接受左、右两侧高温对流过热器的入口汽温θ2为导前汽温信号, 它们的输出经手/自动操作器去分别控制左、右两侧Ⅲ级喷水减温阀A 和B 的开度, 这样当任一侧发生内扰时, 可以快

速消除, 防止另一侧发生不必要的操作, 有效地避免了高温对流过热器出口汽温在调节过程中的相互影响。由于和第二段系统中采取的方案不一样, 所以第三段系统比第二段系统更好地克服了左、右两侧气温在调节过程中的相互干扰。

第三段控制系统的设计原理如图3-4所示，该段控制系统是以高温过热器出口汽温

θ1为被调量，以高温过热器入口汽温θ2为导前汽温信号的串级控制系统。因为高温过热器为左、右两侧对称布置， 所以正常情况下切换开关T1、T2切向NC ，θ1取左、右两侧高温过热器出口汽温的平均值，当任何一侧变送器故障时，通过逻辑信号是该回路T 切向NO ，θ1取正常一侧的汽温信号，同时发出声、光报警、系统切手动，待故障变送器切除后，系统才正常运行[4]。

当主燃料跳闸或汽轮机主蒸汽流量

在整个过热汽温控制系统中，屏式过热器以辐射过热为主，而高温对流过热器以对流传热为主。对于这种传热方式不同的过热器，为防止负荷变化时Ⅱ级减温器的喷水量Ⅲ级减温器的喷水量相差很大，主调节器的输出信号（3CV ）经函数模块f(x)转换后送到第二段控制系统的副调节器PI2的入口。这样，当负荷增加时，主汽温上升，系统中主调节器的输出信号将使减温器喷水量增加以保持主汽温恒定，该信号经f(x)运算后送到第二段系统中副调节器的入口将使Ⅱ级减温器喷水量也增加，从而使Ⅱ级减温器喷水量和Ⅲ级减温器的喷水量大体相当，保证过热器的安全运行[5]。

参考文献

[1] 罗万金《电厂热工过程自动调节》， 中国电力出版社1991

[2] 王志祥、朱祖涛《热工控制设计简明手册》，水利电力出版社1995

[3] 边立秀、周俊霞、赵劲松、杨建蒙《热工控制系统》. 中国电力出版社.2001

[4] 方富淇《配电网自动化》，北京，中国电力出版社2000

[5] 罗毅等《配电网自动化实用技术》，北京，中国电力出版社

[6] 尹亮 蔡泽祥《基于补偿法的电网图形化开断分析》继电器，2005年15期