电厂锅炉蒸汽温度串级控制系统设计.doc

本科毕业设计论文题 目 电厂锅炉蒸汽温度串级控制系统设计 专业名称 学生姓名 指导教师 毕业时间 2电厂锅炉温度串级控制系统设计摘 要本文是针对锅炉蒸汽温度控制系统进行的分析和设计，而对锅炉蒸汽的良好控制是保证系统输出蒸汽温度稳定的前提，所以本系统采用串级控制系统，这样可以极大的消除控制系统工作中的各种干扰因素，是系统能在一个较为良好的状态下工作，同时锅炉过热器出口蒸汽温度在允许的范围内变化，并保护过热器管壁温度不超过允许的工作温度。蒸汽温度是锅炉安全、高效、经济运行的重要参数，因此对蒸汽温度控制要求严格，过高的蒸汽温度会造成过热器，蒸汽管道及汽轮机因过大的热应力变形而毁坏；蒸汽温度过低，又会引起热效率降低影响经济运行。本次设计主要考虑的部分是锅炉温度蒸汽控制系统设计，蒸汽过热系统包括一级过热器、减温器、二级过热器，锅炉气温控制系统主要包括过热器和再热蒸汽温度的调节。主要蒸汽温度与再热蒸汽温度的稳定对机组的安全经济运行是非常重要的。本设计针对锅炉温度控制问题，综合应用过程控制理论以及近年来兴起的仿真技术、计算机远程控制、组态软件，设计了锅炉温度串级控制系统。首先，通过实验法建立锅炉的数学模型，得到锅炉温度的传递函数，通过对理论设计的控制方案进行仿真，得到较好的响应曲线，为实际控制系统的实现提供先决条件。其次，使用智能仪表作为控制器，组建现场仪表过程控制系统，通过参数整定，得到较好现场控制效果。再次，实现积分分离的pid控制算法。关键词：蒸汽温度；串级控制系统；pid控制abstract this article is the analysis and design for boiler steam temperature control system , and a good control of the steam boiler system is to ensure the stability of the output steam temperature , so the system uses the cascade control system , which can greatly eliminate the control system work various confounding factors , the system can work in a relatively good condition , while the boiler superheater outlet steam temperature within the allowable range , and to protect the superheater tube wall temperature does not exceed the allowable operating temperature.steam boiler temperature is safe, efficient and economic operation of important parameters , and therefore require strict temperature control of steam , high temperature steam can cause overheating , steam pipes and steam turbine thermal stress due to excessive deformation and destruction ; steam temperature is too low , would reduce the impact caused by the thermal efficiency of the economy .the main part of this design consideration is the temperature of the steam boiler control system design , steam superheater system includes primary superheater desuperheater secondary superheater , boiler temperature control system includes superheater and reheat steam temperature regulation . the main steam temperature and reheat steam temperature stability for safe and economic operation of the unit is very important.the design for the boiler temperature control problem , a comprehensive application process control theory and the recent rise of simulation technology, computer remote control, configuration software, designed the boiler temperature cascade control system . first, create a mathematical model through experimentation boilers , boiler temperature to obtain the transfer function of the control scheme of the theoretical design through simulation, get a better response curve, providing prerequisite for the realization of the actual control system. secondly , the use of smart meters as a controller, field instrumentation process control system established by parameter tuning, get a better scene control. again, the integral pid control algorithm to achieve separation .key words: steam temperature；cascade control system；pid control目 录 摘 要3abstract4第一章 绪论9 1.1 毕业设计的选题意义9 1.2 毕业设计的任务和要求10 1.3主要技术指标10第二章 生产工艺概述11 2.1 锅炉生产工艺简介11 2.2 过热器的介绍12 2.3过热蒸汽温度控制对象的动态特性13 2.3.1 蒸汽流量扰动下过热汽温对象的动态特性13 2.3.2 烟气热量扰动下过热汽温对象的动态特性14第三章过热蒸汽温度控制原理及方案设计18 3.1简单蒸汽温度控制系统18 3.1.1简单回路控制蒸汽温度系统主要由调节器和控制对象组成18 3.1.2过热蒸汽控制系统的控制策略的设计19 3.2复杂蒸汽温度控制系统20 3.3串级控制系统的特点20 3.4采用串级调节系统的条件21 3.4.1串级调节系统需满足如下两个条件：21 3.4.2串级调节系统的分析21 3.4.3过热蒸汽控制系统的控制策略的设计22 3.5串级控制系统主副回路确定23 3.6 导前微分控制系统24 3.6.1 导前微分控制系统的组成及原理24 3.6.2 导前微分控制系统的分析25 3.6.3 导前微分控制系统的整定27 3.7 两种汽温自动控制系统的比较30第四章 过热蒸汽温度控制系统的设计32 4.1系统控制参数的确定32 4.1.1主变量的选择32 4.1.2副变量的选择32 4.1.3操纵变量的选择32 4.2执行器的选择33 4.3控制仪表的选择33 4.4串级控制系统主副回路和主副调节器选择34 4.5控制器选择36第五章 基于matlab的系统仿真37 5.1电厂锅炉蒸汽温度串级控制系统的建模37 5.1.1机理法37 5.1.2测试法37 5.1.3阶跃响应法38 5.2 pid控制器原理38 5.2.1 pid控制器简介38 5.2.2 pid控制系统40 5.3 pid控制参数的整定及方法40 5.3.1 pid控制参数的整定简介40 5.3.2 pid控制参数整定方法415.4电厂锅炉蒸汽温度串级控制系统的matlab仿真44 5.4.1 被控对象的仿真模型44 5.4.2 串级控制系统的仿真45致 谢51参考文献52毕业小结49绪论1.1 毕业设计的选题意义 蒸汽温度是锅炉安全、高效、经济运行的主要参数，因此对蒸汽温度控制要求严格。过高的蒸汽温度会造成过热器，蒸汽管道及汽轮机因过大的热应力变形而毁坏；蒸汽温度过低，又会引起热效率降低，影响经济运行。锅炉控制现场环境恶劣，采用传统的基于模拟技术的控制器、仪器仪表或单片机，不仅结构比较复杂，效率比较低，而且可靠性也不高。本次课设设计的主要考虑部分是锅炉蒸汽温度控制系统的设计。蒸汽过热系统包括一级过热器、减温器、二级过热器。锅炉汽温控制系统主要包括过热汽和再热蒸汽温度的的调节。主要蒸汽温度与再热蒸汽温度的稳定对机组的安全经济运行时非常重要的。过热蒸汽温度控制的任务是维持过热器出口温度在允许的范围之内，并保护过热器，使其管壁温度不超允许的工作温度。过热蒸汽温度是锅炉汽水系统中的温度的最高点，过热蒸汽温度过高或是过低，对锅炉运行及蒸汽设备是不利的。蒸汽温度过高会使过热器管壁金属强度下降，以至烧坏过热器的高温段，严重影响安全。一般规定过热器的温度与规定值的暂时偏差不超过+-10摄氏度，长期偏差不超过+-5摄氏度。如果过热蒸汽温度偏低，则会降低电厂的工作效率，同时使汽轮机后几级的蒸汽湿度增加，引起叶片磨损。据估计，温度每降低5摄氏度，热经济性将下降约1%；且汽温偏低会使汽轮机尾部蒸汽温度升高，甚至使之带水，严重影响汽轮机的安全运行。一般规定过热气温下限不低于其额定值10摄氏度。通常，高参数电厂都要求保持过热汽温在540摄氏度的范围内。由于汽温对象的复杂性，给汽温控制带来许多的困难，其主要难点表现在以下两个方面：1 由于过热器是一个多容且延迟较大的惯性环节，设备结构设计与控制要求存在很多矛盾，所以影响汽温变化的因素很多，例如，蒸汽量、减温水给水量、烟气侧的过剩空气系数和温度等都可能引起汽温变化。2 随着机组容量和参数的增加，蒸汽的过热受热面的比例加大，使其延迟和惯性更大，从而进一步加大了汽温控制的难度。1.2 毕业设计的任务和要求 通过毕业设计使学生对所学自动化基本知识和专业理论加深理解，掌握工业生产过程控制系统设计和仿真的基本方法，培养独立开展设计工作的能力。要求在毕业设计中： 1.分析研究火力发电厂锅炉蒸汽温度控制要求，特点及控制系统设计方法，充分理解课题意义，设计电厂锅炉蒸汽温度串级控制系统，达到要求的主要技术指标； 2.开展控制系统方案论证，并建立系统数学模型，进行温度控制系统分析； 3.查找相关资料，设计串级控制系统控制规律，并进行参数整定； 4.在完成基本设计的基础上，进行数学仿真，并验证设计； 5.撰写毕业设计论文。1.3主要技术指标 1.350mw机组锅炉过热蒸汽温度保持在；在减温水流量变化时，锅炉过热蒸汽温度控制系统能稳定运行，衰减系数；2.过程动态性能指标为：1）温度波动最大偏差不超过；2）过渡过程时间不大于； 3. 锅炉稳定运行时，过热蒸汽温度应在给定值的范围内；第二章 生产工艺概述2.1 锅炉生产工艺简介 锅炉是过程工业中必不可少的动力设备。它所产生的蒸汽不仅可提供生产过程作为热源，而且还可以作为蒸汽透平的动力源。在热电厂中按锅炉设备所使用的燃料的种类、燃烧设备、锅体形式、锅炉功能和运行要求的不同，锅炉生产有各种不同的流程。常见锅炉设备的工业流程如图2-1所示： 图2-1锅炉设备的主要工艺流程蒸汽发生系统由给水泵、给水调节阀、省煤器、汽包及循环管组成。燃料和热空气按照一定的比例进入燃烧室燃烧，产生的热量传递给蒸汽发生系统，生产饱和蒸汽ds，然后经过过热器成一定气温的过热蒸汽d，汇集至蒸汽母管。压力为pm的过热蒸汽，经负荷设备调节阀供给生产负荷使用。与此同时，燃烧过程中产生烟气，将饱和的蒸汽变成过热蒸汽后，经省煤器预热锅炉预热空气，最后经引风机送往烟筒排入大气。锅炉设备的控制任务：根据生产负荷的要求，供应一定压力或温度的蒸汽，同时要使锅炉在安全、经济的条件下运行。按照这些控制要求，锅炉设备将有如下主要的控制系统：a) 锅炉气包水位控制系统：主要是保持汽包内部的水位平衡，使积水量适应锅炉的蒸汽汽量，维持汽包中水位在工艺允许的范围内；b) 锅炉燃烧系统的控制：其控制方案要求满足燃烧所产生的热量，适应蒸汽负荷的需要，使燃烧与空气量保持一定的比值，保证燃烧的经济性和锅炉的安全运行，使引风量与送风量相适应，保持炉膛负压在一定范围；c) 过热蒸汽系统控制：主要使过热器出口温度在保持在允许范围内，并保证管壁温度不超过工艺允许范围；d) 锅炉水处理过程：主要使锅炉给水的水性能指标达到工艺要求。2.2 过热器的介绍 过热器定义：锅炉中将蒸汽从饱和温度进一步加热至过热温度的部件。过热器概述：过热蒸汽温度的高低取决于锅炉的压力，蒸发量、刚才的耐高温性能及燃料与刚才的比价等因素，对电站锅炉来说，低压锅炉的温度一般为350375摄氏度，过热器前布置有大量对蒸汽管束，进入过热器的烟温约在700摄氏度上下，中压锅炉多为烧煤粉或重油的室燃炉，其过热汽温为450摄氏度，这时的炉膛辐射传热的烟温可达1000摄氏度左右。高压锅炉，尤其超高压锅炉，加热水的热量和过热热量增大很多，而蒸发热减少，当有中间再过热时，情况更为突出，这时必须把一部分过热器受热布置在炉膛内，是吸收部分辐射热。 为了提高电厂热力循环的效率，蒸汽的初参数不断提高。蒸汽压力的提高要求相应的提高过热蒸汽温度，否则蒸汽在汽轮机膨胀终了的湿度就会过高，影响汽轮机的安全。但蒸汽温度的增高需受到过热器刚才高湿强度性能的限制，因而采用了中间再热，即高压高温蒸汽在汽轮机内膨胀至某一中间压力后，引到布置在锅炉烟道内的再热器，再一次加热升温，然后又回到汽轮机的中、低压缸，继续膨胀至凝汽器压力，这样蒸汽膨胀终了的湿度可控制在允许的范围内。超高压机组采用中间再热时，理论上可使循环经济性相对提高68%，在实际设备中，由于有压降损失，热经济性的提高比理论值稍低。 由于过热器管壁金属在锅炉受压部件中承受的温度最高，因此必须采用耐高温的优质低碳钢和各种铬合金钢等，在最高的温度部分有时还要用奥氏体铬镍不锈钢。锅炉运行中如果管子承受的温度超过材料的持久强度、疲劳强度或表面氧化所容许的温度限值，则会发生管子爆裂等事故。2.3过热蒸汽温度控制对象的动态特性 过热蒸汽温度调节对象的动态特性是指引起过热汽温变化的扰动与汽温之间的动态关系。引起过热蒸汽温度变化的原因很多，如蒸汽流量变化、燃烧工况变化、锅炉给水温度变化、进入过热器的蒸汽温度变化、流经过热器的烟气的温度和流速变化、锅炉受热面结垢、给水母管压力和减温水量等等，这些因素还可能相互制约。归结起来，过热汽温调节对象的扰动主要来自三个方面：蒸汽流量变化(负荷变化)，加热烟气的热量变化和减温水流量变化(过热器入口汽温变化)。通过对过热汽温调节对象作阶跃扰动试验，可得到在不同扰动作用下的对象动态特性。2.3.1 蒸汽流量扰动下过热汽温对象的动态特性 蒸汽流量扰动下过热汽温对象的动态特性引起蒸汽流量扰动的原因有两个：一是蒸汽母管的压力变化：二是汽轮机调节阀的开度变化。结构形式不同的过热器，在相同蒸汽流量的扰动下，汽温变化的特性是不一样的。当锅炉负荷扰动时，蒸汽流量的变化使沿整个过热器管路长度上各点的蒸汽流速几乎同时改变，从而改变过热器的对流放热系数，使沿整个过热器各点的蒸汽温度几乎同时改变，因而汽温反应较快。其传递函数可以表示为：式中，k：棚炉负荷扰动时被控对象的放大系数；：一负荷扰动后对象的滞后时间；td_：对象的时间常数； 从阶跃响应曲线可知，其特点是：有延迟、有惯性、有自平衡能力，但其延迟和惯性都比较小，即时间常数td和滞后时间都比较小，且几较小。动态特性曲线如图2-2: 图2-2锅炉负荷扰动下过热器出口汽温的阶跃响应曲线2.3.2 烟气热量扰动下过热汽温对象的动态特性 烟气传热量扰动引起的原因很多，如给粉机给粉不均匀、煤中水分改变、蒸发受热面结渣、过剩空气系数改变、汽包给水温度变化、燃烧火炽中心位置改变等。当烟气热量扰动(烟气温度和流速产生变化)时，由于烟气流速和温度的变化也是沿整个过热器同时改变的，因而沿过热器整个长度使烟气传递热量也同时变化，所以汽温反应较快，时间常数和延迟均比其它扰动小。和蒸汽流量扰动的影响类似，烟气热量的扰动也几乎同时影响过热器管道长度方向各处的蒸汽温度，故它是一个具有自平衡能力、滞后和惯性都不大的对象，其传递函数可表示为一个二阶系统，即：式中：t为烟气温度但对象特征总的特点是：有迟延，有惯性，有自平衡能力，其动态特性曲线如图2-3所示：图2-3烟气热量扰动下过热汽温的阶跃响应曲线2.3.3减温水量扰动下过热汽温对象的动态特性 常见的减温方式有两种：喷水式减温和表面式减温，前者的效果比后者好。减温器一般装在末级过热器高温段前面，一方面保护了过热器高温段；另一方面又改善了调节性能。这种过热器的安装方法与在饱和侧装设表面式减温器相比，延迟时间能减小14。其动态特性曲线如下图所示。从图中可以看出，其特点也是有迟延、有惯性、有自平衡能力的。但是由于现代大型锅炉的过热器管路很长，因而当减温水流量扰动时，汽温反应较慢。对于一般高、中压锅炉，当减温水流量扰动时，汽温的迟延时间r=30-60s，时间常数t0l00s，而当烟气侧扰动时f1020s，z10时，表示t2很小，副回路包括的干扰因素越来越少，副回路克服干扰能力强的优点未能充分利用。当3时，表明过大，副回路包括的干扰多，控制作用不及时，当约等于1时，主副对象之间的动态联系十分紧密，如果在干扰作用下，主副参数任一个先振荡，必将引起另一个也振荡，这样，两个参数互相促进，振荡更加剧烈，这就是“共振效应”，应力求避免。4.4.2 主、副回路调节器调节规律的选择原则 （1）主参数控制质量要求不十分严格，同时在对副参数的要求也不高的情况下，为使两者兼顾而采用的串级控制方式时，主副调节器均可采用比例控制。 （2）要求主参数波动范围很小，且不允许有余差（稳态误差），此时副调节器可采用比例控制，主调节器采用比例积分控制。 （3）主参数要求高，副参数亦有一定要求，这时主副调节器均可采用比例积分控制。4.5控制器选择对于一个完整的串级控制系统，主、副控制器的正。反作用的判断应该是先副后主。副回路的正、反作用的选择：副回路的具体情况决定论副控制器的正、反作用，而与主回路无关。为了使副回路能构成一个稳定的系统，所以副回路的开环放大系数符号必须是“正“。即副回路中所有环节的放大倍系数符号的乘积为”正“在本串级控制系统中随着调节阀开度的增加，减温水的流量会随之增加，副对象即减温器后端蒸汽会有一定幅度的降低，所以调节阀对副对象的作用为负；而调节阀是气关阀，其控制作用为负；变送器的控制作用均为正，为了保证开环放大系数乘积的符号位“负”，所以副控制器的控制作用符号需为“正”，所以主控制器的控制作用符号“正”，即控制器的控制作用为反作用。第五章 基于matlab的系统仿真5.1电厂锅炉蒸汽温度串级控制系统的建模 从控制的角度来看，过程的静态数学模型是系统方案和控制算法设计的重要基础之一，然而，在不少情况下必须同时掌握过程的动态特性，需要把静态模型和动态模型结合起来。模型的建立方法可分为机理建模方法和测试建模方法，下面分别进行阐述。5.1.1机理法用机理法建模就是根据过程的内在机理，写出各种有关的平衡方程，例如物质平衡方程，能量平衡方程，动量平