毕业设计（论文）300MW发电机组再热汽温控制系统设计

1、摘 要 本次毕业设计(论文)的题目是铁岭电厂 300mw 机组再热气温控制系统设计。通过对 机组的再热汽温控制系统进行现场实地观察、原理分析、可靠性论证，从而提出保证该 系统长期稳定处于协调控制的方案。 在大型机组中，新蒸汽在汽轮机高压缸内膨胀做功后，需再送回到锅炉再热器中加 热升温，然后再送入汽轮机中、低压缸继续做功。采取蒸汽中间再热可以提高电厂循环 热效率，降低汽轮机末端叶片的蒸汽湿度，减少汽耗等。为了提高电厂的热经济性，大 型火力发电机组广泛采用了蒸汽中间再热技术。 再热蒸汽温度控制的意义与过热蒸汽温度控制一样，是为了保证再热器、汽轮机等 热力设备的安全，发挥机组的运行效率，提高电厂的经

2、济性。再热蒸汽温度控制的任务， 是保持再热器出口蒸汽温度在动态过程中处于允许的范围内，稳态时等于给定值。 在再热蒸汽温度控制中，由于蒸汽负荷是由用户决定的，所以几乎都采用改变烟气 流量作为主要控制手段，例如改变再循环烟气流量，改变尾部烟道通过再热器的烟气分 流量或改变燃烧器（火嘴）的倾斜角度。 关键字 再热汽温，过热蒸汽，串级 abstract this graduation project (paper) is through the hot steam warm control system carries on the principle analysis, the reliable p

3、roof, the scene again to the tieling three electricity 300mw units on the spot observes, guarantee this system which proposed long-term stability is in the coordination control the plan. in the large-scale unit, the new steam inflates the acting after the steam turbine high pressure cylinder, must a

4、gain return to the boiler reheater in heats up elevates temperature, then sees somebody off again in the steam turbine, the low pressure cylinder continues the acting. adopts among the steam hot to be possible to enhance the power plant circulation thermal efficiency again, reduces the steam turbine

5、 terminal leaf blade the steam humidity, reduces the steam consumption and so on. in order to enhance the power plant the hot efficiency, the large- scale thermoelectricity generation unit has widely used among the steam again the hot technology. again the hot vapor temperature control significance

6、and the superheat vapor temperature control is same, is in order to guarantee thermal energy equipment and so on reheater, steam turbine securities, the display units operating efficiency, enhances the power plant the efficiency. again the hot vapor temperature control duty, is maintains the reheate

7、r to export the vapor temperature to be in the permission in the dynamic process in the scope, when stable state is equal to the given value. in again hot vapor temperature control, because the steam load is by the user decision, therefore nearly all uses the change haze current capacity to take the

8、 primary control method, for example the change circulates again the haze current capacity, the change rear part flue or changes the burner through the reheater haze divergence quantity (spout) the angle of tilt. key words reheat steam，superheat steam，cascade 目录 摘 要 .i abstract .ii 1 引言 .1 1.1 设计课题的

9、目的、意义 .1 1.2 国内外现状及发展趋势 .1 1.2.1 国内背景.1 1.2.2 国内现状及发展趋势.2 2 火力发电厂发电工艺简介 .3 2.1 火力发电厂概述 .3 2.1.1 火力发电厂基本原理.3 2.1.2 主要生产过程简述.3 2.2 火电厂三大控制系统 .4 2.2.1 锅炉给水控制系统.4 2.2.2 过热蒸汽温度控制系统.5 2.2.3 再热蒸汽温度控制系.5 3 火电厂的控制系统 .6 3.1 自动控制系统基本概念 .6 3.2 自动控制系统的分类 .6 3.2.1 前馈控制系统 .6 3.2.2 反馈控制系统 .7 3.2.3 复合控制系统 .8 3.3 性能指

10、标 .8 3.4 调节器的控制规律 .9 3.4.1 基本调节作用.10 3.4.2 调节器的控制作用.11 3.5 单回路控制系统 .13 3.5.1 单回路控制系统原理分析.13 3.5.2 调节器的正反控制作用.14 3.6 串级控制系统 .15 3.6.1 串级控制系统的特点.15 3.6.2 串级控制系统的设计和调节器的选型.16 3.7 汽水系统 .17 4 再热蒸汽温度控制系统 .22 4.1 火电厂再热汽温控制系统概述 .22 4.1.1 再热蒸汽温度控制的意义与任务.22 4.1.2 再热蒸汽的特点.22 4.1.3 再热蒸汽温度的影响因素.23 4.1.4 再热蒸汽温度控制

11、的方法手段.23 4.2 铁岭电厂 300mw 机组再热汽温控制系统设计概述 .29 4.3 铁岭电厂 300mw 机组再热汽温控制系统 sama 图设计说明 .30 4.3.1 摆动燃烧器控制系统.30 4.3.2 喷水减温控制系统.32 4.4 matlab 仿真 .35 5 ovation 介绍.40 5.1 西屋 ovation 介绍 .40 5.2 ovation 控制系统的特点.40 结论 .42 致谢 .43 参考文献 .44 1 引言 1.1 设计课题的目的、意义 再热蒸汽温度控制的目的与过热蒸汽温度控制一样，是为了保证再热器、汽轮机等 热力设备的安全，发挥机组的运行效率，提高

12、电厂的经济性。再热蒸汽温度控制的任务， 是保持再热器出口蒸汽温度在动态过程中处于允许的范围内，稳态时等于给定值。 随着时代的发展，实现生产过程自动化对国民经济的发展有十分重大的意义。在火 力发电厂中实现热力过程自动化后能使机组安全、可靠、经济地运行。实现热力过程自 动化具有：（1）提高机组运行的安全可靠性；（2）提高机组运行的经济性；（3）减少 运行人员，提高劳动生产率；（4）改善劳动条件等特点。在大型机组中，新蒸汽在汽轮 机高压缸内膨胀做功后，需再送回到锅炉再热器中加热升温，然后再送人汽轮机中、低 压缸继续做功。采取蒸汽中间再热可以提高电厂循环热效率，降低汽轮机末端叶片的蒸 汽湿度，减少汽耗

13、等。为了提高电厂的热经济性，大型火力发电机组广泛采用了蒸汽中 间再热技术。因此，再热器出口蒸汽温度的控制成为大型火力发电机组不可缺少的一个 控制项目。此外，再热气温如果控制不好，容易造成再热器高温腐蚀，以及联通管泄露 等事故，所以再热气温的良好控制至关重要。某电厂在数年的运行中，由于负荷变化频 繁，一直存在微量喷水减温器出口的再热蒸汽温度波动大的问题，出现的最大温度变化 超过 140。由于再热气温完全依赖喷水减温调节，使减温器后的蒸汽过热度发生很大的 波动，该点的蒸汽过热度最大变化是由 150快速降到接近饱和蒸汽温度。由于蒸汽温度 变化大，且比较频繁，经常出现很大的温度变化率，这使该处的管道经

14、常承受很大的交 变热应力，尤其是内壁承受的热应力最大，这样经过一定时间后，就会在管道的环向焊 缝内侧产生裂纹，并逐渐向周围、外侧扩散，再进一步恶化就会影响锅炉的安全运行， 后果严重！ 1.2 国内外现状及发展趋势 1.2.1 国内背景 火力发电厂在我国电力工业中占有主要地位，是我国重点能源工业之一。大型火力 发电机组在国内外发展很快，我国现以 300mw 机组为骨干机组，并逐步发展 600mw 以上 机组。目前，国外已经建成单机容量 1000mw 以上的单元机组。 单元发电机组是有锅炉、汽轮发电机和辅助设备组成的庞大的设备群。由于其工艺 流程复杂，设备众多，管道纵横交错，有上千个参数需要监视、

15、操作或控制，而且电能 生产还要求有高度的安全可靠性和经济性，因此，大型机组的自动化水平受到特别的重 视。目前，采用以分散微机为基础的集散型控制系统（tdcs） ，组成一个完整的控制、保 护、监视、操作及计算等多功能自动化系统。 我国自从 70 年代发展 125mw 等级的中间再热大型电站锅炉机组以来, 紧接着有 200mw ,300mw 的国产机组问世, 80 年代又相继从国外引进各种 300mw 以上的炉型, 均 无一例外为中间再热机组, 所以有关再热汽温调节问题也引起了锅炉界同仁的关注。国 产锅炉的再热汽调温方式大致上经历了 3 个发展阶段, 即: (1) 烟气再循环调温技术, 早在 70

16、 年代上海锅炉厂生产的配 125mw 机组的 400mw 锅炉采用这一技术, 其中多数是燃煤机组。 (2) 80 年代中尾部分隔烟道挡板再热汽调温方式得到锅炉制造厂的青睐。 随后成立的北京巴威公司生产的 300mw 和 600mw 锅炉也采用了这种调温方式。 (3) 80 年代后期随大型电站锅炉引进美国 ce 公司技术后, 以 ce 公司锅炉技术特方 式之一的摆动燃烧器调节再热汽温, 已作为 300mw 等以上容量锅炉的调温手段。此外, 汽汽热交换面式减温器也曾用于某些 200mw 锅炉的再热汽温调节, 但受先天性缺陷的 限制, 如管组和阀门的泄漏、调温幅度小和动态特性差等, 影响了其效能。近

17、几年来, 随着各地工农业生产的迅猛发展,电力建设事业进展极快, 各电厂均注重降低煤耗和发电 成本, 争取低价上网, 而且由于地方电网装机总量的增大, 一些 200mw 甚至 300mw 容量 的机组作调峰运行已屡见不鲜, 低负荷运行经济性已提上日程; 过去影响机组安全运行 的问题多半已解决, 电厂领导和职能、运行管理人员所关心的已是“挖潜节能”, 故对 于再热汽调温问题已十分重视。 1.2.2 国内现状及发展趋势 国内的现状是大部分执行机构老化或技术不够先进，我们国内有很好的控制理论和 控制系统，但是到执行机构这里就出现问题了！就好像一个人有灵活的大脑，却有笨拙 的四肢，无法很好的支配一样。彭

18、城电厂再热器控制系统就是一例，它就是以摆动燃烧 器喷嘴为主要调节，微量喷水调节为辅助调节的控制手段。它的控制系统“软件”没有 问题，但是执行机构这个“硬件”就有问题了：如四角不能同时摆动、执行机构卡涩、 燃烧器摆角下垂(出现单个燃烧器下垂，也有整组燃烧器下垂)，这些问题曾导致锅炉运 行中燃烧不稳定，甚至造成锅炉灭火。经多次检修处理，却不能解决这些问题，不得不 将燃烧器摆角固定在一定的角度，不再参与再热汽温调节。因此微量喷水调节就成为正 常工况下汽温调整的唯一手段。由于完全依赖喷水调节再热汽温，导致运行过程中所投 入的减温水量超过设计值。如在额定设计工况下减温水用量是 5.0 t/h，实际中需投

19、用减 温水量达到 2030 t/h。喷水量大幅度地频繁变化，导致减温器后的汽温变化幅度超过 规定范围，对减温器后的管道产生更大的热应力。 国内发展趋势是尽量恢复燃烧器摆角作为再热汽温的主调节手段；改善被控对象的 控制品质；负荷变化时，使再热汽温尽可能稳定。 2 火力发电厂发电工艺简介 2.1 火力发电厂概述 火力发电厂是利用化石燃料燃烧释放的热能发电的动力设施，包括燃料燃烧释热和 热能电能转换以及电能输出的所有设备、装置、仪表器件，以及为此目的设置在特定场 所的建筑物、构筑物和所有有关生产和生活的附属设施。主要有蒸汽动力发电厂、燃气 轮机发电厂、内燃机发电厂几种类型。 2.1.1 火力发电厂基

20、本原理 电磁感应理论：任何变化的电场都要在其周围空间产生磁场，任何变化的磁场都要 在其周围空间产生电场。 热力学第一定律：热可以变为功，功也可以变为热，消耗一定热量时，必产生相当 数量的功，消耗一定量的功时，必出现相应数量的热。 热力学第二定律：高温物体的热能可以自动传递给低温物体，而低温物体的热能却 不能自动地传递给高温物体。机械能可以自动转化为热能，而热能却不能自动转化为机 械能。 2.1.2 主要生产过程简述 储存在煤场中的原煤由输煤设备从煤场送到锅炉的原煤斗中,再由给煤机送到磨煤机 中磨成煤粉。煤粉送至分离器进行分离,合格的煤粉送到煤粉仓储存(仓储式锅炉)。煤粉 仓的煤粉由给粉机送到锅

21、炉本体的喷燃器,由喷燃器喷到炉膛内燃烧(直吹式锅炉将煤粉 分离后直接送入炉膛)。燃烧的煤粉放出大量的热能将炉膛四周水冷壁管内的水加热成汽 水混合物。混合物被锅炉汽包内的汽水分离器进行分离,分离出的水经下降管送到水冷壁 管继续加热,分离出的蒸汽送到过热器,加热成符合规定温度和压力的过热饱和蒸汽,经管 道送到汽轮机做功。过热蒸汽在汽轮机内做功推动汽轮机旋转,汽轮机带动发电机发电, 发电机发出的三相交流电通过发电机端部的引线经变压器升压后引出送入电网。在汽轮 机内作完功的过热蒸汽被凝汽器冷却成凝结水,凝结水经凝结泵送到低压加热器加热,然 后送到除氧器除氧,再经给水泵送到高压加热器加热后,送到锅炉继续

22、进行热力循环。再 热式机组采用中间再热过程,把在汽轮机高压做功之后的蒸汽送到锅炉的再热器中再热, 温度合格的再热蒸汽被送到汽轮机中、低压缸继续推动汽轮机做功，如图 2-1。 以上只简单地讲述了电厂从煤到电的过程，但是实际上每个设备中所进行过程都十 分复杂，除了主要设备的工作原理、结构和系统外，还有自动控制保护以及设计计算、 经济运行等问题。 图 2-1 火力发电厂生产过程 2.2 火电厂三大控制系统 2.2.1 锅炉给水控制系统 汽包锅炉给水控制的主要任务是使锅炉的给水量跟踪锅炉的蒸发量，保证锅炉进出 的物质平衡和正常运行所需的工质，对于国产 300mw 机组普通采用的汽包锅炉来说，就 是维持

23、汽包水位在允许范围内变化。所以，锅炉给水控制又称“锅炉水位控制” 。 汽包水位间接地反映了锅炉内物质平衡状况（主要是蒸汽负荷与给水量的平衡关系） ， 因此，它是表征锅炉安全运行的重要参数之一，也是保证汽轮机安全运行的重要条件之 一。汽包水位过高，会降低汽包内汽水分离装置的汽水分离效果，导致出口蒸汽水分过 多，使其含盐浓度增大，从而使过热器管壁结垢而导致烧坏过热器；汽包出口蒸汽中水 分过多，还会使过热汽温产生急剧变化；而且使汽轮机叶片也易于结垢，降低汽轮机的 出力，直接影响机组运行的安全性和经济性。汽包水位过低，则会破坏锅炉的水循环， 使某些水冷壁管束得不到炉水冷却而烧坏，甚至引起锅炉爆炸事故。

24、因此，为保证机组 安全运行，正常情况下一般限制汽包水位在-50+50mm 范围内变化。 锅炉水位实现自动控制，不仅可提高锅炉汽轮机组的安全性，还可提高锅炉运行的 经济性。采用自动控制会使锅炉的给水连续均匀、相对稳定，从而使锅炉汽压稳定，保 证锅炉在合适的参数下稳定运行，使锅炉具有较高的运行效率。因此，电厂锅炉的给水 实现自动控制以及自动控制系统保持优良的工作性能是十分重要性的。 2.2.2 过热蒸汽温度控制系统 锅炉过热蒸汽温度是影响锅炉生产过程安全性和经济性的重要参数。现代锅炉的过 热器是在高温、高压的条件下工作，过热器出口的过热蒸汽温度是全厂整个汽水行程中 工质温度的最高点，也是金属壁温的

25、最高处。过热器采用的是耐高温、高压的合金钢材 料，过热器正常运行时的温度已接近材料所允许的最高温度。如果过热蒸汽温度过高， 容易烧坏过热器，也会使蒸汽管道、汽轮机内某些零部件产生过大的热膨胀变形而毁坏， 影响机组的安全运行；如果过热蒸汽温度过低，将会降低全厂的热效率，一般蒸汽温度 每降低 510，热效率约降低 1%，不仅增加燃料消耗量，浪费能源，而且还将使汽轮 机最后几级的蒸汽湿度增加，加速汽轮机叶片的水蚀。另外，过热蒸汽温度降低还会导 致汽轮机高压部分级的焓降减小，引起各级反动度增大，轴向推力增大，也对汽轮机的 安全运行带来不利。所以，过热蒸汽温度过高或过低都是生产过程所不允许的。 为了保证

26、过热蒸汽的品质和生产过程的安全性、经济性，过热蒸汽温度必须通过自 动化手段加以控制。因此，过热蒸汽温度的控制任务是：维持过热器出口蒸汽温度在生 产允许的范围内，一般要求过热蒸汽温度的偏差不超过额定值(给定值)的+5-10。 2.2.3 再热蒸汽温度控制系 在大型机组中，新蒸汽在汽轮机高压缸内膨胀做功后，需再送回到锅炉再热器中加 热升温，然后再送人汽轮机中、低压缸继续做功。采取蒸汽中间再热可以提高电厂循环 热效率，降低汽轮机末端叶片的蒸汽湿度，减少汽耗等。为了提高电厂的热经济性，大 型火力发电机组广泛采用了蒸汽中间再热技术。因此，再热器出口蒸汽温度的控制成为 大型火力发电机组不可缺少的一个控制项

27、目。 再热蒸汽温度控制的意义与过热蒸汽温度控制一样，是为了保证再热器、汽轮机等 热力设备的安全，发挥机组的运行效率，提高电厂的经济性。再热蒸汽温度控制的任务， 是保持再热器出口蒸汽温度在动态过程中处于允许的范围内，稳态时等于给定值。 3 火电厂的控制系统 3.1 自动控制系统基本概念 调节量：由调节机构（阀门、挡板等）改变的流量（或能量） ，用以控制被调量的变 化，称为调节量。又称控制量。 被调量：又称被控制量。表征生产过程是否正常运行并需要加以调节的物理量。 给定值：按生产要求被调量必须维持的希望值，简称给定值。在许多情况下给定值 是不变的（如正常运行时锅炉的汽包水位、过热蒸汽温度等） ，但

28、在有些情况下给定值是 变化的，如汽轮机启动过程中转速的给定值就应不断改变。 调节对象（有平衡 无自衡）：又称被控对象。即被调节的生产过程或设备称为调节 对象。 调节器：可用来改变进入控制对象的物质或能量的装置称为调节器。 扰动：引起被调量偏离给定值的各种原因称为扰动。如果扰动不包括在控制回路内 部就称外扰。如果扰动发生在控制回路内部，称为内扰。其中，由于调节机构开度变化 造成的扰动，称为基本扰动。变更控制器的给定值的扰动称为定值扰动，有时也称控制 作用的扰动。 前馈调节系统（开环调节系统）：控制系统中不是根据被调量的偏差而是直接根据 扰动进行控制，及时消除扰动的影响而使被调量基本不变化（或很少

29、变化） 。这种直接根 据扰动进行控制的系统，称为前馈控制系统。前馈控制系统有时也称“扰动补偿” 。 3.2 自动控制系统的分类 3.2.1 前馈控制系统 在自动控制系统中，经常又扰动的产生。当扰动发生后，被控对象受到扰动，系统 会发生偏差。如果根据被调量和给定值之间的偏差进行控制的负反馈控制系统只有当被 控对象受到扰动后，只有等被调量发生变化，偏差出现后才开始控制，这种控制动作落 后于扰动，必然造成控制过程中存在（动态）偏差。可以设想，如果控制系统不是根据 被调量的偏差而是根据直接扰动进行控制，就有可能及时消除扰动的影响而使被调量基 本不变化（或变化很小） 。这种直接根据扰动进行控制的系统，称

30、为前馈控制系统。前馈 控制系统又称“扰动补偿” 。 1. 前馈控制系统的分析 前馈控制系统的原理框图如图 3.1 所示： 图 3.1 前馈控制系统 图 3.1 表示一个前馈控制系统，扰动量 是引起被调量 y 变化的原因，而前馈调节 器在扰动出现的同时就根据扰动信号 进行调节，用此控制作用去抵消扰动 对被调 量的影响。如果完全抵消，被调量就可可以保持不变。在前馈控制系统中，没有被调量 （及其它）的反馈信号，所以系统是不闭合的，因此也称开环控制系统。 2. 前馈控制系统的特点 （1）前馈控制系统是直接根据扰动进行控制的因此可以消除扰动对被调量的影响， 减小被调量的动态偏差，而且不像反馈控制系统那样

31、根据被调量的偏差反复调节，因此 前馈控制系统的调节时间 ts 也较小。 （2）前馈控制系统为开环控制系统，不存在系统的稳定性问题。但是，由于系统中 不存在被调量的反馈信号，因而控制过程结束后不易得到静态偏差的具体数值。 （3）前馈控制系统只能用来克服生产过程中主要的、可测的扰动。在实际工业生产 中使被调量发生变化的原因（扰动）是很多的，对每一种扰动都需要一个独立的前馈控 制，这就会使控制系统变得非常复杂；而且有的扰动往往是难于测量的，对于这些扰动 就无法实现前馈控制。 （4）前馈控制系统一般只能实现局部补偿而不能保证被调量的完全不变。 3.2.2 反馈控制系统 这种控制系统的基本工作原理是根据

32、被调量与其给定值之间的偏差进行调节，最后 达到减小或消除偏差，简单说就是“按偏差调节” 。为了取得偏差信号，必须要有被调量 测量值的反馈信号，因而将系统构成一个闭合回路，所以这种系统也称为闭环控制系统。 1.反馈控制系统的分析 反馈控制系统框图如图 3.2 所示： 图 3.2 反馈控制系统 2. 反馈控制系统的特点 （1）在反馈控制系统中，输入量和输出量存在一一对应的关系。 （2）在反馈控制系统中，除输入量对输出量产生控制作用外，输出量也参与系统的 控制，因而闭环系统具有抗干扰能力。 （3）为了检测偏差，必须直接或间接地检测出输出量，并将其变换为与输入量相同 的物理量以便与给定量相比较，得出偏

33、差信号。所以反馈控制系统必须有检测环节、给 定环节和比较环节。 （4）闭环控制环节是利用偏差量作为控制信号来纠正偏差的，因此系统中必须具有 执行纠正偏差这一任务的执行能够机构。反馈系数正是靠放大的偏差信号来推动执行机 构，进一步对控制对象进行控制。只要输出量与给定值之间存在偏差，就有控制作用存 在，力图纠正这一偏差。由于反馈控制系统是利用偏差信号作为控制信号，自动纠正输 出量与其期望值之间的误差，因此可以构成精确的控制系统。 3.2.3 复合控制系统 在反馈控制系统的基础上加入前馈控制系统就称为前馈反馈复合控制系统。将经 常发生的主要扰动（负荷）做为前馈信号，由于前馈信号快于被调量的偏差信号，

34、故可 以进行“立即”调节，及时克服主要扰动对被调量的影响。利用反馈来克服其它扰动， 使系统的被调量在稳态时能准确地控制在给定值。在复合控制系统中把前馈控制称为粗 调，把反馈控制称为细调。只要充分利用前馈与反馈的优点，可以提高控制质量。 3.3 性能指标 一个控制系统控制品质的优劣，常用一些性能指标来评价。性能指标可以用计算的 方法得到，也可以从控制过程曲线（被调量的阶跃响应曲线）上直观地得出。最常用的 设计是时域（以时间为自由变量的研究领域)性能指标。时域性能指标有可以分为单项性 能指标和综合性能指标。 在过程控制种对定值控制系统和随动控制系统的要求不同，就产生了两类不同要求 的性能指标。对于

35、定值控制系统，控制要求的是克服扰动的影响，市被控量保持在给定 的范围。对于随动控制系统，控制要求是使被控制量跟踪新给定值。这两类系统同样要 求被控制量接近给定值，但控制要求不完全相同。在定制控制系统中，突出的要求是克 服扰动的性能。在扰动发生后，希望被控制量稳定、准确、快速地达到给定值或新的平 衡状态。在随动控制系统中突出的要求是跟踪性能，希望被控制量稳定、准确、快速地 跟踪新给定值。 从以上的论述可以看出衡量控制系统调节品质优劣的性能指标可以归纳为三个，即 系统的稳定性、快速性、准确性。控制过程的稳定性是对控制系统最基本的要求。不稳 定的系统在生产上是不能采用的。边界稳定的系统一般也是不符合

36、生产要求的，只有稳 定系统才能完成正常的调节任务。 准确性是指被调量的实际值与给定值之间的动态偏差和静态偏差。动态偏差表示系 统短期偏离给定值的程度。静态偏差表示长期偏离给定值的程度。所偏离越大，则控制 系统离开规定的工况就越远，这是不希望的。最大静态偏差往往出现在负荷发生最大幅 度的变化时，即有满负荷跌到零负荷时。 快速性是指控制过程持续时间，控制过程的时间越短，即控制过程进行得越迅速， 说明控制系统克服干扰的能力越强。 上述性能指标在同一系统中是相互制约的，在不同的系统中，则各有其重要性。因 此，在设计自动控制系统时，应该根据具体情况分清主次、区别对待，对于那些主要的 指标应优先予以保证。

37、 3.4 调节器的控制规律 自动调节器（简称调节器）和控制对象组成一个相互作用的闭合回路如图 3.3 所示。 图 3.3 调节系统示意图 调节器根据被调量 y 与规定值 r 的偏差信号 e 而使执行机构按一定规律动作，从而 引起调节机关位置 的变化。调节器输入量为偏差 e，输出量为调节机关位置，动态特 性是指调节器的输出量与输入量的动态关系，常称作调节器的控制规律。常用的调节器 按其规律可分为比例调节器、比例积分调节器、比例微分调节器、比例积分微分调节器。 这些调节器的控制规律都是由基本调节作用比例、积分、微分组合而成。 3.4.1 基本调节作用 1. 比例作用（简称 p 作用） 比例作用的动

38、态方程式为(式 3.1）eku p ery 式中 e被调量偏差，调节器的输入信号； 调节机关的位置，调节器的输出信号； 比例作用的比例系数。 p k 它的传递函数为 （式 3.2） pp k se su sw )( )( )( 从式中看出，输出 与输入 e 的大小成正比。或者说，调节机关移动速度与偏 dt du 差信号的变化速度成正比。这说明比例作用无惯性、无延迟、动作快，而且调节动作 dt de 的方向正确。因此，比例作用在控制系统中是促使控制过程稳定的因素。 从式（3.1）还可以看出 与输入 e 之间有一一对应的关系。调节机关位置 随对 象负荷的改变而改变，这样才能适应负荷变化的要求。因此

39、，当对象变化时，调节机关 位置必须改变，即被调量与给定值之间的偏差必然发生改变。所以调节结果被调量（静 态）偏差，有时称比例作用为有差调节。 积分作用(简称 i 作用) 积分作用的动态表达式为 （式 3.3）dteku t i 0 或表示为 （式 3.4）ek dt du i 式中 ki积分速度。 它的传递函数为 （式 3.5） s k se su w i i )( )( 式（3.3）说明，输入 e 随时间的积累就是输出 。只要偏差存在，调节机关的位置 就一直变化下去。只有当偏差为零时，调节机关的位置就保持不变了。也可以说控制过 程结束时，被调量与其给定值之间没有稳态偏差。 式（3.4）说明，

40、调节机关移动速度只与偏差 e 的大小成正比，而不考虑偏差变 dt du 化速度的大小和方向，这一特点使积分调节作用有时产生方向错误，容易引起调节过程 振荡，所以积分作用在控制系统中是使过程振荡的因素。这种控制作用很少单独使用。 微分作用(简称 d 作用) 微分作用的动态方程式为 （式 3.6） dt de ku d 式中 kd表示微分作用的比例系数。 它的传递函数为 （式 3.7）sk se su sw dd )( )( )( 式（3.6）说明调节机关的位置与被调量偏差的变化速度成正比，在控制过程开始阶 段，被调量偏离给定值很小，但变化速度很大，即微分作用很强，他可以使调节机关的 位置产生一个

41、较大的变化，限制偏差的进一步增大，微分的作用可以有效的减少被调量 的动态偏差。从以上分析可知微分动作快于比例动作，即微分作用具有超前调节的特点， 因此微分作用在控制系统中能提高过程的稳定性。 调节过程结束时，de/dt等于零，由式（3.6）可知，0，即调节机关的位置不变， 这样就不能适应负荷的变化。也可以说，微分作用对恒定不变的偏差是没有克服能力的。 因此，只有微分作用的调节器是不能执行调节任务的，即这种控制作用不能单独使用。 综上所述，比例作用能单独地执行调节任务，并能使控制过程趋于稳定，但使被调 量产生静态偏差。积分作用只有极少的情况才能单独使用，会使控制过程变成振荡甚至 不稳定，但能使被

42、调量无静态偏差。微分作用不能单独使用，但能提高控制系统的稳定 性，有效地减少被调量的动态偏差。由于比例、积分、微分作用给有其特点，所以目前 工业上常用 p、pi、pd、pid 调节器。 3.4.2 调节器的控制作用 1. 比例调节器 比例调节器的动态方程式与比例作用的动态方程式相同，即 （式 3.8） eu eku p 1 传递函数为 （式 3.9） 1 ) s ( )( ) s (w p k e su 式中 kp调节器的比例系数，即偏差改变一个单位时，调节机构的位移变化量， 它是调节器的参数； 比例系数 kp的倒数，即当调节机关的位置改变 100时，偏差应有的改 变量，称比例带。 比例调节器

43、的阶跃响应如图 3.4 所示。 是可调的表示比例作用强弱的参数， 越大比例作用越弱； 越小比例作用越强。 可以看出，输出对输入 e0的响应无迟延、无惯性、由于调节方向正确，比例调节u 器在控制系统作用中是使控制过程稳定的因素。当控制对象的负荷发生变化之后，执行 机构必须移动到一个与负荷相适应的位置才能使控制对象再度平衡。因此调节的结果是 有差的。因而比例调节器称为有差调节器。 图 3.4 比例调节器的阶跃响应曲线 图 3.5 pi 调节器的阶跃响应曲线 2. 比例积分（pi）调节器 比例积分调节器是比例作用和积分作用的叠加，它的动态方程为 dtedt t p 0 =e（e+） （式 3.10）

44、 或写成 0 11 () t i eedt t = （式 3.11） i p i k k t 调节器的传递函数为 i 1 ( ) s pi ws 1 （1） t （式 3.12） 式中 ki调节器的积分速度，即当偏差改变 100时，调节机构的移动速度。 ti积分时间。 这种调节器有两个可供调整的参数，即 ki和 kp。当 i t 时比例积分作用调节器就 成比例作用调节器。当 i 0t 时即 0 p k 就成为积分作用调节器。积分时间越小，表示 积分作用越强。反之，积分时间越大，表示积分作用越弱。比例带不但影响比例作用的 强弱而且也影响积分作用的强弱。 pi 调节器的阶跃响应曲线如图 3.5 所

45、示。阶跃响应曲线的方程式为 ee t 00 i 11 = (式 3.13) 当 t=0 时被调量偏差有一阶跃 e0,调节器立即输出一个阶跃值 e0/,然后随时间 逐渐上升。从图 3.5 可以看出，比例作用是即时的、快速的。而积分作用是缓慢的、渐 进的、这两种作用综合后，某部分的调节方向还是错误的，易造成控制系统振荡。 由于比例积分调节器是在比例调节器的基础上，有加上积分调节，相当于再“粗调” 的基础上再加上“细调” ，能使控制过程结束后没有静态偏差。 3.5 单回路控制系统 控制器和控制对象是单回路控制系统的两个主要组成部分。它们的特征将决定控制 系统的控制质量，因此讨论控制对象的特征参数和调

46、节器的调节参数对控制质量的影响 是非常必要的。 3.5.1 单回路控制系统原理分析 单回路控制系统的原理方框图如图 3.6 所示。 图 3.6 单回路控制系统的原理方框图 它是由测量变送器、调节器、执行器及控制对象组成的单闭环负反馈控制系统。图 中 wt(s)为调节器的传递函数，wz(s)为执行器的传递函数，wm(s)为测量变送器的传递函 数，wo(s)为控制对象的传递函数。为了便于分析，将测量变送器、执行器和控制对象做 为一个整体看待，改整体称为“广义对象” 。这样图 3.6 所示的单回路控制系统就由调节 器和广义对象两部分组成，其等效原理方框图如图 3.7 所示，图中 wo*(s)为广义对

47、象的传 递函数。实际上在做对象动态特性实验时，总是以调节器的手动输出做为对象的输入信 号，以测量变送器的输出作为对象的输出信号，这样测得的对象特性包括了测量变送器 和执行器的特征。 若试验取得的对象特性包括了测量变送器的动态特性，则广义对象的传递函数为 * 00 ( )( )( ) m wsw s ws (式 3.14) 这时等效调节器的传递函数为 *( ) ( )( ) ttz wsws ws （式 3.15） 上式中的执行器的动态特性可以近似认为是比例环节 ( ) zz wsk ,当调节器为 pid 控 规律时等效时等效调节器的传递函数为 * dd ii ( )s(s) z t k ws

48、* 11 （1t ）t tt （式 3.16） 式中等效比例带 （式 3.17） z k * 若试验取得的对象动态特性包括了执行器的动态特性，则广义对象的传递函数为 0 (s)=w (s)w (s) * 0 （式 3.18） 这时等效调节器的传递函数为 tm (s)=w (s)w (s) * t （式 3.19） 上式中的测量变送器的动态特性可近似为是比例环节 mm w (s)k 当控制器为 pid 控制 规律时等效调节器的传递函数为 * m tdd ii 11 w (s)(1s)(1s) ss k tt t * 1 t （式 3.20） 式中比例带为 * m k （式 3.21） 3.5.2

49、 调节器的正反控制作用 调节器有正作用和反作用，单回路控制系统中调节器的正反作用方式选择的目的是 使闭环系统在信号关系上形成负反馈。调节器的正反作用的选择同控制对象的正反特性、 测量变送单元的正反特性及调节阀形式有关。对于组成控制系统各环节的极性是这样规 定的：正作用调节器，即当系统的测量值减给定值增加时，调节器的输出也增加；反作 用调节器，即当系统的测量值减给定值时，调节器的输出减小；控制对象的正特性，即 当控制对象的输入量增加时，其输出也增加；控制对象的反特性，即当控制对象的输入 量增加时，其输出却减小。测量变送单元的输入增加其输出也增加为正特性；测量变送 单元的输入增加其输出减小为反特性

50、。气开调节阀正特性；气开调节阀为正特性；气关 调节阀为反特性。 确定调节器正、反作用的次序一般为：首先根据生产过程安全等原则确定调节阀的 形式、测量变送器单元的正反特性，然后确定被控对象的正反特性，最后确定调节器的 正反作用。对于图 1.6 所示的单回路控制系统，使系统正常工作使组成该系统的各个环 节的极性相乘必须为负。一般变送器的静态放大系数 km通常为正极性，故只需调节 kt、 调节阀 k和对象的 k0极性相乘必须为负即可。对于组成控制系统各环节的极性是这样规 定的：正作用调节器，其静态放大系数 kt取正；反作用调节器，其静态放大系数取负。 气开式调节器，其静态放大系数 k取正，气关式调节

51、阀，其静态放大系数 k负。被控 对象的正特性，其静态放大系数 k0取正，被控对象的反特性，其静态放大系数 k0取负。 根据上述静态放大系数正负的规定和组成系统的各个环节的静态放大系数极性相乘必需 为负的原则来确定调节器的正反作用方式。 在工程上实现调节器的正、反作用，对于电动调节器来说，可以通过电动调节器的 正、反作用来选择开关来实现。 3.6 串级控制系统 简单控制系统虽然是一种最基本、使用最广泛的控制系统，但是对于有些较难控制 的过程，控制质量要求很严格的参数就无能为力了。因此，需要改进控制结构、增加辅 助回路或添加其它环节，组成复杂控制系统。而串级控制系统就是改善控制过程品质极 为有效的

52、方法，得到了广泛应用。 图 3.7 串级控制系统原理框图 3.6.1 串级控制系统的特点 串级控制系统和简单系统有一个显著区别，即其在结构上形成了两个闭一个闭环在 外面，被称为外回路或者主回路，用来完成细调任务，以最终保证被调量满足生产要求。 无论主回路还是副回路都有各自的控制对象，测量变送器和调节器。在主回路内的控制 对象、被侧参数和调节器分别被称为主对象、主参数和主调节器。在副回路内则相应地 被称为副对象、副参数和副调节器。副对象是整个控制对象的一部分，常称为控制对象 的导前区；主对象是整个控制对象中的另一部分，常称为控制对象的惰性区。应该指出， 系统中有两个调节器，它们的作用各不相同。主

53、调节器具有自己独立的给定值，它的输 出作为副调节器的给定值，而副调节器的输出信号则是送到调节机构去控制生产过程。 比较串级系统和简单系统，前者只比后者多了一个测量变送器和一个调节器，增加的仪 表投资并不多，但控制效果却有明显的改善。 3.6.2 串级控制系统的设计和调节器的选型 为充分发挥串级控制系统的特点，在设计实施控制系统时，还应当合理设计主、副 回路及选择主、副调节器的控制规律。 1.主、副回路的设计原则 副参数的选择应使副回路的时间常数小，控制通道短，反映灵敏。通常串级控制系 统是被用来克服对象的容积迟延和惯性的。因此，在设计串级控制系统时，应设法找到 一个反映灵敏的副参数，使得干扰在

54、影响主参数之前就得到克服，副回路的这种超前控 制作用，必然使控制质量有很大提高。 副回路应包含被控对象所受到的主要干扰。串级控制系统对进入副回 的扰动有很强 的克服能力。为发挥这一特殊作用，在系统设计时，副参数的选择应使得副回路尽可能 多地包括一些扰动。但这将与要求副回路控制通道短，反映快相矛盾，应在设计中加以 协调。在具体情况下，副回路的范围应当有多大，决定于这个对象的容积分布情况以及 各种扰动影响的大小。副回路的范围也不是愈大愈好。太大了，副回路本身的控制性能 就差，同时还可能使主回路的控制性能恶化。一般应使副回路的频率比主回路的频率高 得多，当副回路的时间常数加在一起超过了主回路时，采用

55、串级控制就没有什么效果。 主、副回路工作频率应适当匹配。由于串级系统中主、副回路是两个相互独立有密 切相关的回路。如果在某种干扰作用下，主参数的变化进入副回路时，会引起副回路中 副参数振幅增加，而副参数的变化传到主回路后，又迫使主参数变化幅度增加，如此循 环往复，就会使主、副参数长时间大幅度的波动，这就是所谓串级系统的“共振现象” 。 一旦发生了共振，系统就失去控制，不仅使控制品质恶化，如不及时处理，甚至可能导 致生产事故，引起严重后果。 2.主、副调节器的选型 串级控制系统中，主调节器和副调节器的任务不同，对于他们的选型即控制规律的 选择也有不同考虑。 (1)副调节器的选型 副调节器的任务是

56、要快速动作以迅速进入副回路内的扰动，而且副参数并不要求无 差，所以一般就选 p 调节器，也可采用 pd 调节器，但这增加了系统的复杂性。在一般情 况下，采用 p 调节器就足够了，如果主、副回路频率相差很大，也可考虑采用 pi 调节器。 (2)主调节器的选型 主调节器的任务准确保持被调量符合生产要求，凡是采用串级控制的生产过程，对 控制品质的要求总是很高的，不允许被调量存在静差。因此主调节器必须具有积分作用， 一般都采用 pi 调节器，如果控制对象惰性区的容积数目较多，同时有主要扰动落在副回 路以外的话，就可以考虑采用 pid 调节器。 3.7 汽水系统 图 3.8 汽水系统监控图 1 水冷壁及

57、自然循环： 吸收火焰和烟气的热量而使水产生蒸汽的受热面称为蒸发受热面。自然循环回路是 由不受热的下降管、受热的上升管、汽包、水冷壁下集箱，水冷壁上集箱和汽水引出管 等组成。汽包具有较大的容积，其中下半部充满水，上半部为蒸汽空间，两者之间的分 界面叫做蒸发面，整个回路中的水叫做锅炉水。上升管中受热达到饱和温度屏产生部分 蒸汽，而下降管中为饱和水或未饱和水。由于蒸汽的密度小于水的密度，因而上升管中 汽水混合物平均密度小于下降管中水的密度，这个密度差推动上升管中汽水混合物向上 流动进入汽包，并在汽包中进行汽水分离，分离出来的蒸汽由汽包送出，分离出来的饱 和水和给水混合后进入下降管，并且从上向下流动，

58、形成汽水循环。自然循环的推动力 是由下降管中的工质密度和上升管中工质密度值差而产生的，自然循环回路的循环推动 力称为运动压头。自然循环的优点是可以利用连续排污和定期排污来调整和保证炉水品 质，因而对给水品质要求不太高。自然循环锅炉的水容积和畜热能力大，因而对自动化 程度要求不高。 锅炉运行中，影响水冷壁安全运行的因素很多，既有管内诸多因素的影响，也有管 外复杂因素的影响。管内的因素有：（1）水质不良导致的水冷壁管内结垢与腐蚀； （2）水冷壁受热偏差的影响导致的个别管子出现循环流动的停滞或倒流；（3）水冷壁 热负荷过大导致的管子内壁出现膜态沸腾；（4）汽包水位过低引起水冷壁中循环流量不 足，甚至

59、发生更为严重的“干锅” 。管外的影响因素有：（1）燃烧产生的腐蚀性气体对 管壁的高温腐蚀；（2）结渣和集灰导致的对管壁的侵蚀；（3）煤粉气流或含灰气流对 管壁的磨损。 水冷壁管内汽水混合物流动的情况，与压力、质量、流速、质量含汽率和管外热负 荷等因素有关，汽水混合物在垂直管内的流动结构主要有四种：汽泡状、汽弹状、汽柱 状和汽雾状。当水冷壁管内汽水混合物流动状态为汽泡状、汽弹状、汽柱状时，其传热 属于核态传热区域，此时管壁是安全的；在高参数大容量锅炉炉膛高热负荷区域的水冷 壁管中，有时会产生膜态沸腾，这是管内蒸汽直接与壁面接触以致传热恶化，这是内部 工质换热系数急剧下降，壁温突然升高，大大超过管

60、内工质的饱和温度，很容易导致管 子破坏。为了避免水冷壁管在工作中超温损坏，必须避免蒸汽直接与管内壁接触，因为 蒸汽与管内壁之间的换热系数比水与管内壁之间的换热系数小的多。停滞、倒流、膜态 沸腾都将影响水冷壁安全运行。水循环停止实际上导致的是水冷壁传热恶化，水循环停 止现象主要发生在受热弱的管子上。倒流管的压差大于同一片管屏或同一回路的平均压 差，从而迫使工质向下流动，在发生倒流的管子中，水向下运动，而汽泡由于受到浮力 向上运动。当倒流速度较慢且等于汽泡向上运动的速度的时候，向下流的水带不走汽泡， 造成汽泡不上不下的状态，引起汽塞，发生传热恶化，以致使管子出现局部超温。如果 管外的热负荷很高，在