热工自动控制技术

热工自动控制技术

单元机组负荷自动控制系统燃烧过程控制系统给水控制系统蒸汽温度控制系统DEH控制系统机组旁路控制系统第一讲单元机组负荷自动控制系统一、控制任务与对象动态特性1、控制任务：（1）保证机组功率迅速满足电网的要求（2）迅速协调机炉间能量供求平衡关系（3）在各种运行工况下，保证机组安全运行目前电网参加AGC机组的负荷变化率为1.5%Pe/min左右，负荷响应迟延时间小于2分钟。负荷调节的范围应为机组最低稳燃负荷到满负荷，40%~100%Pe。从协调控制系统来讲应是CCS投入自动的范围。60~100%（1）制粉系统的制粉和输送特性：直吹式制粉系统：对于配备中速磨的直吹式制粉系统，给煤量变化到煤粉量变化有一个纯延迟时间和一定的惯性，煤粉量对给煤量的响应特性：

FP为煤粉量，FM为给煤机的煤量，T1和τ为惯性和延迟时间常数。2、单元机组负荷控制对象的动态特性中间储仓式制粉系统：给粉机转速变化时，煤粉量几乎同步变化，相对直吹式制粉系统，粉机转速变化到煤粉量变化的延迟可以忽略，煤粉量对给煤量的响应特性：FP为煤粉量，FN为给煤机转速，k为给粉量与给煤机转速的关系。（2）锅炉的能量转换特性：燃烧率对锅炉指令的响应特性为W1（S）炉内热负荷对燃烧率的响应特性为W2（S）蒸汽热负荷对炉内热负荷的响应特性为W3（S）（式7-1-2）FP为煤粉量，FN为给煤机转速，k为给粉量与给煤机转速的关系。直吹式制粉系统：中间仓储式制粉系统：炉内热负荷是燃料转换成的高温烟气热量，其对燃烧率的响应特性可看成一个较快多阶惯性环节，即：锅内介质（水和汽）对高温烟气的吸热是一个传热过程，蒸汽热负荷对炉内热负荷的响应特性可看成一个较慢的高价的惯性环节，即：（3）汽轮发电机的能量转换特性机组发电量对蒸汽热量的响应特性W4（S）可近视为一个比例环节（K4）。（1）机组负荷对汽机调门的响应特性（锅炉蓄热能力）（2）机组负荷对锅炉指令的响应特性

机组负荷调节速度分析

锅炉响应的迟延特性主要取决于锅炉接到负荷指令后，从煤量改变到蒸汽流量变化所需的时间，即蒸汽产生的纯迟延时间。滑压运行的影响

滑压运行的负荷适应性较差，因为机组在滑压运行时，锅炉蓄热能力将随参数的变化而变化，变化方向恰好与负荷需求方向相同。机组对负荷变化率的限制对于汽包炉，在正常的机组调峰范围内，变负荷影响最大是汽包的热应力。一般汽包的温度变化速度不能超过2℃/min，由于汽包内工质处于饱和状态，汽包的温度随汽包压力同步变化。根据计算，当汽包压力17.8MPa时，汽压允许变化0.425MPa/min；当汽包压力12.2MPa时，汽压允许变化0.32MPa/min。这是汽机调门变化不能变化太快的原因。对于直流炉，变负荷影响最大是分离器和联箱处的热应力。磨煤机启停的影响锅炉蓄热能力的利用锅炉的蓄热能力取决于炉型与汽压。通过汽压的变化利用锅炉的蓄热，尽管在一定程度上可有效地缩短负荷响应时间，但其程度取决于参数允许偏离设定值的范围，受到机组安全、经济运行的限制。二、单元机组负荷控制系统的运行方式1、锅炉跟随方式（BF）2、汽机跟随方式（TF）3、协调控制方式（CCS）（1）以锅炉跟随为基础的协调方式（2）以汽机跟随为基础的协调方式（3）机炉综合协调控制方式三、机炉协调控制系统的典型方案根本任务是维持机炉间的能量平衡由于能量信号无法直接测量，因此常用一些间接的参数表征这些平衡关系。直接能量平衡：通过构造能量信号，并依此控制机组的能量输入，称为直接能量平衡系统。间接能量平衡：如以锅炉主汽压力表征锅炉、汽轮机间能量供求平衡关系，通过控制这一间接参数维持机炉间的平衡，换为间接能量平衡系统。（一）间接能量平衡的协调控制策略1、单向补偿协调控制：

汽机跟随（单向补偿）锅炉跟随（单向补偿）2、双向补偿协调控制锅炉跟随（双向补偿）汽机跟随（双向补偿）3、非线性补偿的协调控制（1）非线性环节（a）死区环节（b）饱和环节（2）非线性补偿协调控制系统（二）直接能量平衡的协调控制策略1、能量平衡信号：（1）（2）协调控制系统中提高控制性能的一些措施前馈控制技术的应用前馈控制技术使有关被调参数能被控制到很接近届时要求的水平（粗调），而不完全依赖于反馈控制的缓慢且往往会引起不稳定的积分过程。非线性元件的使用提高了机组对外界负荷变化的初始响应能力。主汽压在允许范围内，充分利用锅炉的蓄热能力。（TF）限制主汽压力在动态过程中过大变化。（BF）（Lb2A3114)提高安全可靠性的一些措施当系统故障或出现事故工况，控制系统能自动快速地从自动方式无扰切换到手动方式。提供在任何变动工况下，保证安全所必须的保护和联锁功能。对控制参数采取三重或双重冗余测量技术，并对信号的不正常或越限报警，同时将系统的控制切至手动。多执行机构的变增益和平衡回路手动/自动切换和自动跟踪第二讲燃烧控制系统一、燃烧控制系统的任务与特点1、控制任务：（1）维持汽压的稳定（2）保证燃烧过程的经济性（3）维持炉膛压力的稳定2、控制系统的组成（1）燃料量控制系统（2）风量控制系统（3）炉膛压力控制系统3、控制对象的动态特性（1）燃烧率扰动下汽压控制对象的动态特性（内扰特性）：①用汽量不变时②调节阀开度不变时（2）负荷扰动下汽压控制对象的动态特性（外扰特性）①调节阀开度扰动②进汽量扰动二、锅炉燃料控制系统的基本方案燃烧控制系统存在的特殊问题：（1）煤粉量（给煤量）的测量（2）送入炉膛实际风量的测量燃料量的测量方法：

直接测量：用给粉机（给煤机）转速代表，但转速信号不能反应煤粉的自发性扰动和燃煤发热量的变化。（需经热值校正）

间接测量：用热量信号代表。对热量信号的要求：随燃料量且仅随燃料量B的改变而改变。热量信号在燃烧率和负荷阶跃扰动下的反应曲线（a）燃烧率阶跃扰动（b）负荷阶跃扰动（热量信号有迟延）1、中间储仓式制粉系统锅炉燃料-空气燃烧控制方案（1）采用热量信号的燃烧控制系统（2）采用给粉机转速信号的燃烧控制系统2、直吹式制粉系统锅炉（1）一次风-燃料控制方案（配球磨机）（2）燃料-空气燃烧控制方案F0(x)-将经给水温度修正后的负荷指令转换成总燃料量指令。F1(x)-由给水温度偏差开成给水温度校正信号。F2(x)-将总风量转换成该风量下能完全燃烧的燃料量。F(t)-超前/滞后环节，燃料量指令增加时具有滞后作用，燃料量摊减小时具有超前作用。F3(x)-将燃油量折算成煤量。F4(x)-调节燃料指令前馈信号的强度F5(x)-一次风量限制，将一次风量转换为该风量下最大允许给煤量对应的转速指令。F6(x)-将热值校正调节器的输出信号转换为热值校正系数。调节器的0~100%输出，转变为0.85~1.15的系数。三、风量控制与氧量校正1、氧量校正的作用：（1）锅炉只是近似的线性关系，仅依靠前馈回路获得的风量并不能保证氧量指标符合要求，要获得准确的风量，必须加入氧量校正。（2）氧量校正值是负荷的函数，与负荷呈非线性关系。常见的氧量校正方式有两种：（1）用氧量调节器的输出对实际总风量信号进行修正。（2）用氧量调节器的输出对风量指令进行修正。2、氧量测量信号的处理（1）4个氧量信号取均值（2）三取中，一路氧量信号作备用3、风量测量信号的处理二次风量通过风室两端二次风入口管道上的一次元件分别进行测量，测量结果经温度补偿后相加，作为总的二次风量；同样方法测得总一次风量；总二次风量与总一次风量相加后得到总风量。Je2C3150F0(x)-由机组负荷经运算形成氧量定值F1(x)-形成氧量校正系数，调节器的0~100%输出，转变为0.8~1.2的系数。F2(x)、f3(x)-按风煤比将燃料量或燃料指令换算成风量需求值（风量指令）。F4(t)-超前/滞后环节，风量指令增加时具有超前作用，风量指令减小时，具有滞后作用。F5(x)-调节风量指令前馈信号的强度。四、风煤交叉限制平行控制：燃料与风量控制回路同时动作。存在问题：风量对象的时间常数大于燃料量对象的时间常数，负荷变化时，过剩空气系数超控。交叉控制：（1）单交叉限制

（2）交叉限制与平行调节（3）双交叉限制单交叉限制解决了负荷变化时冒黑烟的问题，但没有解决过剩空气造成的排烟损失的增加和污染特排放的增加问题。双交叉限制是在单交叉限制的基础上，在风量控制回路增加一个小选模块，在燃料控制回路增加一个大选模块，通过两次交叉限制将动态调节过程中的过剩空气系数控制在一定范围内，这样既能解决负荷变化冒黑烟的问题，又能解决过剩空气造成的排烟损失的增加和污染特排放的增加问题。Je2F3080K3、K4设置一般为K1、K2的2~4倍，升负荷时，回路①②的作用实现了“先加风后加煤”，又由于回路④的作用，实现了动态过程中过剩空气的控制；降负荷时，同样由回路①②实现“先减煤后减风”，由于回路③的作用，实现动态中过剩空气的控制。五、炉膛压力控制1、炉膛压力控制系统采用了变增益控制策略，根据炉膛压力偏差的大小进行调节；小偏差采用小增益控制，大偏差采用大增益控制，增强系统抑制偏差的能力。此外系统还根据投入自动的引风机的台数进行自动增益补偿，将风量指令信号或送风控制指令作为超前变化的前馈信号，使炉膛负压的变化最小。Je2A22672、炉膛压力的防内爆回路（1）方向闭锁（2）超驰控制（3）MFT返程控制第三讲汽温控制系统一、汽温对象的动态特性1、影响汽温变化的因素：烟气侧—燃料量、燃料特性、对流吸热量及辐射吸热量、空气量、燃烧器的运行方式、受热面的清洁程度等。蒸汽侧—蒸汽流量、减温水和减温水焓、给水温度等。最主要的扰动有3个：蒸汽流量、烟气流量（总风量、燃料量）和减温水流量。2、过热汽温的静特性：对流过热段汽温随锅炉负荷增加而上升，辐射过热段汽温随锅炉负荷增加而下降，因对流段占60%以上，过热器的汽温是锅炉负荷增加而上升的。3、汽温的动态特性：（1）蒸汽负荷扰动有惯性有自平衡能力τ=10~20STc≈100S（2）烟气侧扰动与蒸汽负荷扰动相似。τ=10~20STc≈100S（3）减温水扰动：导前区惯性较小，控制通道惯性较大。τ1=30~60ST1≈40~100S二、汽温控制的特点：（1）过热汽温的控制：采用减温水为调节手段，τ/T较大，采用单回路调节系统不能满足调节的要求，多采用带导前微分信号的双回路调节系统或串级调节系统。（2）再热汽温的控制：为保证经济性，一般采用烟气侧调节（烟道挡板或摆动式燃烧器）为正常调节手段，减温水作为后备控制。三、过热汽温控制策略1、串级汽温控制系统内回路及副调的任务是快速消除内扰，要求调节过程的持续时间较短，但不要求无差，故副调也可选用纯比例调节；当导前区惯性较大时，也可选用比例微分调节。外回路及主调的任务是维持主汽温恒定，一般选用比例积分调节；当过热器惰性区惰性较大时，也可选用比例积分微分调节。由于引入了导前汽温微分信号，可以改善单回路系统的调节品质。由汽温被调对象的动态特性可知，导前汽温可以提前反映扰动，取其微分信号引入调节器后，由于微分信号动态时不为零而稳态时为零，所以动态时可使调节器的调节作用超前，稳态时可使过热器出口汽温等于给定值，从而改善调节品质。2、具有导前微分信号的双回路汽温控制系统3、过热汽温分段控制策略（定值控制）3、过热汽温分段控制策略（温差控制）4、Smith预估器的应用汽温控制对象具有大迟延、大惯性、非线性和时变性的特点，采用常规和简单的控制规律难以获得满意的调节效果，目前工程中常用Smith预估、参数自适应、模糊控制等控制策略。SMITH预估控制是基于古典控制理论，其基本设计思想是，将被控对象的动态特性分解为一个纯延迟环节和一个惯性环节，将两个环节串联而构成一个SMITH预估器，由于所构造的数学模型能够预估控制器的输出将会对被控对象的控制变量产生的可能影响，从而使控制作用提前而改善调节效果。5、惰性区特性预估补偿模糊PID汽温综合控制6、ABBBailey公司主汽温控制策略7、西门子公司主汽温控制策略四、再热汽温控制策略为保证机组经济性，再热汽温一般采用烟气侧调节，利用烟气挡板或摆动式燃烧器作为正常调节手段，喷水减温作为后备手段。1、烟气挡板调节调温灵敏度差，调温范围小，挡板开度与汽温变化呈非线性关系。2、采用摆动式燃烧器调节五、串级控制结构中主调防积分饱和的方法1、解除调节器的积分作用采用变参数的调节器，在调节器的输出达到上、下限值时，解除调节器的积分作用，即令调节器的积分时间=∞。2、外部反馈模式3、引入阀位指令限制第四讲汽包炉给水控制系统一、锅炉给水系统工艺流程二、给水全程自动控制的任务及对象动态特性1、给水全程自动控制的任务（1）全程自动控制的概念：常规给水控制系统是在机组达到一定负荷后才投入自动运行，否则就运行在手动方式。全程自动控制系统是指机组从点火启动、升温升压、升负荷及降负荷、锅炉灭火后降温降压等全过程均能进行自动控制。机组的启动分为冷态、热态等不同启动工况，一个完善的全程自动控制系统应能适应机组的不同启动工况。2、给水全程自动控制的任务：在给水全过程中，自动控制锅炉的进水量，以保证汽包水位在正常范围内变化，同时对名炉的水循环和省煤器要有保护作用。维持汽包水位靠控制给水流量的大小来完成，而给水流量变化得过分剧烈，将会对省煤器等给水设备的安全运行带来威胁。给水控制的任务实际上包括两方面内容：（1）保持水位在工艺允许范围（2）尽量使给水流量稳定。3、给水控制对象的动态特性：（1）给水量扰动下的水位特性

（2）蒸汽流量扰动下的水位特性存在“虚假水位”现象，（3）燃料量扰动下的水位特性（4）汽包水位动态特性的特点具有延时（延时时间τ）具有“虚假水位”现象：虚假水位的变化情况与锅炉的特性有关，与负荷的变化形式和速度有关，降负荷过程比升负荷过程要大。在锅炉发生MFT以及汽机甩负荷后，虚假水位特别严重。水位对象无自平衡能力：单位阶扰下，水位的最大变化速度与锅炉的结构和容量有关，机组容量越大，ε越大，水位变化快，更难控制。4、对全程给水系统的要求（1）既要维持水位，又要经济运行。实现给水全程控制可以改变给水调节阀的开度即改变给水管道阻力的方法来改变给水流量，也可以采用改变给水泵转速即改变给水压力的方法来改变给水量。（2）解决控制系统之间和调节机构之间的切换。由于机组在不同负荷下呈现不同的对象特性，要求控制系统能适应这样的特性。随锅炉负荷的增加和降低，控制系统要从单冲量过渡到三冲量或从三冲量过渡到单冲量，从启动调节阀切换到主给水阀，必须保证切换的无扰。（3）测量信号的校正。全程给水控制系统的工作范围大，对各信号的准确测量提出理更高要求，给水流量、蒸汽流量、汽包水位信号都要经过温度或压力的校正补偿。（4）运行中要保证给水泵等设备的安全。保证给水泵的运行不越出其安全工作区。三、测量信号的校正测量信号自动校正的基本方法：先推导出被测参数随温度、压力变化的数学关系，然后利用各种功能模块进行运算，实现自动校正。（1）汽包水位校正（2）蒸汽流量校正（3）给水流量校正（1）汽包水位的校正：汽包水位的压力修正回路：参比端γa对水位测量的影响如果不对参比水柱进行温度补偿，或者只是简单地设定为一个温度补偿值，可能影响的水位差值为50－100mm。汽包压力在17~18MPa，参比水柱的平均温度每相差10℃，由此引起的水位差值约为10mm。对参比水柱的管道进行不正确的保温后，将改变原来确定的温度补偿关系，使得参比水柱的平均温度难以设定。因此，从水位补偿计算的要求，参比水柱的管道应该裸露在环境温度中，即从单室平衡容器以下至水侧取样孔高度的管道不得施加伴热或者保温。引到差压变送器的两根取样管则应平行敷设并共同保温，这是为了使两根取样管内的介质具有相同的温度和相同的重度，不会产生附加的差压误差。（2）蒸汽流量的测量与校正采用标准节流装置测量过热蒸汽流量上式与查水蒸气表相比，在3~15MPa，300~555℃范围内相差不超过1％。利用调节级压力测量主蒸汽流量根据弗留格尔公式，汽轮机调节级压力p1与主蒸汽流量之间存在近似线性关系。D≌K1K（t）p1K1由汽轮机制造厂根据机组在额定工况下的主蒸汽流量、调节级后压力、主蒸汽温度等参数计算得出，通常为一段折线。K(t)为主蒸汽温度修正函数，可由下式计算：t—实际主蒸汽温度t0—额定工况下主蒸汽温度K（t）也可以采用重度修正的方法，将K1P1视为额定主汽温度工况下的主蒸汽流量，根据额定主汽温度和主汽压力工况下的γB构造关于主汽温度变化后的重度修正折线补偿函数，重度与温度成反比关系，折线修正计算式：（3）给水流量的测量与修正实验表明，当给水