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1、第八章 汽包锅炉过热蒸汽温度自动控制系统,8.1 汽包锅炉过热蒸汽基本流程,以某300MW汽轮发电机组的汽包锅炉为例，其过热蒸汽流程图如下图所示：,过热蒸汽流程图,8.2 过热蒸汽温度自动控制的基本任务,汽包锅炉过热蒸汽温度自动控制的基本任务是维持过热器出口蒸汽温度在允许范围内，并且保护过热器，使管壁温度不超过允许的工作温度。 过热蒸汽温度过高，会造成过热器、蒸汽管道和汽轮机高压部分的金属损坏，因而过热汽温的上限一般不超过额定值5 ；过热蒸汽温度过低，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 。,8.3 过热汽温调节对象的动态特性,汽包锅炉过热汽温调
2、节对象的动态特性是指各种引起过热汽温变化的原因与过热汽温变化之间的动态关系。下面重点分析蒸汽流量D、烟气热量Qy和减温水量WB三种扰动下过热汽温 变化的动态特性：,（1）蒸汽流量D扰动下过热汽温的动态特性,在蒸汽流量D产生阶跃扰动下，过热汽温 变化的响应曲线如下图所示：,蒸汽流量扰动下过热汽温响应曲线,蒸汽流量D扰动下，过热汽温调节对象动态特性的特点是: 有滞后、有惯性、有自平衡能力。 当锅炉负荷增加时，通过对流式过热器的烟气温度和流速都增加，因此对流式过热器出口汽温升高；但对于辐射式过热器，炉膛内烟温升高增加的辐射传热量小于蒸汽流量增加所需的吸热量，因此辐射式过热器出口汽温下降。,（2）烟气
3、热量Qy扰动下过热汽温的动态特性,在烟气热量Qy产生阶跃扰动下，过热汽温 变化的响应曲线如下图所示：,烟气热量扰动下过热汽温响应曲线,烟气热量Qy扰动下，过热汽温调节对象动态特性的特点是: 有迟延、有惯性、有自平衡能力。 由于烟气热量变化时，沿过热器长度使烟气和过热蒸汽之间的传热量同时变化，因此过热汽温反应较快，其时间常数Tc和迟延时间均较小。,（3）减温水量WB扰动下过热汽温的动态特性,在减温水量WB产生阶跃扰动下，过热汽温 变化的响应曲线如下图所示：,减温水量扰动下过热汽温响应曲线,减温水量WB扰动下，过热汽温调节对象动态特性的特点是: 有迟延、有惯性、有自平衡能力。 由于现代大型锅炉过热
4、器管路很长，因此减温水量WB变化时过热汽温反应较慢，其时间常数Tc和迟延时间均较大。,8.4 串级过热汽温自动控制系统的分析整定,串级过热汽温自动控制系统以过热汽温2为被调量，根据喷水减温器出口温度1调节减温水量，其系统结构图如下：,串级过热汽温自动控制系统结构图,主调节器: 维持过热汽温2等于其给定值。,副调节器: 根据1和主调节器PI2输出信号的变化调节减温水量。,喷水减温器出口温度1可以快速反应对过热汽温的扰动，只要1变化，就可以通过副调节器PI1调节减温水量，维持1在一定范围以内，从而使过热汽温2基本不变，提高控制品质。,对应的汽包锅炉串级过热汽温自动控制系统的原理方框图如下图所示：,
5、串级过热汽温自动控制系统原理方框图,内回路：导前区传递函数W1(s)、温度变送器 、副调节器WT1(s) 执行器比例系数KZ、喷水调节阀比例系数K 。 主回路：惰性区传递函数W2(s)、温度变送器 、主调节器WT2(s) 内回路。,系统的组成：,（1）内回路的分析整定,内回路原理方框图,对于内回路可以看作由被控对象和广义调节器组成的单回路控制系统进行整定，广义调节器的传递函数为：,因此广义调节器是一个比例作用调节器，其等效比例带为：,通过减温水量WB的阶跃扰动试验，可以得到导前区汽温1的阶跃响应曲线如下图所示：,根据以上阶跃响应曲线，由单回路控制系统的整定方法，可以得到比例调节器等效比例带 的
6、计算公式：(P175表6-6),因此副调节器WT1(s)的比例带为：,（2）主回路的分析整定,主回路原理方框图,如果主调节器为PID调节器，其传递函数为：,则主回路广义调节器的等效比例带为：,忽略导前区的惯性和迟延，则简化后导前区传递函数为：,此时主回路原理方框图可以简化为：,上图中对应的主回路广义调节器的传递函数为：,此时主回路广义调节器中各参数可以通过试验得到的等效被控对象W0(s)的输出端过热汽温2在减温水量WB扰动下的阶跃响应曲线，按单回路控制系统整定方法进行计算：(P175表6-6),因此主调节器WT2(s)的各参数为：,8.5 串级控制系统的特点,从总体上看，串级控制系统仍然是一个
7、定值控制系统，主参数在干扰作用下的控制过程与单回路控制系统的过程具有相同的指标和形式，但与单回路控制系统比较，串级控制系统具有以下特点：,1、串级系统具有很强的克服内扰的能力：,我们可以把串级控制系统用方框图表示成一般的形式，如图所示。,WT1(S),WT2(S),WZ(S),Wf(S),WD2(S),WD1(S),Wm1(S),Wm2(S),-,-,X1,X2,Z2,Y2,Y1,图 串级控制系统原理方框图,图中Z2是进入副环的扰动，从副回路看，传递函数为：,这里要注意的是扰动Z2 除了能直接影响副参数以外，又通过WD1影响主参数。,(8-1),输出对于扰动Z2的传递函数：,输出对输入x1的传
8、递函数：,(8-2),(8-3),对于一个定值系统，扰动造成的影响应该越小越好，而定值部分应尽量保持恒定，因此，式8-2越接近于0，式8-3越接近于1（令Wm1 1），则控制系统性能越好。也即 用以表征克服干扰能力的式子： 的值越大越好。,现有 即为两个调节器的乘积 。如果,则：,若采用单回路控制系统则其表征克服干扰能力的式子 ：,一般有：,所以可得出如下结论：系统的开环放大倍数越大，稳态误差越小，克服干扰的能力也就越强，副调节器的放大倍数整定的越大，这个优点越显著。,2、串级控制系统可以减小副回路的时间常数，改善对象动态特性，提高系统的工作频率。,设对象是惯性环节，其它均为比例环节， 即：,
9、（8-4）,由图5-3得：,（8-5）,则有：,令：,则：,WT1(S),WT2(S),WZ(S),Wf(S),WD2(S),WD1(S),Wm1(S),-,X1,Z2,Y2,由此看出，Tb2T2，也即内回路闭环传递函数的时间常数小于不加控制前的传递函数中的时间常数。从而改善了动态特性。原因在于原来的被控对象是WD2与WD1串联，加上副调节器后变成Wb2与Wd1串联，总的惯性时间减小了。,由于系统的时间常数变小了，它的工作频率将有所提高，证明如下：,Y2,图5-4 串级控制系统简化方框图,从图5-4简化的方框图可得系统特征方程式：,(8-6),将式8-1代入式8-6并化简得：,将式8-4代入上
10、式并化简得：,(8-7),化成二阶系统的标准形式： ，由式8-7可得：,则：,利用同样的方法可以求得单回路控制系统的工作频率 ：,假定串级控制和单回路控制以同样的衰减率工作，即令：,显然：,由此可见，串级控制系统由于改善了对象的特征，从而使整个系统的工作频率比单回路系统的工作频率有所提高，且副控制器的放大倍数KT 2 越大，工作频率越高。,（8-8）,这一特点还说明即使在外扰作用下，由于副回路减小了对象的时间常数，使整个系统的工作频率得以提高，因此仍能改善整个系统过度过程的品质。,3、串级控制系统具有一定的自适应能力：,串级控制系统主回路是一个定值系统，其副回路是一个随动系统，它的定值是主调节
11、器的输出，是一个变化量，主调节器按照被控对象的特性和扰动变化的情况，不断地纠正着副调节器的给定值，副调节器使系统时间常数缩短，能很快克服扰动，改善动态特性，这就是一种自适应能力，而采用单回路控制系统就没有这种随动控制系统的作用。这种自适应能力可以从系统的稳态偏差上看出来。,图5为一个串级控制系统，主、副调节器若都用P 调节，由控制理论，系统输出量的稳态偏差计算如下：,KT2,WD2(S),WD1(S),KT1,Y2,Y1,Z2,X1,-,-,图5 串级控制的特殊形式,把副回路看成是一个动态环节，这个环节的输出为：,令,则有：,假定Z2 是一个单位阶跃扰动，系统输出量的稳态值大小就能体现出稳差偏
12、差的大小。为便于计算，设 均是比例增益为1的惯性环节，有：,代入各环节的值，最后结果为：,若采用单回路控制，在同样条件下采用同样的方法，可以得到它的稳态输出为：,因此，y1() y1()，也就是说，串级系统的稳态偏差比单回路系统的稳态偏差要小得多，其原因在于前者具有一定的自适应能力。,8.6 串级过热汽温自动控制系统的试验整定,试验整定方法不需要测试被控对象的阶跃响应曲线，将控制系统投入闭环后，用临界比例带法便可确定调节器的各参数，主要步骤如下：,（1）副调节器参数的整定,将主回路断开,内回路投入闭环，主调节器的参数分别设置为 2100，Ti，Td0，副调节器比例带1取一较大值。 改变副调节器
13、的比例带1 ，使内回路产生等幅振荡, 记下此时 的比例带 。 副调节器的比例带 。,（2）主调节器参数的整定,副调节器的比例带1设置于整定值 。 主调节器的参数分别设置为2100，Ti，Td0 。 将主回路与内回路同时投入闭环，逐渐减小主调节器的比例带 2 ，使主回路产生等幅振荡, 记下此时的比例带 和调节过程 的周期Ts 。,根据以下公式计算主调节器的各参数值： 调整好主、副调节器参数，将控制系统投入运行，观察调节过 程，适当修正调节器的整定参数 。,8.7 采用导前汽温微分信号的过热汽温自动控制系统,采用导前汽温微分信号的过热汽温自动控制系统的原理方框图如下图所示：,内回路：导前区传递函数
14、W1(s)、温度变送器 、微分器WD(s) 执行器比例系数KZ、喷水调节阀比例系数K 。 主回路：惰性区传递函数W2(s)、温度变送器 、调节器WT(s) 内回路。,系统的组成：,系统的特点：,（1）加入微分信号，改善了被控对象的动态特性,在过热汽温自动控制系统中加入汽温微分信号后，仍可以视为单回路控制系统进行分析，但会改变过热汽温被控对象的动态特性，其原理方框图如下图所示：,根据上图，等效被控对象的传递函数为：,此时调节器WT(s) 的参数可以根据等效被控对象的动态特性W等(s)按单回路控制系统整定，微分器WD(s)参数的整定在于形成一个动态特性较好的等效被控对象。,（2）采用导前微分信号相
15、当于串级调节系统的变形,采用导前微分信号的过热汽温自动控制系统转换为串级调节系统后等效方框图如下图所示：,在采用导前汽温微分信号的过热汽温自动控制系统中，微分器和调节器的传递函数一般取如下形式：,等效副调节器的传递函数：,一般TD远大于Ti (TDs1) ，因此等效副调节器可以近似简化为比例积分调节器：,等效主调节器的传递函数：,因此等效主调节器也近似为比例积分调节器。,8.8 导前微分过热汽温自动控制系统的参数整定,（一）按补偿法进行整定,根据以上分析，采用导前汽温微分信号的过热汽温自动控制系统可以按以下两种方法进行整定。,补偿法整定的原则为：整定微分器WD(s)的参数以形成一个等效对象，使其在动态时近似为导前区的动态特性，在静态时近似为主汽温的动态特性。调节器WT(s)的参数则按等效对象的特性采用单回路控制系统的整定方法进行整定。,等效对象的阶跃响应曲线如左图所示，其传递函数为：,式中：1导前区自平衡系数； 0调节对象自平衡数。,根据上式微分器WD(s)应为：,根据左图中在减温水量扰动下调节对象及其导前区对象的阶跃响应曲线，可得它们的传递函数分别为：,（121）,调节对象：,导 前 区：,调节对象惰性区的传递函数可以根据以上两个传递函数得出：,惰 性 区：,式中：2对象惰性
