1、. 課程設計報告(20152016年度第 二 學期)名 稱： 過程控制課程設計 題 目： 電廠鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng) 院 系： 控制與計算機工程學院 班 級： 姓 名： 學 號： 指導老師： 張建華老師 設計周數(shù)： 1 周 日期：2016年6月24日設計正文：1 控制系統(tǒng)的基本任務和要求過熱蒸汽溫度控制的任務是維持過熱器出口溫度在允許的范圍之內，并保護過熱器，使其管壁溫度不超過允許的工作溫度。過熱蒸汽溫度是鍋爐汽水系統(tǒng)中的溫度最高點，蒸汽溫度過高會使過熱器管壁金屬強度下降，以致燒壞過熱器的高溫段，嚴重影響安全。一般規(guī)定過熱蒸汽的溫度上限不能高于其額定值+5。如果過熱蒸汽溫度偏低，則會降低電廠

2、的工作效率，據(jù)估計，汽溫每降低5，熱經濟性將下降約1%；且汽溫偏低會使汽輪機尾部蒸汽濕度升高，甚至使之帶水，嚴重影響汽輪機的安全運行。所以，過熱蒸汽溫度過高或過低都是生產過程所不允許的。 以600MW機組國產直流鍋爐為例，其過熱蒸汽溫度額定值為541（主汽壓力為17.3MPa），在負荷為額定值的60%100%范圍內變化時，過熱蒸汽溫度不超過額定值的-10+5,長期偏差不允許超過±5。為了防止過快的蒸汽溫度變化速率造成某些高溫工作不部件產生較大的熱應力，還對溫度變化速率進行限制，一般限制在3/min內。本次課程設計以600MW超臨界直流鍋爐主汽溫控制系統(tǒng)為例：某電廠600MW

3、 汽包鍋爐過熱蒸汽溫度是通過噴水減溫來實現(xiàn)對溫度的自動調節(jié)。已知該系統(tǒng)減溫水流量W和過熱蒸汽流量D可通過加裝流量計進行檢測，電動調節(jié)閥的開度可根據(jù)控制器輸出值自動調整。其動態(tài)特性如下：設計相應的自動控制系統(tǒng)保證過熱蒸汽溫度為給定值，即該系統(tǒng)既能消除來自減溫水及燃燒側等內擾的影響，又能完全消除來自過熱蒸汽流量D變化等外部擾動對過熱蒸汽溫度的影響。2 被控對象動態(tài)特性分析（1)、影響過熱蒸汽溫度的因素：蒸汽流量（負荷）擾動；煙氣熱量擾動（燃燒器運行方式、燃料量變化、風量變化等）；減溫水流量擾動。（2）、過熱氣溫控制對象的動態(tài)特性分析蒸汽流量（負荷）擾動下的動態(tài)特性汽機負荷變化會引起蒸汽量的變化，蒸

4、汽量的變化將改變蒸汽和煙氣的傳熱條件，導致氣溫的變化。如圖1，在t=0s時刻產生的蒸汽流量擾動在D下的過熱蒸汽的響應曲線，由分析可得由于管道中沿長度方向上的點溫度幾乎同時變化，所以溫度響應有自平衡特性，而且關心很延遲都比較小。圖1 蒸汽流量（負荷）擾動下的動態(tài)特性曲線煙氣熱量擾動（燃燒器運行方式、燃料量變化、風量變化）下的動態(tài)特性燃料量增減，燃料種類的變化，送風量，引風量的改變都將引起煙氣流速和煙氣溫度的變化，從而改變了傳熱情況，導致過熱器出口溫度的變化。由于煙氣傳熱量的改變時沿著整個過熱器長度方向上同時發(fā)生的，因此氣溫變化的延遲很小，一般在10-20s之間，同時體現(xiàn)出自平衡特性。煙氣側擾動的

5、氣溫響應曲線如下圖2。圖2 煙氣側擾動的氣溫響應曲線減溫水流量擾動下的動態(tài)特性應用噴水來控制蒸汽溫度是目前采用最廣泛的一種方式，對于這種方式，噴水量振動就是基本振動。過熱器是具有分布參數(shù)的多容對象，可以把管內的蒸汽和金屬管壁看作成無窮多個單容對象串聯(lián)組成的多容對象，當噴水量發(fā)生變化后，需要通過這些串聯(lián)單容對象，最終影響出口蒸汽溫度的變化。因此，會有很大的延遲，減溫器離過熱器出口越遠，延遲越大，其響應曲線如下圖3。噴水量振動響應曲線具有慣性，有延遲，有自平衡性，其延遲與管道長度成正比，一般鍋爐延遲在30-60s。圖3 減溫水流量擾動下的氣溫響應曲線3 選擇控制系統(tǒng)控制結構，畫控制原理圖（1）、系

6、統(tǒng)控制結構的選擇通過對過熱蒸汽汽溫動態(tài)特性的分析可知，該被控對象慣性比較大，且過熱器慣性比較大。目前普遍采用的控制方案有：采用導前汽溫微分信號的雙回路控制系統(tǒng)、過熱汽溫串級控制系統(tǒng)、采用相位補償?shù)钠麥乜刂葡到y(tǒng)、過熱汽溫分段控制系統(tǒng)等。通過對這些控制方案的比較發(fā)現(xiàn)，采用導前汽溫微分信號控制系統(tǒng)的控制效果不如串級控制系統(tǒng)好，尤其當控制對象惰性區(qū)的慣性比較大時更為明顯。因此，本次課程設計采用串級控制。（2）、過熱氣溫串級控制系統(tǒng)原理圖圖4 串級控制結構方框圖4 選擇測點和調節(jié)機構，畫控制系統(tǒng)工藝流程圖針對過熱氣溫調節(jié)對象調節(jié)通道慣性遲延大、被調量出口氣溫反饋慢的特點, 從對象的調節(jié)通道中找出一個比被

7、調量反應快的中間點信號( 噴水減溫器出口氣溫) 作為調節(jié)器的補充反饋信號, 以改善對象調節(jié)通道的動態(tài)特性, 提高調節(jié)質量。構成的串級過熱氣溫調節(jié)的工藝流程見圖5。 圖5 串級過熱汽溫調節(jié)系統(tǒng)工藝流程圖系統(tǒng)中有主副兩個調節(jié)器, 主調節(jié)器接受被調量出口氣溫1及其給定值信號, 主調的輸出I給與噴水減溫器出口氣溫1 共同作為副調節(jié)器輸入, 副調節(jié)器輸出IT 控制執(zhí)行機構位移, 從而控制減溫水調節(jié)閥門的開度。假如有噴水量WB 的自發(fā)性上升造成內擾, 如果不及時加以調節(jié),出口氣溫將會下降。但因為噴水內擾引起的1下降快于的下降, 溫度測量變送器輸出1降低, 副調節(jié)器輸出IT 降低, 通過執(zhí)行器使噴水閥開度下

8、降, 則WB 降低, 使擾動引起的1波動很快消除, 從而使主氣溫基本不受影響。另外副調還受到主調輸出的影響, 假如負荷或煙氣擾動引起主氣溫提高, 測量變送器輸出I增加, I對主調是反作用, 主調輸出I 給降低, I給對副調也是反作用, 使副調輸出IT 增加, 通過執(zhí)行器使噴水閥開度提高, 則WB 提高, 從而穩(wěn)定主氣溫。從圖5中可看到, 串級系統(tǒng)和單級系統(tǒng)有一個顯著的區(qū)別, 即在結構上形成了兩個閉環(huán)。一個閉環(huán)在里面, 被稱為內回路或副回路, 包括副對象( 其輸入為調節(jié)量WB, 輸出為1) 、副參數(shù)1測量變送器、副調節(jié)器、執(zhí)行器、噴水閥。內回路任務是盡快消除減溫水量的自發(fā)性擾動和其他進入內回路的

9、各種擾動( 噴水減溫器入口蒸汽溫度、流量變化) , 在調節(jié)過程中起著粗調的作用; 副調一般采用P 或PD 調節(jié)器。一個閉環(huán)在外面, 被稱為外回路或主回路, 包括主對象( 即過熱器, 其輸入為1, 輸出為) 、主參數(shù)測量變送器、主調節(jié)器、副回路, 外回路的任務是保持過熱器出口氣溫等于給定值, 起細調作用, 主調一般采用PI 或PID 調節(jié)器。5 選擇控制儀表，畫SAMA圖(標出調節(jié)器作用方向)圖6 控制系統(tǒng)的SAMA圖圖7 控制系統(tǒng)邏輯圖為開關量輸出，在操作器上則操作器的“程控手動”輸入為一差值報警，當被調量與給定值之差超過某一設定的限值（上下限）時，給出報警信號也是一個差值報警，當調節(jié)器輸出與

10、閥位反饋值（執(zhí)行器輸出）之差過大時，發(fā)出報警信號為開關量輸出，在操作器上則是操作器的“程控自動”輸入為一個開關量，它表示操作器“自動/手動”狀態(tài)，當它為“0”時，表示操作器處于手動狀態(tài)，調節(jié)器為跟蹤狀態(tài)，輸出到執(zhí)行器的信號由操作器控制。當它為“1”時，表示操作器處于自動狀態(tài)。是一個外跟蹤開關。當這個開關量狀態(tài)為“1”時，PID為跟蹤狀態(tài)，輸出等于外跟蹤信號（閥位反饋），而其狀態(tài)為“0”時，PID恢復正常運算，輸出就是運算得到值。6 仿真實驗與整定（1）、系統(tǒng)仿真針對上述的被控對象，采用常規(guī)PID串級控制。在串級主汽溫控制系統(tǒng)中，副回路應盡快地消除擾動對主汽溫的影響，對主汽溫起粗調的作用，因此副

11、控制器采用的是P控制器；主控制器的作用是的主汽溫起細調作用，因此采用的是PID控制器（2）、仿真圖的建立圖8 仿真結構圖（3）、內回路參數(shù)整定斷開主環(huán)，按單回路整定方法整定，采用衰減曲線法進行整定。建立如下圖所示的仿真圖。圖9 內回路的整定仿真圖整定步驟：a斷開主回路，用衰減曲線法，整定內回路。副調節(jié)器，純P作用。b反復調整比例帶，做副回路定值階躍擾動實驗，直到衰減率0.750.9，記錄曲線。調整控制參數(shù)：當P=-8.4815時得到控制輸出曲線圖10 內回路整定輸出曲線由圖可見：第一個峰值：y1=1.4 第二個峰值：y2=1.05 穩(wěn)態(tài)值：y=0.947那么可得=y1-y2y1-y×

12、100%=0.77；此處副回路選擇P控制（4）外回路參數(shù)整定：把上面整定好的副環(huán)作為主環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，進行整定。建立如下所示的仿真圖：圖11 外回路衰減曲線法整定仿真圖整定步驟：a 閉合主回路，整定外回路。b 反復調整主調節(jié)器比例帶和積分時間I，直到衰減率0.76記錄曲線。調整控制參數(shù)：當P=0.5529，I=0.00149，D=30.5906時得到控制輸出曲線圖12 外回路整定輸出曲線由圖可見：第一個峰值：y1=1.17 第二個峰值：y2=1.04 穩(wěn)態(tài)值：y=1那么可得=y1-y2y1-y×100%=0.76；由上圖可以看出，外環(huán)的控制輸出曲線在沒有外繞和內擾的情況下，輸出曲線超

13、調量較小，調節(jié)時間小，曲線光滑，控制效果良好。（5）、存在外擾時搭建如下圖所示的仿真圖：圖13 主汽溫控制抗外擾測試仿真圖得到控制輸出曲線：圖14 主汽溫在外擾存在時控制輸出曲線由圖可見，該控制系統(tǒng)的抗外擾能力并不強，擾動發(fā)生時，超調量過大，這是在實際運行中不允許發(fā)生的。（6）、改進方案：由前面的抗擾動測試中可以看出，控制系統(tǒng)抗外擾能力較弱，響應曲線的超調量過大，針對這一問題，可以引入前饋控制。完全補償條件為Gffs=- Gd(s)Kz(s)由于補償器不能是超前環(huán)節(jié)，所以針對本系統(tǒng)設計的補償器表達式為： Gffs=-2.6(58s+1)3(45s+1)3因采用此前饋補償器時，可完全消除外擾，導

14、致仿真效果對比不明顯，因此在實際仿真中采用的補償表達式為 Gffs=-2.5(58s+1)3(45s+1)3前饋控制仿真圖如下圖15 控制系統(tǒng)前饋控制的仿真圖得到系統(tǒng)的抗外擾輸出曲線：圖16 引入前饋時控制系統(tǒng)抗外擾測試輸出曲線由圖可以看出，在外擾情況下，系統(tǒng)的抗干擾能力明顯增強，超調量大大減小，控制品質較高，符合了實際電廠主汽溫控制的要求。所以該串級控制回路在引入了前饋時能夠有效的克服外擾對控制系統(tǒng)的影響，使控制品質得到保證，該串級控制設計合理。7、課程設計總結本次課程設計過程中主要完成了被控對象分析，根據(jù)對被控對象進行的分析，確定系統(tǒng)自動控制結構，給出控制系統(tǒng)原理圖；同時，根據(jù)確定控制設備和測量取樣點和調節(jié)機構，繪制出了控制系統(tǒng)工藝流程圖，完成控制系統(tǒng)SAMA圖；最后還對所設計的系統(tǒng)進行仿真試驗并進行系統(tǒng)整定并進行了分析。我認為本次課程設計的難點在于對所設計的系統(tǒng)進行仿真試驗并進行系統(tǒng)整定并進行分析。因為在整定過程中電路結構的搭建比較容易出錯，而且尋找合適的PID參數(shù)需要足夠的耐心，但通過不斷的實踐我從中學習到了很多好的方法，這也是我的收獲之一。通過本次課程設計我對課本理論知識有了較為深刻的理解，實際動手能力得到了提升，對過程控制系統(tǒng)的設計有了初步的理解，大致掌握了過程控制系統(tǒng)的設計步驟，對今后的深入學習打下了基礎。同時，