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1、摘 要600MW单元机组过热汽温控制通常采用分段控制系统，由二段相对独立的串级控制构成，串级控制系统对改善控制过程品质极为有效。过热汽温的控制系统对于电厂的安全经济运行都非常重要，整个系统是维持过热器出口蒸汽温度保持在允许的范围内，并且保护过热器是管壁温度不超过允许的工作温度。在电厂整个控制系统中，影响过热汽温的因素很多，主要有蒸汽流量扰动、烟汽流量扰动、减温水量扰动三方面。而喷水减温对过热器的安全运行比较有利是目前广泛采用的方法。在串级控制系统中副调节器所在的内回路能快速消除减温水量的自发性扰动和其他进入内回路的各种扰动，而主调节器所在的外回路保持过热汽温等于给定值。并且系统实现了自动跟踪和
2、无扰切换，保证机组安全经济的运行。对于过热蒸汽的采集实现了二冗余，提高了系统的可靠性。整个过热汽温控制系统是用N90实现的，且系统切换和逻辑报警线路全面，具有较高的可靠性。关键词 电力系统，过热汽温，串级控制AbstractIn this paper, The 600 MW unit machine set leads the hot air the control usually adopts a control system, constituting from two opposite and independent string classes control, string clas
3、s control the system controls the process quality to the improvement extremely effective .Lead the control system of the hot air for the power station of safe economy circulate all count for much, the whole system is to maintained the hot machine to export the steam temperature to keep within the sc
4、ope of allow of, and protected the hot machine is a work temperature that takes care of the wall temperature not to exceed to allow.In the whole control system of power station, affected the factor of the hot air a lot of, mainly have the steam discharge to move, the smoke current of air quantity mo
5、ve, reduces the water to move three aspects .But spray the water to reduce to lead the safe movement of the hot machine more beneficial is an extensive adoptive method currently.In string class control system vice- modulator place of inside the back track can remove the self-moving sex of reduce to
6、move quickly and other enter inside the back track of various move, but the outside back track of the main modulator place kept the hot air to be equal to plant certainly .And the system carried out to follow automatically and have no the cut over, guarantee the machine set safety economy of movemen
7、t .For led the hot steam to collect to carry out two redundancies, raise dependable sex of the system.Whole lead what the hot air control system is to use the N-90 to carry out, and the system cut over to report to the police the circuit with logic completely, have the higher and dependable.Key Word
8、s electric power system, serial control , superheated steam temperature目 录摘 要IAbstractII目 录III1 引 言12 DCS控制系统简介22.1分散控制系统的产生22.2分散控制系统结构32.2.1网络通信子系统32.2.2过程控制子系统32.2.3人机接口子系统（HMI）42.3分散控制系统(DCS)的特点53 过热汽温控制系统概述73.1过热蒸汽温度控制的意义和任务73.2被控对象动态特性分析73.2.1锅炉负荷扰动下过热汽温的阶跃响应曲线83.2.2烟汽热量扰动下过热汽温的阶跃响应曲线83.2.3减温水
9、量扰动下过热汽温的阶跃响应曲线93.2.4减温水量扰动与负荷扰动或烟汽量扰动的比较93.2.5改善减温水量扰动下动态特性的方法103.3常规过热汽温传统控制策略103.4串级汽温调节系统103.4.1过热汽温串级调节系统的组成103.4.2串级系统的结构和工作原理113.4.3主汽温串级控制系统原理123.4.4串级汽温调节系统的分析124 过热汽温的整定144.1串级控制系统方框图144.2过热汽温的参数整定155 SAMA图分析175.1控制系统SAMA图绘制175.2控制系统SAMA图分析185.3控制系统图绘制225.4控制系统SAMA图分析236 MATLAB仿真技术276.1 MA
10、TLAB仿真技术的发展与应用276.2 MATLAB仿真技术的特点276.3 MATLAB系统组成286.4 MATLAB仿真29结 论31致 谢32参考文献33附 录1.134附 录1.2351 引 言火力发电厂在我国电力工业中占有主要地位，是我国的许多重点能源之一。目前大型火力发电机组不论是在国内还是国外发展都很快，我国现以600MW机组为骨干机组，并正在研究和发展600MW以上的超临界压力的大型机组。目前，国内外都已建成单机容量达到1000MW以上的大型单元机组。由锅炉、汽轮发电机和辅助设备组成的单元发电机组庞大的设备群。并且工业流程复杂，设备众多，管道纵横交错，有很多的参数需要控制和操
11、作等。而且电能的产生还要求具有很高的稳定性和经济性，因此，自动化的水平在超临界的机组中就受到了特别的重视。目前，国内外均以采用了集散型控制系统（TDCS），用以组成一个相对较完整的监视、保护、控制、操作及计算等多功能自动化系统。近代锅炉对过热汽温的控制是十分严格的，允许变化范围一般为额定汽温5。汽温过高或过低，以及大幅度的波动严重影响锅炉、汽轮机的安全和经济性。蒸汽温度过高，若超过了设备部件的允许工作温度，将使钢材加速腐变，从而降低设备使用寿命。严重的超温甚至会使管子过热而爆破。过热器一般由若干级组成，各级管子常使用不同的材料，分别对应一定的最高允许温度。因此为保证金属安全，还应对各级受热面出
12、口的汽温加以限制。此外，还应考虑两侧汽温的偏差及垂直过热器管的热偏差，以避免汽轮机汽缸两侧的受热不均和局部管子的超温爆漏。蒸汽温度如果过低，将会很大程度上降低热力设备的经济性与效益性。对于那些超临界机组的大机组，过热汽温如果降低10，发电的用煤就会增加大约1.0标煤（kwh）。如果过热汽温过低，就有可能使汽轮机后几级的蒸汽湿度增加，对汽轮机叶片的侵蚀作用就会加剧，严重时甚至将会发生水冲击，严重威胁着汽轮机安全运行。因此汽轮机在运行过程中，如果过热汽温低到一定数值的时候，汽轮机就要进行减负荷运行，必要时甚至要紧急停机。汽温突然升高或者突然降低都会使锅炉的各个受热面的焊口与连接的部分产生非常大的热
13、应力。还将会增加转子和汽轮机汽缸间的相对位移，即胀差增加。严重时甚至可能发生隔板与叶轮之间产生动静间的间隙摩擦，汽轮机剧烈震荡等。为了维持及高又稳定的汽温，引入了过热汽温控制系统。2 DCS控制系统简介2.1分散控制系统的产生分散控制系统（Distributed Control System）是以微处理器为基础，全面融合计算机技术、测量控制技术、网络数字通信技术、显示与人机界面技术而成的现代控制系统。其主要特征在于分散控制和集中管理，即对生产过程进行集中监视、操作和管理，而控制则由不同的计算机控制装置去完成。因此也有人将DCS称之为集散控制系统。分散控制系统已经在工业生产过程控制中迅速普及，广
14、泛用于电力、石化、冶金、建材、制药等行业，成为过程控制系统的核心。分散控制系统的应用大幅度地提高了生产过程的安全性、经济性、稳定性和可靠性。分散控制系统是生产过程监视、控制技术发展和计算机与网络技术应用的产物，但它更是在过程工业发展对新型控制系统的强烈需要下产生的。过程工业的生产组织形式大致经历了分散到集中的两个阶段。早期的控制系统大部分都采用的是分散控制的方式。控制装置一般都被安装在被控对象的附近，并且每个控制都有一个独立的控制器。这些控制装置的目的就是能够就地测量出过程变量的数值，并与给定值相比较而得到偏差数值，并且按照一定的控制规律产生作用，并且会通过执行机构来控制生产的过程，运行人员会
15、在全厂的各个角落，各自管理着自己所负责的那一单元生产过程。这种工分散控制方式适用于那些生产规模不太大、工艺过程不太复杂的企业。我国在单元制机组出现以前，母管制火电机组的运行控制方式就是这种分散控制方式的典型代表。现在，在大型单元机组中那些比较简单的过程控制领域仍然使用它们，如轴封压力、燃油压力、高低压加热器水位、输水箱水位的控制就常常采用这种类型的基地式调节器。1975年Honeywell公司将计算机技术（Computer）、控制技术(Control)、通信技术（Computer）、和显示技术（CRT）相结合，创造性地推出了TDC-2000分散控制系统。TDC-2000的推出，为其他的制造厂商
16、指明了方向。第四代DCS的主要标志是两个“I”开头的单词：Information(信息)和Integration(集成)。信息化体现在各DCS系统已经不是一个以控制系统功能为主的控制系统，其实他是一个能够充分发挥信息管理功能的复杂平台系统监控。DCS提供了从工厂到企业集团、从车间到工厂、从设备到车间、从现场到设备这个信息通道。这些信息体现了准确性、全面性、系统性和实时性。DCS的过程控制性体现在两个方面：功能的控制和产品的集成。以前的DCS商家基本上是以自力更生、自主研发为主，提供的过程控制和研究的成果都是独一无二的。现代的DCS中不但保留传统DCS所可以实现的过程控制系统之外，而且还集成了P
17、LC（可编程序逻辑控制器）、各种多回路调节器、FCS、各种智能采集或控制单元、RTU（采集发送器）等。此外，各DCS厂商不再把开发组态软件或制造各种硬件单元视为核心技术，而是纷纷把DCS的各个组成部分采用第三方集成方式或OEM方式。例如，多数DCS厂商自己不再开发组态软件平台，或其他公司提供的软件平台，而转入采用兄弟公司（如Foxboro用Wonderware软件为基础）的通用组态软件平台，或其他公司提供的软件平台（Emerson用Intellution的软件平台做基础）。此外，许多DCS厂家甚至I/O组件也采用OME方式（Foxboro采用Eurothem的I/O模块、横河的R3采用富士电机
18、的Processio作为I/O单元基础、Honeywell公司的PKS系统则采用罗克韦尔公司的PLC作为现场控制站。目前，以上海新华、和利时、浙大中控为代表的国内DCS厂家经过10年的努力，各自推出自己的DCS系统：新华推出XDPF-400系统、和利时推出MACS-Smartpro第四代DCS系统、浙大中控Webfield(ECS)系统。2.2分散控制系统结构分散控制系统是纵向分层、横向分散的大型综合控制系统。它以多层计算机网络为依托，将分散在全厂范围内的各种控制、管理及决策功能。一个分散控制系统中所有设备按功能可划分为网络通信子系统、过程控制子系统和人机接口子系统。2.2.1网络通信子系统分
19、散控制系统的纵向分层结构将系统分成四个不同的层次，自下而上分别是：现场级、控制级、监控级和管理级。对应着这四层结构，分别由四层计算机网络即现场网络Fnet(Field Network)、控制网络Cnet（Control Network）、监控网络Snet(Supervision Network)和管理网络Ment(Management Network)把相应的设备连接在一起。现场网络Fnet（Field Network）由类现场总线及远程I/O总线构成，位于被控生产过程附近用于连接远程I/O或现场总线仪表。控制网络Cent(Control Network)由位于控制柜内部的柜内低速总线（Cen
20、t-L）和位于控制柜与人机接口间的高速总线（Cnet-H）构成用于传递实时过程数据。监控网络Snet(Supervision Network)位于监控层，用于连接监控层工程师站、操作员站、历史记录站等人机接口站，传递以历史数据为主的过程监控数据。管理网络Mnet(Management Network)位于管理层，用于连接各类管理计算机。2.2.2过程控制子系统过程控制子系统是DCS系统中负责现场过程数据采集和过程控制的系统，由现场设备与过程控制站组成。1.现场设备现场设备一般位于被控生产过程的附近。典型的现场设备是各类传感器、变送器和执行器，它们将生产过程中的各种物理量转换成为电信号，送往过程
21、控制站，或者将控制站输出的控制量转换机械位移，带动调节机构，实现对生产过程的控制。目前现场设备的传递有三种方式：一种是传统的420mA（或者其他类型的模拟量信号）模拟量传输方式；另一种上现场总线的全数字量传输方式；还有一种是在420mA模拟量信号上，叠加上调制后的数字量信号的混合传输方式。现场信息以现场总线（Fnet）为基础的全数字传输是今后的发展方向。按照传统观点，现场设备不属于分散控制系统的范畴，但随着现场总线技术的飞速发展，网络技术已经延伸到现场，微处理机已经进入变送器和执行器，现场信息已经成为整个系统信息中不可缺少的一部分。因此，我们将其并入分散控制系统体系结构中。2.过程控制站过程控
22、制站接收有现场设备，如传感器、变送器、来的信号，按照一定的控制策略计算机出所需要的控制量，并送回到现场的执行器中去。过程控制站可以同时完成模拟量连续控制、开关量顺序控制功能，也可能仅完成其中的一种控制功能。如果过程控制站仅接收由现场总线设备送来的信号，而不直接完成控制功能，则称其为数据采集站。数据采集站接收由现场设备送来的信号，对其进行一些必要的转换和处理之后送到分散型控制系统中的其他部分，主要是监控级设备中去，通过监控级设备传输给运行人员。 一般在电厂中，把过程控制站集中安装在位于主控室后的电子设备间中。许多新建电厂为降低工程造价，在将过程控制站有限分散布置的同时（即将过程控制站分别布置在靠
23、近锅炉房和汽机房的电子设备间中），大量采用远程I/O并逐步采用现场总线仪表。2.2.3人机接口子系统（HMI）DCS人机接口子系统主要由监控级和管理级和管理级设备组成，是DCS系统信息展示和人机交互的平台。1.监控级监控级的主要设备有操作员站、工程师站、计算站。其中操作员站安装在中央控制室，工程师站、历史记录站和计算站一般安装在电子设备间。操作员站是运行人员与分散控制系统相互交换信息的人机接口设备。运行人员通过操作员站来监视和控制整个生产过程。运行人员可以在操作员站上观察生产过程的运行情况，读出每一个过程变量的数值和状态，判断每个控制回路是否工作正常，并且可以随时进行手动/自动控制方式的切换，
24、修改给定值、调整控制量、操作现场设备，以实现对生产过程的干预。另外还可以打印各种报表，拷贝屏幕上的画面和曲线等。为了实现以上功能，操作员站是由一台具有较强图形处理功能的微型机，以及相应的外部设备组成，一般配有CRT显示器、大屏幕显示装置（选件）、打印机、拷贝机、键盘、鼠标或球标。工程师站是为了便于控制工程师对分散控制系统进行配置、组态、调试、维护等工作所设置的工作站。工程师站的另一个作用是对各种设计文件进行归类和管理，形成各种设计文件，例如，各种图纸、表格等。工程师站一般由高性能工作站配置一定数量的外部设备所组成，例如打印机、绘图机等。历史工作站、计算站的主要任务是实现对生产过程的重要参数进行
25、连续记录、监督和控制，例如，机组优化和性能计算、先进控制策略的实现等。由于计算站的主要功能是完成复杂的数据处理和运算功能，因此，对它的要求主要功能是完成复杂的数据处理和运算功能，因此对它的要求主要是运算能力和运算速度。机组运行优化也可以由一套独立的控制计算机和优化软件构成，只是在机组控制网络上设一接口，利用优化软件的计算结果去改变控制系统的给定值或偏置。2.管理级管理级包含的内容比较广泛，一般来说，它可能是一个发电厂的厂级管理计算机，可能是若干机组的管理计算机。它所面向的使用者是厂长、经理、总工程师、值长等行政管理或运行管理人员。厂级管理系统的主要任务是监测企业各部分运行情况，利用历史数据和实
26、时数据预测可能发生的各种情况，从企业全局利益出发辅助企业管理人员进行情况，利用历史数据和实时数据预测可能发生的各种情况，从企业全局利益出发辅助企业管理人员进行决策，帮助企业实现其规划目标。管理级属于厂级的，也可分成实时监控（SIS）和日常管理（MIS）两部分。实时监控是全厂各机组和公用辅助工艺系统的运行管理层，承担全厂性能监视、运行优化、全厂负荷分配和日常运行管理等任务，主要为值长服务。日常管理承担全厂的管理决策、计划管理、行政管理等任务，主要是为了厂长和各管理部门服务。2.3分散控制系统(DCS)的特点分散控制系统是一种以微处理器为基础，应用网络通信技术、计算机技术、CRT显示技术及过程控制
27、技术构成的新型控制系统。DCS的应用改变了热电厂传统的生产操作手段，降低了能耗，改善了劳动条件，为机组的安全、经济运行提供了可靠的保证。与常规控制系统相比，DCS具有以下特点：1.功能分层体系DCS的层次化体系特点，充分体现了集中操作管理、分散控制的思想，便于运行人员对机组综合信息的获得和操作，同时使控制系统的危险分散。在热电厂的应用中，DCS的功能体系一般由直接控制级(又称过程控制级)、过程管理级组成。 直接控制级直接与现场各类设备(如变送器、执行器、温度仪表等)连接,对现场数据进行采集、处理,并通过总线与过程管理级交换信息。过程管理级主要包括监控计算机、操作站及工程师工作站。它综合监视过程
28、各点的信息,集中显示操作,进行控制回路修改、参数组态、优化过程处理等。2.功能齐全,操作方便DCS可以提供多种显示画面，包括操作显示、成组显示、棒状图显示、趋势显示等，并可进行报警提示，操作指导，制表记录，历史数据存储和检索。多层显示结构适合电站特点，便于运行人员对整个生产过程的监视和操作控制，通过计算机事件顺序记录和事故追忆，可迅速判断并处理事故，恢复运行，减少停机时间。DCS强大的软件功能，可以实现复杂的控制、保护功能，从而保证机组的安全、可靠运行。同时，DCS人机界面友好，运行人员可通过键盘、鼠标、轨迹球等多种输入设备，进行机组控制或系统组态、修改，而且，操作指令在短时间内便可得到执行。
29、3.可靠性高从元器件选择、电路设计到系统配置、软件实现，DCS都具有很高的可靠性。在系统设计上广泛采用容错、冗余技术。过程处理器、电源和通讯总线，一般冗余配置，单项故障不会影响系统运行。重要的输入、输出通道冗余设置，并分配在不同模件上。操作员站之间互为备用，此外还具有软、硬件自诊断功能，并有故障报警提示，故障消除后可自动恢复工作，使设备的故障率大为降低。4.扩展方便、组态灵活目前的DCS具有开放的操作系统，开放的网络结构，扩展方便，组态灵活、直观。利用这些特点，在热电厂的扩建和改造中，可减少投资，缩短工期，大大节省工程成本。5.增强了自动调节功能DCS采用先进的控制理论和控制策略，实现了常规仪
30、表无法完成的复杂的自动调节，提高了主参数的控制精度和自动调节投入率，从而节约了能源，提高了热电厂的经济效益。6.通信功能强DCS各站通过总线相连，系统内数据共享，并能与其他系统进行通讯、交换信息，可以节约大量控制电缆、一次元件、变送器等，并可减少备品配件的品种和数量，降低维护、管理的工作和费用。热电厂中利用DCS的通讯功能，在控制室内便可了解其他系统运行情况，便于快速、准确地协调整个生产过程的运行。3 过热汽温控制系统概述3.1过热蒸汽温度控制的意义和任务锅炉过热蒸汽温度是影响机组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、高压的条件下工作的，过热器出口的过热蒸汽温度是机组整个
31、汽水行程中工质温度的最高点，也是金属壁温度的最高处。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，容易损坏过热器，也会使整齐管道、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，将会降低机组的热效率，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温度增加，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少，引起各级反动度增大，也对汽轮机的安全运行带来不利影响。所以，过热整齐温度过高或过低都是生产过程不允许的
32、。过热汽温控制的任务是维持过热器出口主蒸汽温度在允许的范围内，并对过热器进行保护，使管壁金属温度不超过允许的工作范围。正常运行时，一般要求过热器出口蒸汽温度与额定值偏差不超过5%。3.2被控对象动态特性分析控制对象是控制系统的一个重要组成部分。它的输出信号是要求控制的被调量；它的输入信号是引起被调量变化的各种因素，一般对于不同的输入信号所引起的被调量的变化特性是不同的，要了解对象的动态特性，就要了解各通道的动态特性。影响过热出口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、流经过热器的烟汽温度和和流速变化、锅炉受热面污垢等。归纳起来主要有：蒸
33、汽流量扰动下；烟汽热量扰动下；减温水量扰动下。本次课题是以减温水的扰动为例来研究过热汽温控制系统。过热汽温调节对象的动态特性是指引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、进入过热器的蒸汽温度变化、流过过热器的烟汽温度和流速变化等。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)，加热烟汽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做阶跃实验，可得到在不同扰动作用下的对象动态特性。它们均为有迟延的惯性环节，但各自的动态特性参数值有较大差别。其中为延迟时间，c为响应时间，P为自平衡系
34、数。3.2.1锅炉负荷扰动下过热汽温的阶跃响应曲线 图 3.1 阶跃响应曲线图3.1所示：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，使过热器各点的蒸汽温度几乎同时改变，因而汽温反应较快。所以在负荷扰动下，汽温的迟延和惯性比较小。3.2.2烟汽热量扰动下过热汽温的阶跃响应曲线 图 3.2 阶跃响应曲线图3.2所示：烟汽热量扰动(烟汽温度和流速产生变化)时，由于烟汽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汽传递热量也同时变化，所以汽温反应较快，其时间常数T和迟延均比其他扰动小。3.2.3减温水量扰动
35、下过热汽温的阶跃响应曲线图 3.3 阶跃响应曲线图3.3所示：当减温水量扰动时，改变了高温过热器的入口汽温，从而影响了过热器出口汽温，由于大型锅炉的过热器管路很长，因此减温水流量扰动时，汽温的反应是较慢的。其阶跃响应曲线如图所示。动态特性特点通过阶跃响应曲线可看出减温水量扰动下的过热汽温动态特性特点是有迟延、有惯性、有自平衡能力，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。延迟时间与时间常数cS；cS。3.2.4减温水量扰动与负荷扰动或烟汽量扰动的比较当锅炉负荷扰动时，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
36、，使过热器各点的蒸汽温度几乎同时变化，因而汽温反应较快，c较小。烟汽热量扰动时，由于烟汽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汽传递热量也同时改变，所以汽温反应较快，其时间常数c和延迟时间均比其他扰动小。这样可见，当负荷扰动或烟汽热量扰动时，汽温的反应较快；而减温水量扰动时，汽温的反应较慢。因而从过热汽温控制对动态特性的角度来考虑，改变烟汽侧温度（改变烟汽温度和烟汽流量）的控制手段是比较理想的（因为负荷信号由用户决定，不能作为控制量），但具体实现较困难。所以一般很少被采用。喷水减温对过热器的安全运行比较有利，所以尽管对象的动态特性不太理想，但还是目前广泛采用的过热
37、器温控制方法。3.2.5改善减温水量扰动下动态特性的方法采用喷水减温时，由于对象控制通道有较大的延迟和惯性以及运行中要求有较小的汽温控制偏差，所以采用单回路控制系统往往不能获得较好的控制品质。针对过热汽温控制对象控制通道惯性延迟大，被调量信号反馈慢的特点，应该从对象的控制通道中找出一个比被调量反应快的中间信号作为调节器的反馈信号，以改善对象控制通道的动态特性，提高控制系统的质量。3.3常规过热汽温传统控制策略从动态特性的角度来看，改变烟汽侧参数的调节手段比较理想，但具体实现比较困难，一般很少采用。而喷水减温对过热器的安全运行比较有利，所以尽管对象的调节特性不够理想，但目前还是作为过热蒸汽温度的
38、调节方法被广泛采用。采用喷水减温时，由于对象调节通道有较大的迟延和惯性，如果采用单回路反馈系统，调节器必须缓慢地动作，才能保证系统具有必要的稳定性裕量，这样会增加调节过程中被调量的动态偏差。但在实际运行中，对过热汽温的控制要求较高，只允许有较小的汽温控制偏差，所以有必要对单回路反馈调节系统进行改进。针对过热汽温被控对象通道惯性迟延大，被调量信号反馈慢的特点，可以从对象的调节通道中找出一个比被调量提前反应扰动的中间点辅助信号作为调节器的补充反馈信号，来有效地限制被调量的动态偏差，改善对象通道的动态特性。目前在电厂采用的过热汽温自动调节系统主要有两种，串级调节系统和采用导前汽温微分信号作为辅助信号
39、的双回路调节系统。3.4串级汽温调节系统3.4.1过热汽温串级调节系统的组成图2.5所示：为过热汽温的串级调节系统，其中yrl、yr2分别为温度变送器斜率，t1为减温器后汽温，t2为过热器出口汽温。汽温调节对象由喷水调节阀、减温器和过热器组成，喷水调节阀的开度是调节通道的输入信号，过热器出口汽温t0为输出信号。 图 3.4 串级调节系统图3.4所示：关于导前汽温的的选取，如果导前汽温信号选取过于提前，则副回路改善动态特性的作用就小了，而如果导前汽温信号很接近被调量过热器出口汽温，提前反应扰动的作用就不大了。因此，选取导前汽温信号，既要使它能提前反应较多扰动，又要使副回路能起到有效改善调节对象特
40、性的作用。基于以上考虑，系统中采用减温器出口处汽温t，作为辅助调节信号(称为导前汽温信号)。显然，如果有某种扰动，比如减温水流量的自发变化，使得汽温t1，比t2提前反应，由于副调节器的提前动作，就能十分有效的减少过热器出口的偏差。整个汽温被控对象的动态特性主要由两部分组成:1)以喷水调节阀开度作为输入信号，减温器出口温度t作为输出信号的对象，这部分调节通道称为导前区，传递函数为G(s)。2)以减温器出口汽温t1为输入信号，过热器出口汽温t2为输出信号的通道，这部分调节通道为对象惰性区，传递函数为Gz(s)，显然导前区G(s)的迟延与惯性要比J性区Gz(s)的惯性小得多。3.4.2串级系统的结构
41、和工作原理根据在减温水量WB扰动时，主蒸汽温度1有较大的容积迟延，而减温器出口蒸汽温度2有明显的导前作用，完全可以构成以2为副参数，1主参数的串级控制系统，系统结构如图所示。系统中有主，副两个调节器。 主调节器PI1用于主蒸汽温度1，使其等于给定值。副调节器PI2接受主调节器的输出信号和减温器的出口温度信号，副调节器的输出控制执行机构KZ的位移，从而控制减温水调节阀的开度。串级系统是改善控制过程品质极为有效的方法，得到了广泛的应用。系统中以减温器的喷水作为控制手段，因为减温器距离过热器出口较远，且过热器管壁热容较大，主汽温对象的滞后和惯性较大。若采用单回路控制主汽温1（既将1作为主信号反馈到调
42、节器PI1，PI1直接去控制阀门开度）无法取得满意的控制品质。为此在取一个对减温水量变化反映快的中间温度信号2作为导前信号，增加一个调节器PI2组成如图所示的串级控制系统。调节器PI2根据2信号控制减温水阀，如果有某种扰动使汽温2比1提早反映（例如：内扰为喷水量WB的自发性变化，那么由于 PI2的提前动作，扰动引起的波动2很快消除，从而使主汽温1基本不影响）。另外，PI2的给定值受调节器PI1的影响，后者根据1改变的2给定值，从而保证负荷扰动时，仍能保持1满足要求。可见，串级系统中采用了两级控制器，各有其特殊任务。3.4.3主汽温串级控制系统原理图 3.5 串级调节系统图3.5所示：从方框图中
43、可以看到，串级系统和简单系统有一个明显的区别，即其再结构上形成了两个闭环，一个闭环在里面，被称为内回路或者副回路，在控制过程中起着粗调的作用；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（如方框图中为过热器，其输入为2，输出为1）、被测参数（图中为1）和调节器（图中为温度调节器1）分别被称为主对象、主参数（主变量）和主调节器。在副回路内则相应地被称为副对象（其输入为控制量，输出为2）、副参数（或副边量，图中2）和副调节器（图中为温度调节器2）。副对象是整个控制对象的一部分
44、，常称为控制对象的导前区；主对象是整个控制对象的另一部分，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。3.4.4串级汽温调节系统的分析图3.6所示，它有两个闭合的控制回路：图 3.6 串级汽温调节系统1 由对象的导前区W02(s)，导前汽温变送器2，副调节器WT2(s)，执行器KZ减温水调节阀K组成的副回路（内回路）。2 由对象的惰性区W0
45、1(s)，主汽温变送器1 ，主调节器WT1(s)，以及副回路组成的外回路（主回路）。串级控制系统能改善控制品质，主要是由于有一个快速动作的内回路存在。由图可以看出，导前汽温2信号能快速反映扰动，尤其是减温水侧的自发性扰动WB1，只要2变化，内回路就立即动作，用副调节器WT2(s)的输出控制减温水量，使2维持在一定的范围内，从而使过热汽温1基本不变。当主汽温1偏离给定值时，则由主调节器WT1(s)发出校正信号V1，通过副调节器及执行器改变减温水量，使主汽温最终恢复到给定值。主调节器的输出信号V1相当于副调节器的可变给定值。可见，在串级过热汽温控制系统中，内回路的任务是尽快减温水量的自发性扰动和其
46、他进入内回路的各种扰动，对过热汽温的稳定起粗调作用，副调节器一般可采用P或PD调节器；而外回路的任务是保持过热汽温等于给定值，所以主调节器可采用PI或PID调节器。4 过热汽温的整定4.1串级控制系统方框图串级控制系统的原理方框图如图4.1所示，由于副回路具有快速作用，因此，串级控制系统对进入副回路的扰动有很强的克服能力；由于副回路的存在，改善了对象的动态特性，提高了系统的工作频率；由于副回路的存在，串级系统有一定的自适应能力。 图 4.1串级控制系统方框图Wt1(s)、Wt2(s)主、副调节器的传递函数；W01(s)、W02(s)主、副对象的传递函数；Wm1(s)、Wm2(s)主、副变送器的
47、传递函数；W(s)调节阀的传递函数；Wz(s)执行器的传递函数；Wof(s)干扰通道的传递函数图4.1所示：干扰当f经干扰通道Wof(s)进入副回路后，首先影响副参数y2，由于副调节器立即动作，力图消弱干扰对y2的影响。显然，干扰经过副回路的抑止后再进入主回路，对y1的影响将有较大的减弱。如图4-1所示，为了方便分析，假设当执行器的传递函数Wz(s)=1，变送器的传递函数Wm1(s)、Wm2(s)=1时，PID调节器的传递函数为Wt(s)=1/ (1+1/Tis+Tds) 控制对象的传递函数为 Wo(s)=1/6（1+5s）3则系统方框图如图4.2所示。 （内扰） （外扰） r 11/(1+1/Tis+Tds)1/6（1+5s） e Vt y -1 Vm 图 4.2串级控制系统方框图
