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1、锅炉再热器温度控制系统设计摘要 PID控制器由于具有结构简单、实现容易，鲁棒性较强的优点，因此被广泛应用于锅炉再热器温度控制中。目前，锅炉再热汽温控制中，再热蒸汽出口温度控制要求高、可控性差，工艺上对再热汽温控制的质量有非常严格的要求。再热汽温的相对稳定在锅炉安全性和经济性运行中有着重要的作用。由于再热器具有大惯性、非线性、时变、多变量和有自平衡能力等特点，如何运用PID提高再热汽温的控制效果，是本文的重要研究课题。 本文在较为全面地对PID控制器参数整定方法的现状分析研究的基础上通过推导非线性鲁棒控制器与二自由度PI/PID控制器的等价形式，提出了二自由度PI/PID参数整定规则预期动态法(
2、DDE)；并通过对某一电厂锅炉再热器的具体分析和研究，通过MATLAB仿真与传统的PID做对比来说明这一方法的可行性，已便于提高锅炉实现安全、经济、可靠、优化和环保的要求，具有广阔的应用前景。 关键词：PID，锅炉再热器，二自由度PID，ATLAB，控制效果。Boiler Reheater Temperature Control System Design AbstractBecause the PID controller has the advantages of simple structure, easy realization, good robustness advantages,
3、 it is widely used in Boiler Reheater Temperature control. At present, the boiler reheat steam temperature control in reheat steam outlet temperature, high control requirements, poor controllability, technology of reheat steam temperature control quality has very strict requirements. The reheat stea
4、m temperature is relatively stable in boiler safety and economic operation has an important role in. As a result of reheater has great inertia, nonlinear, time-varying, multivariate and self balance ability and so on, how to use PID to improve the reheat steam temperature control effect, is the impo
5、rtant research subject.In this paper, a more comprehensive parameters of PID controller tuning method based on the analysis of the current situation through the derivation of nonlinear robust controller with two degrees of freedom PI/PID controller equivalent form, put forward two degrees of freedom
6、 PI/PID parameter tuning rule - expected dynamic method ( DDE ); and the adoption of a power plant boiler reheater specific analysis and research, through the MATLAB simulation and traditional PID compared to illustrate this method is feasible, has to improve the boiler to realize safety, economy, r
7、eliability, optimization and environmental protection requirements, has a broad application prospect.Key words: PID，Boiler reheater，Two degree of freedom PID，MATLAB， Control effect。1 引言锅炉再热汽温系统是一个典型的非线性、时变、多变量系统,它的状态参数与运行工况密切相关。汽温控制的好坏直接影响其热效率的高低。然而,生产过程中往往存在较多的干扰因素,蒸汽负荷、烟气流量及温度、炉内燃烧工况、送引风情况、二次风和三次风
8、的调整、给水流量压力及温度、受热面积灰及制粉系统启停等均对再热汽温有较大的影响。同时锅炉再热器的设计和汽温调控还存在一些问题，若考虑更广泛的调峰和使用更高级的再热器，会暴露很多问题，综合以往的有关再热器的实验研究，归纳超来：一是管壁超温爆管问题；二是温度调节特性差、调温幅度小的问题。尽管国内许多控制专家就再热汽温可控性差的问题，做了很多研究，也提出了不少新的、先进的控制方案，但因工程实现存在困难，真正应用甚少，故锅炉再热汽温实时控制问题也一直未能得到彻底的解决。因此,迫切需要设计出具有较好鲁棒性的控制系统,并能够较快投入自动。PID控制器本身是一种基于对“过去”、“现在”和“未来”信息估计的简
9、单但却有效的控制算法。由于其算法简单、鲁棒性能好、可靠性高等优点，PID控制策略被广泛应用于锅炉再热器控制中。2 文献综述2.1 PID控制国内外研究进展1942年，Ziegler和Nichols首先提出了PID控制器参数整定的经典Ziegler-Nichols法；此后在Z-N法的基础上，1952年，Chien，Hrones，Reswick等人提出了Chien-Hrones-Reswick整定算法Error! Reference source not found.；1955年，Cohen，Coon等人提出了Cohen-Coon 法Error! Reference source not foun
10、d.；这些方法都是通过一些简单的实验来获得被控对象的几个特征参数从而得到控制器的整定公式，因此虽然PID控制器在现代工业过程控制中占据重要地位，但在早期其整定方法研究并没有引起足够的重视。直到90年代以后，关于PID控制的研究才逐渐提升，这是因为在今天已有条件通过先进设计方法获得所需要模型知识，而理论上日趋完善的现代控制理论在现代工业控制中的应用比较有限，使得人们重新将目光转向在工程控制中占主导地位的PID控制；另外工业过程的发展对控制系统提出更高的要求，从而引发了研究人员对传统控制策略进一步的改进和探讨。其中，较为著名的有瑞典学者strm和Hagglund于1988和1995分别出版理论专著
11、PID控制器: 理论、设计与整定的第1版和第2版之后,并在2001年的一篇论文里详细分析了PID控制器所面临的问题与挑战,并对PID控制器的发展做出预测。Kiam 提到PID控制器的成功可以通过近期的IFAC会议看出，有近90篇关于PID的论文在会议上被发表。 ODwyer 对自1942年以来发表的PID整定规则进行了系统的整理和分类。其中PI控制器结构有7种，理想PID控制结构及其变形有18种之多，经典PID结构及其变形有4种，Non-interacting PID控制结构及其变形有19种以及其他近年来出现过的PID控制结构有5种，整定规则的适用对象共计18种形式。总结近年来PID 控制的发
12、展趋势,可以将PID控制的发展分为两个大方向：传统PID控制技术的继续发展和各种新型控制技术与PID控制的结合。2.2 传统PID控制传统PID控制可以分为基于模型的方法和基于规则的方法。在基于模型的整定方法中，可以通过暂态响应实验、参数估计及频率响应实验来获得过程模型；在基于规则的自整定方法中，不用获得过程实验模型，整定基于类似有经验的操作者手动整定的规则。目前关于传统PID控制算法的研究方向主要集中于以下几种：继电反馈整定方法：1984年，strm与其同事创新性地提出利用继电闭环实验，对被控对象进行频域响应分析，达到设计PID控制器目的的实验方法。该方法通过继电控制使过程产生极限环振荡，得
13、到过程频率响应临界点的信息，通过振荡曲线获得动态过程数学模型的特征参数Tu和Ku，再利用Z-N整定公式计算PID参数。继电反馈的整定方法优点是不依赖于数学模型，整定简单，速度快。这种方法多用于一些复杂难以识别的控制对象中。Hang等在2002年的一篇论文里综述了继电反馈自整定技术的发展。基于幅值相角裕度(GPM)的整定方法：1991年strm在考虑控制系统鲁棒性的情况下，提出了基于给定幅值裕量和相位裕量的PID控制器参数整定方法；该方法不需要建立被控对象的数学模型，只需获取对象特征参数，即可整定PID参数，这种方法使系统具有良好的控制性能和鲁棒性能。柴天佑等给出一种新的基于给定相角裕度和幅值裕
14、度的PID参数自整定SPAM法。Ho et al. , Fung et al. , Wang et al. , Wang和Shao 以及Kaya.都针对稳定对象的传递函数提出了基于GPM的PID整定方法，另外，Wang et al. 针对积分对象提出一种用户自定义幅值相位裕度的PID参数整定方法，随后，Wang和Ca将此种方法应用于不稳定对象。基于Smith预估器的PID控制：由于纯延迟环节的存在，PID控制器对于大时滞过程无能为力，加入Smith预估器的PID控制可以有效地补偿纯延迟环节主导的过程的死区时间，从而提高系统的稳定性。很多人利用Smith结构对大时滞对象，高阶对象，含积分环节的对
15、象设计了PID控制器。基于IMC的PID控制器：Garcia和Morari受模型算法控制和动态矩阵控制的启发，提出了内模控制(IMC)方法。基于IMC的PID控制器仅有一个整定参数，参数调整与系统动态品质和鲁棒性的关系比较明确。当系统不存在模型误差时，内模控制系统可得到快速平稳的动态响应。当存在建模误差或干扰时，滤波器发挥作用，抑制干扰或模型失配引起的实际输出与模型输出之差。这样，系统的设定值响应和干扰响应被分离开来，使系统既有较好的设定值响应性能，又有较好的抗干扰性能和鲁棒性能。M. Shamsuzzoha和Moonyong Lee将改进的IMC-PID应用于大时滞系统 。2.3 智能PID
16、控制对于非线性系统、高阶系统、时变系统、以及没有精确数学模型的系统，传统的PID控制器往往难以控制。近年来随着智能控制的迅速发展，智能控制与常规PID控制相结合，形成所谓智能PID控制。它不依赖于数学模型，算法简单，明显地提高了系统的控制品质，引起了国内外学者的广泛关注。主要智能整定方法有模糊PID控制器参数整定方法，神经网络PID控制参数整定方法以及基于遗传算法的PID 控制参数优化方法。模糊PID控制是一种非线性PID控制，发挥了模糊控制鲁棒性强，动态性能好的优点，同时保留了常规PID控制器稳态精度高的特点。但是这种方法要求对被控过程和控制规律有全面的先验知识方法的指导原则，其性能的优劣取
17、决于开发者对控制回路参数整定的经验，以及对反馈控制理论的理解程度。采用了基于Fuzzy规则的变参数PID控制方法这种方法规则简单，效果好，证明了模糊规则整定参数的可行性。针对非线性系统提出模糊自适应控制，取得了较好的控制效果给予遗传算法的PID控制器参数优化方法等。神经网络PID控制具有自学习和自适应的能力，结构简单，易于计算，具有响应速度快，抗干扰能力强和鲁棒性好的优点。对非线性对象的PID控制器参数整定，介绍了用神经网络的学习功能整定的方法。但神经网络PID控制策略建立在要求具有连续导数的光滑搜索空间的基础上，若参数空间不可微或参数空间为非线性时，则得不到全局最优。基于遗传算法的PID 控
18、制参数优化方法近年来获得很大发展。遗传算法是一种模仿自然选择和遗传机制的搜索寻优算法。它以编码空间代替问题的参数空间，以适应度函数为评价依据，对初始种群进行交叉、变异等操作，进而找到具有最优评价指标的值。遗传算法为代表的优化算法为PID 控制器的参数整定提供了新的途径。这种方法不需要知道对象的全部信息，只依赖于适应度函数，在对象模型不确定的情况下仍然可以对PID 控制器参数进行优化。2.4二自由度结构二自由度结构，就是分别针对两种性能指标，独立地进行控制器参数整定。传统PID的一自由度结构，不具有使系统同时获得良好的目标值跟踪特性和干扰抑制特性的能力，参数整定时一般要在系统的目标值跟踪特性和干
19、扰抑制特性之间进行折中选择，难以兼顾各方面的性能要求而获得满意的控制效果。二自由度结构可作为更有效利用PID控制的发展方向。Horowitz提出利用设定值权重方法可以简单的获得二自由度结构，通过调整控制器参数和设定值权重从而有效利用二自由度PID控制器，并在文中提出了8 种二自由度控制构成方法，其中有4 种便于工业实现，分别是：设定值滤波器型、设定值前馈型、反馈补偿型以及回路补偿型，具体结构见图2.0。这4 种结构主要以补偿环节相对于主控制器的位置进行区分，实际上它们是等价的，可以进行等价变换。(a)设定值滤波型(b)设定值前馈型(c)反馈补偿型 (d)回路补偿型图 2-0 4种等价二自由度控
20、制结构图Raymond Gorez提出可以采用两种手段来实现二自由度(2-DOF)控制系统，一种是strm和Hagglund提出的2-DOF-PID控制结构，另一种是在一个传统PID控制器的基础上通过增加相应的补偿环节，利用反馈部分来解决快速抑制负载扰动的问题，并利用前馈部分来解决设定值跟踪问题使得控制器能够按照外扰抑制特性最佳和目标值跟踪特性最佳分别进行整定，从而使两种特性同时达到最优，控制品质得到改善的目的。Taguchi和Araki提出基于最小频率响应指标设计2-DOF-PID参数整定可以分为两个步骤：首先，调整PID控制器使闭环系统实现抑制干扰控制目标；然后，加入前馈补偿实现设定点跟踪
21、。strm等提出通过设定闭环系统最大灵敏度整定二自由度PI/PID；Yongho等结合IMC法设计2-DOF-PID控制器应用于串级控制系统。随着, 生产过程综合自动化水平愈来愈高, 希望跟踪与扰动特性同时最佳的回路愈来愈多，二自由度控制器的研究,及应用也会越来越多。3单变量PID控制系统参数整定3.1问题描述3.1.1 考虑如图3.1所示的闭环反馈控制系统：图3.1 闭环反馈控制系统其中， yr为设定值输入，y为系统输出，u为控制信号，d为扰动信号。Gp(s)为被控对象模型，本文主要以传递函数（3-1）描述的单变量系统为研究对象：(3-1)其中qi(i=0,m)、pj(j=0,n)、R，N(
22、s)与D(s)互质。Gc(s)为PID控制器：，Gf(s)为前馈控制器：。 控制作用u可表示为：(3-2)当b0时，(3-2)为2-DOF PID控制器。3.1.2 二自由度PID控制算法分析Horowitz I.M.中提出了8种二自由度控制构成方法，其中有4种便于工业实现，分别是：设定值滤波器型、设定值前馈型、反馈补偿型以及回路补偿型，具体结构见图3.2。这4种结构主要以补偿环节相对于主控制器的位置进行区分，实际上它们是等价的，可以进行等价变换。(a)设定值滤波型(b)设定值前馈型(c)反馈补偿型 (d)回路补偿型图 3-2 4种等价二自由度控制结构图从（3-2）式可知，图3.1所示的控制系
23、统属于设定值前馈型结构（图3.2-b）的一种等价变形。从设定值到输出和从外扰到输出的传递函数分别为：可以看出，上述系统中如果Gyd固定，Gyr仍然是自由的。因为Gyd仅与主控制器Gc有关，而Gyr不仅与Gc有关，还与前馈控制器Gf有关。这就是说上述两个表征系统跟踪特性和抗扰特性的传递函数彼此独立，也即在此系统中，设定值跟踪特性和抗干扰特性可以独立的进行调整。3.2 参数整定方法3.2.1 控制器分析 被控对象(3-1)可近似表示为：(3-3)其中n为系统维数，r为系统相对阶数，且，H表示系统高频增益。考虑模型误差及系统不确定性，H，ai(i=0,n-1)、bi (i=1,n-r-1)均为未知参
24、数。下面介绍针对对象(3-3)设计的非线性鲁棒控制器（简称TC）与二自由度PID控制器。非线性鲁棒控制器意大利学者Tornambe于1994年在文中针对系统(3-3)设计了一种非线性鲁棒控制器(TC)：假设：（a1）系统（3-3）相对阶 r已知；（a2）分子多项式b(s)=b0+b1s+bn-r-1sn-r-1+sn-r的解在开左半平面；（a3）系统高频增益H 的符号sgn(H) 已知；（a4）系统输出变量y(t)直到r-1阶导可测；（a5）Gp(s)的分子分母是相对互质，系统不可观不可测模态渐进稳定。设(A,B,C)为系统(3-3)的最小实现，通过变换： (3-4)可将系统化为标准型： i=
25、1,r-1(3-5)(3-6)(3-7)(3-8)y = z1 (3-9)其中，ci(i=0,r-1)、di (j=1,n-r-1)为未知参数。定义扩张状态f(z,w,u)为：(3-10)则(3-11)选取系统的预期动力学方程形式为：(3-12)为满足系统的稳定性、动态性能、静态性能和鲁棒性等方面的要求，参数的选取应满足h(s)的频谱位于开左半平面。其中，。假设ci(i=0,r-1)、di (j=1,n-r-1)为已知时，采用精确反馈线性化方法(EFL)获得的控制律为： (3-13)但由于ci(i=0,r-1)、di (j=1,n-r-1)为未知参数，并为消除系统的各种不确定性影响，用扩张状态
26、观测量代替式（3-13）中的f，Tornambe设计的非线性鲁棒控制器（TC）为： (3-14)(3-15)(3-16)其中控制器参数为任意常数，为一适当正参数。二自由度PID控制器当系统相对阶数r=2时，重新定义TC中的扩张状态变量f(z,w,u)：(3-17)其中l为一适当正数。式(3-11)相应变为：(3-18)欲使闭环系统满足预期动态特性(3-19)：(3-19)则原TC控制律变为：(3-20)(3-21)(3-22)其中式(3-21)、(3-22)为对扩张状态f的观测器。下面对控制器(3-20)-(3-22)进行等价推导。式(3-22)可等价为：(3-23)将式(3-21)带入式(3
27、-20)，得：(3-24)对比式(3-23)和式(3-24)，可知：(3-25)上式等号两边同时积分，得：(3-26)式(3-26)带入(3-24)，即得：(3-27)注意到，式(3-27)即为2-DOF PID控制律：(3-28)(3-29)类似的，当r=1时可得到2-DOF PI控制律：(3-30)(3-31) 综上可知，低阶非线性鲁棒控制器(TC)与二自由度PID控制器具有等价形式。二自由度PI/PID控制器参数整定可借鉴TC控制器明确的参数意义，将参数Kp，Ki，Kd的整定归结为对参数h0、h1、k、l的整定，其中h0、h1是系统预期动力学方程系数，可由控制要求确定。下面主要研究参数k
28、和l的取值对系统动态性能和稳定性的影响。 3.2.2 参数稳定域与控制器参数的整定对扩张状态f的观测器(3-21)-(3-22)进行拉氏变换，并将式(3-18)带入得到：(3-32)可以看出，扩张状态观测器的响应速度随k的增大而加快。但是k的增大可能导致系统不稳定。为保证参数在合理范围内取值，需要确定参数稳定域。如前所述，h0、h1是系统预期动力学方程系数，控制要求给定后可视为确定值。因此只要求取稳定边界在k-l平面上包围的区域即得到参数稳定域。具体步骤为：1） 根据控制要求确定参数h0、h1；2） 令l=1，按步骤3）计算参数k的稳定边界；3） 令k=0，由式（3-29）或（式（3-31）计
29、算控制器参数，应用Nyquist判据判断（3-1）、（3-28）（或（3-30）组成的闭环系统的稳定性；增大k直到k=kmax使得系统不再稳定为止。4） 遍历l （0，1及1，）重复步骤3），即得k-l平面上的参数稳定边界。按照上述步骤计算示例对象的k-l平面参数稳定域（选取预期动力学方程系数h0=1，h1=2），见图3.4。可见，l的增大可使k的取值范围变大。对示例对象按照式（3-29）设计PID控制器：选取预期动力学方程系数h0=1，h1=2，即预期动力学方程为；根据图3.4参数稳定域，选取l=25。分别令k=0.1，1，10，预期动力学方程和得到的闭环系统的bode图如图4.5（其中Gd
30、、G1、G2 、G3分别代表预期动力学方程和k=10、1、0.1的闭环系统）。图3.4 示例对象的k-l平面参数稳定域图3.5 示例对象的闭环控制系统频率特性观察图3.5中频率低于10 rad/sec部分可以发现，随着k的增大，闭环系统的频率特性越来越接近于预期动力学方程的特性：其中幅频特性曲线趋向一致，相频特性曲线形状趋向一致，角度相差，故仍可认为趋向一致。这意味着在低频情况下（一般工业过程控制系统的频率都在10Hz以下），随着k的增大，闭环系统越来越趋向于我们希望达到的预期动态特性。另外从图3.4参数稳定域中也可以看出，l值一定时，k值越大越靠近稳定域边界。为保证足够的稳定裕量，应用本文方
31、法时，l的取值原则为可使稳定边界kmax2k。值得注意的是，从图中可以看出k的增大使得闭环系统频带变宽，这有利于提高系统的动态响应速度，然而同时也会降低对高频噪声的抑制能力。为兼顾观测器响应速度和抗扰能力的要求，除有特殊控制要求的情形外，在应用本文方法整定PID参数时一般令k为10左右。根据3.2.3对二自由度PID控制器的理论分析，参数k时，系统实际动态特性才可在全频段完全达到预期。考虑到参数k和l按照前述方法整定会使得系统实际动态性能与预期动态特性产生偏差，选择预期动态特性时需要保证足够的性能裕量。3.2.3 性能鲁棒性评价 性能鲁棒性是指控制系统在结构或参数发生一定摄动时仍维持某些性能的
32、特性，它是评价控制系统性能优劣的重要指标之一。本文采用Monte-Carlo原理检验和评价控制系统的性能鲁棒性，步骤如下：1） 确定研究对象的参数变化区间，构成随机抽样模型；2） 将随机抽样模型与为标称模型设计的控制器组成闭环反馈控制系统，确定实验次数N，考察的性能指标为调节时间、超调量和ITAE指标；3） 重复进行仿真实验N次，得到N组性能指标值构成的性能指标集合，通过图形将此集合表示出来；4） 分析性能指标集合，范围越小说明控制系统的性能鲁棒性越强。3.2.4 参数整定步骤综上，应用预期动态法整定PID控制器参数可按照如下步骤进行：1） 根据控制要求确定预期动力学方程(3-19)的系数。设
33、控制要求调节时间tstsd ，超调量尽量小。则根据经典控制理论对二阶系统的分析，h18/tsd 、h0h12/4即可满足要求。考虑到实际动态性能与预期动态存在偏差，需要保证足够的性能裕量，故取： h1(825)/ tsd (3-33)h0h12/4；(3-34)同理，对PI 控制器： h0(412)/ tsd (3-35)2） 确定参数k和l。令k10，由3.2.4稳定域求取方法得到l，使得k的稳定边界kmax20；3） 按式(3-29)/(3-31)确定PID/PI控制器参数；验证系统性能鲁棒性。按3.2.5节步骤进行Monte-Carlo实验，检验控制器在被控对象存在不确定性情况下的性能鲁
34、棒性。4 再热汽温系统概述4.1再热器温度控制存在的瓶颈为了降低锅炉成本、响应节能减排的环保政策，提高锅炉的热循环效率。目前，国内的锅炉大都配备了中间再热系统。蒸汽中间再热的目的一是提高蒸汽的干度，二是为了提高超高参数以上大容量锅炉的热经济性。然而现在的再热器温度控制存在着以下调节的瓶颈。 一、再热器温度控制系统存在不足 （1）再热器温度的烟风挡板存在流量分配非线性； （2）减温水喷水调节再热器出口汽温滞后； （3）再热气温调节变量存在耦合。二、再热汽温调节存在着被调节量的非确定性 再热蒸汽温度对象的不确定性主要来自以下干扰源： （1）负荷变化时，燃料供应量也是变化的，再热器吸热量是变化的，主
35、蒸汽和再热器的流量也随之变化； （2）负荷基本不变时，由于燃烧工况变化及制动系统切换和停启，导致再热器的吸热量变化； （3）给水压力、温度或流量变化时，喷水减温效果也是变化的。 三、再热器汽温调节的工作特点：大惯性和小惯性并存，再热蒸汽温度控制对象的动态特性慢，再热系统动态响应阶次较高。4.2再热蒸汽循环及其焓熵分析4.2.1再热蒸汽循环再热也称为中间再热或二次过热，其设备包括再热器和温度调节装置。它的作用是把汽轮机内作过部分功的蒸汽（高压缸）再次加热，达到一定的过热温度，称为再热蒸汽，然后这些蒸汽又引返汽轮机的下一级（中压缸或低压缸）内继续作功。蒸汽循环(一级再热)如图4-1所示。低压缸中压
36、缸凝汽器高压排气低压排气锅炉高压缸中压缸排气新汽再热汽给水泵冷却水 图4-1蒸汽循环系统如果不采用中间再热方式，在提高蒸汽初压的情况下，要保证汽轮机末级蒸汽干度在允许范围内，就必要大大题提高蒸汽初温。但是这样处理会受到冶金技术水平和技术经济条件的限制。因此，只好采用中间再热来解决这一矛盾。采用中间在过热，为进一步提高蒸汽初压创造了条件，此时不必担心汽轮机末级干度低于允许值。如果再热温度和压力选择得当，将使循环热效率提高，同时对汽轮机相对内效率也产生有利的影响。在现代超高压机组中，采用中间再热，可使锅炉效率相对提高6%8%。再热一般采用一次再热，再热温度与初温相近（在我国的现有产品设计中，都取再
37、热温度与初温相等），再热压力为初压的20%左右。再热器的压降应尽量低些，通常在2Kg/cm2左右。4.2.2再热蒸汽的焓熵分析蒸汽经过再热，提高了温度，增加了焓值。从图4-2上可以看出，当汽轮机背压P2为一定时，原来每公斤的蒸汽的作功能力相当于线长ae；在再热方式下，蒸汽从b点再热到c点，则从蒸汽始点a算起，其作功能力是ab与cd之和；由于等压线的分布特性是向右扩张的，cd的长度必然大于be；所以，再热蒸汽总的作功能力增加了。edS(熵)XeXdP2T0T1P1P0cbai（焓）X=1图4-2 中间再热方式的焓熵示意图但采用再热方式的目的首先在于提高汽轮机末端的干度。从图4-2可见，随着蒸汽初
38、（压力和温度）的提高，在一定的背压P2下，蒸汽终态的干度越来越低，这时蒸汽中含水量会造成汽轮机末级叶片的严重侵蚀。所以高压机组普遍采用中间再热，以保证汽轮机末级蒸汽湿度在许可范围内（从图4-2中由于干度XdXe，所以d点干度提高）。一般要求汽轮机末级蒸汽的干度不低于88%90%。4.3再热器特点再热器中流动的介质是中低压蒸汽，与压力比较高的过热蒸汽相比，由于蒸气密度低，因而传热特性也比较差，由于其比热较小，因而同一热偏差汽温偏差也比较大。另外，再热器的允许阻力较小，质量很低，对炉内的烟温和管内的流量偏差也比较敏感。这就是通常的再热器超温管爆的主要原因。归纳起来，有以下特点：一、再热器的工作条件
39、比过热器差再热蒸汽压力低，在相同的蒸汽流速下，管子对蒸汽的放热系数比过热蒸汽的多，在相同的烟温偏差下，或者说在受热面负荷相同的条件下，管壁与蒸汽之间温度差比过热器大。二、再热器对汽温偏差敏感再热蒸汽比容Cp较过热蒸汽比容Cp小，在相同的热偏差下，引起的汽温偏差比过热器大。若要改善热偏差，则应在再热器中增加混合和交叉数目，但是，又会受到流动阻力的限制。三、工况变化对再热汽温影响大当运行的工况变化时，会造成受热面的吸热量和蒸汽焓增的发生相应变化，这一特性便于烟气调温。此外，由于再热器随着高参数，分级分布发展趋势，工质温度分布在沿程变化比较大；由于管道、受热面布置在空间和结构变化较大、时滞性大、其动
40、态响应较慢。4.4再热蒸汽的温度调节目前，再热器的调温结构通常采用平行烟道挡板、烟气再循环、摆动燃烧器、汽汽交换器等，调温结构方式实现再热器调温。以下就烟气再循环这种调温结构方式的动态方式对再热器动态特性的影响。4.5再热器结构参数对其动态特性的影响烟气再循环调节再热器的汽温，其原理是利用尾部低汽温烟气重返炉膛，从而降低了炉膛温度，增加了低温烟气对流受热扰动，加强了对流受热面的换热能力，继而改变了炉膛各部分的吸热量分配。其动态特性可视为吸热量对出口焓值的扰动。因此其动态特性按 （4-1）来计算，且动态特性不会超过2阶。加上热电偶在内，总动态特性特不会超过3阶。通常取热电偶传递函数： (4-2)
41、综上所述，对于烟气再循环再热器调温自动控制系统，调温系统结构对动态特性的影响取为热量q1(s)对出口焓i2(s)扰动型的传递函数。表达式如式(4-3)： (4-3)4.6再热汽温数学模型的建立现在以某一电厂3#和4#锅炉额定蒸发量均为1165t/h，单炉膛、单鼓、一次再热、自然循环燃煤锅炉为例。4.6.1锅炉运行规程参数末级过参数：出口蒸汽流量1162.672t/h；出口压力/温度17.22MPa/541。再热器参数：出口蒸汽流量969.247t/h；出口压力/温度3.945MPa/ 541。再热器结构：再热器为一级，分为低温段和高温段，两段之间无联箱，其低温段位于竖井烟道一级过热器的下部，高
42、温段为混合式悬挂于水平烟道中。再热器入口设有事故喷水减温器调温方式：正常汽温调节使用烟气再循环控制，在循环烟气来自引风机出口至冷灰斗底部；当汽温偏高时，辅以事故喷水减温。表4-4为电厂二期锅炉运行规程锅炉数据一览表。表4-4电厂二期锅炉运行规程锅炉数据一览表名称外径（mm）厚度（mm）数目（根）材料平均烟速再热器入口联箱736/1D301BS3602 500N-再热器入口联箱726/1D381ASTMA335M P91-再热器低温管排63.55.0BS3059 44010.7m/s再热器垂直管57.04.5BS3059 4408.7 m/s再热器末级入口段51.04.5BS3059 4409.
43、2 m/s再热器末级前段51.04.5RS3059 622 4909.2 m/s再热器末级倒数第二段51.04.5ASTM A213M P919.1 m/s再热器末级出口段51.04.5ASTM A213M P919.1 m/s4.6.2计算过程：再热器系统的金属总重量 Gm=17317+26400+58630+245410+347757Kg管子换热的内表面积 H2=7206+1652=858m2金属比热 Cm=0.724J/Kg.管子内壁对工质的放热系数 =1.203J/m2.s.工质定压比热容 Cp=2.853J/m2.s.金属蓄热时间常数动态参数 ；若取，则则再热器系统总的传递函数： (
44、4-4)5实例仿真5.1传统的PID仿真对再热汽温采用PID控制所设计的仿真方案如图4-14所示。图5-1 PID控制再热汽温方案图由此控制方案图，在SIMULINK下，将其转化为相应的仿真框图，如下图5-2所示。图5-2 PID控制再热汽温系统仿真框图按图5-2的仿真框图进行仿真，设置kp=8.05；ki=0.0624；kd=259.62。得到PID控制再热汽温系统的单位阶跃响应曲线如图5-3所示。图5-3 PID控制再热汽温系统单位阶跃响应曲线由图5-3可知：超调量；上升时间tr=89s；调节时间ts=542s。5.2基于DDE-2DOF的仿真 对再热汽温采用DDE-2DOF的控制所设计的仿真图案并在SIMULINK下，将其转化为相应的仿真框图，如图5-4所示。 5-4 DDE-2DOF仿真框图按图5-4的仿真框图进行仿真，得到DDE-2DOF控制再热汽温系统的单位阶跃响应曲线如图5-5所示。5.3仿真分析将两种控制策略下再热汽温系统仿真得到的动态性能指标制作为如表5-6。表5-6为两种控制策略下再热汽温系统动态性能指标表。表5-6 两种控制策略下再热汽温动系统态性能指标表上升时间调节时间超调量PID控制tr=89sts=542sDDE-2DOF-PID控制tr=sts=s由表5-6可知：6 总结
