第十章-火电厂热工控制金以慧清华大学出版社

过程控制第十章火力发电厂大型单元机组的自动控制§10-1大型单元机组的生产过程及其对控制的要求§10-2单元机组负荷控制系统§10-3燃烧过程的控制系统§10-4锅炉给水控制系统§10-5蒸汽温度控制系统过程控制第十章火力发电厂大型单元机组的自动控制§10-1大型单元机组的生产过程及其对控制的要求大型单元发电机组是由锅炉、汽轮发电机和辅助设备组成的庞大的设备群。锅炉的产热、汽机的做功及发电机的发电协调配合完成发电生产。由于其工艺流程复杂，设备众多，管道纵横交错，有上千个参数需要监视、操作或控制，而且电能生产还要求有高度的安全可靠性和经济性，因此，大型机组的自动化水平受到特别的重视。过程控制第十章火力发电厂大型单元机组的自动控制单元制机组热力发电过程μNTPTH过程控制第十章火力发电厂大型单元机组的自动控制最重要的控制系统1.单元机组负荷控制系统2.燃烧控制系统3.汽包水位控制系统4.汽温控制系统过程控制第十章火力发电厂大型单元机组的自动控制§10-2单元机组负荷控制系统一、负荷控制系统的控制任务：在保持主汽压力PT稳定的前提下，紧密跟踪电网对机组负荷的要求。NpTBVsμμNpTB负荷对象特性：过程控制第十章火力发电厂大型单元机组的自动控制GpB(s)Gpμ(s)GNB(s)GNμ(s)μNpTBμNpTB多变量对象特点：有自衡能力，机快炉慢，锅炉有蓄热耦合严重，炉侧燃料量的扰动频发。过程控制第十章火力发电厂大型单元机组的自动控制控制方案：1.锅炉跟踪方式（炉跟机）特点：系统响应速度快，但机组稳定性差。锅炉汽机机调炉调PTNBGpB(s)Gpμ(s)GNB(s)GNμ(s)μNpTBPIDPIDN0ps过程控制第十章火力发电厂大型单元机组的自动控制2.汽机跟踪方式（机跟炉）特点：机组稳定性好，但系统响应速度慢。锅炉汽机机调炉调PTNBGNB(s)GNμ(s)GpB(s)Gpμ(s)μpTNBPIDPIDpSN0过程控制第十章火力发电厂大型单元机组的自动控制3.机炉协调方式锅炉汽机机调炉调PTNBPSN0以炉跟机为基础的双向补偿协调控制系统GpB(s)Gpμ(s)GNB(s)GNμ(s)μNpTBPIDPIDN0ps过程控制第十章火力发电厂大型单元机组的自动控制以炉跟机为基础的单向解耦协调控制系统+μBμTPT_+_NE+N0锅炉控制器P0汽机控制器锅炉P0-PT汽机_(a)过程控制第十章火力发电厂大型单元机组的自动控制以炉跟机为基础的单向解耦协调控制系统+μBμTPT_+_NE+N0锅炉控制器P0汽机控制器锅炉P0-PT汽机_PD(b)过程控制第十章火力发电厂大型单元机组的自动控制以机跟炉为基础的单向解耦协调控制系统__+μBμTPT_NE+N0P0汽机控制器锅炉汽机(a)锅炉控制器ΔPN0-NE过程控制第十章火力发电厂大型单元机组的自动控制以机跟炉为基础的单向解耦协调控制系统++PD(b)__+μBμTPT_NE+N0P0汽机控制器锅炉汽机锅炉控制器ΔPN0-NE1DDDKTSTS过程控制第十章火力发电厂大型单元机组的自动控制直接平衡协调控制系统△÷DP∑P0D∑△PIN0NE锅炉+P1PT_μB△IIμT__+×+汽机过程控制第十章火力发电厂大型单元机组的自动控制§10-3燃烧过程的控制系统一、燃烧控制的基本任务即要提供热量适应蒸汽负荷的需要，又要保证燃烧的经济性和锅炉运行的经济性、安全性。具体地就是控制三个参数：锅炉出口压力pT、空气过剩系数α和炉膛负压pv。燃烧过程的这三项控制任务是不可分的，通常可以用三个调节量改变三个流量即燃料量、送风量和引风量，以维持这三个被控制量，每个调节器都可以分工负责维持一个被控制量。三个控制系统之间关系密切，因而共同组成多参数的燃烧过程控制系统。一般简称这三个系统为“燃烧控制系统”。过程控制第十章火力发电厂大型单元机组的自动控制燃烧控制系统这三个系统的构成可以有不同的组合方式：通常采用：燃料控制——维持蒸汽压力稳定；送风控制——保证燃烧过程的经济性；引风控制——维持炉膛压力稳定，保证燃烧的安全性。过程控制第十章火力发电厂大型单元机组的自动控制二、汽压调节对象的动态特性μpbDpTBpbDpTpTBVsμ特点：自衡对象。机侧扰动变化快，炉侧扰动变化慢，炉侧自发扰动频繁。调节量选择：燃料量1BsBBBKWseTs过程控制第十章火力发电厂大型单元机组的自动控制1.燃料控制系统基本控制结构（1）PIPIGp(s)GD(s)P0PTDΔBB控制系统原理图控制系统结构图串级控制二、控制系统结构分析过程控制第十章火力发电厂大型单元机组的自动控制基本控制结构（2）控制系统原理图控制系统结构图串级-前馈控制PIPIGp(s)GD(s)P0PTDΔBBGff(s)过程控制第十章火力发电厂大型单元机组的自动控制控制系统结构图控制系统原理图PIPIGp(s)GD(s)P0PTDΔB×d/dt∑∑……BPb燃烧品种n1ni考虑煤质变化和实际发热量的控制结构串级控制过程控制第十章火力发电厂大型单元机组的自动控制采用热量信号作为燃料反馈信号1DDrbDKTsQsDPsTs过程控制第十章火力发电厂大型单元机组的自动控制采用热量信号的燃料控制结构控制系统原理图串级-前馈控制控制系统结构图PIPIGp(s)GD(s)P0PTQr=D+Cb(dpb/dt)ΔBGff(s)D过程控制第十章火力发电厂大型单元机组的自动控制TPTPIGp(s)GD(s)P0DΔBd/dtd/dt∑Pb控制系统原理图控制系统结构图过程控制第十章火力发电厂大型单元机组的自动控制2.送风控制系统ttVO2%τΔVkΔVT送风量扰动下氧量阶跃响应曲线动态特性211VsVVVVVKKWseTsTs过程控制第十章火力发电厂大型单元机组的自动控制PIKGp(s)VBμVμV控制系统原理图控制系统结构图比值控制过程控制第十章火力发电厂大型单元机组的自动控制控制系统原理图控制系统结构图μVPI×Gp(s)VBμV×KD燃料品种过程控制第十章火力发电厂大型单元机组的自动控制过程控制第十章火力发电厂大型单元机组的自动控制B控制系统原理图控制系统结构图PIO2Gp2(s)DGp1(s)VPI×f(x)f(x)B过程控制第十章火力发电厂大型单元机组的自动控制3.引风控制系统ttGPfΔG引风量扰动下负压阶跃响应曲线021ffffKWsKTs动态特性过程控制第十章火力发电厂大型单元机组的自动控制PI∑f(x)Vpv0pv+-+G∑Gp(s)VPIpvF(x)pv0控制系统原理图控制系统结构图前馈—反馈控制过程控制第十章火力发电厂大型单元机组的自动控制采用热量信号的燃烧控制系统PI＞＜√￣ddtΣ×f(x)PIf1(x)PIf2(x)PIPI___++++QrPTDDPbO2PvVVGVB变比例带PTsPv0++_Σ实现增负荷时，先加风后加煤；减负荷时，先减煤后减风。过程控制第十章火力发电厂大型单元机组的自动控制σPσPOPIPrI×∑PI∑∑∑×f(x)PI＞∑/nf(x)PI∑＜API∑÷√￣PIK∑PIPIP≮≯P1_速度级压力n给煤机转速Vm1磨一次风量送风量O2%P1___+IBPfPfo一次风温Qm1Vm1磨煤机温度n0θm0Pv1θmPv10n燃油量____一次风压B0VGVm1VrV1V2给煤量送风量引风量磨一次风量热风量一次风量层燃料风量直吹式制粉系统给煤机转数为反馈信号的燃烧控制系统V给煤机转速指令过程控制第十章火力发电厂大型单元机组的自动控制§10-4锅炉给水控制系统一、汽包炉给水控制的任务使锅炉的给水量适应锅炉的蒸发量，维持汽包水位在规定的范围内。具体要求：（1）维持汽包水位在规定的范围内。正常：⊿H±30~50mm；异常：⊿H±200mm故障：⊿H±350mm（2）保持稳定的给水流量。过程控制第十章火力发电厂大型单元机组的自动控制二、动态特性分析wDH1.非自衡，虚假水位（气泡体积变化产生虚假水位）2.W对H的影响惯性大，虚假水位小；D对H的影响惯性小，虚假水位大；B对H的影响惯性最大，虚假水位小。BHH非沸腾式省煤器炉过程控制第十章火力发电厂大型单元机组的自动控制3.给水对象传递函数：111()1wkGssTs212()1DkGsTssH2121,kkTT其中H过程控制第十章火力发电厂大型单元机组的自动控制1.单冲量控制HWDGc(s)GW(s)HH0+-控制系统原理图特点：结构简单，但虚假水位将导致系统振荡加剧。三、控制系统结构设计与分析过程控制第十章火力发电厂大型单元机组的自动控制2.双冲量比值控制HWD特点：可有效克服虚假水位，长时间D与W的偏差将导致水位大偏差流量调节调节机构WD+-控制系统原理图K1K2过程控制第十章火力发电厂大型单元机组的自动控制调节结束时，调节器输入为零:--0rHDWIIII即--rrHWDKHKHKKD假定在额定负荷（D=D0）时，有H=Hr0--rrHrWDKHKHKKD上两式相减得：0-WDrHKKHHDDK控制系统原理图3.单级三冲量控制给水系统稳定时W=D，因此有：过程控制第十章火力发电厂大型单元机组的自动控制0-WDrHKKHHDDK讨论：（1）若KW=KDD0（2）若KWKD（3）若KWKD特点：具有单冲量和双冲量控制的优点，但对比值参数要求严格。DHHr过程控制第十章火力发电厂大型单元机组的自动控制4.串级三冲量控制HWDGc1(s)KvGp(s)-rHDΔw+Gd(s)Gff(s)Gc2(s)特点：具有单冲量和双冲量控制的优点，比值参数的误差可通过主调节器校正。过程控制第十章火力发电厂大型单元机组的自动控制ΔPI∑ΔPIWDHH0μ控制系统结构图Gc1(s)KvGp(s)-rHDΔw+Gd(s)Gff(s)Gc2(s)控制系统原理图过程控制第十章火力发电厂大型单元机组的自动控制5.300MW单元机组给水控制系统实例过程控制第十章火力发电厂大型单元机组的自动控制PI∑PIPIf1(x)HΔf2(x)TDW汽泵A汽泵B电动泵旁路阀ΔH0D30%过程控制第十章火力发电厂大型单元机组的自动控制过程控制第十章火力发电厂大型单元机组的自动控制§10-5蒸汽温度控制系统一、过热汽温控制的任务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。过热汽温的上限一般不应超过额定值5℃。下限一般不低于额定值10℃。过程控制第十章火力发电厂大型单元机组的自动控制省煤器汽包给水调节阀喷水调节阀减温器I级过热器II级过热器烟气去汽机W过程控制第十章火力发电厂大型单元机组的自动控制二.动态特性wD、Qθθ1.主要扰动对汽温的影响自衡的对象D、Q扰动，τ/T较小,τ约有15s左右，T≈50s～100s。W扰动，τ/T较大，τ约有60s左右，T≈150s～200s。2.调节量选择：减温水喷水流量过程控制第十章火力发电厂大型单元机组的自动控制DWθ1θ2wθ1θ2Gp2(s)Gp1(s)GD(s)GQ(s)DQθ1θ2μ减温器过热器被控对象过程控制第十章火力发电厂大型单元机组的自动控制（1）串级控制ΔPIΔPIμθ2θ1θsPID2PID1θrθ2θ1Gp2(s)Gp1(s)有效克服调节量的扰动改善对象的动态特性提高调节品质控制原理图控制结构图三、基本控制系统结构分析过程控制第十章火力发电厂大型单元机组的自动控制（2）导前微分控制ΔPI∑θ2θ1θsμd/dtPI减温器过热器θrθ2θ11DDDKTsTs本质上还是串级控制等效副调节器为KDPI等效主调节器为1/GD（s)控制原理图控制结构图过程控制第十章火力发电厂大型单元机组的自动控制省煤器汽包给水调节阀喷水调节阀减温器I级过热器II级过热器烟气去汽机W（3）前馈——反馈控制控制结构图ΔPIμθ2θ1θs∑ΔPIKD为什么没有考虑烟气扰动的前馈补偿控制？wD、Qθθ过程控制第十章火力发电厂大型单元机组的自