过热汽温控制课程设计

课程设计用纸0目录概述---------------------1中英文摘要------------------3第一章绪论-----------------51.1控制系统基本原理及组成1.2汽温控制系统的被控对象1.3本课程设计的题目及任务第二章过热汽温控制--------------82.1过热汽温控制的任务2.2过热汽温控制的难点及设计原则2.3过热汽温对象模型的建立及其特性第三章过热汽温控制系统的设计---------153.1过热汽温系统的串级控制方案3.2具体设计方案3.3设计的论证3.4控制系统的切换第四章课程设计总结及体会-----------284.1课程设计总结4.2体会结束语--------------------31参考文献------------------32课程设计用纸1概述单元机组是由锅炉、汽轮发电机和辅助设备组成的庞大的设备群。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、操纵或控制，而且电能生产还要求有高度的安全可靠性和经济性，因此，目前，采用以分散微机为基础的集散型控制系统（TDCS）组成一个完整的控制、保护、监视、操作及计算等多功能自动化系统。在现代火力发电厂热工控制中，锅炉过热蒸汽温度是影响锅炉生产过程安全性和经济性的重要参数,也是整个汽水行程中工质的最高温度，对电厂的安全经济运行有重大影响。由于过热器正常运行时的温度已接近材料允许的极限温度，因此，必须相当严格地将过热汽温控制在给定值附近。过热汽温偏高会使蒸汽管道、汽轮机内某些零部件产生过大的热膨胀变形而损坏，威胁机组的安全运行。过热汽温偏低则会降低机组的热效率，增加燃料消耗量，浪费能源，同时会使汽轮机最后几级的蒸汽湿度增加，加速汽轮机叶片的水蚀，从而缩短汽轮机叶片的使用寿命，所以过热蒸汽温度过高或过低都是生产过程所不允许的。过热蒸汽温度一般可以看作多容分布参数受控对象，其动态特性描述可用多容惯性环节表示，该对象具有明显的滞后特性。现代锅炉机组大多采用那些大容量、高参数、高效率的大型锅炉，其过热器管道加长，结构也更复杂。在锅炉运行中，影响过热器出口蒸汽温度的因素很多，有蒸汽流量、燃烧状况、锅炉给水温度、流经过热器的烟气温度、流量、流速等等。在这些因素的共同作用下，过热汽温对象除了具有多容、大惯性、大延迟特性之外，往往表现出一定的非线性和时变特性，因此，过热汽温控制是锅炉各项控制中较为困难的任务之一。针对上述情况设计的过热汽温控制系统，既要求对烟气侧扰动及负荷扰动等较大外扰具有足够快的校正速度，同时又要求对减温水内扰有较强的抑制能力，从而使系统具有足够的稳定性和良好的控制品质，并能保证系统运行的安全性。因此，能否对过热汽温进行有效的控制，研究如何改善过热汽温系统的控制品质，对电厂能否安全稳定运行来说是至关重要的，在经济性上也有十分重要的意义。课程设计用纸2摘要随着我国电力工业的迅速发展，越来越多的高参数大容量机组陆续投产。从发展趋势看,600MW及以上等级的火电机组已成为大电网的主力机组。锅炉过热蒸汽温度是影响锅炉生产过程安全性和经济性的重要锅炉过热蒸汽温度是影响锅炉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。必须通过自动化手段加以控制，维持其出口蒸汽温度在生产允许的范围内。因此，需要采用适当的减温方式改变过热器入口的蒸汽温度。从而控制出口的过热蒸汽温度。本课程设计以600MW火电机组锅炉串级过热气温调节系统为研究对象，根据已知的参数对其进行设计，以达到准确控制过热气温目的。关键词：过热汽温；串级控制系统；动、静态特性课程设计用纸3第一章绪论1.1控制系统基本原理及组成在工业生产过程中，为了保证生产的安全性、经济性，保持设备的稳定运行，必须对标志生产过程进行情况的一些物理参数进行调节，使它们保持在所要求的额定值附近，或按照一定的要求变化，如火电厂中汽轮机的转速，锅炉蒸汽的温度、压力，汽包的水位，炉膛负压等。在设备运行中这些参数要经常受到各种因素的影响而偏离额定值，此时，运行人员就及时进行操作，对它们加以控制，使这些参数保持为所希望的数值。这一操作过程就是调节，这个调节任务可以由人工操作来完成，称为人工调节，假若用一套自动控制装置来代替人工操作，就是自动调节。自动控制系统一般由测量变送装置、控制器、执行器、被控对象等组成。其控制系统方块图如下所示。控制器被控对象执行器变送器x(t)e(t)u(t)q(t)f(t)y(t)Z(t)+-图1-1过程控制系统组成框图其中，y(t)为被控参数，变送器单元将被控参数检测出来并变换成便于远送的统一信号z(t)；z(t)与给定信号x(t)比较的偏差e(t)=z(t)-x(t)；e(t)经控制器运算后输出控制作用u(t)；u(t)控制执行器调节阀的开度，改变流体的流量q(t),从而使被控参数y(t)回到给定值x（t）附近，q(t)称为控制参数；从被控参数检测点至调节阀之间的管道或设备，称为被控过程，可简称过程；作用于过程且使被控参数y(t)变化得作用称为扰动。控制参数q(t)作用是使被控参数稳定于给定值附近，称为内部扰动；扰动作用f(t)企图使得被控参数y(t)偏离给定值x(t)，称为外部扰动。控制系统中控制作用就是要克服外部扰动f(t)对被控参数课程设计用纸4y(t)的影响，保证其尽快回到给定值。必须指出：(1)两个框图之间的一条带箭头的连线表示其相互关系和信号传递方向，并不表示两框之间的物料联系。(2)各框之间信号作用是单向的，即各框的输入信号会影响其输出信号，而输出信号会反过来影响输入信号。(3)调节阀控制的介质流量可以是流入过程，也可以是从过程流出来。若被控物料是输入过程的，则正好与箭头方向一致；若被控物料从过程流出来，则与箭头的方向不一致。而输出信号会反过来影响输入信号。1.2汽温控制系统的被控对象对于控制系统来说，对一个系统的控制品质的好坏取决于被控对象的认识，对被控对象有了好的了解和认识，就可以很好的对它进行控制，如果不能够很好认识控制系统的被控对象，对控制系统的设计和分析都是有很大难度的。600MW机组的汽温控制系统一般由过热器、高温过热器、低温再热器和高温再热器组成。如下图所示为一机组的汽温控制系统的被控对象。整个过程工质的流程：水冷壁→过热器→汽轮机高压缸→再热器→汽轮机中、低压缸图1-2汽温控制对象工质流程图过热器是锅炉中将一定压力下的饱和水蒸气加热成相应压力下的过热水蒸气课程设计用纸5的受热面。按传热方式可分为对流式、辐射式和半辐射式；按结构特点可分为蛇形管式、屏式、墙式和包墙式。主蒸汽按照：低温过热器→屏式过热器→高温过热器经过多级过热器。饱和蒸汽由汽包引出后，进入低温对流过热器，从低温过热器出来后，经过第一级喷水减温器减温，再进入屏式过热器，从屏式过热器中出来以后，再经过二级喷水减温，这后通过高温对流之后进入高压汽缸做功。在低温过热器和屏式过热器、屏式过热器与高温过热器之间都设置有喷水减温器,利用减温水来调节过热汽温，一般都采用多级过热器。为提高控制品质，过热汽温采用分段控制方案，即将整个过热器系统分成若干段，每段都包含一个减温器，分别控制各段过热器出口汽温，以维持过热汽温为给定值。机组汽温给定值按机组的启停和正常运行工况的要求来形成，将随负荷而变，即过热汽温被设计成全程控制系统。1.3本课程设计的题目及任务1.3.1题目：600MW机组过热汽温自动控制系统的设计1.3.2任务：(1)蒸汽温度自动控制系统测量信号的处理、显示、报警。(2)按实际系统需要，选用单回路控制、串级控制、导前微分控制、前馈-反馈复合控制、比值控制等控制原理。(3)系统的组成及工作原理。(4)画出控制系统SAMA图。(5)确定控制规律，画出系统工艺流程图。(6)画出热工控制系统原理图。(7)实现自动/手动和控制系统之间的无扰切换。(8)撰写设计说明书，要求字迹清楚，图表规范。课程设计用纸6第二章过热汽温控制2.1过热汽温控制的任务过热蒸汽温度是锅炉运行质量的重要指标之一。过热汽温过高或过低都会影响电厂的经济性和安全性。因为过热蒸汽温度是锅炉汽水通道中温度最高的部分，过热器正常运行的温度一般接近于材料允许的最高温度。如果过热蒸汽温度过高，则过热器、蒸汽管道容易损坏，也会使汽轮机内部引起过度的热膨胀，造成汽轮机的高压部分金属损坏;如果过热蒸汽温度过低，则会降低设备的热效率，一般汽温每降低5-10℃，热效率约降低1%，而且温度降低会使汽轮机轴向推力增大而造成推力轴承过载，汽轮机最后几级的蒸汽湿度增加，易引起叶片磨损。所以，过热汽温调节的任务是在锅炉运行中，必须保持过热蒸汽温度稳定在规定值附近。一般要求过热汽温与规定值的暂时偏差值不超过士10℃，长期偏差不超过士5℃。因此，过热蒸汽温度控制的主要任务就是：(1)克服各种干扰因素，将过热器出口蒸汽温度维持在规定允许的范围内，从而保持蒸气品质合格。(2)保护过热器管壁温度不超过允许的工作温度。2.2过热汽温控制的难点及设计原则过热汽温调节系统的难点在于：(1)发生扰动后，时滞较大。此外，测量温度的传感器也有较大的惯性。(2)设备的结构设计与自动调节的要求存在矛盾。从调节的角度看，减温设备应安装在过热器出口的地方，这样可以使调节作用的时滞最小，但是从设备安全的角度看，减温设备应安装在过热器入口的地方。(3)造成过热汽温扰动的因素很多，各种因素之间又相互影响，使对象的动态过程十分复杂。能使过热器出口汽温改变的因素有:蒸汽流量的变化、燃烧工况的变化、锅炉给水温度的变化、进入过热蒸汽热焙的变化、流经过热器烟气温度即流速的变化、锅炉受热面结垢等。课程设计用纸7综上所述，过热汽温控制系统设计原则可归纳为：(1)从动态特性的角度考虑，改变烟气侧参数(如改变烟温或烟气流速)的调节手段是比较理想的，但具体实现比较困难的，所以一般很少被采用。(2)喷水减温对过热器的安全运行比较理想，尽管对象的调节特性不够理想，但还是目前被广泛使用的过热汽温调节方法。采用喷水减温时，由于对象调节通道有较大的迟延和惯性以及运行中要求有较小的汽温控制偏差，所以采用单回路调节系统往往不能获得好的调节品质。针对过热汽温调节对象调节通道惯性延迟大、被调量信号反馈慢的特点，应该从对象的调节通道中找出一个比被调量反应快的中间点信号作为调节器的补充反馈信号，以改善对象调节通道的动态特性，提高调节系统的质量。(3)使用快速的测量元件，安装在正确的位置，保证测量信号传递的快速性，减小延迟和惯性。如果测量元件的延迟和惯性比较大，就不能及时反映过热汽温的变化，就会造成系统不稳定，影响控制质量。(4)现代电厂的过热器管道的长度不断加长，延迟和惯性越来越大，采用一级减温已不能满足要求，可以采用多级减温，以保证汽温控制的要求。2.3过热汽温对象模型的建立及其特性分析和设计自动控制系统的一个首要任务是建立系统的数学模型，因为不论要了解的是简单系统的特性还是复杂系统的特性，都必须掌握系统中各变量之间的相互动态关系。尽管电厂过热汽温控制系统的动态特性复杂，具有多变量、非线性和分布复杂的特点，难以建立精确的数学模型，但是运用多种知识，建立能相对反映过热汽温控制系统动态性能的数学模型，还是对研究相应的自动控制方法大有益处。锅炉过热器是由辐射过热器、对流过热器和减温器等组成，其任务是将从汽包出来的饱和蒸汽加热到一定的数值，然后送往汽轮机去做功。通常称减温器前的过热器为前级过热器，减温器后的过热器为后级过热器。过热器布置在高温烟道中，大型锅炉的过热器往往分为若干段，在各段之间设置喷水减温器，即采用过热汽温的分段控制，温度控制用减温水由锅炉的给水系统提供。课程设计用纸8其示意图如图2—1所示。图2-1过热汽温喷水减温系统示意图图中，2为过热器出口蒸汽温度，它是控制系统的被调量；1为减温器出口的蒸汽温度；D是过热蒸汽流量；Wi是减温器的喷水量，它是控制系统的调节量。2.3.1静态特性过热汽温调节对象的静态特性指汽温随锅炉负荷变化的静态关系。锅炉过热器由对流式过热器和辐射式过热