畢業(yè)設計--125mw中間再熱燃煤機組的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設計

1、<p><b>　　引 言</b></p><p>　　電力工業(yè)的發(fā)展，高參數(shù)大容量的火力發(fā)電機組在電網(wǎng)中所占的比例越來越大，電網(wǎng)因用電結(jié)構(gòu)變化，負荷峰谷差逐步加大，因此要求大型機組具有帶變動負荷運行的能力，以便迅速變化滿足負荷變化的需要及參加電網(wǎng)調(diào)頻。</p><p>　　大型的機組都是以鍋爐、汽輪機組成單元機組方式運行，機、爐之間相互聯(lián)系緊密，成為一個

2、不可分割的整體。因此，必須將二者作為一個聯(lián)合的條件對象進行控制，又由于外部負荷變化時，機、爐的動態(tài)響應特性差別比較大，控制系統(tǒng)應該考慮兩者的特點做適當?shù)姆止f(xié)調(diào)，以提高機組適應負荷變化和保持內(nèi)部能量平衡的能力，所以協(xié)調(diào)控制就成為必然的趨勢，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制策略設計直接決定了協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的調(diào)試及控制品質(zhì)。</p><p>　　目前，大型單元機組已承擔了絕大多數(shù)的負荷。在單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中讓機、爐同時按照電網(wǎng)負

3、荷的要求變化，接收外部負荷的指令，根據(jù)主要運行參數(shù)的偏差，協(xié)調(diào)進行控制，從而在滿足電網(wǎng)負荷要求的同時，盡最大可能發(fā)揮機組的調(diào)頻、調(diào)峰能力，保持主要運行參數(shù)的穩(wěn)定。因此，單元機組為了保證運行的高度安全、經(jīng)濟、穩(wěn)定，對其自動化水平提出了更高的要求。</p><p>　　火電廠大型的單元機組控制對象為強耦合、時變、滯后大的復雜系統(tǒng)，當各種擾動作用時，導致控制對象參數(shù)不確定，模型難于準確建立。目前國內(nèi)外對大型單元機組的研

4、究投入了大量人力物力，但進展不大，應用主要控制策略仍為傳統(tǒng)的PID控制，很難使機組達到最佳狀態(tài)。因此，我們有必要不斷的探索，以尋求更好的控制策略，來滿足日益提高的電力系統(tǒng)要求。</p><p>　　第一章 單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)</p><p>　　1.1 單元機組協(xié)調(diào)控制的發(fā)展</p><p>　　國民經(jīng)濟不斷增長，增加了對能源的需求量，電力工業(yè)逐漸發(fā)展為大電網(wǎng)

5、、大機組、高參數(shù)、高度自動化。由于高參數(shù)，大容量機組發(fā)展迅速，裝機容量日益增多，因此對機組的自動化需求也日益提高。</p><p>　　與其它工業(yè)生產(chǎn)過程相比，電力生產(chǎn)過程更加要求保持生產(chǎn)的連續(xù)性，高度的安全性和經(jīng)濟性。單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)已成為大型單元機組普遍采用的一種控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)把自動調(diào)節(jié)、邏輯控制、安全保護、監(jiān)督管理融為一體，具有功能完善、技術(shù)先進、可靠性高等特點，在工程應用中，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)能否成功的投

6、入和運行，發(fā)揮其應有的功能，取決于機組主設備的可控性、系統(tǒng)控制設備的性能及可靠性、系統(tǒng)設計與整定的合理性等因素。大型單元機組從設計、制造、安裝都充分考慮到機組自動控制方面的需要，使機組可靠性得到了不斷改善和提高，為機組自動化水平的提高奠定了基礎。</p><p>　　單元機組自動控制系統(tǒng)主要包括自動檢測與監(jiān)視系統(tǒng)、自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)、自動保護系統(tǒng)等等。</p><p>　　自動檢測

7、與監(jiān)視系統(tǒng)：把反映運行工況的物理參數(shù)，比如、壓力、流量、轉(zhuǎn)速、位移、成分等，以及反映設備運行狀態(tài)的物理參數(shù)，比如設備運行/停止、刀閘接通/斷開、閥門開啟/關閉等進行檢測。同時，也作為自動控制系統(tǒng)進行自動操作的依據(jù)。</p><p>　　自動控制系統(tǒng)：它也稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。在機組運行過程中，持續(xù)不斷的對主要運行參數(shù)進行調(diào)節(jié)，克服內(nèi)部和外部各種擾動，維持各項參數(shù)在規(guī)定范圍內(nèi)。</p><p>

8、　　程序控制系統(tǒng)：它也叫做順序控制系統(tǒng)。某些生產(chǎn)設備需要依照既定的操作步驟和順序進行一系列的操作，例如主輔機設備的順序的啟停等。</p><p>　　自動保護系統(tǒng)：為了確保設備安全，在發(fā)生故障時能夠自動地完成必要操作，使故障及時排除或防止故障擴大。例如汽輪機保護系統(tǒng)、鍋爐保護系統(tǒng)、繼電保護系統(tǒng)。</p><p>　　1.2 單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的基本概念</p><p

9、>　　1.2.1 單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)概述</p><p>　　1．協(xié)調(diào)控制的基本概念</p><p>　　單元機組的輸出電功率與負荷要求是否一致反映了機組與外部電網(wǎng)之間能量供求的平衡關系；主汽壓力反應了鍋爐和汽輪發(fā)電機組之間能量供求的平衡關系。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)就是為完成這兩種平衡關系而設置的。使機組對外保證有較快的負荷響應和一定的調(diào)節(jié)能力，對內(nèi)保證主要運行參數(shù)穩(wěn)定的系統(tǒng)稱為協(xié)調(diào)控制

10、系統(tǒng)。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)（Coordinated Concror system-----CCS）,使將單元機組的鍋爐和汽輪發(fā)電機作為一個整體進行控制的系統(tǒng)。</p><p>　　生產(chǎn)過程是否正常進行，通常是用一些物理量來表征（例如：汽輪發(fā)電機的參數(shù)、鍋爐的汽壓、汽溫、爐膛負壓、煙氣成分、汽包水位等）。當這些物理量偏離所希望維持的數(shù)值時，就表示生產(chǎn)過程離開了規(guī)定工況，必須加以調(diào)節(jié)。因為調(diào)節(jié)的任務就是使表征生產(chǎn)過程是否

11、正常進行的這些物理量保持在所希望的數(shù)值上。而這種數(shù)值的控制中，協(xié)調(diào)控制是一種重要的方法。</p><p>　　從大系統(tǒng)理論出發(fā)，協(xié)調(diào)控制是一種解決大系統(tǒng)控制問題的基本策略。而大系統(tǒng)是指由若干相互關聯(lián)的子系統(tǒng)組成的復雜系統(tǒng)。應用大系統(tǒng)理論解決控制問題的基本方法就是分解-協(xié)調(diào)的方法。所謂分解是把大系統(tǒng)化為若干子系統(tǒng)，以便進行分塊處理與控制，求得各子系統(tǒng)的局部最優(yōu)解；而協(xié)調(diào)則是從系統(tǒng)的全局出發(fā)，合理地調(diào)整各子系統(tǒng)之間的

12、和諧與統(tǒng)一，進而得到整個大系統(tǒng)的最優(yōu)解。</p><p>　　大系統(tǒng)中包含的各子系統(tǒng)之間相互關聯(lián)的結(jié)構(gòu)有多種多樣的形式，其中最為普遍的形式是遞階結(jié)構(gòu)，也稱為多級控制。在這種遞階的結(jié)構(gòu)中，各子系統(tǒng)處于不同級別的層次中，并具有不同的功能。如圖1-1，處于上位協(xié)調(diào)的協(xié)調(diào)控制器職能，就如同總公司的董事長，其下協(xié)調(diào)級的控制器就相當于各子公司的總裁，處于局部控制級的控制器則相當于各部門的經(jīng)理。</p><

13、p>　　圖1-1 遞階控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　常規(guī)的自動控制系統(tǒng)是汽輪機和鍋爐分別控制。汽輪機調(diào)節(jié)機組負荷和轉(zhuǎn)速，機組負荷的變化必然會反映到機前主蒸汽壓力的變化，即機前主蒸汽壓力反映了機爐之間的能量平衡。主蒸汽壓力的控制由鍋爐燃燒調(diào)節(jié)系統(tǒng)來完成，燃燒調(diào)節(jié)系統(tǒng)一般又分為主蒸汽壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、送風氧量調(diào)節(jié)系統(tǒng)、爐膛負壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)等子系統(tǒng)。隨著單元機組容量的不斷增大、電網(wǎng)容量的增加和電網(wǎng)調(diào)頻、調(diào)峰要求

14、的提高以及自身穩(wěn)定（參數(shù)）運行要求的提高，常規(guī)的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)已很難滿足單元機組既參加電網(wǎng)調(diào)頻、調(diào)峰，又穩(wěn)定機組自身運行參數(shù)這兩個方面的要求，因此必須將汽輪機和鍋爐視為一個統(tǒng)一的控制對象進行協(xié)調(diào)控制。所謂協(xié)調(diào)控制，是指通過控制回路協(xié)調(diào)汽輪機和鍋爐的工作狀態(tài)，同時給鍋爐自動控制系統(tǒng)和汽輪機自動控制系統(tǒng)發(fā)出指令，以達到快速響應負荷的目的，盡最大可能發(fā)揮機組的調(diào)頻、調(diào)峰能力，穩(wěn)定運行參數(shù)[1]。</p><p>　　單元

15、機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是在常規(guī)機爐局部控制系統(tǒng)基礎上發(fā)展起來的新型控制系統(tǒng)。單元機組在處理負荷要求并同時維持機組主要運行參數(shù)的穩(wěn)定這兩個問題時，是將機爐作為一個整體來看待的。然而汽機、鍋爐又是相對獨立的，它們通過各自的調(diào)節(jié)手段，如汽輪機調(diào)節(jié)閥開度、鍋爐燃燒率，滿足電網(wǎng)負荷的要求及主參數(shù)的穩(wěn)定，但它們的能力不盡相同，主要表現(xiàn)在鍋爐調(diào)節(jié)的相對滯后，如果在設計控制系統(tǒng)時能充分考慮它們的差異，采取某些措施（如引入某些前饋信號、協(xié)調(diào)信號），讓機爐同時按

16、照電網(wǎng)負荷的要求變化，接收外部負荷的指令，根據(jù)主要參數(shù)的偏差，協(xié)調(diào)地進行控制，這樣的控制系統(tǒng)稱為協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。</p><p>　　協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是由負荷指令處理回路、機爐主控制回路、主壓力設定回路三部分組成。負荷指令處理回路接收中調(diào)指令、操作員指令和頻率偏差指令，通過選擇和計算，再根據(jù)機組主輔機運行情況，發(fā)出機組實際負荷指令，送給機爐主控制回路，改變調(diào)節(jié)閥的開度和鍋爐燃燒率。機前壓力設定回路，由運行人員選擇定壓/

17、滑壓運行方式，經(jīng)幅值和變化率處理后形成合適的機前壓力設定點，保證機組處于穩(wěn)定、經(jīng)濟的運行工況。</p><p>　　2．單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)</p><p>　　單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如下圖1-2所示。圖中只給出了單元機組鍋爐和汽輪發(fā)電機組最主要的控制系統(tǒng)部分。單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)可認為是一種二級遞階控制系統(tǒng)。處于上位級的機爐協(xié)調(diào)級，也叫作單元機組主控系統(tǒng)，是整個系統(tǒng)的核心部分。

18、處于局部控制級的子系統(tǒng)包括鍋爐燃料控制系統(tǒng)，風量控制系統(tǒng)，汽輪機功率/頻率調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以及直流鍋爐的給水控制系統(tǒng)。單元機組主控系統(tǒng)產(chǎn)生指揮機爐控制器動作的鍋爐指令和汽機指令。局部控制級的控制器執(zhí)行主控系統(tǒng)發(fā)出的指令，完成指定的控制任務。</p><p>　　1.2.2 單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的基本要求</p><p>　　1．機組并網(wǎng)運行時，應使機組滿足電網(wǎng)對機組負荷的要求，并具有較高的負荷

19、適應能力。在調(diào)節(jié)過程中，各調(diào)節(jié)機構(gòu)的動作不應過分頻繁，不致出現(xiàn)過分超調(diào)。</p><p>　　2．保證機組運行安全。當主機或主要輔機設備故障時，應自動采取相應的措施，把故障限制在最小的范圍內(nèi)，保證設備安全的前提下，不致使機組全停。負荷變更時，變更幅度和速度必須限制在安全允許的范圍內(nèi)。</p><p>　　3．對于允許滑壓運行的單元機組，其協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)應能滿足定壓和滑壓不同運行方式的需要。&

20、lt;/p><p>　　4．具有機爐間協(xié)調(diào)與能量平衡，實時監(jiān)視主機、輔機的運行能力。</p><p>　　5．系統(tǒng)要方便于運行人員的干預，保證任何一臺執(zhí)行器手動、自動切換的自平衡、無擾動。</p><p><b>　　中調(diào)指令</b></p><p>　　操作員指令 頻差指令</p><p&g

21、t;<b>　　汽機指令 </b></p><p><b>　　鍋爐指令 </b></p><p>　　進 燃 風 給 </p><p>　　汽 料 量 水 </p><p>　　

22、量 量 量 </p><p>　　圖1-2 單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)框圖</p><p>　　1.2.3 單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的特點</p><p>　　單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是在常規(guī)機爐控制系統(tǒng)基礎上發(fā)展起來的，其主要特點包括以下幾個方面：</p><p>　　1．系統(tǒng)結(jié)構(gòu)先進。

23、采用了遞階控制結(jié)構(gòu)，機爐協(xié)調(diào)控制器是一個多變量控制器，采用了前饋、反饋、補償以及變結(jié)構(gòu)控制等技術(shù)，充分利用了機爐動態(tài)特性的特點，克服系統(tǒng)內(nèi)部耦合和非線性特性。</p><p>　　2．系統(tǒng)功能完善。除了正常工況下的連續(xù)調(diào)節(jié)之外，系統(tǒng)根據(jù)需要設計了一整套邏輯控制系統(tǒng)。</p><p>　　3．系統(tǒng)可靠性高。通過設置安全保護系統(tǒng)和采取一系列可靠性措施，可獲得很高的系統(tǒng)可靠性[2]。</p

24、><p>　　1.2.4 單元機組協(xié)調(diào)控制的任務</p><p>　　單元機組協(xié)調(diào)控制的任務有三項:又能迅速協(xié)調(diào)鍋爐、汽輪機之間的能量供求關系，使輸入機組的熱能盡快與機組的輸出功率相適應；而且在各種運行工況下，確保機組安全穩(wěn)定運行。</p><p>　　協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的任務是協(xié)調(diào)地控制鍋爐燃料量、送風量、給水量等，以及汽輪機閥門開度，使機組既能保證機組輸出功率迅速滿足電

25、網(wǎng)的要求，又能保證機組運行穩(wěn)定。</p><p>　　1.3 單元機組的運行方式</p><p>　　單元機組的運行方式有定壓運行和滑壓運行兩種。定壓運行是指無論機組負荷怎樣變動，始終維持主蒸汽壓力以及主蒸汽溫度為額定值，通過改變汽輪機調(diào)節(jié)門的開度，改變機組的輸出功率。滑壓運行則是始終保持汽輪機調(diào)節(jié)汽門全開，在維持主蒸汽溫度恒定的同時，通過改變主蒸汽壓力改變機組的輸出功率。</p&

26、gt;<p>　　1.3.1 滑壓運行</p><p>　　采用滑壓運行方式和滑壓參數(shù)啟停是單元機組具有的特點之一。單元機組在滑壓運行方式下保持主汽門和調(diào)節(jié)汽門全開。外界負荷變化時，通過調(diào)節(jié)鍋爐的燃料、風量、給水以及相應的輸入量，改變鍋爐的輸入量，改變鍋爐的蒸發(fā)量，進而改變汽輪機的進氣壓力，在維持汽溫為額定值的前提下，使進入汽輪機蒸汽能量改變，使汽輪發(fā)電機組的輸出功率適應外界負荷的需求。</

27、p><p>　　由于鍋爐設備內(nèi)部具有很大的蓄熱能力，熱慣性也大。當外界負荷需求變化時，雖然改變了鍋爐的能量輸入，但直到鍋爐輸出蒸汽能量的變化，還要經(jīng)過一段滯后時間和慣性過程。這就會使滑壓運行方式下，機組難以快速地響應。另外，如果使汽輪機總是處于全開位置，當電網(wǎng)頻率波動時，機組就不可能通過調(diào)節(jié)進汽量，參與電網(wǎng)的一次調(diào)頻。所以不要使汽輪機的調(diào)節(jié)汽門處于全開位置，而是留出一定的調(diào)節(jié)余地。</p><p&

28、gt;　　滑壓運行方式具有以下主要特點：</p><p>　　1．汽輪機調(diào)節(jié)汽門保持近似全開將會使進汽節(jié)流損失降低。</p><p>　　2．在部分負荷下主蒸汽和再熱蒸汽的壓力降低，容易保持蒸汽溫度不變。</p><p>　　3．部分負荷下給水泵的功耗比定壓運行時小。</p><p>　　4．負荷越低，滑壓運行的經(jīng)濟性越顯著。</p&g

29、t;<p>　　5．調(diào)峰停機后再啟動快，可降低啟動損耗。</p><p>　　1.3.2 定壓運行</p><p>　　定壓運行方式的基本特征是機組負荷在任何穩(wěn)定工況下，均保持主蒸汽壓力和溫度為額定值。定壓運行機組的運行方式有鍋爐跟隨、汽機跟隨、協(xié)調(diào)控制方式三種。</p><p><b>　　1．鍋爐跟隨方式</b></p

30、><p>　　汽機控制手動，汽機調(diào)節(jié)器接受功率給定值與實發(fā)功率反饋信號，根據(jù)它們之間的偏差，調(diào)節(jié)汽門開度，從而改變進汽量，使發(fā)電機輸出功率迅速滿足負荷要求。鍋爐主控制器自動，鍋爐調(diào)節(jié)器接受機前壓力定值的機前壓力反饋信號，根據(jù)偏差，調(diào)整燃料量，從而保證主汽壓力穩(wěn)定。如圖1-3所示。</p><p>　　圖1-3 鍋爐跟隨方式</p><p>　　所以，在鍋爐跟隨系統(tǒng)中，

31、快速的功率響應和較大的主汽壓力偏差是同時存在的，這就是由于鍋爐跟隨系統(tǒng)機組功率對汽機側(cè)調(diào)節(jié)作用的響應迅速，當負荷要求變化時，本系統(tǒng)通過改變汽機調(diào)節(jié)閥開度，充分利用機組蓄能，就可以得到機組功率的快速響應。但是，這是以犧牲主蒸汽壓力為代價的，又因為在鍋爐側(cè)的調(diào)節(jié)作用下，主汽壓力的響應有較大慣性。為了減小主汽壓力的波動，以鍋爐跟隨為基礎的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)可以采用機前壓力的定值與機前壓力的反饋值之間的偏差信號，通過函數(shù)模塊（死區(qū)特性），作用在汽機調(diào)

32、節(jié)器的輸出端。當汽壓偏差超過非線性模塊的不靈敏區(qū)時，汽機調(diào)節(jié)器發(fā)出的調(diào)節(jié)閥開度指令將受到限制。</p><p><b>　　2．汽機跟隨方式</b></p><p>　　當機組負荷發(fā)生變化時，通過鍋爐調(diào)節(jié)器控制燃料量。機前壓力改變后，按機前壓力與給定值的偏差，通過汽機調(diào)節(jié)器改變汽輪機調(diào)節(jié)閥開度，從而改變機組功率。如圖1-4所示。</p><p>

33、;　　汽機跟隨為基礎的協(xié)調(diào)的控制系統(tǒng)，可以在汽機調(diào)節(jié)器前，加入功率偏差的前饋信號，其原理是利用鍋爐的蓄能，同時允許汽壓在一定范圍內(nèi)波動。功率偏差信號（NO-NE）可以看作是暫時改變的汽機調(diào)節(jié)器的給定值，當（PO- PT）>0時，汽壓給定值降低，汽壓調(diào)節(jié)器發(fā)出開大調(diào)節(jié)閥的指令，增加輸出功率，反之亦然，當函數(shù)模塊F（x）=0時，前饋作用不存在。</p><p>　　圖1-4 汽機跟隨方式</p>

34、<p><b>　　3．協(xié)調(diào)控制方式</b></p><p>　　鍋爐和汽機同時接受負荷指令，并按一定的策略去協(xié)調(diào)鍋爐和汽機之間的控制。鍋爐主控制器自動，保證主汽壓，同時接受負荷指令的前饋信號；汽機主控制器自動，保證機組功率。負荷指令作為機組功率設定值。對于單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)控制質(zhì)量的評價，主要根據(jù)以下兩方面進行：其一是能否盡快地響應電網(wǎng)對機組的負荷要求；其二是在內(nèi)、外擾動作用

35、下，機爐控制回路能否協(xié)調(diào)工作和能否使汽壓偏差和功率偏差盡可能減小，如圖1-5所示。</p><p>　　幾種不同的運行方式間可以靈活的進行切換，鍋爐出力受限制時，切至汽機跟隨方式；當汽機出力受限制時，切至鍋爐跟隨方式。</p><p>　　任何一種運行方式的選擇均要求所需要的子系統(tǒng)已被選擇在自動方式；任何子系統(tǒng)的自動方式的切除，都將導致協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)到與之相適應的自動級。當機組負荷發(fā)生變化

36、時，通過鍋爐調(diào)節(jié)器控制燃料量[3]。</p><p>　　圖1-5 協(xié)調(diào)控制方式</p><p>　　1.4 單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)各部分功能介紹</p><p>　　單元發(fā)電機組是由鍋爐、汽輪發(fā)電機和輔助設備組成的龐大的設備群。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)包括機組主控、鍋爐主控和汽輪機主控，下面作具體介紹。</p><p>　　1.4.1 鍋爐主控&l

37、t;/p><p>　　鍋爐定值通過鍋爐主控器設定，鍋爐主控器可根據(jù)不同的運行方式可以自動或手動。</p><p>　　1．當所有依賴鍋爐主控器的控制回路都在自動時，它可以手動；反之，鍋爐控制都在手動時，它不能手操，而只跟蹤燃料量。</p><p>　　2． 在汽輪機跟隨方式時，鍋爐主控器可以手操也可以自動，由運行員選擇。當在自動時，運行員通過手動負荷設定器改變負荷定值。

38、</p><p>　　3. 鍋爐跟隨方式，鍋爐主控器只能自動運行，它的輸入信號是壓力定值與汽輪機閥位開度的乘積所代表的直接能量平衡信號。</p><p>　　4. 在協(xié)調(diào)控制方式運行時，鍋爐主控器也只能自動運行，它的輸出就是燃料量和風量調(diào)節(jié)的定值。</p><p>　　1.4.2 機組主控</p><p><b>　　1．負荷信號

39、</b></p><p>　　（1）在協(xié)調(diào)和汽輪機跟隨運行方式時，負荷信號由運行人員在“手動負荷設定器”上人工設置。當機組切換到自動發(fā)電控制時，機組接受電網(wǎng)的自動調(diào)度信號。機組上的上述負荷需求信號要受到負荷限值（最大/最小負荷限值及發(fā)生RUN BACK、RUN UP/RUN DOWN等）對負荷需求設定值的限制，負荷指令的變化亦要受到人工設定速率或汽輪機熱應力的限制。當機組參加電網(wǎng)一次調(diào)頻，還要迭加上頻

40、差部分的負荷指令，這時機組主控輸出為機組負荷需求指令，同時送往鍋爐和汽輪機主控。</p><p>　?。?）鍋爐跟隨方式時，機組負荷指令由汽輪機主控器設置。</p><p><b>　　2. 負荷定值控制</b></p><p>　　當機組能力和負荷需求不相適應時，應根據(jù)機組實際能力對負荷定值做一定限制。</p><p>

41、;　　圖1-6 負荷指令管理中心的結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　（1）與機組負荷相關的主要運行參數(shù)而引起強迫增（RUN UP）、強迫減（RUN DOWN）；機組負荷超出了主、輔機的安全運行，這種迫降負荷既稱RUN DOWN；當上述各值超出各自運行的下限值時，則要發(fā)生迫升負荷，即RUN UP。</p><p>　?。?）輔機故障負荷RUN BACK是指機組的主要輔機發(fā)生故障時，自動將負荷&l

42、t;/p><p>　　減到和主要輔機負載能力相適應的負荷水平。主要輔機故障指：部分風機（送風機、引風機、一次風機）故障、給水泵故障、磨煤機故障、鍋水循環(huán)泵故障等。發(fā)生主軸開關跳閘所引起的大幅度甩負荷，為維持汽輪機電廠用電或空負荷運行而導致的RUN BACK稱FCB。</p><p>　　3．機組主控進行操作的內(nèi)容</p><p>　　（1）選擇機組運行方式；</p

43、><p>　?。?）設置機組需求負荷；</p><p>　?。?）設置負荷變動率；</p><p>　?。?）設置機組負荷最大/最小值；</p><p>　?。?）電網(wǎng)調(diào)度信號的切換；</p><p>　?。?）電網(wǎng)頻率信號的切換。</p><p>　　1.4.3 汽輪機入口壓力定值</p&

44、gt;<p>　　根據(jù)機組負荷情況，可選擇定壓或滑壓運行，汽輪機入口壓力（或主汽壓力）的定值一般是負荷的函數(shù)（如圖1-7所示）。</p><p><b>　　16．68</b></p><p><b>　　壓 15</b></p><p><b>　　力</b></p>

45、<p><b>　　定 </b></p><p><b>　　值 10 </b></p><p><b>　　MPa</b></p><p><b>　　6．68</b></p><p><b>　　5 </b>&

46、lt;/p><p>　　29 75 100</p><p><b>　　負荷指令（%）</b></p><p>　　圖1-7 主汽壓力定值與負荷指令的關系曲線</p><p>　　1.4.4 汽輪機主控</p><p>

47、;　　當DEH裝置在遠方控制方式時，汽輪機主控才能通過DEH起調(diào)節(jié)作用。</p><p>　　1．當選擇協(xié)調(diào)運行方式時，電功率（需求負荷）為設定值，實測電功率和需求</p><p>　　負荷相比較，其偏差經(jīng)汽壓偏差修正，然后經(jīng)PI處理去改變汽輪機調(diào)節(jié)汽門開度，達到消除功率偏差的目的。</p><p>　　2．當選擇了汽輪機跟隨方式，汽輪機進汽壓力在設定值，實測進汽壓

48、力與設定值相比較，其偏差經(jīng)汽輪機壓力控制器去改變汽輪機調(diào)節(jié)汽門開度，達到消除壓力偏差的目的。</p><p>　　3．當選擇了鍋爐跟隨和手動方式時，運行員直接在汽輪機主控器上操作來增加</p><p>　　負荷，得到所需要的電功率。汽輪機調(diào)節(jié)汽門需求位置與實際開度的偏差送到DEH系統(tǒng)去修正閥位，最后達到平衡[3]。</p><p>　　1.5 單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)

49、的分類</p><p>　　目前，各種不同單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設計，都是從處理快速負荷響應和主要參數(shù)運行穩(wěn)定這一矛盾出發(fā)的，只是汽輪機、鍋爐控制系統(tǒng)的任務及相互間的聯(lián)系信號不同，具體方案各異而已。一般協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)可按反饋和前饋回路不同進行分類。</p><p>　?。?）按反饋回路分類： ① 汽輪機跟隨鍋爐為基礎的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)</p><p>　?、?鍋爐跟隨汽

50、輪機為基礎的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)</p><p>　?。?）按前饋回路分類： ① DIB：指令信號間接平衡</p><p>　　② DEB：能量直接平衡系統(tǒng)</p><p>　　另一種分類方法是從能量平衡的觀點出發(fā)，把協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)劃分為直接能量平衡（DEB）和間接能量平衡（IEB）兩大類。</p><p>　　（3）按能量平衡分類： ① 直接能量

51、平衡（DEB） </p><p>　?、?間接能量平衡（IEB）</p><p>　?、?直接能量平衡協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)</p><p>　　直接能量平衡協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是以汽輪機能量平衡需求信號直接對鍋爐輸入能量進行控制的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，基本出發(fā)點是在任何工況下均保證鍋爐能量的輸入與汽輪機能量的需求相平衡。主要特點是采用能量平衡信號PS×P1/Pt取代功率給定信號，

52、作為控制回路的前饋信號，P1為汽機調(diào)速級后壓力，直接反映的是進汽流量也就是機組負荷，Pt為機前壓力也就是自動主汽門前壓力，PS為機前壓力設定值，P1/Pt與汽機調(diào)節(jié)閥開度成正比，無論什么原因引起的調(diào)節(jié)閥開度變化，該值都能做出靈敏的反映，無論在靜態(tài)還是動態(tài)，PS×P1/Pt可以表征定壓運行或滑壓運行等不同運行工況下汽機的能量輸入（亦即汽機對鍋爐的能量需求），從而調(diào)節(jié)鍋爐的風/煤輸入指令。燃煤機組的燃料量如采用給粉機轉(zhuǎn)速或給煤率等

53、信號來直接測量，易受制粉系統(tǒng)延遲、煤質(zhì)變化等諸多干擾的影響。在燃煤汽包鍋爐DEB控制系統(tǒng)中，無論是直吹式或中間粉倉制粉系統(tǒng)，都采用熱量信號作為燃料量反饋，提供了一個在穩(wěn)態(tài)或動態(tài)工況下都適用的燃煤量工程測量方法。</p><p>　?、?間接能量平衡協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)</p><p>　　協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是在簡單的機爐控制系統(tǒng)的基礎上發(fā)展的。按控制方式的不同，這種簡單的機爐控制系統(tǒng)可分為機跟爐方式和爐

54、跟機方式兩種。在機跟爐系統(tǒng)中，機組輸出功率由鍋爐給定，汽輪機主汽門開度調(diào)節(jié)主蒸汽壓力。其主要缺點是對機組負荷變化需求的響應速度慢。當鍋爐側(cè)產(chǎn)生內(nèi)部擾動時，機前壓力PT和輸出功率N的變化將引起主汽門開度和燃料量的同時動作，最終導致輸出功率長時間的波動甚至振蕩，因而機跟爐方式既不適用于帶變動負荷的運行工況，也缺乏有效抑制鍋爐側(cè)內(nèi)部擾動的能力。在爐跟機系統(tǒng)中，充分利用了機組內(nèi)部蓄熱能量，機組對負荷變化需求的響應性好，但是維持機爐能量的平衡，最

55、終要由鍋爐輸入量的改變，保持機前壓力。若沒有考慮機爐對象的耦合性，系統(tǒng)品質(zhì)會不理想；若調(diào)節(jié)器參數(shù)整定不當，可能會使系統(tǒng)振蕩、不穩(wěn)定。</p><p>　　單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)吸收了機跟爐、爐跟機控制的特點，提高了系統(tǒng)的控制品質(zhì)[2]。</p><p>　　第二章 單元機組數(shù)學模型的動態(tài)分析</p><p>　　2.1 單元機組數(shù)學模型的動態(tài)分析</p>

56、;<p>　　大型單元機組控制系統(tǒng)是一種多變量復雜控制系統(tǒng)，滯后大，受控過程是一個多輸入多輸出過程。在輸入和輸出之間存在著交叉的關聯(lián)和耦合。只有通過合理的簡化與近似處理，采用理論建?；?qū)嶒灥姆椒ǎ拍芙⑵饾M足一定精度要求的動態(tài)特性數(shù)學模型。</p><p>　　汽包鍋爐單元機組可簡化為一個具有雙輸入雙輸出的被控對象。如圖2-1所示。圖中，機組的輸出功率和機前壓力為被控量；主汽門調(diào)節(jié)閥開度和燃料量為

57、控制量。WNT和WNB分別為發(fā)電機實發(fā)功率對調(diào)門開度和燃料量的傳遞函數(shù)；WPT和WPB分別為機前壓力對調(diào)門開度和燃料量的傳遞函數(shù)。這種合理簡化的前提是：</p><p>　　1．送風量與燃料量相適應，保持燃燒穩(wěn)定；</p><p>　　2．引風量與送風量相適應，保持爐膛壓力；</p><p>　　3．給水量通過保持汽包水位進行控制，使給水流量與蒸汽流量相平衡；<

58、;/p><p>　　4．主蒸汽溫度控制相對獨立。</p><p>　　圖2-1 單元機組負荷控制對象數(shù)學模型</p><p>　　在保證上述條件的基礎上，進一步假定：</p><p>　　1．考慮單元機組在額定工況下的小擾動特性，即作為線性系統(tǒng)處理。</p><p>　　2．把分布的傳熱過程，分布的管道阻力視為集中傳熱，

59、集中管道阻力，即作為集中參數(shù)系統(tǒng)處理。</p><p>　　在此基本假設條件下，單元機組受控過程動態(tài)特性可由下式表示：</p><p>　　單元機組負荷控制對象的階躍響應特性如圖2-2所示：</p><p>　　圖2-2 階躍響應特性圖</p><p>　　單元機組動態(tài)特性分析：</p><p>　　1．燃燒率擾動下

60、，主蒸汽壓力和輸出功的動態(tài)特性如下：</p><p>　　當汽輪機調(diào)門開度不變，而發(fā)生階躍擾動時，主蒸汽壓力和輸出電功率的響應曲線如圖2-2（a）所示。增加鍋爐的燃燒率，必定使鍋爐蒸發(fā)受熱面的吸熱量增加，汽壓經(jīng)過延遲后逐漸升高。由于汽輪機調(diào)門開度保持不變，進入汽輪機的蒸汽流量增加，從而自發(fā)的限制了汽壓的升高。當蒸汽流量與燃燒率達到新的平衡時，汽壓P就趨于一個較高的新穩(wěn)態(tài)值，具有自平衡能力。由于蒸汽流量的增加使汽輪

61、機輸出功率增加，輸出電功率N也增加。當蒸汽流量不變時，輸出電功率也趨于一個較高的新穩(wěn)態(tài)值，具有自平衡能力。</p><p>　　2．調(diào)門開度擾動下主蒸汽壓力和輸出功率的動態(tài)特性如下：</p><p>　　當鍋爐燃燒率保持不變，而發(fā)生階躍擾動時，主蒸汽壓力和功率的響應曲線如圖2-2（b）所示。汽輪機調(diào)門開度階躍增加后，一開始進入汽輪機的蒸汽流量立刻成比例增加，同時汽壓P也隨之立刻階躍下降（階

62、躍下降的大小與蒸汽流量的階躍增量成正比，且與鍋爐的蓄熱量大小有關）。由于燃燒率保持不變，所以蒸發(fā)量也不變。蒸汽流量的增加是因為鍋爐汽壓下降而釋放出一部分蓄熱，這只是暫時的。最終，蒸汽流量仍恢復到與燃燒率相適應的擾動前的數(shù)值，主蒸汽壓力也逐漸趨于一個較低的新穩(wěn)態(tài)值。因蒸汽流量在過渡過程中有暫時的增加，故輸出功率相應也有暫時的增加。最終，輸出功率也隨蒸汽流量恢復到擾動前的數(shù)值?？梢钥闯?，機組增加負荷時，初始階段所需的蒸汽量主要是由于鍋爐釋放

63、蓄熱量而產(chǎn)生的。通過以上分析，可以看出負荷控制對象的動態(tài)特性的特點是：當汽輪機調(diào)門開度動作時，被控量和的響應都很快，即熱慣性?。划斿仩t燃燒率改變時，和的響應都很慢，即熱慣性大，一快一慢就是機爐對象動態(tài)特性方面存在的較大差異[8]。</p><p>　　2.2 機爐動態(tài)特性的基本特征</p><p>　　構(gòu)成單元機組受控對象的設備是鍋爐和汽輪發(fā)電機組兩大部分。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設計時，主要針對一

64、個雙輸入、雙輸出的受控對象。通過對機爐內(nèi)在機理的分析，可以看出其動態(tài)特性方面的以下基本特征。</p><p>　　1．在鍋爐控制量作用下，輸出被控量和的響應是一個慢速的慣性過程。而在汽輪機控制量的作用下，輸出被控量和的響應則是一個快速的過程。</p><p>　　2．由于鍋爐的熱慣性比汽輪發(fā)電機組的慣性大得多，使得輸出被控量和對于的響應速度十分接近，表現(xiàn)為傳遞函數(shù)矩陣中與之間十分相似的特性

65、。</p><p>　　3．根據(jù)以上機爐特性的基本特征，利用汽輪機調(diào)門開度作為控制量，可以快速的改變機組的被控量和。其實質(zhì)是利用了機組內(nèi)部的蓄熱，主要是鍋爐內(nèi)部的蓄熱。機組容量越大，相對的這種蓄熱能力越小。因而，利用汽輪機調(diào)節(jié)門控制機組輸出功率的方法只是一種有限的、暫態(tài)的策略。</p><p>　　2.3 控制系統(tǒng)對模型精度的要求</p><p>　　同控制理論和

66、算法對模型的要求是不同的。因不而，建模的目的以及對模型精度的要求應依據(jù)模型應用的要求而定。分析受控過程的基本特性，掌握其內(nèi)在最主要、最本質(zhì)的特征，對于設計出合理的控制系統(tǒng)是十分重要的。如前所述，單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，把機爐作為一個整體，針對機爐對象的特性，運用反饋、前饋、補償以及多變量解耦等控制理論方法，構(gòu)成功能完備、結(jié)構(gòu)簡單可靠的控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)對過程模型精度方面的要求并不是很高的[4]</p><p>　　

67、第三章 多變量系統(tǒng)的解耦設計</p><p><b>　　3.1 概述</b></p><p>　　對于多變量控制系統(tǒng)，通過變量的配對選擇，可降低各回路間的耦合。然而若經(jīng)配對選擇，仍存在嚴重耦合，則需要考慮解耦設計，解耦設計的基本原理在于設置一個補償網(wǎng)絡，用以抵銷存在于各回路間的關聯(lián)，以使各被調(diào)量能實現(xiàn)單變量控制。這種理論和方法物理概念清晰，使用的數(shù)學工具較少，與

68、單變量控制理論緊密銜接，便于工程技術(shù)人員掌握，因而，在工業(yè)過程控制中應用比較廣泛。</p><p>　　3.2 解耦方法簡介</p><p>　　控制系統(tǒng)解耦的基本原理是設置一個合理的補償網(wǎng)絡，分全解耦和單向解耦，所謂全解耦，對于雙變量來說，簡單的來說就是指兩個輸入信號對控制對象能夠分別控制，能夠完全的解除系統(tǒng)之間的耦合，實現(xiàn)完全單相控制；而單相解耦通過補償網(wǎng)絡只能實現(xiàn)一個變量的單相控制

69、，不能完全解除系統(tǒng)中的耦合，在實際生產(chǎn)過程中能夠得到比較滿意的控制效果。解耦方法一般有串聯(lián)補償法、反饋補償法和和差補償法。</p><p>　　3.2.1 串聯(lián)補償法</p><p>　　采用串聯(lián)補償法解耦的多變量控制系統(tǒng)如下圖所示，</p><p>　　圖3-1 串聯(lián)解耦系統(tǒng)</p><p>　　T-調(diào)節(jié)器傳遞矩陣；C-補償裝置傳遞矩陣

70、；W-被控對象傳遞矩陣；</p><p>　　U-調(diào)節(jié)器輸出向量；Y-被調(diào)量向量；G-給定值向量；M-擾動向量</p><p>　　W={Wij}為被控對象的傳遞矩陣，C={Cij}為解耦網(wǎng)絡的傳遞矩陣，對于C的設要求使其經(jīng)解耦后系統(tǒng)的等效對象的傳遞矩陣WB={Weij}為對角矩陣。即：</p><p>　　WC=We(除對角元素不為0，其余都為0)</p&g

71、t;<p>　　串聯(lián)補償法可分為：（1） 串聯(lián)前補償結(jié)構(gòu)；（2）帶調(diào)節(jié)器的串聯(lián)前補償結(jié)構(gòu)；</p><p>　?。?） 串聯(lián)后補償結(jié)構(gòu);（4）單向解耦</p><p><b>　　1．串聯(lián)前補償結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　以雙輸入雙輸出系統(tǒng)為例，在被控對象的輸入側(cè)串聯(lián)一個補償網(wǎng)絡，如圖3-2所示，這種補償方式稱之為串聯(lián)前補償

72、結(jié)構(gòu)。</p><p>　　系統(tǒng)的等效對象傳遞函數(shù)表示為：</p><p>　　（3-1） </p><p>　　圖3-2 串聯(lián)前補償結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　實現(xiàn)完全解耦的條件為：</p><p><b>　?。?-2） </b></p&

73、gt;<p>　　由上式可解出補償器的傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　實現(xiàn)解耦以后系統(tǒng)的等效對象傳遞函數(shù)為：</p><p>　?。?-4）

74、 </p><p>　　在式（3-4）中： </p><p><b>　　（3-5）</b></p><p>　　由此，可以按照單變量系統(tǒng)設計出調(diào)節(jié)器R11和R22。</p><p>　　串聯(lián)前補償解耦可以消除

75、定值x擾動時對其它回路被調(diào)量的影響，但不能對發(fā)生在對象輸入側(cè)的擾動實現(xiàn)解耦。這意味著當出現(xiàn)對象輸入擾動時，仍然會對其它回路產(chǎn)生影響，只能由各自調(diào)節(jié)回路的調(diào)節(jié)作用去消除。 </p><p>　　2．帶調(diào)節(jié)器的串聯(lián)前的補償結(jié)構(gòu)，這種解耦系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3-3所示。</p><p>　　圖3-3 帶調(diào)節(jié)器的串聯(lián)前的補償結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　推導補償環(huán)節(jié)和的傳遞函數(shù)時

76、，可以先通過簡單的框圖交換，把系統(tǒng)化為圖3-2所示的結(jié)構(gòu)，有：</p><p>　　可得完全解耦的串聯(lián)前補償器、表達式為式（5-4）：</p><p><b>　　（3-6）</b></p><p>　　進一步可得帶調(diào)節(jié)器的串聯(lián)前補償器R12、R21表達式為式(5-6)：</p><p><b>　　（3-7）

77、</b></p><p><b>　　3．串聯(lián)后補償結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　在受控對象的輸出側(cè)串聯(lián)一個解耦網(wǎng)絡，可實現(xiàn)系統(tǒng)的全解耦。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3-4所示。</p><p>　　以補償器的輸出C1、C2作為系統(tǒng)的輸出，可得到等效對象的傳遞函數(shù)矩陣為：</p><p>　　圖3-4 串聯(lián)后補償?shù)慕Y(jié)構(gòu)

78、圖</p><p>　　由解耦條件可得到補償器傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　?。?-8）</b></p><p>　　應當指出，上述解耦是補償器輸出C1、C2對定值擾動x與內(nèi)擾u的全解耦。對于實際系統(tǒng)輸出和而言，仍將受到內(nèi)擾u的交叉干擾。對于系統(tǒng)調(diào)節(jié)器而言，等效為： </p><p><b>　　其中

79、</b></p><p><b>　?。?-9）</b></p><p>　　3.2.2 反饋補償法</p><p>　　采用反饋補償法的解耦控制系統(tǒng)框圖如圖3-5所示。</p><p>　　由解耦網(wǎng)絡A組成反饋解耦回路，由于調(diào)節(jié)器輸出向量U和擾動向量M具有相同通道。因此，反饋解耦回路不僅能消除各通道間的相

80、互關聯(lián)，同時還能抑制系統(tǒng)的內(nèi)擾，實現(xiàn)對內(nèi)擾的不變性原理。解耦網(wǎng)絡A可等效成串聯(lián)解耦網(wǎng)絡，然后借助串聯(lián)解耦網(wǎng)絡的計算來求出。反饋解耦回路等效成串聯(lián)解耦網(wǎng)絡后，系統(tǒng)框圖如圖3-6所示。</p><p>　　圖3-5 反饋補償控制系統(tǒng)框圖</p><p><b>　　所以不難看出：</b></p><p>　　圖3-6 反饋解耦系統(tǒng)等效框圖<

81、;/p><p>　　由于 ： </p><p>　　則： </p><p>　　其中，We—解耦后等效對象傳遞矩陣。 </p><p>　　… （3-10）</p><p>　　考慮到解

82、耦作用在于消除交叉通道間的關聯(lián)，因此，可令A的對角元素，I為單位矩陣。由此上述式中：</p><p>　　所以根據(jù)上述式子不難得出：</p><p><b>　?。?-11）</b></p><p>　　3.2.3 和差補償法</p><p>　　以上所介紹的幾種解耦方法，在理論上具有較好的解耦效果，但實際上，常遇到以

83、下問題：一是所設計的解耦補償環(huán)節(jié)，經(jīng)常是在物理上不可實現(xiàn)的。其二，補償環(huán)節(jié)是按被控對象數(shù)學模型，根據(jù)零-極點對消的原則設計出來的。這不僅使之實現(xiàn)有困難，而且當對象中的參數(shù)變化而造成數(shù)學模型的改變時，可能造成系統(tǒng)開環(huán)不穩(wěn)定，從而帶來控制上的困難。采用和差補償法解耦，不需采用補償裝置，而是利用對象各通道傳遞函數(shù)的特點，對各通道的傳遞函數(shù)進行加減運算，使等效對象的傳遞矩陣成為對角矩陣。</p><p>　　以下以一個具

84、有兩個輸入和兩個輸出的對象為例，如圖3-7所示。</p><p>　　圖3-7 和差補償系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　設此對象的傳遞矩陣為：</p><p><b>　?。?-12）</b></p><p>　　令： </p><p>　　由此

85、可得： </p><p><b>　?。?-13）</b></p><p>　　當W12與W22有相似特性，變化方向相同時，選k1可使W12-k1W22=0；當W21與W11有相似特性，變化方向相反時，選k2可使W21+k2W11=0。</p>

86、<p><b>　　由此可得：</b></p><p>　?。?-14） </p><p>　　則有： </p><p>　?。?-15）

87、 </p><p><b>　　即實現(xiàn)了完全解耦。</b></p><p>　　3.2.4 單向解耦</p><p>　　單向解耦是使經(jīng)過補償?shù)牡刃ο髠骱仃嚦蔀橐粋€三角陣，使補償器的數(shù)量減少。以雙輸入雙輸出系統(tǒng)為例，如果系統(tǒng)中某一側(cè)擾動對另一側(cè)系統(tǒng)輸出的影響較小，可忽略不計，或者受干擾側(cè)控制回路消

88、除干擾的能力較強，就可以考慮采用單向解耦，省去其中的一個補償器。采用單相串聯(lián)補償解耦的控制系統(tǒng)框圖與全解耦串聯(lián)補償解耦法系統(tǒng)框圖相同，見圖3-4，只是該解耦的補償矩陣為下三角陣，這里不詳細介紹。</p><p>　　第四章 125MW中間再熱燃煤機組</p><p><b>　　協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設計</b></p><p>　　4.1 系統(tǒng)解

89、耦串聯(lián)解耦設計</p><p>　　針對國產(chǎn)125MW中間再熱燃煤機組，對其進行協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的串聯(lián)解耦設計。為簡化起見，只考慮了主蒸汽壓力和電功率兩個回路之間的協(xié)調(diào)，而沒有考慮機組的汽溫控制回路。</p><p>　　根據(jù)解耦理論，針對給定的125MW單元機組數(shù)學模型特點和實際生產(chǎn)情況，分析數(shù)學模型動態(tài)特性，采用串聯(lián)后補償解耦方法，對系統(tǒng)進行單向解耦，設計的基本步驟為：</p>

90、<p>　　設計系統(tǒng)解耦框架圖；</p><p>　　計算合理的補償網(wǎng)絡傳遞函數(shù)；</p><p>　　做不帶調(diào)節(jié)器系統(tǒng)解耦后仿真響應曲線；</p><p><b>　　初步分析解耦效果；</b></p><p>　　系統(tǒng)加調(diào)節(jié)器，分析設計效果。</p><p>　　4.1.1 系

91、統(tǒng)解耦框架圖及數(shù)學模型</p><p>　　系統(tǒng)采用串聯(lián)后補償結(jié)構(gòu)。</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　圖4-1 串聯(lián)后補償?shù)慕Y(jié)構(gòu)圖</p><p><b>　　其中</b></p><p><b>　　（4-2）</b&g

92、t;</p><p>　?。?-3） </p><p>　　（4-4） </p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　4.1.2 解耦網(wǎng)絡設置 </p><p>　　1．全解耦補償網(wǎng)絡設置</p><p>　　由解耦條件可得到

93、補償器傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　應當指出，上述解耦是補償器輸出、對設定值擾動的全解耦。對于實際系統(tǒng)輸出和而言，仍將受到擾動的交叉干擾。對于系統(tǒng)調(diào)節(jié)器而言，等效為： </p><p><b&g

94、t;　?。?-8）</b></p><p>　　其中 （4-9）</p><p><b>　?。?-10）</b></p><p>　　帶入?yún)?shù)可解得：解耦矩陣傳遞函數(shù)為： （4-11）</p><p><b&g

95、t;　?。?-12）</b></p><p><b>　?。?-13） </b></p><p>　　2．單向解耦網(wǎng)絡設置</p><p>　　由式（4-12）我們可以看到，在解耦矩陣傳遞函數(shù)中，不穩(wěn)定，實現(xiàn)完全解耦時，k2的值相當復雜，而且物理上也不易實現(xiàn)。采用完全和差解耦時，對被控對象的傳遞矩陣的形式有較高的要求。在實際生產(chǎn)過程

96、中，擾動常來自某一方面，所以，針對該系統(tǒng)及被控對象，而且該系統(tǒng)運行特性要求輸出功率穩(wěn)定，且運行過程中的主要擾動來自鍋爐側(cè)，所以采用串聯(lián)后補償單向解耦方案，以爐跟機為基礎的協(xié)調(diào)控制方式，可得到比較滿意的控制效果。</p><p>　　根據(jù)式（4-7）給出的解耦條件：,由于與特性的相似性，可以近似的認為兩者的極點可以抵消，即：</p><p>　?。?-14） </p>

97、<p><b>　　即補償矩陣為：</b></p><p>　　4.1.3 受控對象數(shù)學模型及等效傳遞矩陣</p><p>　　考慮圖4-3所示的雙輸入、雙輸出系統(tǒng)，受控系統(tǒng)的動態(tài)傳遞函數(shù)表示為</p><p><b>　?。?-15）</b></p><p>　　圖4-1 汽壓溫度系

98、統(tǒng)對象傳遞函數(shù)框圖 </p><p><b>　　各傳遞函數(shù)為 </b></p><p><b>　?。?-16）</b></p><p><b>　?。?-17）</b></p><p><b>　?。?-18） </b></p>&

99、lt;p><b>　?。?-19）</b></p><p>　　式中，為主蒸汽壓力，量綱為MPa；為電功率，量綱為MW；為燃料量，量綱為t/h；為汽輪機同步器位移，量綱為mm。</p><p>　　由上訴理論可知,解耦后,被控對象等效傳遞矩陣如下所示：</p><p><b>　　（4-20）</b></p&g

100、t;<p>　　4.1.4 系統(tǒng)無調(diào)節(jié)仿真研究</p><p>　　1．未解耦環(huán)節(jié)系統(tǒng)分析</p><p>　　圖4-2 系統(tǒng)無解耦Simulink圖</p><p><b>　　解耦前仿真結(jié)果：</b></p><p>　　當只有閥門開度單獨作用時，功率的輸出曲線如圖4-3所示。</p>

101、<p>　　圖4-3 閥門開度作用下的功率輸出曲線</p><p>　　當只有閥門開度單獨作用時，主汽壓力的輸出曲線如圖4-4所示。</p><p>　　圖4-4 閥門開度作用下的主汽壓力輸出曲線</p><p>　　當鍋爐燃燒率保持不變，而汽輪機調(diào)門開度階躍增加后，主蒸汽壓力和功率的響應曲線如圖4-3、4-4所示，一開始進入汽輪機的蒸汽流量立刻成比

102、例增加，功率迅速增加。由于燃燒量保持不變，所以蒸發(fā)量也不變，蒸汽流量的增加是因為鍋爐汽壓下降而釋放出一部分蓄熱，這只是暫時的。最終，蒸汽流量仍恢復到與燃燒率相適應的擾動前的數(shù)值，蒸汽量也逐漸趨于一個較低的新穩(wěn)態(tài)值，同時主汽壓力也隨之立刻階躍下降，功率也將逐漸下降回到穩(wěn)定值。從4-3、4-4可以看出，功率和主汽壓力的變化不是完全的成比例，因為鍋爐的蓄熱量大小有一定的影響。</p><p>　　當只有燃煤量單獨作用時

103、，功率的輸出曲線如圖4-5所示。</p><p>　　圖4-5 燃煤量作用下的功率輸出曲線</p><p>　　當只有燃煤量單獨作用時，主汽壓力的輸出曲線如圖4-6所示。</p><p>　　圖4-6 燃煤量作用下的主汽壓力輸出曲線</p><p>　　當汽輪機調(diào)門開度不變，而燃煤量發(fā)生階躍擾動時，輸出電功率和主蒸汽壓力的響應曲線如圖4-

104、5、4-6所示。增加鍋爐的燃燒率，必定使鍋爐蒸發(fā)受熱面的吸熱量增加，汽壓經(jīng)過遲延后逐漸升高。由于汽輪機調(diào)門開度保持不變，進入汽輪機的蒸汽流量增加，從而自發(fā)的限制了汽壓的升高。當蒸汽流量與燃燒率達到新的平衡時，汽壓就趨于一個較高的新穩(wěn)態(tài)值。由于蒸汽流量的增加使汽輪機輸出功率增加，輸出電功率也增加。當蒸汽流量不變時，輸出電功率也趨于一個較高的新穩(wěn)態(tài)值，具有自平衡能力。</p><p>　　從上面的分析可以看出，系統(tǒng)存

105、在嚴重耦合，功率的輸出不僅受閥門開度的影響，還受燃煤量地影響；主汽壓力不僅受燃煤量的影響，還受閥門開度的影響。當鍋爐燃料量動作時，功率和主汽壓力方向相同，所以可以和之比是一個常數(shù)。而當汽機閥門開度動作時，功率和主汽壓力的響應曲線方向相反，所以可以大致的把與之比也近似為一個負的常數(shù)。系統(tǒng)解耦就是基于這樣一個理論。</p><p>　　2．不帶調(diào)節(jié)器串聯(lián)單向解耦方框圖及仿真研究</p><p>

106、;　　針對125MW中間再熱燃煤機組給出的數(shù)學模型，分析數(shù)學模型的特點，可用如圖4-7所示的系統(tǒng)進行解耦。</p><p>　　圖4-7 不帶調(diào)節(jié)器串聯(lián)單向解耦Simulink圖</p><p>　　由上述理論可知，該解耦網(wǎng)絡將實現(xiàn)閥門開度對功率的單一影響，因為系統(tǒng)采用單向解耦，所以系統(tǒng)將不能解除燃煤量對功率的耦合而實現(xiàn)燃煤量對主汽壓力的單一控制。上述理論以下的系統(tǒng)仿真得以驗證。<

107、/p><p><b>　　3. 仿真曲線分析</b></p><p>　　當只有功率設定值擾動時，閥門開度動作時，系統(tǒng)的輸出曲線如圖4-8、4-9所示。</p><p>　　圖4-8 閥門開度動作下功率輸出曲線</p><p>　　圖4-9 閥門開度動作下主汽壓力輸出曲線</p><p>　　當功

108、率設定值擾動，閥門開度增加時，汽體壓力迅速排出，系統(tǒng)由于受到蒸汽增加和鍋爐蓄熱作用，功率在很短的時間內(nèi)達到了峰值，隨后在500秒左右達到擾動穩(wěn)態(tài)值。</p><p>　　由圖4-9可以看出，主汽壓力是一個下降狀態(tài)，有較大的波動，說明由于受系統(tǒng)耦合作用，主汽壓力受到閥門開度的影響。這是由于閥門開度的增大，蒸汽的迅速排出，壓力顯然會隨著蒸汽流失而減小，在90秒左右達到最低值，在220秒左右達到平衡值。</p&g

109、t;<p>　　當只有主汽壓力設定值擾動，燃煤量動作時，系統(tǒng)的輸出曲線如圖4-10、4-11所示。</p><p>　　圖4-10 主汽壓力設定值擾動燃煤量動作下功率輸出曲線</p><p>　　圖4-11 主汽壓力設定值擾動燃煤量動作下主汽壓力輸出曲線</p><p>　　主汽壓力設定值擾動，燃料量的加大時，受熱加大必然使蒸汽增多，汽壓顯然會增加

110、，氣體的增加必然導致會使主汽壓增加，170秒左右達到峰值，經(jīng)過一個短暫的慣性過程，300秒左右達到穩(wěn)定值0.7MP，如圖4-11所示。由于燃煤加熱是一個緩慢的過程，所以功率先下降了一個微小的值約0.009MP，在320秒左右后回到平衡值，波動很小，基本跟隨閥門開度的狀態(tài)而不受燃煤量影響，即消除了燃煤量對功率的耦合作用。</p><p>　　當閥門開度和燃煤量同時作用時，功率的輸出曲線如圖4-12所示。</p

111、><p>　　圖4-12 閥門開度和燃煤量同時作用下功率輸出曲線</p><p>　　當閥門開度和燃煤量同時加大時，功率必然增加，而且從上圖可以看出，這種增加要比當閥門開度或和燃煤量單獨增加來的更快、達到的峰值要比閥門開度或和燃煤量單獨增加大，在130秒左右達到峰值0.44MW，因為閥門開度和燃煤量同時作用，由于系統(tǒng)不能完全解耦，有一定的疊加性。</p><p>　　

112、當閥門開度和燃煤量同時作用時，主汽壓力的輸出曲線如圖4-13所示。</p><p>　　圖4-13 閥門開度和燃煤量同時擾動下功率輸出曲線</p><p>　　當閥門開度和燃煤量同時加大時，主汽壓力也必然增加，同功率一樣，這種增加要比當閥門開度或和燃煤量單獨增加來的更快、達到的峰值要比閥門開度或和燃煤量單獨增加大。</p><p>　　4.2 PID參數(shù)的整定及

113、系統(tǒng)仿真</p><p>　　控制系統(tǒng)的整定是指在控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定、控制儀表與控制對象等都處在正常狀態(tài)的情況下，適當選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)()使控制儀表的特性和控制對象的特性配合，從而使控制系統(tǒng)的運行達到最佳狀態(tài)，取得最好的控制效果。顯然，如果控制對象的運行方式不當，或者系統(tǒng)設計方案不合理，測量儀表和調(diào)節(jié)機構(gòu)選型不當，安裝質(zhì)量不高等，則無論怎樣整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)，也不能滿足調(diào)節(jié)質(zhì)量的要求。另一方面，在主設備完善、系

114、統(tǒng)設計方案合理、設備安裝等均已完善的條件下，只有經(jīng)過正確的整定，才能達到預期的控制質(zhì)量。</p><p>　　從理論上看，通過計算來整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)是可行的辦法。采用各種計算方法，求出閉環(huán)系統(tǒng)特征根的分布情況，對振蕩頻率、靜態(tài)偏差、動態(tài)偏差、控制過程時間等有明確的結(jié)論，根據(jù)所得結(jié)論能夠比較在不同的調(diào)節(jié)規(guī)律、不同參數(shù)值的情況下過渡過程的品質(zhì)和實現(xiàn)保證衰減率大于所規(guī)定的數(shù)值的要求。但問題是計算方法要以控制對象的動態(tài)特