主汽温导前微分控制系统的仿真研究

主汽温导前微分控制系统的仿真研究

摘要

对于大惯性和大延迟的热工对象，常规PID控制往往不能取得令人满意的效果，尤其是火电厂再热汽温这种大滞后、大惯性以及动态特性随工况参数变化的汽温被控对象，主汽温的控制成为研究大型火力发电机组不可缺少的一个项目。

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。目前大多数机组都采用二级喷水减温控制方式。

本文介绍了利用MATLAB在火电厂单元机组过热蒸汽温度导前微分控制系统中参数整定和抗扰性能分析中的应用。它具有安全、可靠等优点，为加快大型火电厂汽温自动控制系统的反应速度、提高火电厂的自动投运提供了一个很好的方法。

关键词：过热蒸汽温度；MATLAB；参数整定；抗扰性能

I

Simulation Study of Superheated Steam Temperature Guidance Differential Control System in Power Plant

Abstract

Large delay and strong inertia for thermal object, conventional PID control often can not obtain satisfactory results, especially the thermal power plant main steam temperature of this large delay, strong inertia and dynamic changes with the working parameters of steam temperature controlled object，and the steam temperature control of large thermal power generating units to become an indispensable item.

Boiler superheat steam temperature is an important parameter which influences boiler produce process safety and economic value. Sophisticated boiler super heater working on condition that high temperature and high pressure must be controlled by automatic methods, and keep the outlet steam temperature in the range of produce permitting. For this reason, we should use suitable desuperheat methods to alter the inlet steam temperature of superheater, so that control the outlet temperature of superheater. At the moment, most unit sets use Ⅱjet desuperheat control.

This paper presents a simulation study of a superheated steam temperature control system in thermal power plants．The tuning of the regulaters and the disturbance reduction performance are discussed in detail.

Key Words：surperheated steam temperature；MATLAB；tuning of parameters; disturbance reduction

II

目录

摘要 --------------------------------------------------------------------- I Abstract ---------------------------------------------------------------- II 1 前言 ................................................................... 1 1.1 主汽温控制系统研究的背景及意义 ....................................... 1 1.2大型火电机组典型的主汽温控制方案 ...................................... 1 1.3 本文的主要工作 ....................................................... 2 2 PID控制器的设计原理及原则 .............................................. 3 2.1三种基本调节作用的特点 ................................................ 3 2.1.1比例控制 （简称P作用） ............................................. 3 2.1.2 积分控制 （简称I作用） ............................................ 3 2.1.3 微分控制 （简称D作用） ............................................ 4 2.2 自动调节器典型动态特性 ............................................... 5 2.2.1 比例（P）调节器 .................................................... 5 2.2.2 比例积分（PI）调节器 ............................................... 6 2.2.3 比例微分（PD）调节器 ............................................... 7 2.2.4 比例积分微分（PID）调节器 .......................................... 9 3 过热汽温控制概述 ...................................................... 11 3.1 火力发电厂的生产流程 ................................................ 11 3.2 过热汽温控制的任务 .................................................. 11 3.3 过热汽温控制的难点分析 .............................................. 12 3.4 影响主蒸汽温度的因素 ................................................ 12 3.5 过热汽温被控对象的动态特性 .......................................... 13 3.5.1蒸汽流量（负荷）扰动下过热汽温对象的动态特性 ....................... 13 3.5.2 烟气侧扰动下过热汽温的动态特性 .................................... 13 3.5.3工质侧扰动下的过热汽温动态特性 ..................................... 15 4 过热汽温控制系统的典型方案 ............................................ 17 4.1 汽温串级控制系统及其分析整定 ........................................ 17 4.1.1汽温串级控制系统原理 ............................................... 17 4.1.2 汽温串级控制系统的内回路的分析整定 ................................ 18 4.1.3 汽温串级控制系统的主回路的分析整定 ................................ 19 4.2 汽温串级控制系统的工程整定方法及仿真 ................................ 20 4.2.1 串级控制系统的工程方法 ............................................ 20 4.2.2 串级控制系统的PID整定 ............................................ 21

III

4.3 导前汽温微分信号的过热汽温自动控制系统 .............................. 21 4.3.1导前微分控制系统的组成 ............................................. 22 4.3.2 导前微分控制系统的分析 ............................................ 22 4.4 导前微分控制系统的参数整定及仿真实验 ................................ 22 4.4.1导前微分环节的参数整定 ............................................. 22 4.4.2调节器参数整定 ..................................................... 24 4.5 系统的抗干扰性及鲁棒性分析、仿真 .................................... 24 4.5.1 抗内扰分析 ........................................................ 24 4.5.2 抗外扰分析 ........................................................ 24 4.5.3 鲁棒性分析 ........................................................ 25 5 总结 .................................................................. 26 参考文献 ................................................................ 27 致谢 .................................................................... 28

IV

1 前言

1.1 主汽温控制系统研究的背景及意义

随着我国国民经济的迅猛发展，我国电力装机容量以每年7%-8%的速率递增，其中火电燃煤机组占有很大比重。火力发电厂锅炉主汽温控制系统又是提高机组热效率和保证机组安全运行的重要组成部分。主汽温（即过热蒸汽）的控制又是锅炉各项控制任务中较困难的一项。其原因是过热汽温的干扰因素很多、很频繁、且扰动量很大。对各种扰动作用下过热汽温动态特性具有大迟延、大惯性、时变性和非线性的特点，从而加大了控制的难度。过热汽温是主汽温度、压力、流量等,三个基本参数之一，是一个十分重要的参数。

主汽温控制系统关系着机组运行的安全性和经济性，其一方面主汽温是全厂汽水系统中温度的最高点。主汽温过高，过热汽器管壁和汽轮机高压缸将使金属的强度下降，以致造成主器的高温段爆管和汽轮机的高压缸损坏；主汽温过低，还会使汽轮机尾部的蒸汽湿度增加，甚至带水，将严重威胁汽轮机低压缸、转子和凝汽器的安全。另一方面过热汽温降低，还使汽轮机的热效率就降低(过热汽温降低5℃ ，汽轮机的热效率就降低1％)。因此主汽温是影响机组安全、经济运行的重要参数，运行中要尽量保持稳定，一般要求保持在额定温度的±2度范围内。因此对主汽温的控制的要求非常严格。

但由于该系统被控对象的惯性和迟延较大，受到的干扰因素较多，具有非线性、时变性等特点，尤其由于发电机组向大容量、高参数发展，使得被控对象更加复杂，对控制的要求更高，分散控制系统DCS具有高速度、大容量的运算能力，具有功能强大的软、硬件资源，它在大型火电机组中的广泛应用为采用先进的控制策略提供了技术基础，从而使得现代控制理论和智能控制在汽温控制中的应用得到了很大的进展。例如，带观测器的状态反馈控制、自适应预测控制、模糊控制等都已经在实际运行中得到了较好的效果。因此，主气温调节系统应选用调节品质高、稳定性好的控制策略，以提高机组安全性和经济性。

因此设计一种可以使主汽温在各个运行工况下能迅速稳定在给定值且避免振荡的方法是非常具有实用价值的。

1.2大型火电机组典型的主汽温控制方案

最近几年来，对火电厂大时滞、大惯性系统的研究引起了国内许多外学者的重视。主汽温控制系统因其对象具有非线性、大惯性、大迟延等特点，成为火电厂较难控制的系统之一。与此同时，也涌现出对主汽温的先进控制方法，归纳起来主要有以下几个方向：

（1）过热汽温串级自动控制系统的重点控制策略：过热汽温串级自动控制系统中，主回路采用PID运算，副回路采用PD运算。在主回路串级自动控制系统采用微分作用,对

1

这种调节器有两个可供调整的参数，即KP和KI或δ和Ti。当Ti→∞时，比例积分调节器就成为比例调节器；当Ti→0时，即KP→0（Ti=KP/KI，而KI→∞是不可能的)时，比例积分调节器就成为积分调节器。积分时间Ti影响积分作用的强弱，比例带δ不但影响比例作用的强弱，而且也会影响积分作用的强弱。

由于比例积分调节器是在比例调节基础上，又加上积分调节，相当于在粗调的基础上再加上细调，能使控制过程结束后没有静态偏差。 图2-4为PI调节器阶跃响应曲线

?e0eΔe0oμ?e0t?oTi?t图2-4 PI调节器阶跃响应曲线

将阶跃扰动幅值Δe0代入动态方程式（2-6b），可得比例积分（PI）调节器阶跃响应曲线的方程为：

11???e0??e0t??Ti

把t=Ti代人式(2-8)可得：

（2-8）

??

1??e0??e1?e0Ti?20?Ti?（2-9）

式(2-9)说明，当总的输出等于比例作用输出的2倍时，其时间就是积分时间Ti。应用这个关系我们就可以通过PI调节器的阶跃响应曲线确定积分时间Ti。

2.2.3 比例微分（PD）调节器

比例微分调节器由比例作用和微分作用组合而成，理想的比例微分调节器动态方程为：

?Kdde?de??KPe?Kd?KP?e??dtKdt?P?7

（2-10a）

或写成

??

1?de?e?Td???dt??其中：Td?KdKp（2-10b）

式中：Kd——微分作用的比例系数； Td——微分时间。

理想的比例微分（PD）调节器的传递函数为：

WPD?s????s?e?s??1??1?Tds?e（2-11）

ee?e0oμtoμ2de?adt?e0taTdKD?1?e0??oμ0.632tKD?1?e0??e0?TDo(a)?e0?t1oaTd?Td(b)tot(c)

图2-5 比例微分（PD）调节器阶跃响应曲线

比例微分（PD）调节器有两个可供调整的参数，即KP和Kd或δ和Td。微分时间Td影响调节器微分作用的强弱；比例带δ不但影响调节器比例作用的强弱，而且也影响微分作用的强弱。

输入等速变化时(图b)比例微分（PD）调节器的阶跃响应曲线方程为：

?? 为：

1?de?11e?T?at?aTdd????dt???（2-12）

上图中（c）所示为实际比例微分（PD）调节器的阶跃响应曲线，其动态方程

TD

d?1?de?????e?Td?dt??dt?8

（2-13）

式中：TD ——微分惯性时间常数。

实际比例微分（PD）调节器的传递函数为：

WPD?s????s?e?s?? 节。

11??1?Tds?TDs?1?(2-14)

上式说明实际比例微分调节器比理想的比例微分调节器增加了一个惯性环实际比例微分（PD）调节器的阶跃响应曲线方程为：

?(t)? 其中：

1??e0[1?(KD?1)eK?DtTd]?1??e0[1?(KD?1)e?tTD]（2-15）

TD?TdKDKD?TdTD式中：KD ——微分放大系数或微分增益。 TD ——微分惯性时间常数。

微分惯性时间常数Td可以表征微分作用强弱：当Td大时，微分输出部分衰减得慢，说明微分作用强；反之Td小，表示微分作用弱。而比例带δ不但影响调节器比例作用的强弱，而且也影响微分作用的强弱。

在比例微分调节器中，微分作用可以在扰动出现时立刻产生一加强的阶跃输出，从而有效降低偏差的变化速度。之后微分作用逐渐减弱，在t→∞时，只有比例作用依然存在。因此比例微分调节器不能消除被调量的稳态偏差，是一种有差调节器。

2.2.4 比例积分微分（PID）调节器

理想的比例积分微分（PID）调节器由比例、积分和微分三种调节作用叠加而成，其动态方程为：

理想的比例积分微分（PID）调节器的传递函数为：

??1?(e?1Ti?0edt?Tdtde)dt （2-16）

??s?111WPID(s)??(1??Tds)E?s?TDs?1?Tis(2-17)

实际比例积分微分（PID）调节器的动态方程为：

9

TDd?11???(e?dt?Ti?0edt?Tdtde)dt(2-18)

其传递函数为：

WPID(s)?式中：

积分时间：Ti???s?11?(1??Tds)E?s??TisKd1 比例带：?? KpKp(2-19)

KpKI 微分时间：Td?Td KD微分惯性时间常数：TD?PID调节器中，有三个可以调整的参数：即比例带δ、积分时间Ti 和微分时间Td。适当选择这三个参数的数值，可以获得良好的调节质量。

实际PID调节器的阶跃响应曲线如下图所示：

μeΔe0KD?1?e0?PIDIPotoD?e0?t 图2-6 实际PID调节器的阶跃响应曲线

实际PID调节器在阶跃输入下，开始时微分作用的输出变化最大，使总的输出大幅度地变化，产生一个强烈的超前调节作用，把这种调节作用看成为预调；然后微分作用消失，积分作用逐渐占主导地位，只要静态偏差存在，积分作用便不断增加，把这种调节作用可看成为细调，一直到静态偏差完全消失，积分作用才停止；而在PID的输出中，比例作用是自始至终与偏差相对应的，它是一种基本的调节作用。

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3 过热汽温控制概述

3.1 火力发电厂的生产流程

火电厂中，通常将燃料运至电厂，经输送加工后，送入锅炉进行燃烧，使燃料中的化学能转变为热能并传递给锅炉中的水，使水变成高温高压的蒸汽，通过管道将压力和温度都较高的过热蒸汽送人汽轮机，推动汽轮机旋转作功，蒸汽参数则迅速降低，最后排入凝汽器。在这一过程中，蒸汽的热能转变为汽轮机转子旋转的机械能。发电机与汽轮机是用联轴器相连一同旋转的，汽轮机转子的机械能，通过发电机转变成电能。发电机产生的电能，经升压变压器后送人输电线路提供给用户。

火力发电厂的主要系统燃料与燃烧系统：用煤将炉水烧成蒸汽（化学能转化为热能）（1）燃煤制备流程：煤从储煤场经输煤皮带送到锅炉房的煤斗中，再进入磨煤机制成煤粉。煤粉与来自空气预热器的热风混合后喷入锅炉炉膛燃烧。（2）烟气流程：煤在炉内燃烧后产生的热烟气经过锅炉的各部受热面传递热量后，流进除尘器及烟囱排入大气。（3）通风流程：用送风机供给煤粉燃烧时所需要的空气，用吸粉机吸出煤粉燃烧后的烟气并排入大气。（4）排灰流程：炉底排出的灰渣以及除尘器下部排出的细灰用机械或水利派往储灰场。

汽水系统:蒸汽推动汽轮机做功（热能转化为机械能）（1）汽水流程：水在锅炉内变成过热蒸汽，过热蒸汽在汽轮机中不断膨胀、高速流公，推动汽轮机高速旋转，最后排入凝汽器中冷凝成水，再经升压、除氧、加热后送回锅炉，形成闭合的汽水循环。（2）补给水流程：汽水循环中水有损失，必须经常补充，补给水要经过化学处理，水质合格后送入汽水系统。（3）冷却水流程：在汽轮机排气的凝结过程中，放出的大量的潜热需有冷却水带走。冷却水的吸取，冷却即其设施构成冷却水流程。

电气系统：汽轮机带动发电机发电（机械能转化为电能），并通过输配电装置将电能送往用户。（1）向外供电流程：发电机发出的电能由变压器升压后，经高压配电装置和输电线路送往用户。（2）厂用电流程：发电厂内的自用电由厂用变压器降压后，经厂用配电装置相场内各种附机及照明等供电。

控制系统：操作机械化、自动化。（1）燃料的装卸、入仓、制粉、输送机械化、自动化。（2）锅炉给水、气温和燃料的自动调节，炉膛灭火安全保护系统（3）汽轮机自动控制系统包括调节、自启停、监视与保护和主蒸汽旁路控制等。（4）发电机控制系统包括参数显示、励磁调节、运行操作和安全保护等（5）厂用电控制系统包括厂用电备用电源自动切换、直流系统监视和和交流不停电电源系统等。

3.2 过热汽温控制的任务

过热蒸汽温度自动控制的任务是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。过热蒸汽温度是锅炉运行质量的重要指标

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之一，过热蒸汽温度过高或过低都会显著地影响电厂的安全性和经济性。过热蒸汽温度过高，过热汽器管壁和汽轮机高压缸将使金属的强度下降，以致造成主器的高温段爆管和汽轮机的高压缸损坏,过热汽温的上限一般不应超过额定值5℃。过热蒸汽温度过低，主汽温过低，还会使汽轮机尾部的蒸汽湿度增加，甚至带水，将严重威胁汽轮机低压缸、转子和凝汽器的安全。另一方面过热汽温降低，还使汽轮机的热效率就降低(过热汽温降低5℃，汽轮机的热效率就降低1％),因而过热汽温的下限一般不低于额定值10℃。过热汽温的额定值通常在500℃以上，例如高压锅炉一般为540℃，就是说要使过热汽温保持在540±5℃的范围内。主汽温控制系统关系着机组运行的安全性和经济性，其一方面主汽温是全厂汽水系统中温度的最高点。因此主汽温是影响机组安全、经济运行的重要参数，运行中要尽量保持稳定。

3.3 过热汽温控制的难点分析

过热汽温的控制多年来一直是电厂过程控制中的一个难点，主要是因为以下几点原因：

(1) 过热汽温是一个迟延现象比较严重的对象，机组容量越大，迟延现象就越严重。当有些机组的过热汽温的迟延太大时，反馈控制根本来不及控制。而PID控制就是属于反馈控制。

(2) 过热汽温容易受到多种因素的影响，如烟气温度和压力的波动、负荷的变化、主蒸汽压力的变化、燃料量的变化、给水温度和流量的波动及减温水流量的抖动、吹灰器投入、磨煤机的切换等都会引起过热汽温的变化。

(3) 过热汽温被控对象工艺流程复杂，不同的机组过热汽温特性完全不同，很难得到对象与干扰之间准确的数学模型。即使通过现场试验的办法得到当时对象的数学模型，但随着时间的推移和机组工况的变化，对象的模型会发生变化。

3.4 影响主蒸汽温度的因素

过热汽温是锅炉运行中的主要参数之一。汽温过高会加快金属材料的蠕变产生额外的热应力，缩短设备的使用寿命。汽温过低会使汽轮机叶片的侵蚀作用加剧损坏设备，使发电厂的经济性降低。

引起汽温变化的基本原因有两方面，即烟气侧传热的改变和蒸汽侧吸热工况的改变。烟气侧的影响因素有：1.燃料性质的变化。2.风量的变化。3.喷燃器运行方式的改变。4.给水温度的变化。5.受热面的清洁程度。蒸汽侧的影响因素有：1.锅炉负荷的变化。2.饱和蒸汽湿度的变化。3.减温水的变化。

对汽温的调节可以从两方面来进行。蒸汽侧调节汽温:目前高压和超高压锅炉基本上都采用喷水减温器。另外一种减温器则为表面式，它是利用给水间接吸收蒸汽热量。喷水式减温器比表面式减温器调节温度要快，对处理蒸汽温度突然的变化比较有效。烟

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气侧调节汽温:是通过改变过热器烟气侧的传热条件，即改变过热器受热面的吸热量。根据具体设备有两种方法。即改变火焰中心位置和改变烟气量。

为了得到良好的气温调节特性，往往应用两种以上调节方法，并常以喷水减温与一种或两种烟气侧调温方法相配合。一般情况下，烟气侧调温只能作为粗调，而蒸汽侧调温才能进行细调。最终要根据生产实际情况来进行调节

3.5 过热汽温被控对象的动态特性

影响过热器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、流经过热器的烟气温度和流速变化、锅炉受热面结垢等。但归纳起来，主要有三个方面：

3.5.1蒸汽流量（负荷）扰动下过热汽温对象的动态特性

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。过热器出口汽温的阶跃响应曲线如图3-1所示，其特点是：有滞后、有惯性、有自平衡能力，且τ／Ｔc较小。但由于蒸汽量是由机组负荷决定的，不能用来作为调节气温的手段。

当锅炉负荷增加时，对流式过热器和辐射式过热器的出口汽温随负荷变化的方向是相反的。负荷增加时，通过对流式过热器的烟气温度和流速都增加，从而使对流过热器的出口汽温升高。但是，由于负荷增加时，炉膛温度升高不多，而炉膛烟温升高所增加的辐射热量小于蒸汽负荷增大所需的吸热量，因而当负荷增加时，辐射式过热器出口汽温是下降的。现代大型锅炉的过热器，对流式过热器的受热面积大于辐射式过热器的受热面积，因此总的汽温将随负荷增加而升高。

图3-1锅炉负荷扰动下过热汽温的阶跃响应曲线

3.5.2 烟气侧扰动下过热汽温的动态特性

烟气侧对汽温的影响干扰因素较多。由于过热器及再热器是热交换器，其出口汽温

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反映了蒸汽带走的热量和烟气侧吸收的热量之间的热平衡关系。因此，凡是影响烟气和蒸汽之间换热的因素都是对汽温的扰动因素。烟气侧的扰动主要包括以下几方面：

(1)煤质的变化

燃煤中的水分和灰分增加时，燃煤的发热量降低，为了保证锅炉蒸发量，必须增加燃料消耗量。因为水分蒸发和灰分本身提高温度均要吸收炉内的热量，故使炉内温度水平降低，炉内辐射传热量减少；炉膛出口烟温升高，水分增加使烟气体积增大，烟气流速增加，使对流传热增加，故使汽温升高。

当燃煤的挥发分降低，含碳量增加（例如由烧烟煤该成烧无烟煤或贫煤）或煤粉较粗时，煤粉在炉内的燃尽时间较长，火焰中心上移，炉膛出口烟温升高，从而使汽温上升。

（2）炉内过剩空气系数?的变化

当送风量和漏风量增加使炉内过剩空气系数增加时，低温空气的吸热及烟气容量的增加将使炉膛温度降低，流经过热器的烟量增加，烟速增高，使对流过热器传热加强，汽温升高。

（3）燃烧器运行方式的变化

燃烧器运行方式改变，例如，燃烧器从上排切换到下排，或燃烧其的喷口角度改变时，火焰中心位置也会改变，从而引起汽温变化。

（4）配风工况的改变

在总风量不便的情况下，由于配风工况不同，也会造成火焰中心位置的变化而使汽温发生变化。当送风和引风配合不当而造成炉膛负压变化使火焰中心位置变化时，也会造成汽温变化。

图3-2表示烟气热量Qy阶跃变化时过热汽温的反应曲线，其特点是：有迟延、有惯性、有自平衡能力。烟气热量扰动（烟气温度和流速产生变化）时，由于烟气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气传递热量也同时变化，所以汽温反应较快，其时间常数Ｔc和迟延τ均比其他扰动小。其迟延时间与烟气侧的扰动原因以及锅炉的运行工况有关。

图3-2 烟气热量扰动下过热汽温的阶跃响应曲线

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由于烟气侧的扰动是沿过热器及再热器整个管段长度使烟气传热量同时变化的，所以汽温变化反应较快，因此可以利用烟气侧的扰动来作为调节汽温的手段，例如可以采用烟气再循环和改变喷燃器角度等。现场当中是通过改变烟气温度（例如改变喷燃器角度或改变喷燃器投入的个数）或改变烟气流量来求取汽温响应曲线的。

3.5.3工质侧扰动下的过热汽温动态特性

工质侧扰动除蒸汽负荷扰动外还包括以下几个方面： （1）给水温度的变化

在具有给水母管的系统中，给水温度一般不会变动很大。但对于单元机组来说，如果压加热器不能投入运行，给水温度可能比额定值低50～120℃，而给水温度的降低将增加给水进入锅炉后水加热阶段的吸热量。如果燃料量不便，则会降低蒸发量，因为过热器所吸收的热量基本不变，所以在过热器中每公斤蒸汽所吸收的热量增加，使汽温升高。如果要恢复蒸发量以满足汽机的需要，必须增加燃料，结果同样使汽温升高。

对于单元机组，给水温度是随着机组的出力而变化的。当机组出力降低时，由于抽气压力随之降低，使用于加热器加热给水的蒸汽减少，因此它对过热汽温的变化起到一定的自补偿作用，但由于管道系统很长，其迟延较大。

（2）饱和蒸汽含湿量的变化

过热器入口蒸汽（即饱和蒸汽）的焓值决定于蒸汽压力及其含湿量，饱和蒸汽含湿量越大，蒸汽焓值越小。在正常情况下，进入过热器的饱和蒸汽含湿量一般变化很小，饱和蒸汽的湿度一般保持不变。

（3）减温水流量的变化

当减温水流量扰动时，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，其阶跃响应曲线如图3-3所示。从图3-3中可看出，其特点也是有迟延、有惯性、有自平衡能力的。但是由于现代大型锅炉的过热器管道很长，因而当减温水流量扰动时，汽温反应较慢。

对于一般高、中压锅炉，当减温水流量扰动时，汽温的迟延时间τ≈30-60s，时间常数Ｔc≈100s，而当烟气侧扰动时τ≈10-20s，Ｔc<100s。

图3-3 减温水扰动下过热汽温的阶跃响应曲线

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可见，当负荷扰动或烟气热量扰动时，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象动态特性的角度考虑，改变烟气侧参数（改变烟温或烟气流量）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，所以尽管对象的特性不太理想，但还是目前广泛被采用的过热蒸汽温度控制方法。采用喷水减温时，由于对象控制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，所以采用单回路控制系统往往不能获得较好的控制品质。针对过热汽温的控制对象控制通道惯性迟延大、被调量信号反馈慢的特点，应该从对象的控制通道中找出了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，以改善对象控制通道的动态特性，提高控制系统的质量。

目前采用的过热蒸汽温度控制系统主要有串级控制系统和采用导前汽温微分信号的双回路汽温控制系统。

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参考文献

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致谢

从论文的选题、内容指导到论文撰写，整个过程都是在平玉环老师的悉心指导下完成的。平老师是个坏人，不送礼的再好也是及格而已。

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4 过热汽温控制系统的典型方案

在主要的扰动(减温水量)作用下，过热汽温对象的动态特性对于蒸汽流量的扰动和烟气侧的扰动，过热汽温对象的动态特性虽然较好，但两者之中或者不宜作为汽温的调节手段，或者会使锅炉结构复杂，尽管减温水扰动时对象的动态特性不够理想，但由于结构简单，且对过热器的安全比较有利，因此，目前大多仍采用喷水式减温器来调节汽温，它是利用减温水直接喷入过热蒸汽中进行减温的。当减温水量发生扰动时，虽然减温器处汽温已产生变化，但要经过较长的过热器管道才能影响到出口汽温的变化，使汽温反应的迟延很大。而且减温器离过热器出口较远，则对象调节通道的迟延和惯性愈大。因此，调节汽温的最有效的方法是在过热器出口处直接进行喷水减温，但这又对过热器和汽轮机的安全运行不利。为此喷水式减温器通常装在过热器高温段的前面，这样既保护了过热器的高温段，又使对象的迟延能减小些。但是，迟延时间仍较大，一般约为30～60s。采用喷水减温方式调节过热汽温时，汽温调节对象的迟延较大。如果只根据汽温的偏差大小来改变减温水量，势必使调节的时间加长，动态偏差增大。为了提高调节品质，通常在减温器后选取一个辅助温度信号，该信号能比出口汽温提前反应减温水量的扰动，称为“超前信号”。目前，锅炉普遍采用过热汽温串级自动控制系统和带有导前微分信号的双信号控制系统。

4.1 汽温串级控制系统及其分析整定

4.1.1汽温串级控制系统原理

串级过热汽温自动控制系统以过热汽温θ2为被调量，根据喷水减温器出口温度θ1调节减温水量，其系统结构图4-1如下：

喷水减温器出口温度θ1可以快速反应对过热汽温的扰动，只要θ1变化，就可以通过副调器PI1调节减温水量，维持θ1在一定范围以内，从而使过热汽温θ2基本不变，提高控制品质。图中，PI2主调节器:维持过热汽温θ2等于其给定值。PI1副调节器:根据θ1和主调节器PI2。输出信号的变化调节减温水量。

图4-1对应的汽包锅炉串级过热汽温自

动控制系统的原理方框图如图4-2 所示：

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图4-1 串级过热汽温自动控制系统结构图

图4-2 串级过热汽温自动控制系统原理方框图

系统的组成：

内回路：导前区传递函数W1(s)、温度变送器、副调节器WT1(s)、执行器比例系数KZ、喷水调节阀比例系数Kμ。

主回路：惰性区传递函数W2(s)、温度变送器 、主调节器WT2(s)、内回路。

4.1.2 汽温串级控制系统的内回路的分析整定

图4-3 内回路原理方框图

对于内回路可以看作由被控对象和广义调节器组成的单回路控制系统进行整定，广义调节器的传递函数为：

(4-1) 因此广义调节器是一个比例作用调节器，其等效比例带为：

? ?1 K Z K ? (4-2) 通过减温水量WB的阶跃扰动试验，可以得到导前区汽温θ1的阶跃响应曲 线如图4-4所示：

图4-4 减温水量的阶跃扰动下汽温θ1的阶跃响应曲线

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?1???1根据以上阶跃响应曲线，由单回路控制系统的整定方法，可以得到比例调节器等效比例带 ? 1 的计算公式如下：

(4-3)

因此副调节器WT1(s)的比例带为：

(4-4)

?4.1.3 汽温串级控制系统的主回路的分析整定

主回路原理方框图如下：

图4-5 主回路原理方框图 如果主调节器为PID调节器，其传递函数为：

忽略导前区的惯性和迟延，则简化后导前区传递函数为：

?1?1Ws?1??Ts???T2d? (4-5) ?2?Tis??11Ws???? (4-6) 1WB?1

此时主回路原理方框图可以简化为图4-6，其中对应的主回路广义调节器的传递函数为

?WB1?1??Ws??1??Ts??? (4-7) ???T2d?2?2Ts??i??

图4-6主回路原理方框图简化图

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则主回路广义调节器的等效比例带为：

?2??1??? (4-8) 2?1??2此时主回路广义调节器中各参数可以通过试验得到的等效被控对象W0(s)的输出端过热汽温θ2在减温水量WB扰动下的阶跃响应曲线，按单回路控制系统整定方法进行计算：

(4-9)

因此主调节器WT2(s)的各参数为：

(4-10)

4.2 汽温串级控制系统的工程整定方法及仿真

4.2.1 串级控制系统的工程方法

串级控制系统中主副两个回路是彼此相互影响的，副控制器的整定对主控制器的影响一目了然，因为副回路的特性本身就是主回路广义对象的一个组成部分。由于主控制器的输出本身就是副回路的设定值，所以对副回路的响应有影响。

如果主回路的工作频率相差很大，则对副回路而言在它的控制过程中可以近似认为主回路还没有来得及反应，可以忽略主回路的副回路的影响，则控制器参数整定可以按由内而外的原则，分别独立按单回路系统控制器的参数整定方法整定。如果必须考虑主副回路之间的影响，则实验中通常可以采用三种方法:逐次逼近法和两步法。

逐次逼近法：

这是一种主副回路反复调试以逐步接近最优的方法，其过程主要有如下4个步骤：主回路开环，按单回路方法，整定副控制器，记为W1c2(s);主回路闭环，在已经按W1c2(s)整定的副控制器下整定主控制器，记为W1c1(s)

在主回路闭环的条件下，重新整定副控制器参数，记为W2c2(s)在副控制器为W2c2(s) 的基础上，在重新整定主控制器，记为W2c1(s).这4个步骤按顺序循环往复，直至满意为止，但这种方法费时费力，在实际中很少使用。

两步法：

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两步法是在主副回路工作频率相差比较大的条件下采用的一种方法，所谓两步法就是整定分为两步进行，先整定副回路，再整定主回路，具体步骤如下：

(1)将主副回路均闭环，置主控制器的比例带为100%，积分时间最大，微分时间为最小，然后按4：1衰减曲线法整定副回路的比例带和振荡周期；

（2）将副控制器的比例带置为所得到的比例带，积分时间为最大，微分时间为最小，按4：1的衰减曲线法整定主回路的比例带和震、振荡周期。

（3）按所得到的主副回路的比例带和振荡周期，结合主副控制器的选型，采用4：1衰减经验曲线公式，分别整定主，副控制器的参数；

（4）在主副回路均闭合的条件下，采用步骤（3）所得到的控制器的参数，按先副回路后主回路，先比例后积分最后微分的顺序对系统进行调试，观察控制过程的曲线，如果结果不够满意，可适当进行一些微小的调整。

这种方法与逐次逼近法相比，试调过程得到了简化，下面就两步法进行仿真实验：

4.2.2 串级控制系统的PID整定

以某厂300MW机组主汽温为被控对象为例：

惰性区传递函数: G1 (s) =

导前区传递函数: G2 (s) =

在Matlab中整定后，得参数P=0.82，=0.07，P2=0.25，I=0 仿真结果如下图4-7所示：

图4-7 串级控制系统阶跃响应曲线

由图可知衰减率ψ=0.9，系统虽然稳定，但调节仍然具有较大延迟。

4.3 导前汽温微分信号的过热汽温自动控制系统

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