第十章.过程控制.ppt

第十章.过程控制.ppt

《第十章.过程控制.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第十章.过程控制.ppt（79页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

过程控制系统,主讲教师：

黎明E-mail：

中国海洋大学工程学院自动控制系2023/6/1,电力系统的定义,电力系统是电能生产、变换、输送、分配、消费的各种设备按照一定的技术和经济要求有机组成的一个统一系统的总称。

简言之，电力系统是由发电机、变压器、输电线路、用电设备组成的网络，它包括通过电的或机械的方式连接在网络中的所有设备。

电力传输的过程,电力系统的电压等级,电压等级的使用范围,500、330、220KV多半用于大电力系统的主干线；110KV既用于中小电力系统的主干线，也用于大电力系统的二次网络；35、10KV既用于大城市或大工业企业内部网络，也广泛用于农村网络。

大功率电动机用3、6、10KV，小功率电动机用220、380V；照明用220、380V,火力发电厂大型单元机组自动控制,火力发电水力发电核电风电太阳能发电海洋资源发电（潮汐、洋流、波浪）生物发电。

几组数据,新华网北京4月5日电中国电力监管委员会5日发表的电力监管年度报告（2006）显示，截至2006年底，中国发电装机容量达到6.22亿千瓦，居世界第二位。

其中，水电1.2857亿千瓦，占总容量的20.67%；火电4.8405亿千瓦，占77.82%；核电685万千瓦，占总容量的1.1%；风力发电187万千瓦，占0.30%；生物质能等其他发电66万千瓦，占0.11%。

中国电力企业联合会2007公布的数据显示，进入冬季，全国用电再次出现攀升。

前11个月电力最高负荷达到3.85亿千瓦，比去年同期上涨了16.46%，增长幅度比前10个月加快了0.3个百分点。

在用电量方面，2006年前11个月全社会用电量为25627.49亿度，同比增长14.5%，比前10个月提高了4.5个百分点。

11月单月用电量环比上涨了0.7%。

其中工业用电量同比增长了14.26%，城乡居民用电量增长了14.58%。

单元机组流程简图,输入：

煤、风、水输出：

高压蒸汽被调节量：

汽包液位，蒸汽压力,什么是过热蒸汽,对饱和水加热，水定压汽化（沸腾），部分饱和水变成饱和蒸汽，饱和水与饱和蒸汽具有相同的饱和温度，且在整个汽化过程中维持不变这种饱和水与饱和蒸汽共存的状态称为湿饱和蒸汽，此时的水蒸汽统称为湿饱和蒸汽随着定压加热的继续，汽化不断进行，饱和水量越来越少，饱和蒸汽量越来越多，直至最后一滴饱和水汽化完毕，此时水蒸气所处的状态称为干饱和蒸汽状态，此时的水蒸气称为干饱和蒸汽对干饱和蒸汽加热，蒸汽的温度升高，其比容随着增大当水蒸气的温度高于其压力对应的饱和温度时，水蒸气所处的状态称为过热蒸汽状态，此时的水蒸气称为过热蒸汽。

利用烟道加热蒸汽,利用高压汽机的排气再加热,低压汽轮机冷凝水处理,进风预处理,大型单元机组的组成,锅炉,高、中、低压汽轮机,发电机,燃烧系统,汽水系统,一机一炉；锅炉和汽轮机作为蒸汽的供需两方，需要保持一定的平衡，否则就破坏了正常的运行；有些部件为两者所共有，不可分割。

燃煤式发电机组示意图,燃煤式发电机组示意图,协调控制和全程控制,协调控制：

将机炉作为一个整体统筹考虑；全程控制：

不但要求保证机组的正常运行，而且在机组启停、低负荷、甩负荷乃至部分事故处理等过程中也发挥作用。

大型单元机组对自动化的要求,自动监测数据处理事故报警连锁保护程序控制参数控制,几组数据：

30万kW机组需要监视的参数达600个以上，操作的项目也在200个以上。

国家目前停止建设小火电：

所谓小火电即10万kW下的。

建议规划规模在60万kW以上,典型日96点负荷曲线,大型单元机组对自动化的要求,自动监测数据处理事故报警连锁保护程序控制参数控制,本章研究内容,单元机组若干重要参数控制系统的设计与整定；单元机组的出力控制锅炉燃烧过程的控制锅炉汽包水位的控制过热蒸汽的温度控制,单元机组的出力控制,单元机组自动控制的首要任务是机组出力的自动控制，是机组的出力适应电网负荷的需要。

从电网来说，要求机组的出力能快速适应外界负荷的需要；从机组本身来说，其出力是由锅炉和汽机两者共同决定的。

单元机组的出力控制,难点：

锅炉和汽轮机两者的特性有很大的差别，表现在适应负荷变化的能力上有很大的差异。

汽轮发电机是惯性小、反应快的控制对象；锅炉是一个惯性大、反应慢的控制对象。

任务：

出力控制的任务在于如何控制锅炉和汽轮机各自的出力，使之相互适应，以满足机组负荷的需要。

控制目标：

输出功率Pe被调节量：

主汽压力PT、蒸汽量D调节量：

燃料量、给水量、主汽调汽门从汽轮机的角度：

改变主汽调汽门就可以改变功率，立刻适应负荷的需要；从锅炉的角度：

调整燃料量和给水量，要过一段按时间才能影响到蒸汽量D,锅炉跟踪方式（炉跟机）,锅炉跟踪方式调节过程,电网负荷增大-功率调节器调节调汽门开度增大-蒸汽流量增大导致主汽压力降低-主汽压力调节器作用-燃料量增大实质上属于常规的机炉分别控制方式。

优点：

充分利用了锅炉的需热量，较快跟踪外界负荷的变化。

缺点：

大幅度的波动对锅炉的安全稳定运行不利。

汽机跟踪方式（机跟炉）,汽机跟踪方式调节过程,电网负荷增大-功率调节器调节燃料量增大-锅炉热量增大-惯性-主汽压力变化导致主汽压力升高-主汽压力调节器作用-主汽调汽门开度增加实质上属于串级控制系统。

优点：

主汽压力稳定，有利于锅炉安全。

缺点：

没有调用锅炉的蓄热量，因此机组出力对设定值改变的响应很缓慢。

适合于承担基本负荷的单元机组。

机炉协调方式,机炉协调方式控制过程,电网负荷增大-功率调节器调节调汽门开度增大（同时将信号提供给锅炉出力调节系统）-蒸汽流量增大导致主汽压力降低-锅炉出力调节系统作用，（前馈至汽机出力调节系统，调小阀门限制压力下降幅度）-燃料量增大实质上有节制的利用锅炉的蓄热量。

优点：

即保证了机组能够比较迅速地适应负荷变化，又，保证了主汽压力不会波动很大。

适用于大型机组。

需要说明的是，目前在大型单元机组中，一般同时具有上述三种控制方式，可以根据机组运行的需要，经过逻辑开关切换到其中任一种方式。

锅炉设备的主要控制要求,汽包的液位、蒸汽的压力：

保持在一定范围内，适应用户负荷的变化过热蒸汽温度：

保持在一定范围内炉膛负压：

保持在一定范围内燃烧完全：

根据经济性和环保的要求运行安全：

液位、炉膛负压、过热度、蒸汽压力等在安全运行范围内,锅炉控制系统,什么是炉膛负压,炉膛负压是反映炉内压力大小参数，但大家在理解负压这个概念时，常常会和炉内绝对压力混淆，其实两者都是反映炉内压力情况的参数，但测量基准是不一样的，得到的结果也是相反的！

压力的表示方法有两种：

一种称绝对压力（也可理解为真实压力），它是以绝对真空为测量起点得到的压力值。

另一种称为相对压力，它是以当地大气压力为测量起点得到的压力值。

相对压力又分为表压力和负压值（真空值）。

当被测点的真实压力大于当地大气压力，此时该测量点处于正压状态，对应相对压力俗称为表压力。

表压力越大，也可说明被测点的绝对压力（真实压力）越大；现场许多处于正压状态的压力测量值一般都是相对压力，即表压力；而当被测点的真实压力小于当地大气压力，此时该测量点处于就处于负压状态，对应相对压力为负值，其负值的绝对值是我们的测量值，通常称它为真空值或负压值，真空值（负压值）越大，说明被测点的绝对压力比当地大气压小的越多！

针对锅炉对象，按照自治原则，对每个被调节量确定一个主控制量，从而将复杂的多变量控制系统，简化为多个单变量控制系统。

锅炉控制系统分为如下三个子系统,燃烧过程的控制系统,锅炉的给水控制系统,蒸汽温度控制系统,燃料量控制系统,送风控制系统,负压控制系统,锅炉设备的主要控制系统,燃烧过程控制系统：

满足经济性、安全性和环保要求被控变量：

蒸汽压力操纵变量：

燃料量被控变量：

空燃比操纵变量：

送风量被控变量：

炉膛负压操纵变量：

引风量锅炉给水自动控制系统：

保持物料的平衡（给水和蒸汽）被控变量：

汽包液位操纵变量：

给水量蒸汽温度自动控制系统：

满足过热度、壁温等要求被控变量：

过热蒸汽温度操纵变量：

喷水量,燃烧过程控制系统,锅炉燃烧控制的基本任务：

提供热量适应蒸汽负荷的需要；保证燃烧的经济性和锅炉运行的安全性。

三个调节任务：

维持汽压不变保持最佳空燃比炉膛负压不变,汽压调节对象的动态特性,扰动来源分析：

内部扰动：

燃料量扰动外部扰动：

汽轮机耗汽量的扰动,汽压调节对象的动态特性,内扰下汽压调节对象的动态特性外扰下汽压调节对象的动态特性,锅炉蒸发受热面的热平衡方程为焓是表示物质内部具有的一种能量的物理量，也就是一个表示物质状态的参数。

单位是能量的单位：

kJ或kJ/kg。

C为热容是用以衡量物质所包含的热量的物理量。

燃料控制系统,燃料量（煤粉）控制系统简图,送风控制系统方框图,为了使锅炉适应负荷的变化，必须同时改变送风量和燃料量。

恰能满足完全燃烧所需的空气量决定于燃料元素的分析，称为理论空气量。

一般实际送风量都要比理论空气量大一些，用过量空气系数来衡量，也称为空燃比。

送风控制系统方框图,燃料量空气系统优点：

简单，不受内部扰动影响缺点：

燃料量难以测准,送风控制系统方框图,热量空气系统优点：

燃料控制系统和送风控制系统可以很好的协调。

缺点：

热量变化不能够反映负荷的变化。

送风控制系统方框图,蒸汽空气控制系统优点：

对负荷变化的跟踪效果好缺点：

在内扰下不能保证风量与燃料量之间的配比。

送风控制系统方框图,负荷空气控制系统优点：

在负荷发生变化的时候，燃料和送风两个系统同时动作，动态偏差小。

缺点：

燃料侧变化的时候不能保证空燃比。

送风控制系统方框图,氧量空燃比串级系统目前含氧量测量还存在一定问题。

负压控制系统,调节烟道吸风机导叶开度以改变引风量，维持炉膛负压恒定。

锅炉烟道对象惯性很小，调节通道和扰动通道都可以近似为一个比例环节。

炉膛负压反映了吸风与送风量之间的平衡关系。

负压控制系统,总结,燃烧控制系统是由燃料量、送风量和负压三个相互匹配、密切联系的控制子系统组成。

燃料量控制回路使锅炉跟踪外界负荷，送风量控制回路维持锅炉最高的效率；负压控制回路保持负压稳定。

三者组成了不可分割的整体。

锅炉给水控制系统,任务：

保持汽包水位在一定范围内；目的和意义：

保障锅炉安全运行；水位高：

汽包内水汽分离差，蒸汽带水，造成过热蒸汽的温度下降，损坏蒸汽轮机叶轮片，过热器管壁结垢，传热效率下降；水位低：

在用户负荷大时，会全部汽化，造成设备损坏；在急冷时，引发锅炉的爆炸。

衡量汽水系统物质是否平衡；,给水调节对象的动态特性,锅炉中的循环水中含有大量蒸汽泡，其体积随着汽包压力和负荷的变化而变化；影响汽包水位H的主要因素有：

给水量W；汽轮机的耗汽量D；燃料量B；,给水扰动,给水流量W对汽包水位H的动态特性初始阶段，进入的冷水吸收水位以下饱和汽水中的热量，减少了饱和汽水中的气泡容积，补充汽泡空间，水位上升缓慢，当水位以下气泡容积不再变化时，水位呈线性上升,负荷扰动,蒸汽用量D增大，如给水量W不变，水位线性下降。

蒸汽用量D增大，迫使锅炉内气泡增多；同时由于燃料量维持不变，汽包压力下降，使水面以下的蒸汽泡膨胀，导致水位上升。

出现虚假水位,燃料量扰动,燃料量B的扰动必然引起蒸汽量D的变化，因此也同样有假水位现象。

但假水位现象比负荷扰动下要缓和的多。

汽包水位的单冲量控制方案,控制方案：

单回路控制，液位控制给水量冲量：

大型电站中，锅炉产汽量大，称变量为冲量。

单冲量即单变量，指汽包水位特点：

结构简单，但调节不够及时；存在虚假液位，并且时滞大。

适用于虚假液位不严重，负荷较稳定的场合。

比值控制方案,从物质平衡的观点出发，只要保证给水量永远等于蒸发量，就可以保证汽包水位不变。

特点完全根据物质平衡条件工作，给水量W的大小只决定于耗气量D,假水位现象不会引起给水调节机构的误动作。

是一个开环系统，不能够单独使用。

三冲量控制方案,三冲量控制方案,三个测量信号：

汽包水位、给水流量和蒸汽流量。

前馈反馈复合控制系统蒸汽流量D前馈的引入，只是消弱了假水位期间调节机构的误动作，但并不能消除假水位现象，并且由于水位H对负荷扰动D的响应速度要比对基本扰动W响应速度快得多，因此，在外部扰动下被调量的变化幅度还是比较大，必须对负荷变化的幅度加以限制。

输入信号之间的静态配合,串级控制方案,串级控制方案,增加了一个调节器，增加了系统的复杂性；对于信号之间静态配合要求不是很严格。

蒸汽温度控制系统,1.被控变量：

过热器出口温度2.操纵变量：

减温水流量3.扰动：

蒸汽流量、烟气侧传热量的扰动、喷水量扰动等,汽温调节对象的动态特性,蒸汽量扰动：

温度响应具有自平衡特性，且惯性和延迟都比较小；烟气侧传热量的扰动：

与蒸汽量扰动情况类似。

喷水量扰动，输入基本扰动，有较大的滞后。

带有导前微分信号的汽温控制系统,汽温串级控制系统,总结,发电机组中几个重要的控制系统单元机组出力控制系统锅炉燃烧过程控制锅炉汽包水位控制过热蒸汽的温度控制总的设计原则是将复杂的多输入多输出系统，先划分为几个单变量控制系统，再考虑之间的关联，采取一些措施使得其互相协调。

调节器多采用PID控制方法，但同时采取了许多特殊措施，如增益补偿，发热量修正，导前微分信号，前馈补偿等，使得检测信号更准确，扰动补偿更完善，对象的动态特性的一改善。