热工自动化概述.docx

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热工自动化概述

1热工自动化概述

热工自动化概述

NorthChinaElectricPowerUniversity第一章热工自动化概述第一章热工自动化概述§1.1热工自动化概况§1.2常见的热工自动化系统§1.3热工控制系统的组成§1.4常规PID调节器常规PID调节器§1.5热工控制系统的运行评价§1.6SAMA图SAMA图1NorthChinaElectricPowerUniversity第一章热工自动化概述§1-1热工自动化概况2NorthChinaElectricPowerUniversity第一章热工自动化概述一、自动化领域发生了革命性的变化?

芯片技术：

促进了自动化技术由“模拟”向“数字”芯片技术：

促进了自动化技术由“模拟”数字”时代的飞跃；?

网络信息技术：

分布式工业自动控制系统（DCS:

网络信息技术：

分布式工业自动控制系统（DCS:

DistributedControlSystem）为实现先System）进的工业自动化系统提供了强有力的硬件、软件平台。

软件平台。

3NorthChinaElectricPowerUniversity第一章热工自动化概述?

自动控制理论：

自动化技术由基于微分方程、传递函自动控制理论：

数的古典理论阶段进入基于状态空间法和最优化方法的现代理论阶段，进而，逐步发展到基于专家系统、模糊控制和人工神经网络的智能时代。

?

信息处理技术：

数据高速传输、数据压缩存储、数据信息处理技术：

融合、数据挖掘等技术的发展，为实现基于信息集成的生产过程的控制与管理现代化奠定了基础。

4NorthChinaElectricPowerUniversity第一章热工自动化概述二、电力的发展趋势1.国民经济的飞速增长，增加了对能源的需求量，国民经济的飞速增长，增加了对能源的需求量，电力工业逐渐发展为大电网、大机组、高参数、电力工业逐渐发展为大电网、大机组、高参数、高度自动化。

动化。

2.由于高参数、大容量机组发展迅速，装机数量日益增多，因此对机组自动化的要求也日益提高，以“4C”益增多，因此对机组自动化的要求也日益提高，以“4C”（计算机、控制、通信、CRT）技术为基础的现代火电机（计算机、控制、通信、CRT）技术为基础的现代火电机组热工自动化技术也相应得到了迅速发展。

其中，具有代表性的是80年代微机分散控制系统（DCS）的问世和日代表性的是80年代微机分散控制系统（DCS）的问世和日益完善，并广泛应用于大机组的自动控制。

5NorthChinaElectricPowerUniversity第一章热工自动化概述3.“厂网分开，竞价上网”的电力改革基本完成，厂网分开，竞价上网”形成了“五大发电集团”形成了“五大发电集团”：

中国电力投资集团公司、中国华能集团公司、中国大唐集团公司、中国国电集团公司、中国华电集团公司；“两大电网”司、中国华电集团公司；“两大电网”：

国家电网公司、中国南方电网有限责任公司。

4.“七五”、“八五”期间，我国电力工业所建主七五”八五”力机组大多还是300MW机组，但也开始建设600MW级机组。

力机组大多还是300MW机组，但也开始建设600MW级机组。

5.“九五”期间，我国电力建设的机组主力将逐步九五”转为以600MW机组为主。

转为以600MW机组为主。

6NorthChinaElectricPowerUniversity第一章热工自动化概述四、大型火电机组的特点1.监视点多（600MW机组I／O点多达3000～5000个，监视点多（600MW机组I点多达3000～5000个随着发电机随着发电机-变压器组和厂用电源等电气部分监视纳人DCS之后，DCS之后，I／O点已超过7000个）;点已超过7000个2.参数变化速度快和控制对象数量大（600W机组超参数变化速度快和控制对象数量大（600W过1300个）;1300个3.各个控制对象特性时变、时滞、相互间关联耦合、各个控制对象特性时变、时滞、相互间关联耦合、环境强干扰；4.由高度计算机化的单元机组集控取代传统的机、由高度计算机化的单元机组集控取代传统的机、炉、电分别人工监控。

自动化系统的功能也已从单台辅电分别人工监控。

机和局部热力系统发展到整个单元机组的检测与控制。

机和局部热力系统发展到整个单元机组的检测与控制。

7NorthChinaElectricPowerUniversity第一章热工自动化概述5.随着整个单元机组自动化的不断完善以及电网发展的需要，发展的需要，火电厂热工自动化的功能必然会和调度自动化系统（自动化系统（automaticdispatchsystem，ADS）相协调system，ADS）而实现电网的自动发电控制（AGC）而实现电网的自动发电控制（AGC）。

6.厂级实时监控信息系统（SupervisoryInformation厂级实时监控信息系统（SysteminPlantLevel，简称SIS），是集过程实时监测、Level，简称SIS）是集过程实时监测、优化控制及生产过程管理为一体的厂级自动化信息系统,实现机组的安全经济运行的有效手段。

实现机组的安全经济运行的有效手段。

8NorthChinaElectricPowerUniversity第一章热工自动化概述五、热工自动化的意义热工自动化的意义1.在机组正常运行过程中，自动化系统能根在机组正常运行过程中，据机组运行要求，自动将运行参数维持在要求值，据机组运行要求，自动将运行参数维持在要求值，以期取得较高的效率（如热效率）以期取得较高的效率（如热效率）和较低的消耗如煤耗、厂用电率等）（如煤耗、厂用电率等）。

9NorthChinaElectricPowerUniversity第一章热工自动化概述2.在机组运行工况出现异常，如参数越限、在机组运行工况出现异常，如参数越限、辅机跳闸时，自动化设备除及时报警外，还能迅速、机跳闸时，自动化设备除及时报警外，还能迅速、及时地按预定的规律进行处理。

这样，既能保证机组设时地按预定的规律进行处理。

这样，既能保证机组设备的安全，又能保证机组尽快恢复正常运行，备的安全，又能保证机组尽快恢复正常运行，减少机组的停运次数。

组的停运次数。

例如，例如，RUNBACK（自动快速减负荷）、RUNBACK（自动快速减负荷）UP（强增负荷）UP（强增负荷），RUNDOWN（强减负荷）、FASTDOWN（强减负荷）CUTBACK（FCB，负荷快速切回或称快速甩负荷）BACK（FCB，负荷快速切回或称快速甩负荷）等功能。

等功能。

10NorthChinaElectricPowerUniversity第一章热工自动化概述3.当机组从运行异常发展到可能危及设备安全或人身安全时，自动化设备能适时采取果断措施进行处理，身安全时，自动化设备能适时采取果断措施进行处理，以保证设备及人身的安全。

如锅炉主燃料跳闸（以保证设备及人身的安全。

如锅炉主燃料跳闸（masterfueltrip，MFT）、汽轮机监测系统（TSI）和汽轮机紧trip，MFT）汽轮机监测系统（TSI）急跳闸系统（ETS）急跳闸系统（ETS）等。

4.在机组启停过程中，自动化设备又能根据机组启在机组启停过程中，动时的热状态进行相应的控制，动时的热状态进行相应的控制，以避免机组产生不允许的热应力而影响机组的运行寿命，即延长机组的服役期。

的热应力而影响机组的运行寿命，即延长机组的服役期。

如汽轮机的计算机应力估算和寿命管理系统，如汽轮机的计算机应力估算和寿命管理系统，汽轮机自启停系统（turbine启停系统（turbineautomaticsystem，TAS）。

system，TAS）。

11NorthChinaElectricPowerUniversity第一章热工自动化概述5.随着电网的发展，对自动发电控制（automatic随着电网的发展，对自动发电控制（generationcontrol，AGC）的要求日趋严格。

AGC是现control，AGC）的要求日趋严格。

AGC是现代电网控制中心的一项基本和重要的功能，代电网控制中心的一项基本和重要的功能，是电网现代化管理的需要，也是电网商业化运营的需要。

化管理的需要，也是电网商业化运营的需要。

而要实现AGC，单元机组必须有较高的自动化水平，AGC，单元机组必须有较高的自动化水平，单元机组协调控制系统必须能投入稳定运行。

调控制系统必须能投入稳定运行。

自动化技术对于提高机组的安全经济运行水平是行之有效的，大型火电机组离开了高度的自动化，之有效的，大型火电机组离开了高度的自动化，就不可能做到安全经济运行。

能做到安全经济运行。

12NorthChinaElectricPowerUniversity第一章热工自动化概述§1-2常见的热工自动化常见的热工自动化系统13NorthChinaElectricPowerUniversity第一章热工自动化概述1.自动发电控制系统（automaticgenerationcontrolSystem，AGC）System，AGC）由于调速器为有差调节，由于调速器为有差调节，因此对于变化幅度较大、周期较长的变动负荷分量，较大、周期较长的变动负荷分量，需要通过改变汽轮发电机组的同步器来实现，汽轮发电机组的同步器来实现，即通过平移调速系统的调节静态特性，系统的调节静态特性，从而改变汽轮发电机组的出力来达到调频的目的，称为二次调整。

出力来达到调频的目的，称为二次调整。

当二次调整由由电网调度中心的能量管理系统来实现遥控自动控制时，统来实现遥控自动控制时，则称为自动发电控制（AGC）。

AGC）14NorthChinaElectricPowerUniversity第一章热工自动化概述2.厂级实时监控信息系统（SupervisoryInformationSysteminPlantLevel，Level，简称SIS）简称SIS）SIS是发电厂的生产过程自动化和电力市场交易SIS是发电厂的生产过程自动化和电力市场交易信息网络化的中间环节，是发电企业实现发电生产到市场交易的中间控制层，是实现生产过程控制和生产信息管理一体化的核心，是承上启下实现信息网络的控制枢纽。

?

实现全厂生产过程监控?

实时处理全厂经济信息和成本核算?

竞价上网处理系统?

实现机组之间的经济负荷分配?

机组运行经济评估及运行操作指导15NorthChinaElectricPowerUniversity第一章热工自动化概述3.单元机组协调控制系统（coordinationcontrolsystem，CCS）system，CCS）协调控制是基于机、炉的动态特性，应用多变量控制理论形成若干不同形式的控制策略，在机、炉控制系统基础上组织的高一级机、炉主控系统。

它是单元机组自动控制的核心内容。

4.锅炉炉膛安全监控系统（furnacesafeguardsupervisorysystem，FSSS）或称燃system，FSSS）烧器管理系统（烧器管理系统（burnermanagementsystem，BMS）system，BMS）炉膛安全监视系统包括炉膛火焰监视，炉膛压力监视，炉膛吹扫，自动点火，燃烧器自动切换，紧急情况下的主燃料跳闸等。

16NorthChinaElectricPowerUniversity第一章热工自动化概述5.顺序控制系统（sequencecontrolsystem，SCS）system，SCS）按照生产过程工艺要求预先拟定的顺序，有计划、有步骤、自动地对生产过程进行一系列操作的系统，称之为顺序控制系统。

顺序控制也称程序控制，在发电厂中主要用于主机或辅机的自动启停程序控制，以及辅助系统的程序控制。

如汽轮机的自动启停程序控制、磨煤机自动启停程序控制、定期排污和定期吹灰的程序控制等。

17NorthChinaElectricPowerUniversity第一章热工自动化概述6.数据采集系统（dataacquisitionsystem，DAS）system，DAS）又称为计算机监控系统，其基本功能是对机组整个生产过程参数进行在线检测，经处理运算后以CRT画面形式提供给运行人员。

该系统可进行后以CRT画面形式提供给运行人员。

该系统可进行自动报警，制表打印，性能指标计算，事件顺序记录，历史数据存储以及操作指导等。

18NorthChinaElectricPowerUniversity第一章热工自动化概述7.汽轮机数字电液控制系统（digitalelectrichydraulicsystem，DEH）system，DEH）汽轮机数字电液控制系统是汽轮发电机组的重要组成部分，除完成汽轮机转速、要组成部分，除完成汽轮机转速、功率及机前压力的控制外，的控制外，还可实现机组启停过程及故障时的控制和保护。

和保护。

8.给水泵汽轮机电液控制系统（machineelectrichydraulicsystem，MEH）system，MEH）19NorthChinaElectricPowerUniversity第一章热工自动化概述9.旁路控制系统（bypasscontrolsystem，BPS）system，BPS）大型中间再热式机组一般都设置旁路热力系统，大型中间再热式机组一般都设置旁路热力系统，其目的是在机组启、停过程中协调机、炉的动作，其目的是在机组启、停过程中协调机、炉的动作，回收工质，保护再热器等。

收工质，保护再热器等。

完备的旁路控制系统是充分发挥旁路系统功能的前提。

发挥旁路系统功能的前提。

10.汽轮机自启动系统（TAS）10.汽轮机自启动系统（TAS）20NorthChinaElectricPowerUniversity第一章热工自动化概述11.汽轮机监视仪表（TSI）11.汽轮机监视仪表（TSI）和汽轮机紧急跳闸系统（ETS）系统（ETS）汽轮发电机属高速运转的大型机械设备，对其运行参数的要求十分严格。

大轴的振动、位移、热膨胀等参数直接影响到汽机的安全运行，必须精确测量并加以监视。

以微处理器为核心的汽轮机监控系统，可有效地解决参数检测与处理方面的困难。

12.12.辅助系统的计算机程控系统21NorthChinaElectricPowerUniversity第一章热工自动化概述§1-3热工控制系统的组成22NorthChinaElectricPowerUniversity第一章热工自动化概述一、自动控制系统的组成用自动化装置代替上述人工操作来完成控制任务，就形成了自动控制系统。

图汽包水位自动控制系统示意图23NorthChinaElectricPowerUniversity第一章热工自动化概述图汽包水位自动控制原理框图24NorthChinaElectricPowerUniversity第一章热工自动化概述1、变送器用来测量被调量，并把被调量转换为与之成比例的某种便于传递和综合的信号。

2、执行器根据调节器送来的控制指令去推动调节机构，改变调节量。

3、调节器接受被调量信号和给定值比较后的偏差信号，输出一定规律的控制指令给执行器。

4、控制对象被控制的热工生产过程或设备。

25NorthChinaElectricPowerUniversity第一章热工自动化概述5、有关变量给定值：

给定值：

被调量的给定值或与该给定值对应的电信号。

被调量：

表征热工过程是否符合规定工况的物理量。

扰动：

生产过程中引起被调量偏离给定值的各种因素。

调节量：

由控制作用来改变并去控制被调量变化的物理量。

调节机构：

接受控制作用去改变调节量变化的具体设备。

调节机构：

26NorthChinaElectricPowerUniversity第一章热工自动化概述二、自动控制系统的分类1．按控制方式分类闭环控制系统（也称反馈控制系统闭环控制系统（也称反馈控制系统）反馈控制系统）被控量信号反馈到控制设备的输入端，成为控制设备生产控制作用的依据。

有闭合回路，只要被控量与给定量之间有偏差，控制设备就要对控制对象施加作用，直到被控量符合要求为止。

特点：

基于偏差，消除偏差，可克服各种扰动对被控量的影响，有较高精度，但控制不及时。

27NorthChinaElectricPowerUniversity第一章热工自动化概述开环控制系统（也称前馈控制系统开环控制系统（也称前馈控制系统）前馈控制系统）控制设备和控制对象在信号关系上没有形成闭合回路的控制系统，其被控量没有反馈到控制设备的输入端。

特点：

按扰动进行控制，结构简单，精度差，只能克服单一扰动。

复合控制系统：

复合控制系统：

它是开环控制和闭环控制组合的一种控制系统。

28NorthChinaElectricPowerUniversity第一章热工自动化概述2．按闭合回路的数目分类单回路控制系统：

单回路控制系统：

只有一个被控量信号反馈到控制器的输入端。

形成一个闭合回路。

29NorthChinaElectricPowerUniversity第一章热工自动化概述多回路控制系统：

多回路控制系统：

具有一个以上的闭合回路，控制器（调节器）路，控制器（调节器）除接受被控量反馈信号外，还有另外的输出信号直接或间接地反馈到控制器的输入端。

30NorthChinaElectricPowerUniversity第一章热工自动化概述3．按给定值分类定值控制系统：

给定值保持不变，从而被控量也相定值控制系统：

给定值保持不变，从而被控量也相应保持不变，主要矛盾是克服扰动对被控量的影响，最终使被控量与给定值相等。

主要的热工控制系统，如：

给水控制系统、再热汽温控制系统等。

31NorthChinaElectricPowerUniversity第一章热工自动化概述随动控制系统：

给定值按预先不能确定的一些随机随动控制系统：

因素而变化。

因而被调量也跟随给定值而随机变化。

如：

单元机组负荷控制系统；军事上的火炮跟踪系统；导弹预测拦截系统。

程序控制系统：

程序控制系统：

给定值按已知的时间函数变化。

控制的任务是使被控量尽快与给定值相等。

例如：

汽轮机自动启停系统TAS：

汽轮机启动过例如：

汽轮机自动启停系统TAS：

汽轮机启动过程中，要求汽轮机的转速按一定程序升降等；炉膛吹灰系统等。

32NorthChinaElectricPowerUniversity第一章热工自动化概述三、热工对象的动态特性

（1）有自平衡能力KW（s）=e?

τs（1+Ts）n

（2）无自平衡能力W（s）=εs（1+Ts）33NorthChinaElectricPowerUniversity第一章热工自动化概述热工对象具有以下特点：

热工对象具有以下特点：

（1）被调量的变化大多是不振荡的。

（2）被调量在干扰发生的开始阶段有迟延和惯性。

（3）在响应曲线的最后阶段，被调量可能达到一个新的平衡状态（对象有自平衡能力），也可能不断变化而无法进入平衡状态（对象无自平衡能力）。

（4）描述对象动态特性的特征参数有：

放大系数、时间常数、迟延时间。

34NorthChinaElectricPowerUniversity第一章热工自动化概述§1-4常规PID调节器常规PIDPID调节器35NorthChinaElectricPowerUniversity第一章热工自动化概述一、常规PID控制规律常规PIDPID控制规律接受被调量信号和给定值比较后的偏差信号，按比例-积分-微分控制规律输出控制指令给执行器。

比例-积分-微分控制规律输出控制指令给执行器。

36NorthChinaElectricPowerUniversity第一章热工自动化概述37NorthChinaElectricPowerUniversity第一章热工自动化概述1、比例调节规律指调节器输出的控制作用u指调节器输出的控制作用u（t）与其偏差输入信号e（t）之间成比例关系，即u（t）=Kpe（t）比例增益工程中，常用比例带δ工程中，常用比例带δ来描述其控制作用的强弱，即1δ=Kp物理意义：

在调节机构的位移改变时，被调量应有的改变量。

38NorthChinaElectricPowerUniversity第一章热工自动化概述比例调节器的阶跃响应曲线如下:

比例调节器的阶跃响应曲线如下:

δ对控制过程的影响39NorthChinaElectricPowerUniversity第一章热工自动化概述比例调节规律的特点：

比例调节规律的特点：

（1）动作快，调节及时、迅速；

（2）对干扰有很强的抑制作用；（2很强的抑制作用；

（2）调节过程结束，被调量偏差仍存在，存在静态偏差，称为有差调节。

结论：

结论：

比例带大，则调节阀动作幅度小，被调量变化平稳，超调量小，但残差较大，静态偏差随比例带的加大而加大；减小比例带导致系统激烈振荡甚至不稳定，比例带设置必须有一定的稳定裕度。

40NorthChinaElectricPowerUniversity第一章热工自动化概述2、积分调节规律积分调节规律是调节器输出控制作用u积分调节规律是调节器输出控制作用u（t）与其偏差输入信号e偏差输入信号e（t）随时间的积累值成正比，即1u（t）=u（0）+∫e（t）dtTi积分时间积分作用曲线特点：

特点：

只要偏差存在，积分控制作用一直增加；消除稳态偏差，实现无差调节，其控制作用体现在调节过程的后期。

41NorthChinaElectricPowerUniversity第一章热工自动化概述积分调节器的积分时间对控制过程的影响非周期过程衰减振荡过程等幅振荡过程Ti对控制过程的影响42NorthChinaElectricPowerUniversity第一章热工自动化概述结论：

结论：

积分时间越小，积分速度越快，调节阀动作愈快，容易引起和加剧振荡。

积分调节作用是随时间而逐渐增强的，与比例调节作用相比过于迟缓，恶化了动态品质，使过渡过程的振荡加剧，甚至造成系统的不稳定。

43NorthChinaElectricPowerUniversity第一章热工自动化概述3、微分调节规律微分调节规律是调节器输出的控制作用与其偏差输入信号的变化速度成正比。

对