1、重庆大学本科学生课程设计任务书课程设计题目发电厂单元机组蒸汽温度控制系统设计学院自动化学院专业自动化年级2008已知参数和设计要求：火电厂对生产的连续性和负荷适应性要求极为严格，必须通过有效的控制手段予以保证。本课程设计要求学生完成发电厂单元机组负荷协调控制系统,蒸汽温控制系统的设计。在 Matlab 下进行控制系统的仿真,并对控制系统的性能进行分析。学生应完成的工作：1. 了解发电厂单元机组的生产过程及其对控制的要求。2. 设计单元机组的协调控制系统，给出控制系统的功能模块，对每个模块的功能进行详细的阐述。3. 设计蒸汽温度控制系统。列出仪器仪表的选型；在 Matlab 下对控制系统进行仿真
2、研究。基于仿真结果，分析控制系统的性能。目前资料收集情况（含指定参考资料）：1. 何离庆 主编。 过程控制系统与装置。重庆大学出版社。2. Pao C. Chau, Process Control: A First Course with MATLAB, Cambridge University Press, 1 edition, 2002.课程设计的工作计划：1. 课堂讲授一次课，布置设计任务，为学生讲解电厂单元机组的生产过程。2. 课程设计时间为一周。任务下达日期 2011年 9 月 26完成日期 2011 年 10 月 7日日指导教师 （签名）学生 （签名）说明：1、学院、专业、年级均填
3、全称，如：光电工程学院、测控技术、2003。2、本表除签名外均可采用计算机打印。本表不够，可另附页，但应在页脚添加页码。目录一、引言1.1 课程设计的背景.1.2 火力发电厂自动控制需求1.3 火力发电厂的单元机组蒸汽温度控制现状二、火力发电厂的单元机组的生产过程2.1 燃烧系统2.2 汽水系统2.3 电气系统三、火力发电厂的单元机组的协调控制系统3.1 单元机组协调控制系统及其组成3.2 单元机组负荷控制系统（协调控制级）3.2.1 负荷控制的原则及负荷控制方式3.3 负荷控制系统（协调级）的组成及作用3.3.1 负荷控制系统控制中心（LMCC）主要作用3.3.2 机、炉主控制器的作用四、火
4、力发电厂的单元机组蒸汽温度控制系统四、火力发电厂的单元机组蒸汽温度控制系统4.1 过热蒸汽温度控制系统4.1.1 过热汽温的主要影响因素4.1.2 过热蒸汽温度对象的动态特性4.1.3 过热汽温控制系统典型方案4.1.4 过热温度控制系统模型4.1.5MATLB 仿真4.2 再热汽温控制系统4.2.1 再热汽温控制系统的任务4.2.2 再热汽温的控制手段及控制系统五、蒸汽温控系统的仪器仪表的选型5.1 温度测量、变送器的选择5.2 喷水阀的选择5.3 执行电动机的选择六、总结参考文献161.1 课程设计的背景一、引言随着电力工业的快速发展，高参数、大容量的火力发电机组在电网中所占的比例越来 越
5、大。大容量机组的汽轮发电机和锅炉都是采用单元制运行方式。什么叫单元制？单元制 就是由一台汽轮发电机组和一台锅炉所组成的相对独立的系统。单元制运行方式与以往的 母管制运行方式相比，机组的热力系统得到了简化，且使蒸汽经过中间再热处理成为可能， 从而提高了机组的热效率。高参数、大容量的发电机组也给生产带来了一定的危险性。所 以如何保护单元机组的安全、可靠且经济运行，减少事故，提高设备的可靠性和运行的经 济性，是十分重要的问题。1.2 火力发电厂自动控制需求发电机组是由锅炉、汽轮发电机和辅助设备组成的庞大的设备群，是典型的过程控制对象。火电厂生产过程实质上是一个能源转换的过程，火电厂的产品电能现阶段尚
6、不能大量储存，因而其发、送、用电的过程是同时完成的，这就对电力生产的连续性和负荷适应性要求极为严格，必须通过有效的控制手段予以保证。目前，机组以从早期的手动控制发展到现在的自动控制，从就地控制发展到现在的炉、机、电集中控制。过去，运行人员通过手动操作执行机构和人工记录报表，如今，现代化 大型机组普遍采用计算机控制、大屏幕显示和高分辨率的 CRT 监视操作，从而将复杂的机组运行参数集中处理，并以图表、文字形式实时显示，供运行人员操作指导。由此可见， 大机组自动控制不仅可减轻运行人员的劳动强度，而且可减少运行人员，节省劳动力。1.3 火力发电厂的单元机组蒸汽温度控制现状锅炉控制现场环境恶劣，采用传
7、统的基于模拟技术的控制器、仪器仪表或单片机，不仅结构比较复杂，效率比较低，并且可靠性也不高。大型单元机组都采用再热式机组，锅炉蒸汽温度控制直接影响到全厂热效率及设备的安全运行。因此，汽温控制系统式锅炉的重要控制系统之一。锅炉蒸汽温度控制包括过热蒸汽温度和再热蒸汽温度的温度过高或过低都会显著地影响电厂的安全性和经济性。在过热蒸汽温度控制系统中采用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。再热汽温的控制一般以烟气控制方式为主，可采用的烟气控制方法有：控制烟气挡板的位置，采用烟气再循环，也可通过改变摆动燃烧器的倾角来控制再热汽温。在本次课程设计中，我们将阐述上述控制方式的特点。二
8、、火力发电厂的单元机组的生产过程火力发电厂的单元机组的主要组成和工作流程如下图 2-1：图 2-11汽轮机高压缸；2汽轮机中、低压缸；3汽包；4炉膛；5烟道；6发电机；7冷凝器；8补充水；9凝结水泵；10循环水泵；11低压加热器；12除氧器；13给水泵；14高压加热器；15给水调节机构；16省煤器；17过热器；18过热器喷水减温器；19汽机高压调汽门；20再热器；21再热器喷水减温器；22汽机中压调汽门；23煤粉仓；24燃料量控制机构；25喷燃器；26送风机；27空气预热器；28调风门；29水冷壁管；30引风机；31烟道挡板。单元机组主要包括三大系统：燃烧系统、汽水系统、电气系统。2.1 燃烧
9、系统燃烧系统的任务一方面是将燃料 B 由燃料控制机构 24 经喷燃器 25 送入炉膛燃烧， 另一方式将助燃的空气 V 由送风机 26 经空气预热器 27 预热后再经调风门 28 按一定比例送入炉膛。空气和燃料在炉膛内燃烧，产生大量热量传给蒸发受热面（水冷壁）29 中的水。燃烧后的高温烟气经型烟道，不断将热量传给过热器 17、再热器 20、省煤器 16 和空气预热器 27，每经过一个设备烟气温度便会降低一次，最后低温烟气由引风机 30 吸出，经烟囱排入大气中。2.2 汽水系统在汽水系统中，锅炉的给水 W 由给水泵 13 打出，先经过高温加热器 14， 再经过省煤器 16 吸收一部分烟气的余热后进
10、入汽包 3。汽包中的水在水冷壁中进行自然或强制循环，不断地吸收炉膛辐射热量，由此产生的饱和蒸汽由汽包顶部流出，再经过多级（34 级）过热器 17 进一步加热成过热蒸汽 D。这个具有一定压力和温度的过热蒸汽就是锅炉的产品。蒸汽的高温和高压是为了提高单元机组的热效率。2.3 电气系统汽轮机高压缸 1 接受从锅炉供给的过热蒸汽，其转子被蒸汽推动，带动发电机转动而产生电能 Pe(MW)。从高压缸汽轮机 1 做功后的蒸汽，其压力、温度都降低了。为了提高热效率，需要把这部分蒸汽送回锅炉，在再热器 20 中再次加热，然后再进入汽轮机中、低压缸 2 做功，最后成为乏汽从汽轮机低压缸尾部排入冷凝器 7 冷凝为凝
11、结水。凝结水和补充水 8 一起经凝结水泵 9 先打入低压加热器 11，然后进入除氧器 12，除氧后进入给水泵， 从而形成汽水系统的循环。高压加热器 14 和低压加热器 11 是利用汽轮机的中间抽汽来加热给水和凝结水，以提高电厂的热效率的设备。三、火力发电厂的单元机组的协调控制系统3.1 单元机组协调控制系统及其组成目前火力发电厂普遍采用分散控制系统以实现协调控制。协调控制系统，是单元机组自动控制系统的总称，是将单元机组的锅炉和汽轮机作为一个整体来进行控制的系统。协调控制级上的协调控制器要对下一级中的若干个控制器进行协调。协调的过程是一个多目标决策的过程，也是一个全局优化的过程。单元机组协调控制
12、系统的设计充分利用了机炉对象特性方面的特点，采用了前馈、补偿、多变量解耦等控制策略，使控制系统具有合理、可靠、易于维护调整等优点。建立在现代控制理论和方法基础上的单元机组协调控制系统也处于研究和发展之中。为了单元机组安全、经济地运行，必须将生产过程中的主要工艺参数（如主蒸汽压力、温度、再热蒸汽温度、锅炉汽包水位、炉膛气压、过剩空气函数、汽轮机转速等）严格地 控制在规定的范围内，为此，我们需要设置相当数量的、最基本的控制系统，它们是：汽 轮机的功率转速控制系统、锅炉的燃烧过程控制系统、汽包水位控制系统、蒸汽温度 控制系统等。汽轮机、锅炉炉两大部分既有动态特性差异大的一面，又是一个发电整体。 因此
13、，我们需要在汽轮机和锅炉的多个基本的控制系统之上，设置一个上位控制系统。利 用这个控制系统，实施汽轮机与锅炉在响应负荷要求时的协调动作与配合，这样单元机组 的自动控制系统从总体上看，构成了一个由上层的协调控制级（负荷控制系统）和下层各 基础控制级两部分组成的分级型控制系统如下图图 3-1 单元机组协调控制系统的组成框架从单元机组协调控制系统的组成框架可知，协调控制级由负荷管理控制中心和机炉主 控制器两部分组成，作用为上位控制作用，也就是单元机组的负荷控制系统；下边的锅炉、汽轮机的各子控制系统则作为基础控制级，起着最基本、也是最直接的控制作用。3.2 单元机组负荷控制系统（协调控制级）单元机组自
14、动控制的首要任务是机组负荷的自动控制，使机组的出力适应电网的需要。从电网来说，要求机组的出力能快速地适应外界负荷的需要；从机组本身来说，其出力由 锅炉和汽机两者共同决定的。困难之处在于两者的特性有很大差别，表现在适应负荷变化 的能力有很大差异。蒸汽进入汽轮机到发电机送出电能是非常迅速的过程，与锅炉相比， 汽轮发电机是一个惯性小、反应快的控制对象；而锅炉从给水到生成过热蒸汽则是一个很 慢的过程，也是一个惯性大、反应慢、复杂的多变量的对象。负荷控制的任务是就在于如 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。相互适应的标 志就是主蒸汽压力𝑝𝑇的
15、稳定程度。因此，机组负荷控制系统有两个被调量：机组实发功率𝑃𝑒和主蒸汽压力𝑝𝑇。相应的控制量为气机调汽门的开度𝜇𝑇和锅炉的燃料量 B。3.2.1 负荷控制的原则及负荷控制方式当电网负荷变动时，从汽轮机侧看，只要改变调汽门，就能迅速改变蒸汽量，立即适 应负荷的需要。但锅炉则不然，当负荷变化时，即使马上调整燃料量 B 和给水量 W，由于 锅炉固有的惯性及延迟，不可能立即改变提供给汽轮机的蒸汽量 D。因此，如果汽轮机调汽门开度已改变，流入汽机的蒸汽量相应地发生变化，此时就只能利用主汽压力的改变来 弥补或储
16、蓄这个蒸汽量供需差额。在这个过程中，主汽压力一定会产生较大的波动。也就 是说，提高机组负荷的适应能力和保持汽压稳定这两者之间存在着一定的矛盾。为了提高 机组的响应性能，可在保证安全运行（即主蒸汽压力在允许范围内变化）的前提下，充分 利用锅炉的蓄热能力，也就是在负荷变动时，通过汽轮机进汽调节阀的适当动作，允许气 压有一定波动。即释放或吸收部分蓄能，加快机组初期负荷的响应速度；与此同时，根据 外部负荷的请求指令，加强对锅炉侧燃烧率（及相应的给水流量）的控制，及时恢复蓄能， 使锅炉蒸发量与机组负荷保持一致。这就是负荷控制的基本原则，也是机、炉协调控制的 基本原则。在设计负荷控制系统时，应根据机组在电
17、网负荷变化中所承担的任务而采用适当的控制方式。下面为三种可供选择的控制方式：（1）锅炉跟踪方式、（2）汽机跟踪方式、（3） 机、炉跟踪方式（1） 锅炉跟踪方式下图所示为锅炉跟踪方式的原理图，这种控制方式是汽轮机调负荷（即调节输出电功率）锅炉调主汽压。基本点：汽轮机为基础，锅炉跟随的负荷控制方式，简称炉跟机方式。汽轮机接受负荷指令，负责调节功率，具有较好的负荷响应能力；炉负责调节汽压， 维持汽压的稳定，由于锅炉动态响应慢，动态过程中汽压波动大；因机炉间的相互影响， 燃料扰动（如增加）时压力、功率都有变动（上升），而为保持原有功率，汽轮机调节汽门要动作（关小），更使压力有所波动（增加）。Nu-uT
18、+WT1(s)汽机调节器N0 +NEWPu(s)功率给定值+ 输出功率压力给定值WT2(s)锅炉调节器+WPM(s)WNM(s)机前压力P0 +-M+PT图 3-2 炉跟机的工作过程当负荷指令改变时，汽机主控制器发出指令，改变汽机的调气门开度𝜇𝑇，使发电机输 出功率𝑃𝑒迅速与功率调节器的设定值𝑃0一致，以满足电网负荷的要求。与此同时，由于调 汽门开度改变，主汽压力也随之改变，锅炉主控制器根据汽压偏差发出指令，改变燃烧率 及相应的给水流量，使汽压𝑝𝑇恢复到𝑝Ү
19、79;0，从而跟踪汽机的负荷变化。这种控制方式是先让汽机适应外界负荷的需要，再让锅炉跟随汽机的需要，因此称为“炉跟机”控制方式。它 实质上就是常规的机、炉分别控制方式。这种方式的优点是：充分利用了锅炉蓄热量，使 机组能较快地跟踪外界负荷的变化。但由于锅炉的惯性和延迟，主汽压𝑝𝑇会有较大的波动。这种大幅度波动对锅炉安全、稳定地运行是不利的，这就要对机组出力变化的幅度和速度 加以限制。在单元机组中，当锅炉设备运行正常，机组输出功率因汽轮机设备上的原因而 受到限制时，可采用锅炉跟踪方式，此时，由汽轮机根据其带负荷能力控制机组负荷，由 锅炉保持气压。负荷控制部分+ P0
20、Pe主控制器汽轮机主控制器锅 炉NBNT PT0-锅炉子控制系统mB汽轮机子控制系统mTpTV-3 V-1蒸汽燃料量V-2汽轮机发电机图 3-3 “炉跟机”控制方式（2） 汽机跟踪方式基本点：锅炉为基础，汽轮机跟随的负荷控制方式，简称机跟炉方式。WT1(s)汽机调节器P0+-uT+NE压力给定值+功率给定值锅炉调节器+N0 +-M+PTWPM(s)WT2(s)WNM(s)WPu(s)WNu(s)图 3-4 机跟炉的工作过程机跟炉方式：炉接受负荷指令，负责调节功率，负荷响应能力差，不仅不能利用锅炉蓄能，负荷增加时，还要先向锅炉附加蓄能，要先提高汽包压力；因机炉间的相互影响， 燃料扰动时，机组功率
21、波动也大，如燃料增加时，功率、汽压都上升，要保持原有汽压，汽轮机调节汽门开大，会使功率更为增加，对燃煤机组来说这个缺点比较突出。单纯的汽轮机跟踪运行方式对电网干扰较大，不利于电网周波的稳定；但因汽轮机调压的动态响应比锅炉调压快，不论负荷变化或燃料扰动，汽压波动都小，有利于机组本身运行参数的稳定。负荷控制部分+ P0Pe主控制器汽轮机主控制器锅 炉NBNT PT0-锅炉子控制系统mB汽轮机子控制系统mTpTV-3 V-1蒸汽燃料量V-2汽轮机发电机图 3-3“机跟炉”控制方式在这种控制方式中，由于主汽压𝑝𝑇是用调汽门来保持的，所以主汽压可以非常稳定， 这对锅炉安全
22、运行是有利的，但是，这种方式没有调用锅炉的蓄热量，因而机组对出力设 定值改变的响应很缓慢。根据这种控制方式的特点，它只是用于承担基本负荷的单元机组。（3） 机、炉协调方式这种控制方式是建立在协调锅炉和汽机适应外界负荷变化能力基础上的中综合型协调控制方式。它既克服了“炉跟机”方式中因调用锅炉蓄热量过大而引起主汽压波动太大的问题，又解决了“机跟炉”方式中根本不动用锅炉蓄热量以致不能较快地响应负荷变化的矛盾。实际上，这种方式是把上述两种方法结合起来，取长补短。下图为“机、炉协调控制”方式的示意图。负荷控制部分+ P0Pe主控制器汽轮机主控制器锅 炉NBNT PT0-锅炉子控制系统mB汽轮机子控制系统
23、mTpTV-3 V-1蒸汽燃料量V-2汽轮机发电机图 3-4 机、炉协调控制方式当负荷指令𝑃0改变时，机、炉主控制器同时对汽轮机侧和锅炉侧发出负荷控制指令， 改变汽轮机进汽调节阀开度和燃烧率（及相应的给水流量等）。一方面利用蓄能暂时应付负荷请求，快速响应负荷；另一方面改变进入锅炉的能量，以保持机组输入能量与输出能量的平衡。当主蒸汽压力产生偏差时，机、炉主控制器对锅炉侧和汽轮机侧同时进行操作。一方面加强锅炉燃烧率的控制作用，补偿蓄能的变化；另一方面又通过前馈适当限制汽轮机进汽调节阀的开度，控制蒸汽流量，维持主蒸汽压力稳定，以保证机、炉之间的能量平衡。控制过程结束后，稳态下机、炉控
24、制器共同保证实际发电率𝑃𝑒和负荷指令𝑃0一致，机前压力𝑝𝑇恢复到设定值𝑝𝑇0。由此可见，综合性协调控制方式能较好地保持机组内外两个能量供求的平衡关系。这种方式的本质是，通过有节制地调用锅炉的蓄热量，既保证了机组有较好的负荷适应能力， 又具有良好的汽压控制性能，它是一种较为合理的和完善的协调控制方式，但系统结构比 较复杂。这种控制方式一般适用于带有变动负荷的单元机组。由于这种控制方式具有机、 炉兼顾，互相协调的特点，在大型单元机组中得到普遍的应用。应当指出，目前在大型单元机组中，一般同
25、时具有上述三种控制方式，可根据机组运行的需要，经过逻辑开关切换到其中任一种控制方式。并可通过自动/手动开关切换到全手动方式，不论哪种控制方式，最终都是向机组输出汽机调速器位置指令和锅炉燃料量指令， 然后通过机、炉各自的控制回路改变汽机调汽门和燃料量来进行的。3.3 负荷控制系统（协调级）的组成及作用负荷控制系统（协调控制级）由负荷管理中心（LMCC）和机炉主控制器组成，如单元机组协调控制系统的组成框架图所示。3.3.1 负荷控制系统控制中心（LMCC）主要作用负荷管理控制中心（LMCC）的主要作用是：对机组的各负荷请求指令（电网中心调度所负荷自动调度指令 ADS 或运行操作人员设定的负荷指令）
26、进行选择和处理，并与电网频率偏差信号𝑓一起形成机组主、辅设备负荷能力和安全运行所能接受的、具有一次调频能力的机组负荷指令𝑃0，作为机组实发功率的设定信号送入机、炉主控制器。LMCC 除对外部负荷指令进行选择外，还根据机组主、辅设备运行状况，设定最大（或最小）负荷限值；根据机组当前变负荷能力，对正常及非正常情况下负荷指令的变化速率进行限制。当机组设备或控制系统出现异常时，LMMC 可对负荷指令进行修改，使机组负荷降至适当的水平。3.3.2 机、炉主控制器的作用机、炉主控制器的主要作用是：接受 LMCC 输出的负荷指令𝑃0、机组实际发电功率w
27、875;𝑒、主蒸汽压力给定值𝑝𝑇0及实际主蒸汽压力𝑝𝑇等信号；根据机组当前运行条件及要求，选择合适的负荷控制方式，并实现不同控制方式间的切换；根据机组功率负荷偏差𝑃 = 𝑃0 𝑃𝐸和机前主蒸汽压力偏差𝑝 = 𝑝𝑇0 𝑝𝑇，按照选定的基本控制方式（炉跟随或机跟随）进行前馈反馈控制运算。分别产生锅炉负荷指令（锅炉主控指令）𝑁𝐵和汽轮机负荷指令（汽
28、轮机主控指令）𝑁𝑇，𝑁𝐵和𝑁𝑇作为机、炉协调动作的指挥信号，分别送至锅炉和汽轮机有关 子控制系统。机、炉主控制器又称机、炉主控制回路，由汽轮机主控制器与锅炉主控制器两部分组成，是机、炉协调控制思想的具体体现。大多数负荷控制的基本方案是一个以前馈反馈控制为主的多变量协调控制方案。其中，反馈控制是负荷控制的基础，通过它确保机组内外两个能量供求平衡关系以及实现多种负荷控制方式的选择切换。前馈控制主要是为了补偿机组的动态延迟，加快负荷响应，同时也为了保证有关运行参数的稳定值与指令一致，是动态变化值始终在其稳
29、态值附近。引入前馈控制运算，使机、炉之间的能量失衡或刚要失衡时及时按照机、炉双方特性采取前馈控制，以产生一种能量失衡在较小范围内的控制作用。这一功能是协调控制的核心。机组的协调控制功能是在基本的锅炉跟随（或汽机跟随）控制方式的两个相对独立的反馈回路基础上，引进适当的前馈控制方式予以实现的。单独的“锅炉跟随”或“汽机跟随”控制都存在着能量失衡严重的现象，因为它们仅仅依赖于主蒸汽压力𝑝𝑇来维持机组或机组内部能量平衡，而𝑝𝑇的恢复又具有较大惯性。引入前馈补偿信号可使机炉两个相对独立的反馈回路彼此联系，协调动作。一般情况下，负荷控制系统中还包含非
