基于dcs的热工协调控制系统毕业设计(编辑修改稿)

基于dcs的热工协调控制系统毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

炉、电三大部分。 把整个机组的能量转换与传热过程划分为炉内燃烧与传热、管道传热、汽轮机做功三段过程。 在此基础上推导出各段过程的物质平衡、能量平衡和动量平衡方程式。 东北电力大学自动化工程学院学士学位论文 8 炉内燃烧与管道传热 单元机组的燃烧与传热过程包括炉内部分和管道传热两个部分，而炉内燃烧与传热过程是一个纯时延的惯性环节，其表达式如下 [11]： 121 1sKeFBTS   () 21 1QDFTS   () 其中， 1 ， 1T ， 2T 和 1K 可通过计算或实验求出。 根据经验数据，一般有 1 2~5 ,S  125 ~ 10 ,T S T 可根据锅炉的水冷壁和金属的蓄热量 J 相对 于锅炉负荷的变化率来确定 2 JT D () 式中， D 为锅炉的蒸发量。 在正常运行工况下，通常为 ST 752 。 当单元机组采用直吹式制粉系统时，应该在燃料量之前增加描述制粉系统的环节 011112 . 411MMMQB B VT S V T S     () 式中， 0B 为进入制 粉系统的原煤量， 1V 为一次风量， MQ 为磨煤机原煤装载量。 根据经验和实验数据，时间常数 sTM 5040  [12]。 把锅炉和蒸汽管道的蓄热能力分开，可求出锅炉的蓄热量为 DQ D b dpD D c dt    () 式中， bc 为锅炉的蓄批热系数，一般可根据实验方法确定。 热能从炉膛传递管道时将经过管 道传热，为了问题简化，这里将主蒸汽管道看作集中参数系统，其蓄热量可以表示为 TQ T n dPD D c dt    () nnnnTTQcVPP () 其中， nc 为蒸汽管道蓄热系数； nQ 为主蒸汽管道内蒸汽量； nV 为蒸汽管道容积； n 为蒸汽重度系数 [13]。 蒸汽管道两端的压力降与管道蒸汽量之间的关系为： 2D T DP P kD () 第 3 章 单元机组燃烧与传热过程 9 其中， k 为蒸汽管道的阻力系数。 机前压力 TP 与汽轮机进汽量 TD 之间有以下关系 ()T V T TP R R D () 其中， VR 和 TR 分别为主蒸汽调节阀的阻力和汽轮机的沿程阻力。 定义蒸汽调节阀的开度为： 1VTRR  () 将式 ()代入式 ()中，可得到： TTDP () 汽轮机做功过程 无中间再热器时，机组从蒸汽流量变化到汽轮机功率变化的反应很快，可以简单地将汽轮机做功过程表示为： TDkN 2 或 2 TN k D   () 有中间再热器系统，汽轮机的输出功率为高压缸输出功率 HN 和中、低压缸输出功率LN 两部分之和： HLN N N () 在静态工况下： 22(1 )HTLTN k DN k D   () 其中，  为汽轮机高压缸输出功率在总输出功率中所占比例系数 [14]。 在动态工况下，考虑再热器的热容积和阻力，将蒸汽流量与中、低压缸输出 功率的关系表示为： 23(1 )1LTkNDTS  () 其中， 3T 为中间再热器时间常数。 将式 ()和 ()代入 ()中得： 3222 33 ( 1 )( 1 ) 11T T TT S kkN k D D DT S T S    () 在一般情况下， 1 4 ~1 2 , 3 10 ~ 20TS。 根据以上 的分析，我们可以得出描述单元机组动态特性的结构框图，如图 31 所示。 东北电力大学自动化工程学院学士学位论文 10 这是一个 22 的非线性动态系统。 分别在输入端加入阶跃扰动信号，可以得到定性的输出响应特性曲线，如图 32 所示。 图 32 单元机组动态特性结构图 [15] (a) 汽轮机调门开度扰动 (b) 燃料量扰动 (c) 给水流量扰动 控制系统对模型精度要求 不同的控制理论和算法对模型的要求是不同的。 例如，许多建立在现代控制理论基础上的控制算法对象模型的精度要求很好。 这些控制算法 在航天和军事工业领域取得了成功的应用，然而在工业过程控制领域收效甚微。 其主要原因之一在于很难建立起精确性很高的工业过程受控对象数学模型 [16]。 反之，许多常规的工业控制技术，特别是 PID 控制技术，至今仍作为最为普遍的控制方法，广泛应用与工业控制领域，其重要原因也在于它对模型第 3 章 单元机组燃烧与传热过程 11 的精度要求是很低的。 因而，建模的目的以及对模型精度的要求应依据模型应用的要求而定。 分析受控过程的基本特性，掌握其内最主要、最本质的特性，对于设计出合理的控制系统是十分重要的 [17]。 如前所述，单元机组协调控制以及全程控制系统，把机炉作 为一个整体，针对机炉对象的特性，运用反馈、前馈、补偿以及多变量解耦等控制理论方法，构成功能完善、结构简单可靠的控制系统 [18]。 这些系统对过程模型精度方面的要求并不是很高。 在合理简单化的基础上，利用比较简便的机理分析方法和实验方法，简历单元机组动态特性数学模型，可以满足协调控制以及全程控制系统分析设计的需要 [19]。 随着工业过程控制技术的发展，一方面人们在探索新的、更为有效的建模方法和技术，以适应一系列现代控制理论和方法对模型方面的要求。 另一方面，寻求更适用于工业过程控制的理论和方法，而这些理论和方法应具 有对于模型要求不高的特点 [20]。 近年来，系统辨识理论方法和技术为建立更高精度的模型提供了方法和手段；而诸如模糊控制、自整定控制以及人工智能在控制中的应用，则大大降低了对过程模型方面的要求 [21]。 东北电力大学自动化工程学院学士学位论文 12 第 4 章年协调控制系统的基本原理及实现 协调控制系统的基本原理 协调控制系统包括机炉局部控制子系统和处于上位协调级的单元机组主控系统。 单元机组主控系统是讨论整个协调控制系统的核心。 主控系统可分为负荷指令中心、机炉协调控制器以及相应的逻辑控制系统几个部分，构成一个统 一的整体，满足单元机组不同工况下的需要，保证机组的安全经济运行 [22]。 单元机组协调控制系统是大型火力发电机组普遍采用的控制系统。 在许多国产机组以及从国外引进的机组上设计了不同的协调控制系统。 这些系统的具体实现原理、功能以及使用的控制系统设备有着许多差异和不同 [23]。 在工程应用中，协调控制系统能否成功地投入和运行，发挥其应有的功能，主要取决于机组主设备本身的可控性、系统控制设备的性能及可靠性、系统设计与整定的合理性等因素。 近年来，计算机分散控制系统（ DCS)的应用 ,为实现功能更加完善，控制方式更加先进的 协调控制系统提供良好的条件。 主设备可控性以及局部控制系统性能的改善，譬如汽轮机发电机组数字式电液调节系统的采用，也为机组协调控制系统的投入奠定了必要的基础 [24]。 对于协调控制系统，有不同的命名方式，亦可划分为几种不同的类型。 譬如，机炉综合系统，联合控制系统，总括控制系统等等。 对系统的分类方法也有许多不同。 一种方法是根据系统发展的基础，按照机跟炉、炉跟机的方式来划分 [25]。 但随着系统结构的不断更新和变化，许多系统已难以区分究竟属于机跟炉还是炉跟机的形式，另一种分类方法是从能量平衡的观点出发，把协调控制系 统划分为直接能量平衡 (DEH)和简介能量平衡 (IEB)两大类。 这种分类方法从一定意义上讲，揭示了协调控制系统具有的内在本质特性。 因为记录控制的根本任务就在于维持整个机组运行过程的能量平衡，包括机组输入能量和输出能量的平衡；机炉之间供需能量的平衡；锅炉内部各子系统之间物质能量传递的平衡等 [26]。 由于能量信号不便于直接测量，常常采用一些间接的参数表征这些平衡关系。 最典型的例子就是把机前压力 PT 作为锅炉能量输出与汽轮机能量需要之间的平衡特征参数。 通过控制这些间接参数维持整个机组能量平衡的系统，称为间接能量平衡系 统。 通过构造出能量需求信号，并依此控制能量输入的系统，称为直接能量平衡系统。 在工程领域人们也习惯以国外不同公司的典型系统来区分协调控制系统的种类。 譬如美国 Lamp。 N 公司的协调控制系统，贝利公司的协调控制系统， Foxboro 公司的协调控制系统，日本日立公司的系统，第 4 章 协调控制系统的基本原理及实现 13 瑞士 BBC 公司的系统等。 间接能量平衡协调控制系统介绍 协调控制系统实在简单的机炉控制系统上发展起来的。 按照控制方式的不同，这种简单的机炉空置系统可分为机跟炉方式两种 [27]。 在机跟炉系统中，机组输出功率由锅炉给定，汽轮机主汽门开度调节主蒸汽压 力。 因而，这个系统也称之为汽机调压系统。 这种控制方式的主要缺点在于对机组负荷变化需求的响应速度慢。 另外，当锅炉侧产生内部扰动时，导致机前压力 PT 的变化和输出功率 N的变化。 这将引起主汽门开度和燃料量的同时动作。 正确的调节作用应当是由锅炉调节器来改变燃烧率，消除内部扰动，使汽压和功率回复到给定值。 可见，当锅炉内部扰动时，会导致输出功率长时间来回波动甚至振荡。 因而，机跟炉控制方式既不适用于带变动负荷的运行工况，也缺乏有效地抑制锅炉侧内部扰动的能力。 目前在机炉控制中还保留这种控制方式，主要是用于当锅炉侧辅机设备局部 故障，使锅炉的最大处理受到限制，小于汽轮机最大可能出力时使用。 由锅炉给出最大负荷，汽机跟随，保持压力。 在炉跟机系统中，机组对外负荷变化需求的响应性好。 其实质是利用了机组内部的蓄热能量，满足外部负荷的需求。 这一套基本特点被广泛应用到机炉协调控制系统中。 然而，维持机炉能量的平衡，最终要由锅炉输入量的改变，保持机前压力。 由于这种方式没有考虑机炉对象的耦合特性，系统品质就不会很理想。 如果调节器参数整定不当，可能引起系统的振荡和不稳定，一般地，炉跟机方式在汽机侧局部故障时使用。 单元机组协调控制系统把机炉当作一个整体，引入前馈、补偿等控制手段，尽可能消除机炉对象间不利的耦合因素，并充分吸收机跟炉和炉跟机控制方式的特点，克服其存在的弱点和不足，使系统的控制品质得以改善和提高。 在简要介绍机跟炉和炉跟机系统的基础上，现就典型的 IEB 协调控制系统进行讨论。 补偿锅炉侧扰动的机跟炉协调系统 系统原理框图如图 41 所示。 为叙述方便起见，统记为 Il系统。 东北电力大学自动化工程学院学士学位论文 14 Σ G2PTN调 节 汽 门μ锅 炉 指 令BPs pNs p++∆ ∆G1Σ++ 图 41 补偿锅炉侧扰动的机跟炉协调系统（ I1） I1 系统的基础是机跟炉控制系统。 引入功率偏差信号至汽机调节器，作为对锅炉侧扰动的补偿信号；引入功率定值信号作为锅炉前馈信号。 当锅炉侧出现扰动，譬如进入锅炉的燃料量变化、或锅炉燃烧工况产生扰动时，将引起汽压和输出功率偏离给定值。 依据功率偏差，锅炉调节器输出改变燃料量，以消除内部扰动。 此时，并不希望汽机调节汽门动作。 通过将功率偏差信号引入汽机调节器，利用机前压力 错误 !未找到引用源。 和实发功率 N 对燃料扰动反应曲线形状相似的特性，近似地使汽机调节器 错误 !未找到引用源。 上的功率偏差信号与汽压偏差信号相互抵消，保持汽机调节器的输出不变。 这样，实现了锅炉侧扰动由锅炉调节器消除，而不引起汽机调节汽门不必要的动作。 当机组功率定值 错误 !未找到引用源。 变化时，功率偏差信号将通过 错误 !未找到引用源。 立即使汽机调节汽门动作、及时地利用锅炉内部蓄热，使机组输出功率跟上外负荷的需要。 与此同时，功率定值又作为锅炉指令前馈信号，快速地 改变燃料输入，补充锅炉蓄热的变化。 这样有效地克服了单纯机跟炉系统响应外负荷缓慢的缺点。 吸收了炉跟机系统能有效地利用锅炉蓄热能力，负荷响应性好的特点，并保留了炉跟机方式能保持机前压力错误 !未找到引用源。 尽可能地稳定的特点，使系统品质得到改善。