实验一 火电厂过热汽温串级控制系统整定实验

实验三 过热汽温串级控制系统仿真实验一、实验目的1、了解过热汽温串级控制系统的结构组成。

2、掌握过热汽温串级控制系统的性能特点。

3、掌握串级控制系统调节器参数的实验整定方法。

4、分析不同负荷下被控对象参数变化对控制系统控制品质的影响。

二、实验原理本实验以某300MW 机组配套锅炉的过热汽温串级控制系统为例，其原理结构图如下图所示：过热器过热器喷水减温器图3－1 过热汽温串级控制系统原理结构图由上图，可得过热汽温串级控制系统的方框图如下：扰动图3－2 过热汽温串级控制系统方框图● 主调节器在图3－2所示的过热汽温串级控制系统中主调节器()1T W s 采用比例积分微分（PID ） 调节器，其传递函数为：()11111111111T d p i d i W s T s K K K s T s s δ⎛⎫=++=++ ⎪⎝⎭式中：1p K ——主调节器比例系数(111p K δ=)；1i K ——主调节器积分系数(1111i i K δ=)； 1d K ——主调节器微分系数(111d d K T δ=)。

● 副调节器在图3－2所示的过热汽温串级控制系统中副调节器()2T W s 采用比例（P ）调节器， 其传递函数为：()2221T p W s K δ==式中：2p K ——副调节器比例系数(221p K =)。

● 导前区对象在图3－2所示的过热汽温串级控制系统中导前区对象()2W s 在50％和100％负荷下 的传递函数分别为：（1）50％负荷下导前区对象传递函数：()3.076251s -+（2）100％负荷下导前区对象传递函数：()0.815181s -+● 惰性区对象在图3－2所示的过热汽温串级控制系统中惰性区对象()1W s 在50％和100％负荷下 的传递函数分别为：（1）50％负荷下惰性区对象传递函数：()31.119421s +（2）100％负荷下惰性区对象传递函数：()31.276181s +三、实验步骤1、在MATLAB软件的Simulink工具箱中，打开一个Simulink控制系统仿真界面，根据图3－2所示的过热汽温串级控制系统方框图建立仿真组态图如下：图3－3 过热汽温串级控制系统仿真组态图惰性区对象传递函数模块的建立惰性区对象传递函数为三阶惯性环节，在组态图中采用建立子模块的方式建立惰性区对象传递函数模块。

过程控制系统设计仿真实验报告实验名称：电厂过热汽温串级控制系统仿真实验姓名：孔艺臻学号：20121637班级：2012034一、实验目的1. 掌握过热汽温串级控制系统的组成和原理2. 掌握串级控制系统两步法PID参数整定过程。

3. 理解掌握串级控制系统的动态特性和克服扰动能力。

二、实验步骤1、针对100%负荷工况，用两步法整定串级控制系统的参数(1)搭建该系统的仿真模型，如图所示。

(2)先将主调节器的比例度P1S置于100%，然后由大到小逐渐降低福调节器的比例度P2S，直到得到副回路的过渡过程衰减比为4:1的比例度P2S，过渡过程的振荡周期为T2S。

(3)在副调节器的比例度等于P2S的条件下，逐步降低主调节器的比例度P1S，直到得到主回路的过渡过程衰减比为4:1的比例度P1S，过渡过程的振荡周期为T1S。

(4)按照已求得的P1S、T1S和P2S、T2S值，结合副控制器（PI控制器）和主控制器（PID控制器）的调节规律，按衰减曲线整定参数的经验公式，计算出主、副调节器的整定参数值。

(5)设置好参数后对主控制器参数进行调整，得到理想曲线。

2、整定控制器采用PID控制规律的单回路控制系统，并与串级控制系统效果进行对比3、一类扰动和二类扰动对串级控制系统的影响（1）串级控制系统的主回路和副回路根据一的实验步骤整定各参数。

（2）将一类扰动D1和二类扰动D2分别加入已经整定好参数的串级控制系统中，求出一类扰动D1和二类扰动D2在单位阶跃时主被控量的静差。

分别分析蒸汽测扰动D1（一类扰动）在单位阶跃时对主汽温的影响和喷水压力扰动D2（二类扰动）在单位阶跃时对主汽温的影响；4、一类扰动和二类扰动对单回路控制系统在两种扰动下的控制效果与串级控制系统进行对比。

5、负荷降至75%但控制器参数没有变化，比较串级控制和单回路控制系统的效果。

三、实验记录1、针对100%负荷工况，用两步法整定串级控制系统的参数（1）先将主调节器的比例度P1S置于100%，然后由大到小逐渐降低福调节器的比例度P2S，直到得到副回路的过渡过程衰减比为4:1的比例度P2S，过渡过程的振荡周期为T2S。

汽温的控制与调整锅炉运行中，如果汽温过高，将引起过热器、再热器、蒸汽管道以及汽轮机汽缸、阀门、转子部分金属强度降低，导致设备使用寿命缩短，严重时甚至造成设备损坏事故。

从以往锅炉受热面爆管事故统计情况来看，绝大多数的炉管爆破是由于金属管壁严重超温或长期过热造成的，因而汽温过高对设备的安全是一个很大的威胁。

一、影响过热汽温变化的因素(主要针对汽包炉)1、燃料性质的变化：主要指燃料的挥发份、含碳量、发热量等的变化，当煤粉变粗时，燃料在炉内燃烬时间长，火焰中心上移，汽温将升高。

当燃料的水份增加时，水份在炉内蒸发需吸收部分热量，使炉膛温度降低，同时水份增加，也使烟气体积增大，增加了烟气流速，使辐射过热器的吸热量降低，对流过热器的吸热量增加。

2、风量及其配比的变化：炉内氧量增大时，由于低温冷风吸热，炉膛温度降低，使炉膛出口温度升高。

在总风量不变的情况下，配风的变化也会引起汽温的变化，当下层风量不足时，部分煤粉燃烧不完全，使得火焰中心上移，炉膛出口烟温升高。

3、燃烧器及制粉系统运行方式的变化：上层制粉系统运行将造成汽温升高，燃烧器摆角的变化，使火焰中心发生变化，从而引起汽温的变化。

4、给水温度的变化：给水温度升高，蒸发受热面产汽量增多，从而使汽温降低。

反之，给水温度降低汽温将升高。

5、受热面清洁程度的变化：水冷壁和屏过积灰结焦或管内结垢时，受热面的吸热将减少，使炉膛出口温度升高，当过热器本身结焦或积灰时，由于传热不好，将使汽温降低。

6、锅炉负荷的变化：炉膛热负荷增加时，炉膛出口烟温升高，使对流受热面吸热量增大，辐射受热面吸热量降低。

7、饱和蒸汽温度和减温水量的变化：从汽包出来的饱和蒸汽含有少量水分，在正常工况下饱和温度变化很小，但由于某些原因造成饱和蒸汽温度较大变化时，如汽包水位突增，蒸汽带水量增大，在燃烧工况不变的情况下，这些水分在过热器中要吸热，将使汽温降低。

在用减温水调节汽温时，当减温水的温度或流量变化时将引起蒸汽侧总热量的变化，当烟气侧工况未变时，汽温将发生相应的变化。

摘要锅炉蒸汽温度自动控制包括过热蒸汽温度控制和再热蒸汽温度控制。

再热蒸汽温度是锅炉运行质量的重要指标之一，再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。

再热循环可以降低汽轮机尾部叶片处的蒸汽湿度，降低汽耗，提高电厂的热循环效率，所以单元机组普遍采用中间再热技术[1-2]。

本次毕业设计以再热蒸汽温度为被控对象，设计相应的控制器使再热器出口蒸汽温度在允许范围内，并且保护再热器，使管壁温度不超过允许的工作温度。

火电厂对再热蒸汽汽温控制若采用常规串级控制系统，具有很大的迟延性，对此，本文采用模糊控制和PID相结合的控制方式。

实验结果显示，系统的控制特性在超调量、快速性、抗干扰方面都有了很大的改善，对大范围工况变化具有较强的鲁棒性和适应性，对大型发电机组的锅炉再热蒸汽汽温控制具有实用价值。

关键词：再热蒸汽；模糊控制；串级控制系统AbstractBoiler steam temperature control includes control of superheated steam temperature and reheat steam temperature control. Reheat steam temperature is one of the important indicators of the quality of boiler operation, reheat steam temperature which is too high or too low will significantly affect plant safety and economy. Reheat cycle can reduce steam turbine moisture at the end of the leaves, reduce gas consumption and increase power plant thermal cycle efficiency, so reheat units commonly is used in the unit. The graduation project make the reheat steam temperature as controlled object, the corresponding controller is designed to reheat outlet steam temperature in the allowed range, to protect the reheater, the wall temperature does not exceed the allowable operating temperature.If steam temperature control uses a conventional cascade control system ,it has a great delay.therefore,this paper combines fuzzy control with PID control to improve . Experimental results show that the control characteristics of the system in the overshoot, fast and interference aspects have substantial improvement , it has significantly robustness and adaptivity when conditions change on a wide range , it has a practical value for large-scale generating units reheat steam boiler Steam temperature control.Keywords: reheat steam; fuzzy control; cascade control system2。

动力工程学院本科生创新实验报告题目：600MW超临界火电机组过热汽温控制学号：2011班级：核工程与核技术02姓名：教师：王广军动力工程学院中心实验室2014年12月某600MW 超临界火电机组过热汽温串级控制1 实验背景PID 控制由于结构简单、稳定性好、可靠性高，在工业控制中得到广泛的应 用，一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件。

这个控制器把收集到的数据和一个参考值进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值。

和其他简单的控制运算不同，PID 控制器可以根据历史数据和差别的出现率来调整输入值，这样可以使系统更加准确，更加稳定。

对于PID 控制器，其参数有P 、I 和D ，PID 控制器的传递函数可写作11(1)p d i K T s T s++ 其中k P 为放大倍数，T i 为积分时间，T d 为微分时间，积分时间和微分时间所在项称为积分时间项和微分时间项。

放大倍数越小，过渡过程越平稳，但余差越大。

放大倍数越大，过渡过程容易发生振荡。

积分时间越小，消除余差就越快,但系统振荡会较大，积分时间越大，系统消除余差的速度较慢。

微分时间太大，系统振荡次数增加，调节时间增加，微分太小，系统调节缓慢。

2 控制对象某600MW 超临界压力锅炉高温过热器汽温对象，动态过程数学模型见表2.1，其中输入为喷水流量的变化（kg/s ），输出为主蒸汽温度的变化（℃)。

使用MATLATB 的SIMULINK 仿真工具箱整定控制器参数对其进行仿真研究。

2.1 控制系统框图过热器气温控制系统有两种控制方案，串级控制和微分控制。

本实验选择串级控制作为过热器汽温的控制方案。

串级控制系统的方框图如图2.1所示。

W H1(s)和W H2(s)均取为1，主调节器W a2（s ）取PID 环节，待整定参数为P 、I 、D ，副调节器W a1（s ）取P 环节，待整定参数P 。

锅炉主汽温度控制系统的串级控制仿真实验一、实验目的1、掌握串级控制系统的构成及参数整定方法。

2、分析串级控制系统对进入内回路干扰的抑制情况。

3、通过与单回路控制系统的性能比较，掌握串级控制系统的特点。

二、实验内容1、系统描述锅炉过热器出口的主蒸汽温度是锅炉最主要的输出变量之一。

主汽温度在确保机组运行的安全性和稳定性方面具有及其重要的作用，主汽温度过高会造成一些设备的损坏，锅炉受热面以及蒸汽管道金属材料的蠕变速度将会大大加快，这样会降低设备的使用寿命。

温度过低会使得机组的循环热效率降低。

在设备运行过程中，引起气温变化的因素很多，其中最主要的影响因素是主蒸汽流量，烟气流量和减温水流量等。

对锅炉主汽温度的控制一般要求主蒸汽温度应该稳定在额定值的±5℃范围内。

某锅炉系统过热汽温调节系统如图1所示,图1 过热器出口温度调节系统结构示意图2、主汽温度的串级控制系统原理通过喷淋减温水来控制过热气温时,通常将过热器分为两个区,减温器之前是导前区,减温器后是惰性区。

由于通过过热器出口温度控制喷淋水惯性很大，因此对过热器出口蒸汽温度的控制通常采用串级控制方案，如图2。

串级控制原理框图见图3.图2 过热气温串级控制结构原理图图3过热蒸汽温度串级控制系统控制原理图 假定导前区的传递函数为0228()(115)W s s =+， 惰性区的传递函数为0131.125()(125)W s s =+， 过热器蒸汽温度测量变送器的传递函数为01020.1/o mA C γγ==， 执行机构和减温水调节阀门的传递函数1z K K μ=。

3、实验要求1) 试在simulink 下搭建主汽温度串级控制系统，在不加控制的情况下观察导前区和惰性区的单位阶跃响应。

2) 若副回路采用比例控制，主回路采用比例积分控制，试整定串级控制系统的主、副调节器参数，给出整定的过程。

3) 根据整定好的参数，分析过热气温串级控制系统的阶跃响应性能。

第一章火电厂热工控制系统调试基本要求第一节火电厂热工控制系统调试依据及标准现代单元制机组热工控制系统主要由DCS控制系统实现，通常按功能划分为几大系统：数据采集系统(DAS）、开关量控制系统（OCS)、炉膛安全监控系统（FSSS)、模拟量控制系统(MCS)、汽机数字电液控制系统（DEH）、旁路控制系统(BPS）等。

电力行业标准对火力发电厂热工控制系统的设计、调试和质量验收都提出了具体的要求.《火力发电厂设计技术规程》DL 5000对火力发电厂热工控制系统提出了总体性的设计要求，《火力发电厂热工控制系统设计技术规定》DL/T 5175则给出了具体的设计原则和设计方法。

《DCS技术规范书》是根据各工程的特点由买卖双方签定的技术合同文件，对火力发电厂热工控制系统提出了更为具体的基本要求.新建机组热控系统的调试主要包括以下阶段：调试前的准备、控制系统受电前检查和受电后的测试、组态软件检查和功能测试、外部系统的联调、模拟量控制系统的投入和调试、协调控制系统的投入及负荷变动试验、RB试验、文档验收等。

一、热控系统调试采用的电力行业标准1。

与调试有关的设计标准DL5000—2000《火力发电厂设计技术规程》;DL/T5175-2003《火力发电厂热工控制系统设计技术规定》；1。

施工安装、调试及验收标准DL/T 5190.5—2004《电力建设施工验收技术规范第5部分：热工自动化》；DL/T 655—2006《火力发电厂锅炉炉膛安全监控系统验收测试规程》DL/T 656-2006《火力发电厂汽轮机控制系统验收测试规程》DL/T 657—2006《火力发电厂模拟量控制系统验收测试规程》DL/T 658-2006《火力发电厂开关量控制系统验收测试规程》DL/T 659—2006《火力发电厂分散控制系统验收测试规程》DL/T 1012-2006《火力发电厂汽轮机监视和保护系统验收测试规程》DL/T 824—2002《汽轮机电液调节系统性能验收导则》电建［1996］第159号《火力发电厂基本建设工程启动及竣工验收规程》2。

摘要过热蒸汽温度控制系统是单元机组不可缺少的重要组成部分，其性能和可靠性已成为保证单元机组安全性和经济性的重要因素。

过热蒸汽温度较高时，机组热效率则相对较高，但过高时，汽机的金属材料又无法承受，气温过低则影响机组效率。

过热蒸汽温度的稳定对机组的安全经济运行非常重要，所以对其控制有较高的要求。

但是由于过热蒸汽温度是一个典型的大迟延、大惯性、非线性和时变性的复杂系统，本次设计采用串级控制以提高系统的控制性能，在系统中采用了主控-串级控制的切换装置，使系统可以适用于不同的工作环境。

通过使用该系统，可以使得锅炉过热器出口蒸汽温度在允许的范围内变化，并保护过热器营壁温度不超过允许的工作温度。

关键词：过热蒸汽温度，减温水，串级控制系统，PIDAbstractThe superheated steam temperature control system is an important and indispensable unit aircrew part, its performance and reliability has become ensure safety and economic behavior of the unit aircrew important factors. The superheated steam temperature is higher, the thermal efficiency is relatively high, but is high, the metal materials and the turbine unable to bear, the temperature is too low will influence the unit efficiency. The superheated steam temperature stability of the unit safe and economic operation is very important, so for the control have higher requirements. But because the superheated steam temperature is a typical time-delayed, large inertia, nonlinear and changeable complex system, this design USES the cascade control in order to improve the control performance of the system, in the system by the master-cascade control of switching device, make the system can be used in different working environment. By using this system, can make the boiler overheating export steam temperature in allowed within the scope of the change, and the protection of superheater wall temperature not more than allow the camp of working temperature.Key words: the superheated steam temperature, reduce warm water, cascade control system, PID目录摘要 (I)Abstract (II)1 绪论 (1)1.1 选题的背景及意义 (1)1.2 国内外研究现状 (2)1.3 本次设计的目的 (3)1.4 本次设计所做的工作 (3)2 汽温控制系统的组成与对象动态特性 (4)2.1汽温调节的概念和方法 (4)2.1.1 从蒸汽侧调节汽温 (4)2.1.2 从烟气侧调节汽温 (6)2.2过热器的分类及其基本结构 (8)2.2.1 过热器的分类 (8)2.2.2 过热器的基本结构 (11)2.3 过热蒸汽温度控制系统的基本结构和工作原理 (12)2.3.1 过热器一级减温控制系统 (12)2.3.2 过热器二级减温控制系统 (13)2.4 过热蒸汽温度控制对象的动静态特性 (15)2.4.1 静态特性 (15)2.4.2 动态特性 (15)3 过热汽温控制系统的基本方案 (19)3.1 串级汽温控制系统 (19)3.2 串级控制系统的基本结构和原理 (19)3.3 串级汽温控制系统的设计 (21)3.4 串级汽温控制系统的整定 (22)4 器件的选型 (25)4.1 温度检测变送器的选择 (25)4.2 控制器的选型 (27)4.3 执行器的选型 (28)4.4 阀门定位器的选型 (29)5 主蒸汽温度控制系统的仿真和改进 (31)5.1 串级PID系统仿真 (31)5.2 基于Smith预估计补偿器的串级汽温控制系统 (34)5.3 基于改进型Smith预估器的串级汽温控制系统 (38)结论 (42)致谢 (43)参考文献 (44)附录 (45)附录A (45)1 绪论1.1 选题的背景及意义过热汽温的控制就是维持过热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。