电厂热工过程自动化基本知识资料

探讨火电厂热工自动化及控制一.热工自动化的内容热工过程自动化主要包含自动检测、自动调节、顺序控制、自动保护4个主要方面。

自動地检查和测量反映生产过程运行情况的各种物理量、化学量以及生产设备的工作状态，以监视生产过程的进行情况和趋势，称为自动检测。

锅炉汽轮机装有大量的热工检测仪表，包括测量仪表、变送器、显示仪表和记录仪表等，它们随时显示、记录、积算和变送机组运行的各种参数，如温度、压力、流量、水位、转速等，以便进行必要的操作和控制，保障机组安全、经济地运行。

目前，大型汽轮机的自动检测项目包括：蒸汽压力和温度、真空度、监视段抽汽压力、润滑油压、调速油压、转速、转子轴向位移、转子与汽缸的相对热膨胀、汽轮机振动、主轴挠度、轴承温度与润滑油温度、推力瓦温度等许多项目。

在建新机组均设置汽机本体安全监视系统，配备完整的汽轮机监视仪表。

汽机监视仪表能连续测量汽轮发电机组轴承及汽轮机本体的运行机械参数，显示机组运行状态；当参数超出定值时，输出信号作为记录和报警；重要参数超限时输出停机信号至汽轮机紧急跳闸系统装置，立即关闭汽机自动主汽门实现紧急停机。

自动维持生产过程在规定的工况下进行，称为自动调节。

电力用户要求汽轮机发电设备提供足够数量的电力和保证供电质量。

电的频率是供电质量的主要指标之一。

为了使电频率维持在一定的精度范围内，就要求汽轮机具备高性能的转速自动调节系统。

锅炉运行中，必须使一些能够反映锅炉工作状况的重要参数维持在规定范围内或按一定的规律变化，如维持汽包水位给定值和保证锅炉的出力满足外界的要求。

根据预先拟定的步骤和条件，自动地对设备进行一系列的操作，称为顺序控制。

顺序控制主要用于机组启停、运行和事故处理。

每项顺序控制的内容和步骤是根据生产设备的具体情况和运行要求决定的，而顺序控制的流程则是根据操作次序和条件编制出来，并用自动装置来实现，这种装置称为顺序控制装置。

顺序控制装置必须具备逻辑判断能力和联锁保护功能；在进行每一项操作后，必须判明这一步操作已实现，并为下一步操作创造好条件，方可自动进入下一步操作，否则，应中断顺序，同时进行报警。

火电厂自动化基础知识计算机控制及自动调节概述自动调节概述了解自动调节的基本知识，建立自动调节的概念人工调节与自动调节•所谓自动控制是指在没有人直接参与的条件下，自动控制装置使生产设备或生产过程按预定的目标进行的一切技术手段。

•热力过程自动控制主要包括自动检测、自动调节、顺序控制及自动保护四项内容。

•所谓人工调节是指运行人员根据对参数变化原因的分析，人工操作某一阀门或挡板的开度，改变流入量或流出量，使参数恢复到给定值。

•为了使被调量恒定或按规律变化，采用一整套自动调节装置来代替运行人员的操作，这种用自动控制仪表进行的操作称为自动调节比较自动调节领域中常用技术用语•调节对象•被调量•给定值•扰动•调节量•调节机构•基本扰动：被调节的生产过程或生产设备：需要加以调节的物理量：被调量所应保持的希望值：引起被调量偏离给定值的各种因素：使被调量恢复到给定值的物理量：实现调节作用的装置：由调节机构产生的扰动自动调节系统的组成•采用自动化仪表和装置来自动完成调节任务的系统，称为自动调节系统。

•由广义调节器和调节对象两类设备组成•闭合回路•起调节作用的整套仪表和装置，包括传感器、变送器、定值器、调节器和执行器等，称为广义调节器。

•被调节器所控制的生产设备，即调节对象。

自动调节系统的分类方式•按调节系统的结构不同分类•按给定值不同分类•其他分类按调节系统结构分类•复合调节系统按给定值不同分类自动调节系统•定值调节系统•随动调节系统•程序调节系统其他分类计算机控制基础计算机控制系统的组成及各部分的作用计算机控制系统•硬件部分•软件部分•计算机控制系统的组成及各部分的作用•软件部分•硬件部分通用计算机软件系统的结构系统软件•操作系统•实时操作系统•数据库系统•Windows95、98、me、nt、2000、xp、2003、unix、linux •多任务多道程序，完成实时控制任务，与通用操作系统差别为保证实时。

•有组织动态地存储关联数据，方便多用户访问的用于数据处理的综合软件技术。

自动控制系统基础概论热工对象动态特性常规控制规律PID控制的特点比例控制(P控制)积分控制(I控制)微分控制(D控制)控制规律的选择:单回路控制概述被控对象特性对控制质量的影响:测量元件和变送器特性对控制质量的影响调节机构特性对控制质量的影响单回路系统参数整定串级控制串级控制系统的组成(要求会画控制结构图)串级控制系统的特点串级控制系统的应用范围串级控制系统的设计原则:前馈-反馈控制概述静态前馈,动态前馈前馈-反馈控制前馈-串级控制比值控制分程控制大迟延控制系统补偿纯迟延的常规控制预估补偿控制多变量控制系统耦合程度描述解耦控制系统设计火电厂热工控制系统汽包锅炉蒸汽温度控制系统过热蒸汽温度控制再热蒸汽温度一般控制方案汽包锅炉给水控制系统概述给水流量调节方式给水控制基本方案:给水全程控制:600MW机组给水全程控制实例锅炉燃烧过程控制系统概述被控对象动态特性燃烧过程控制基本方案燃烧控制中的几个问题单元机组协调控制系统概述负荷指令处理回路正常情况下负荷指令处理异常工况下的负荷指令处理负荷指令处理回路原则性方框图机炉主控制器机炉分别控制方式机炉协调控制方式直流锅炉控制系统直流锅炉特点直流锅炉动态特性直流锅炉基本控制方案直流锅炉给水控制系统直流锅炉过热汽温控制系统自动控制系统基础概论1. 控制系统的组成与分类1. 控制系统的组成及术语控制系统的四个组成部分: 被控对象,检测变送单元,控制单元,调节机构.2. 控制系统的分类:按结构分: 单变量控制系统, 多变量控制系统按工艺参数分: 过热汽温控制系统, 主蒸汽压力控制系统按任务分: 比值控制系统, 前馈控制系统按装置分: 常规过程控制系统, 计算机控制系统按闭环分: 开环控制系统, 闭环控制系统按定值的不同分: 定值控制系统, 随动控制系统, 程序控制系统3. 过渡过程: 从扰动发生,经过调节,直到系统重新建立平衡.即系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程,即为控制系统的过渡过程.2. 控制系统的性能指标1. 衰减比和衰减率: 衡量稳定性2. 最大偏差和超调量: 衡量准确性3. 调节时间: 衡量快速性4. 余差(静态偏差): 衡量静态特性热工对象动态特性1. 有自平衡能力对象1. 一阶惯性环节:2. 一阶惯性环节加纯迟延:3. 高阶惯性环节:4. 高阶惯性环节加纯迟延:2. 无自平衡能力对象1. 积分环节:2. 积分环节加纯迟延:3. 有积分的高阶惯性环节:4. 有纯迟延和积分的高阶惯性环节:常规控制规律PID控制的特点1. 原理简单,使用方便2. 适应性强3. 鲁棒性强比例控制(P控制)1. 控制规律: ; :比例增益:比例带,工程上用来描述控制作用的强弱.比例带越大,偏差越大.2. 控制特点:动作快有差控制积分控制(I控制)1. 控制规律:; :积分时间2. 控制特点:动作不及时无差控制3. PI控制: I控制响应慢,工程上很少有单独使用,一般都是PI控制控制规律:; P控制看作粗调,I控制看作细调.控制作用具有: 比例及时作用和积分作用消除偏差的优点.4. 积分饱和及其措施:积分饱和: 积分过量,在单方面偏差信号长时间作用下,其输出达到上下限时,其执行机构无法再增大.措施: 积分分离手段: 当偏差较大时,在控制过程的开始阶段,取消积分作用,控制器按比例动作,等到被调量快要接近给定值时,才能产生积分作用,依靠积分作用消除静态偏差.微分控制(D控制)1. 控制规律: ;2. 控制特点:超前控制3. 实际微分: 为什么采用实际微分控制:理想微分物理上不可能实现避免动作频繁,影响调节元件寿命4. PD控制: 控制规律: ;扰动进入系统的位置离输出(被调量)越远,对系统工作的影响就越小.控制通道的时间常数和迟延时间对控制质量的影响前馈-串级控制的应用场景:分程控制扩大调节阀的可调比大迟延控制系统补偿纯迟延的常规控制1. 微分先行控制方案2. 中间反馈控制方案前馈解耦导前温度: 刚通过减温器之后的蒸汽温度以导前蒸汽温度为副参数,过热蒸汽温度为主参数的串级控制系统3. 过热蒸汽温度分段控制系统:1. 过热蒸汽温度分段控制系统:缺点: 当机组负荷大范围变化时,由于过热器吸热方式不同.一级减温器出口蒸汽温度降低,为保持不变,必须减少一级减温器喷水量;二级减温器出口蒸汽温度升高,因此要增加二级减温器喷水量.造成负荷变化时两级减温器喷水量相差很大,使整个过热器喷水不均匀,恶化二级喷水减温调控能力,导致二级过热器出口温度超温.2. 按温差控制的分段控制系统:与第一种方案的差别在于: 这里以二级减温器前后的温差(-)作为第一段控制系统的被调量信号送入第一段串级的主调节器PI3.当负荷增大时,主调节器PI3的设定值随之减小,这样有(-)>T0,PI3入口偏差值增大,这意味着必须增大一级喷水量才能使下降,从而使温差(-)减小.这样平衡了负荷增加时一级喷水量和二级喷水量.该方案为串级+前馈控制策略. 后屏出口过热器出口蒸汽温度设定值由两部分组成,第一部分由蒸汽流量代表的锅炉负荷经函数发生器后给出基本设定值,第二部分是运行人员可根据机组的实际运行工况在上述基本设定值的基础上手动进行设置.虽然系统是控制后屏过热器出口温度蒸汽,用蒸汽温度信号经过比例器乘以常数K后代表后屏过热器出口蒸汽温度,其原因是蒸汽温度与蒸汽温度变化方向一致;且蒸汽温度信号比蒸汽温度信号动态响应快,能提前反映扰动对蒸汽温度的影响,有利于控制系统快速消除干扰.主调节器PID1的输出与总风量,燃烧器摆角前馈信号组合构成副调节器PID2的设定值,副调节器的测量值为一级减温器出口温度.PID2输出控制一级其控制原理如下:正常情况下即当再热蒸汽温度处于设定值附近变化时,由调节器PID1改变烟气挡板开度来消除再热蒸汽温度的偏差,蒸汽流量D作为负荷前馈信号通过函数模块去直接控制烟气挡板.当的参数整定合适时,能使负荷变化时的再热蒸汽温度保持基本不变或变化很小.反向器-K用以使过热挡板与再热挡板反向动作.喷水减温调节器PID2也是以再热蒸汽温度作为被调信号,但此信号通过比例偏置器±Δ被叠加了一个负偏置信号(它的大小相当于再热蒸汽温度允许的超温限值).这样,当再热蒸汽温度正常时,调节器PID2的入口端始终只有一个负偏差信号,它使喷水阀全关.只有当再热蒸汽温度超过规定的限值时,调节器的入口偏差才会变为正,从而发出喷水减温阀开的指令,这样可防止喷水门过分频繁的动作而降低机组热经济性.2. 采用烟气再循环调节手段的再热蒸汽温度控制系统其控制原理如下:再热蒸汽温度T 在比较器Δ内与设定值(由A 产生)比较,当蒸汽温度低时,偏差值为正信号,此信号进入调节器PID1,其输出经执行器去调节烟气挡板开度,增大烟气再循环量,以控制再热蒸汽温度.在加法器2中引入了送风量信号V 作为前馈控制信号和烟气热量(烟温×烟气流量)修正信号,送风量V 反映了锅炉负荷大小,同时能提前反映蒸汽温度的变化.当V 增加时,蒸汽温度升高,相应的烟气再循环量应减少,故V 按负向送入调节器.函数模块是用来修正风量和再循环烟气量的关系的.通过乘法器由烟温信号调整再循环烟气流量.当再热蒸汽超温时,比较器输出为负值,PID1输出负信号直至关闭烟气再循环挡板,烟气再循环失去调温作用.同时,比较器的输出通过反相器- K 1,比例偏置器±Δ去喷水调节器PID2,开动喷水调节阀去控制再热蒸汽温度,蒸汽温度负偏差信号经反相器-K2去偏差报警器,实现超温报警,同时继电器打开热风门,用热风将循环烟道堵住,防止因高温炉烟倒流入再循环烟道而烧坏设备.当再热蒸汽温度恢复到设定值时,比较器输出为零,PID2关闭喷水门,偏差报警信号通过继电器关闭热风门,烟气再循环系统重新投入工作.3. 采用摆动燃烧器调节手段的再热蒸汽温度控制系统燃烧器上倾可以提高炉膛出口烟气温度,燃烧器下倾可以降低炉膛出口烟气温度.燃烧器控制系统是一个加前馈的单回路控制系统,再热蒸汽温度设定值是主蒸汽流量经函数发生器,再加操作员可调整的偏置量A构成.PID1调节器根据再热器出口蒸汽温度T与再热蒸汽温度设定值偏差来调整燃烧器摆角.为了抑制负荷扰动引起的再热蒸汽温度变化,系统引入了送风量前馈信号,该信号能反映负荷和烟气侧的变化.送风量前馈信号和反馈控制信号经加法器4共同控制燃烧器摆角.A侧再热器出口蒸汽温度和B侧再热器出口蒸汽温度各有两个测量信号,正常情况下选择A,B两侧的平均值作为燃烧器摆角控制的被调量.燃烧器摆角控制为单回路的前馈-反馈控制系统,再热器出口蒸汽温度设定值由运行人员手动给出.再热器出口蒸汽温度设定值和实际值的偏差经PID调节器后加上前馈信号分别作为燃烧器摆角的控制指令.前馈信号由蒸汽流量经函数发生器后给出.当再热蒸汽温度偏低时,燃烧器摆角向上动作;当再热蒸汽温度偏高时,燃烧器摆角向下动作. 2. 再热蒸汽温度喷水减温控制系统汽包锅炉给水控制系统给水控制任务: 使锅炉的给水量适应锅炉的蒸发量,维持汽包水位在规定的范围内,同时保持稳定的给水流量.对象特性: 给水流量扰动的三个体现方面:4. 虚假水位现象: 当锅炉蒸发量突然增加时,汽包水下面的气泡容积也迅速增大,即锅炉的蒸发强度增强,从而使水位升高.给水控制基本方案:1. 单冲量给水控制系统: 汽包水位和水位给定值调节的反馈控制系统某600MW发电机组给水热力系统示意图,机组配三台给水泵,其中一台容量为额定容量30%的电动给水泵,两台容量各为额定容量50%的汽动给水泵.电动给水泵一般是作为启动泵和备用泵,正常运行时用两台汽动给水泵,两台汽动给水泵由小汽轮机驱动,其转速控制由独立的小汽轮机电液控制系统(micro-electro hydraulic control system,MEH)完成,MEH系统的转速给定值是由给水控制系统设置,MEH 系统只相当于给水控制系统的执行机构.在高压加热器与省煤器之间有主给水电动截止阀、给水旁路截止阀和约15%容量的给水旁路调节阀.2. 给水控制系统1. 水位控制系统汽包水位控制系统如图所示,它是单冲量和串级三冲量两套控制系统构成,汽包水位设定值由运行人员在操作台面上手动设定.当锅炉启动或负荷小于15%额定负荷阶段,控制系统是通过调节器PID1调节给水旁路的调节阀开度来控制给水量以维持汽包水位,而此时切换器T2接Y端,通过调节器PID5调节电动给水泵的转速来维持给水泵出口母管压力与汽包压力之差.当旁路调节阀开到80%时,由SCS (Sequence control system, 顺序控制系统)完成开主给水电动阀,关旁路截止阀.当负荷在15%额定负荷以上,但小于30%额定负荷时,切换器T1接Y端,切换器T2接N端,这时汽包水位设定值的偏差经调节器PID2,并经调节器PID6控制给水泵转速来调节给水流量达到维持汽包水位目的.同时当机组负荷升至20%额定负荷时,第一台给水泵开始冲转升速.当负荷大于30%额定负荷,切换器T1接N端,给水控制切换为三冲量给水控制.汽包水位控制指令由两个串级调节器PID3和PID4根据汽包水位偏差、主给水流量和主蒸汽流量三个信号形成.水位设定值与汽包水位偏差经调节器PID3 后,加主蒸汽流量信号作为副回路PID4的设定值,副回路副参数为主给水流量,经PID运算后作为给水泵控制的设定值.当负荷大于30%额定负荷时,第一台汽动给水泵并入给水系统.当负荷达40%额定负荷时,第二台汽动给水泵开始冲转升速.当负荷达60%额定负荷时,第二台汽动给水泵并入给水系统,撤出电动给水泵,将其投入热备用.机组正常时,是通过改变两台汽动给水泵的转速来调节给水量.由于给水泵的工作特性不完全相同,为稳定各台给水泵的并列运行特性,避免发生负荷不平衡现象,设计了各给水泵出口流量调节回路,将各给水泵的出口流量和转速指令的偏差送入各给水泵调节器(PID6、 PID7 和PID8)的入口,以实现多台给水泵的输出同步功能.GAIN CHANGER & BALANCER作用是根据给水泵投入自动的数量,调整控制信号的大小.拇入自动数目越大,控制信号越小.2. 给水泵最小流量控制汽机跟随控制方式:控制特点: 锅炉侧调负荷,汽机侧调汽压. 在保证主蒸汽压力稳定的情况下,汽轮机跟随锅炉而动作.优点: 在运行中主蒸汽压力相对稳定,有利于发电机组的安全经济运行.机炉协调控制方式控制特点: 在负荷调节动态过程中,机炉协调控制可以使汽压在允许的范围内波动,这样可以充分利用锅炉蓄热,使单元机组较快适应负荷变化,同时主蒸汽压力p T的变动范围也不大,因而机组的运行工况比较稳定.调节燃料量M控制主蒸汽压力p T(或机组负荷) 调节送风量V控制过剩空气系数(烟气含氧量) 调节引风量V控制炉膛压力p汽轮机控制系统为工频电液控制系统时:另一种送风控制系统方案. 锅炉指令BD经过函数发生器f2(x)后形成一个风量指令,氧量调节器输出σ对锅炉指令BD进行修正.3. 引风控制系统: 引风控制系统的任务是保证一定的炉膛压力. 由引风量改变到炉膛压力变化其动态响应快,测量也容易,因此一般采用单回路即可.3. 燃烧控制系统基本方案锅炉指令BD作为给定值送到燃料控制系统和送风控制系统,使燃料量和送风量同时改变,使燃烧率与机组要求的燃烧率相适应,保证风量与燃料量比例变化; 同时送风量作为前馈信号通过引到引风调节器PI4,改变引风量以平衡送风量的变化,使炉膛压力p s不变或变化很小.由于所有调节器都采用PI控制规律,因此,调节过程结束时,主蒸汽压力P T,燃烧经济性指标O2和炉膛压力p s,都稳定在给定值上;而锅炉的燃料量M,送风量V和引风量V都改变到与要求的燃烧率相适应的新数值上.总燃料量(总发热量)的构成形式为其中: O为燃油量,k o为燃油发热系数,M c为总煤量,k MQ为煤发热系数.当M c不变,而煤种变化造成发热量增加时,刚开始M也不变,但随着炉膛发热量的增加,D Q增大,D Q>M,由积分器正向积分增大k MQ,使M增大,直至M=D Q3. 增益自动调整乘法器为燃料调节对象的一部分,选择合适的函数,则可以做到不管给煤机投入的台数如何,都可以保持燃料调节对象增益不变,这样就不必调整燃料调节器的控制参数了.增益调整与平衡器,就是完成该功能.4. 风煤交叉限制在机组增减负荷动态过程中,为了使燃料得到充分燃烧,需要保持一定的过量空气系数. 因此,在机组增负荷时,就要求先加风后加煤;在机组减负荷时,就要求先减煤后减风.这样就存在一个风煤交叉限制.锅炉指令BD经函数器f1(x)后转换为所需的风量,风量经函数器f2(x)转换为相应风量下的最大燃料量,燃料量经函数器后转换为该燃料量下的最小风量.当增加负荷时,锅炉指令BD增大,在原风量未变化前,低值选择器输出为原风量下的最大燃料量指令,即仍为原来锅炉指令BD.在风量侧,锅炉指令BD增大,则其对应的风量指令增大,大于原燃料量所需最小风量,经高值选择后作为给定值送至送风控制系统以增大风量.只有待风量增加后,锅炉燃料的给定值才随之增加,直到与锅炉指令BD一致.由此可见,由于高值选择器的作用,风量控制系统先于燃料控制系统动作.由于低值选择器的作用,使燃料给定值受到风量的限制,燃料控制系统要等风量增加后再增加燃料量.同理,减负荷时,由于低值选择器的作用,燃料给定值先减少.由于高值选择器的作用,使风量给定值受到燃料量限制,风量控制系统要等待燃料量降低后再减少风量.上图为煤粉锅炉燃料系统的一般控制方案.其中虚框1的功能是完成总燃料量(发热量)的测量与修正.虚框2的功能是燃料侧的风煤交叉限制.5. 风机调节本节下略单元机组协调控制系统概述1. 单元机组协调控制系统的基本组成2. 机组负荷控制系统被控对象动态特性3. 机组负荷控制系统被控对象动态特性1. 单元机组动态特性:当汽轮机调门开度动作时,被调量p E和p T的响应都很快,即热惯性小.当锅炉燃烧率改变时,被调量p E和p T的响应都很快,即热惯性小.2. 负荷控制系统被控对象动态特性1. 机组主机,主要辅机或设备的故障原因有两类跳闸或切除,这类故障的来源是明确的,可根据切投状况加以确定工作异常,其故障来源是不明确的,无法直接确定,只能通过测量有关运行参数的偏差间接确定.2. 对机组实际负荷指令的处理方法有四种: 负荷返回RB, 快速负荷切断FCB, 负荷闭锁增/减BI/BD, 负荷迫升/迫降RU/RD. 其中,负荷返回RB和快速负荷切断FCB是处理第一类故障的;负荷闭锁增/减BI/BD 和负荷迫升/迫降RU/RD是处理第二类故障的.1. 负荷返回RB负荷返回回路具有两个主要功能: 计算机组的最大可能出力值;规定机组的负荷返回速率.发电机组负荷返回回路的设计方案: 该机组主要选择送风机,引风机,一次风机,汽动给水泵,电动给水泵及空气预热器为负荷返回监测设备.当其中设备因故跳闸,则发出负荷返回请求,同时计算出负荷返回速率.RB目标值和RB返回速率送到如图13-9所示的负荷指令处理回路中去.2. 负荷快速切断FCB当机组突然与电网解列,或发电机,汽轮机跳闸时,快速切断负荷指令,实现机组快速甩负荷.主机跳闸的负荷快速切断通常考虑两种情况: 一种是送电负荷跳闸,机组仍维持厂用电运行,即不停机不停炉; 另一种是发电机跳闸,汽轮机跳闸,由旁路系统维持锅炉继续运行,即停机不停炉.负荷指令应快速切到0（锅炉仍维持最小负荷运行).负荷快速切断回路的功能与实现和负荷返回回路相似.只不过减负荷的速率要大得多.3. 负荷闭锁增/减BI/BD当机组在运行过程中,如果出现下述任一种情况:任一主要辅机已工作在极限状态,比如给风机等工作在最大极限状态燃料量,空气量,给水流量等任一运行参数与其给定值的偏差已超出规定限值.认为设备工作异常,出现故障.该回路就对实际负荷指令加以限制,即不让机组实际负荷指令朝着超越工作极限或扩大偏差的方向进一步变化,直至偏差回到规定限值内才解除闭锁.4. 负荷迫升/迫降RU/RD对于第二类故障,采取负荷闭锁增/减BI/BD措施是机组安全运行的第一道防线.当采用BI/BD措施后,监测的燃料量,空气量,给水流量等运行参数中的任一参数依然偏差增大,这样需采取进一步措施,使负荷实际负荷指令减小/增大,直到偏差回到允许范围内.从而达到缩小故障危害的目的.这就是实际负荷指令的迫升/迫降RU/RD,负荷迫升/迫降是机组安全运行的第二道防线.负荷指令处理回路原则性方框图该负荷指令处理回路功能的1原则性框图,是在正常工况下符合指令处理原则性方案上,添加了异常工况下相应负荷指令处理功能.锅炉跟随方式在大型单元机组负荷控制中只是作为一种辅助运行方式.一般当锅炉侧正常,机组输出电功率因汽轮机侧的原因而受到限制时,如汽轮机侧的主、辅机或控制系统故障,汽轮机控制系统处2. 汽轮机跟随方式机组负荷响应速度慢,不利于带变动负荷和参加电网调频.这种负荷控制方式适用于带基本负荷的单为了克服正反馈,应以汽轮机的能量需求信号而不是实际的消耗能量信号作为对锅炉的能量要求信号,即应以蒸汽流量的需求（称为目标蒸汽流量）而不是实际蒸汽流量作为锅炉的前馈控制信号.为此必须对p1进行修正,以形成目标蒸汽流量信号.直流锅炉控制系统上面两种控制方案均没有考虑过热汽温对燃料量和给水流量的动态响应时间差异,,会造成燃水比的动态不匹配,使得过热汽温波动大.为此提出一种燃料-给水控制原则性方案:可以选择锅炉受热面中间位置某点蒸汽温度(又称为中间点温度或微过热温度)作为燃水比是否适当的信号.这是一个前馈-串级调节系统,副调节器PID2输出为给水流量控制指令,通过控制给水泵的转速使得锅炉总给水流量等于给水给定值,以保持合适的燃水比.主调节器PID1以中间点温度为被调量,其输出按锅炉指令BD形成的给水流量基本指令进行校正,以控制锅炉中间点汽温在适当范围内.控制系统可分同负荷下的分离器出口焓值给定值.焓值给定值加上PID1输出的校正信号构成给定值SP2,由分离器出口压力和温度经焓值计算模块算出分离器出口焓值,该出口焓值与给定值SP2的偏差经调节器PID2 进行PID运算后,作为校正信号,对给水基本指令进行燃水比校正. 调节器PID3的给定值SP3是由,锅炉指令BD指令给出的给水流量基本指令加上调节器PID2输出的校正信号构成.调节器PID3根据锅炉总给水流最与流量给定值SP3的偏差进行PID运算,输出作为给水流量控制指令调节给水泵转速来满足机组负荷变化对锅炉总给水流量的需求.3. 采用焓增信号的给水控制方案在上图所示的给水控制系统中,由调节器PID3根据给定值SP3与省煤器入口给水流量(锅炉给水流量)的偏差向给水泵控制回路发出给水流量控制指令,在给水泵控制回路中,通过调节给水泵转速来实现调节给水流量的要求.在此重点分析给水流量给定值SP3的形成.当锅炉负荷在35%~ 100%MCR范围内,没有循环水流量和省煤器入口最小流量限制时,省煤器入口给水流量(锅炉给水流量)给定值SP3为水吸收的热量焓增焓增修正其中的水吸收的热量和焓增如图所示给出.。

电厂热工自动化技术日期:目录•电厂热工自动化技术概述•电厂热工自动化系统组成及功能•电厂热工自动化设备及技术•电厂热工自动化系统设计与优化•电厂热工自动化技术面临的挑战与解决方案•电厂热工自动化技术发展趋势与展望电厂热工自动化技术概述电厂热工自动化技术是指利用自动化仪表、控制系统、计算机等设备和技术，对火力发电厂的热力系统进行监测、控制和优化，以提高发电效率、保障生产安全和降低运行成本。

定义自动化技术贯穿于电厂的整个生产过程中，具有复杂性、高精度性、高可靠性等特点。

通过对热力系统的实时监测和控制，能够实现电厂的节能减排、提高效率和降低成本等目标。

特点定义与特点第一阶段（20世纪初-20世纪60年代）初始发展阶段，主要特点是手工操作和简单仪表控制，生产过程以经验为主导。

电厂热工自动化技术的发展历程第二阶段（20世纪60年代-20世纪80年代）自动化技术开始进入快速发展阶段，出现了许多自动化设备和控制系统，如DCS、PLC等，生产过程逐渐实现半自动化。

第三阶段（20世纪80年代至今）自动化技术进入高级发展阶段，计算机技术、信息技术和人工智能等技术的广泛应用，使得电厂的自动化水平不断提高，生产过程实现高度自动化。

电厂热工自动化技术的应用场景包括锅炉、汽轮机、发电机等主要设备的监测和控制，以及燃烧系统、给水系统、蒸汽系统等辅助系统的控制。

火电厂的热力系统通过对单元机组的整体协调控制，实现锅炉和汽轮机的优化运行，提高机组整体效率。

单元机组协调控制系统包括燃烧自动控制、给水自动控制、蒸汽温度自动控制等，通过对锅炉各参数的控制，实现锅炉的高效运行。

锅炉自动控制系统包括转速自动控制、负荷自动控制、凝汽器真空度自动控制等，通过对汽轮机各参数的控制，保证汽轮机的稳定运行。

汽轮机自动控制系统电厂热工自动化系统组成及功能测量系统能够实现对电厂热工过程中各种温度的精确测量，包括热电偶、热电阻等温度传感器以及相应的数据采集装置。

电厂热工过程自动化基本知识第一节概述1、电厂热工过程自动化主要内容1）自动检测,即对反映热工过程运行状态的物理量、化学量以及表征设备工作状态的参数进行自动的检查、测量和监视.2）自动调节,即自动维持一个或几个能够表征热力设备正常工作状况的物理量为规定值,消除因各种因素干扰和影响造成的运行工况偏离.3）自动保护,即在热力设备发生异常,甚至事故时能够自动采取保护措施,防止事故进一步扩大,或保护设备不受损坏.4）程序控制,即根据预先拟定的程序及条件,自动地对机组进行启动、停止及其他一系列操作.2、自动调节基本概念在电力生产过程中,为了保证生产的安全性、经济性,保持设备的稳定运行,必须对标志生产过程进行情况的一些物理参数进行调节,使它们保持在所要求的额定值附近,或按照一定的要求变化,如汽轮机转速,锅炉蒸汽温度、压力,汽包水位,炉膛负压等.在设备运行中这些参数总要经常受到各种因素的影响而偏离额定值规定值,此时,用一整套自动控制装置来实现操作的过程,就是自动调节.例如,在锅炉运行过程中,锅炉出口主汽压是锅炉进出热量平衡的标志,汽压的变化表示锅炉的蒸发量和汽轮机的耗汽量不相适应,这就意味着锅炉燃料燃烧产生的热量与产生一定蒸汽所需的热量不相适应,因此,汽压是表征锅炉运行状况的一个重要参数.通常希望将汽压保持在某一规定的数值,运行中,运行人员必须经常地监视仪表,监视汽压的变化.若由于某种原因如汽轮机负荷变化,汽压偏离所规定的数值,那么运行人员就要进行手动操作,调整锅炉的燃料量,使锅炉产生的蒸汽适应汽轮机负荷的需要,使汽压恢复到规定数值.这里,锅炉是被调节的设备,称为调节对象；需要调节的物理量汽压称为被调量；被调量的汽压的规定数值称为给定值或目标值；引起被调量汽压偏离给定值的各种原因比如汽轮机负荷的变化,锅炉燃料量的变化等称为扰动；调整燃料量的装置如燃油阀、制粉系统等称为调节机构；由调节机构控制被调量的作用称为调节作用；随调节机构动作而改变数量的燃料量就是调节量.调节过程的实质是随时检测被调量偏差并纠正偏差的过程,以维持被调量等于或接近于给定值.1、自动调节装置实现自动调节作用所需要的自动调节装置主要有：1）测量单元变送器,用来测量被调量的大小,并能把被调量水位、温度、压力和流量等转换成与之成比例或其他固定的函数关系并便于远距离传送和综合的测量信号.2）调节单元调节器,接受测量单元送来的被调量信号,并把它与给定值进行比较,当被调量偏离给定值时,调节单元将偏差信号按它的大小和方向以预定的规律进行运算例如比例、积分、微分等,根据运算结果发出一定规律的调节信号给执行器.3）执行单元执行器,按照调节单元发出的调节信号去移动调节机构,改变调节量.汽轮机负荷比较偏差值调节作用调节给定值PO量简图：锅炉汽压自动调节原理图当调节对象锅炉受到扰动,被调量偏离给定值后,测量单元压力变送器检测出被调量的变化,被调量与其设定值比较后的偏差值通过调节单元进行放大、运算和综合,调节单元输出的信号控制执行器,改变调节器,直到被调量恢复到给定值或接近给定值为止.第二节自动调节系统生产流程过程中存在着两种流程：1物质和能量流程,如蒸汽锅炉中燃料燃烧产生的热量被受热面中的水吸收,水变成蒸汽,蒸汽经过过热器加热后送到汽轮机作功；2信息流程,如在锅炉的汽压自动调节中,为了维持汽压为规定值,自动调节检测汽压的偏差,然后根据偏差控制燃料量,使燃料量满足产生一定蒸汽量的需要.汽压调节对象和自动调节装置是通过信息的传递相互连接而构成自动调节系统的,这样,研究自动调节系统就是研究信息的流程,即研究信号间的相互连接、传递和转换问题.1、调节系统分类按信号馈送方式分类1）反馈调节系统.是最基本的调节系统,按被调量与给定值的偏差进行调节,调节的目的是尽可能地减小或消除被调量与给定值之间的偏差.参见锅炉汽压自动调节原理图.反馈调节系统属于闭环调节系统.由于调节系统是按被调量与给定值的偏差进行调节的,因此,在调节对象受到扰动作用时,只有在被调量出现偏差后才开始调节,调节只是为尽快地消除偏差.例如讲BFG热值的变化；燃料热值的变化设定值与实际值发生变化时引起锅炉主蒸汽压力变化的调节过程.2）前馈调节系统.调节器直接根据扰动信号进行调节,扰动是调节的依据.由于该系统没有被调量的反馈信号,不构成闭环回路,故称为开环调节系统.λt对象简图：前馈调节系统方框图扰动λt是引起被调量Ct变化的原因,前馈调节器根据扰动进行调节,就可能及时抵消扰动λt对被调量Ct的影响,从而使被调量保持不变.但由于是开环系统,调节效果无法检查,调节结束后不能保证被调量等于给定值,所以前馈调节系统在实际生产过程中是不能单独应用的.例如送风量的变化是引起炉膛压力波动的扰动,吸风调节采用送风前馈信号.3）前馈—反馈调节系统复合调节系统在反馈调节系统中加入对于主要扰动的前馈调节,构成了前馈—反馈调节系统.+-简图：复合调节系统方框图当扰动发生后,前馈调节的作用是及时地补偿扰动对被调量的影响,而反馈调节的作用则是保证被调量的偏差在允许的给定范围内.因此前馈——反馈调节系统有较好的调节效果.2、调节系统分类按给定值信号特点分类1）恒值调节系统在调节系统工作过程中,被调量的给定值恒定不变,从而使被调量保持为某一固定数值.这是热工过程自动调节中应用最多的一种调节系统,如锅炉的过热蒸汽温度、压力、汽包水位等自动调节系统都是恒值调节系统.2）程序调节系统被调量的给定值是一个已知的时间函数,调节的目的是保证被调量按预先确定的时间函数来改变.例如,锅炉在滑压启动过程中,汽压和汽温要按预先给定的曲线升高,即按一定的升温、升压曲线启动,就要采用程序调节系统.3）随动调节系统被调量的给定值往往是无规律的,按事先不能确定的一些外来因素而改变.调节的结果是使被调量尽快和准确地跟随给定值变化.例如,在汽轮机启动过程中,采用计算机对汽轮机转速实现最优升速控制.汽轮机的最优升速率不是预先给定的,而是通过计算机按过热汽温、再热汽温、汽缸壁温等参数在线计算出热应力的数值,与允许的热应力进行比较,同时参照升速时汽轮机的振动、串轴等参数确定的,这样可缩短启动时间.计算机控制主汽门的开度,使汽轮机转速跟随最优升速率而升高.4）比值调节系统维持两个变量之间的比值保持一定数值.例如锅炉燃烧过程中,要求空气量随燃料量的变化而成比例变化,这样,才能保证经济燃烧.因此,对于锅炉燃烧经济性的调节,要求采用比值调节系统.3、自动调节系统的过渡过程在自动调节系统中,把被调量不随时间变化的平衡状态称为静态或稳态,把被调量随时间变化的不平衡状态称为动态.当系统处于静态时,扰动等于零,给定值不变,调节器和调节阀的输出都暂时不改变,这时被调量也就保持不变.当有扰动发生时,系统平衡被破坏,被调量偏离给定值,于是调节器控制调节阀,改变调节量,使被调量回到给定值,系统恢复平衡状态.这样从扰动发生,经过调节,直到系统重新建立平衡的这段过程,称为调节系统的过渡过程,或称为调节过程.一个调节系统在不同形式和幅度的扰动作用下,其调节过程是不一样的.在实际生产过程中可能遇到的扰动形式是多种多样的.为了比较调节系统工作品质的好坏,分析系统工作品质能否满足生产过程的需要,通常要选定一种比较典型的或经常出现的扰动形式,作为研究调节系统工作品质的标准输入信号.在热工过程自动调节系统中,最常用的是单位阶跃函数.在阶跃扰动作用下,过渡过程有四种基本形式：1衰减振荡过程,即被调参数经过一段时间的振荡后,能很快趋向于一个新的平衡,是比较理想的；2非周期过程,即被调参数没有振荡,单调地趋向于一个新的平衡,是一个稳定的过程；3扩幅振荡过程,即被调参数的变化幅度越来越大,直到超出限值,或受到限幅保护装置的限制为止,是一种不稳定的过程；4等幅振荡过程,被调参数的数值以及执行机构的位置都作等幅振荡,幅值既不衰减也不发散,是一种边界稳定过程.4、衡量调节过程指标1稳定性：调节过程的稳定性是对调节系统最基本的要求.只有稳定的系统才能完成正常的调节任务,不稳定的系统在工程上不能采用的.2快速性：指调节过程持续时间的长短.一般希望过渡过程时间越短越好,以避免在调节过程中出现前波未平,后波有起,被调量长期不能稳定在给定值附近的情况.3准确性：指被调量偏差的大小,它包括动态偏差和静态偏差.对于一个调节系统,必须首先保证其稳定性好,同时兼顾调节的快速性和准确性.第三节自动调节器基本调节规律自动调节器是构成自动调节系统的核心部分,它主要包括测量单元、调节单元、执行单元.测量单元和执行单元的动态特性一般都可近似看作为比例环节或时间常数很小的惯性环节,因而自动调节器的调节规律主要是指调节单元的动态性质,它直接影响着自动调节系统的调节品质.1、三种基本调节作用1）比例调节作用比例调节作用是指调节器的输出与输入成比例关系.动态方程为μt=Kpet.其中：μt为执行机构位移即调节器的输出；et为给定值与被调量的偏差,et=rt-ct；Kp为比例系数或比例增益.比例调节作用的动作规律是：执行机构的位移量μt与偏差et的大小成比例,即偏差越大,执行机构输出位移也越大；偏差的变化速度越大,执行机构输出位移的速度也越大.比例调节作用的特点是：动作快,对干扰能及时和有很强的抑制作用,但由于执行机构的位移与被调量的偏差有一一对应的关系,所以调节的结果是被调量存在着静态偏差.2）积分调节作用积分调节作用是指调节机构的位移量的变化速度dμ/dt与偏差信号et成比例的作用.动态方程式为：μt= 1/Tt edt0i其中：μt为执行机构位移即调节器的输出；et为给定值与被调量的为积分时间.偏差,et=rt-ct；TI积分调节作用的动作规律是：只要对象的被调量不等于给定值即偏差存在,那么执行机构就会不停地动作,而且偏差的数值越大,执行机构的移动速度就越大,只有当偏差等于零时即被调量等于给定值,调节器的输入信号为零,调节过程才能结束,执行机构才停止动作,调节系统才能平衡.积分调节作用的突出优点是能消除静态偏差,因为只要被调量存在偏差,调节作用变随时间不断加强,直至偏差为零.在被调量偏差消除后,由于积分规律的特点,执行机构将停留在新的与负荷变化相适应的位置上.缺点：由于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,所以在改善静态品质的同时却恶化了动态品质,使过渡过程的振荡加剧,甚至造成系统不稳定.所以,在实际生产过程中几乎不采用单纯的积分调节作用.3）微分调节作用微分调节作用是指调节机构的位移量与被调量偏差的变化速度成正比,它的动态方程为：μt=Tdde/dt,其中：μt为执行机构位移即调节器的输出；et为给定值与被调量的偏差,et=rt-ct；Td为微分时间.微分调节作用的特点是：与比例和积分调节作用相比,它是超前的调节作用,因为在调节过程刚开始时,被调量的偏差小,但其变化速度却较大,可使执行机构产生一个较大的位移,有利于克服动态偏差.但是,当调节过程结束,即当偏差的变化速度等于零时,微分调节器的输出也将等于零,即执行机构的位置最后总是回复到原来的数值,这就不能适应负荷的变化,不能满足调节的要求.因此,只有单纯微分调节作用的调节器,在工业上是不能使用的.2、自动调节器典型调节规律1）比例调节器P调节器采用比例调节器的调节是有差调节.调节器的比例增益的选择有其两重性.比例增益Kp 越小比例带越大,Kp=1/δ,调节器的动作幅度越小,调节过程越稳定,但被调量的静态偏差增大.反之,比例增益Kp越大比例带δ越小,调节器的动作幅度越大,被调量的静态偏差减小,但调节过程易出现振荡,稳定性降低.2）比例积分调节器PI调节器在比例积分调节器中,当改变比例带δ的数值时,既改变比例作用,也改变积分作用.而两个作用的比值则不变；改变积分时间Ti的数值,只是改变积分作用的大小,从而改变了调节器中比例作用和积分作用的相对大小.比例积分调节器兼有比例调节作用和积分调节作用的特点.调节系统中采用这种调节器时,由比例作用保证调节过程的稳定性,增大比例带δ数值,可以削弱振荡倾向,但比例带δ过大,将削弱调节作用,使调节过程的时间拖长；增大Ti 值使比例作用相对增强,也能削弱振荡倾向,但Ti值不宜过大,因为Ti值过大,调节作用的积分成分将过小,调节过程时间将很长.积分调节作用可保证调节结果无差,因此,比例积分调节器在工业上得到广泛的应用.3）比例微分调节器PD比例微分调节器有两个可以整定的参数.改变微分时间Td的数值只改变微分作用的大小,改变比例带δ的数值将同时改变比例作用和微分作用的大小,而两者的比值不变.如系统处于平衡状态,则微分作用消失,但比例微分调节器仍具有比例调节器的特点,即调节过程结束后,被调量存在静态偏差.如果对象存在较大的延迟和惯性,单纯采用比例调节器达不到调节的要求时,就可以引入微分调节器作用.只要微分作用的大小选择适当,不仅可以减小调节过程中被调量的动态偏差,也能减小调节过程的振荡倾向.4）比例积分微分调节器PID比例调节作用的特点是保证过程的稳定性；积分调节作用的特点是保证调节过程作无差调节；微分调节作用的特点是补偿调节对象的延迟和惯性.3、调节器调节规律对调节品质的影响1）比例调节器P不论是什么对象,采用比例调节器都是有差调节,比例带δ越大,静态偏差就越大.调节器的比例带δ增大,意味着在相同的被调量变化下,调节作用较小,因而在受到扰动后,被调量的动态偏差将增大.总之,比例调节器的比例带δ越大,系统的衰减率越大,过程越稳定；但是,增大比例带δ,将导致过程的动态偏差和静态偏差的增大.2）比例积分调节器PI比例积分调节器的主要优点是能靠积分作用消除静态偏差,因此,在热工过程自动化中得到了最广泛的应用.与比例调节器的比例作用相似,增加比例带δ可以增加系统的稳定性,越短,系统的稳定性下降越多.积分作用使系统的稳定性下降,积分时间Ti从提高系统稳定性的角度出发,需要加大比例带δ和增加积分时间T,i 然而比例带和积分时间过大时,调节器的调节作用减弱.3）比例积分微分调节器PID微分调节作用有助于克服迟延所造成的被调量的过大变化.比例积分微分调节器既能实现无差调节,又能改善调节过程的动态品质,在工业上得到了较广泛的应用.4、复杂调节系统1）串级调节系统串级调节系统的调节品质较好,在热工自动控制中得到了广泛的应用.对于时间常数较大,阶次较高和有较大迟延的调节对象,在某些场合下即使采用PID调节规律依然不能得到满意的调节品质,这时可采用串级调节系统.系统中除了主被调量外,还有一个辅助被调量,辅助被调量对调节作用的响应应比较迅速.例如锅炉过热汽温调节系统,当减温水量改变后,过热汽温的变化较慢,减温器出口汽温变化较快,这时就可把减温器出口汽温作为过热汽温调节系统中的辅助被调量,形成一个调节回路,构成串级调节系统.1对象Ⅱ CS- - 调节对象简图：串级调节系统方框图与单回路调节系统的区别在于有两个调节器,有两个闭合回路.由调节器Ⅰ和调节对象Ⅰ构成的回路称为副回路或内回路,调节器Ⅰ称为副调节器,调节对象Ⅰ的输出信号称为辅助被调量.由调节器Ⅱ、副回路和调节对象Ⅱ所构成的回路称为主回路或外回路,调节器Ⅱ称为主调节器,调节对象Ⅱ的输出信号称为主被调量,调节对象Ⅰ和调节对象Ⅱ统称是系统的调节对象.特点：1对副回路所受到的扰动具有很强的克服能力；2副回路起改善调节对象动态特性的作用,从而提高整个系统的调节品质.2）采用中间被调量微分信号的调节系统对于时间常数大,阶次高和迟延大的调节对象,为了改善调节品质,除了采用串级调节外,还可以采用引入中间被调量微分信号的调节系统.例如过热汽温调节系统,其中间被调量就是减温器后的汽温,汽温调节器除接受过热器出口温度信号外,还同时接受减温器后汽温的微分信号.简图：采用中间被调量微分信号的调节系统方框图特点是调节器除了接受调节对象的主被调量信号外,还接受一个中间被调量的微分信号.由于中间被调量的响应比主被调量快,因此,这个微分信号起着导前作用,以补偿主被调量的滞后.在稳态时,中间被调量微分信号等于零,调节器维持主被调量为规定值.3）前馈—反馈调节系统按被调量偏差进行调节的负反馈系统,当系统受到扰动时,调节器要等到被调量出现偏差后才开始调节,因而调节作用总是落后于扰动作用的.被调量产生偏差的原因是扰动,如果调节系统能直接按扰动进行调节,就有可能及时消除被调量的偏差,这种按扰动进行的调节称为前馈调节.前馈调节是开环调节,不构成闭合回路.一般采用前馈调节器实现局部补偿,以改善调节品质,同时采用反馈调节,以确保被调量在稳态时能恢复到给定值.一般,系统中存在着经常变动、可测而不可控的扰动时,反馈调节难以克服扰动对被调量的显着影响,这时为了改善调节品质,可以引入前馈调节.例如锅炉汽包水位调节系统,引入蒸汽流量前馈信号.蒸汽流量对被控水位来说就是一个可测而不可控的扰动信号.。