1、前 言由于用户对电能在质上的提高和量上的增加，电能做为特殊商品，发、供、用电必须同时进行，发电机组的稳定运行越来越重要；由于用户的用电结构也在变化，使得电网负荷的峰谷差加大，发电机组要求有调峰能力，对这种电网负荷指令的随时变化要求能够快速稳定地响应；由于单元机组容量的逐步增大，机组的热工参数的提高，热工被控对象变得越来越复杂；所有的这些，都对火力发电厂热工自动控制提出了更新更高的要求。本书在介绍了自动调节系统控制理论的基础上，以300MW火力发电单元机组为控制对象，重点对机组的协调控制系统、燃烧控制系统、给水控制系统以及蒸汽温度控制系统进行了讨论，内容包括的被控设备的工艺流程、控制系统的任务、
2、被控对象的动态特性和燃煤机组常用的几种控制策略，并对控制方案中的一些细节进行了剖析。本书注重它的实用性和可操作性。在自动调节系统基本控制理论的内容里，介绍的主要是从事热工控制专业工作人员所必须要掌握的内容，而重点放在自动调节系统的现场试验方法上，如被控对象动态特性的试验获得方法、阀门及风门挡板的特性试验方法、自动调节系统的现场投运和整定方法等等，有些试验方法是根据我们长年在现场进行相关试验时的试验措施编写而成，具有很强的可操作性。在介绍协调、燃烧、给水和汽温控制系统的章节里，所列举的系统结构、控制逻辑、直至系数设置和参数整定，大多是在运行机组上的实例，具有参考价值。本书注意了所述内容的通用性。
3、对同一控制对象而使用较为普偏的多种控制策略都作了介绍和讨论，并分析了各种控制策略的特点。比如协调控制系统中的直接能量平衡控制策略和间接能量平衡控制策略、燃料控制系统中的燃料控制器指令调节磨煤机一次风量和调节磨煤机的给煤机转速等等。本书还注意到编写依据的实时性和先进性，以电力行业最新的标准、规程、导则、要求和法规规定为依据编写而成。例如，在给水调节系统信号测量这一节中，防止电力生产重大事故的二十五项重点要点国电发2000589号和国家电力公司电站锅炉汽包水位测量系统配置、安装和使用若干规定（试行）【国电发（2001）795号】作为汽包水位补偿运算的依据；又如，在模拟量控制系统性能指标中，编写依据
4、是2001年国家经贸委颁布执行的火力发电厂分散控制系统运行检修导则【DL/T7742001】，该导则针对单机容量300MW及以上采用分散控制系统（DCS）的火力发电机组而制定，是目前热控专业对分散控制系统进行检修和维护的最新导则。另外，本书还对机组协调控制系统中设计的快速甩负荷（FCB）逻辑，从意义上、功能上、以及组态上进行了实例分析，由于目前试验难度比较大，实现起来有一定的风险，这里供各位同行讨论。吕佳同志为本书绘制了所有的插图，在此表示衷心感谢！由于作者水平有限，加之编写时间仓促，书中的描述地不够详细，谬误和不妥之处也在所难免，敬请各位批评指正。何育生二00三年十月目 录第一章.自动调节系
5、统的基础知识1第一节 引言1第二节 自动调节系统的基本概念2第三节 热工对象动态特性的特点6第四节 调节器的动态特性19第五节 自动调节系统的品质指标23第六节 阀门和风门挡板的特性试验27第七节 自动调节系统的整定方法29第八节 自动调节系统的试验方法35第九节 自动调节系统中的前馈控制36第十节 用SAMA图表示的自动调节系统图38第二章.蒸汽温度自动控制系统41第一节 汽温控制系统的任务41第二节 汽温控制系统的对象特性41第三节 过热汽温控制系统结构45第四节 汽温控制系统细节分析49第五节 再热汽温控制系统结构53第三章.给水自动控制系统55第一节 给水系统信号的测量55第二节 给水
6、控制系统的任务64第三节 给水控制系统的对象特性65第四节 给水系统的设备配置68第五节 给水全程控制系统的结构70第六节 给水控制系统细节分析73第四章.燃烧控制系统77第一节 燃烧控制系统任务77第二节 燃烧控制系统的对象特性77第三节 燃烧控制系统的控制策略80第四节 燃烧各控制子系统的分析83第五章.协调控制系统93第一节 协调控制系统的任务93第二节 协调控制系统的对象特性94第三节 机组的负荷控制方式96第四节 协调控制的控制策略99第五节 机组负荷指令和压力设定值的形成回路105第六节 机组负荷指令的限制运算逻辑107 第一章. 自动调节系统的基础知识第一节 引言火力发电厂的生产
7、过程是将一次能源转换成二次能源的过程，对于燃煤机组，就是将燃煤中的化学能依次转换为热能、机械能，获得电能。电力生产过程中除了必须保证产生的电能满足一定的电量和质量要求外，同时主要保证生产的安全和经济。这就要求生产过程必须在预定的工况下进行。但是在实际生产过程中总会经常受到各种因素的干扰和影响，首先，机组的负荷决定于用户的需要，即网调的AGC指令，随时变动的负荷影响机组的稳定工作，这种来自外界的干扰称为外扰。其次，即使机组带固定的基本负荷运行但它们的运行工况也会不停变动，例如燃煤品种的变化、执行机构的抖动、运行设备的状态变化等情况的都会影响锅炉的稳定运行；进而影响整个机组的稳定。这类来自系统内部
8、的扰动称之为内扰。因此，机组的运行工况经常由于外扰或内扰而发生变动。任何工况的变化都会引起机组某些运行参数的变化，从而使运行工艺参数发生变化而偏离规定值。过去的小型机组可以部分或全部地由人工调节。在这种情况下运行人员必须时刻监视仪表的指示值，检查设备的的工作情况并根据机组的运行特性进行的分析，作出正确的判断和及时的调整。运行人员对变化的参数及时进行操作对它们加以控制，以使这些参数保持为生产所期望的数值这一操作控制过程就是调节。随着机组容量的增大，蒸汽参数地提高以及分散控制系统的应用，这个机组的结构也愈加复杂，因此，对运行参数调节的要求也愈来愈高，人工调整已不能满足机组安全稳定运行的需求，有运行
9、经验告诉我们，某300MW机组在升负荷过程中，汽包给水控制如果不能及时地投入自动调节，而靠运行人员手动调节，则难以将机组负荷稳定在高负荷运行。因此，需要将这个对参数的操作控制过程用一套自动控制装置来代替人工操作，完成调节任务，这就是自动调节。自动调节是一门能自动维持生产过程参数为要求值，以使生产过程保持在规定的工况下运行的自动控制技术。第二节 自动调节系统的基本概念一 术语1 被调对象：被调节的生产过程或工艺设备称为被调对象。2 调节设备如传感器、变送器、调节器、执行机构等用于代替人的眼睛，大脑和手来完成调节任务的装置，称调节设备。3 自动调节系统：调节设备和被调对象构成的具有调节功能的统一体
10、称为自动调节系统。4 被调量：被调对象中需要加以控制和调节的物理量，叫做被调量或被调参数。不能把对象中流入或流出的物质如水、汽等工作介质当做被调对象的被调量。5 给定值：根据生产过程的要求，规定被调量应达到并保持的数值，叫做被调量的给定值。6 输入量：输入到调节系统中并对被调参数产生影响的信号（包括给定值和扰动）叫做输入量。不可把调节设备使用的能源（如压缩空气、电源等）当做调节系统的输入量。7 扰动：引起被调量变化的各种因素称为扰动。阶跃变化的扰动叫做阶跃扰动。8 反馈：把输出量的全部或部分信号送到输入端称为反馈。反馈信号与输入信号极性相同时称为正反馈；极性相反时称为负反馈。9 开环与闭环：输
11、出量和输入量之间存在反馈回路的系统叫做闭环系统；反之，称为开环系统。二 自动调节系统的分类工业生产过程中所应用的自动调节系统的形式是多种多样的，为了分析各种调节系统的特性，根据不同的分析方法有不同的分类。1 按给定值变化规律区分，有定值调节系统、程序调节系统和随动调节系统。定值调节系统的给定值在系统工作过程中是恒定的。扰动作用会使被调量偏离给定值，在调节过程结束后被调量能回到（或接近）给定值。锅炉的汽包水位等调节系统都属于这类系统，在任何负荷下，在任何时间，汽包水位的定值都是不变化的。按调节过程结束后被调量与给定值之间偏差的情况，定值调节系统又分为有差调节系统和无差调节。有差调节系统在调节过程
12、结束后，被调量与给定值之间存在静差。具有比例调节规律的调节系统属于有差调节系统。无差调节系统在调节过程结束后，被调量与给定值之间不存在静差。通常，采用比例积分调节器的调节系统就是一种无差调节系统。程序调节系统的给定值是根据生产过程的工艺要求，按预先确定的时间函数变化的。例如在锅炉按升温、升压曲线启动的过程中，汽温汽压调节系统属于程序调节系统。随动调节系统的给定值既不恒定又不按预定的规律变化，而是决定于某些外来因素。系统的输出跟着给定值变化，所以又称为跟踪系统。例如锅炉烟气含氧量调节系统属于随动调节系统，含氧量的定值随负荷变化而变化。按调节系统的结构来分，有闭环调节系统、开环调节系统和复合调节系
13、统。输出量和输入量之间存在反馈回路的系统叫做闭环系统，大多的调节系统都是闭环调节系统，如高低加水位等定值调节系统。输出量和输入量之间不存在反馈回路的系统叫做开环系统，如某300MW机组的燃料风调节系统（FUEL AIR DAMPER CONTROL）和燃烬风调节系统(OVERFIRE AIR DAMPER CONTROL)都是开环调节系统。既有开环调节作用又有闭环调节作用的系统复合调节系统，其调节效果比一般闭环调节系统的更好，如采用前馈信号的闭环调节系统都属于复合调节系统，其中的前馈调节，是开环调节，如引入蒸汽流量作为前馈信号的汽包水位调节系统，引入总风量作为前馈信号的炉膛负压调节系统等等。2
14、 按调节系统内闭环回路的数量来分，有单回路调节系统和多回路调节系统。单回路调节系统中只有一个被调量信号反馈到调节器的输入端，只形成一个闭环回路。这种调节系统适用于简单的调节对象。如果调节对象有两个或两个以上的输出信号被反馈的调节器的输入端，从而形成两个以上的闭环回路的系统，则属于多回路调节系统。带有超前信号的汽温调节系统，就是多回路调节系统。3 按系统的特性来分，有线性调节系统和非线性调节系统。当前火电厂热力生产过程中广泛采用的是线性、闭环定值调节系统，基本上能满足生产实际要求。三 自动调节系统的原理方框图调节系统的原理方框图是人们从实际生产过程中总结出来的一种描述系统组成原理的方法，用方框图
15、分析和综合自动调节系统是非常方便的。在方框图中，用方框表示各种环节，环节之间信号的传递方向用带箭头的线段表示。用符号表示信号的叠加点，称做比较器，箭头指向的表示比较器的输入量，箭头离开的表示比较器的输出量。输出量等于各输入量的代数和。方框图清楚地表示出自动调节系统中信号在个环节中的传递方向和顺序，表示调节系统的动态结构，在对调节系统的分析和设计是很有用的。对每个环节而言，输入量和输出量是确定的每个环节受它前一个环节的作用，又按照它本身的特性输出信号，并对下一个环节施加作用。每个环节的输入量是引起该环节内部发生运动的原因，其输出量是该环节发生运动的结果。在就是说，输入量的变化引起输出量的变化，而
16、输出量不会反过来去影响输入量，这种特点称做调节系统的单向性。方框图同工艺流程图不同，方框图中的信号线并不表示工质的流向，而只表示调节系统中个环节之间的信号传递关系。在实际工作中，为便于分析问题，可以把一个设备划分成几个环节，或者把几个设备合并为一个环节。任何一个调节系统或复杂的环节都可以看作是由若干个比较简单的环节组成的，这些简单的环节是按一定的信号 传递方式联系起来的。系统的特性是由这些简单环节的特性综合而成的。常规的热工自动调节系统主要由四大部分组成：调节器、执行机构、测量变送器和被控对象，用原理方框图可以表示如下：图1-1热工自动调节系统原理方框图调节器的作用是接受主信号和定值信号之间的
17、偏差信号，进行一定规律的运算后产生一个调节作用送给执行机构。通常用Wt(S)表示。执行机构通常包括执行器和阀门，它接受调节器送来的控制信号去完成被控对象的控制任务。通常用Kz和Kf表示。测量变送器由测量元件和变送器组成，它的作用是把系统中的被控信号测量出来，并把非电量信号转换成能进行控制运算的电量信号，通常用Kc来表示。在电厂热工系统中，温度信号采用热电偶或热电阻进行测量，然后送进DCS内部进行处理；流量信号采用节流孔板和喷嘴进行测量，送差压变送器进行转换；水位信号通过测量筒产生差压信号，送差压变送器进行转换；压力信号送压力变送器进行转换。被控对象是指需要进行控制的生产设备和生产过程，通常用W
18、d（S）表示，被控对象中需要进行控制的物理量称为被控制量。对于火力发电机组，被控制量和相应的控制手段可以用下表表示：被控制量控制手段汽包水位给水调节阀门、给水泵转速主蒸汽温度减温水阀门开度再热汽温烟气再循环挡板、燃烧器倾角、减温水阀门锅炉负荷指令磨煤机一次风量、给煤量炉膛负压引风挡板开度、引风勺管位置烟气含氧量，送风量送风挡板开度、动叶导向、送风勺管位置一次风压一次风机挡板开度、动叶导向机组功率DEH调门开度、锅炉燃烧率除氧器水位凝结水控制阀门开度凝汽器水位化学水补水门开度高低加水位高低加疏水门开度第三节 热工对象动态特性的特点调节对象的动态特性是指调节对象的输入（调节作用和扰动）发生变化时，
19、其输出（被调量）随时间变化的规律。由于一个调节对象在生产过程中会受到多个输入（干扰）作用的影响，而在不同的输入作用发生时，调节对象的动态特性一般是不同的，因此把调节对象的特性又区分为外扰特性和内扰特性。所谓调节对象内扰特性是调节器阀门开度发生变化时所引起被调量变化的情况，而外扰特性则是指对象在某一生产干扰发生变化时所引起的被调量的变化情况。对象内扰动态特性的掌握对研究自动调节问题的研究具有更重要的意义，因为对象的内扰动态特性将直接影响调节系统的调节过程。图1-2为引风自动调节系统的方框图。图中调节对象是多输入、单输出的物理系统，如图中虚线所示，引起被调量Pf（S）变化的原因很多（调节作用,外部
20、扰动X），而且各个输入信号引起被调量变化的动态特性（W01，W02，）是不同的，这是热工对象的一个特点。图1-2引风自动调节系统的方框图对于有些热工对象（例如锅炉汽轮机组），可能是多输出的，即生产过程中要求控制的被调量有好几个，而且，引起这些被调量变化的原因也是多种多样的，回此，调节对象通常是一个多输出的环节。一个多输入多输出的环节可以分解成若干个单输入单输出和环节。图1-3为协调控制系统的调节系统方框图，它表示了一个二输入二输出对象。图1-3协调控制系统的调节系统方框图在研究热工对象动态特性时，应该充分了解各种引起被调量变化的原因，并了解其全部动态特性。热工对象的动态特性，原则上可以根据生产
21、过程进行的机理和生产调备的具体结构，用理论分析和计算的方法得出。但是，热工生产过程一般是物质和能量的传递过程，用解析分法获得动态特性比较复杂，因此，通常采用现场测试的方法来了解热工对象的动态特性。在各种测试动态特性的方法中，应用最普遍的是测出对象的阶跃响应曲线。下面从热工对象的阶跃响应曲线出发，研究一下热工对象动态特性的特点。要全面了解调节对象的动态特性，必须了解被调量的各种输入作用下的动态特性，这里更重要的是调节输出（调节量）作用下调节对象的动态特性。通过大量的现场测试和分析，大多数热工对象的动态特性具有图14(a)和图14(b)所示的形状。图14表示，热工对象尽管千差万别，但是，按它的阶跃
22、响应特性基本上可以划分成两类，一类是有自平衡能力的，如图14（a）所示，另一类是无自平衡能力的，如图14（b）所示。从两类响应曲线可以看出，热工调节对象的动态特性的基本特点是：一开始被调量并不立即有显著变化，而且达到新的平衡需要一个非周期的过程，这说明热工对象有一定的迟延和惯性，过渡过程是不振荡的，在曲线的最后阶段，被调量可能达到新的平衡（图14(a)），也可能被调量不断变化，而其变化速度趋近于某一数值（图14(b)），前者称为自平衡能力的对象，后者称为无自平衡的对象。图14热工对象典型的阶跃响应特性曲线(a)有自平衡能力 (b)无自平衡能力一 调节对象动态特性的特征参数当获取了调节对象的阶跃
23、应试验曲线之后，如何来判断该对象的可控性能呢？工程上常用阶跃响应曲线上的几个特征参数来说明之。1 有自平衡能力的对象所谓对象有自平衡能力，就是指在阶跃输入扰动下，不需要经过外加调节作用，调节对象的被调量经过一段时间后能自己稳定在一个新的平衡状态。如主蒸汽温度等被控对象特性属于有自平衡能力的对象。图14（a）所示为有自平衡能力对象的单位阶跃响应曲线，在此阶跃响应曲线的拐点作切线，与被调量的起始值和最终平衡值的横坐标轴线相交，得时间间隔和TC，并把被调量的稳态变化量记作y（），由此可定义下列特征参数。自平衡系数（或自平衡率）式中0阶跃输入量的幅值。 表示对象的输出量（被调量）每变化一个单位，能克服
24、多大的输入不平衡。越大，对象的自平衡能力就越强。=0表示象没有自平衡能力。的倒数为y（）/0，它就是对象的静态放大系数K；（1） 时间常数Tc如果被调量以曲线上的最大速度（即阶跃响应曲线上拐点q处的速度）变化，则从起始至最终平衡值所需的时间，就是对象的时间常数Tc。TC=tb-ta（2） 迟延时间它是指从输入信号阶跃变化瞬间至切线与被调量起始值模轴交点间的距离，如图14（a）所示。=ta2 无自平衡能力的对象所谓对象无平衡能力，是指在阶跃输入扰动下，被调量在最后阶段以一定的速度不断变化，不能稳定下来。如汽包水位等被控对象特性属于无自平衡能力的对象。图14（b）所示为无自衡能力对象的单位阶跃响应
25、曲线，作该曲线的渐近线，与时间坐标轴交于a点，得到时间间隔和倾斜角，与纵坐标轴交于b点，得到y(0),由此可定义下列特征参数：（1） 迟延时间从工作出发输入信号阶跃变化瞬间至渐近线与时间坐标轴交点间的距离，即=ta反映了对象在阶跃输入作用下，被调量的变化速度由零变到接近于渐近线斜率所需的时间的长短。（2） 响应速度（飞升速度）式中O 阶跃输入量的幅值。 表示当输入信号单位阶跃输入时，阶跃响应曲线上的被调量的最大变化速度。有时也采用的倒数替作为特征参数，即 式中Ta对象的响应时间综上所述，有自平衡能力的热工对象可用（或Tc），、三个特征参数来表示它的动态特性；无自平衡能力的热工对象可用、两个特征
26、参数来表示它的动态特性。如果考虑到无自平衡能力的热工对象的等于零，那么，不论对象有无自平衡能力，都可统一用、三个特征参数来表征它们的动态特性。虽然它们不能很确切地表达热工对象的动态特性，但是，这三个特征参数在热工调节系统的工程整定中是经常要用到的。由试验得到的热工对象阶跃响应曲线，可以通过数学处理的方法写出热工对象的近似传递函数，从而为自动调节系统的进一步分析研究和整定计算提供必要的数学模型。对于图14所示的典型热工对象阶跃响应特性曲线，可用下列高阶递函数来近似描述：有自衡能力的对象：无自衡能力的对象：二 被调对象的动态特性的测试方法1 试验获得阶跃响应特性曲线：（1） 试验目的了解被调对象的
27、动态特性，掌握其纯延时时间。飞升速度，惯性阶数等特性参数，用以选择调节系统的控制方案，设置有关系数，整定调节参数。（2） 试验方法在设备完好，运行工况稳定的条件下，对被调对象进行调节量扰动，扰动量为额定量的1015，用DCS实时趋势图同时记录扰动量和被调量等参数的变化曲线。 （3） 阶跃扰动的注意事项根据阶跃响应曲线可以清楚地判别对象的性质，试验原理也很简单。但是，在生产实际中使用时会碰到一系列困难。首先，工艺设备（被控对象）正常运行时总会存在着各种各样的随机干扰，使试验结果产生畸变，在分析试验结果时难于分辨试验输入信号和随机干扰对输出的影响；其次，工艺设备运行时往往不允许工艺参数作大幅度的变
28、动，这给阶跃响应试验带来一定的限制；再其次，不可能得到真正的阶跃输入信号，因为调节机构只能以有限的速度动作；最后，工艺设备的缺陷和非线性会影响试验结果的准确性。上述问题的存在，严重时甚至使阶跃响应特性试验无法进行。总之，在测定阶跃应曲线时，随机噪声是一个必须认真考虑的问题，只有在足够高的信噪比条件下，测试结果才是有效的。鉴于以上情况，为保证试验结果准确，在测定阶跃特性曲线时，应注意以下事项：A 根据设备运行条件选择合适的输入信号幅值。为了区别试验输入信号与随机干扰信号，应保证有足够的输入信号幅值。但要注意输入信号幅值过大可能引起输出信号超过允许的变化范围。一般输入信号的幅值取被控对象额定负荷的
29、10%15%。B 在试验开始前，应将工艺设备调整到适当的初始工况。如作负荷上升扰动的响应曲线，则应将被对象输出调整到允许变动范围的下限值；反之，则应将被控对象输出调整到允许变动的范围的上限值。这就保证在试验过程中输出信号在允许范围内变化，能获得一条完整的试验曲线。C 在调整到预定的初始工况后，要使工艺设备稳定运行一段时间，然后再开始进行试验。D 由于受执行结构动作速度的限制，输入阶跃信号（t）不可能是理想的阶跃信号，而是有一定的变化斜率，为了获得更精确的试验结果，阶跃信号（t）的起始时间可认为是从开始到达到扰动幅值的一半时间开始的。E 在整个试验过程中，应尽量避免一切不必要的操作，并要采取措施
30、防止各类干扰的发生。F 要特别仔细记录阶跃响应曲线初始阶段的数据，因为这部分数据的准确性对确定动态特性参数的影响很大，对于有自平衡能力的对象，当输出信号接近到新的稳态值时，输出信号变化很慢，一定要耐心等待足够长的时间，一直到输出信号达到新的稳态值。另外，对于有自平衡能力的对象，当输入信号幅值过大而输出信号的稳态值超过对象允许的变化范围时，应该立即改做方波响应试验（即扰动信号改为方波信号），不可错误地认为被控对象是无自平衡能力的对象。G 为了获得一条准确的阶跃响应曲线，在相同的试验条件下应重复试验几次，试验结果中至少要有两条基本相同的曲线。H 应测定输入信号上升和下降两个方向变化的阶跃起响应曲线
31、，若二者无明显差别时，取其动态参数的平均值作为对象的动态参数；否则，应对两种情况分别分析。I 除记录被控对象输入、输出信号外，还应记录可能影响输入、输出信号的其他主要参数，供分析试验结果时参考。J 热工被控对象一般均在非线性特性，其动态特性随负荷不同而有所区别。因此，应测出不同负荷时的动特性，以便在设计、分析、整定控制系统时，考虑到最差的动态特性情况。K 试验测定的被控对象动态特性与其实际的动态特性是有区别的，前者包括了测试仪表本身的动态特性，在试验结果中除去测试仪表动态特性的影响是很困难的，所以，应选用滞后和惯性较小的测试仪表，使其对测试结果的影响减小到可以忽略的程度。三 阶跃响应特性曲线的传递函数的求取阶跃响应曲线形
