电厂热工过程自动化基本知识资料.docx

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1、电厂热工过程自动化根本学问第一节 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展自动的检查、测量与监视。2） 自动调整，即自动维持一个或几个可以表征热力设备正常工作状况的物理量为规定值，消退因各种因素干扰与影响造成的运行工况偏离。3） 自动疼惜，即在热力设备发生异样，甚至事故时可以自动实行疼惜措施，防止事故进一步扩大，或疼惜设备不受损坏。4） 程序限制，即根据预先拟定的程序及条件，自动地对机组进展启动、停顿及其他一系列操作。2、自动调整根本概念 在电力消费过程中，为了保证消费的平安性、经济性，保持设备的稳定运行，必需对

2、标记消费过程进展状况的一些物理参数进展调整，使它们保持在所要求的额定值旁边，或根据确定的要求变更，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常常受到各种因素的影响而偏离额定值（规定值），此时，用一整套自动限制装置来实现操作的过程，就是自动调整。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记，汽压的变更表示锅炉的蒸发量与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确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。通常渴望将汽压保持在某一规定的数值，运行中，运行人员必需常常地监视仪表，监视汽压的变更。若由

3、于某种缘由（如汽轮机负荷变更），汽压偏离所规定的数值，那么运行人员就要进展手动操作，调整锅炉的燃料量，使锅炉产生的蒸汽适应汽轮机负荷的须要，使汽压复原到规定数值。这里，锅炉是被调整的设备，称为调整对象；须要调整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（或目的值）；引起被调量汽压偏离给定值的各种缘由（比方汽轮机负荷的变更，锅炉燃料量的变更等）称为扰动；调整燃料量的装置如燃油阀、制粉系统等称为调整机构；由调整机构限制被调量的作用称为调整作用；随调整机构动作而变更数量的燃料量就是调整量。调整过程的本质是随时检测被调量偏向并订正偏向的过程，以维持被调量等于或接近于给定值。1、 自动调整

4、装置 实现自动调整作用所须要的自动调整装置主要有：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、压力与流量等）转换成与之成比例（或其他固定的函数关系）并便于远间隔 传送与综合的测量信号。2） 调整单元（调整器），承受测量单元送来的被调量信号，并把它与给定值进展比拟，当被调量偏离给定值时，调整单元将偏向信号按它的大小与方向以预定的规律进展运算（例如比例、积分、微分等），根据运算结果发出确定规律的调整信号给执行器。3） 执行单元（执行器），根据调整单元发出的调整信号去挪动调整机构，变更调整量。 汽轮机负荷给定值PO 比拟 偏向值 调整作用 调整量 e 调整器 执行器 阀

5、门 B 锅炉 P 汽压 测量值 压力变送器简图：锅炉汽压自动调整原理图 当调整对象（锅炉）受到扰动，被调量偏离给定值后，测量单元（压力变送器）检测出被调量的变更，被调量与其设定值比拟后的偏向值通过调整单元进展放大、运算与综合，调整单元输出的信号限制执行器，变更调整器，直到被调量复原到给定值或接近给定值为止。第二节 自动调整系统消费流程过程中存在着两种流程：1）物质与能量流程，如蒸汽锅炉中燃料燃烧产生的热量被受热面中的水汲取，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整中，为了维持汽压为规定值，自动调整检测汽压的偏向，然后根据偏向限制燃料量，使燃料量满足产

6、生确定蒸汽量的须要。汽压调整对象与自动调整装置是通过信息的传递互相连接而构成自动调整系统的，这样，探讨自动调整系统就是探讨信息的流程，即探讨信号间的互相连接、传递与转换问题。1、调整系统分类（按信号馈送方式分类）1） 反响调整系统。是最根本的调整系统，按被调量与给定值的偏向进展调整，调整的目的是尽可能地减小或消退被调量与给定值之间的偏向。参见锅炉汽压自动调整原理图。 反响调整系统属于闭环调整系统。由于调整系统是按被调量与给定值的偏向进展调整的，因此，在调整对象受到扰动作用时，只有在被调量出现偏向后才开场调整，调整只是为尽快地消退偏向。例如讲BFG热值的变更；燃料热值的变更（设定值与实际值发生变

7、更时）引起锅炉主蒸汽压力变更的调整过程。2） 前馈调整系统。调整器干脆根据扰动信号进展调整，扰动是调整的根据。由于该系统没有被调量的反响信号，不构成闭环回路，故称为开环调整系统。 （t） 测量元件 前馈调整器 调整阀 对象 简图：前馈调整系统方框图 扰动（t）是引起被调量C（t）变更的缘由，前馈调整器根据扰动进展调整，就可能刚好抵消扰动（t）对被调量C（t）的影响，从而使被调量保持不变。但由于是开环系统，调整效果无法检查，调整完毕后不能保证被调量等于给定值，所以前馈调整系统在实际消费过程中是不能单独应用的。例如送风量的变更是引起炉膛压力波动的扰动，吸风调整承受送风前馈信号。3） 前馈反响调整系

8、统（复合调整系统） 在反响调整系统中参加对于主要扰动的前馈调整，构成了前馈反响调整系统。 （t） 前馈调整器 扰动通道 r（t）+ 反响调整器 + 调整阀 对象 + C（t）简图：复合调整系统方框图 当扰动发生后，前馈调整的作用是刚好地补偿扰动对被调量的影响，而反响调整的作用则是保证被调量的偏向在允许的给定范围内。因此前馈反响调整系统有较好的调整效果。2、调整系统分类（按给定值信号特点分类）1） 恒值调整系统在调整系统工作过程中，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整中应用最多的一种调整系统，如锅炉的过热蒸汽温度、压力、汽包水位等自动调整系统都是恒值调整系

9、统。2） 程序调整系统 被调量的给定值是一个已知的时间函数，调整的目的是保证被调量按预先确定的时间函数来变更。例如，锅炉在滑压启动过程中，汽压与汽温要按预先给定的曲线上升，即按确定的升温、升压曲线启动，就要承受程序调整系统。3） 随动调整系统 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变更。调整的结果是使被调量尽快与精确地跟随给定值变更。例如，在汽轮机启动过程中，承受计算机对汽轮机转速实现最优升速限制。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，与允许的热应力进展比拟，同时参照升速时汽轮机的振动、串轴等参数确定的

10、，这样可缩短启动时间。计算机限制主汽门的开度，使汽轮机转速跟随最优升速率而上升。4） 比值调整系统 维持两个变量之间的比值保持确定数值。例如锅炉燃烧过程中，要求空气量随燃料量的变更而成比例变更，这样，才能保证经济燃烧。因此，对于锅炉燃烧经济性的调整，要求承受比值调整系统。3、自动调整系统的过渡过程在自动调整系统中，把被调量不随时间变更的平衡状态称为静态（或稳态），把被调量随时间变更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，调整器与调整阀的输出都短暂不变更，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，于是调整器限制调整阀，变更调整量，使被调量回

11、到给定值，系统复原平衡状态。这样从扰动发生，经过调整，直到系统重新建立平衡的这段过程，称为调整系统的过渡过程，或称为调整过程。一个调整系统在不同形式与幅度的扰动作用下，其调整过程是不一样的。在实际消费过程中可能遇到的扰动形式是多种多样的。为了比拟调整系统工作品质的好坏，分析系统工作品质能否满足消费过程的须要，通常要选定一种比拟典型的或常常出现的扰动形式，作为探讨调整系统工作品质的标准输入信号。在热工过程自动调整系统中，最常用的是单位阶跃函数。在阶跃扰动作用下，过渡过程有四种根本形式：（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，是比拟志向的；（2）非周期过程，即

12、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，即被调参数的变更幅度越来越大，直到超出限值，或受到限幅疼惜装置的限制为止，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、衡量调整过程指标1）稳定性：调整过程的稳定性是对调整系统最根本的要求。只有稳定的系统才能完成正常的调整任务，不稳定的系统在工程上不能承受的。2）快速性：指调整过程持续时间的长短。一般渴望过渡过程时间越短越好，以避开在调整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旁边的状况。3）精确性：指被调量偏向

13、的大小，它包括动态偏向与静态偏向。 对于一个调整系统，必需首先保证其稳定性好，同时兼顾调整的快速性与精确性。第三节 自动调整器根本调整规律自动调整器是构成自动调整系统的核心部分，它主要包括测量单元、调整单元、执行单元。测量单元与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），因此自动调整器的调整规律主要是指调整单元的动态性质，它干脆影响着自动调整系统的调整品质。1、三种根本调整作用1） 比例调整作用比例调整作用是指调整器的输出与输入成比例关系。动态方程为（t）=Kpe（t）。其中：（t）为执行机构位移（即调整器的输出）；e（t）为给定值与被调量的偏向，e（t）=r（t

14、）-c（t）；Kp为比例系数或比例增益。比例调整作用的动作规律是：执行机构的位移量（t）与偏向e（t）的大小成比例，即偏向越大，执行机构输出位移也越大；偏向的变更速度越大，执行机构输出位移的速度也越大。比例调整作用的特点是：动作快，对干扰能刚好与有很强的抑制作用，但由于执行机构的位移与被调量的偏向有一一对应的关系，所以调整的结果是被调量存在着静态偏向。2） 积分调整作用 积分调整作用是指调整机构的位移量的变更速度d/dt与偏向信号e（t）成比例的作用。动态方程式为：（t）= 1/Ti 其中：（t）为执行机构位移（即调整器的输出）；e（t）为给定值与被调量的偏向，e（t）=r（t）-c（t）；T

15、I为积分时间。积分调整作用的动作规律是：只要对象的被调量不等于给定值（即偏向存在），那么执行机构就会不停地动作，而且偏向的数值越大，执行机构的挪动速度就越大，只有当偏向等于零时（即被调量等于给定值，调整器的输入信号为零），调整过程才能完毕，执行机构才停顿动作，调整系统才能平衡。积分调整作用的突出优点是能消退静态偏向，因为只要被调量存在偏向，调整作用变随时间不断加强，直至偏向为零。在被调量偏向消退后，由于积分规律的特点，执行机构将停留在新的与负荷变更相适应的位置上。缺点：由于积分调整作用是随时间而渐渐增加的，与比例调整作用相比过于缓慢，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

16、剧，甚至造成系统不稳定。所以，在实际消费过程中几乎不承受单纯的积分调整作用。3） 微分调整作用微分调整作用是指调整机构的位移量与被调量偏向的变更速度成正比，它的动态方程为：（t）=Td de/dt，其中：（t）为执行机构位移（即调整器的输出）；e（t）为给定值与被调量的偏向，e（t）=r（t）-c（t）；Td为微分时间。微分调整作用的特点是：与比例与积分调整作用相比，它是超前的调整作用，因为在调整过程刚开场时，被调量的偏向小，但其变更速度却较大，可使执行机构产生一个较大的位移，有利于抑制动态偏向。但是，当调整过程完毕，即当偏向的变更速度等于零时，微分调整器的输出也将等于零，即执行机构的位置最终

17、总是回复到原来的数值，这就不能适应负荷的变更，不能满足调整的要求。因此，只有单纯微分调整作用的调整器，在工业上是不能运用的。2、自动调整器典型调整规律1） 比例调整器（P调整器） 承受比例调整器的调整是有差调整。调整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/），调整器的动作幅度越小，调整过程越稳定，但被调量的静态偏向增大。反之，比例增益Kp越大（比例带越小），调整器的动作幅度越大，被调量的静态偏向减小，但调整过程易出现振荡，稳定性降低。2） 比例积分调整器（PI调整器）在比例积分调整器中，当变更比例带的数值时，既变更比例作用，也变更积分作用。而两个作用的比值则不变

18、；变更积分时间Ti的数值，只是变更积分作用的大小，从而变更了调整器中比例作用与积分作用的相对大小。比例积分调整器兼有比例调整作用与积分调整作用的特点。调整系统中承受这种调整器时，由比例作用保证调整过程的稳定性，增大比例带数值，可以减弱振荡倾向，但比例带过大，将减弱调整作用，使调整过程的时间拖长；增大Ti 值使比例作用相对增加，也能减弱振荡倾向，但Ti 值不宜过大，因为Ti 值过大，调整作用的积分成分将过小，调整过程时间将很长。积分调整作用可保证调整结果无差，因此，比例积分调整器在工业上得到广泛的应用。3） 比例微分调整器（PD）比例微分调整器有两个可以整定的参数。变更微分时间Td的数值只变更微

19、分作用的大小，变更比例带的数值将同时变更比例作用与微分作用的大小，而两者的比值不变。如系统处于平衡状态，则微分作用消逝，但比例微分调整器仍具有比例调整器的特点，即调整过程完毕后，被调量存在静态偏向。假设对象存在较大的延迟与惯性，单纯承受比例调整器达不到调整的要求时，就可以引入微分调整器作用。只要微分作用的大小选择适当，不仅可以减小调整过程中被调量的动态偏向，也能减小调整过程的振荡倾向。4） 比例积分微分调整器（PID） 比例调整作用的特点是保证过程的稳定性；积分调整作用的特点是保证调整过程作无差调整；微分调整作用的特点是补偿调整对象的延迟与惯性。3、调整器调整规律对调整品质的影响1） 比例调整

20、器（P）不管是什么对象，承受比例调整器都是有差调整，比例带越大，静态偏向就越大。调整器的比例带增大，意味着在一样的被调量变更下，调整作用较小，因此在受到扰动后，被调量的动态偏向将增大。总之，比例调整器的比例带越大，系统的衰减率越大，过程越稳定；但是，增大比例带，将导致过程的动态偏向与静态偏向的增大。2） 比例积分调整器（PI）比例积分调整器的主要优点是能靠积分作用消退静态偏向，因此，在热工过程自动化中得到了最广泛的应用。与比例调整器的比例作用相像，增加比例带可以增加系统的稳定性，积分作用使系统的稳定性下降，积分时间Ti越短，系统的稳定性下降越多。从进步系统稳定性的角度动身，须要加大比例带与增加

21、积分时间Ti，然而比例带与积分时间过大时，调整器的调整作用减弱。3） 比例积分微分调整器（PID） 微分调整作用有助于抑制拖延所造成的被调量的过大变更。比例积分微分调整器既能实现无差调整，又能改善调整过程的动态品质，在工业上得到了较广泛的应用。4、困难调整系统1） 串级调整系统串级调整系统的调整品质较好，在热工自动限制中得到了广泛的应用。对于时间常数较大，阶次较高与有较大拖延的调整对象，在某些场合下即使承受PID调整规律照旧不能得到满足的调整品质，这时可承受串级调整系统。系统中除了主被调量外，还有一个扶植被调量，扶植被调量对调整作用的响应应比拟快速。例如锅炉过热汽温调整系统，当减温水量变更后，

22、过热汽温的变更较慢，减温器出口汽温变更较快，这时就可把减温器出口汽温作为过热汽温调整系统中的扶植被调量，形成一个调整回路，构成串级调整系统。 1 2 R（S） 调整器 调整器 调整对象 调整对象 C（S） - - 调整对象简图：串级调整系统方框图与单回路调整系统的区分在于有两个调整器，有两个闭合回路。由调整器与调整对象构成的回路称为副回路（或内回路），调整器称为副调整器，调整对象的输出信号称为扶植被调量。由调整器、副回路与调整对象所构成的回路称为主回路（或外回路），调整器称为主调整器，调整对象的输出信号称为主被调量，调整对象与调整对象统称是系统的调整对象。特点：（1）对副回路所受到的扰动具有很

23、强的抑制实力；（2）副回路起改善调整对象动态特性的作用，从而进步整个系统的调整品质。2） 承受中间被调量微分信号的调整系统对于时间常数大，阶次高与拖延大的调整对象，为了改善调整品质，除了承受串级调整外，还可以承受引入中间被调量微分信号的调整系统。例如过热汽温调整系统，其中间被调量就是减温器后的汽温，汽温调整器除承受过热器出口温度信号外，还同时承受减温器后汽温的微分信号。 R（S） 调整器 调整对象 调整对象 C（S） 微分器简图：承受中间被调量微分信号的调整系统方框图特点是调整器除了承受调整对象的主被调量信号外，还承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

24、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，调整器维持主被调量为规定值。3） 前馈反响调整系统按被调量偏向进展调整的负反响系统，当系统受到扰动时，调整器要等到被调量出现偏向后才开场调整，因此调整作用总是落后于扰动作用的。被调量产生偏向的缘由是扰动，假设调整系统能干脆按扰动进展调整，就有可能刚好消退被调量的偏向，这种按扰动进展的调整称为前馈调整。前馈调整是开环调整，不构成闭合回路。一般承受前馈调整器实现部分补偿，以改善调整品质，同时承受反响调整，以确保被调量在稳态时能复原到给定值。一般，系统中存在着常常变动、可测而不行控的扰动时，反响调整难以抑制扰动对被调量的显著影响，这时为了改善调整品质，可以引入前馈调整。例如锅炉汽包水位调整系统，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行控的扰动信号。第 15 页