基本过程控制系统火力发电厂热工过程控制
电厂热工过程控制基础
电厂热工过程控制基础1.1电厂热工过程控制概述LLl电厂热工过程控制的发展阶段随着计算机技术的迅速发展，电厂热工过程控制又经历了以下几个计算机控制过程：1）集中型计算机控制：用一台计算机对整个生产过程进行整体控制，因此对计算机的可靠性要求很高，一旦计算机出现事故，将使整个生产受到影响。
2 ）分散型计算机控制：随着微机的大批生产，成本的不断降低，逐渐把集中控制改为用微机进行局部控制，克服了集中控制的一些缺点，但此时各系统之间很难协调起来。
3 ）计算机分散控制：它把各系统之间、厂级管理、调度等用一台功能很强的计算机进行上位管理；而把各子系统用微机控制，充分发挥了集中控制和分散控制各自的优点, 是一种比较合理的控制方法。
生产过程自动化技术发展的里程碑是计算机的应用，特别是以微处理器为核心的新型装置一分散控制系统（DCS ）的成功应用。
分散控制系统就是以大型工业生产过程及其相互关系日益复杂的控制对象为前提，从生产过程综合自动化的角度出发，按照系统工程中分解与协调的原则研制开发出来的，以微处理机为核心，结合了控制技术、通信技术和显示技术的新型控制系统。
1.1.2电厂热工过程控制的主要内容根据应用层次和范围的不同，我们将现代电站自动化所涵盖的主要内容大致分为7类。
1.数据采集与管理包括对热力过程中温度、压力、流量、液位、成分等热工参数的测量；测量数据在不同系统之间的高速传输；生产过程实时/历史数据的高效存储；历史数据的快速检索；统计数据的报表打印；报警数据的采集、存储、分析与处理等。
具有数据采集与管理功能的典型的系统主要有数据采集系统、DCS数据库、SlS数据库、MIS数据库等。
2.闭环控制以模拟量控制系统为主，主要对机组的一系列参数进行控制，如中间点温度、主蒸汽温度、再热蒸汽温度、主汽压力、炉膛负压和发电机功率等。
重要的控制回路包括：协调控制系统、给水控制系统、汽温控制系统、燃烧控制系统等。
3.顺序控制顺序控制一般可分为时间定序式和过程定序式两类。
火力发电厂热工过程控制系统
• 记交点a、b和c
• 起点到a的距离为τ；
Y
b
• a点到c点的距离为T；
Y∞
• K = y Δμ0
τ
T
t
c
基本过程控制系统
（2）确定
G(s)
=
Ke-τs Ts + 1
参数的两点法
• 将响应曲线标幺
y* t = y(t)
y()
0
t<τ
y*
t
=
1
-
exp
-
t-τ T
tτ
Y
Y∞
• 取y*(t1)=0.39，取y*(t2)=0.63，记t1和t2
t
T = 2(t2 - t1 )
Y*
τ = 2t1 - t2
0.39 0.63
1
• 取 t3 = 0.8T + τ 验证y * (t3 ) = 0.55
t4 = 2T + τ
y * (t4 ) = 0.87
t1 t2
t
基本过程控制系统
（3）确定
G(s)
=
(T1s
Ke-τs + 1)(T2s
， + 1)
响应速度ε = Κ Τ
（2）典型非自衡对象传递函数表达式
G(s) = 1 e-τs Ts
响应速度ε = 1 T
τ
T
τ
T
K
基本过程控制系统
§1-3 过程数学模型及其建立方法
一、过程数学模型的表达形式与对模型的要求 二、建立数学模型的两个基本方法
机理建模法 测试建模法
三、阶跃响应确定传递函数
1 阶跃响应获取应注意的问题 2 确定自衡对象传递函数 3 确定非自衡对象传递函数
火电厂自动控制系统
火电厂自动控制系统火电厂控制系统总体分为两部分：第一部分是主控部分，第二部分是副控部分。
下面就这两部分具体内容做个介绍。
一、火电厂主控系统火电厂主控系统是保证火电厂安全、稳定生产的关键，随着控制技术、网络技术、计算机技术和Web技术的飞跃发展，火电厂主控系统的控制水平和工程方案也在不断进步，火电厂的管理信息系统和主控系统的一体化无缝连接必将成为未来火电厂管控系统的发展趋势，传统火电厂的DCS系统也必将向这一趋势靠拢。
火电厂主控系统以控制方式分类可分为：DAS、MCS、SCS、BMS及DEH等系统。
下面分别加以阐述：1.数据采集系统-DAS：火电厂的主控系统中的DAS(数据采集系统)主要是连续采集和处理机组工艺模拟量信号和设备状态的开关量信号，并实时监视,保证机组安全可靠地运行。
■ 数据采集：对现场的模拟量、开关量的实时数据采集、扫描、处理。
■ 信息显示：包括工艺系统的模拟图和设备状态显示、实时数据显示、棒图显示、历史趋势显示、报警显示等。
■ 事件记录和报表制作/ 打印：包括SOE 顺序事件记录、工艺数据信息记录、设备运行记录、报警记录与查询等。
■ 历史数据存储和检索■ 设备故障诊断2.模拟量调节系统-MCS系统：■ 机、炉协调控制系统(CCS)● 送风控制，引风控制● 主汽温度控制● 给水控制● 主蒸汽母管压力控制● 除氧器水位控制，除氧器压力控制● 磨煤机入口负压自动调节，磨煤机出口温度自动调节■ 高加水位控制，低加水位控制■ 轴封压力控制■ 凝汽器水位控制■ 消防水泵出口母管压力控制■ 快减压力调节，快减温度调节■ 汽包水位自动调节3.炉膛安全保护监控系统-BMS系统：BMS（炉膛安全保护监控系统）保证锅炉燃烧系统中各设备按规定的操作顺序和条件安全起停、切投，并能在危急情况下迅速切断进入锅炉炉膛的全部燃料，保证锅炉安全。
包括BCS（燃烧器控制系统）和FSSS（炉膛安全系统）。
■ 锅炉点火前和MFT 后的炉膛吹扫■ 油系统和油层的启停控制■ 制粉系统和煤层的启停控制■ 炉膛火焰监测■ 辅机（一次风机、密封风机、冷却风机、循环泵等）启、停和联锁保护■ 主燃料跳闸（MFT）■ 油燃料跳闸（OFT）■ 机组快速甩负荷（FCB）■ 辅机故障减负荷（RB）■ 机组运行监视和自动报警4.顺序控制系统—SCS：■ 制粉系统顺控■ 锅炉二次风门顺控■ 锅炉定排顺控■ 射水泵顺控■ 给水程控■ 励磁开关■ 整流装置开关■ 发电机灭磁开关■ 发电机感应调压器■ 备用励磁机手动调节励磁■ 发电机组断路器同期回路■ 其他设备起停顺控5.电液调节系统—DEH：该系统完成对汽机的转速调节、功率调节和机炉协调控制。
热工过程自动控制 CH05-3 大型单元机组的生产过程及其自动控制
第五章 火力发电厂大型单元机组自动控制系统
2.给水控制系统
控制锅炉汽包水位 水位过高，会使蒸汽带水，造成过热器管内结垢， 影响传热效率，严重时会引起过热管爆破，或 者汽轮机进水。 水位过低，破坏锅炉的水循环，造成水冷壁管烧 坏而引起爆管。
汽包水位是锅炉给水量和蒸发量是否平衡的标志。
20
第五章 火力发电厂大型单元机组自动控制系统
12
第五章 火力发电厂大型单元机组自动控制系统
PT MB 负荷指令 处理部分 P0 P0 机炉主控 制器 MT
外部负荷 要求指令
主控系统
被控对象 锅炉调节系统 汽轮机调节系统 PT 锅炉-汽 轮机单元 机组 PE
PE
当负荷变化时：
单元机组主要有锅炉和汽轮机
汽轮机从蒸汽进入到发电机产生电能是一个快速过程。
Pump
1kg h01’
Open FWH Ⅰ
α 1kg h01
h2
Electricity
Pump
Condenser h02’ α 2kg h02
(1 1 2 ) kg
Pump
(1-α 1)kg
Open FWH Ⅱ
qout
h2’
22
第五章 火力发电厂大型单元机组自动控制系统
3. 汽温控制系统
3
第五章 火力发电厂大型单元机组自动控制系统
5.1.2 单元机组的自动控制系统组 成
4
第五章 火力发电厂大型单元机组自动控制系统
一、协调控制的基本概念
从大系统理论出发，协调控制是一种解决大系 统控制问题的基本策略。 所谓大系统可理解为由若干相互关联子系统组 成的复杂系统。应用大系统理论处理这类庞大而复 杂系统控制问题的基本方法就是分解——协调的方 法。所谓分解就是把大系统化为若干子系统，以便 进行分块的处理与控制，求得各子系统的局部最优 解；而协调则是从系统的全局出发，合理地调整各 子系统之间的关系，求得各子系统之间的和谐与统 一，进而得到整个大系统的最优解。
热工过程控制系统资料
热工过程控制系统第一章 过程控制系统概述1.1过程控制定义及认识 1.2过程控制目的 *1.3过程控制系统的组成 1.4过程控制系统的特点 *1.5过程控制系统的分类 *1.6过程控制性能指标 1.7 过程控制仪表的发展 1.8 过程控制的地位 1.9 过程控制的任务 1.1过程控制定义及认识 过程控制定义所谓过程控制（Process Control ）是指根据工业生产过程的特点，采用测量仪表、执行机构和计算机等自动化工具，应用控制理论，设计工业生产过程控制系统，实现工业生产过程自动化。
1.3 过程控制系统组成 被控过程（Process ），指运行中的多种多样的工艺生产设备；过程检测控制仪表（Instrumentation ），包括：测量变送元件（Measurement ）；控制器（Controller ）；执行机构（Control Element ）;显示记录仪表1.5 过程控制系统的分类按系统的结构特点来分:：反馈控制系统，前馈控制系统，复合控制系统（前馈-反馈控制系统）按给定值信号的特点来分： 定值控制系统，随动控制系统，程序控制系统 性能指标：对自动控制系统性能指标的要求主要是稳、快、准。
最大超调量σ%反映系统的相对稳定性,稳态误差ess 反映系统的准确性，调整时间ts 反映系统的快速性。
第三章 过程执行器 主要内容执行器 电动执行器 气动执行器 调节阀及其流量特性 变频器原理及应用 本节内容在本课程中的地位执行器用于控制流入或流出被控过程的物 料或能量，从而实现 对过程参数的自动控制。
3.1 调节阀（调节机构）结构要求观察思考调节变换显示记录调节给定值执行机构检测仪表记录仪显示器调节器控制器测量变送被控过程执行器r(t)e(t)u(t)q(t)f(t)y(t)z(t)-控制器 测量变送 被控过程 执行器 r ( t ) e ( t ) u ( t ) q ( t ) f ( t )y ( t )z ( t ) -调节阀是一个局部阻力可以改变的节流元件。
火力发电厂热工仪表及控制
火力发电厂热工仪表及控制装置技术监督规定（国电安运 [1998] 483 号）关于颁发《火力发电厂热工仪表及控制装置技术监督规定》的通知国电安运 [1998] 483 号各电力集团公司，各省（市、区）电力公司，华能国际电力开发公司，电规总院：为了加强热工技术监督工作，适应电力工业发展的需要，原电力部、国家电力公司组织有关人员对原《火力发电厂热工仪表及控制装置监督条例》进行了全面修改补充，更名为《火力发电厂热工仪表及控制装置技术监督规定》，现颁布执行。
本规定由中国电力出版社负责出版、发行。
国家电力公司（章）一九九八年九月三十日目次1 总则2 监督范围3 监督机构及职责分工4 设计施工监督5 调试及试生产期监督6 运行监督7 检修监督8 量值传递9 技术管理10 附则附录A 发电厂主要热工仪表及控制装置附录B 热工仪表及控制装置“三率”统计办法附录C 试生产期及大修后热工仪表及控制装置考核指标附录D 热工仪表及控制装置评级标准附录E 热工仪表及控制装置合格率、投入率统计报表附录F 引用标准附录G 条文说明1 总则1.1 为加强热工技术监督工作，保障和促进火电厂的安全经济运行和提高劳动生产率，特制定本规定。
1.2 对发电设备及系统的热工参数进行检测的仪表为热工仪表；对热力设备及其系统的工艺过程进行调节、控制、保护与联锁的装置为热工控制装置。
本规定对热工仪表及热工控制装置的统称为热工仪表及控制装置，简称为热控装置。
1.3 热工仪表及控制装置技术监督的任务是：通过对热工仪表及控制装置进行正确的系统设计、设备选型、安装调试以及周期性的日常检定、校验、维修和技术改进等工作，使之经常处于完好、准确、可靠的状态，以满足生产的要求。
1.4 本规定是热工仪表及控制装置技术监督工作的依据，各有关设计、安装、运行单位可根据本规定制定实施细则，使热工管理全过程的有关环节均满足本规定的要求。
2 监督范围2.1 热工仪表及控制装置技术监督的范围2.1.1 热工参数检测、显示、记录系统2.1.2 自动控制系统2.1.3 保护联锁及工艺信号系统2.1.4 顺序控制系统2.1.5 计量标准器具和装置2.2 热工仪表及控制装置的内容2.2.1 检测元件（温度、压力、流量、转速、振动、物位、火焰等物理量及其他的一次传感器）2.2.2 脉冲管路（一次阀门后的管路及阀门等）2.2.3 二次线路（补偿导线、补偿盒、热工仪表及控制装置的电缆、电缆槽架、支架、二次接线盒及端子排等）2.2.4 二次仪表及控制设备（指示、记录、累计仪表、数据采集装置、调节器、操作器、调节执行器、运算单元及辅助单元等）2.2.5 保护联锁及工艺信号设备（保护或联锁设备、信号灯及音响装置等）2.2.6 顺序控制装置（顺序装置器、顺序控制用电磁阀、气动装置及开关信号装置等）2.2.7 过程控制计算机系统2.2.8 计量标准器具及装置3 监督机构及职责分工3.1 国家电力公司系统的各有关部门应按本规定要求切实贯彻和加强对热工技术监督工作的领导，建立总工程师负责的技术监督体系，落实技术监督责任制，及时解决技术监督管理工作中的重要问题，为开展工作创造必要的条件。
第7章 火电厂热工控制
• 过热蒸汽的温度下降 • 损坏蒸汽透平热轮片 • 过热器管壁结垢，传热效率下降
– 水位低：在用户负荷大时，会全部汽化，造成：
• 设备损坏 • 在急冷时，引发锅炉的爆炸
1、锅炉汽包水位的动态特性
Go (s)
H (s) W (s)
Ko s
es
• 给水流量W对汽包水位H的动态特性：
– 初始段，进入的冷水吸收水位以下饱和汽水中的热量，减 少了饱和汽水中的气泡容积，补充气泡的空间，水位上升 缓慢。
二、锅炉汽包水位的控制
★ 扰动分析 1.单冲量水位控制系统 2.双冲量水位控制系统
★ 前馈控制器控制规律的确定 ★ 双冲量控制系统的变型 3.三冲量水位控制系统 ★ 三冲量水位控制系统 ★ 三冲量水位控制系统的简化方案
三、应用示例
设置水位自动控制的必要性
• 水位稳定是安全运行的必要条件
– 水位高：汽包内水汽分离差，蒸汽带水，造成：
Gff(s) Gc2(s)
D
Δw Kv
Gd(s) H
Gp(s)
W
特点：具有单冲量和双冲量控制的优点，比值参数的
误差可通过主调节器校正。
r+
Gc1(s)
-
Gff(s)
Δw
GcK2(vs)
D
Gd(s) H
Gp(s)
H DW
H0 Δ PI
控制系统原理图
DL／T517200火力发电厂热工控制系统设计技术规定DL／T517200精选文档
ICS 27．100P61 备案号；J224－2019中华人民共和国电力行业标准DL/T5175 －2019火力发电厂热工控制系统设计技术规定Technical rule for designing thermodynamic controlsystem of fossil fuel power plant 2019－01-09 发布2019－06－01 实施中华人民共和国国家经济贸易委员会发布目次、八―丄前言 --------------------------------------------------------- 11 范围 -------------------------------------------------------------- 22 规范性引用文件 -------------------------------------------------- 33 总则； ----------------------------------------------------------- 44 一般规定--------------------------------------------------------- 55 模拟量控制------------------------------------------------------- 85．1 模拟量控制功能 (8)5．2模拟量控制项目 (10)6 开关量控制------------------------------------------------------- 146．2 顺序控制 (14)6．3 连锁 (15)6．4 远方控制 (17)7 设备选择 ----------------------------------------------------------- 197．1 一般规定 (19)7．2 常规设备选择 (19)附录A ---------------------------------------------------------------- 21 （规范性附录） (21)本标准用词说明 (21)1 范围 -------------------------------------------------------------- 243 总则- ---------------------------------------------------------------- 25 4．一般规定--------------------------------------------------------- 265 模拟量控制------------------------------------------------------- 285．1 模拟量控制功能 (28)5．2 模拟量控制项目 (30)5．3 模拟量远方操作 (31)6 开关量控制------------------------------------------------------- 326．1 开关量控制功能 (32)6．2 顺序控制 (32)6．3 连锁 (33)6．4 远方控制 (33)7 设备选择 ---------------------------------------------------------- 357．1 一般规定 (35)7．2 常规设备选择 (35)本规定是DL 5000-2000 《火力发电厂设计技术规程》热工自动化部分的补充和具体化，在热工控制系统设计时应执行《火力发电厂设计技术规程》以及现行的有关国家标准和行业标准，并满足本规定的要求。
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t1/t2 0.684 0.699 0.712 0.724 0.734 0.748 0.751
Y
Y∞
t
Y*´ Y*
1
t
若t1/t2>0.46 ，则为高阶对象 见表1-1（p.28)
τ
t1
t2
基本过程控制系统
G(s)=
1
Ts +1
n
t1 + t 2 nT 2.16
高阶对象中n与比值t1/t2的关系 n t1/t2 n 1 0.317 8 2 0.46 9 3 0.534 10 4 0.584 11 5 0.618 12 6 0.640 13 14 7 0.666
调节时间ts :
反映了快速型
振荡频率ω：反映了快速型 一般 对定值系统衰减率要求为75% 对随动系统衰减率要求为90%
基本过程控制系统 二、综合指标（时间——积分指标） 各种积分指标： (1) IE（误差积分）=
0
e(t )dt
优点：简单，也称为线性积分准则
局限：不能抑制响应等幅波动
(2) IAE（绝对误差积分）= 特点：抑制响应等幅波动 (3) ISE（平方误差积分）=
基本过程控制系统
Ke-τs （3）确定 G(s) = (T s +1)(T s +1) ， T1 T2 参数的两点方法 1 2
• 将响应曲线标幺并去掉纯迟延的到y*(t)
• 取y*(t1)=0.4，取y*(t2)=0.8，记t1和t2 若0.32<t1/t2≤0.46 ，则为二阶对象
1 T1 + T2 (t 1 + t 2 ) 2.16 T1T2 t1 1.74 - 0.55 (T1 + T2 ) t2
自衡过程
非自衡过程
基本过程控制系统 二、工业过程动态特性的特点 （1）无振荡； （2）稳定或中性稳定； （3）有惯性或迟延； （4）非线性特征，大部分生产过程可在工作点附近线性化
基本过程控制系统
归纳：
（1）典型自衡对象传递函数表达式
K G(s) = e-τs Ts + 1
τ T
K
自衡率ρ =
1 K
Y
Y∞
• 取y*(t1)=0.39，取y*(t2)=0.63，记t1和t2
T = 2(t 2 - t1 ) τ = 2t1 - t 2
0.39
t
Y*
0.63
1
t
• 取 t 3 = 0.8T + τ 验证 y * (t 3 ) = 0.55
t 4 = 2T + τ y * (t 4 ) = 0.87
t1 t2
基本过程控制系统
1 阶跃响应获取应注意的问题
（1）合理选择阶跃扰动的幅度
(一般约为额定负荷的10%～20%)
（2）实际阀门只能以有限速度移动 一般认为阶跃信号是在t1 /2时加入 （3）试验前确保被控对象处于稳定工况 考虑过程的非线性特性，应进行多次测试。 （4）若过程不允许同一方向扰动加入，则采用矩形脉冲扰动 可从脉冲响应曲线求出所需的阶跃响应。
0
e(t ) dt
0
e2 (t )dt
优点：抑制响应等幅波动和大误差
局限：不能反映微小误差对系统的影响
(4) ITAE（时间与绝对误差乘积积分） = 优点：着重惩罚过度时间过长
0
e(t ) tdt
基本过程控制系统
被控对象的动态特性
一、基本概念 被控对象的动态特性是指被控对象的输入发生变化时， 其输出（被调量）随时间变化的特性 。 对于线性系统，其动态特性可用传递函数来描述。
基本过程控制系统
2 确定自衡对象传递函数
Ke-τs (1)一阶惯性环节 G(s) = Ts +1
K
Hale Waihona Puke 典型自衡过程：τT
Ke-τs Ke-τs 或G(s) = (2)二阶或n阶惯性环节 G(s) = (T1s +1)(T2s +1) (Ts +1)n
(3)用有理分式表示的传递函数
bmsm + + b1s + b0 -τs G(s) e n ans + + a1s + a0
响应速度ε =
Κ Τ
（2）典型非自衡对象传递函数表达式
G(s) = 1 -τs e Ts
响应速度ε =
1 T
τ
T
基本过程控制系统
§1-3
过程数学模型及其建立方法
一、过程数学模型的表达形式与对模型的要求
二、建立数学模型的两个基本方法
机理建模法 测试建模法
三、阶跃响应确定传递函数
1 阶跃响应获取应注意的问题 2 确定自衡对象传递函数 3 确定非自衡对象传递函数
过程控制的研究内容： （1）设计控制系统的控制目标（即设计指标参数）；
（2）认识生产过程的动态特性（一般为广义对象的动态性）；
（3）设计控制器的控制规律及控制结构，使控制系统达到控制 系统的控制指标要求。
基本过程控制系统
第一章
§1-1
生产过程动态特性
过程控制系统的性能指标
§1-2
§1-3
被控对象的动态特性
对被控对象的验前知识的掌握 对建立数学模型准确性的要求
(n > m）
选择哪种传递函数的形式，可依据以下两点：
基本过程控制系统
Ke-τs （1）确定 G(s) = 参数 K Ts + 1
• t1/2处为扰动起点； • 在s型响应曲线找拐点，并作切线； • 记交点a、b和c • 起点到a的距离为τ； • a点到c点的距离为T；
基本过程控制系统
火力发电厂热工过程控制
基本过程控制系统
汽包炉汽水生产过程
饱和蒸汽 测量 变送器 控制器 水位H 过热蒸汽
广义被控对象 （广义过程）
被 调 量 控制器 执行器 调节阀 对象
定值+
（PID)
执行器
测量变送器
给水 流量
被调量
控制器 广义被控对象
给定值
基本过程控制系统
被调量 给定值
控制器 广义被控对象
K= y Δμ 0
T
τ 的作图法
Y
b
Y∞
τ
T
t
c
基本过程控制系统
Ke-τs （2）确定 G(s) = 参数的两点法 Ts + 1 y(t) * y t = • 将响应曲线标幺 y( )
0 y* t = t-τ 1- exp - T t<τ tτ
过程数学模型及其建立方法
基本过程控制系统 一、单项性能指标 单项性能指标 衰减率: ψ=
给定值 : σ= 超调量
y1 - y3 y1 控制器 y1 100% y
被调量
广义被控对象
稳态误差: ess=y∞-r 调节时间: ts(进入稳态值5%范围内）
振荡频率：ω
r
y1
ess y3 y∞ ts
基本过程控制系统 单项性能指标 衰减率ψ : 反映了系统稳定性 超调量σ : 反映了动态准确性 稳态误差ess: 反映了静态准确性