电厂热工过程自动化基本知识资料

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。

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。

简图：前馈调节系统方框图

扰动λ（t）是引起被调量C（t）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λ（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。

C（t）

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μ（t）=Kpe（t）。其中：μ（t）为执行机构位移（即调节器的输出）；e（t）为给定值与被调量的偏差，e（t）=r （t）-c（t）；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μ（t）与偏差e（t）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e（t）成比例的作用。动态方程式为：μ（t）= 1/T i t edt

其中：μ（t）为执行机构位移（即调节器的输出）；e（t）为给定值与被调量的偏差，e （t）=r（t）-c（t）；T I为积分时间。

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：μ（t）=T d de/dt，其中：μ（t）为执行机构位移（即调节器的输出）；e（t）为给定值与被调量的偏差，e（t）=r（t）-c（t）；T d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K p越小（比例带越大，K p=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K p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T i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T i值使比例作用相对增强，也能削弱振荡倾向，但T i值不宜过大，因为T i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T d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，积分作用使系统的稳定性下降，积分时间T i越短，系统的稳定性下降越多。

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。

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。

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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著影响，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。