1、xxx 工业大学本科毕业设计说明书 1 引 言 单元机组协调控制系统是大型火力 发电机组的主要控制系统之一，是实现整个电网调度自动化的基础条件。 由于协调控制系统是一个典型的多输入多输出系统，为了消除耦合 作 用对整个系统控制效果的影响，根据多变量过程控制系统解耦 理论，首先要对控制系统进行解耦 。 因此采用解耦 理论对单元机组协调控制系统进行分析和设计是一个很重要的方向。 【 3】 由于高参数，大容量机组 的 迅速 发展，装机容量 也 日益增多，因此对机组的自动化需求也日益提高。与其他工业生产过程相比，电力生产过程更加要求保持生产的连续性，高度的安全性和经济性。单元机组 协调控制系统已成为大
2、型单元机组普遍采用的一种控制系统，该系统把自动调节、逻辑控制、安全 保护、监督管理融为一体，具有功能完善、技术先进、可靠性高等特点 。 在工程应用中，单元机组协调控制系统是在常规机炉局部控制系统基础上发展起来的新型控制系统。 单元机组在处理负荷要求并同时维持机 组主要运行参数的稳定这两个问题时，是将机炉作为一个整体来看待的 ， 必须要 考虑协调控制，共同响应外界负荷 的 需求。它是一个复杂的多变量强耦合控制对象，存在着大滞后、多扰动、时变等特性。目前新投产项目中国产机组所占比例越来越高，研究国产燃煤单元机组 的生产特性， 对于 实现机组的协调控制， 以及 机组的安全、稳定、经济运行 意义重大
3、。 xxx 工业大学本科毕业设计说明书 2 第 一 章 火电厂 燃煤机组简介 1.1 火电厂锅炉 【 10】 锅炉是利用燃料或其他能源的热能，把水加热成为热水或蒸汽的机械设备。锅炉包括锅和炉两大部分，锅的原义是指在火上加热的盛水容器，炉是指燃烧燃料的场所。 锅炉中产生的热水或蒸汽可直接为生产和生活提供所需要的热能，也可通过蒸汽动力装置转换为机械能，或再通过发电机将机械能转换为电能。提供热水的锅炉称为热水锅炉，主要用于生活，工业生产中也有少量应用。产生蒸汽 的锅炉称为蒸汽锅炉，又叫蒸汽发生器，常简称为锅炉，是蒸汽动力装置的重要组成部分，多用于火电站、船舶、机车和工矿企业。 1.1.1 锅炉概述
4、18世纪上半叶，英国煤矿使用 的 蒸汽机， 最早的蒸汽锅炉是一个盛水的大直径圆筒形立式锅壳，后来改用卧式锅壳，在锅壳下方砖砌炉体中烧火。随着锅炉越做越大，为了增加受热面积，在锅壳中加装火筒，在火筒前端烧火，烟气从火筒后面出来，通过砖砌的烟道排向烟囱并对锅壳的外部加热，称为火筒锅炉。 1830年左右，在掌握了优质钢管的生产和胀管技术之后出现了火管锅炉。 19世纪中叶，出现了水管锅 炉 ， 这种锅炉中的圆筒形锅壳遂改名为锅筒，或称为汽包。初期的水管锅炉只用直水管，直水管锅炉的压力和容量都受到限制。 二十世纪初期，汽轮机开始发展，它要求配以容量和蒸汽参数较高的锅炉。直水管锅炉已不能满足要求。随着制造
5、工艺和水处理技术的发展，出现了弯水管式锅炉。开始是采用多锅筒式。随着水冷壁、过热器和省煤器的应用，以及锅筒内部汽、水分离元件的改进，锅筒数目逐渐减少，既节约了金属，又有利于提高锅炉的压力、温度、容量和效率。 以前的火筒锅炉、火管锅炉和水管锅炉都属于自然循环锅炉，水汽在上升、下降管路中因受热情况不同 ，造成密度差而产生自然流动。在发展自然循环锅炉的同时，从 30年代开始应用直流锅炉， 40年代开始应用辅助循环锅炉。辅助循环锅炉又称强制循环锅炉，它是在自然循环锅炉的基础上发展起来的。在下降管系统内加装循环泵，以加强蒸发受热面的水循环。直流锅炉中没有锅筒，给水由给水泵送入省煤器，经水冷壁和过热器等蒸
6、发受热面，变成过热蒸汽送往汽轮机，各部分流动阻力全由给水泵来克服。 第二次世界大战以后，这两种型式的锅炉得到较快发展，因为当时发电机组要求xxx 工业大学本科毕业设计说明书 3 高温高压和大容量。发展这两种锅炉的目的是缩小或不用锅筒，可以采用小直径管子作受 热面，可以比较自由地布置受热面。随着自动控制和水处理技术的进步，它们渐趋成熟。在超临界压力时，直流锅炉是唯一可以采用的一种锅炉， 70年代最大的单台容量是 27兆帕压力配 1300兆瓦发电机组。后来又发展了由辅助循环锅炉和直流锅炉复合而成的复合循环锅炉。 在锅炉的发展过程中，燃料种类对炉膛和燃烧设备有很大的影响。因此，不但要求发展各种炉型来
7、适应不同燃料的燃烧特点，而且还要提高燃烧效率以节约能源。此外，炉膛和燃烧设备的技术改进还要求尽量减少锅炉排烟中的污染物 (硫氧化物和氮氧化物 )。 早年的锅壳锅炉采用固定炉排，多燃 用优质煤和木柴，加煤和除渣均用手工操作。直水管锅炉出现后开始采用机械化炉排，其中链条炉排得到了广泛的应用。炉排下送风从不分段的 “统仓风 ”发展成分段送风。早期炉膛低矮，燃烧效率低。后来人们认识到炉膛容积和结构在燃烧中的作用，将炉膛造高，并采用炉拱和二次风，从而提高了燃烧效率。 发电机组功率超过 6兆瓦时，以上这些层燃炉的炉排尺寸太大，结构复杂，不易布置，所以 20年代开始使用室燃炉，室燃炉燃烧煤粉和油。煤由磨煤机
8、磨成煤粉后用燃烧器喷入炉膛燃烧，发电机组的容量遂不再受燃烧设备的限制。自第二次世界大战初起，电站锅炉几 乎全部采用室燃炉。 早年制造的煤粉炉采用了 U形火焰。燃烧器喷出的煤粉气流在炉膛中先下降，再转弯上升。后来又出现了前墙布置的旋流式燃烧器，火焰在炉膛中形成 L形火炬。随着锅炉容量增大，旋流式燃烧器的数目也开始增加，可以布置在两侧墙，也可以布置在前后墙。 1930年左右出现了布置在炉膛四角且大多成切圆燃烧方式的直流燃烧器。 第二次世界大战后，石油价廉，许多国家开始广泛采用燃油锅炉。燃油锅炉的自动化程度容易提高。 70年代石油提价后，许多国家又重新转向利用煤炭资源。这时电站锅炉的容量也越来越大，
9、要求燃烧设备不仅能燃烧完 全，着火稳定，运行可靠，低负荷性能好，还必须减少排烟中的污染物质。 在燃煤 (特别是燃褐煤 )的电站锅炉中采用分级燃烧或低温燃烧技术，即延迟煤粉与空气的混合或在空气中掺烟气以减慢燃烧，或把燃烧器分散开来抑制炉温，不但可抑制氮氧化物生成，还能减少结渣。沸腾燃烧方式属于一种低温燃烧，除可燃用灰分十分高的固体燃料外，还可在沸腾床中掺入石灰石用以脱硫。 1.1.2 锅炉的工作 原理 xxx 工业大学本科毕业设计说明书 4 锅炉把从外部送进来的给水在加热器中加热到一定温度后，经给水管道进入省煤器，进一步加热以后送入锅筒，与锅水混合后沿下降管下行至水冷壁进口集箱。 水在水冷壁管内
10、吸收炉膛辐射热形成汽水混合物经上升管到达锅筒中，由汽水分离装置使水、汽分离。分离出来的饱和蒸汽由锅筒上部流往过热器，继续吸热成为 450 的过热蒸汽，然后送往汽轮机。 在燃烧和烟风系统方面，送风机将空气送入空气预热器加热到一定温度。 煤粉 在磨煤机中被磨成一定细度的煤粉，由来自空气预热器的一部分热空气携带经燃烧器喷入炉膛。燃烧器喷出的煤粉与空气混合物在炉膛中与其余的热空气混合燃烧，放出大量热量。燃烧后的热烟气顺序流经炉膛、凝渣管束、过热器、省煤器和空气预热器后，再经过除尘装置，除去其中的飞灰，最后由 引风机送往烟囱排向大气。 1.1.3 锅炉的结构 锅炉整体的结构包括锅炉本体和辅助设备两大部分
11、。锅炉中的炉膛、锅筒、燃烧器、水冷壁过热器、省煤器、空气预热器、构架和炉墙等主要部件构成生产蒸汽的核心部分，称为锅炉本体。锅炉本体中两个最主要的部件是炉膛和锅筒。 炉膛又称燃烧室，是供燃料燃烧的空间。将固体燃料放在炉排上，进行火床燃烧的炉膛称为层燃炉，又称火床炉；将液体、气体或磨成粉状的固体燃料，喷入火室燃烧的炉膛称为室燃炉，又称火室炉；空气将煤粒托起使其呈沸腾状态燃烧，并适于燃烧劣质燃料的炉膛称为沸腾炉，又称流 化床炉；利用空气流使煤粒高速旋转，并强烈火烧的圆筒形炉膛称为旋风炉。 炉膛的横截面一般为正方形或矩形。燃料在炉膛内燃烧形成火焰和高温烟气，所以炉膛四周的炉墙由耐高温材料和保温材料构成
12、。在炉墙的内表面上常敷设水冷壁管，它既保护炉墙不致烧坏，又吸收火焰和高温烟气的大量辐射热。 锅筒是自然循环和多次强制循环锅炉中，接受省煤器来的给水、联接循环回路，并向过热器输送饱和蒸汽的圆筒形容器。锅筒简体由优质厚钢板制成，是锅炉中最重的部件之一。 锅筒的主要功能是储水，进行汽水分离，在运行中排除锅水中的盐水和泥渣，避免含有高浓 度盐分和杂质的锅水随蒸汽进入过热器和汽轮机中。 锅筒内部装置包括汽水分离和蒸汽清洗装置、给水分配管、排污和加药设备等。其中汽水分离装置的作用是将从水冷壁来的饱和蒸汽与水分离开，并尽量减少蒸汽中携带的细小水滴。中、低压锅炉常用挡板和缝隙挡板作为粗分离元件；中压以上的锅炉
13、除广泛采用多种型式的旋风分离器进行粗分离外，还用百页窗、钢丝网或均汽板等xxx 工业大学本科毕业设计说明书 5 进行进一步分离。锅筒上还装有水位表、安全阀等监测和保护设施。 锅炉未来的发展将进一步提高锅炉和电站热效率，降低锅炉和电站的单位功率的设备造价，提高锅炉机组的运行灵活性和自动 化水平，发展更多锅炉品种以适应不同的燃料，提高锅炉机组及其辅助设备的运行可靠性，减少对环境的污染。 1.2 国内锅炉的发展 据了解，国产 300MW发电机组所配置锅炉主要有三种基本形式： UP型直流炉、自然循环汽包炉和控制循环锅炉。主要制造厂有上海锅炉厂、东方锅炉厂、哈尔滨锅炉厂和北京锅炉厂等。 20世纪 70年
14、代初，上海锅炉厂自行设计和制造了国内第一台 1000T/H双炉膛亚临界压力 UP型直流炉。第一代 1000T/H直流炉共生产 10台，相继在河南平顶山姚孟电厂、华东望亭电厂、江苏谏壁电厂、安徽洛河电厂等安装投 运。到 80年代中期，上海锅炉厂针对 1000T/H锅炉双炉膛容积热负荷高、膨胀不均匀、炉墙振动、受热面磨损、水平烟道结灰以及排烟温度过高等问题，在原设计、制造、运行等积累的经验基础上，借鉴了美国 CE燃烧工程公司引进的锅炉专利技术，设计制造了第二代国产改进型1025T/H单炉膛亚临界压力 UP型直流炉。 东方锅炉厂从 80年代初率先开始设计亚临界压力自然循环汽包炉， 1985年首台在山
15、东邹县电厂投入运行，目前已成为国产 300MW机组配套的主要炉型之一。 按美国 GE公司引进技术制造的国产控制循环锅炉，第一台由上海锅炉厂 制造，于 1987年在山东石横电厂投入生产。由于这种机组相当于国际 80年代初的先进水平，因此在逐步提高其国产化率的基础上，已成为我国发展 300MW发电机组的另一种主要炉型。目前，上海、东方、哈尔滨等制造厂均已具备了制造该型机组的能力，并进一步进行了优化设计，锅炉的热效率可达到 90%以上，在国际上也有一定的竞争力。 1.3 火电厂汽轮机 【 11】 1.3.1 汽轮机概述 萨弗里制成的世界上第一台实用的蒸汽提水机，在 1698年取得标名为 “矿工之友
16、”的英国专利。萨弗里的提水机依靠真空的吸力汲水，汲水深度不能超过六 米。为了从几十米深的矿井汲水，须将提水机装在矿井深处，用较高的蒸汽压力才能将水压到地面上，这在当时无疑是困难而又危险的。 纽科门及其助手卡利在 1705年发明了大气 式蒸汽机，用以驱动独立的提水泵，被称为纽科门大气式蒸汽机。 纽科门大气式蒸汽机的热效率很低，这主要是由于蒸汽进入汽缸时，在刚被水冷却过的汽缸壁上冷凝而损失掉大量热量，只在煤价低廉的产煤xxx 工业大学本科毕业设计说明书 6 区才得到推广 。 1764年，英国的仪器修理 工瓦特为格拉斯哥大学修理纽科门蒸汽机模型时，注意到了这一缺点， 于 1765年发明了设有与汽缸壁
17、分开的凝汽器的蒸 汽机，并于 1769年取得了英国的专利 。 1782年前后，瓦特将机器进一步改进，完成了两项重要发明：在活塞工作行程的中途，关闭进汽阀，使蒸汽膨胀作功以提高热效率。使蒸汽在活塞两面都作功 (双作用式 )，以提高输出功率。这时的活塞既要向下拉动杠杆又要向上推动杠杆，扇形平衡杠杆和拉链已不再适用，瓦特又发明了平行四边形机构。瓦特还于 18世纪末将曲柄连杆机构用在蒸汽机上。 瓦特的创造性工作使蒸汽机迅速地发展，他使原来只能提水的机械，成为了可以普遍应用的蒸汽机，并使蒸汽机 的热效率成倍提高，煤耗大大下降。因此瓦特是 蒸汽机最主要的发明人 。 19世纪末，随着电力应用的兴起，蒸汽机曾
18、一度作为电站中的主要动力机械。 1900年，美国纽约曾有单机功率达五兆瓦的蒸汽机电站。蒸汽机的发展在 20世纪初达到了顶峰。它具有恒扭矩、可变速、可逆转、运行可靠、制造和维修方便等优点，因此曾被广泛用于电站、工厂、机车和船舶等各个领域中，特别在军舰上成了当时唯一的原动机。 蒸汽机按蒸汽在活塞一侧或两侧工作，可分为单作用和双作用式；按汽缸布置方式，可分为立和卧式；按蒸汽是在一个汽缸中膨胀或依次连续在多个汽缸中膨胀，可分为单胀式和多胀式；按蒸 汽在汽缸中的流向，可分为回流式和单流式；按排汽方式和排汽压力可分为凝汽式、大气式和背压式。 1.3.2 汽轮机本体 汽轮机本体 （ Steam Turbin
19、e Proper）是完成蒸汽热能转换为机械能的汽轮机组的基本部分，即汽轮机本身。它与回热加热系统、调节保安系统、油系统、凝汽系统以及其他辅助设备共同组成汽轮机组。汽轮机本体由固定部分（静子）和转动部分（转子）组成。固定部分包括汽缸、隔板、喷嘴、汽封、紧固件和轴承等。转动部分包括主轴、叶轮或轮鼓、叶片和联轴器等。固定部分的喷嘴、隔板与转动部分的叶轮、叶片组成 蒸汽热能转换为机械能的通流部 分。汽缸是约束高压蒸汽不得外泄的外壳。汽轮机本体还设有汽封系统 。 1.3.3 汽轮机的工作原理 蒸汽在汽轮中先把热能转变为动能，然后再转变为机械能。由于动能转变为机械xxx 工业大学本科毕业设计说明书 7 能
20、的方式不同，便有不同工作原理的汽轮机。 由力学可知，当一运动物体碰到另一静止的或运动速度较低的物体时，就会受到阻碍而改变其速度，同时给阻碍它的物体一个作用力，这个作用力称为冲动力。根据冲量定律，冲动力的大小取决于运动物体的质量和速度变化，质量越大，冲动力越大；速度变化越大，冲动力也越大。若阻碍运动的物体在此力作 用下产生了速度变化，则运动物体就做了机械功。 汽轮机中，蒸汽在喷嘴中发生膨胀，压力降低，速度增加，热能转变为动能。高速汽流流经动叶片 3 时，由于汽流方向改变，产生了对叶片的冲动力，推动叶轮 2旋转作功，将蒸汽的动能变成轴旋转的机械能。这种利用冲动力作功的原理，称为冲动作用原理。 图
21、1-1 单级冲动式汽轮机工作原理图 图 1-1 所示为单级冲动式汽轮机工作原理图。蒸汽在喷嘴中发生膨胀，压力由P0 降至 P1，流速从 C0 增至 C1，将蒸汽的热能转变为动能。蒸汽进入动叶栅后，改变流动方向，产 生了冲动作用力使叶轮旋转作功，将蒸汽动能转变为转子的机械能。蒸汽离开动叶栅的速度降至 C2。由于蒸汽在动叶栅中不膨胀，所以动叶栅前后压力相xxx 工业大学本科毕业设计说明书 8 等，即 P1= P2 。 单级冲动式汽轮机工作原理图如图 1-2 所示。 在单级汽轮机中，当喷嘴中比焓降较大时，喷嘴出口的蒸汽速度很高，从而使蒸汽离开动叶栅的速度 C2也很大，这将产生很大的损失，降低了汽轮机
22、的经济性。为了减小这部分损失，可如图 1-2那样，在第一列动叶栅后安装一列导向叶栅 7，使蒸汽在导向叶栅内改变流动方向后再进入装在同一叶轮上的第二列动叶栅 6中继续作功。这样，从第一列动叶栅流出的汽流所具有的动能又在第二列动叶栅中加以利用，使动能损失减小。如果流出第二列动叶的汽流还具有较大的动能，还可以再装第二列导向叶栅和第三列动叶栅。这种将蒸汽在喷嘴中膨胀产生的动能分几次在动叶栅中利用的级，称为速度级。通常把蒸汽动能在两列动叶栅中加以利用的级称为二列速度级，在三列动叶栅中加以利用的级称为三列速度级。 速度级（两列）汽轮机工作原理如图 1-2所示。 图 1-2 速度级（两列）汽轮机工作原理 图
23、 1-2还表示出蒸汽在速度级中压力和速度的变化规律。蒸汽在动 叶栅中和导向叶栅中都不发生膨胀，因而第二列动叶栅后的压力等于喷嘴后的压力。 xxx 工业大学本科毕业设计说明书 9 由若干个冲动级依次叠置而成的多级汽轮机，称为多级冲动式汽轮机。随着汽轮机向高参数、大功率和高效率方向发展，单级汽轮机便不能适应需要，从而产生了多级汽轮机。 具有三个冲动级的多级冲动式汽轮机 ， 整个汽轮机的比焓降分别由三个冲动级加以利用。蒸汽进入汽缸后，在第一级喷嘴 2 中发生膨胀，压力由 P0降至 P1，汽流速度由 C0增至 C1，然后进入第一级动叶栅 3 中作功，作功后流出动叶栅的汽流速度降至 C2，由于蒸汽在动叶
24、栅中不发生膨胀，动叶栅后的压 力（即第一级后压力）即等于喷嘴后的压力 P1，从第一级流出的蒸汽，再依次进入其后的两级并重复上述作功过程，最后从排汽管中排出。由于流经各级后的蒸汽压力逐渐降低，比容逐渐增大，因而蒸汽的体积流量也逐渐增大。为了使蒸汽顺利流过，汽轮机的通流面积逐渐增加，所以喷嘴和动叶的高度 以及级 的直径都逐渐增大。多级汽轮机的功率是各级功率之和，因此多级汽轮机的功率可以按需要做得很大。 1.4 火电厂 燃煤机组热力工作过程 本节以配 SO 400 140 型直流锅炉的机组为例，介绍火力发电厂的热力工作过程。这套机组是我国自行设计、制造 和安装的大型火电机组，采用了超高压中间再热式直
25、流锅炉与双水内冷汽轮发电机相配合的单元制系统 (也称单元机组 )，功率为三十万千瓦。简称 300 机组。 300 机组每小时能发出 30 万度电。度就是功率 (千瓦 )与时间 (小时 )的乘积。 千瓦就是 1000 瓦，瓦是电压 (伏特 )与电流 (安培 )的乘积，它是指单位时间内所作的功，叫做功率。 图 1-3 燃料化学能转化为电能的过程 火力发电厂是把燃料的化学能转变为电能的工厂，它的能量转换过程如图 1-3 所示。燃料送入锅炉中燃烧，把化学能转化 为热能，并为锅炉中水所吸收，成为蒸汽的热能。蒸汽送入汽轮机，冲动汽轮机转子，把热能转化为机械能。汽轮机带动发电机，把机械能转化为电能。这就是火
26、电机组的能量转换过程。但是要实现这个转换，除了锅炉、汽轮机和发电机三大主机外，还需要一系列辅助机械及设备，组成电厂的热力循环系统。图 1-4 是 300MW 机组的热力系统示意图。 它的工作过程是这样的，燃料 (油或煤 )在锅炉炉膛中燃烧，生成很高温度的烟气，烟气带着热量从锅炉的水管外面穿过，把大部分热量传给了管内的水，使之变成蒸汽，xxx 工业大学本科毕业设计说明书 10 继而又过热成为过热蒸汽。锅炉出来的过热蒸汽具有 很高的压力和温度，通过主蒸汽管道后，蒸汽的参数降为绝对大气压送进汽轮机中去。在汽轮机内有喷嘴，蒸汽流过喷嘴时压力和温度都下降，流动速度就增加，即具有了很大的冲击力量。高速蒸汽
27、流冲击到汽轮机转子的叶片上，就使汽轮机转动。蒸汽在汽轮机里一级一级地把热能变成机械能，它本身的压力和温度就降低下来，在离开汽轮机时压力比大气压力还要低，温度也只有 30左右了，然后排入汽轮机下面的凝汽器中去。 图 1-4 300MW 直流燃煤机组的热力系统示意图 由上可见，蒸汽在汽轮机内的工作过程是一个膨胀 做功的过程。为了提高发电厂热效率及降低排汽湿度 (水分 )，采用了中间再热。汽轮机分高、中、低压缸，蒸汽进入高压缸，从第 1 级做功至第 9 级，这时蒸汽压力从 136 绝对大气压降到 26 5 绝对大气压，蒸汽温度己从 550 降至 335 。把第 9 级抽出来的蒸汽送回到锅炉的再热器里再加热，再度提高到 555 通过再热蒸汽管道后，蒸汽参数为 550、 24.3 绝对大气压送入汽轮机高压缸，从第 10 级做功至低压缸最末一级。最末一级出来的蒸汽即为真空度 500 毫米汞柱、 30 左右的排汽，并排入凝汽器。 在凝汽器内，蒸汽遇到其中密布的铜管。被 铜管里的冷却循环水吸收掉大部分热
