第06章锅炉蒸汽温度控制系统.

华北电力大学NorthChinaElectricPowerUniversity第六章锅炉蒸汽温度控制系统§6.1概述§6.2主蒸汽温度的串级控制§6.3主蒸汽温度的导前微分控制§6.4主蒸汽温度系统的实际举例§6.5再热蒸汽温度控制§6.6再热蒸汽温度控制实际举例华北电力大学NorthChinaElectricPowerUniversity一、蒸汽温度控制的任务1.主蒸汽温度控制的任务维持过热器出口温度在允许的范围之内，并保护过热器，使其管壁温度不超过允许的工作温度。过热蒸汽温度是锅炉汽水系统中的温度最高点，蒸汽温度过高会使过热器管壁金属强度下降，以至烧坏过热器的高温段，严重影响安全。过热蒸汽温度偏低，则会降低发电机组能量转换效率，据分析，汽温每降低5℃，热经济性将下降1%；且汽温偏低会使汽轮机尾部蒸汽湿度增大，甚至使之带水，严重影响汽轮机的安全运行。一般规定大容量高参数火力发电机组都要求保持过热蒸汽温在的范围内。§6.1概述5o10540C+-华北电力大学NorthChinaElectricPowerUniversity2．再热蒸汽温度控制的任务随着蒸汽压力的提高，为了提高机组热循环的经济性，减少汽轮机末级叶片中蒸汽湿度，高参数机组一般采用中间再热循环。将高压缸出口蒸汽引入锅炉，重新加热至高温，然后再引入中压缸膨胀做功。一般再热蒸汽温度随负荷变化较大，当机组负荷降低30%时，再热蒸汽温度如不加以控制，锅炉再热器出口汽温将降低28∽35℃(相当于负荷每降低10%时，汽温降低10℃)。所以大型机组必须对再热汽温进行控制。华北电力大学NorthChinaElectricPowerUniversity二、蒸汽温度控制对象的动态特性1.主蒸汽温度控制对象的动态特性主要为蒸汽流量、烟气传热量和减温水扰动。（１）蒸汽扰动下对象的动态特性引起蒸汽流量变化的原因有二：一是蒸汽母管的压力变化，二是汽轮机调节汽门的开度变化。结构形式不同的过热器，在相同蒸汽流量D的扰动下，汽温变化的静态特性是不同的。对于对流式过热器的出口温度，随着蒸汽流量D的增加，通过过热器的烟气量也增加，导致气温升高；对于辐射式过热器，蒸汽流量D增加时，炉膛温度升高较少，炉膛辐射给过热器受热面的热量比蒸汽流量的增加所需的热量要少，因此辐射式过热器的出口汽温反而下降，对流式过热器和辐射式过热器的出口汽温对负荷变化的反应是相反的，其静态特性如下。华北电力大学NorthChinaElectricPowerUniversity图6-1蒸汽量变化与对流过热器及辐射过热器出口汽温变化的静态特性实际生产中，通常把两种过热器结合使用，还增设屏式过热器，且对流方式下吸收的热量比辐射方式下吸收的热量要多，因此综合而言，过热器出口汽温是随流量D的增加而升高的。动态特性如图6-2所示。注意：蒸汽流量的扰动不能作为调节信号用。图6-2蒸汽量变化对过热器汽温的影响有延迟，有惯性，有自平衡能力。华北电力大学NorthChinaElectricPowerUniversity（２）烟气量扰动下过热汽温对象的动态特性图6-3烟气流量变化对过热汽温的影响引起烟气传热量变化的原因很多，如给粉机给粉不均匀，煤中水分的改变，蒸汽受热面结垢，过剩空气系数改变，汽包给水温度变化，燃烧火焰中心位置的改变等。尽管引起烟气传热量变化的原因很多，但对象特征总的特点是：有延迟，有惯性，有自平衡能力。它的特征曲线如图6-3所示。从烟气侧来的扰动量使沿整个长度过热器的传热量发生变化，汽温变化反应较快，延迟时间有10-20s，可以用来作为调节量信号。华北电力大学NorthChinaElectricPowerUniversity（３）减温水量扰动下过热汽温对象的动态特性图6-4减温水量变化对过热汽温的影响常用的减温方法有两种：喷水式减温和表面式减温，前者的效果比后者好，喷水式减温器一般装在末级过热器高温段前面，一方面保护了过热器高温段，另一方面又改善了调节性能。这种过热器的安装方法与在饱和侧装设表面式减温器相比，延迟时间能减小1/4。特点：有延迟，有惯性和有自平衡能力，延迟时间约为30~60s。减温水量是常用的调节量。华北电力大学NorthChinaElectricPowerUniversity2．再热蒸汽温度控制对象的动态特性图6-5烟流挡板控制再热汽温的动态特性图6-5是125MW机组的动态特性，当挡板从0％－100％变化时，再热汽温变化58℃，滞后时间80s；其传递函数可用四阶惯性环节的传递函数表示：再热蒸汽温度控制对象的动态特性依控制方式的不同动态特性也不同。4()(1)KWsTs=+华北电力大学NorthChinaElectricPowerUniversity§6.2主蒸汽温度的串级控制在大型锅炉中，过热器管道较长，结构亦复杂，为了改善控制品质，一般采用分段控制，即将整个过热器分成若干段，每段设置一个减温器，分别控制各段的汽温，以维持主汽温为给定值。一、系统结构图6-6串级控制系统结构图主蒸汽温度串级控制的基本结构(最后一级)如图6-6所示。。华北电力大学NorthChinaElectricPowerUniversity原理框图如图6-7所示图6-7串级控制系统原理方框图主参数(主变量)：串级控制系统中起主导作用的被调参数称为主参数。副参数(副变量)：其给定值随主调节器的输出而变化，能映主信号数值变化的中间参数称为副参数。这是一个为了提高控制质量而引起的辅助参数。华北电力大学NorthChinaElectricPowerUniversity主调节器：根据主参数与给定值的偏差而动作，其输(主控制器)出作为副调节器的给定值的调节器称为主调节器，记为WT1(s)副调节器：其给定值由主调节器的输出决定，并根据(副控制器)副参数与给定值(即主调节器输出)的偏差动作的调节器称为副调节器，记为WT2(s)主回路(外回路)：断开副调节器的反馈回路后的整个回路称为主回路。华北电力大学NorthChinaElectricPowerUniversity副回路：由副参数，副调节器及其所包括的一部分对象等(内回路)环节所组成的闭合回路称为副回路，副回路有时亦称随动回路。主对象：主参数所处的那一部分工艺设备，它的输入信号(惰性区)为副变量，输出信号为主参数，记为WD1(s)副对象(导前区)：副参数所处的那一部分工艺设备，它的输入信号为调节量，其输出信号为副参数(副变量)，记为WD2(s)华北电力大学NorthChinaElectricPowerUniversity二、串级控制系统的特点串级控制仍然是一个定值控制系统，主参数在干扰作用下的控制过程与单回路控制系统的过程具有相同的指标和形式，但与单回路系统比较，串级控制系统具有以下特点：1．串级控制系统具有很强的克服内扰的能力2．串级控制系统可减小副回路的时间常数，改善对象动态特性，提高系统的工作频率。3．串级控制系统具有一定的自适应能力华北电力大学NorthChinaElectricPowerUniversity三、串级控制系统主副回路和主副调节器选择1.主副回路的选择原则(1)副回路应该把生产过程的主要干扰包括在内，力求把变化幅度最大、最剧烈和最频繁的干扰包括在副回路内，充分发挥副回路改善系统动态特性的作用，保证主参数的稳定;(2)选择副回路时，应力求把尽量多的干扰包括进去，以尽量减少它们对主参数的影响，提高系统抗干扰能力;(3)主副对象的时间常数应适当匹配，串级控制系统与单回路控制系统相比，其工作频率提高了，但这与主副对象的时间常数选择是有关的。原则是两者相差大一些，效果好一些。华北电力大学NorthChinaElectricPowerUniversity2.主、副回路调节器调节规律的选择原则（1）主参数控制质量要求不十分严格，同时在对副参数的要求也不高的情况下，为使两者兼顾而采用串级控制方式下，主、副调节器均可采用比例控制。（2）要求主参数波动范围很小，且不允许有余差(稳态误差)，此时副调节器可采用比例控制，主调节器采用比例积分控制。（3）主参数要求高，副参数亦有一定要求，这时主副调节器均采用比例积分控制。华北电力大学NorthChinaElectricPowerUniversity§6.3主蒸汽温度的导前微分控制一、系统结构图6-13导前微分控制系统结构简图华北电力大学NorthChinaElectricPowerUniversity图6-14导前微分控制系统原理方框图导前区对象惰性区对象内扰副回路：主回路：)()()()()()(22sWsWsWsWsWsWfzTdmD)()()()()()(211sWsWsWsWsWsWDfzTmD华北电力大学NorthChinaElectricPowerUniversity二、导前微分控制系统的特点1.引入导前微分信号缩短了迟延时间，等效地改善了控制对象的动态特性在汽温导前微分控制系统中，当减温水量发生阶跃扰动时，I1、I2变化如图6-15所示。迟延时间缩短后，可控性变好，控制品质将得到改善。图6-15减温水量扰动时各信号华北电力大学NorthChinaElectricPowerUniversity2．引入导前微分信号能减小动态偏差，改善控制品质图6-16阀门开度阶跃扰动下汽温特性曲线1、2分别为θ1、θ*自平衡飞升特性曲线；曲线3、4为加导前微分信号前后的调节曲线；曲线5、6则为加导前微分信号前后θ1的过渡过程曲线。由于迟延时间和惯性都减小了，因而在调节器参数相同的情况下，加入微分信号可以减小过渡过程时间，改善控制品质。3．导前微分控制系统有很强的克服内扰的能力华北电力大学NorthChinaElectricPowerUniversity§6.4主蒸汽温度系统的实际举例下面以某电厂350MW机组主汽温控制系统为例，对系统进行分析。一、主汽温自动控制系统概况该电厂350MW机组主汽温控制系统是三菱DIASYS－UP型DCS中闭环控制系统（CCS）中的子系统。该系统的主要任务是严格地将主汽温度控制在给定值附近，暂时偏差不允许超过±10℃，长期偏差不允许超过±5℃，这个要求对于主蒸汽温度控制系统来说是非常高的。该厂的主汽温控制系统的过热器由三级（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级）组成，采用两级（一、二级）喷水减温调节，每级分为左、右两侧，两侧对称布置，结构相同，特性相近，如下图所示。华北电力大学NorthChinaElectricPowerUniversity一级减温器TE二级减温器TETETE汽机一级过热器三级过热器二级过热器二级喷水控制阀一级喷水控制阀三级过热器出口温度二级减温器出口温度二级减温器入口温度一级减温器出口温度汽包主汽温热力系统图二、主汽温自动控制系统分析由于机组容量大，过热器管道比较长，为了易于控制，把过热器分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等三级，设有两级喷水减温器，采用分段控制系统。这样，主汽温控制系统由一级喷水减温控制系统和二级喷水减温控制系统组成。其SAMA图如下图所示，图中只画出了左侧系统结构组成图，右侧与左侧一样，故省略，没有画出。华北电力大学NorthChinaElectricPowerUniversity1.一级喷水减温控制系统TRCLDFxPIFxDTTETETPOS.POSSGPDFxSGDRCTETE++__二级减温器入口温度一级减温器出口温度负荷指令汽包压力给定0％bac二级喷水阀控制站A侧二级喷水控制阀(1)(3)(2)(4)PIabcT最低温度控制：bc其它：ac主燃料跳闸：bc其它：acFx该系统主要初步调节过热蒸汽温度为给定值，可采用一般的单回路控制系统即可达到目标。该系统由常规控制系统和最低温度控制系统组成，两系统由一切换开关进行切换，如左图所示。华北电力大学NorthChinaElectricPowerUniversity（1）常规控制系统该系统主要是对Ⅱ级过热器出口温度进行粗调。①设定值：为了满足机组定压运行和滑压运行等各种运行方式的设定值不同的要求，该系统的设定值由机组负荷指令经一函数发生器Fx(1)产生。②调节器