第三章-锅炉蒸汽温度控制系统

第三章锅炉蒸汽温度控制系统NorthChinaElectricPowerUniversity第三章锅炉蒸汽温度控制系统§3.1概述§3.2过热蒸汽温度的串级控制§3.3过热蒸汽温度的导前微分控制§3.4过热蒸汽温度系统的实例§3.5再热蒸汽温度控制§3.6再热蒸汽温度控制实例第三章锅炉蒸汽温度控制系统NorthChinaElectricPowerUniversity§3-1概述第三章锅炉蒸汽温度控制系统NorthChinaElectricPowerUniversity一、蒸汽温度控制的任务1.过热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。5o10540C+-第三章锅炉蒸汽温度控制系统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。第三章锅炉蒸汽温度控制系统NorthChinaElectricPowerUniversity二、蒸汽温度控制对象的动态特性1.过热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。第三章锅炉蒸汽温度控制系统NorthChinaElectricPowerUniversity图.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。动态特性如上图所示。注意：蒸汽流量的扰动不能作为调节信号用。图.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。第三章锅炉蒸汽温度控制系统NorthChinaElectricPowerUniversity（２）烟气量扰动下过热汽温对象的动态特性图.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。它的特征曲线如左图所示。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。第三章锅炉蒸汽温度控制系统NorthChinaElectricPowerUniversity（３）减温水量扰动下过热汽温对象的动态特性图.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。第三章锅炉蒸汽温度控制系统NorthChinaElectricPowerUniversity2．再热蒸汽温度控制对象的动态特性图.烟流挡板控制再热汽温的动态特性左图是再热汽温动态特性，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=+第三章锅炉蒸汽温度控制系统NorthChinaElectricPowerUniversity§3-2过热蒸汽温度的串级控制第三章锅炉蒸汽温度控制系统NorthChinaElectricPowerUniversity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.串级控制系统结构图过热蒸汽温度串级控制的基本结构(最后一级)如右图所示。第三章锅炉蒸汽温度控制系统NorthChinaElectricPowerUniversity原理框图如下图所示图.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。第三章锅炉蒸汽温度控制系统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。第三章锅炉蒸汽温度控制系统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)第三章锅炉蒸汽温度控制系统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第三章锅炉蒸汽温度控制系统NorthChinaElectricPowerUniversity§3-3过热蒸汽温度的导前控制第三章锅炉蒸汽温度控制系统NorthChinaElectricPowerUniversity一、系统结构图.导前微分控制系统结构简图第三章锅炉蒸汽温度控制系统NorthChinaElectricPowerUniversity图.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第三章锅炉蒸汽温度控制系统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变化如左图所示。迟延时间缩短后，可控性变好，控制品质将得到改善。图.减温水量扰动时各信号第三章锅炉蒸汽温度控制系统NorthChinaElectricPowerUniversity2．引入导前微分信号能减小动态偏差，改善控制品质图.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第三章锅炉蒸汽温度控制系统NorthChinaElectricPowerUniversity§3-4过热蒸汽温度控制系统实例第三章锅炉蒸汽温度控制系统NorthChinaElectricPowerUniversity低温过热器进口集箱，逆流向上对后烟道低温过热器管组进行冷却后，从锅炉两侧连接管引至炉前屏式过热器进口集箱，流经屏式过热器受热面后，从锅炉两侧连接管返回到尾部竖井后烟道中的高温过热器，最后合格的过热蒸汽由高过出口集箱两侧引出。过热器系统采取调节灵活的喷水减温作为汽温调节和保护各级受热面管子的手段，整个过热器系统共布置有两级喷水。一级减温器（左右各一台）布置在低过出口至屏过入口管道上，作为粗调；二级减温器（左右各一台）位于屏过与高过之间的连接管道上，作为细调。第三章锅炉蒸汽温度控制系统NorthChinaElectricPowerUniversity主蒸汽温度调节系统由两级减温调节组成：一级过热蒸汽温度调节系统通过改变一级减温水调节阀开度使一级过热器出口蒸汽温度满足运行要求，二级过热蒸汽温度调节系统通过改变二级减温水调节阀开度使二级过热器出口蒸汽温度满足运行要求。一级过热蒸汽温度调节系统和二级过热蒸汽温度调节系统控制方案基本相同。第三章锅炉蒸汽温度控制系统NorthChinaElectricPowerUniversity主汽温度调节系统采用由主汽温度、喷水减温器出口温度及主汽流量等参数组成的串级控制系统。在主汽温度调节系统中主汽温度测量值作为主调的反馈输入值，与主汽温度设定值进行PID运算后送入副调，在副调中与减温器出口汽温进行控制运算，其结果经限幅后由手操器输出至执行机构，调节喷水减温的控制阀。由于主汽流量变化时，喷水量应相应地发生变化，故在主汽温度调节系统中把主汽流量信号以前馈形式引入控制系统中。第三章锅炉蒸汽温度控制系统NorthChinaElectricPowerUniversity为保证主汽温度控制系统的有效工作，针对不同负荷、不同温度偏差值及温度偏差的变化情况从多组PID参数时选择一组参数进行调节。当温度偏差较大时选积分时间较小的一组参数，当温度偏差较小时则选取积分时间较大的一组参数，在异常情况下系统自动切至手动操作。主汽温度调节系统如下图所示。第三章锅炉蒸汽温度控制系统NorthChinaElectricPowerUniversity●TT-△+K∫∑≮≯TRg(x)FTA/MTZT减温器出口汽温主汽流量TT△K≮≯TR∫A+-主汽温度f(x)第三章锅炉蒸汽温度控制系统NorthChinaElectricPowerUniversity主蒸汽温度控制02TT05－TT＋AH/LA/M01TV01f(x)ZTH/L02TT02∫TRACKKTTTRACKZTH/L01PV02f(x)A/MH/LK∫02TT03TT＋＋－－TRACKd/dtK∫∑/n另一例:第三章锅炉蒸汽温度控制系统NorthChinaElectricPowerUniversity第三章锅炉蒸汽温度控制系统NorthChinaElectri