锅炉蒸汽温度控制系统

1,第五章 锅炉蒸汽温度控制系统,5.1 概 述 5.2 蒸汽温度控制策略 5.3 蒸汽温度控制系统实例,2,5-1 概 述,3,一、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。,4,2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2835 (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。,5,二、影响汽温的主要因素 1. 过热汽温的主要影响因素 (1) 锅炉负荷与过热汽温的关系 锅炉负荷增加时，炉膛中燃烧的燃料量增加，但炉膛的最高温度没有多大变动，炉膛辐射放热量相对变化不大，使得炉膛出口烟温增高。这就说负荷增加时，每千克燃料的辐射放热百分数减少，而在炉膛后的对流换热区，由于烟温和烟速的提高，每千克燃料的对流放热百分率增大。因此，对于对流式过热器来说，当锅炉负荷增加时，出口汽温的稳态值升高；辐射式过热器则具有相反的汽温特性。采用这两种过热器串联的锅炉，过热器出口蒸汽温度在某个负荷范围内仍随锅炉负荷的增加而有所升高。,6,(2) 给水温度与汽温的关系 提高给水温度，将使过热汽温下降，这是因为产生每千克蒸汽需要的燃料量减少了，流经过热器的烟气量也减少了。也可以这样认为：提高给水温度后，在相同的燃料量下，锅炉的蒸发量增加了，故过热气温将下降。因此，是否投入高加将使给水温度相差很大，这对过热气温有明显影响。,(3) 过剩空气系数 过剩空气量改变时，燃烧生成的烟气量亦改变，因而所有对流受热面吸热随之改变，而且对离炉膛出口较远的受热面影响显著。以对流吸热为主的过热器，当增大过剩空气量时，将使过热气温上升。,7,(4) 燃烧器的运行方式与过热汽温的静态关系 在炉膛内投入高度不同的燃烧器或改变燃烧器摆角会影响炉内温度分布和炉膛出口烟温，因而也会影响过热汽温，火焰中心相对提高时，过热汽温将升高。,(5)受热面清洁程度 过热器之前的受热面发生积灰或结渣时，进入过热器的烟温升高，因而使过热汽温上升，而过热器本身发生积灰或结渣将使过热汽温下降。,8,2. 再热汽温的影响因素 (1) 给水温度 给水温度降低时（如高压加热器出系），若锅炉出力保持不变，则需要增加燃料，以补充因给水温度降低而减少的热量；这样，炉膛出口烟气量增加，以对流受热面为主的再热器吸热量增加，导致再热汽温升高。 (2) 过剩空气系数 过剩空气系数增加，以对流受热面为主的再热器吸热量增加，再热汽温升高；反之则降低。,9,(3) 炉膛火焰中心 炉膛火焰中心的高度对再热汽温有相当显著的影响，是调节再热汽温的主要手段。当火焰中心抬高时，炉膛出口温度上升，以对流受热面为主的再热器其进口烟温升高，吸热量增加，再热汽温提高；反之，再热器吸热量减少，再热汽温降低。 (4) 受热面结渣 再热器受热面结渣或积灰，吸热量减少，再热汽温降低。 炉膛水冷壁结渣，水冷壁吸热量减少，导致炉膛出口烟温上升，再热器吸热增加，再热汽温提高。,10,(5) 过热蒸汽温度和压力 过热蒸汽温度变化会引起高压缸排汽变化。过热汽温降低，高压缸排汽温度降低；在再热器吸热量不变的条件下，因再热器进口温度降低，导致再热器出口温度降低。 过热蒸汽压力的变化也会引起再热汽温的变化。过热蒸汽压力降低，在过热汽温不变的情况下，过热蒸汽的焓增大，高压缸排汽温度上升；在再热器吸热量不变的条件下，因再热器进口温度升高，使再热器出口温度提高；反之，过热蒸汽压力升高，再热汽温降低。这与变压运行时，可保持较高再热汽温的原理相同。,11,三、蒸汽温度控制对象的动态特性 1. 过热蒸汽温度对象的动态特性 主要为蒸汽流量、烟气传热量和减温水扰动。 （）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，导致汽温升高；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。,12,图5-1 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5-2所示。,图5-2 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。,13,当蒸汽流量发生扰动时，由于过热器上各点汽温是同时变化，因此过热器出口汽温变化的迟延较小，迟延时间约为20s左右。尽管蒸汽流量扰动下汽温对象的动态特性较好，但由于蒸汽负荷是决定于用户，所以不能用蒸汽流量的扰动作为控制汽温的手段。 注意：蒸汽流量的扰动不能作为调节信号用。,14,（）烟气量扰动下过热汽温对象的动态特性,图5-3 烟气流量变化对过热汽温的影响,当燃料量、送风量或煤种等发生变化时，都会引起烟气温度和流速的变化，使延期传给过热器的热量发生变化，从而使过热汽温变化。因为沿着过热器整个长度方向上，烟气的传热是同时发生变化的，所以过热汽温的变化很快，迟延时间很小，一般为1525。,由于烟气扰动时，过热汽温的动态特性较好，因此可利用烟气侧的扰动作为控制汽温的手段，例如采用烟气再循环和改变燃烧器摆角等，但这些控制方法需要锅炉具有满足自动控制要求的结构和性能，而锅炉设计、制造及实际都有一定的困难。,15,（）减温水量扰动下过热汽温对象的动态特性,图5-4 减温水量变化对过热汽温的影响,对于蒸汽流量的扰动和烟气侧的扰动，过热汽温对象的动态特性虽然比较好，但前者由机组负荷决定，不能作为汽温控制手段，后者使用比较困难。因此目前常采用喷水式减温来控制汽温。,当减温水量发生扰动时，虽然减温器出口汽温产生变化，但要经过较长的过热器管道才能使出口汽温发生变化，使汽温反应的迟延很大，而且减温器离过热器出口愈远，则对象控制通道的迟延和惯性愈大。,16,因此。控制汽温的最有效方法是在过热器出口处直接进行喷水减温，但这又对过热器和汽轮机的安全运行不利。因此，喷水减温器通常装在末级过热器高温段的前面，这样既保护了过热器的高温段，同时又减少了蒸汽带水的可能性。,17,结论： 在上述三种主要扰动作用下，过热汽温控制对象都表现为有迟延、惯性和有自平衡能力，只是时延时间和时间常数不一样。其中，减温水扰动作用下的迟延和惯性最大，烟气侧扰动作用下的迟延和惯性次之，而锅炉负荷扰动作用下的迟延和惯性最小。然而，只有烟气侧的扰动和减温水侧扰动可作为控制汽温的手段。,目前广泛采用喷水减温作为控制汽温的手段。由于过热器管道加长，结构变得复杂，迟延和惯性更大，为了完成控制主蒸汽温度和保护过热器两个任务，多采用分段控制系统。,18,2再热蒸汽温度控制对象的动态特性,图5-5 烟气挡板控制再热汽温的动态特性,图5-5是再热汽温动态特性。当烟气挡板从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。,19,5-2 蒸汽温度控制策略,20,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。,1. 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。,一、过热蒸汽温度串级控制,1,-I,+I0,+I1,-IT1,IT2,21,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。,22,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。,23,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),24,2. 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,25,3. 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。,26,(2) 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，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。,27,从上图可以看到，过热汽温串级控制系统中，有主、副两个调节器。当主汽温度升高时，主汽温度设定值与主汽温度测量值的偏差，送到主调节器，其输出信号作为副调节器的给定值，同时副调节器接受导前汽温信号，取两个偏差送到副调，副调节器输出去控制执行器开度，改变喷水量，进而改变了主汽温度。当主汽温升高时，主调节器（反作用方式）输出减小，副调节器（正作用方式）输出增大，减温水量增加，从而使主汽温度下降。,28,1、系统结构,图. 导前微分控制系统结构简图,二、过热蒸汽温度导前微分控制,+I2,+I1,-I0 (给定值）,29,图5-9 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：,30,2. 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,31,(2)引入导前微分信号能减小动态偏差，改善控制品质,图5-11 阀门开度阶跃扰动下汽温特性,曲线1、2分别为 1、* 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1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,32,从上图可以看到，采用导前微分信号的双回路过热汽温控制系统， 2为减温器出口蒸汽温度，是局部反馈信号，称为导前汽温信号。 当某种原因是主汽温度发生变化时，如1和2上升时，调节器（正作用方式）输入偏差增加，输出指令增大，经执行器使喷水调节阀开度增加，减温水量增加，减温器出口汽温下降。经延时，主汽温度下降。不难想象，如果要等到主汽温度下降后再减小减温水量，就可能会使减温水量增加过的而导致主汽温反而下降。在调节过程初期，由于导前汽温2能比主汽温1提前反应调节效果，当汽温开始下降时，,I2,33,信号及时作用于调节器，抑制减温水调节阀的过分开打。这对于防止因对象迟延和惯性大而产生的过调，改善控制品质，是十分有效的。 当减温水量发生变化或其他原因使减温器后的温度发生变化时，导前汽温2发生变化，调节器动作，可及时调整减温水量。因导前汽温对减温水的变化响应很快，所以导前汽温的变化很快地被抑制，从而减小了减温水内部扰动对主汽温的影响。,34,5-3 蒸汽温度控制系统实例分析,35,左侧过热汽温控制,右侧一减调门,36,右侧一减喷水后温度设定值与左中间温度取偏差，以及偏差变化率一块送到FTAB（模糊控制器），查表后得到右侧一减温度解模糊后的值，将送到主调节器，其中主调节器比例系数和积分时间常数随偏差不同经函数选择，主调节器输出作为副调节器的设定值，副调的测量值（左一减喷水后温度），经副调后，再加上排粉机出口风压前馈信号，送到执行器（右侧一减调门），从而控制了左侧过热汽温。,37,注意： 模糊控制采用偏差与偏差变化率作为输入 量，查表后输出作为调节器偏差输入。 一级喷水减温左右换位是为了防止燃烧不 均，均衡温度 取排粉机出口风压作为前馈信号是为了这些 扰动信号变化对过热蒸汽温度的影响，改善 一级过热蒸汽温度的控制品质。 主蒸汽温度由一、二级减温器喷水进行调 节，一级减温器作为粗调，其喷水量应大 些，保持后屏壁温不超过规定值。在负荷变 化不大时，一级减温水应基本不变，二级减 温作为细调，其喷水量应小些，保持主汽温 度稳定。,38,左侧主汽温控制,39,两个左侧主蒸汽温度切换之后选择好点选择后的左侧主汽温度与左侧主汽温度设定值取偏差后送到FTAB，之后为左侧主汽温度解模糊的值送到左侧住气温控制的主调节器，主调节器输出作为副调节器给定，其测量值为选择后的左侧二减后温度，送到副调节器，副调节器输出再加上排粉机出口风压前馈信号送到执行器（左侧二减调门），从而控制了左侧主汽温。,40,左侧再热汽温控制,41,左侧再热喷水减温设定值与选择后的左侧再热汽温取偏差及偏差变化率送到FTAB，查表得到左侧再热喷水汽温解模糊后的值，将该值送到左侧再热汽温控制的主调节器，主调节器输出作为副调节器设定值，选择后的左侧再热减温器后汽温为测量值，送到副调，副调输出再加上排粉机出口风压前馈信号，送到左再减执行器控制左侧再热汽温。,