2017毕业论文-基于Ovation的300MW机组再热汽温检测控制系统设计.doc

基于 Ovation 的再热汽温检测控制系统 I 摘 要 本次毕业设计(论文)的题目是铁岭电厂 300MW 机组再热汽温控制系统设计。通过对 机组的再热汽温控制系统进行现场实地观察、原理分析、可靠性论证，从而提出保证该 系统长期稳定处于协调控制的方案。 在大型机组中，新蒸汽在汽轮机高压缸内膨胀做功后，需再送回到锅炉再热器中加 热升温，然后再送入汽轮机中、低压缸继续做功。采取蒸汽中间再热可以提高电厂循环 热效率，降低汽轮机末端叶片的蒸汽湿度，减少汽耗等。为了提高电厂的热经济性，大 型火力发电机组广泛采用了蒸汽中间再热技术。 再热蒸汽温度控制的意义与过热蒸汽温度控制一样，是为了保证再热器、汽轮机等 热力设备的安全，发挥机组的运行效率，提高电厂的经济性。再热蒸汽温度控制的任务， 是保持再热器出口蒸汽温度在动态过程中处于允许的范围内，稳态时等于给定值。 在再热蒸汽温度控制中，由于蒸汽负荷是由用户决定的，所以几乎都采用改变烟气 流量作为主要控制手段，例如改变再循环烟气流量，改变尾部烟道通过再热器的烟气分 流量或改变燃烧器（火嘴）的倾斜角度。 关键词 再热汽温，过热蒸汽，串级 沈阳工程学院毕业设计（论文） II Abstract This graduation project (paper) is through the hot steam warm control system carries on the principle analysis, the reliable proof, the scene again to the TieLing three electricity 300MW units on the spot observes, guarantee this system which proposed long-term stability is in the coordination control the plan. In the large-scale unit, the new steam inflates the acting after the steam turbine high pressure cylinder, must again return to the boiler reheater in heats up elevates temperature, then sees somebody off again in the steam turbine, the low pressure cylinder continues the acting. Adopts among the steam hot to be possible to enhance the power plant circulation thermal efficiency again, reduces the steam turbine terminal leaf blade the steam humidity, reduces the steam consumption and so on. In order to enhance the power plant the hot efficiency, the large- scale thermoelectricity generation unit has widely used among the steam again the hot technology. Again the hot vapor temperature control significance and the superheat vapor temperature control is same, is in order to guarantee thermal energy equipment and so on reheater, steam turbine securities, the display units operating efficiency, enhances the power plant the efficiency. Again the hot vapor temperature control duty, is maintains the reheater to export the vapor temperature to be in the permission in the dynamic process in the scope, when stable state is equal to the given value. In again hot vapor temperature control, because the steam load is by the user decision, therefore nearly all uses the change haze current capacity to take the primary control method, for example the change circulates again the haze current capacity, the change rear part flue or changes the burner through the reheater haze divergence quantity (spout) the angle of tilt. Keywords reheat steam，superheat steam，cascade 基于 Ovation 的再热汽温检测控制系统 III 目录 摘 要I ABSTRACT.II 1 引言.1 1.1 设计课题的目的、意义1 1.2 国内外现状及发展趋势1 1.2.1 国内背景.1 1.2.2 国内现状及发展趋势.2 2 OVATION 介绍.3 2.1 西屋 OVATION 介绍3 2.2 OVATION 控制系统的特点3 3 火力发电厂发电工艺简介5 3.1 火力发电厂概述5 3.1.1 火力发电厂基本原理.5 3.1.2 主要生产过程简述.5 3.2 火电厂三大控制系统6 3.2.1 锅炉给水控制系统.6 3.2.2 过热蒸汽温度控制系统.7 3.2.3 再热蒸汽温度控制系.7 4 再热蒸汽温度检测控制系统8 4.1 火电厂再热汽温检测控制系统概述8 4.1.1 再热蒸汽温度检测控制的意义与任务.8 4.1.2 再热蒸汽的特点.8 4.1.3 再热蒸汽温度的影响因素.9 4.1.4 再热蒸汽温度控制的方法手段.9 4.2 基于 OVATION 的 300MW 机组再热汽温检测控制系统设计概述.15 4.3 基于 OVATION 的 300MW 机组再热汽温检测控制系统 SAMA 图设计说明.16 4.3.1 摆动燃烧器控制系统.16 4.3.2 喷水减温控制系统.18 5 再热汽温检测控制系统中的器件介绍.21 5.1 温度变送器21 5.2 燃烧器摆角执行器22 结论.23 致谢.24 参考文献.25 附录 A1.1 26 附录 A1.2 27 附录 A1.3 28 沈阳工程学院毕业设计（论文） IV 附录 A1.4 29 附录 A1.5 30 附录 A1.6 31 附录 A1.7 32 基于 Ovation 的再热汽温检测控制系统 1 1 引言 1.1 设计课题的目的、意义 再热蒸汽温度控制的目的与过热蒸汽温度控制一样，是为了保证再热器、汽轮机等 热力设备的安全，发挥机组的运行效率，提高电厂的经济性。再热蒸汽温度控制的任务， 是保持再热器出口蒸汽温度在动态过程中处于允许的范围内，稳态时等于给定值。 随着时代的发展，实现生产过程自动化对国民经济的发展有十分重大的意义。在火 力发电厂中实现热力过程自动化后能使机组安全、可靠、经济地运行。实现热力过程自 动化具有：（1）提高机组运行的安全可靠性；（2）提高机组运行的经济性；（3）减少 运行人员，提高劳动生产率；（4）改善劳动条件等特点。在大型机组中，新蒸汽在汽轮 机高压缸内膨胀做功后，需再送回到锅炉再热器中加热升温，然后再送人汽轮机中、低 压缸继续做功。采取蒸汽中间再热可以提高电厂循环热效率，降低汽轮机末端叶片的蒸 汽湿度，减少汽耗等。为了提高电厂的热经济性，大型火力发电机组广泛采用了蒸汽中 间再热技术。因此，再热器出口蒸汽温度的控制成为大型火力发电机组不可缺少的一个 控制项目。此外，再热气温如果控制不好，容易造成再热器高温腐蚀，以及联通管泄露 等事故，所以再热气温的良好控制至关重要。某电厂在数年的运行中，由于负荷变化频 繁，一直存在微量喷水减温器出口的再热蒸汽温度波动大的问题，出现的最大温度变化 超过 140。由于再热气温完全依赖喷水减温调节，使减温器后的蒸汽过热度发生很大的 波动，该点的蒸汽过热度最大变化是由 150快速降到接近饱和蒸汽温度。由于蒸汽温度 变化大，且比较频繁，经常出现很大的温度变化率，这使该处的管道经常承受很大的交 变热应力，尤其是内壁承受的热应力最大，这样经过一定时间后，就会在管道的环向焊 缝内侧产生裂纹，并逐渐向周围、外侧扩散，再进一步恶化就会影响锅炉的安全运行， 后果严重 1！ 1.2 国内外现状及发展趋势 1.2.1 国内背景 火力发电厂在我国电力工业中占有主要地位，是我国重点能源工业之一。大型火力 发电机组在国内外发展很快，我国现以 300MW 机组为骨干机组，并逐步发展 600MW 以 上机组。目前，国外已经建成单机容量 1000MW 以上的单元机组。 单元发电机组是有锅炉、汽轮发电机和辅助设备组成的庞大的设备群。由于其工艺 流程复杂，设备众多，管道纵横交错，有上千个参数需要监视、操作或控制，而且电能 生产还要求有高度的安全可靠性和经济性，因此，大型机组的自动化水平受到特别的重 视。目前，采用以分散微机为基础的集散型控制系统（TDCS） ，组成一个完整的控制、 保护、监视、操作及计算等多功能自动化系统。 沈阳工程学院毕业设计（论文） 2 我国自从 70 年代发展 125MW 等级的中间再热大型电站锅炉机组以来，紧接着有 200MW ，300MW 的国产机组问世， 80 年代又相继从国外引进各种 300MW 以上的炉 型，均无一例外为中间再热机组，所以有关再热汽温调节问题也引起了锅炉界同仁的关 注。国产锅炉的再热汽调温方式大致上经历了 3 个发展阶段，即: (1) 烟气再循环调温技术，早在 70 年代上海锅炉厂生产的配 125MW 机组的 400MW 锅炉采用这一技术, 其中多数是燃煤机组。 (2) 80 年代中尾部分隔烟道挡板再热汽调温方式得到锅炉制造厂的青睐。 随后成立的北京巴威公司生产的 300MW 和 600MW 锅炉也采用了这种调温方式。 (3) 80 年代后期随大型电站锅炉引进美国 CE 公司技术后，以 CE 公司锅炉技术特方 式之一的摆动燃烧器调节再热汽温，已作为 300MW 等以上容量锅炉的调温手段。此外， 汽汽热交换面式减温器也曾用于某些 200MW 锅炉的再热汽温调节，但受先天性缺陷 的限制，如管组和阀门的泄漏、调温幅度小和动态特性差等, 影响了其效能。近几年来, 随着各地工农业生产的迅猛发展,电力建设事业进展极快，各电厂均注重降低煤耗和发电 成本, 争取低价上网, 而且由于地方电网装机总量的增大， 一些 200MW 甚至 300MW 容量的机组作调峰运行已屡见不鲜，低负荷运行经济性已提上日程; 过去影响机组安全运 行的问题多半已解决， 电厂领导和职能、运行管理人员所关心的已是“挖潜节能”， 故对 于再热汽调温问题已十分重视。 1.2.2 国内现状及发展趋势 国内的现状是大部分执行机构老化或技术不够先进，我们国内有很好的控制理论和 控制系统，但是到执行机构这里就出现问题了！就好像一个人有灵活的大脑，却有笨拙 的四肢，无法很好的支配一样。彭城电厂再热器控制系统就是一例，它就是以摆动燃烧 器喷嘴为主要调节，微量喷水调节为辅助调节的控制手段。它的控制系统“软件”没有问题， 但是执行机构这个“硬件”就有问题了：如四角不能同时摆动、执行机构卡涩、燃烧器摆角 下垂(出现单个燃烧器下垂，也有整组燃烧器下垂)，这些问题曾导致锅炉运行中燃烧不稳 定，甚至造成锅炉灭火。经多次检修处理，却不能解决这些问题，不得不将燃烧器摆角 固定在一定的角度，不再参与再热汽温调节。因此微量喷水调节就成为正常工况下汽温 调整的唯一手段。由于完全依赖喷水调节再热汽温，导致运行过程中所投入的减温水量 超过设计值。如在额定设计工况下减温水用量是 5.0 t/h，实际中需投用减温水量达到 2030 t/h。喷水量大幅度地频繁变化，导致减温器后的汽温变化幅度超过规定范围，对 减温器后的管道产生更大的热应力。 国内发展趋势是尽量恢复燃烧器摆角作为再热汽温的主调节手段；改善被控对象的 控制品质；负荷变化时，使再热汽温尽可能稳定1。 基于 Ovation 的再热汽温检测控制系统 3 2 OVATION 介绍 2.1 西屋 Ovation 介绍 OVATION 分散控制系统由 Westinghouse Process Control.Inc(WPC)西屋公司推出 具有多任务、数据采集、潜在控制能力和开放式网络设计，是工业中较为可靠、能是实 时响应的监控系统。OVATION 系统利用对一个当前最新的分布式、全局型、的重要的相 关数据库做一次瞬态和透明的访问来完成对回路的控制，全局分布式数据库将功能分散 到多个可并行运行的独立站点，而非集中到一个中央处理器上，可集中在指定的功能上 不断运行，不因其他事件的干扰而影响系统性能。该系统具有在多台 200MW 机组上成功 使用的经验，且开放性、可扩展性和可连接性较好。该系统包括数据采集系统（DAS） 、 自动调节控制系统（MCS） 、顺序控制系统（SCS） 、锅炉炉膛安全监控系统（FSSS） 、汽 机电调控制系统（DEH） 、电气监控系统（ECS）和汽机危机跳闸系统（ETS）控制等， 其中 DAS、MCS 属分散控制系统已参与控制的设备，而 DEH、SCS、FSSS、ETS 和 ECS 系统属新纳入的控制范围2。 西屋公司 OVATION 系统在总结 WDPF 系统大量使用经验的基础上容纳了最新技术 成就，于 1997 年 9 月正式在我国市场投放。 OVATION 系统的最大特点是以开放的计算机标准贯穿整个系统。系统中的网络控制 器、人机界面、I/O 模件、数据库和工具软件，都按计算机开放标准设计，选用商品化硬 件和软件。OVATION 系统具有以下优点： （1）使本 DCS 系统可随着世界计算机技术的进步而进步； （2）延长了 DCS 系统的可用性； （3）更易于软件开发和应用； （4）易于吸纳第三方开发的高性能应用软件； （5）易于实现全厂乃至整个电力局系统的信息一体化。 2.2 Ovation 控制系统的特点 一 Ovation 控制器处理功能强大： （1） Intel 奔腾处理器 （2） 执行模拟、顺序控制 （3） 单个控制器容纳 16000 点 （4） 5 个控制区, 每个控制区执行速度可调节 (10 ms - 30ms) （5） 离线仿真能力 （6） 工业标准 POSIX 实时操作系统 （7） 采用的操作系统相同 沈阳工程学院毕业设计（论文） 4 二 Ovation 控制器标准 PC 结构 （1） 带无源 PCI 总线，工业标准 PC 结构 （2） 直接与 WDPF Q-Line 和 Ovation I/O 接口 （3） 支持第三方设备、现场级设备的接入 三 Ovation 控制器最大限度容错设计 （1） 冗余的处理器、电源和通讯 （2） 自动无扰动切换 （3） 32 位多任务环境 （4） I/O 总线故障隔离 （5） 完善的内置诊断功能 （6） 无源底板，无源部件 （7） 极少线路, 高可靠 四 Ovation 操作员站强大、灵活的过程监控能力 （1） 过程图显示 （2） 同时监控 8 幅过程图，支持双 CRT 显示 （3） 矢量格式，任一窗口可无级缩放 （4） 小于 1 秒的画面响应速度 （5） 支持过程图组显示 （6） 趋势组监控 （7） 同时监控 4 幅实时趋势4 幅历史趋势，每幅趋势 8 点 （8） 趋势表显示 （9） 多种布置方式可选 基于 Ovation 的再热汽温检测控制系统 5 3 火力发电厂发电工艺简介 3.1 火力发电厂概述 火力发电厂是利用化石燃料燃烧释放的热能发电的动力设施，包括燃料燃烧释热和 热能电能转换以及电能输出的所有设备、装置、仪表器件，以及为此目的设置在特定场 所的建筑物、构筑物和所有有关生产和生活的附属设施。主要有蒸汽动力发电厂、燃气 轮机发电厂、内燃机发电厂几种类型。 3.1.1 火力发电厂基本原理 电磁感应理论：任何变化的电场都要在其周围空间产生磁场，任何变化的磁场都要 在其周围空间产生电场。 热力学第一定律：热可以变为功，功也可以变为热，消耗一定热量时，必产生相当 数量的功，消耗一定量的功时，必出现相应数量的热。 热力学第二定律：高温物体的热能可以自动传递给低温物体，而低温物体的热能却 不能自动地传递给高温物体。机械能可以自动转化为热能，而热能却不能自动转化为机 械能。 3.1.2 主要生产过程简述 储存在煤场中的原煤由输煤设备从煤场送到锅炉的原煤斗中，再由给煤机送到磨煤 机中磨成煤粉。煤粉送至分离器进行分离，合格的煤粉送到煤粉仓储存(仓储式锅炉)。煤 粉仓的煤粉由给粉机送到锅炉本体的喷燃器，由喷燃器喷到炉膛内燃烧(直吹式锅炉将煤 粉分离后直接送入炉膛)。燃烧的煤粉放出大量的热能将炉膛四周水冷壁管内的水加热成 汽水混合物。混合物被锅炉汽包内的汽水分离器进行分离，分离出的水经下降管送到水 冷壁管继续加热，分离出的蒸汽送到过热器，加热成符合规定温度和压力的过热饱和蒸 汽，经管道送到汽轮机做功。过热蒸汽在汽轮机内做功推动汽轮机旋转，汽轮机带动发 电机发电，发电机发出的三相交流电通过发电机端部的引线经变压器升压后引出送入电 网。在汽轮机内作完功的过热蒸汽被凝汽器冷却成凝结水，凝结水经凝结泵送到低压加 热器加热，然后送到除氧器除氧，再经给水泵送到高压加热器加热后,送到锅炉继续进行 热力循环。再热式机组采用中间再热过程，把在汽轮机高压做功之后的蒸汽送到锅炉的 再热器中再热，温度合格的再热蒸汽被送到汽轮机中、低压缸继续推动汽轮机做功，如 图 2.1。 以上只简单地讲述了电厂从煤到电的过程，但是实际上每个设备中所进行过程都十 分复杂，除了主要设备的工作原理、结构和系统外，还有自动控制保护以及设计计算、 经济运行等问题。 沈阳工程学院毕业设计（论文） 6 图 2.1 火力发电厂生产过程 3.2 火电厂三大控制系统 3.2.1 锅炉给水控制系统 汽包锅炉给水控制的主要任务是使锅炉的给水量跟踪锅炉的蒸发量，保证锅炉进出 的物质平衡和正常运行所需的工质，对于国产 300MW 机组普通采用的汽包锅炉来说，就 是维持汽包水位在允许范围内变化。所以，锅炉给水控制又称“锅炉水位控制” 。 汽包水位间接地反映了锅炉内物质平衡状况（主要是蒸汽负荷与给水量的平衡关系） ， 因此，它是表征锅炉安全运行的重要参数之一，也是保证汽轮机安全运行的重要条件之 一。汽包水位过高，会降低汽包内汽水分离装置的汽水分离效果，导致出口蒸汽水分过 多，使其含盐浓度增大，从而使过热器管壁结垢而导致烧坏过热器；汽包出口蒸汽中水 分过多，还会使过热汽温产生急剧变化；而且使汽轮机叶片也易于结垢，降低汽轮机的 出力，直接影响机组运行的安全性和经济性。汽包水位过低，则会破坏锅炉的水循环， 使某些水冷壁管束得不到炉水冷却而烧坏，甚至引起锅炉爆炸事故。因此，为保证机组 安全运行，正常情况下一般限制汽包水位在-50+50mm 范围内变化。 基于 Ovation 的再热汽温检测控制系统 7 锅炉水位实现自动控制，不仅可提高锅炉汽轮机组的安全性，还可提高锅炉运行的 经济性。采用自动控制会使锅炉的给水连续均匀、相对稳定，从而使锅炉汽压稳定，保 证锅炉在合适的参数下稳定运行，使锅炉具有较高的运行效率。因此，电厂锅炉的给水 实现自动控制以及自动控制系统保持优良的工作性能是十分重要性的3。 3.2.2 过热蒸汽温度控制系统 锅炉过热蒸汽温度是影响锅炉生产过程安全性和经济性的重要参数。现代锅炉的过 热器是在高温、高压的条件下工作，过热器出口的过热蒸汽温度是全厂整个汽水行程中 工质温度的最高点，也是金属壁温的最高处。过热器采用的是耐高温、高压的合金钢材 料，过热器正常运行时的温度已接近材料所允许的最高温度。如果过热蒸汽温度过高， 容易烧坏过热器，也会使蒸汽管道、汽轮机内某些零部件产生过大的热膨胀变形而毁坏， 影响机组的安全运行；如果过热蒸汽温度过低，将会降低全厂的热效率，一般蒸汽温度 每降低 510，热效率约降低 1%，不仅增加燃料消耗量，浪费能源，而且还将使汽轮 机最后几级的蒸汽湿度增加，加速汽轮机叶片的水蚀。另外，过热蒸汽温度降低还会导 致汽轮机高压部分级的焓降减小，引起各级反动度增大，轴向推力增大，也对汽轮机的 安全运行带来不利。所以，过热蒸汽温度过高或过低都是生产过程所不允许的。 为了保证过热蒸汽的品质和生产过程的安全性、经济性，过热蒸汽温度必须通过自 动化手段加以控制。因此，过热蒸汽温度的控制任务是：维持过热器出口蒸汽温度在生 产允许的范围内，一般要求过热蒸汽温度的偏差不超过额定值(给定值)的+5-101。 3.2.3 再热蒸汽温度控制系 在大型机组中，新蒸汽在汽轮机高压缸内膨胀做功后，需再送回到锅炉再热器中加 热升温，然后再送人汽轮机中、低压缸继续做功。采取蒸汽中间再热可以提高电厂循环 热效率，降低汽轮机末端叶片的蒸汽湿度，减少汽耗等。为了提高电厂的热经济性，大 型火力发电机组广泛采用了蒸汽中间再热技术。因此，再热器出口蒸汽温度的控制成为 大型火力发电机组不可缺少的一个控制项目。 再热蒸汽温度控制的意义与过热蒸汽温度控制一样，是为了保证再热器、汽轮机等 热力设备的安全，发挥机组的运行效率，提高电厂的经济性。再热蒸汽温度控制的任务， 是保持再热器出口蒸汽温度在动态过程中处于允许的范围内，稳态时等于给定值。 沈阳工程学院毕业设计（论文） 8 4 再热蒸汽温度检测控制系统 4.1 火电厂再热汽温检测控制系统概述 4.1.1 再热蒸汽温度检测控制的意义与任务 在大容量、高参数机组中，新蒸汽在汽轮机高压缸内膨胀做功后，需送回到锅炉再 热器中加热升温，然后再送人汽轮机中、低压缸继续做功。这样可以提高机组的循环效 率，并防止汽轮机末级蒸汽带水，减少汽耗，提高热经济性。提高再热蒸汽温度对于提 高循环效率是十分重要的，但受金属材料的限制，目前一般机组的再热蒸汽温度都控制 在 560以下。另一方面，在锅炉运行中，再热器出口温度更容易受到负荷和燃烧工况等 因素的影响而发生变化，而且变化的幅度是相当大的，如果不进行控制，可能造成中压 缸转子与汽缸产生较大的热变形，引起汽轮机振动，造成事故。因此，再热器出口蒸汽 温度的控制成为大型火力发电机组不可缺少的一个控制项目。 再热蒸汽温度控制的意义与过热蒸汽温度控制一样，是为了保证再热器、汽轮机等 热力设备的安全，发挥机组的运行效率，提高电厂的经济性。再热汽温控制系统的任务 是保持再热器出口蒸汽温度在动态过程中处于允许的范围内，稳态时等于给定值。 4.1.2 再热蒸汽的特点 在电力工业的长期发展过程中，通过蒸汽的初参数不断变化来提高电厂的循环热效 率。但蒸汽温度的进一步提高受到高温钢材的限制，现大多数电站锅炉的过热汽温维持 在 540-555 度的水平，仅提高压力而不相应的提高过热蒸汽的温度，会使蒸汽在汽轮机内 膨胀终止时的湿度过高，从而影响汽轮机的安全运行。再热循环的利用一方面可以进一 步提高循环的热效率（采用一次再热可使循环效率提高 4%6%，二次再热可提高 6% 8%） ，另一方面可以把汽轮机末级叶片的蒸汽温度控制在允许的范围内。 蒸汽参数的提高使水的蒸发热减少，过热热增加，使锅炉受热面的布置发生变化， 为增加炉内吸热量，在炉内除布置蒸发受热面外，还要布置过热受热面，因此再热器的 低温级在炉内以壁式再热器或屏式再热器形式存在，高温再热器一般采用对流式。由于 再热器是加热压力较低的蒸汽，且所加热的蒸汽为在高压缸内作功的蒸汽，故与过热蒸 汽相比有以下特点： （1） 再热器的工作条件较差 由于再热蒸汽压力低，在相同的蒸汽流速下，管内壁对再热蒸汽的放热系数比过热 蒸汽小得多（对于铁岭发电厂 1021T/H 亚临界压力锅炉，在额定工况时的再热蒸汽放热 基于 Ovation 的再热汽温检测控制系统 9 系数仅为过热蒸汽的 20%左右） ，所以再热蒸汽对管壁的冷却能力差，即在受热面负荷相 同的情况下，管壁与蒸汽间的温差较过热器大。 （2） 再热器系统的阻力对机组的热效率有较大影响 再热器的位置使该系统的阻力对蒸汽在汽轮机内的有效焓降有很大影响，从而使热 耗和热效率相应减小，降低阻力既降低流速又会使通流面积过大，金属耗量加大。 （3） 再热器对汽温偏差比较敏感 因蒸汽比热随压力降低而减少，再热蒸汽的压力远比过热蒸汽低，所以在相同的热 偏差条件下，在偏差管与平均管的焓增差相同的情况下，所引起的出口汽温偏差比过热 蒸汽大。从改善热偏差的角度看，应在再热器系统中增加混合交叉次数，但要考虑流动 阻力加大的负面影响，铁岭电厂仅在低温再热器和高温再热器间采用一次交叉换热。 （4）运行工况变化对再热汽温影响较大 当运行工况变化时（如锅炉出力、过量空气系数、火焰中心位置等）将使受热面的 吸热量及蒸汽的焓增发生相应的变化，从而使出口汽温的变化，在焓增相同的情况下， 再热汽温的变化量要比过热蒸汽大。 （5）运行方式对汽温的影响较大 再热器一般安装在以对流热交换为主的锅炉烟道内，所以再热汽温受烟气流量及烟 温的影响较大，同时再热汽温又受汽轮机高压缸排汽压力和温度的影响，对定压运行而 言这种影响很大，变压运行时由于调门处于全开或部分全开，使流量、温差等因素均有 利于维持主汽温和再热温度，故温度变化较小。当定压运行时，一般负荷每降低 1%，再 热汽温降低近 1%度。 4.1.3 再热蒸汽温度的影响因素 影响再热蒸汽温度的因素很多，例如机组负荷的大小，火焰中心位置的高低，烟气 侧的烟气温度和烟速(烟气流量)的变化，各受热面积灰的程度，燃料、送风和给水的配比 情况，给水温度的高低，汽轮机高压缸排汽参数等，其中最为突出的影响因素是负荷扰 动和烟气侧的扰动。 由于再热蒸汽的汽压低，重量流速小，传热参数小，所以再热器一般布置在锅炉的 后烟井或水平烟道中，它具有纯对流受热面的汽温静态特性单位重量工质的吸热量 随负荷的下降而降低。而且，当机组蒸汽负荷变化时，再热蒸汽温度的变化幅度比过热 蒸汽温度的变化幅度要大，上例如，某机组负荷降低 30时，再热蒸汽温度下降 28 35，差不多是负荷每降低 1再热蒸汽温度下降 1。因此，负荷扰动对再热汽温的影 响最为突出。 由于烟气侧的扰动是沿整个再热器管长进行的，所以它对再热蒸汽温度的影响也比 较显著。但烟气侧的扰动对再热蒸汽温度的影响存在着管外至管内的传热过程，所以它 的影响程度次于蒸汽负荷的扰动。 沈阳工程学院毕业设计（论文） 10 4.1.4 再热蒸汽温度控制的方法手段 再热汽温的控制一般以烟气侧控制为主要控制手段，可采用的烟气控制方法有：改 变烟气再循环流量、变换烟气挡板位置来改变通过再热器的烟气分流量、改变燃烧器的 倾斜角度来改变火焰中心位置、采用多层布置圆型燃烧器等。此外，还可以采用微量喷 水和事故喷水来配合减温。 (1) 采用烟气再循环控制再热汽温的自动控制系统 烟气再循环法是利用烟气再循环风机，将部分烟气从省煤器后抽出，再从炉底冷灰 斗外送入炉膛，形成再循环烟气流量。低温烟气送入炉膛底部可降低炉膛温度，以减少 炉膛的辐射传热，从而提高炉膛出口烟气的温度和流速，使再热器的对流传热加强，达 到调温的目的。例如，当负荷降低而使再热汽温降低时，可通过开大再循环风机的出口 挡板来增加再循环烟气的流量，使再热汽温升高，烟气再循环装置如图 4.1 所示。烟气再 循环对主汽温产生正向影响，即调高再热汽温时，同时主汽温度升高。另外，烟气再循 环对主蒸汽压力和蒸汽流量也要造成扰动，如图 4.2 所示。若由于某种原因使再热汽温升 高，这时起升温作用的烟气再循环装置显然是不需要投入的，只能用事故喷水进行再热 汽温控制。当再循环设备停用时应自动打开热风门，引入压力稍高的热风将炉膛烟气封 锁，以防止高温炉膛烟气经挡板缝隙倒流入再循环烟道而烧坏设备。总之，采用再循环 烟气控制再热汽温的优点是反应灵敏，调温幅度大；缺点是设备结构较复杂，且易造成 对其他参数的扰动。另外，再循环风机工作条件恶劣，容易磨损和腐蚀，风机增加了长 用电消耗。 图 4.1 烟气再循环示意图 基于 Ovation 的再热汽温检测控制系统 11 图 4.2 烟气再循环对其他参数的影响 图 4.3 利用烟气再循环的再热汽温汽温控制系统 沈阳工程学院毕业设计（论文） 12 采用烟气再循环控制再热汽温的自动控制系统如图 4.3 所示。该系统工作原理如下： 再热汽温 在比较器 内与给定值（由 A 产生）比较，当汽温低时，偏差值为正信号， 此信号进入调节器 PI1，其输出经执行器 KZ 去控制烟气挡板开度，增大烟气再循环量， 以控制再热汽温。在加法器中引入了送风量信号 VG 作为比值控制信号，送风量 V 反 映了锅炉负荷大小，同时能提前反映汽温的变化。当 V 增加时，汽温升高，故 V 按负向 送入调节器。函数模块 f（x）是用来修正风量和再循环烟气量的关系的，风量增加时， 相应的烟气再循环量应减少，乘法器采用烟温信号修正再循环烟气量。当再热蒸汽超温 时，比较器 输出为负值，PI1 输出负信号直至关紧烟气再循环挡板，烟气再循环失去 调温作用。同时，比较器 的输出通过反相器-K1，比例偏置器 去喷水调节器 PI2， 开动喷水调节阀去控制再热汽温，负汽温偏差信号经反相器-K2 去偏差报警器，实现超温 报警，同时继电器打开热风门，用热风将循环烟道堵住，防止因高温炉烟倒流入再循环 烟道而烧坏设备。当再热汽温恢复到给定值时，比较器输出为零，PI2 关死喷水门，偏差 报警信号通过继电器关闭热风门，烟气再循环系统重新投入工作。 (2) 采用烟气挡板控制再热汽温的控制系统 此控制方案也可称之为“旁路烟道法” ，即通过控制烟气档板的来改变流过过热器受 热面和再热器受热面的烟气分配比例，从而达到控制再热汽温的目的。烟气挡板在炉内 的布置情况如图 4.4 所示。采用这种方法时，锅炉的尾部烟道分为两部分，在主烟道中布 置低温再热器，旁路烟道中布置低温过热器，烟气挡板布置在烟温较低的省煤器下面。 采用烟气挡板调温的优点是设备结构简单、操作方便；缺点是调温的灵敏度较差、调温 幅度也较小。此外，挡板开度和汽温变化也不成线性关系。为此，通常将主、旁两侧挡 板按相反方向联动联接，以加大主烟道的烟气量的变化和克服挡板的非线性。 图 4.4 烟气挡板在烟道内布置示意图 当采用改变烟气流量作为控制再热汽温的手段时，控制通道的迟延和惯性较小，因 此原则上只需采用单回路控制系统控制再热汽温。考虑到负荷变化是引起再热汽温变化 基于 Ovation 的再热汽温检测控制系统 13 的主要扰动，把主蒸汽量（负荷）作为前馈信号引入控制系统将有利于再热汽温的稳定， 图 4.5 给出了改变烟气挡板位置控制再热汽温的一种方案。 其工作原理如下：正常情况下即当再热汽温处于给定值附近变化时，通过改变烟气 挡板开度来消除再热汽温的偏差，蒸汽流量 D 作为负荷前馈信号通过函数模块 f3（x）去 直接控制烟气挡板。当 f3（x）的参数整定合适时，能使负荷变化时的再热汽温保持基本 不变或变化很小。反相器K 用以使两个挡板反向作用。喷水减温调节器 PI2 也是以再热 汽温作为被调信号，但此信号通过比例偏置器 被叠加了一个负偏置信号（它的大小 相当于再热汽温允许的超温限值） 。这样，当再热汽温正常时，喷水调节器的入口端始终 只有一个负偏差信号，它使喷水阀全关。只有当再热汽温超过规定的限值时，调节器的 入口偏差才会变为正，从而发出喷水减温阀开的指令，这样可防止喷水门过分频繁的动 作而降低机组热经济性。 图 4.5 采用烟气挡板控制再热汽温的系统 当采用改变烟气流量作为控制再热汽温的手段时，控制通道的迟延和惯性较小，因 此原则上只需采用单回路控制系统控制再热汽温。考虑到负荷变化是引起再热汽温变化 的主要扰动，把主蒸汽量（负荷）作为前馈信号引入控制系统将有利于再热汽温的稳定， 图 4.5 给出了改变烟气挡板位置控制再热汽温的一种方案。 其工作原理如下：正常情况下即当再热汽温处于给定值附近变化时，通过改变烟气 挡板开度来消除再热汽温的偏差，蒸汽流量 D 作为负荷前馈信号通过函数模块 f3（x）去 直接控制烟气挡板。当 f3（x）的参数整定合适时，能使负荷变化时的再热汽温保持基本 不变或变化很小。反相器K 用以使两个挡板反向作用。喷水减温调节器 PI2 也是以再热 汽温作为被调信号，但此信号通过比例偏置器 被叠加了一个负偏置信号（它的大小 沈阳工程学院毕业设计（论文） 14 相当于再热汽温允许的超温限值） 。这样，当再热汽温正常时，喷水调节器的入口端始终 只有一个负偏差信号，它使喷水阀全关。只有当再热汽温超过规定的限值时，调节器的 入口偏差才会变为正，从而发出喷水减温阀开的指令，这样可防止喷水门过分频繁的动 作而降低机组热经济性。 (3) 采用摆动燃烧器法控制再热汽温的自动控制系统 燃烧器摆动角度对炉膛出口烟温的影响如图 4.6 所示。由图知，燃烧器上倾时可提高 炉膛出口烟气温度，燃烧器下倾时可降低炉膛出口烟气温度，因此改变燃烧器倾角能够 控制再热汽温。此外，该机组还以减温喷水作为控制再热汽温的辅助手段。 图 4.6 燃烧器倾角对炉膛出口烟温 通过改变燃烧器倾斜角度来改变炉膛火焰中心的位置和炉膛出口的烟气温度，使各 受热面的吸热比例相应发生变化，达到控制再热汽温的目的。燃烧器摆动角度对炉膛出 口烟温的影响如图 4.6 所示。由图知，燃烧器上倾时可提高炉膛出口烟气温度，燃烧器下 倾时可降低炉膛出口烟气温度，因此改变燃烧器倾角能够控制再热汽温。图 4.7 是采用该 方法的一个控制系统图。燃烧器控制系统是一个单回路控制系统，定值器 A 给出的再热 汽温设定值经过主蒸汽流量 D 的 f1（x）修正后作为调节器的设定值，与再热器出口汽温 比较，其偏差值送入 PI1 调节器。为了抑制负荷扰动引起的再热汽温变化，系统增加 了主蒸汽流量的前馈补偿回路，补偿特性由两个函数模块 f2（x） 、f3（x）决定，前馈回 路由两个并行支路构成，送入小选模块的一路在动态过程中可以加强控制作用。 当再热汽温超出给定值，偏差达一定值时，喷水减温系统便自动投入，通过喷水减 温来限制再热汽温的升高。该系统的 PI2 调节器的测量值为再热汽温的偏差信号，设定值 为再热汽温偏差允许值。同样为了改善控制过程的品质，这里也引入了由 f4（x）构成的 蒸汽流量动态补偿，原理同前述。 基于 Ovation 的再热汽温检测控制系统 15 图 4.7 采用摆动燃烧器控制的系统 (4) 采用微量喷水和事故喷水减温 烟气挡板控制或燃烧器摆角控制的辅助控制手段，是微量喷水和事故喷水减温。当 用烟气挡板或改变燃烧器摆角不能将再热汽温控制住时，并且再热汽温高过一定值时， 则通过喷水快速降低再热汽温。但用减温水控制再热汽温会降低机组的循环效率，因为 再热器采取喷水减温时，将减小效率较高的高压汽缸内的蒸汽流量，降低了机组的热效 率，所以在正常情况下，再热蒸汽温度不宜采用喷水调温方式。但喷水减温方式简单、 灵敏、可靠，所以可以将其作为再热蒸汽温度超过极限的事故情况下的一种保护手段。 4.2 基于 Ovation 的 300MW 机组再热汽温检测控制系统设计概述 在现阶段，比较成熟的再热器调温手段主要有以下几种：改变烟气再循环流量、变 换烟气挡板位置来改变通过再热器的烟气分流量、改变燃烧器的倾斜角度来改变火焰中 心位置、采用多层布置圆型燃烧器、汽汽热交换器调温以及微量喷水和事故喷水等方 法。 （各种方法在前一章节已有详细介绍，在此不再重复）这几种调温方法各有优缺点， 难以对其评价孰优孰劣，但由于烟气挡板以及摆动式燃烧器设备简单安全，控制灵活， 无需额外的辅助动力要求，而且能够实现双向调温。所以在本次设计中，我将采用这两 种方法进行再热汽温的调节，即以改变摆动式燃烧器喷嘴倾角为主，微量喷水为辅的控 制方案，同时设置了事故喷水作为辅助控制手段的调节方式。 沈阳工程学院毕业设计（论文） 16 目前，在大型火电厂中普遍采用分散控制系统(DCS)以提高自动化水平，提高电厂的 安全、经济和稳定运行水平。DCS 提供的强大软硬件支持，以及高速、大容量的计算能 力，为在电厂控制中采用一些先进的算法提供了可能。所以，在本次设计中我采用美国 西屋公司 Ovation 控制系统来实现系统的组态和控制。在下一节中将详细介绍铁岭发电厂 300MW 机组再热汽温控制系统的工作过程。 图 4.8 再热蒸汽流程 4.3 基于 Ovation 的 300MW 机组再热汽温检测控制系统 SAMA 图设计说明 如图 4.8，过热蒸汽在高压缸做功之后送到再热器进行再次加热，使其成为此压力下 的饱和蒸汽，然后送往中低压缸继续做功。再热器分为对称的 A、B 两侧，在炉膛里的布 置也是对称的。A、B 两侧各有一个喷水减温装置，由相应的减温喷水控制阀进行控制。 本节将详细介绍铁岭电厂 300MW 机组再热汽温控制系统的工作过程。 4.3.1 摆动燃烧器控制系统 基于 Ovation 的再热汽温检测控制系统 17 图 4.9 温度测量 SAMA 图 如图 4.9 所示，锅炉左、右两侧末级再热器出口联箱上各装有两个出口蒸汽温度测点， 取其平均值作为测量值。再热蒸汽温度的给定值由汽轮机主蒸汽校正后的信号经函数器 转换后与定值器给出的定值信号经相加产生，送入图 4.10 中的 PID 调节器中。在自动情 况下， PID 输出信号直接与燃烧器摆角位置反馈信号即 ZT 求偏差，形成了对燃烧器喷 嘴倾角的控制指令，这个指令信号共四路并行输出，最终控制燃烧器四个喷嘴的倾角,如 图 4.10。在手自动情况下，手自动切换站的输出为设定值。此时，PID 输出信号将与一给 定值求和做为喷水减温主调节器的给定值。 由逻辑图可知，当燃烧器失败或四个点火中的一个失败或 MFT 和主蒸汽流量25%或 一级压力坏质量或再热器出口温度坏质量或总风量信号坏质量时，跳摆角手动，此时， 调节器跟踪总风量信号与燃烧器喷嘴倾角信号的差值，以保证切换的平衡无扰动。 图 4.10 手自动切换 SAMA 图 沈阳工程学院毕业设计（论文） 18 图 4.11 燃烧器摆度控制图 4.3.2 喷水减温控制系统 图 4.12 喷水减温 SAMA 图 1 级压力信号经过函数 f(x)运算后与设定值 10 求和，然后分两路记作信号 E 和 F，这 两个信号分别与再热器 A 侧指令和 B 侧指令进行高选，与 A 侧再热器指令高选的信号一 路与再热器 A 侧入口温度信号求和经过高低信号测试器来进行逻辑运算，另一路与再热 器 A 侧入口温度信号求偏差进行 PID 运算，输出的信号记为 G。经过手操作站 G 信号又 分两路，一路进行显示，另一路与左再热器喷水调节阀位置反馈信号求和，经过高低信 号测试器来控制 A 侧再热汽温喷水调节阀的位置。B 侧再热汽出口温度信号，一路与 F 信号高选后的信号求和，经过高低信号测试器进行逻辑运算。另一路与 F 信号求偏差进 基于 Ovation 的再热汽温检测控制系统 19 行 PID 运算，输出的信号与 G 信号功能相同，一路进行显示，另一路与右再热器喷水调 节阀位置反馈信号求和，经高低信号测试器来控制再热汽 B 侧调节阀的位置。 当再热汽温超出给定值，偏差达一定值时，喷水减温系统便自动投入，通过喷水减 温来限制再热汽温的升高，可以说喷水减温控制起到辅助或保护性质减温作用。该系统 采用 串级控制系统，与过热汽温二级减温控制系统相似。 主回路的测量值与摆动燃烧器喷嘴控制系统的取值方式相同，设定值是在摆角控制 系统中设定的方式上加上定值器给值的调整。副回路的测量值由两个测点测得，主调节 器的输出作为副调节器的给定值，副调节器据偏差信号控制运算后分为两路分别控制再 热喷水阀 A 和 B。 在此系统中，若再热喷水阀均手动控制时，副调节器跟踪阀门位置反馈，主调节器 跟踪再热器入口温度的测量值，如图 4.13。 图 4.13 喷水减温条件 SAMA 图 喷水减温作为燃烧器摆角控制的一种辅助控制手段，只有在燃烧器倾角达到极限摆 动角度之后，而且再热汽温仍然高于给定值时，方可投入。用于燃烧器倾角控制器的再 热汽温给定值和一个经函数关系 f(x)运算后的 1 级压力信号控制指令信号进行高选，成为 减温水调节阀副调节器 PID 的设定值，与再热器入口温度信号为副调节器的变量值求偏 差，进行 PID 运算，来控制减温水调节阀的位置。 尽管喷水减温是一种以牺牲热效率为代价的再热汽温控制手段，但是当燃烧器倾角 控制效果不太理想时，往往采用微量喷水控制方案。考虑到这种情况，锅炉应该在高温 再热器入口布置微量喷水减温器，而在低温再热器入口布置事故喷水减温器。喷水减温 沈阳工程学院毕业设计（论文） 20 系统的减温水取自再热减温水母管，母管水是从给水泵某一抽头引出的，因此有足够的 压头。减温水经过关断阀和调节阀喷向再热器入口端。 控制燃烧器摆角的 PID 分析 当控制燃烧器摆角的 PID 调节时，控制燃烧器摆角的手操作站。OUT 投自动输出， 输出为 1 的数字信号，经过逻辑与运算，输入到控制减温水调节的切换器 2，使 Y=1， 此时，SET 为 0 输出，也就是说，手操作站输出的信号再和设定值 信号求和的信号不能 通过，而是由主蒸汽流量信号和设定的信号求和后，作为主调节的 PID 的设定值，来控 制减温水调节阀的位置，此时，减温水不起作用，调节阀应为关的状态。 当再热器 A，B 侧温度出现故障或再热器平均温度高或低，或者主燃料跳闸。其中一 个条件成立手操作站投入手动信号，此时 PID 对控制不起作用，开始起跟踪作用，跟踪 手操作信号。当信号满足投自动的条件，再此投入自动控制，PID 跟踪的目的是实现无扰 切换，当燃料跳闸投手动时，控制燃烧器摆角的设置点信号为 50，燃烧器摆角处于水平 位置，切换器 2 的 N=1，此时，减温水调节阀有再热器出口温度，主蒸汽流量温度，和 设定值来控制，此时，减温水起作用，喷水降温， 减温水调节阀的 PID 分析 当再热器出口温度和主