600MW机组过热汽温一级减温系统设计正文

1、1 引 言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。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。必须通过自动化手段加以控制，维持其出口蒸汽温度在生产允许的范围内。因此，需要采用适当的减温方式改变过热器入口的蒸汽温度，从而控制出口的过热蒸汽温度。 汽包锅炉过热蒸汽温度自动控制是维持过热器出口蒸汽温度在允许范围内，并且保护过热器，使管壁温度不超过允许的工作温度。过热蒸汽温度过高，会造成过热器、蒸汽管道和汽轮机高压部分的金属损坏，因而过热汽温的上限一般不超过额定值

2、5 ；过热蒸汽温度过低，会降低全厂的热效率并影响汽轮机的安全经济运行，因而过热汽温的下限一般不低于额定值10 。主蒸汽温度的稳定对机组的安全经济运行是非常重要的。过热蒸汽温度控制的任务是维持过热器出口蒸汽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。1.1 课题的意义锅炉中将蒸汽从饱和温度进一步加热至过热温度的部件，又称蒸汽过热器。大部分工业锅炉不装设过热器，因为许多工业生产流程和生活设施只需要饱和蒸汽。在电站、机车和船用锅炉中，为了提高整个蒸汽动力装置的循环热效率，一般都装有过热器。采用过热蒸汽可以减少汽轮机排汽中的含水率。过热蒸汽温度的高低取决于锅炉的压力、蒸发量、

3、钢材的耐高温性能以及燃料与钢材的比价等因素，对电站锅炉来说,4兆帕的锅炉一般为450左右;10兆帕以上的锅炉为540570。少数电站锅炉也有采用更高过热汽温的（甚至可达650）。 温度过高，过热器和高压锅炉会被损坏，若温度过低，电厂的效率会被降低。过热器内部温度变化也要很好的抑制，否则，剧烈的温度变化会引起较大的机械压力，可能会引起锅炉破裂，从而会减少加热系统单元的生命并且增加维护费用。因此合理控制主汽温对保证电厂的安全经济运行有重大影响控制器，内环为P 控制。过热汽温控制是热工控制系统中一个十分重要的控制系统，其主要任务是维持过热器出口温度在允许范围内并且保护过热器，使其壁温不超过允许温度。

4、过热汽温的暂时偏差不允许超过10，长期偏差不允许超过5。温度过高会使过热器和汽机高压缸承受过高的热应力而损坏;温度过低则会降低机组的热效率，影响经济运行3。过热汽温控制系统发生故障将会给整个电厂运行带来严重的后果，因此，以过热汽温控制系统为例进行故障诊断的研究具有代表性和实用性。1.2 过热器类型和特点过热器按传热方式可分为对流式、辐射式和半辐射式； 按结构特点可分为蛇形管式、 屏式、墙式和包墙式。它们都由若干根并联管子和进出口集箱组成。管子的外径一般为3060毫米。对流式过热器最为常用，采用蛇形管式。它具有比较密集的管组，布置在 4501000烟气温度的烟道中，受烟气的横向和纵向冲刷。烟气主

5、要以对流的方式将热量传递给管子，也有一部分辐射吸热量。屏式过热器由多片管屏组成，布置在炉膛内上部或出口处，属于辐射或半辐射式过热器。前者吸收炉膛火焰的辐射热，后者还吸收一部分对流热量。在10兆帕以上的电站锅炉中，一般都兼用屏式和蛇形管式两种过热器，以增加吸热量。敷在炉膛内壁上的墙式过热器为辐射式过热器，较少采用。包墙式过热器用在大容量的电站锅炉中构成炉顶和对流烟道的壁面，外面敷以绝热材料组成轻型炉墙。图为几种过热器的布置。装有过热器的小容量工业锅炉一般只用单级管组的对流式过热器即能满足要求。 1.3 过热器的性能锅炉运行工况的变化，例如负荷高低、燃料变化、燃烧工况变动等,都对过热器出口汽温有影

6、响,所以在电站锅炉中都有调节锅炉出口汽温使其稳定在规定值的手段。常用手段有：用喷水式或表面式减温器直接调节汽温；用摆动燃烧器改变炉膛出口烟气温度；用烟气再循环调节过热器吸热量（见锅炉汽温调节）。锅炉负荷升高时，对流式过热器的进出口蒸汽温度升高值增大，辐射式过热器的温度升高值减小。若将对流式、辐射式和半辐射式过热器合理组合配置，则可在负荷、燃烧工况等变化时使出口汽温变化较小。过热器管组中各并联管子的吸热量和蒸汽流量在运行中都会有差别。为避免个别管子中温度过高，在大型锅炉中把过热器分成若干管组，用炉外的集箱对各管组蒸汽进行混合并用导汽管使各管组换位，以避免各管间出现过大的温度差。2过热器工作介绍2

7、.1过热汽温控制的任务过热蒸汽温度自动控制的任务是维持过热器出口蒸汽温度在允许范围内，并且保护过热器，是管壁温度不超过允许的工作温度。过热蒸汽温度是锅炉运行质量的重要指标之一，过热蒸汽温度过高或过低都会显著地影响电厂的安全性和经济性。过热蒸汽温度的上限一般不应超过额定值5。过热蒸汽温度过低，又会降低全厂的热效率并影响汽轮机的安全经济运行，因而过热汽温度的下限一般不低于额定值10。过热汽温的额定值通常在500以上，例如高压锅炉一般不低于540，就是说要使过热汽温保持在5405的范围内。2.2过热汽温控制对象的动态特性影响过热器出口蒸汽温度变化的原因很多，如蒸汽流量变化、燃烧工况变化、锅炉给水温度

8、变化、进入过热器的蒸汽温度变化、流经过热器的烟气温度和流速变化、锅炉受热面结垢等。2.2.1蒸汽流量（负荷）扰动下过热汽温对象的动态特性当锅炉负荷扰动时，蒸汽流量的变化使沿整个过热器管路长度上各点的蒸汽流速几乎同时改变，从而改变过热器的对流放热系数，使过热器各点的蒸汽温度几乎同时改变，因而汽温反应较快。过热器出口汽温的阶跃响应曲线如图2.1所示，其特点是：有滞后、有惯性、有自平衡能力，且较小。当锅炉负荷增加时，对流式过热器和辐射式过热器的出口汽温随负荷变化的方向是相反的。负荷增加时，通过对流式过热器的烟气温度和流速都增加，从而使对流式过热器的出口汽温升高。但是，由于负荷增加时，炉膛温度升高不多

9、，而炉膛烟温升高所增加的辐射热量小于蒸汽负荷增加所需要的吸收量，因而当负荷增加时，辐射式过热器出口汽温是下降的。现代大型锅炉过热器，对流式过热器受热面积大于辐射式过热器的受热面积，因此总的汽温将随负荷增加而升高。2.2.2烟气热量扰动下的过热汽温的动态特性图2.2表示烟气热量阶跃变化时的过热汽温的反应曲线，其特点是：有迟延、有惯性、有自平衡能力。烟气热量扰动（烟气温度和流速产生化）时，由于烟气流速和温度的变化也是沿整个过热器同时改变的，因而沿过热器整个长度使烟气传递热量也同时变化，所以汽温反应较快，其时间常数和迟延均比其他扰动小。图2.2表示烟气热量阶跃变化时的过热汽温的反应曲线，其特点是：有

10、迟延、有惯性、有自平衡能力。烟气热量扰动（烟气温度和流速产生变化）时，由于烟气流速和温度的变化也是沿整个过热器同时改变的，因而沿过热器整个长度使烟气传递热量也同时变化，所以汽温反应较快，其时间常数和迟延均比其他扰动小。现场当中是通过改变烟气温度（例如改变喷燃器角度或改变喷燃器投入的个数）或改变烟气流量来求取汽温响应曲线的。2.2.3减温水流量扰动下汽温的动态特性当锅炉负荷扰动时，蒸汽流量的变化使沿整个过热器管路长度上各点的蒸汽流速几乎同时改变，从而改变过热器的对流放热系数，使过热器各点的蒸汽温度几乎同时改变，因而汽温反应较快。过热器出口汽温的阶跃响应曲线如图2.3所示，其特点是：有滞后、有惯性

11、、有自平衡能力，且较小。当锅炉负荷增加时，对流式过热器和辐射式过热器的出口汽温随负荷变化的方向是相反的。负荷增加时，通过对流式过热器的烟气温度和流速都增加，从而使对流式过热器的出口汽温升高。但是，由于负荷增加时，炉膛温度升高不多，而炉膛烟温升高所增加的辐射热量小于蒸汽负荷增加所需要的吸收量，因而当负荷增加时，辐射式过热器出口汽温是下降的。现代大型锅炉过热器，对流式过热器受热面积大于辐射式过热器的受热面积，因此总的汽温将随负荷增加而升高。综上所示，汽温在各种扰动下都有延迟有惯性，有自平衡能力。就/值而言，减温量扰动下其值最大，烟汽扰动下次之，蒸汽流量扰动时为最小。要指出的是，在喷水减温控制系统中

12、，减温量的扰动强烈。对此段的温度要求比对高温段出口要求低，所以将它作为串级控制的副参数，在导前微分中也常将它作为导前微分信号。现场当中是通过改变烟气温度（例如改变喷燃器角度或改变喷燃器投入的个数）或改变烟气流量来求取汽温响应曲线的。图2.1 蒸汽负荷扰动下汽温的动态特性图2.2 烟气热量扰动下汽温的动态特性图2.3减温水流量扰动时的汽温动态特性3 一级过热喷水减温控制系统的功能和组成3.1 一级过热喷水减温控制系统的功能级过热器喷水减温控制系统是通过级减温水流量的控制，使屏式过热器出口汽温 维持在设定值，以保护屏式过热器管壁不致超温，同时配合高温过热汽温控制系统的工作。 外层慢速回路控制屏式过

13、热器出口蒸汽温度，内层快速回路通过控制一级减温水流量来保 证屏式过热器入口蒸汽温度达到要求值。级 A 侧与 B 侧控制原理相同，下面以 A 侧为例介绍过热器喷水减温控制系统工作原 理，其简图如图 3.1 所示。屏式过热器出口蒸汽温度设定值采用用运行人员手动设定和系统自动设定两种方式。 在自动设定方式下，屏式过热器出口温度设定值以经过 PTn 惯性环节的二级减温器出口温 度信号与期望的二级减温器温度降之和为基础，并受锅炉负荷允许的屏式过热器出口温度 的限制。屏式过热器入口蒸汽温度的设定值由外层慢速回路给定。外层慢速回路根据以下 主要因素预测维持或达到所设定的二级减温器入口温度所要求的一级减温器出

14、口所需的温度。1屏式过热器出口蒸汽温度设定值和实测值之间的偏差屏式过热器进口汽温（一级 喷水减温器出口汽温）的变化以屏式过热器的动态特性影响屏式过热器出口汽温的动态变 化。假设锅炉一直处于稳定状态，操作者要求屏过出口蒸汽温度增加 5，在稳定的压力 和负荷状态下，这个差值会通过加法器及乘法器作用到 PID 的设定值上，从而使 PID 的设定值相应增加 5。设定值的增加导致喷水量的减少，这使得减温器出口的温度增加。当屏过出口蒸汽温度升高时，根据屏过出口温度设定值和实测值之间的偏差同方向地增加屏过入口温度，因此使得 PID 调节器的设定值很稳定。控制回路中采用屏过入口蒸汽温度经过 PTn 惯性环节模

15、拟从屏过入口到屏过出口的温度变化过程。过热器的特性 PTn 随负荷的变动会发生改变，可通过负荷与惯性环节时间常数的关系曲线实现不同负荷下的过热器的特性。过热器特性 PTn 并不总是很准确。但经过 PTn 惯性环节的屏过入口蒸汽温度最终能稳定，所以屏过出口温度总能调整稳定到其设定点。这一系统可以满足超临界机组负荷调峰时的需要。为了协调这个控制回路，设置在 PTn 里的延时必须与实际屏式过热器热延迟相匹配，实际值在现场试验期间确定，而且对不同的蒸汽量会有所改变。当实发功率低于某值或者级 A 侧减温水调节阀操作站切手动时，PTn 的输出等于输入。2锅炉负荷前馈负荷前馈是一个微分脉冲、有适当比例和受限

16、制的信号。屏过入口温度设定值有一个 最低点（屏过出口蒸汽温度设定值也与此类似），此最低点与分离器湿态-干态转换点相对 应。这是因为在启动过程中，锅炉燃料量逐渐增加，分离器由湿态转向干态运行。炉内燃 料量增加时，炉膛出口烟温也增加，使炉膛内单位烟气的放热量反而减少，即对于屏式过 热器来说，单位重量蒸汽的吸热量反而减少，而通过屏式过热器的蒸汽流量是增加的，从 而导致屏过出口汽温随负荷的增加反而减少（相当于辐射过热器的汽温特性） 。当分离器 干态运行后，汽温随负荷的增加而增加。因此在湿态-干态转换的短时间内，应注意过热 汽温出现快速的严重超温现象。 为了避免出现这种情况， 系统采用了快速降低汽温设定

17、值， 预先增加喷水的方法。负荷指数在控制系统里产生一个“脉冲”并被处理，负荷增加时导 致产生更多的蒸汽，要求更多的冷却，通过从屏过入口温度设定值中减去负荷前馈分量以 减少屏过入口温度设定值从而增加喷水量。设定的比例（K）提供一个以为单位的值， 这个值代表一个确定的阀位变化，相当于所需给水量的变化，用以消除扰动。简图中 f(t) 是一个超前滞后环节，超前时间常数和滞后时间常数均可根据实际工况调整，当实发功率 低于某值或者级 A 侧减温水调节阀操作站切手动时，f(t)的输出等于输入，即此时负荷 前馈不发生作用。3屏过入口汽温的变化对屏过出口汽温变化的影响过热器出口汽温的改变量是通过过热器进口汽温（

18、喷水减温器出口汽温）的改变量实 现的，在不同负荷或压力下，同样出口汽温的改变量需要不同的进口汽温的改变量，这两 处汽温改变量存在定量关系，此定量关系可通过过热器进口和出口蒸汽的比热容确定。利 用这一原理根据屏过出口压力对屏过出口温度偏差进行修正，将其转换为屏过入口温度的 变化量。出口与进口蒸汽比热容的比值为出口汽温对进口汽温要求的调整系数。比热容及 调整系数随压力而变化，压力增加，同样的出口汽温改变量要求较大的进口汽温的变化。 由于过热器蒸汽侧级间的中间压力不测量，所以用这些级间的设计压力来计算比值。在 级过热器喷水减温控制系统中，根据汽水分离器的实测压力和比值计算级间的中间压力， 从而建立相

19、应点比热容与邻近测量压力间的关系。4饱和温度限制为了避免一级减温后的过热蒸汽带水，必须使一级减温后的蒸汽保持一定的过热度， 因此系统设计了饱和温度限制回路。一级减温器出口温度的低限限值采用汽水分离器压力 对应的饱和温度，并增加一个与汽水分离器压力的裕量得到。理论上，f(x)包含可查找的 蒸汽表。为了系统安全运行，过热器以及喷水减温控制设计有以下保护系统：当锅炉发生 主燃料跳闸时， 应全关一级减温水调节阀门， 即一级减温水调节阀门操作站强制输出为 0%。当发生 RUNBACK 或者级 A 侧喷水电动门全关的情况下，一级减温水调节阀门操作站 应输出一个常数，该数值由运行人员确定。如果系统出现下列情

20、况之一时，一级减温水调 节阀门 M/A 操作站应强制到手动状态：（1）总给水量信号故障（2）机组给定负荷信号故障（3）屏式过热器入口蒸汽温度 信号故障（4）屏式过热器出口蒸汽温度信号故障（5）一级减温水调节阀门指令与位置反 馈偏差大（6）屏式过热器入口蒸汽温度设定值与实际测量值偏差大（7）MFT 动作。3.1.1 一级 A 侧过热喷水减温控制系统图图3.1 级A侧过热器喷水减温控制系统图3.1.2一级过热喷水减温控制系统的组成以屏式（后屏）过热器入口汽温与锅炉负荷作为基本调节回路，再加上修正信号，通 过改变喷水调节器（一级喷水减温）的开度来调节汽温。图 3.2 为屏式过热器汽温调节的 基本回路

21、。在机组自启停装置（UAM）投自动时，喷水调节阀开度决定于 UAM 指令。当 UAM 指令不在自动时则由锅炉负荷的函数得到屏式过热器入口汽温的设定值。当燃烧器倾角变 化、屏式过热器入口汽温变化或其它运行工况变化时，则在该入口汽温的设定值上再加上 修正信号，实际的屏式过热器入口汽温与设定值的偏差决定喷水减温器的开度。这一屏式过热器汽温调节的修正信号综合了煤水比修正与屏式过热器出口汽温偏差 的修正，其中屏式过热器出口汽温的设定值由锅炉负荷函数与高温过热器的喷水函数的差 值得到。这样设计的目的是当高温过热器的喷水量大于或小于一定范围后，通过改变屏式 过热器的出口汽温，以使高温过热器的喷水量恢复到前述

22、范围内，保证高温过热器有一定 的可调范围。而煤水比修正信号是通过前馈方式送到过热器入口汽温设定值修正回路，如 图 3.3 所示。图3.2 屏式过热器汽温调节的基本回路在屏式过热器汽温调节回路中，屏式过热器汽温有一个切换点，它是由于分离器由湿 态到干态的切换影响。在启动过程中，分离器由湿态转向干态运行时，用增加燃料量的方 法。当炉内燃料量增加时，炉膛出口烟温也增加，使炉膛内单位公斤燃料的放热量反而减 少，就是说对于前、后屏过热器，单位公斤燃料的吸热量反而减少。另外，在湿态转换到 干态运行过程中，通过前屏过热器的蒸汽流量是增加的，这样屏式过热器的汽温是随着负 荷的增加反而减少（相当于辐射过热器的汽

23、温特性） ，因此屏式过热器入口（后屏入口） 汽温有一个下降的过程。当分离器转入干态运行后，也即锅炉转入直流运行，其汽温变化 是随着锅炉负荷（燃料量）的增加而增加的。因此分离器由湿态转入干态运行过程中屏式 过热器入口汽温有一个明显切换点。图3.3 屏式过热器入口气温设定值修正3.2过热汽温分段控制系统锅炉过热器由辐射过热器、对流过热器、屏式过热器和减温器等组成，其任务是将汽包出来的蒸汽加热到一定温度，然后送往汽轮机做功。过热蒸汽温度是锅炉运行质量的重要指标之一，过高或过低都会影响电厂的经济性和安全性，由于过热器承受高温、高压，它的材料采用耐高温、高压的合金钢。过热器正常运行的温度已接近刚才允许的

24、极限温度，强度方面的安全系数最小。因此，必须相当严格的将过热气温控制在给定值附近，一般要求过热气温与给定值的暂态偏差不超过士10摄氏度，长期偏差不超过士5摄氏度，过热气温过高会使过热器与汽轮机高压缸承受过高的热应力而损坏，气温偏低会降低机组热效率。第一段控制系统中，以前屏过热器入口汽温6作为导前汽温信号，通过控制级喷水WB1来维持前屏过热器出口汽温5为给定值。第二段控制系统中，以后屏过热器入口汽温4为导前汽温信号，通过控制级喷水量WB2以维持后屏过热器出口汽温3为给定值。第三段控制系统中，以高温对流过热器入口汽温2为副参数，通过控制级喷水量WB3以保持高温对流过热器出口汽温（主汽温）1满足要求

25、。三段汽温控制系统均采用串级控制，结构相似图3.4 过热蒸汽流程示意图A、B减温水调节阀 A、B减温水闭锁阀总 结本次设计是基于串级控制系统的锅炉过热蒸汽温度控制系统的设计，对炉温过热蒸汽的良好控制室保证系统输出蒸汽温度稳定的前提。采用串级控制系统可以极大地消除控制系统工作过程中的各种扰动，使系统工作在良好的状态下，在系统中控制仪表可进行主控、串级控制的切换，可满足系统在不同情况下的控制要求。本设计应用了很多我们曾经学过的知识，我将已经被束之高阁的一些书籍重新找出，认真阅读，从中不仅找到了设计需要的知识点，还发现了一些在以前的学习中忽略了的知识，这是本次设计中的额外收获。在设计过程中，我真切的感受到理论和实践之间存在的很大的距离，实践对于知识的掌握的重要性，这对我将来的学习和实践有很大的帮助。发现问题，面对问题，才有可能解决问题。书本上的知识是死的，只有通过实践的考验，真正的掌握了的知识才是自己的。在学习中一定要牢记，实践是检验真理的唯一标准。致 谢再设计过程中，培养了我发现问题，分析问题和解决问题的能力，也使我学到了很多课本无法涉及到的知识。此次设计的结束很完美，这其中有我自己的努力，但更多的是同学和老师的支持与帮助。开始我总是被一些小的、细的问题挡住前进的步伐，让我总是为了解决一个小问题而花费很长的时间，最后还要查阅其他的书籍才能找出解决的办法。并且我在做设