毕业论文(参考样本)

1、诚信声明本人声明:我所呈交的本科毕业设计论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外,论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。申请学位论文与资料若有不实之处,本人承担一切相关责任。本人签名:日期:年 月 日内蒙古科技大学本科生过程控制课程设计说明书热电厂锅炉过热蒸汽温度控制设计学生姓名:专 业:过程装备与控制工程指导教师:热电厂锅炉过热蒸汽温度控制设计摘 要本文是针对锅炉过热蒸汽温度控制系统进行

2、的分析和设计, 而对炉温过热蒸汽的 良好控制是保证系统输出蒸汽温度稳定的前提。所以本设计采用串级控制系统,这样 可以极大地消除控制系统工作过程中的各种干扰因素, 使系统能在一个较为良好的状 态下工作,同时锅炉过热器出口蒸汽温度在允许的范围内变化,并保护过热器管壁温 度不超过允许的工作温度。在本设计用到的串级控制系统中,主对象为送入负荷设备的出口温度,副对象为 减温器和过热器之间的蒸汽温度。 通过控制减温水的流量来实现控制过热蒸汽温度的 目的。关键词 :串级控制系统;过热蒸汽温度;温度控制;目 录第一章 汽温控制系统的组成与对象动态特性 本章将以 330MW 的单元机组锅炉为例, 通过研究其高温

3、、 亚临界压力、 中间再热、 自然循环、单炉膛前后对冲燃烧、燃煤粉汽包炉,且汽轮机为单轴、三缸、两排汽、 再热、凝汽冲动式,说明过热器与再热器在锅炉中的位置及布置情况,从而全面掌握 研究对象的生产过程,并熟悉其动态特性及分析影响汽温变化的各种因素。1.1 过热器的分类及基本结构过热器可以根据它所采用的传热方式分为对流过热器、 半辐射过热器及辐射过热 器三种。对流过热器是放在炉膛外面对流烟道里的过热器,它主要以对流传热方式吸 收流过它的烟气的热量。 半辐射过热器也称屏式过热器, 一般放在炉膛上部出口附近, 它既吸收炉膛火焰的辐射热,又以对流方式吸收流过它的烟气的热量。辐射过热器是 放在炉顶或炉墙

4、上的过热器,它基本上只吸收炉膛内火焰和烟气的辐射热。现代大容量高参数锅炉的过热器主要由对流过热器,屏式过热器,包覆过热器, 顶棚过热器,联箱及减温器构成。制造它们的材料一般都是合金钢,有的还需用特种 钢来制造。(1对流过热器:布置在烟道内,依靠热烟气对流传热的过热器,称为对流式过 热器。对流过热器是由联箱和很多细长的蛇形管束所组成。蛇形管可作立式或卧式布 置。过热器的进出口联箱放在炉墙外部,起着分配和汇集蒸汽的作用。蛇形管与联箱 上的管接头焊接在一起。大容量锅炉的对流过热器布置在烟温很高的区域内, 其蒸汽温度和管壁的热负荷 都很高。 而蒸汽侧放热系数比省煤器中的水或蒸发受热面中的汽水混合物的放

5、热系数 都低的多,因此过热器受热面必须用具有良好的高温强度特性的优质碳素钢或含有 铬、钼、钒的耐热合金钢制造。过热器管子用什么材料制造,取决于它所处的工作条 件。现代锅炉对流过热器多采用立式布置,因为这样可以采用简单可靠的悬吊固定方 法,而卧式过热器的固定比较困难。立式布置的主要缺点,是停炉时积存在管内的凝 结水不易排出,容易引起蛇形管下部弯头腐蚀。(2辐射过热器:辐射过热器可布置在燃烧室四壁,也称墙式或壁式过热器,或 布置在炉顶,称顶棚过热器,直接吸收辐射热。在做墙式布置时辐射过热器的管子可 以布置在燃烧室四壁的任一面墙上,可以仅布置在燃烧室上部,也可以沿燃烧室高度全部布置;它可以集中布置在

6、某一区域,也可以与蒸发受热面管子间隔布置。在自然循环锅炉中,辐射过热器管子布置在燃烧室上部,能使管子避开热负荷最 高的火焰中心区域。但是这种布置会使水冷壁管的吸热高度降低 , 可能影响水循环的 安全性。如果辐射过热器沿燃烧室全部高度布置,则处于火焰中心区的管子容易过热 烧坏。特别是升火过程中,为保证管子的冷却必须采取从外界引进蒸汽等专门措施。 在直流锅炉中,情况有所不同,水冷壁上部都有一定的过热度,相当于辐射过热器, 由于上部炉温较低,所以可保证安全。在国产自然循环锅炉中,未采用墙式布置的辐射过热器,而多采用布置在炉顶的 顶棚过热器,受热面为紧靠炉顶的直管,称为顶棚管。这种过热器的辐射传热作用

7、较 墙式过热器为弱,但因处于较低的烟气温度场,工作比较安全可靠,与屏式过热器和 包覆过热器配合使用,效果较好。(3屏式过热器和包覆过热器除了上述两种过热器外, 还有一种介于两者之间的半辐射过热器。 最常用的半辐 射过热器是布置在燃烧室上部或出口处的高温烟区内的屏式过热器。 其结构特征为几 排拉稀的管屏。屏式过热器沿炉宽平行布置,管屏数目一般为 8 16片,屏片间距为 0.5 2米,各跟管子之间的相对间距 S 2/d在 1.1左右,屏中并联管子的数目为 15 30跟。 管屏悬挂在炉顶的钢梁上, 受热后能自由的向下膨胀。 为了保持各屏间的节距, 可将相临两屏中的若干对管子弯绕出来互相夹持在一起,

8、而各屏本身的管子也应夹持 在同一平面上。屏式过热器布置在对流过热器前面,以降低对流过热器入口烟温,避 免对流过热器结渣。屏式过热器的汽温变化特性介于辐射与对流过热器之间,所以变 化也比较平稳。图 1-1是布置在不同烟温区域内的过热器的汽温特性示意图。从图中可以看出, 当锅炉负荷从 33%增加到满负荷时,曲线 1所示的屏式过热器的汽温变化非常平稳, 仅上升了 10;曲线 2和 3所示的对流过热器的汽温上升了 42和 50;而曲线 4代表的辐射过热器的汽温却大幅下降了。由于屏式过热器具有过热汽温平稳的特点, 在现代大型锅炉上广泛地采用了这种过热器。为了得到较好的传热效果,最好把屏式过热器布置在烟温

9、为 950 1050的烟道 中。屏式过热器进口烟温的选择,应保证燃料进入屏式过热器前已燃尽,否则在屏区 再燃烧会严重影响管屏的工作安全。根据已采用屏式过热器的许多锅炉运行实践证 明,它能够在 1000 1300烟温区内可靠工作,并具有良好的汽温变化特性。 图 1-1 布置在不同烟温区域内的过热器气温特性1-布置在烟温 1200区域的屏式过热器; 2、 3-布置在烟温为 1000和 900区域内的对流过热器; 4-布置在燃烧室内的辐射过热器300MW 单元机组是现在是我国火力发电机组的主力型号,多采用亚临界参数及中 间再热。 330MW 机组锅炉的过热器, 具体结构见图 1-4所示。 此过热器具

10、有以下特点:由于过热蒸汽参数高,需要布置更多受热面,因此炉膛内布置大量屏式过热器。采用 辐射式、 半辐射式和对流过热器联合过热系统, 以获得良好的过热蒸汽温度变化特性。 低温过热器采用逆流布置,以便获得较大的传热温差,从而节约钢材。采用两级喷水减温,这样做的目的有两个,一是为了使汽温调节更灵敏,减小热 惯性,二是为了保护过热器。第一级喷水减温器布置在前屏过热器之后,调节量较大 且调节惰性大,用来调节因负荷、给水温度和燃料性质变化而引起的汽温变化,为粗 调。另外它还有保护屏式过热器和对流过热器受热面的作用。第二级喷水减温器布置 在高温对流过热器(末级过热器之前,这一级热惯性小,可保证出口汽温能得

11、到迅 速调节。减温器共有四只,每级安装两只,每只喷水量为每级喷水量的一半。减温水 源为自制冷凝水。蒸汽流程为:饱和蒸汽由汽包引出后经一部分顶棚过热器进入侧墙和后墙包覆过 热器,流出后在联箱内混合,进入低温对流过热器,出来后再经过另一部分顶棚过热器进入前屏过热器,流出后经过第一级喷水减温器减温,再进入后屏过热器,流出后 经过第二级减温器减温,进入高温对流过热器完成最后一次过热后,送往汽轮机。 图 1-2 300MW机组过热器系统图1-汽包; 2-前屏过热器; 3-后屏过热器; 4-顶棚过热器;5-侧墙包覆过热器; 6-后墙包覆过热器; 7-低温对流过热器;8-第一级减温器; 9-第二级减温器;

12、10-高温对流过热器1.2 过热蒸汽温度控制的意义与任务锅炉过热蒸汽温度是影响机组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、高压的条件下工作的,过热器出口的过热蒸汽温度是机组整个汽水 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 金刚材料,过热器正常运行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,容易损坏过热器,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,将会降低机组的热效率,一般 蒸汽温度降低 5-10 ,热效率约降低 1%,不仅增加燃料的消耗量,浪费能源,而且 还将使

13、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,过热汽温的 降低还会导致汽轮机高压级部分蒸汽的焓值减小,引起反动度增大,轴向推力增大,也对汽轮机安全运行带来不利的影响。所以,过热蒸汽温度过高或过低都是生产过程 所不允许的。1.3 过热蒸汽温度控制对象的动静态特性1、锅炉负荷与过热汽温的关系锅炉负荷增加时,炉膛燃烧的燃料增加,但是,炉膛中的最高的温度没有多大的 变化,炉膛辐射放热量相对变化不大,因此炉膛温度增高不大。这就是说负荷增加时 每千克燃料的辐射放热百分率减少,而在炉膛后的对流热区中,由于烟温和烟速的提 高,每千克燃料的对流放热百分率将增大。因此,对于对流式过热器来说,当锅炉的

14、负荷增加时,会使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,即 当锅炉的负荷增加时,会使出口汽温的稳态值降低。如果两种过热器串联配合,可以 取得较平坦的汽温特性,但一般在采用这两种过热器串联的锅炉中,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有所升高。2、过剩空气系数与过热汽温的静态关系过剩空气量改变时, 燃烧生成的烟气量改变, 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。因此,当增大过剩空气量时将使过热汽温 上升。3、给水温度与汽温关系提高给水的温度,将使过热汽温下降,这是因为产生每千克蒸汽所需的燃料量减 少了,流过过热器烟气也就减少了。

15、也可以认为:提高给水温度后,在相同燃料下, 锅炉的蒸发量增加了,因此过热汽温将下降。则是否投入高压给水加热器将使给水温 度相差很大,这对过热汽温有显著的影响。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的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。目前,火电机组厂广泛采用喷水减温方式来控制过热蒸汽温度。影响汽温变化的 因素很多,但主要有蒸汽流量、烟气传热量和减温水量等。在各种扰动下,汽温控制 对象是有烟池、惯性和自平衡能力的。1、蒸汽流量扰动下的蒸汽温度对象的动态特性大型锅炉都采用复合式过热器,当锅炉负荷

16、增加时,锅炉燃烧率增加,通过对流 式过热器的烟气量增加,而且烟气温度也随负荷的增大而升高。这两个因素都使对流 式过热器的气温升高。然而,当负荷增加时,炉膛温度升高的并不明显,由炉膛辐射 传给过热器的热量比锅炉蒸汽量增加所需热量少,因此使辐射式过热器出口温度下 降。可见,这两种型式的过热器对蒸汽流量的扰动的反映恰好相反,只要设计上配合 得当,就能使过热其出口汽温随蒸汽流量变化的影响减小。因此在生产实践中,通常 把对流式过热器与辐射式过热器结合使用,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多, 综合而言, 过热器出口汽温是随流量 D 的增加而升 高的。动态特性曲线如图 1-

17、3(a 所示。蒸汽流量扰动时, 沿过热器长度上各点的温度几乎是同时变化的, 延迟时间较小, 约为 15s 左右。 图 1-3 在扰动下温度的变化曲线2、烟气侧热量扰动下蒸汽温度对象的动态特性当燃料量、送风量或煤种等发生变化时,都会引起烟气流速和烟气温度的变化, 从而改变了传热情况,导致过热器出口温度的变化。由于烟气传热量的改变是沿着整 个过热器长度方向上同时发生的,因此汽温变化的迟延很小,一般在 15-25s 之间。 烟气侧扰动的汽温响应曲线如图 1-3(a 所示。它与蒸汽量扰动下的情况类似。 3、蒸汽温度在减温水量扰动下的动态特性当减温水量发生扰动时,虽然减温器出口处汽温已发生变化,但要经过

18、较长的过 热器管道才能使出口汽温发生变化,其扰动地点(过热器入口与测量蒸汽温度的地 点(过热器出口之间有着较大的距离,此时过热器是一个有纯滞后的多容对象。 . 动态曲线图如图 1-3(b 所示。当扰动发生后,要隔较长时间才能是蒸汽温度发生变 化,滞后时间比较大,滞后时间约为 30-60s 。综上所述,可归纳出以下几点:(1过热器出口蒸汽温度对象不管在哪一种扰动下都有延迟和惯性,有自平衡 能力。而且改变任何一个输入参数(扰动 ,其他的输入参数都可能直接或间接的影 响出口蒸汽温度,这使得控制对象的动态过程十分复杂。(2在减温水流量扰动下,过热器出口蒸汽温度对象具有较大的传递滞后和容 量滞后,缩减减

19、温器与蒸汽温度控制点之间的距离,可以改善其动态特性。(3在烟气侧热量和蒸汽流量扰动下,蒸汽温度控制对象的动态特性比较好。 1.4过热蒸汽温度控制系统的基本结构与工作原理这里以 330MW 机组分散控制系统的过热蒸汽温度控制系统为例,对其系统结构 和工作原理进行介绍。该 330MW 机组的过热蒸汽温度控制采用二级喷水减温控制方式。过热器设计成 两级喷水减温方式,除可以有效减小过热蒸汽温度在基本扰动下的延迟,改善过热蒸 汽温度的调节品质外,第一级喷水减温还具有防止屏式过热器超温、确保机组安全运 行的作用。本机组过热器一、 二级喷水减温器的控制目标就是在机组不同负荷下维持锅炉二 级减温器入口和二级减

20、温器出口的蒸汽温度为设定值。过热器一级减温控制系统的原理简图如图 1-4所示。 该系统是在一个串级双回路 控制系统的基础上,引入前馈信号和防超温保护回路而形成喷水减温控制系统。主回 路的被控量为二级减温器入口的蒸汽温度,其实测值送入主回路与其给定值进行比 较,形成二级减温器入口蒸汽温度的偏差信号。主回路的给定值由代表机组负荷的主 蒸汽流量信号 (代表机组负荷信号 经函数器 f(x产生, 其含义为给定值是负荷的函 数。运行人员在操作员站上可对此给定值给予正负偏置。主回路的控制由 PID1来完 成。主回路控制器接受二级减温器入口蒸汽温度偏差信号,经控制运算后其输出送至副回路。副回路的被控量为一级减

21、温器出口的蒸汽温度。 其温度的测量值送入副回路与其 给定值进行比较,形成一级减温器出口蒸汽温度的偏差信号。副回路的给定值是由主 回路控制器的输出与前馈信号叠加形成。副回路采用 PID2调节器,它接受一级减温 器出口蒸汽温度的偏差信号。 图 1-4 过热器一级减温控制系统由于机组的负荷会改变,控制对象的动态特性也随之而变,为了在较大的负荷变 化范围内都具备较高的控制品质,在大型机组的蒸汽温度控制中,可充分利用计算机 分散控制的优点,将主、副调节器设计成自动随着负荷的变化不断地修改整定参数的 调节器,上述蒸汽温度控制系统就是如此。过热器二级减温控制系统的原理简图如图 1-5所示。该系统与一级减温控

22、制系统 的结构基本相同,也是一个串级双回路控制系统,不同之处在于:主、副调节器输入 的偏差信号不同,采用的前馈信号也不同。二级减温控制系统的主回路的被控量为二级过热器的出口蒸汽温度, 该蒸汽温度 与主回路的给定值进行比较,形成二级过热器出口蒸汽温度偏差信号,主回路的给定 值由运行人员手动设定,对于 300MW 机组在正常负荷时,给定值一般为 540 。 图 1-5 过热器二级减温控制系统副回路的被控量为二级减温器出口蒸汽温度, 其温度的测量值送入副回路与其给 定值比较,形成二级减温器出口蒸汽温度的偏差信号。副回路给定值是上主回路控制 器的输出与前馈信号叠加而形成的。二级过热器蒸汽温度控制是锅炉

23、出口蒸汽温度的最后一道控制手段, 为了保证汽 轮机的安全运行,要求尽可能提高锅炉出口蒸汽温度的调节品质。因此,二级减温控 制的主回路前馈信号采用了基于焓值计算的较为完善的方案。 其前馈信号有主蒸汽温 度和压力的给定值的函数,还有主蒸汽流量代表机组负荷以及送风量、燃烧器火嘴摆 动倾角等。除了以上内容外, 二级减温控制系统的其他部分以及工作原理与一级减温控制系 统完全相同。1.5再热汽温控制系统为了提高大容量、高参数机组的循环效率,并防止汽轮机末级蒸汽带水,需采用 中间再热系统。提高再热汽温对于提高循环热效率是十分重要的,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

24、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 也较大,如果不进行控制,可能造成中压缸转子与汽缸较大的热变形,引起汽轮机振 动。再热蒸汽温度调节采用摆动火嘴加喷水减温的控制方式。按设计,再热蒸汽温度正常情况下由喷燃器火嘴倾角的摆动来控制。也就是说, 再热器汽温控制的减温水阀门平常是全关的, 它对再热汽温只起一种辅助的或保护性 质的调节作用。1、摆动火嘴:摆动燃烧器火嘴倾角是设计用来调节再热汽温的正常手段, 它是一个带前馈信号 的单回路调节系统。在锅炉 A , B 侧末级再热器出口联箱上各装有两个出口蒸汽温度 测点, 可由运行人员在 OIS

25、 上手动选择每侧的某一测点或两个测点的平均值作为本次 再热汽温控制使用。根据主蒸汽流量经函数发生器给出的随机组负荷变化的再热汽温设定值, 与运行 人员手动设定值经小值选择器后与再热蒸汽测量值进行比较,偏差进入控制器。控制 器设计为 SMITH 预估器和 PID 调节器互相切换的方式,两者只能由一个起控制作用,可由热控工程师通过软件调节。为了提高再热汽温在外扰下的调节品质,控制回路设 计了机组负荷和送风量经函数发生器给出的前馈信号。 根据再热汽温的偏差经控制器 的控制运算后在加上前馈信号,形成了对燃烧器火嘴倾角的控制指令,这个指令信号 分四路并列输出去驱动炉膛四角的燃烧器火嘴倾角。当进行炉膛吹扫

26、时,火嘴倾角将 被自动连锁到水平位置。2、喷水减温:喷水减温只起辅助或保护性质的减温作用。每侧的再热汽温有两个测量信号,当 摆动火嘴在自动控制状态时, 喷水减温的再热汽温设定在摆动火嘴控制系统设定值的 基础上加上根据摆动火嘴控制指令经函数发生器给出的偏置量, 意在当摆动火嘴有调 节与低时抬高喷水减温控制系统设定值以确保喷水减温阀门关死。 当摆动火嘴控制指 令接近下限而将失去调节余地时, 该偏置量应该减小到零以便再热汽温偏高时喷水阀 门接替摆动火嘴的减温手段。由于喷水减温系统只是设计用作辅助调节手段,故系统设计比较简单,再热汽温 设定值与测量值的偏差经 PID 调节器后直接作为喷水减温阀门开度指

27、令, 控制器未设 计 SMITH 预估器,也未设计任何前馈信号。图 1-6 再热汽温控制 SAMA 图1.6汽温调节的概念和方法维持稳定的汽温是保证机组安全和经济运行所必须的。 汽温过高会使金属应力下 降,将影响机组的安全运行;汽温降低则会机组的循环的效率。据计算,过热器在超 温 10到 20下长期运行,其寿命会缩短一半;而汽温降低 10会使循环若效应降 低 0.5%,运行中一般规定汽温额定值的波动不能超过-10+5。因此,要求锅 炉设置适当的调温手段,以修正运行因素对汽温波动的影响。对汽温调节方法的基本要求是:调节惯性或延迟时间小,调节范围大,对热循环 热效率影响小,结构简单可靠及附加设备消

28、耗少。汽温的调节可归结为两大类:蒸汽侧的调节和烟气侧的调节。 所谓蒸汽侧的调节, 是指通过改变蒸汽的热焓来调节温度。例如喷水式减温器向过热器中喷水,喷入的水 的加热和蒸发要消耗过热蒸汽的一部分热量,从而使汽温下降,调节喷入的水量,可 以达到调节汽温的目的。烟气侧的调节,使通过改变锅炉内辐射受热面和对流受热面 的吸热量分配比例的方法(例如调节燃烧器的倾角,采用烟气再循环等或改变流经 过热器的烟气量的方法(如调节烟气挡板来调节过热蒸汽温度。汽温调节通常采用喷水减温作为主要调节手段。由于锅炉给水品质较高,所以减 温器通常采用给水作为冷却工质。 喷水减温的方法是将水呈雾状直接喷射到被调过热 蒸汽中去与

29、之混合,吸收过热蒸汽的热量使本身加热,蒸发,过热,最后也成为过热 蒸汽的一部分。被调温的过热蒸汽由于放热,所以汽温降低,达到了调温的目的。 喷水减温调节操作简单, 只要根据汽温的变化适当的变更相应的减温水调节阀门 开度,改变进入减温器的减温水量即可达到调节过热汽温的目的。当汽温偏高时,开 大调节门增加减温水量;当汽温偏低时,关小调节阀门减少减温水量,或者根据需要 将减温器撤出运行。单元机组的锅炉对汽温要求较高,故通常装置两级以上的喷水减温器,在进行汽 温调节时必须明确每级减温器所担负的任务。第一级布置在分隔屏过热器之前,被调 参数是屏式过热器出口汽温,其主要任务是保护屏式过热器,防止壁管超温。

30、由于该 减温器距末级过热器的出口尚有较长距离, 相对来说, 它对出口汽温的调节时滞较大, 而且由于蒸汽流经后几级过热器后,汽温的变化幅度较大,误差也大,所以很难保证 出口蒸汽温度在规定的范围内。因此,这级减温器只能作为主蒸汽温度的粗调节。该 锅炉第二级喷水减温器设在末级对流过热器进口,被调参数是主蒸汽出口温度,由于 此处距主蒸汽出口距离近,且此后蒸汽温度变化幅度也不大,所以第二级喷水减温的 灵敏度高,调节时滞也小,能有效的保证主蒸汽出口温度符合要求,因而该级喷水调 节是主蒸汽的细调节。第二级喷水减温器往往分两侧布置,以减小过热汽温热偏差。 正常工况时,一、二级喷水量的比例为总喷水量的 75%和

31、 25%,在高加全部切除时, 其比例为 95%和 5%。喷水减温器调节汽温的特点是,只能使蒸汽减温而不能升温。因此,锅炉按锅炉 额定负荷设计时,过热器受热面的面积是超过需要的,也就是说,锅炉在额定负荷下运行时过热器吸收的热量将大于蒸汽所需要的过热热量, 这时就必须用减温水来降低 蒸汽的温度使之保持额定值。由于一般组合过热器汽温特性都呈对流特性,所以当锅 炉负荷降低时,汽温也下降,这时减温水就应减小,对于定压运行的单元机组,由于 蒸汽失去汽温调节手段,因而主汽温就不能保持规定值,故锅炉不宜在此情况下做定 压运行,而应采用滑压运行,以保证过热蒸汽有足够的过热度。喷水减温调节主蒸汽 温度在经济上是有

32、一定损失的。 一方面由于在额定负荷时过热器受热面积比实际需要 值大,增加了投资成本;另一方面因一部分给水用作减温水,使进入生煤器的水流量 减少,因而锅炉排烟温度升高。增加了排烟损失。同时喷水减温的过程,也是一个熵 增的过程。故而有可用能的损失。但是,由于喷水减温设备简单,操作方便,调节又 灵敏,所以仍得到广泛应用。再热器不宜采用喷水减温调节汽温。因为喷水减温器将增加再热蒸汽的数量,从 而增加了汽轮机中,低压缸的蒸汽流量,即增加了中低压缸的出力。如果机组的负荷 一定,将使高压缸出力减小,减少高压缸的蒸汽流量。这就等于部分的用低压蒸汽循 环代替高压蒸汽循环做功,因而必然导致整个机组热经济性的降低。

33、再热器喷水减温 器的主要目的是当出现事故工况, 再热器入口汽温超过允许值, 可能出现超温损坏时, 喷水减温器投入运行,借以保护再热器。在正常运行情况下,只有当采用其他温度调 节方法尚不能完全满足要求时,再热器喷水减温器才投入微量喷水,作为再热汽温的 辅助调节。1、改变火焰中心位置。改变火焰的中心位置可以改变炉内辐射吸热量和进入过 热器的烟气速度,因而可以调节过热汽温。当火焰中心位置抬高时,火焰离过热器较 近,炉内辐射吸热量减少,炉膛出口烟温升高,则过热汽温将升高。火焰中心位置降 低时,则过热汽温降低。改变火焰中心位置的方法有:(1调整喷燃器的倾角。采用摆动式燃烧器时,可以用改变其倾角的办法来改

34、 变火焰中心沿炉膛高度的位置,从而达到调节汽温的目的。在高负荷时,将喷燃器向 下倾斜某一角度,可以使火焰中心位置下移,使进入过热器区的烟气温度下降,减小 过热器的传热温差,使汽温降低。而在低负荷时,将喷燃器向上倾斜适当角度,则可 以使火焰中心位置提高,使汽温升高。摆动式燃烧器的调温幅度较大,调节灵敏,设 备简单,投资费用少,并且没有功率损耗。目前使用的摆动式燃烧器上下摆动的转角 为20, 一般用 1020器的倾角的调节范围不可过大, 否则可能会增大不完全燃烧损失或造成结渣等。如果向下的倾角过大时,可能会造成水冷壁下部或冷灰斗结 渣。若向上的倾角过大时,会增加不完全燃烧损失并可能引起炉膛出口的屏

35、式过热器 或凝渣管结渣。同时在低负荷时若向上的倾角过大,还可能发生炉膛灭火。摆动式燃 烧器可用于过热蒸汽的调温,也可用于再热蒸汽的调温。当摆动式燃烧器作为再热汽 温的主调方式时,它将以再热汽温为信号,改变燃烧器的倾角。 为了保持炉膛火焰 的均匀分布,此时四组燃烧器的倾角应一致并同时动作。当燃烧器倾角已达到最低极 限值时,再热汽温仍然高于额定值时,再热器事故喷水减温器将自动投入运行,以保 持汽温和保护再热器。(2改变喷燃器的运行方式 。 当沿炉膛高度布置有多排喷燃器时,可以将不同 高度的喷燃器组投入或停止工作,即通过上、下排喷燃器的切换,来改变火焰中心位 置。当汽温高时应尽量先投用下排的燃烧器,

36、汽温低时可切换成上排喷燃器运行,也 可以采取对距过热器位置不同的喷燃器进行切换的方法, 当投用靠近炉膛后墙的喷燃 器时,由于这时火焰中心位置离过热器近火焰行程短,将使炉膛出口的烟温相对的高 些。 而切换成前墙或靠近前墙的喷燃器运行时, 则火焰中心位置离过热器相对的远些, 炉膛出口烟温就相对的低些。(3变化配风工况。对于四角布置切圆燃烧方式,在总风量不变的情况下,可 以用改变上、下排二次风分配比例的办法来改变火焰中心位置。当汽温高时,一般可 开大上排二次风,关小下排二次风,以压低火焰中心。当汽温低时,一般则关小上排 二次风,开大下排二次风,以抬高火焰中心。进行调整时,应根据实际设备的具体特 性灵

37、活掌握。2、改变烟气量。若改变流经过热器的烟气量,则烟气流速必然改变,使对流传 热系数变化,从而改变了烟气对过热器的放热量。烟气量增多时,烟气流速大,使汽 温升高;烟气量减少时,烟气流速小,使汽温降低。改变烟气量即改变烟气流速的方 法有:(1采用烟气再循环。采用烟气再循环调节汽温的原理是从尾部烟道(通常是 从省煤器后抽出一部分低温烟气,用再循环风机送回炉膛,并通过对再循环烟气量 的调节来改变流经过热器的烟气流量,改变烟气流速。此外,当送入炉膛的低温再循 环烟气量改变时,还使炉膛温度发生变化,炉内辐射吸热与对流吸热的比例将改变, 从而使汽温发生变化。由此,改变再循环烟气量,可以同时改变流过过热器

38、的烟气流 量和烟气含热量,因而可以调节汽温。(2烟气旁路调节。采用这种方法是将过热器处的对流烟道分隔成主烟道和旁 路烟道两部分。在旁路烟道中的受热面之后装有烟气挡板,调节烟气挡板的开度,即 可改变通过主烟道的烟气流速,从而改变主烟道中受热面的吸热量。由于高温对流烟 道中烟气的温度很高,烟气挡板极易变形或烧坏,故这一方法只用于布置在锅炉尾部 对流烟道中的低温过热器或低温再热区段,而在我国目前的超高压机组中,则仅用于 低温再热器区段。采用烟气旁路来调节再热汽温时,还会影响到过热汽温。为了增加 再热汽温的调节幅度并减小对过热汽温的影响, 应使主烟道中的再热器有较大的受热 面,而旁路烟道中的过热器受热

39、面则应小些。(3调节送风量。调节送风量可以改变流经过热器的烟气量,即改变烟气流速, 达到调节过热汽温的目的。调节送风量首先必须满足燃烧工况的要求,以保证锅炉机 组运行的安全性和经济性。而用以调节汽温,一般知识作为辅助手段。当汽温问题成 为运行中的主要矛盾时,才用燃烧调节来配合调节汽温。利用送风量调节汽温是有限 度的,超过了范围将造成不良后果。因为过多的送风量不但增加了送、吸风机是耗电 量,降低了电厂的经济性,而且增大了排烟热损失,降低锅炉热效率。特别是燃油锅 炉对过剩空气量的控制就更为重要。 过剩空气量的增加, 不但加速空气预热器的腐蚀, 还有可能引起可燃物在尾部受热面的堆积,导致尾部受热面再

40、燃烧。第二章 过热汽温控制系统的基本方案目前,过热汽温的控制方案很多,而且随着自动控制技术和计算机技术的不断发 展,新的控制方法不断出现,汽温控制的质量也不断提高。传统的汽温控制系统有两 种:串级汽温控制系统和采用导前微分信号的汽温控制系统。由于过热汽温控制通道 的迟延和惯性很大, 被调量信号反应慢, 因此选择减温器后的汽温作为局部反馈信号, 形成了上述的两种双回路控制系统。下面将分别加以介绍。2.1串级汽温控制系统单回路控制系统是各种复杂控制系统的基础,由于其控制简单而得到广泛应用。 但随着工业技术的不断更新,生产不断强化,工业生产过程对工业参数提出了越来越 严格的要求, 并且由于生产过程中

41、各参数间的关系复杂化及控制对象迟延和惯性的增 大, 都使得单回路控制系统显得无能为力, 因而产生了许多新的、 较复杂的控制系统, 如串级控制、导前微分控制、复合控制、分段控制、多变量控制等。串级控制系统对 改善控制品质有独到之处,本节将对其组成、特点及整定进行讨论火电厂过热汽温串级控制系统的结构图 2-1所示: 图 2-1 过热汽温串级控制系统该汽温串级控制系统中, 有主、 副两个调节器。 由于汽温对象具有较大的延迟和惯性, 主调节器多采用 PID 控制规律,其输入偏差信号为 2I -0I ,输出信号为 1T I ,副调节器采用 PI 或 P 控制规律, 接受导前汽温信号 1I 和主调节器输出

42、信号 I 1T , 输出为 2T I 。 当过热汽温升高时, 2I 增加,主调节器输出 1T I 减小,副调节器输出 2T I 增加,减温水量增加,过热汽温下降。在主、副调节器均具有 PI 控制规律的情况下,当系统达到 稳定时,主、副调节器的输入偏差均为零,即:2I =0I ; 1I =1T I由此也可以认为主调节器的输出 1T I 是导前汽温 1I 的给定值。过热汽温串级控制系统的原理方框图如图 2-2所示,具有内外两个回路。内回路 由导前汽温变送器、副调节器、执行器、减温水调节阀及减温器组成;外回路由主汽 温对象、汽温变送器、主调节器及整个内回路组成。系统中以减温器的喷水作为控制 手段,因

43、为减温器离过热器出口较远,且过热器管壁热容较大,主汽温对象的滞后和 惯性较大。若采用单回路控制主汽温 1q (即将 1q 作为主信号反馈到调节器 PI1,PI1直 接去控阀门开度 无法取得满意的控制品质。为此再取一个对减温水量变化反映快的 中间温度信号 2q 作为导前信号, 增加一个调节器 PI2组成如图 2-2所示的串级控制系 统。 调节器 PI2根据 2q 信号控制减温水阀, 如果有某种扰动使汽温 2q 比 1q 提早反映 (例 如:内扰为喷水量 W 的自发性变化 ,那么由于 PI2的提前动作,扰动引起的 2q 波动 很快消除, 从而使主汽温 1q 基本不受影响。 另外, PI2的给定值受

44、调节器 PI1的影响, 后者根据 1q 改变 2q 的给定值,从而保证负荷扰动时,仍能保持 X 满足要求。可见,串 级系统中采用了两级调节器,各有其特殊任务。 图 2-2 过热汽温串级控制系统的原理方框图为充分发挥串级控制系统的优点, 在设计实施控制系统时, 还应适当合理的设计 主、副回路及选择主、副调节器的控制规律。1、主、副回路的设计原则(1副参数的选择,应使副回路的时间常数小,控制通道短,反应灵敏。通常 串级控制系统是被用来克服对象的容积迟延和惯性。 副回路应该把生产系统的主要干 扰包括在内,应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,以充 分发挥副回路改善系统动态特性的作

45、用,保证主参数的稳定。因此,在设计串级控制 系统时, 应设法找到一个反应灵敏的副参数, 使得干扰在影响主参数之前就得到克服, 副回路的这种超前控制作用,必然使控制质量有很大的提高。(2副回路应包含被控对象所受到的主要干扰。串级控制系统对进入副回路的 扰动有很强的克服能力,为发挥这一特殊作用,在系统设计时,副参数的选择应使得 副回路尽可能多的包括一些扰动。但这将与要求副回路控制通道短,反应快相矛盾, 应在设计中加以协调。在具体情况下,副回路的范围应当多大,取决于整个对象的容 积分布情况以及各种扰动影响的大小。副回路的范围也不是愈大愈好。太大了,副回 路本身的控制性能就差, 同时还可能使主回路的控

46、制性能恶化。 一般应使副回路的频 率比主回路的频率高的多, 当副回路的时间常数加在一起超过了主回路时, 采用串级 控制就没有什么效果了。(3主、副对象的时间常数应适当匹配。由于串级系统中主、副回路是两个相 互独立又密切相关的回路。如果在某种干扰作用下,主参数的变化进入副回路时,会 引起副回路中参数振幅增加, 而副参数的变化传到主回路后, 又迫使主参数变化幅度 增大,如此循环往复,就会使主、副参数长时间大幅度波动,这就是所谓串级系统的 “共振现象” 。一旦发生了共振系统就失去控制,不仅使系统控制品质恶化,如不及 时处理,甚至可能导致生产事故,引起严重后果。为确保串级系统不受共振现象的威 胁,一般

47、取(12310d d T T = (2-1式子中:1d T 为主回路的振荡周期 ; 2d T 为副回路振荡周期,要满足式子(2-1 ,除了 在副回路设计中加以考虑之外,还与主、副调节器的整定参数有关 。2、主、副调节器的选型串级控制系统中, 主调节器和副调节器的任务不同, 对于它们的选型即控制规律 的选择也有不同考虑。(1副调节器的选型副调节器的任务是要快速动作以迅速消除进入副回路内的扰动, 而且副参数并不 要求无差,所以一般都选 P 调节器,也可采用 PD 调节器,但这增加了系统的复杂性, 在一般情况下,采用 P 调节器就足够了,如果主、副回路频率相差很大,也可以考虑 采用 PI 调节器。(

48、2主调节器的选型主调节器的任务是准确保持被调量符合生产要求。 凡是需采用串级控制的生产过 程,对控制的品质都是很高的,不允许被调量存在静差。因此主调节器必须具有积分 作用,一般都采用 PI 调节器。如果控制对象惰性区的容积数目较多,同时又有主要 扰动落在副回路以外的话,就可以考虑采用 PID 调节器。3、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时,主、副调节器均可以采用比例控制。(2要求主参数波动范围很小,且不允许有余差,此时副调节器可以采用比例 控制,主调节器采用比例积分控制。(3主参数要求高,副

49、参数亦有一定要求这时主、副调节器均采用比例积分形 式。在如图 2-3所示的串级系统中,因为两个调节器串在一起,在一个系统中工作, 相互之间或多或少的有些影响,因此在串级系统的整定要比简单系统复杂些。 图 2-3 串级控制系统方框图1、两部整定法当串级系统中副回路的控制过程比主回路快的多时, 可按下述步骤分别独立整定 主、副调节器参数。(1先整定副调节器当副回路受到阶跃扰动时,在较短时间内副回路控制过程就告结束。在此期间, 主回路基本上不参加动作,由图 2-3得整定副回路时的方框图,如图 2-4 (a 所示。 可按单回路系统的整定方法整定副调节器 (2T W s 。(2整定主调节器当主回路进行控

50、制时,副回路几乎起理想随动作用,由图 2-3可得从而求得副回路的闭和传递函数222( 1( (m Y s R s W s = (2-2 图 2-4 主副调节器分别独立整定时的方框图即在主回路中副回路可看作一个比例环节,由此画出整定主回路时的方框图,如 图 2-4(b 所示。可按单回路系统的整定方法整定主调节器 (1T W s 的参数。按上述步骤整定系统后,通常应满足 213(1、 2分别为主、副回路主导衰 减振荡成分的频率 。要达到此要求整定时应考虑以下几个问题: 对象的动态特性。控制对象前区动态特性 02( W s 与整个控制对象的动态特性 00102( ( ( W s W s W s =相

51、比,应有较小的迟延和惯性。 调节器类型的选择。副调节器 2( T W s 可选用 P (或 PD 调节器,主调节器应 选用 PI 调节器,以使副回路有较高的衰减振荡频率。 整定指标的选择。副回路可取较低的稳定性裕量(例如 0.75而主回路则 222( ( ( m R s Y s W s =取较高的稳定性裕度(例如 0.9 。另外,按此方法整定串级系统时还应考虑控制对象惰性区动态特性的求取。在图 2-4中,控制对象导前区的特性 02( W s 可直接由实验测得,而惰性区的特性 01( W s 不 一定能直接由实验获得,但整个控制对象的动态特性 00102( ( ( W s W s W s =总是

52、可以由 实验测得,因此对象惰性区的动态特性 01( W s 原则上可以由 0( W s 和 02( W s 算出:00102( ( (W s W s W s = (2-3 例 如 :锅 炉 过 热 蒸 汽 温 度 控 制 对 象 及 其 导 前 区 的 动 态 特 性 常 可 表 示 为01001020( ( ( ( ( (1 n K s W s W s W s s T s =+ (2-4 222022( ( ( (1 n s K W s s T s =+ (2-5 式中:为减温水阀门的开度。利用级数展开和低阶近似,惰性区的动态特征可表示 为: 1如果控制对象及其导前区动态特性可以用式 (2-

53、4 、 (2-5 来表示, 而且有 22n 和 03n ,那么当 00223n T n T 时(00n T 和 22n T 分别为 0( W s 和 02( W s 分母中 s 项的系 数 ,可以满足主、副调节器按图 2-4分别整定的条件,而惰性区对象表示为000120100( (1 (1 n n K K W s T s T s =+ (2-7 这样避免了由 0( W s 和 02( W s 计算出 01( W s 的麻烦, 尤其用阶跃响应实验曲线整定 主调节器时更为简便。因此在式(2-7假定下01c c T T (2-8 式中:0/c T 为控制对性 0( W s 阶跃响应实验曲线上 与 c

54、 T 的比值,它实际往往无法 由实验曲线上直接获得(如在过汽温对象中 。2、逐次逼近法(1先整定副调节器 2( T W s 。在第一次整定副调节器时,断开主环,即按副回路 单独工作时的单回路系统来整定副调节器 2( T W s 的参数,记作 21( T W s 。(2根据 21( T W s 整定主调节器 1( T W s 。由图 2-5可以写出串级控制系统的特征 方程为20210112022( ( 1( ( ( 01( ( (T T m T m W s W s W s W s W s W s W s W s +=+ (2-9 可得此时等效控制对象的传递函数为*202011012022( (

55、( ( ( 1( ( (T m T m W s W s W s W s W s W s W s W s =+ (2-10 按照单回路系统整定方法求出主调节器参数,记作 11( T W s 。(3据(2得到的 11( T W s ,再整定副调节器 2( T W s ,由图 2-5写出串级控制 系统的特征方程为20221020111( ( ( ( ( ( ( 0T m T m W s W s W s W s W s W s W s += (2-11 可得此时等效控制对象为*02022102011( ( ( ( ( ( ( m T m W s W s W s W s W s W s W s =+ (

56、2-12 然后根据单回路系统的整定方法求出副调节器的参数,记为 22( T W s 。(4如果 22( T W s 的参数值与第(1步得到 21( T W s 的参数值基本相同,那么整定就告完成。两个调节器的整定参数步骤分别为(1和(2中求得的参数,否则 应根据 22( T W s 重复步骤(2 、 (3 ,直到出现两次整定结果基本相同为止。3、补偿法当控制对象导前区的动态特性与整个控制对象的动态特性相比, 迟延和惯性不够 小时,控制系统经整定后主、副回路的振荡频率差别不够大,这时就不能 用“两步 整定法”整定,可以采用“补偿法”整定调节器参数。图 2-3所示的串级控制系统,在保持系统特征方程

57、式不变的条件下,可把它的闭 和回路等效的变换成图 2-5所示 : 图 2-5 串级控制系统方框图的等效变换从等效变换后方框图形式可以看出,如果为了分析串级系统的稳定性,可以把它 看作一个单回路系统。 在这个等效单回路系统中, 调节器为 12( ( T T W s W s 控制对象为 *20020111( 1( ( ( ( ( m m T W s W s W s W s W s W s =+ (2-13 因此,串级系统可按下述步骤进行整定:(1 适当选择主调节器 1( T W s 的参数, 以造成一个动态特性较好的等效控制对象 *0( W s 。从图 2-5或式(2-13 的关系中可知,所造成的等效控制对象 *0( W s 只能在控 制对象原有的基础上 0102( ( W s W s 、 ,通过选择 21( ( T T W s W s 的参数使它比较有利于 控制。这就是“补偿法”整定的概念。(2选择好 1( T W s 的参数得到了等效控制对象 *0( W s 后,就可以按单回路系统整 定调节器 12( ( T T W s W s ,从而得出副调节器 2( T W s 的参数。用“补偿法”的概念整定 串级控制系统时,不必考虑主、副回路之间相互影响的程度。虽然整定的结果并不能 保证串级系统在最佳的条件下工作,