第六讲汽温自动控制系统

1、第三节 汽温自动控制系统 1、过热气温自动控制系统 2、再热气温自动控制系统西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓、过热蒸汽温度控制的意义与任务 o锅炉过热蒸汽温度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。o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。o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接近材料所允许的最高温度。西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓谦029-87

2、488277过热蒸汽温度过高或过低都是生产过程所不允许o如果过热蒸汽温度过高过高，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；o如果过热蒸汽温度过低过低，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。o过热蒸汽温度降低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。西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓热蒸汽温度的控制任务o为了保证过热蒸汽的

3、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。o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偏差不超过额定值(给定值给定值)的的+5-10。西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓、过热蒸汽温度的影响因素 o (1)锅炉负荷o随着锅炉负荷的变化，其辐射吸热面和对流吸热面的吸热比例也会随之变化。o例如：布置在对流吸热区的过热器，其出口蒸汽温度一般随负荷的上升而上升，而布置在辐射吸热区的过热器则具有相反的汽温特性。o在单元制机组中，锅炉负荷和机组负荷是一致的。o 西北电力职工培

4、训中心动力系热工自动化教研室刘晓2)过剩空气系数o锅炉过剩空气系数增大，将引起对流吸热面吸热增大，布置在对流吸热区的过热器出口蒸汽温度上升。o 西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓3)炉膛火焰中心o对四角布置燃烧器的锅炉来说，如果投入运行的磨煤机台数或组合发生变化或火嘴摆动倾角变化，都将引起炉膛火焰中心变炉膛火焰中心变化化，火焰中心上移将导致炉膛出口烟气温度上升，势必引起对流吸热面吸热量增加。西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓他因素o燃煤煤质的改变、煤粉细度的改变、锅炉受热面的清洁程燃煤煤

5、质的改变、煤粉细度的改变、锅炉受热面的清洁程度度等因素也会对过热蒸汽温度产生影响，但是这些因素对蒸汽温度的影响相对较弱；且在线实时测量不易实现。西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓、过热蒸汽温度的控制手段 o 在锅炉设计时，一般总是使额定负荷下过热蒸汽温度高于汽温的额定值。o 一般而言，中压锅炉其额定负荷下过热蒸汽温度比额定值高2540；高压锅炉过热蒸汽温度比额定值高4060 。o 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。o 改变过热器人口蒸汽温度有喷水式减温和表面式减温喷水式减温和表面式减温两类方法。现代大型锅炉最常采

6、用的是喷水减温喷水减温方法。 西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓水减温简单而有效的手段o从理论上来讲，在过热蒸汽内喷水将引起熵增，会导致系统作功能力(即机组循环效率)下降，但是为了维持机组的安全运行，又是最为简单而有效的手段简单而有效的手段，因而被广泛采用。o对采用喷水减温器的过热蒸汽温度控制系统，有的机组只采用一级减温，这种系统比较简单。o因被控对象在基本扰动下的迟延时间太长，往往在机组负荷变动等扰动下蒸汽温度偏差较大。目前大多数机组都采用二级喷水减温控制方式二级喷水减温控制方式。西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓/p>

7、二级喷水减温的过热蒸汽温度控制系统o从锅炉出口蒸汽温度的调节效果来考虑，则一级减温相当于粗粗调调，二级减温相当于细调细调。o对于每级减温控制系统，最常见的典型组态都采用串级控制系串级控制系统统，控制器采用PID规律，二级减温器入口蒸汽温度定值随负荷改变，锅炉出口蒸汽温度为定值控制。o有的控制系统设计考虑了机组负荷等前馈信号机组负荷等前馈信号。西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓、过热蒸汽温度控制系统的基本结构与工作原理 o采用二级喷水减温控制方式。o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纯迟延，改善过热蒸汽温度的调节品质外，

8、第一级喷水减温述具有防止屏式过热器超温、确保机组安全运行的作用。o锅炉汽包产生的蒸汽经顶棚过热器、后烟道侧墙管等加热后，在立式低温过热器出口联箱后汇集在一根管道，经一级喷水减温器后分A、B侧进入屏式过热器。在后屏过热器出口联箱后又汇集在一根管道，经二级喷水减温器后进入未级过热器。最后，在末级过热器出口联箱后由一根主蒸汽管道送至汽轮机高压缸入口。 西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓过热减温器喷水由锅炉主给水泵出口引来，就地分成两路，分别经各自的减温水流量测量孔板、气动隔离阀、气动调节阀和电动隔离阀后送往一、二级喷水减温器。o电动隔离阀和气动隔离阀除电动隔离

9、阀和气动隔离阀除可由运行人员在OIS上手动开关外，当对应的调节阀稍微开启后电动隔离阀将自动联锁打开；锅炉MFT后自动联锁关闭。当对应的调节阀稍微开启、且相应的电动隔离阀打开时，气动隔离阀将自动联锁打开；当对应的调节阀全关后自动联锁关闭。o本机组过热器一、二级喷水减温器的控制目标控制目标是在机组不同负荷下维持锅炉二级减温器人口和二级过热器出口的蒸汽温度为给定值。西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓谦029-874882771一级减温控制系统o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。o 主回路的被控量主回路的被控量为二级减温器入口的蒸汽温度

10、，它由一个温度测点测得，并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。图722过热器一级减温控制系统 西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓级减温喷水调节阀图722过热器一级减温控制系统 o主回路的给定值主回路的给定值由代表机组负荷的主蒸汽流量信号经函数器f(x)产生，运行人员在OIS上可对此给定值给予正负偏置。o主回路的控制主回路的控制由PID1和SMITH预估器互相切换形成。两者只能有一个起控制作用，它们是由工程师在EWS上设定组态软件中的开关来选择的，运行人员无法干涉。o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

11、后其输出送至副回路。 西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓 副回路的被控量为一级减温器出口的蒸汽温度。同样，它也由一个温度测点测得，并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。o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。o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，其输出与防超温保护回路输出叠加后经手动自动站去控制一级喷水减温器 西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓馈信号o系统引入的前馈信号有机组负荷、送风量、喷燃器火嘴倾角等外扰信号。o这些扰动信号会引起过

12、热蒸汽温度的明显变化，因此将它们作为前馈信号引入系统，来抑制它们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。 西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓超温保护回路o防超温保护回路以PID3调节器为核心构成。o正常情况下这一回路不起作用，它由工程师在EWS上将此功能封闭(该回路的切换器T2输出为0)。o当某种原因导致二级减温器入口蒸汽温度比给定值高出4以上时，该回路会使一级减温喷水调节阀动态过开，以防止屏式过热器超温。o防超温保护回路的控制作用受到限幅器受到限幅器的限制的限制，以避免喷水调节阀的动作太大。 西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓

13、当机组负荷较低、汽轮机跳闸、锅炉MFT或一级喷水电动隔离阀异常关闭时，过热器一级减温喷水调节阀将自动关闭。o 由于机组的负荷会改变，控制对象的动态特性也随之改变，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系统的优势，将主、副调节器设计将主、副调节器设计成自动随负荷修改整定参数的成自动随负荷修改整定参数的调节器调节器西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓谦029-874882772二级减温控制系统 o该系统与一级减温控制系统的结构基本相同，也是一个串级双回路控制系统o不同之处在于：o主、副调节器输入的偏

14、差信号不同o采用的前馈信号不同。 西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓级减温喷水调节阀图723过热器二级减温控制系统 西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓二级减温控制系统的主回路的被控量为二级过热器出口蒸汽温度o该蒸汽温度设有两个测点，可由运行人员在OIS上选择A侧、B侧或两侧的平均值作为蒸汽温度测量值与主回路的给定值比较，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。 西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓副回路的被控量为二级减温器出口蒸汽温度，它由一个温度

15、测点测得，并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。o副回路给定值是由主回路控制器的输出与前馈信号叠加而形成的。 西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓回路前馈信号o 二级过热蒸汽温度控制是锅炉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经济运行，要求尽可能提高锅炉出口蒸汽温度的调节品质。o 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。 西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓蒸汽的焓值是温度和压力的二元函数，要用数学公式表示出这种函数关系是相当困难和难以保证精度的。

16、o在水蒸气热力性质表上，蒸汽焓值和温度、压力的关系是将实验数据以表格形式体现的。若要查出某一压力、温度下蒸汽的焓值，必须采用查表和内插的方法，计算工作量相对较大。o在INFI90系统中，专门开发了采用内插法求取二元函数的内插器(功能码168)，只要知道二元函数的数值表格，不必求该二元函数的数学表达式，即可采用内插法求出这两个输入变量所对应的函数值，利用这个功能码解决类似蒸汽焓值在线计算之类的问题是非常方便的。 西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓先根据主蒸汽温度和压力的给定值用内插器计算出锅炉出口蒸汽要求的焓值o再减去由主蒸汽流量代表的机组负荷、送风量、燃

17、烧器火嘴摆动倾角等因素经函数发生器给出的对二级过热器焓增的影响o求得二级过热器入口要求的蒸汽焓值。西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓由于二级过热器入口蒸汽无压力测点，这里由主蒸汽压力加上随负荷变化二级过热器内蒸汽的压降，求得二级过热二级过热器入口蒸汽压力器入口蒸汽压力o再根据二级过热器入口蒸汽压力和要求的焓值，采用内插器求出二级过热器入口要求的温度，作为二级减温控制主回路的前馈信号，即作为二级过热器入口蒸汽温度给定值的前馈信号。西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓3SMITH预估器o在一、二级减温控制系统的主回路中，

18、均设置了可供选择的SMITH预估器。o这是因为长期以来，对于过热器蒸汽温度这种具有大纯迟延、大惯性动态特过热器蒸汽温度这种具有大纯迟延、大惯性动态特性的控制对象，采用常规的性的控制对象，采用常规的PID控制规律难以获得满意的控制效果控制规律难以获得满意的控制效果。o近年来，对于锅炉过热蒸汽温度控制，国内外都在尝试采用新的控制规律取代常规的PID规律，出现了诸如模糊控制、模糊控制、SMITH预估器、状态观测器预估器、状态观测器等控制规律。o在上述一、二级减温控制系统组态中，充分利用INFI90系统所具有的SMITH预估器功能码，以提高蒸汽温度控制的品质。 西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研

19、室刘晓MITH预估器的应用原理o SMITH预估器仍采用经典控制理论设计。o 将被控对象在基本扰动作用下的动态特性，简化为一个纯迟延与一个一阶惯性环节相串联的数学模型，预估器根据这个输入的数学模型，预先估计出所采用的控制作用对被控量的可能影响，而不必等到被控量有所反应之后再去采取控制动作，从而达到提高控制效果的目的。 西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓 从理论上讲，对于一个准确的纯迟延和一阶惯性环节串联的被控对象，被控量在外部扰动和给定值扰动下，应用SMITH预估器控制的过渡过程，可以达到非常理想的效果，实际被控对象动态特性越

20、逼近纯迟延串联一阶惯性环节，控制效果就越好。西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓被控量在给定值和外部扰动下，以传递函数形式表达的关系式为：1( )( )(1)( )11ssVpP sSsU sTsTsee( )VP s( )pS s( )U s西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓实践证明，应用SMITH预估器，对一、二级减温控制系统的控制品质大有提高。o当然，为了进一步改善外部扰动下的控制效果，在系统组态时，引入对被控量有明显影响且可测量的外部扰动作为前馈信号，也是非常必要的。 二、 再热蒸汽温度控制系统西北电力职工培

21、训中心动力系热工自动化教研室刘晓高电厂的热经济性o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、低压缸继续做功继续做功。o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。o为了提高电厂的热经济性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。o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。 西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓热蒸汽温度控制的意义o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

22、，提高电厂的经济性。o再热蒸汽温度控制的任务，是保持再热器出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，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。稳态时等于给定值。西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓、再热蒸汽温度的影响因素o机组负荷的大小o火焰中心位置的高低o烟气侧的烟气温度和烟速(烟气流量)的变化o各受热面积灰的程度，燃料、送风和给水的配比情况o给水温度的高低o汽轮机高压缸排汽参数o其中最为突出的影响因素是负荷扰动和烟气侧的扰负荷扰动和烟气侧的扰动。动。西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓荷

23、扰动对再热汽温的影响最为突出o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纯对流受热面的汽温静态特性特性单位重量工质的吸热量随负荷的下降而降低。o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o例如，某机组负荷降低30时，再热蒸汽温度下降2835，差不多是负荷每降低1再热蒸汽温度下降1。西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓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显著。o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

24、，所以它的影响程度次于蒸汽负荷的扰动。西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓、再热蒸汽温度的控制手段o从控制的角度讲，以对被控量影响最大的因素作为控制手段对控制最有利。但在再热蒸汽温度控制中，由于蒸汽负荷是由用户决定的，故不可能用改变蒸汽负荷的方法来控制再热蒸汽温度。o对于再热蒸汽温度，几乎都采用改变烟气流量作为主要控制手几乎都采用改变烟气流量作为主要控制手段o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)的倾斜角度等。西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓1改变再循环烟气流量 图724 改

25、变再循环烟气流量调节再热汽温 西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓再循环烟气是通过再循环风机从烟道尾部抽取的，该低温烟气送入炉膛底部可降低炉膛温度，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。o例如，当负荷降低而使再热蒸汽温度降低时，可通过开大再循环风机的出口挡板板来增加再循环烟气的流量，使再热蒸汽温度升高。当再循环设备停用时，应自动打开热风门，引人压力稍高的热风将炉膛烟气封锁，以防止炉膛高温烟气倒入再循环烟道而烧坏设备。o采取再循环烟气控制再热蒸汽温度的优点是反应优点是反应灵敏，调温幅度大；缺点是设备结构

26、比较复杂。灵敏，调温幅度大；缺点是设备结构比较复杂。 西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓2改变通过低温再热器的烟气流动状态 图725 改变燃烧器倾角或烟气挡板位置西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓将锅炉的尾部烟道分隔为主烟道和旁路烟道两部分，在主烟道和旁路烟道中分别布置低温过热器，在烟温较低的省煤器下面布置可控制的烟气挡板，通过控制烟气挡板的开度控制再热蒸汽温度。o采用烟气挡板控制再热蒸汽温度的优点是设备优点是设备结构简单、操作方便；缺点是调温的灵敏度较结构简单、操作方便；缺点是调温的灵敏度较差，调温幅度也小。差，

27、调温幅度也小。o挡板开度与蒸汽温度变化呈非线性关系，通常将主、旁两侧挡板按相反方向联动联结联动联结，以加大主烟道的烟气量的变化和克服挡板的非线性。 西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓谦029-874882773改变燃烧器(火嘴)的倾角 o采用改变燃烧器倾斜角度控制再热蒸汽温度，实际上是以改变炉膛火焰中心位置来使再热器的入口烟温改变，从而达到控制再热蒸汽温度的目的。西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓采用上述手段控制再热蒸汽温度比喷水控制再热蒸汽温度的经济性要高，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，降低了电厂热效率，所

28、以在正常情况下，再热蒸汽温度不采用喷水调温方式。o但喷水减温方式简单、灵敏、可靠，所以可以把它作为再热蒸汽温度超过极限值的事故情况下的一种保护手段。 西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓、再热蒸汽温度控制系统的基本结构与工作原理 o采用的是摆动火嘴加喷水减温控制手段。o该机组汽轮机高压缸的排汽通过一根输送管引至锅炉上部，然后分成两路经各自的喷水减温器送入低温再热器。经中间交叉混合后的两路再热蒸汽最后汇集在锅炉A、B两侧的两个末级出口联箱内，然后由一根管道送至汽轮机。o按照再热蒸汽温度控制系统的设计思想，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。o

29、如果摆动火嘴将炉膛火焰中心摆至最下而再热器出口蒸汽温度仍高，或摆动火嘴切至手动，或由于某种原因引起再热蒸汽温度动态偏高时，再热器的喷水减温器才开始工作。o也就是说，控制再热蒸汽温度的减温水阀门平常是全关的，它对再热蒸汽温度只起一种辅助的或保护性质的控制作用。相应的再热蒸汽温度控制系统结构如图726所示。 西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓谦029-874882771再热蒸汽温度的测量o在锅炉A、B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，再热蒸汽温度由热电偶测量，用补偿导线直接引入计算机。o运行人员在

30、OIS上可手动选择每侧的某一测点或两个测点的平均值作为本侧再热蒸汽温度控制使用。西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓如果每侧的两个测点中一个出现故障，计算机将自动把无故障的信号选为控制系统使用，并禁止切换到故障测点。o如果每侧至少有一个正常测点，则摆动火嘴控制系统的再热蒸汽温度信号自动取自两侧运行人员选择信号的平均值。o如果某侧的两个测温信号同时出现故障，则摆动火嘴控制系统的再热蒸汽温度信号自动取自另一侧运行人员选择的蒸汽温度信号。西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓谦029-874882772摆动火嘴控制o 摆动火嘴控制系统是一个带前馈信号的单回路控制系统，它在再热蒸汽温度的控制中起到经常性的作用。西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓该系统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蒸汽温度给定值，与运行人员手动给定值经小值选择器选择后与再热蒸汽温