第06章锅炉蒸汽温度控制系统

第六章锅炉蒸汽温度控制系统§6.1概述§6.2主蒸汽温度的串级控制§6.3主蒸汽温度的导前微分控制§6.4主蒸汽温度系统的实际举例§6.5再热蒸汽温度控制§6.6再热蒸汽温度控制实际举例华北电力大学一、蒸汽温度控制的任务1.主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。§6.1 概述华北电力大学

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28∽35℃(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。华北电力大学二、蒸汽温度控制对象的动态特性

1.主蒸汽温度控制对象的动态特性

主要为蒸汽流量、烟气传热量和减温水扰动。

（１）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，导致气温升高；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。

华北电力大学图6-1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6-2所示。

注意：蒸汽流量的扰动不能作为调节信号用。

图6-2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。华北电力大学

（２）烟气量扰动下过热汽温对象的动态特性

图6-3烟气流量变化对过热汽温的影响

引起烟气传热量变化的原因很多，如给粉机给粉不均匀，煤中水分的改变，蒸汽受热面结垢，过剩空气系数改变，汽包给水温度变化，燃烧火焰中心位置的改变等。尽管引起烟气传热量变化的原因很多，但对象特征总的特点是：有延迟，有惯性，有自平衡能力。它的特征曲线如图6-3所示。

从烟气侧来的扰动量使沿整个长度过热器的传热量发生变化，汽温变化反应较快，延迟时间有10-20s，可以用来作为调节量信号。华北电力大学

（３）减温水量扰动下过热汽温对象的动态特性

图6-4减温水量变化对过热汽温的影响

常用的减温方法有两种：喷水式减温和表面式减温，前者的效果比后者好，喷水式减温器一般装在末级过热器高温段前面，一方面保护了过热器高温段，另一方面又改善了调节性能。这种过热器的安装方法与在饱和侧装设表面式减温器相比，延迟时间能减小1/4。特点：有延迟，有惯性和有自平衡能力，延迟时间约为30~60s。减温水量是常用的调节量。华北电力大学

2．再热蒸汽温度控制对象的动态特性图6-5烟流挡板控制再热汽温的动态特性图6-5是125MW机组的动态特性，当挡板从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。华北电力大学§6.2 主蒸汽温度的串级控制

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。一、系统结构图6-6串级控制系统结构图主蒸汽温度串级控制的基本结构(最后一级)如图6-6所示。。华北电力大学原理框图如图6-7所示图6-7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。华北电力大学主调节器：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。华北电力大学副回路：

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)华北电力大学二、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华北电力大学三、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。华北电力大学

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下，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。华北电力大学§6.3 主蒸汽温度的导前微分控制一、系统结构图6-13 导前微分控制系统结构简图华北电力大学图6-14 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：

华北电力大学二、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变化如图6-15所示。迟延时间缩短后，可控性变好，控制品质将得到改善。图6-15减温水量扰动时各信号华北电力大学2．引入导前微分信号能减小动态偏差，改善控制品质图6-16阀门开度阶跃扰动下汽温特性

曲线1、2分别为θ1、θ*

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θ1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华北电力大学§6.4 主蒸汽温度系统的实际举例

下面以某电厂350MW机组主汽温控制系统为例，对系统进行分析。一、主汽温自动控制系统概况

该电厂350MW机组主汽温控制系统是三菱DIASYS－UP型DCS中闭环控制系统（CCS）中的子系统。该系统的主要任务是严格地将主汽温度控制在给定值附近，暂时偏差不允许超过±10℃，长期偏差不允许超过±5℃，这个要求对于主蒸汽温度控制系统来说是非常高的。该厂的主汽温控制系统的过热器由三级（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级）组成，采用两级（一、二级）喷水减温调节，每级分为左、右两侧，两侧对称布置，结构相同，特性相近，如下图所示。华北电力大学主汽温热力系统图二、主汽温自动控制系统分析

由于机组容量大，过热器管道比较长，为了易于控制，把过热器分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等三级，设有两级喷水减温器，采用分段控制系统。这样，主汽温控制系统由一级喷水减温控制系统和二级喷水减温控制系统组成。其SAMA图如下图所示，图中只画出了左侧系统结构组成图，右侧与左侧一样，故省略，没有画出。华北电力大学

1.一级喷水减温控制系统

该系统主要初步调节过热蒸汽温度为给定值，可采用一般的单回路控制系统即可达到目标。该系统由常规控制系统和最低温度控制系统组成，两系统由一切换开关进行切换，如左图所示。华北电力大学（1）常规控制系统该系统主要是对Ⅱ级过热器出口温度进行粗调。

①设定值：为了满足机组定压运行和滑压运行等各种运行方式的设定值不同的要求，该系统的设定值由机组负荷指令经一函数发生器Fx(1)产生。

②调节器：采用PID控制，其入口乘上了机组负荷指令经一函数发生器Fx(2)而得出的信号，其作用相当于调节器的比例带随机组负荷而变化，便于系统参与电网调峰任务。

③前馈控制：机组负荷指令信号作为前馈信号经一函数发生器Fx(3)后直接控制一级减温器喷水阀，快速消除负荷扰动对Ⅱ级过热器出口温度的影响。

④被调量：该系统的被调量为二级减温器入口温度，华北电力大学即Ⅱ级过热器出口温度，其测量采取双冗余措施，保证其可靠性。

（2）最低温度控制系统

该系统主要是为了防止喷水过多，造成蒸汽湿度过大，设置了最低温度控制系统。①设定值：汽包压力经一函数发生器Fx(4)后得出蒸汽的饱和温度，饱和温度加上一给定值，得出了该系统的设定值。②调节器：采用PI控制。③被调量：被调量为一级减温器出口温度，其测量采取双冗余措施，保证其可靠性。华北电力大学（3）执行机构

该系统采用电动执行机构，电动阀门输入4～20mA信号对应阀位信号0～100％。

（4）一级喷水阀控制站

实现控制系统的手动/自动切换。当手动时，可通过键盘和屏幕对控制系统进行远程手动操作。手动/自动切换为双向无扰的。

（5）硬手操

硬手操可直接操作执行器，其电源与被操作的执行器的电源相同。当机组出现主燃料跳闸时，通过硬手操关闭电动阀门。

华北电力大学2.二级喷水减温控制系统该系统主要调节主蒸汽温度为给定值，采用串级控制系统，由主、副调节器完成控制任务。导前温度发生变化时，副调节器改变减温水量，维持过热器入口汽温在一定范围内，起粗调作用，并由主调节器校正副调节器工作，发出信号使副调节器控制减温水量，使过热器出口温度达到给定值，如下图所示：华北电力大学二级喷水减温控制系统

华北电力大学

（1）设定值为了满足机组定压运行和滑压运行等各种运行方式的要求，该系统的设定值由机组负荷指令经一函数发生器Fx(5)后加上主汽温偏差设置值产生。

（2）控制器主调节器采用PID控制，副调节器采用PI控制，两调节器入口均乘上了机组负荷指令经一函数发生器Fx(6)、Fx(7)而得出的信号，其作用相当于调节器的比例带随机组负荷而变化，便于系统参与电网调峰任务。华北电力大学

（3）前馈控制机组负荷指令信号作为前馈信号经一函数发生器Fx(8)后去校正副调节器，作为对负荷扰动的补偿，提前反映主汽温的变化，控制二级减温器喷水阀，使主汽温不致有太大的波动。

（4）最低温度限制汽包压力经一函数发生器Fx(9)后得出蒸汽的饱和温度，饱和温度加上一定值，得出了最低温度限制值，该值和主调节器输出值通过一大选模块实现对系统的最低温度的限制。该系统主要是为了防止喷水过多，造成蒸汽湿度过大，设置了最低温度控制系统。华北电力大学

（5）被调量

该系统的被调量为主汽温，即Ⅲ级过热器出口温度，其测量采取三冗余措施（去掉最大值和最小值，取中间值），确保主汽温信号的可靠性。

（6）执行机构、二级喷水阀控制站、硬手操

等设施与一级喷水控制系统相似。3.函数发生器与控制器

（2）三菱DIASYS－UP型分散控制系统中，常规PID控制器的数学表达形式

（1）函数发生器Fx：分为9段直线，每一段直线的斜率不同，所代表的输入和输出关系不同。

华北电力大学§6.5 再热蒸汽温度控制

再热汽温的控制，一般以采用烟气控制的方式为主，这比采用喷水控制有较高的热经济性。实际采用的烟气控制方式由变化烟气挡板位置，采用烟气再循环，摆动喷燃器角度和采用多层布置圆形燃烧器，汽---汽热交换器和蒸汽旁通等方法。一、采用烟气挡板控制再热汽温的控制系统

采用烟气挡板需把尾部烟道分成两个并联烟道，在主烟道中布置低温再热器，旁路烟道中布置低温过热器。在低温过热器下面布置省煤器，调温挡板则布置在工作条件较好的省煤器下面。主，旁两侧挡板的动作是相反的，即再热器侧开，过热器侧关，反之亦然。华北电力大学1.系统结构采用烟气挡板控制再热汽温的控制系统如左图。2.工作原理再热汽温作为主信号(被调量)，左侧通过加法器，调节器去调节烟气挡板，右侧去调节喷水。正常时主要靠烟气挡板来调节再热汽温，两个函数发生器用以修正挡板的非线性，反相器是用以使两个挡板反向动作(即一开一关)。图6-20烟气档板控制再热气温控制系统华北电力大学二、采用烟气再循环控制图6-21烟气再循环装置1.基本原理：利用再循环风机从烟道尾部抽取低温烟气进入炉膛底部，从而改变辐射受热面与对流受热面的吸收比例，以达到调温目的。被控对象的动态特性与再循环烟气量，烟气抽出位置及送入炉膛位置等因素有关。一般说来，从省煤器出口抽取烟气，把它送入炉膛底部冷灰斗，这样的烟气再循环能够有效地起调节再热汽温的作用。华北电力大学

2.系统分析烟气再循环对主汽温度产生正向影响，即调高再热汽温时，同时主汽温度升高。另外，烟气再循环对主汽压力和蒸汽流量也要造成扰动。若由于某种原因再热汽温升高，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。对停运的再循环烟道来说，炉膛内的高温烟气可能经挡板缝隙倒流入再热循环烟道而破坏设备。故在停运时，应自动打开热风门，引入压力稍高的热风将烟道封锁，以防高温炉烟倒入。华北电力大学

（1）再热汽温与给定值的偏差进入调节器，然后经加法器和手、自动平衡组件改变烟气再循环烟气量以控制再热汽温，在加法器中引入送分量信号V和再热循环烟气量信号VG作为前馈控制信号。送风量V反映了锅炉负荷3.工作过程的大小，同时能提前反映汽温的变化，V增加时，汽温升高，故V按负向送入加法器。华北电力大学

（2）函数发生器用以修正风量和再循环烟气量之间的关系。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循环烟量。（3）当再热蒸汽超温时，比较器输出负值。调节器输出负信号关烟气再循环挡板，烟气再循环失去调温作用。同时两个反相器将有正输出，右侧将打开喷水控制，左侧打开热风门，用热风将循环烟道封住，防止高温炉烟倒入再循环烟道，烧坏设备。华北电力大学三、汽—汽热交换器再热汽温控制

采用汽—汽热交换器进行再热汽温控制是属于蒸汽旁通的一种，它是在炉外设置一组用一次蒸汽来加热再热汽的热交换器，利用三通阀改变流经热交换器的再热蒸汽量来控制再热汽温。由于汽—汽热交换器的调整范围很小，还必须辅以喷水。华北电力大学§6.6 再热蒸汽温度控制实际举例

下面介绍350MW机组三菱DIASYS-UP型DCS中再热汽温控制系统。一、基本概况

该系统采用摆动喷燃器角度控制再热汽温，而把喷水减温方式作为事故喷水的一种安全手段。机组喷燃器分五层布置，下面两层不动，主要摆动上面三层喷燃器，以控制再热蒸汽温度。它由摆动燃烧器角度控制系统和事故喷水控制系统等两个系统组成，其主要任务是严格地将再热蒸汽温度控制在给定值附近。二、再热蒸汽温度控制系统

再热汽温系统SAMA图如下图所示。华北电力大学再热汽温控制系统华北电力大学1.燃烧器角度摆动控制系统该系统主要任务是调节再热蒸汽温度为给定值，通过调节摆动式燃烧器喷嘴的上下倾角，可以改变炉内高温火焰中心的位置。当喷嘴向上倾斜时，火焰中心上移，炉内吸收热量将减少，炉膛出口烟温会升高，对流受热面的吸热量就要增大。但是，受热面离炉膛出口越远，吸热量的增加就要减少。燃烧器的倾角不能太大，过大的上倾角会增加燃料的未完全燃烧损失；下倾角过大会造成冷灰斗的结渣。

该再热汽温系统的燃烧器喷嘴的上倾角为12°，下倾角为18°，调温范围约为50℃。由于该系统的滞后时间不太大，采用一般的单回路控制系统即可达到目标，如上图左侧所示。华北电力大学

（1）设定值：为了满足机组定压运行和滑压运行等各种运行方式的设定值不同的要求，该系统的设定值由机组负荷指令经一函数发生器Fx(1)加上再热汽温偏差设定置值而产生。再热汽温偏差设定站主要用于消除系统偏差。其中函数发生器Fx(1)可根据机组的热应力和热效率计算出函数曲线，使系统运行满足经济性和安全性。（2）调节器：采用PI控制，其入口乘上了机组负荷指令经一函数发生器Fx(2)而得出的信号，其作用相当于调节器的比例带随机组负荷而变化，便于系统参与电网调峰任务。华北电力大学（3）前馈控制：机组负荷指令信号作为前馈信号经一函数发生器Fx(3)后直接控制摆动燃烧器喷嘴的倾角，快速消除负荷扰动对再热汽温的影响。当函数发生器的参数整定合适时，能使负荷变化对再热汽温保持基本不变或变化较小。（4）被调量：该系统的被调量为再热蒸汽温度，即再热器出口蒸汽温度，其测量采取双冗余措施，保证其可靠性。（5）执行机构该系统采用气动执行结构，控制器输出的4～20mA电流信号经电气转换器后变为0.2～1.0kg/cm2信号，驱动燃烧器喷嘴的摆动，对应倾角位置为0～100%。华北电力大学

（6）燃烧器摆动控制站

燃烧器摆动控制站可实现控制系统的手动/自动切换。当手动时，可通过键盘和屏幕对控制系统进行远程手动操作。手动/自动切换为双向无扰的。当以下条件之一出现时，燃烧器摆动控制站被联锁为手动方式：①再热器出口蒸汽温度故障；②火嘴摆动输出卡故障；③由炉膛管理系统BMS产生摆动到水平位置信号；④指令与位置反馈信号之间偏差大。

（7）硬手操

硬手操可直接操作执行器，其电源与被操作的执行器的电源相同。当机组出现主燃料跳闸时，给定值SG为50%，通过硬手操控制燃烧器喷嘴倾角到水平位置。华北电力大学

（8）工作过程：设定值与再热器出口温度比较后的偏差值送入动态PI调节器，产生控制信号，控制燃烧器喷嘴倾角，调节再热汽温为设定值为止。当负荷扰动时，前馈通道信号直接控制燃烧器喷嘴摆动，消除扰动的影响。2.事故喷水减温控制系统

由于过多的喷水会使汽机低压缸的通汽量变大，增加冷凝损失，对热力循环的经济性影响较大。所以喷水减温不能作为主要调节手段，而只能作为一种降温的辅助措施。在该系统中仅作为事故喷水减温。

该系统主要的主要任务是当出现再热汽温过高时，作为事故喷水减温，使再热器出口温度达到给定值，对机组的安全起到保护作用，如上图右侧所示。华北电力大学