第10章电厂锅炉的过程控制课件

第十章电厂锅炉的过程控制自动化081－3、自升101－2§10电厂锅炉的过程控制在火力发电厂，最基本的工艺过程是用锅炉生产蒸汽，使汽轮机运转，进而带动发电机发电。锅炉控制是火力发电生产过程自动化的重要组成部分。电厂中锅炉的主要任务:根据负荷设备(汽轮机或蒸汽用户)的需要，供应一定规格(压力、温度和纯度)的蒸汽。一、常见锅炉设备主要工艺流程图

根据生产流程可以把锅炉分成燃烧系统和汽水系统。燃料给水空气过热蒸汽

1、燃烧系统的任务:1）将燃料B由燃料控制机构24经喷燃器25送入炉膛燃烧。2）将助燃的空气V由送风机26经空气预热器27预热后再经调风门28按一定比例送入炉膛。空气和燃料在炉膛内燃烧，产生大量热量传给蒸发受热面（水冷壁）29中的水。燃烧后的高温烟气经II型烟道，不断将热量传给过热器17、再热器20、省煤器16和空气预热器27，每经过一个设备烟气温度便会降低一次，最后低温烟气由引风机30吸出，经烟囱排入大气中。2、汽水系统：

锅炉的给水w由给水泵13打出，先经过高压加热器14，再经过省煤器16吸收一部分烟气中的余热后进入汽包3。汽包中的水在水冷壁中进行自然或强制循环，不断吸收炉膛辐射热量，由此产生的饱和蒸汽由汽包顶部流出，再经过多级（3～4级）过热器17进一步加热成过热蒸汽D。这个具有一定压力和温度的过热蒸汽就是锅炉的产品。蒸汽的高温和高压是为了提高单元机组的热效率。

汽轮机高压缸1接受从锅炉供给的过热蒸汽，其转子被蒸汽推动，带动发电机转动而产生电能Pe(MW)。从高压缸汽轮机1做功后的蒸汽，其温度、压力都降低了。

为了提高热效率，需要把这部分蒸汽送回锅炉，在再热器20中再次加热，然后再进入汽轮机中、低压缸2做功，最后成为乏汽从汽轮机低压缸尾部排入冷凝器7冷凝为凝结水。凝结水与补充水8一起经凝结水泵9先打到低压加热器11，然后进入除氧器12，除氧后进入给水泵，从而形成汽水系统的循环。高压加热器14和低压加热器11是利用汽轮机的中间抽汽来加热给水和凝结水，以提高电厂的热效率的设备。在汽水系统中还有两个喷水减温器18和21，它们是用来保护过热器管壁和控制蒸汽温度的。二、锅炉设备是一个多输入、多输出且相互关联的控制对象。

目前工程处理上作了一些假设后，将锅炉设备控制划分为若干个控制系统，主要控制系统有：

1.锅炉汽包水位的控制系统

给水燃料过热蒸汽（1）汽包水位控制的重要性将锅炉的汽包水位控制在一个允许范围内，是锅炉运行的主要指标，也是锅炉能提供符合质量要求的蒸汽负荷的必要条件。如果汽包水位过低，则汽包内的水量较少，当蒸汽负荷很大时，水的汽化速度和水量变化速度都很快，如不及时控制，可能会使汽包内的水全部汽化，导致锅炉燃烧或爆炸；相反，当水位过高则会影响汽包的汽水分离，产生蒸汽带液现象，使过热器管壁结垢而损坏，同时还会使过热蒸汽温度下降损坏汽轮机叶片，影响运行的安全性与经济性。总之，汽包水位过高或过低所产生的后果极为严重，必须严格加以控制。

所谓“虚假水位”，即在燃料量不变的情况下，当蒸汽用量(即负荷)突然增加时，会使汽包内的压力突然降低，水的沸腾加剧，加速汽化，汽泡量也突然增加，由于汽泡的体积比水的体积大很多倍，结果形成了汽包内水位升高的假象。反之，当蒸汽用量突然减少时，汽包内蒸汽压力急剧上升，水的沸腾暂时停止，结果造成水位瞬时下降的假象。

（2）汽包水位的控制方案

考虑到锅炉汽包存在虚假水位现象(p194)。

一种可行的控制方案是以汽包水位为主被控参数、给水流量为副被控参数、蒸汽流量为前馈信号的三冲量前馈-串级控制系统。采用这种控制方案的理由分析如下。

1）单冲量水位控制方案

以汽包水位为被控参数、给水流量为控制参数构成的单回路控制系统称为单冲量控制系统（见右图）。

系统优点：结构简单、设计方便。

缺点：克服给水自发性干扰和负荷干扰的能力差。尤其是当大中型锅炉存在负荷干扰时，严重的虚假水位将导致给水调节阀产生误动作，使汽包水位产生激烈波动，从而影响设备寿命和安全。

所以，单冲量的控制方案不宜采用。2）双冲量水位控制方案

在汽包水位的控制中，最主要的干扰是蒸汽负荷的变化。如果根据蒸汽流量的变化来校正虚假水位的误动作，就能使调节阀动作准确及时，减少水位的波动，改善控制质量。也就是说，若将蒸汽流量作为前馈信号，就构成了双冲量控制系统。图10-1是双冲量控制系统的流程图及框图，这实际上是一个前馈-反馈复合控制系统。

显而易见，该控制方案与单冲量水位控制相比，控制质量已有明显改善，但它对于给水系统的干扰仍不能有效克服，需要再引入给水流量信号构成三冲量串级控制系统。图10-1双冲量控制系统流程图及框图a)流程图b)框图a)

3)三冲量串级控制方案

三冲量串级控制方案的结构框图如图10-2所示。该控制系统由主、副两个调节器和三个冲量(汽包水位、蒸汽流量、给水流量)构成。其中：

主调节器：水位调节器；副调节器：给水流量调节器；

前馈信号：蒸汽流量。准确地说，该系统应称为三冲量前馈-串级复合控制系统。该系统的主要优点：当负荷（即蒸汽流量）变化时，它早于水位偏差进行前馈控制，能及时地调节调节阀的给水流量，以跟踪蒸汽流量的变化，维持进出汽包的物料平衡，从而有效地克服虚假水位的影响，抑制水位的动态偏差；当蒸汽流量不变时，由给水流量为副被控量构成的副回路，可及时消除给水流量的自身干扰（主要由给水压力的波动引起）。汽包水位是主被控量，主调节器采用PI调节规律。动态过程中，它根据水位偏差调节给水流量的设定值；稳态时，它可使汽包水位等于设定值。锅炉三冲量前馈-串级复合控制系统：

前馈信号：蒸汽流量主被控参数：汽包水位副被控参数：给水流量控制参数：给水流量如图10—2所示。由此可见，三冲量前馈一串级复合控制系统在克服虚假水位的影响、维持水位稳定、提高给水控制质量等多方面都优于前述两种控制系统，是现场广泛采用的汽包水位控制方案。2.过热蒸汽温度控制系统

（1）控制要求由工艺可知，过热蒸汽温度过高，则过热器容易损坏，也会使汽轮机内部引起过度的热膨胀，严重影响运行的安全；过热蒸汽温度过低，则使汽轮机的效率降低，同时也使通过汽轮机的蒸汽湿度增加，引起叶片磨损。因此，过热蒸汽温度是影响安全和经济的重要参数，一般要求保持在±5℃的范围内。例如，30万kw的机组锅炉过热蒸汽温度为(565±5)℃。（2）蒸汽过热系统组成：一级过热器、减温器、二级过热器。（3）蒸汽过热系统自动控制的任务：

使过热器出口温度维持在允许范围内，并且保护过热器使管壁温度不超过允许的工作温度。（4）工艺简介：

从锅炉汽包出来的饱和蒸汽经过过热器继续加热成为过热蒸汽。通常过热蒸汽温度达到460OC左右时再去推动汽轮机工作。如果过热蒸汽温度过高，则过热器容易损坏，也会使汽轮机内部引起过度的热膨胀，严重影响运行的安全。如果过热蒸汽温度过低，当蒸汽带动汽轮机做功时，会使部分蒸汽变成小水滴，冲击汽轮机叶片，易造成生产事故。因此对过热蒸汽温度必须加以严格控制，使它不超出规定范围。影响过热汽温的扰动因素很多，例如蒸汽流量、减温水量、流经过热器的烟气温度和流速等的变化都会影响过热蒸汽的温度。

通常是在过热器之前或中间部分串接一个减温器，通过控制减温水流量的大小来改变过热蒸汽的温度。

（5）控制变量的选择与控制方案的确定由于蒸汽流量的变化是负荷干扰，因而不能作为控制变量；若采用烟气侧干扰作为控制变量，则会使锅炉的结构复杂，给设计制造带来困难，也不宜作为控制变量；为了保护过热器，保证机组安全运行，在锅炉设计时，已经设置了喷水减温装置，若采用减温水流量作为控制变量则既简单又易行。但存在的问题：①减温水流量与过热蒸汽温度之间存在较大的时延和惯性；②在工艺上，锅炉给水与减温水常常合用一根总管，这样会导致减温水自身波动频繁。针对上述存在的问题，如果设计简单控制系统则无法满足生产工艺的要求。为此，需要设计较为复杂的控制系统，以提高控制质量。一种可行的控制方案是设计串级控制系统。目前广泛采用减温水流量作为控制变量。但由于该控制通道的时滞和时间常数都较大，单回路控制系统往往不能满足生产上的要求。因此，通常设计成图10－3所示的串级控制系统。将减温器后的汽温信号T2送至副调节器。因T2比主汽温T1能提前发现减温水的扰动，并使副调节器及时动作，在减温水的扰动未及影响主汽温时即被消除。将主汽温信号T1送给主调节器，当主汽温因受扰动而偏离给定值时，主调节器动作，改变副调节器的给定信号，使副调节器随之动作，直接控制调节阀，最后使主汽温控制在允许值范围。主参数：出口过热蒸汽温度T1副参数：减温器后的蒸汽温度（减温器出口温度）T2控制参数：减温水流量检测过热蒸汽温度：热电阻温度计

采用DDZ-III单元组合仪表

3.锅炉燃烧控制系统

（1）锅炉燃烧系统的控制任务锅炉燃烧系统的控制任务相当多。主要有三项任务：

1）使锅炉出口蒸汽压力稳定。因此，当负荷扰动而使蒸汽压力变化时，通过调节燃料量(或送风量)使之稳定。

2）保证燃烧过程的经济性。在蒸汽压力恒定的条件下，要使燃料量消耗最少，且燃烧尽量完全，使热效率最高，为此燃料量与空气量(送风量)应保持一个合适的比例。3）保持炉膛负压恒定。通常用调节引风量使炉膛负压保持在微负压（－20～－80Pa）。一般情况下可以根据炉膛负压来控制烟道的翻板阀，以达到炉膛负压稳定。也有以蒸汽压力为前馈量，组成前馈-反馈控制系统，通过改变烟道翻板阀，维持炉膛负压一定。如果炉膛负压太小甚至为正，则炉膛内热烟气甚至火焰将向外冒出，影响设备和操作人员的安全；反之，炉膛负压太大，会使大量冷空气进入炉内，从而使热量损失增加，降低热效率。上述三项任务是有关联的。为了完成这三项任务，有三个可供调节的手段：燃料量、送风量和引风量。（2）控制系统设计的总原则：

1）当生产负荷产生变化时，燃料量、送风量和引风量应同时协调动作。这样，既适应负荷变化的需要，又使燃料量和送风量成一定比例，炉膛负压为一定数值。而当生产负荷稳定不变时，则应保持燃料量、送风量和引风量都稳定不变，并迅速消除它们各自的扰动作用。

2）必须加强安全措施。例如，烧嘴背压太高时，可能因燃料流速过高而脱火；烧嘴背压过低时又可能回火，这些都应设法防止。

（3）燃烧过程的控制方案

1）蒸汽压力控制系统

蒸汽压力的主要扰动是蒸汽负荷的变化与燃料量的波动。

a）当蒸汽负荷及燃料量波动较小、对燃烧的经济性要求不高时，采用调节燃料量以控制蒸汽压力的单回路控制系统。

b）当燃料量波动较大时，则需要采用燃料量对蒸汽压力的串级控制方案。

2）燃料与空气比值控制系统

由于燃料量是随蒸汽负荷而变化的，所以是主流量，它与空气流量(副流量)组成单闭环比值控制，以使燃料与空气保持一定比例，使之能良好燃烧。图10—5所示是燃烧过程的基本控制方案。

a）：将蒸汽压力调节器的输出同时作为燃料和空气流量调节器的设定值。燃料流量调节器和空气流量调节器则构成各自的副回路，用以迅速克服它们自身的干扰。

优点：可以克服蒸汽负荷的干扰而确保蒸汽压力的恒定，同时燃料量和空气量的比例是通过燃料流量调节器和送风流量调节器的正确动作而间接得到保证的。b）：蒸汽压力对燃料流量的串级控制，而送风量随燃料量变化而变化的比值控制，这样可以确保燃料量与送风量的比例。

缺点：负荷发生变化时，送风量的变化必然落后于燃料量的变化，以致燃烧不完全。

因此要求做到燃料加大之前先加空气量，减燃料时跟着减空气量。为此可设计图10-3所示的燃烧过程改进型控制方案。该方案在蒸汽负荷减少、压力增大时，通过低值选择器LS先减燃料量，后减空气量；而当蒸汽负荷增加、压力减小时，通过高值选择器HS，先加