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1、1,第五章 鍋爐蒸汽溫度控制系統(tǒng),,5.1 概 述 5.2 蒸汽溫度控制策略 5.3 蒸汽溫度控制系統(tǒng)實例,,,,,2,,5-1 概 述,,3,一、蒸汽溫度控制的任務 1. 過熱蒸汽溫度控制的任務 維持過熱器出口溫度在允許的范圍之內，并保護過熱器，使其管壁溫度不超過允許的工作溫度。 過熱蒸汽溫度是鍋爐汽水系統(tǒng)中的溫度最高點，蒸汽溫度過高會使過熱器管壁金屬強度下降，以至燒壞過熱器的高溫段，嚴重影響安全。 過熱蒸汽溫度偏低，則會降低發(fā)電機組能量轉換效率，據(jù)分析，汽溫每降低5，熱經(jīng)濟性將下降1%；且汽溫偏低會使汽輪機尾部蒸汽濕度增大，甚至使之帶水，嚴重影響汽輪機的安全運行。一般規(guī)定大
2、容量高參數(shù)火力發(fā)電機組都要求保持過熱蒸汽溫在 的范圍內。,4,2再熱蒸汽溫度控制的任務 隨著蒸汽壓力的提高，為了提高機組熱循環(huán)的經(jīng)濟性，減少汽輪機末級葉片中蒸汽濕度，高參數(shù)機組一般采用中間再熱循環(huán)。將高壓缸出口蒸汽引入鍋爐，重新加熱至高溫，然后再引入中壓缸膨脹做功。一般再熱蒸汽溫度隨負荷變化較大，當機組負荷降低30%時，再熱蒸汽溫度如不加以控制，鍋爐再熱器出口汽溫將降低2835 (相當于負荷每降低10%時，汽溫降低10)。所以大型機組必須對再熱汽溫進行控制。,5,二、影響汽溫的主要因素 1. 過熱汽溫的主要影響因素 (1) 鍋爐負荷與過熱汽溫的關系 鍋爐負荷增加時，爐膛中燃燒
3、的燃料量增加，但爐膛的最高溫度沒有多大變動，爐膛輻射放熱量相對變化不大，使得爐膛出口煙溫增高。這就說負荷增加時，每千克燃料的輻射放熱百分數(shù)減少，而在爐膛后的對流換熱區(qū)，由于煙溫和煙速的提高，每千克燃料的對流放熱百分率增大。因此，對于對流式過熱器來說，當鍋爐負荷增加時，出口汽溫的穩(wěn)態(tài)值升高；輻射式過熱器則具有相反的汽溫特性。采用這兩種過熱器串聯(lián)的鍋爐，過熱器出口蒸汽溫度在某個負荷范圍內仍隨鍋爐負荷的增加而有所升高。,6,(2) 給水溫度與汽溫的關系 提高給水溫度，將使過熱汽溫下降，這是因為產(chǎn)生每千克蒸汽需要的燃料量減少了，流經(jīng)過熱器的煙氣量也減少了。也可以這樣認為：提高給水溫度后，在相同的燃料
4、量下，鍋爐的蒸發(fā)量增加了，故過熱氣溫將下降。因此，是否投入高加將使給水溫度相差很大，這對過熱氣溫有明顯影響。,(3) 過?？諝庀禂?shù) 過剩空氣量改變時，燃燒生成的煙氣量亦改變，因而所有對流受熱面吸熱隨之改變，而且對離爐膛出口較遠的受熱面影響顯著。以對流吸熱為主的過熱器，當增大過?？諝饬繒r，將使過熱氣溫上升。,7,(4) 燃燒器的運行方式與過熱汽溫的靜態(tài)關系 在爐膛內投入高度不同的燃燒器或改變燃燒器擺角會影響爐內溫度分布和爐膛出口煙溫，因而也會影響過熱汽溫，火焰中心相對提高時，過熱汽溫將升高。,(5)受熱面清潔程度 過熱器之前的受熱面發(fā)生積灰或結渣時，進入過熱器的煙溫升高，因而使過熱汽溫上
5、升，而過熱器本身發(fā)生積灰或結渣將使過熱汽溫下降。,8,2. 再熱汽溫的影響因素 (1) 給水溫度 給水溫度降低時（如高壓加熱器出系），若鍋爐出力保持不變，則需要增加燃料，以補充因給水溫度降低而減少的熱量；這樣，爐膛出口煙氣量增加，以對流受熱面為主的再熱器吸熱量增加，導致再熱汽溫升高。 (2) 過剩空氣系數(shù) 過?？諝庀禂?shù)增加，以對流受熱面為主的再熱器吸熱量增加，再熱汽溫升高；反之則降低。,9,(3) 爐膛火焰中心 爐膛火焰中心的高度對再熱汽溫有相當顯著的影響，是調節(jié)再熱汽溫的主要手段。當火焰中心抬高時，爐膛出口溫度上升，以對流受熱面為主的再熱器其進口煙溫升高，吸熱量增加，再熱汽
6、溫提高；反之，再熱器吸熱量減少，再熱汽溫降低。 (4) 受熱面結渣 再熱器受熱面結渣或積灰，吸熱量減少，再熱汽溫降低。 爐膛水冷壁結渣，水冷壁吸熱量減少，導致爐膛出口煙溫上升，再熱器吸熱增加，再熱汽溫提高。,10,(5) 過熱蒸汽溫度和壓力 過熱蒸汽溫度變化會引起高壓缸排汽變化。過熱汽溫降低，高壓缸排汽溫度降低；在再熱器吸熱量不變的條件下，因再熱器進口溫度降低，導致再熱器出口溫度降低。 過熱蒸汽壓力的變化也會引起再熱汽溫的變化。過熱蒸汽壓力降低，在過熱汽溫不變的情況下，過熱蒸汽的焓增大，高壓缸排汽溫度上升；在再熱器吸熱量不變的條件下，因再熱器進口溫度升高，使再熱器出口溫度提高
7、；反之，過熱蒸汽壓力升高，再熱汽溫降低。這與變壓運行時，可保持較高再熱汽溫的原理相同。,11,三、蒸汽溫度控制對象的動態(tài)特性 1. 過熱蒸汽溫度對象的動態(tài)特性 主要為蒸汽流量、煙氣傳熱量和減溫水擾動。 （）蒸汽擾動下對象的動態(tài)特性 引起蒸汽流量變化的原因有二：一是蒸汽母管的壓力變化，二是汽輪機調節(jié)汽門的開度變化。結構形式不同的過熱器，在相同蒸汽流量D的擾動下，汽溫變化的靜態(tài)特性是不同的。對于對流式過熱器的出口溫度，隨著蒸汽流量D的增加，通過過熱器的煙氣量也增加，導致汽溫升高；對于輻射式過熱器，蒸汽流量D增加時，爐膛溫度升高較少，爐膛輻射給過熱器受熱面的熱量比蒸汽流量的增加所需的熱量要少
8、，因此輻射式過熱器的出口汽溫反而下降，對流式過熱器和輻射式過熱器的出口汽溫對負荷變化的反應是相反的，其靜態(tài)特性如下。,12,圖5-1 蒸汽量變化與對流過熱器及輻射過熱器出口汽溫變化的靜態(tài)特性,實際生產(chǎn)中，通常把兩種過熱器結合使用，還增設屏式過熱器，且對流方式下吸收的熱量比輻射方式下吸收的熱量要多，因此綜合而言，過熱器出口汽溫是隨流量D的增加而升高的。動態(tài)特性如圖5-2所示。,圖5-2 蒸汽量變化對過熱器汽溫的影響,有延遲，有慣性，有自平衡能力。,13,當蒸汽流量發(fā)生擾動時，由于過熱器上各點汽溫是同時變化，因此過熱器出口汽溫變化的遲延較小，遲延時間約為20s左右。盡管蒸汽流量擾動下汽溫對象的動態(tài)
9、特性較好，但由于蒸汽負荷是決定于用戶，所以不能用蒸汽流量的擾動作為控制汽溫的手段。 注意：蒸汽流量的擾動不能作為調節(jié)信號用。,14,（）煙氣量擾動下過熱汽溫對象的動態(tài)特性,圖5-3 煙氣流量變化對過熱汽溫的影響,當燃料量、送風量或煤種等發(fā)生變化時，都會引起煙氣溫度和流速的變化，使延期傳給過熱器的熱量發(fā)生變化，從而使過熱汽溫變化。因為沿著過熱器整個長度方向上，煙氣的傳熱是同時發(fā)生變化的，所以過熱汽溫的變化很快，遲延時間很小，一般為1525。,由于煙氣擾動時，過熱汽溫的動態(tài)特性較好，因此可利用煙氣側的擾動作為控制汽溫的手段，例如采用煙氣再循環(huán)和改變燃燒器擺角等，但這些控制方法需要鍋爐具有滿足自動
10、控制要求的結構和性能，而鍋爐設計、制造及實際都有一定的困難。,15,（）減溫水量擾動下過熱汽溫對象的動態(tài)特性,圖5-4 減溫水量變化對過熱汽溫的影響,對于蒸汽流量的擾動和煙氣側的擾動，過熱汽溫對象的動態(tài)特性雖然比較好，但前者由機組負荷決定，不能作為汽溫控制手段，后者使用比較困難。因此目前常采用噴水式減溫來控制汽溫。,當減溫水量發(fā)生擾動時，雖然減溫器出口汽溫產(chǎn)生變化，但要經(jīng)過較長的過熱器管道才能使出口汽溫發(fā)生變化，使汽溫反應的遲延很大，而且減溫器離過熱器出口愈遠，則對象控制通道的遲延和慣性愈大。,16,因此?？刂破麥氐淖钣行Х椒ㄊ窃谶^熱器出口處直接進行噴水減溫，但這又對過熱器和汽輪機的安全運行不
11、利。因此，噴水減溫器通常裝在末級過熱器高溫段的前面，這樣既保護了過熱器的高溫段，同時又減少了蒸汽帶水的可能性。,17,結論： 在上述三種主要擾動作用下，過熱汽溫控制對象都表現(xiàn)為有遲延、慣性和有自平衡能力，只是時延時間和時間常數(shù)不一樣。其中，減溫水擾動作用下的遲延和慣性最大，煙氣側擾動作用下的遲延和慣性次之，而鍋爐負荷擾動作用下的遲延和慣性最小。然而，只有煙氣側的擾動和減溫水側擾動可作為控制汽溫的手段。,目前廣泛采用噴水減溫作為控制汽溫的手段。由于過熱器管道加長，結構變得復雜，遲延和慣性更大，為了完成控制主蒸汽溫度和保護過熱器兩個任務，多采用分段控制系統(tǒng)。,18,2再熱蒸汽溫度控制對象的動態(tài)
12、特性,圖5-5 煙氣擋板控制再熱汽溫的動態(tài)特性,圖5-5是再熱汽溫動態(tài)特性。當煙氣擋板從0 100變化時，再熱汽溫變化58，滯后時間80s；其傳遞函數(shù)可用四階慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)表示：,再熱蒸汽溫度控制對象的動態(tài)特性依控制方式的不同動態(tài)特性也不同。,,19,,5-2 蒸汽溫度控制策略,,20,在大型鍋爐中，過熱器管道較長，結構亦復雜，為了改善控制品質，一般采用分段控制，即將整個過熱器分成若干段，每段設置一個減溫器，分別控制各段的汽溫，以維持主汽溫為給定值。,1. 系統(tǒng)結構,圖. 串級控制系統(tǒng)結構圖,過熱蒸汽溫度串級控制的基本結構(最后一級)如右圖所示。,一、過熱蒸汽溫度串級控制,1,,-I,,+
13、I0,+I1,-IT1,IT2,21,原理框圖如下圖所示,圖. 串級控制系統(tǒng)原理方框圖,主參數(shù)(主變量)： 串級控制系統(tǒng)中起主導作用的被調參 數(shù)稱為主參數(shù)。 副參數(shù)(副變量)： 其給定值隨主調節(jié)器的輸出而變化， 能映主信號數(shù)值變化的中間參數(shù)稱為 副參數(shù)。這是一個為了提高控制質量 而引起的輔助參數(shù)。,22,主調節(jié)器： 根據(jù)主參數(shù)與給定值的偏差而動作，其輸 (主控制器) 出作為副調節(jié)器的給定值的調節(jié)器稱為主 調節(jié)器，記為WT1(s) 副調節(jié)器： 其給定值由主調節(jié)器的輸出決定，并根據(jù) (副控制器) 副參數(shù)與給定值(即主調節(jié)器輸出)的
14、偏差 動作的調節(jié)器稱為副調節(jié)器，記為WT2(s) 主回路(外回路)： 斷開副調節(jié)器的反饋回路后的整個回 路稱為主回路。,23,副回路： 由副參數(shù)，副調節(jié)器及其所包括的一部分對象等(內回路) 環(huán)節(jié)所組成的閉合回路稱為副回路，副回路有 時亦稱隨動回路。 主對象： 主參數(shù)所處的那一部分工藝設備，它的輸入信號(惰性區(qū)) 為副變量，輸出信號為主參數(shù)，記為WD1(s) 副對象(導前區(qū))： 副參數(shù)所處的那一部分工藝設備，它的 輸入信號為調節(jié)量，其輸出信號為副參數(shù)(副變 量)，記為WD2(s),24,2. 串級控制系統(tǒng)的特點 串級控制仍然是一個定值控制系統(tǒng)
15、，主參數(shù)在干擾作用下的控制過程與單回路控制系統(tǒng)的過程具有相同的指標和形式，但與單回路系統(tǒng)比較，串級控制系統(tǒng)具有以下特點： 1)串級控制系統(tǒng)具有很強的克服內擾的能力 2)串級控制系統(tǒng)可減小副回路的時間常數(shù)，改善對象動態(tài)特性，提高系統(tǒng)的工作頻率。 3)串級控制系統(tǒng)具有一定的自適應能力,25,3. 串級控制系統(tǒng)主副回路和主副調節(jié)器選擇 (1) 主副回路的選擇原則 1) 副回路應該把生產(chǎn)過程的主要干擾包括在內，力求把變化幅度最大、最劇烈和最頻繁的干擾包括在副回路內，充分發(fā)揮副回路改善系統(tǒng)動態(tài)特性的作用，保證主參數(shù)的穩(wěn)定; 2) 選擇副回路時，應力求把盡量多的干擾包括進去，以盡量
16、減少它們對主參數(shù)的影響，提高系統(tǒng)抗干擾能力; 3) 主副對象的時間常數(shù)應適當匹配，串級控制系統(tǒng)與單回路控制系統(tǒng)相比，其工作頻率提高了，但這與主副對象的時間常數(shù)選擇是有關的。原則是兩者相差大一些，效果好一些。,26,(2) 主、副回路調節(jié)器調節(jié)規(guī)律的選擇原則 1）主參數(shù)控制質量要求不十分嚴格，同時在對副參數(shù)的要求也不高的情況下，為使兩者兼顧而采用串級控制方式，主、副調節(jié)器均可采用比例控制。 2）要求主參數(shù)波動范圍很小，且不允許有余差(穩(wěn)態(tài)誤差)，此時副調節(jié)器可采用比例控制，主調節(jié)器采用比例積分控制。 3）主參數(shù)要求高，副參數(shù)亦有一定要求，這時主副調節(jié)器均采用比例積分控制。,27,
17、從上圖可以看到，過熱汽溫串級控制系統(tǒng)中，有主、副兩個調節(jié)器。當主汽溫度升高時，主汽溫度設定值與主汽溫度測量值的偏差，送到主調節(jié)器，其輸出信號作為副調節(jié)器的給定值，同時副調節(jié)器接受導前汽溫信號，取兩個偏差送到副調，副調節(jié)器輸出去控制執(zhí)行器開度，改變噴水量，進而改變了主汽溫度。當主汽溫升高時，主調節(jié)器（反作用方式）輸出減小，副調節(jié)器（正作用方式）輸出增大，減溫水量增加，從而使主汽溫度下降。,28,1、系統(tǒng)結構,圖. 導前微分控制系統(tǒng)結構簡圖,二、過熱蒸汽溫度導前微分控制,+I2,+I1,,-I0 (給定值）,29,圖5-9 導前微分控制系統(tǒng)原理方框圖,導前區(qū)對象,惰性區(qū)對象,,,內擾,副回路：,主
18、回路：,,,,,,30,2. 導前微分控制系統(tǒng)的特點,(1) 引入導前微分信號縮短了遲延時間，等效地改善了控制對象的動態(tài)特性 在汽溫導前微分控制系統(tǒng)中，當減溫水量發(fā)生階躍擾動時，I1、I2 變化如左圖所示。 遲延時間縮短后，可控性變好，控制品質將得到改善。,圖. 減溫水量擾動時各信號,31,(2)引入導前微分信號能減小動態(tài)偏差，改善控制品質,圖5-11 閥門開度階躍擾動下汽溫特性,曲線1、2分別為 1、* 自平衡飛升特性曲線；曲線3、4為加導前微分信號前后的調節(jié)曲線；曲線5、6則為加導前微分信號前后1的過渡過程曲線。,由于遲延時間和慣性都減小了，因而在調節(jié)器參數(shù)相同的情況下，加入微分信號
19、可以減小過渡過程時間，改善控制品質。 (3)導前微分控制系統(tǒng)有很強的克服內擾的能力,,,,,,32,,從上圖可以看到，采用導前微分信號的雙回路過熱汽溫控制系統(tǒng)， 2為減溫器出口蒸汽溫度，是局部反饋信號，稱為導前汽溫信號。 當某種原因是主汽溫度發(fā)生變化時，如1和2上升時，調節(jié)器（正作用方式）輸入偏差增加，輸出指令增大，經(jīng)執(zhí)行器使噴水調節(jié)閥開度增加，減溫水量增加，減溫器出口汽溫下降。經(jīng)延時，主汽溫度下降。不難想象，如果要等到主汽溫度下降后再減小減溫水量，就可能會使減溫水量增加過的而導致主汽溫反而下降。在調節(jié)過程初期，由于導前汽溫2能比主汽溫1提前反應調節(jié)效果，當汽溫開始下降時，,I2,33,,信號
20、及時作用于調節(jié)器，抑制減溫水調節(jié)閥的過分開打。這對于防止因對象遲延和慣性大而產(chǎn)生的過調，改善控制品質，是十分有效的。 當減溫水量發(fā)生變化或其他原因使減溫器后的溫度發(fā)生變化時，導前汽溫2發(fā)生變化，調節(jié)器動作，可及時調整減溫水量。因導前汽溫對減溫水的變化響應很快，所以導前汽溫的變化很快地被抑制，從而減小了減溫水內部擾動對主汽溫的影響。,34,,5-3 蒸汽溫度控制系統(tǒng)實例分析,,35,左側過熱汽溫控制,右側一減調門,36,右側一減噴水后溫度設定值與左中間溫度取偏差，以及偏差變化率一塊送到FTAB（模糊控制器），查表后得到右側一減溫度解模糊后的值，將送到主調節(jié)器，其中主調節(jié)器比例系數(shù)和積分時間常數(shù)隨
21、偏差不同經(jīng)函數(shù)選擇，主調節(jié)器輸出作為副調節(jié)器的設定值，副調的測量值（左一減噴水后溫度），經(jīng)副調后，再加上排粉機出口風壓前饋信號，送到執(zhí)行器（右側一減調門），從而控制了左側過熱汽溫。,37,,,注意： 模糊控制采用偏差與偏差變化率作為輸入 量，查表后輸出作為調節(jié)器偏差輸入。 一級噴水減溫左右換位是為了防止燃燒不 均，均衡溫度 取排粉機出口風壓作為前饋信號是為了這些 擾動信號變化對過熱蒸汽溫度的影響，改善 一級過熱蒸汽溫度的控制品質。 主蒸汽溫度由一、二級減溫器噴水進行調 節(jié)，一級減溫器作為粗調，其噴水量應大 些，保持后屏壁溫不超過
22、規(guī)定值。在負荷變 化不大時，一級減溫水應基本不變，二級減 溫作為細調，其噴水量應小些，保持主汽溫 度穩(wěn)定。,38,左側主汽溫控制,39,兩個左側主蒸汽溫度切換之后選擇好點選擇后的左側主汽溫度與左側主汽溫度設定值取偏差后送到FTAB，之后為左側主汽溫度解模糊的值送到左側住氣溫控制的主調節(jié)器，主調節(jié)器輸出作為副調節(jié)器給定，其測量值為選擇后的左側二減后溫度，送到副調節(jié)器，副調節(jié)器輸出再加上排粉機出口風壓前饋信號送到執(zhí)行器（左側二減調門），從而控制了左側主汽溫。,40,左側再熱汽溫控制,41,左側再熱噴水減溫設定值與選擇后的左側再熱汽溫取偏差及偏差變化率送到FTAB，查表得到左側再熱噴水汽溫解模糊后的值，將該值送到左側再熱汽溫控制的主調節(jié)器，主調節(jié)器輸出作為副調節(jié)器設定值，選擇后的左側再熱減溫器后汽溫為測量值，送到副調，副調輸出再加上排粉機出口風壓前饋信號，送到左再減執(zhí)行器控制左側再熱汽溫。,
鍋爐蒸汽溫度控制系統(tǒng)
