毕业设计（论文）-临界直流锅炉控制系统方案的设计研究.doc

2012届毕业设计论文超临界直流锅炉控制系统方案的设计研究 郑州电力高等专科学校毕 业 设 计（论 文）题 目：超临界直流锅炉控制系统方案的设计研究并列英文题目: The designing and studying of control system about supercritical direct current boiler 系 部 动力工程系 专业生产过程自动化技术 姓 名 班级 热自0901 指导教师 郑州电力高等专科学校超临界直流锅炉控制系统方案的设计研究摘 要我国引进并开发了超临界机组,所以积极探索和研究超临界直流锅炉的控制技术,为自主研发、设计和运行超临界直流锅炉控制系统打必要基础.本文力主于超临界直流锅炉控制技术研究的需要,在一定的前提下,对超临界直流锅炉和汽包锅炉在给水控制系统、燃料控制系统和气温控制系统进行简要的分析比较.着重对超临界直流炉的协调控制方面进行了分析研究,并提出了具体的控制策略并由分散控制系统进行组态。关键词: 超临界机组 直流锅炉 控制技术 协调控制 分散控制系统AbstractChina introduced and developed the super-critical unit, so explore and study the control of supercritical boiler technology, the independent R & D, design and operation of supercritical boiler control system to fight the necessary foundation. This advocated in Supercritical Boiler Control Technology Research necessary, under certain preconditions, on the supercritical boiler and steam drum boiler feed water control system, fuel control system and temperature control systems are briefly compared. focusing on Supercritical coordinated control of aspects of the analysis, and the control strategy proposed by the specific distributed control system configuration. Key words: supercritical power generation unit one through boiler control technology steam-temperature DCS目录前言 4第一章 超临界直流锅炉 5第一节 超临界直流锅炉设备及系统 5第二节 超临界直流锅炉的技术特点 5第三节 超临界直流锅炉的动态特性 7第二章 超临界直流锅炉控制系统 9第一节 超临界直流炉控制特点 9第二节 超临界直流锅炉主控控制系统 10第三节 协调控制系统的构成原理 12第四节 锅炉协调控制回路 15第三章 超临界直流炉与汽包炉的比较18第一节 给水控制系统 18第二节 汽温控制系统 19第三节 燃烧控制系统 21第四节 超临界直流炉与汽包炉的比较23第四章 分散控制系统 26第一节 Symphony 系统工程 26第二节 锅炉主控的控制组态 31第五章 结束语 39附 录 40前言 随着科学技术的进步和电力工业的飞速发展，在大型发电厂中，普遍采用大容量、高参数、单元制机组。单元制机组是指由一台锅炉和一台汽轮发电机组构成的电力生产设备整体，与其它单元之间无任何蒸汽管道相连。单元机组的运行方式有定压运行和滑压运行两种。定压运行是指无论机组负荷怎样变动，始终维持主蒸汽压力以及主蒸汽温度为额定值，通过改变汽轮机调节汽门的开度，改变机组的输出功率。滑压运行则是始终保持汽轮机调节汽门全开，在维持主蒸汽温度恒定的同时，通过改变主蒸汽压力改变机组的输出功率。当前国际上火电机组的发展趋势是向新蒸汽参数更高的方向发展。超临界及超超临界机组以高效率和低能耗而著称。与亚临界机组的技术、经济性、可靠性等方面的比较，超临界机组有着相当的优越性。在现代大型单元机组自动控制领域，新理论、新技术、新设备不断被采用。特别是近十几年以来，取得了突飞猛进的发展。其主以微处理机为基础的新一代自动控制系统具有高性能、高可靠性的特征，为实现先进的单元机组自动控制系统提供了物质保证。由于超临界机组的直流运行特性、变参数的运行方式、多变量的控制特点，与亚临界汽包炉比较在控制上具有很大的特殊性，因此对超临界机组的运行方式和控制策略应进行了研究和讨论。本文共分为五章，依次为前言、超临界直流锅炉、超临界直流锅炉控制系统、超临界直流锅炉与汽包锅炉控制系统的比较、分散控制系统、结束语。本文在倪桂杰老师的指导下完成，同时，在完成的过程中得到了同学们的热情帮助，在此一并表示感谢。限于作者的水平，本文的缺点和不妥之处一定不少，恳请老师和读者批评指正，以便改进和提高。第一章 超临界直流锅炉第一节 超临界直流锅炉设备及系统一、总体结构锅炉为超临界参数变压直流本生型燃煤锅炉。炉膛由带有内螺纹的膜式水冷壁构成，上部为垂直管屏、下部为螺旋管圈，中间用过渡联箱连接。采用一次再热，单炉膛型，旋流燃烧器前后墙对冲燃烧方式，尾部双烟道结构，采用挡板调节再热汽温，固态排渣，全钢构架的全悬吊结构，平衡通风，露天布置。空气预热器置锅炉主柱内，每台锅炉配置两台三分仓空预器。制粉系统采用带冷一次风机正压直吹式系统。第二节 超临界直流锅炉的技术特点 超临界机组是指过热器出口主蒸汽压力超过22.129Mpa。目前运行的超临界机组运行压力均为24Mpa25Mpa。 超临界火电技术由于参数本身的特点决定了超临界锅炉只能采用直流锅炉，在超临界锅炉内随着压力的提高，水的饱和温度也随之提高，汽化潜热减少，水和汽的密度差也随之减少。当压力提高到临界压力（22.12Mpa）时，汽化潜热为0，汽和水的密度差也等于零，水在该压力下加热到临界温度（374.15）时即全部汽化成蒸汽。超临界压力临界压力时情况相同，当水被加热到相应压力下的相变点（临界温度）时即全部汽化。因此超临界压力下水变成蒸汽不再存在汽水两相区，由此可知，超临界压力直流锅炉由水变成过热蒸汽经历了两个阶段即加热和过热，而工质状态由水逐渐变成过热蒸汽。因此超临界直流锅炉没有汽包，启停速度快，与一般亚临界汽包炉相比，超临界直流锅炉启动到满负荷运行，变负荷速度可提高1倍左右，变压运行的超临界直流锅炉在亚临界压力范围内超临界压力范围内工作时，都存在工质的热膨胀现象，并且在亚临界压力范围内可能出现膜态沸腾；在超临界压力范围内可能出现类膜态沸腾。超临界直流锅炉要求的汽水品质高，要求凝结水进行100%除盐处理。由于超临界直流锅炉水冷壁的流动阻力全 部依靠给水泵克服，所需的压头高，即提高了制造成本又增加了运行耗电量且直流锅炉普遍存在着流动不稳定性、热偏差和脉动水动力问题。另外，为了达到较高的质量流速，必须采用小管径水冷壁，较相同容量的自然循环锅炉超临界直流锅炉本体金属耗量最少，锅炉重量轻，但由于蒸汽参数高，要求的金属等级高，其成本高于自然循环锅炉。 超临界机组具有无可比拟经济性，与同容量亚临界火电机组的热效率相比,在理论上采用超临界参数可提高效率2%2.5%,采用超超临界参数可提高4%5%。目前,世界上先进的超临界机组效率已达到47%49%。同时采用低氧化氮技术，在燃烧过程中减少65%的氮氧化合物及其它有害物质的形成，且脱硫率可超98%，可实现节能降耗、环保的目的。第三节 超临界直流锅炉的动态特性直流锅炉的主要特点是汽水流程中不设置汽包，给水泵强制一定流量的给水进入炉内，一次性地通过省煤器、水冷壁、过热器。他的循环倍率始终为1，与负荷无关。在直流锅炉中，给水加热成蒸汽一次完成，汽水通道可看作由加热段、蒸发段、过热段三部分组成。其中蒸发段是汽、水混合物，随着管道的往后推移，工质由饱和水逐渐被加热成饱和蒸汽。三段受热面没有固定的分界线，随着给水流量、燃烧率的变化前、后移动，使三段受热面的吸热量分配比例及与之有关的三段受热面面积的比例却发生了变化。但蒸发段的前移会使过热汽温偏高，蒸发段后移则引起汽温偏低，甚至品质下降，这对机组运行极为不利，所以要控制蒸发段的位置。一般来说，要控制蒸发段出口的微过热汽温1，若1偏离规定值，则说明由于燃烧率与给水比例不当致使蒸发段发生移动，应及时调节燃烧率和给水流量。图1-1 直流锅炉各受热段示意图直流锅炉的工质是一次地通过各受热面的，而三段受热面面积又不是固定不变的。所以当燃水比失调后，三段受热面吸热量比例发生变化，对出口汽温影响很大，对蒸汽压力和流量的影响方式也较为复杂。汽轮机调节汽阀的扰动，对直流锅炉是一种典型的负荷扰动。当调节汽阀阶跃开大时，蒸汽流量D和机组输出功率NE立即增加，随即逐渐减少，并恢复初始值，汽轮机阀前压力PT一开始立即下降，然后逐渐下降至新的平衡压力。由于直流锅炉的蓄热系数比汽包锅炉小，所以直流锅炉的汽压变化比汽包锅炉大得多。当负荷扰动时，过热汽温T2近似不变，这是由于给水流量和燃烧率保持不变，过热汽温就基本保持不变。燃烧率扰动是燃料量、送风量和引风量同时协调变化的一种扰动。当燃烧率B阶跃增加时，经过一段较短的迟延时间，蒸汽流量D会暂时向增加方向变化；过热汽温T2则经过一段较长的迟延时间后单调上升，最后稳定在较高的温度上；汽压PT和功率NE的变化也因汽温的上升而最后稳定在较高的数值。当燃烧率不变而给水流量增加时，一开始由于加热段和蒸发段的伸长而推出一部分蒸汽，因此蒸汽流量D、汽压PT、功率NE几乎没有迟延的开始增加，但由于汽温T2的下降，最后虽然蒸汽流量D增加，而输出功率NE却有所减少；汽压PT也降至略高于扰动前的汽压，过热汽温T2则经过一段较长的迟延时间后，最后稳定在较低的温度。给水和燃料复合扰动时的动态特性是两者单独扰动时的动态特性之和，由图1-3可知，当给水和燃料按比例变化时，蒸发量D立即变化，然后稳定在新的数值上，过热汽温则保持在原来的数值上（额定汽温）。这就是说明严格控制煤水比是直流炉参数调节的关键。a b c 图1-2 直流锅炉动态特性示意图a汽机调节汽阀扰动 b燃料率扰动 c给水流量扰动图13 燃料与给水比例增加时的动态特性第二章 超临界直流锅炉控制系统第一节 超临界直流炉控制特点一、超临界机组锅炉控制的基本任务：（1）以最快的速度满足电网负荷调度指令所需要的蒸汽量。（2）保持过热蒸汽和再热蒸汽的参数（温度、压力）稳定。（3）保持最佳的燃烧工况，使锅炉具有最高的燃烧效率。（4）保持炉膛负压为给定值。二、直流锅炉具有以下主要特征(1)直流锅炉一汽轮机是复杂的多输人多输出的被控对象，燃烧率、给水、汽轮机调节汽门开度的任一变化，均会影响机组负荷、中间点温度、主汽压力的变化，而且燃料、汽轮机调节汽门的变化又会影响到主汽压力及给水流量的变化。主汽压力变化不仅会引起机组功率变化，而且会引起给水流量变化，从而进十步影响机组负荷和蒸汽温度。因此对于直流锅炉机组的协调控制系统来说，压力的变化对外影响机组负荷，对内影响蒸汽温度，所以，主汽压力控制是最基本的控制。(2)直流锅炉是汽水一次性循环，汽水没有固定的分界点，汽水分界点随着燃料、给水流量以及汽轮机调节汽门开度的变化而前移或者后移，而汽水分界点的移动直接影响汽水流程中加热(蒸发)段、过热段的长度，影响新蒸汽的温度，导致机前压力、负荷的变化。因此，燃水比控制是汽温调节的基本手段，中间点温度控制是直流锅炉控制的重要环节。(3)直流锅炉储热能力小，运行参数变化速度比汽包炉要快得多，克服外扰的能力比汽包炉要差，故直流锅炉对自动控制设备及系统在可靠性、灵敏性及稳定性等方面的要求比汽包炉高。另一方面，锅炉的储热能力小惯性也小，主动调节负荷时，参数变化较快，能较快适应工况的变动，直流炉比汽包炉宜于采用滑压运行。（4）直流锅炉在运行期间必须维持某些比率为常数，例如给水流量与蒸汽流量、热量输入与给水流量、喷水流量与给水流量。第二节 超临界直流锅炉主控控制系统单元机组主控系统是指单元机组协调系统中处于上位级的部分。其中包括：负荷指令管理中心和机炉协调控制系统，以及相应的逻辑系统。单元机组主控系统结构框图负荷指令管理中心机炉协调控制系统外部负荷指令实际负荷指令Nsp汽机指令锅炉指令单元机组的目标负荷来自两个方面： “中调指令”或运行人员的“手动负荷指令” 。当锅炉和汽轮发电机组本体运行正常时，机组的最大可能出力取决于各主要辅机的运行状态（如给水泵、送风机、引风机、循环水泵以及直吹式磨煤机等的投入状态）。 将各辅机的最大可能出力分别进行运算，然后把这些信号送至一个小值选择器综合比较，最后形成机组的最大可能出力信号。 目标负荷与机组的最大可能出力信号仍然按取小值的原则运算，得到机组的实际负荷指令，再与机组的最小负荷给定值和最大负荷给定值比较，使机组的负荷指令限定在最小、最大值给定值之间。在正常工况下，负荷指令经切换器，进入速率限制回路，限定负荷指令变化的速率。负荷指令的变化速率可由运行人员手动给定，但不得超过机组应力计算器根据机组热应力计算出来的允许速率限制值，两者经小值选择器比较后取小值。当机组由于局部故障或某种原因进行迫升/迫降（Runup/Rundown)或甩负荷(Runback)时，往往要求较快的负荷变化速率。在此情况下，通过逻辑回路，给出迫升/迫降或甩负荷的负荷变化速率。经速率限制器输出的负荷指令信号可根据机组调频的需要（是否参与一次调频）与频差运算信号相叠加。频差信号是否引入，可由运行人员通过切换器决定。叠加后的信号仍需要经过最小、最大负目标负荷运算算回路允许负荷运算回路变化率限制动态偏差校正最大最小负荷限制目标负荷指令.各主要辅机投入接点目标负荷允许负荷最大负荷最小负荷Nsp荷设定值的限制，其输出最后送至负荷指令限制回路。 负荷指令管理中心结构框图 负荷限制回路的作用是根据机组实际运行工况限制负荷指令。即由于某些复杂因素会影响到机组的实际出力，这些因素最终会造成机组某些重要参数的偏差（如燃料量偏差、总风量偏差、给水 量偏差、炉膛负压偏差等）。消除上述偏差的办法只能是修正负荷指令，使之与机组的可能出力想适应。这种修正负荷指令的办法称之为迫升、迫降，或闭锁负荷指令增或减（Block Load Increase or Decrease)，直至使这些参数偏差回复到允许范围内为止。 经过负荷限制回路的限制之后，最后得出机组的实际负荷指令Nsp，作为机炉协调控制系统的功率给定值信号。第三节 协调控制系统的构成原理在协调控制系统的设计中，一般机组控制方式确定为以下四种：汽机跟随方式：当机组在协调控制方式下运行时，若锅炉辅机故障，锅炉主控切手动，汽机主控在自动，此时协调控制系统处于汽机跟随方式。在此方式下，当电网要求机组负荷改变时，先手动改变锅炉的负荷，也就是手动改变锅炉燃料量，由于主汽量的改变，汽机控制系统根据主汽量的变化情况自动改变汽机的负荷。此种方式主汽压力波动小，锅炉燃烧稳定，但对外界负荷的适应性差。锅炉跟随方式：当机组在协调控制方式下运行时，若汽机辅机故障，汽机主控切手动，锅炉主控在自动，此时协调控制系统处于锅炉跟随方式。在此方式下，当电网要求机组负荷改变时，先手动改变汽机的负荷，也就是改变汽轮机进汽调节阀的开度，由于进汽调节阀开度的改变造成主汽压力的变化，锅炉控制系统根据汽压的变化，相应的改变给水量和燃料量，使锅炉负荷和汽轮机相适应。此种方式对于较小的功率变化能充分利用锅炉的蓄热量，使机组实发功率能迅速适应变化，对电网系统的频率调整有利，但对较大的功率变化适应差，主汽压力波动大，不利于机组的稳定运行。协调控制方式：汽机和锅炉主控都在自动，汽机主控和锅炉主控同时接受负荷指令和主汽压力偏差。当外界负荷或主汽压力变化时，汽机主控通过调节汽轮机进汽阀门的开度来快速适应负荷变化，同时又不至于使压力变化过大；锅炉主控通过改变燃料量来调节主汽压力稳定在规定范围。进入DCS控制时代的协调控制系统，代表着现代协调控制技术。其典型代表是直接能量平衡控制系统（DEB）和直接指令平衡控制系统（DIB）。这种控制方式，机组负荷同时由汽机调门和锅炉燃烧率进行调节，锅炉燃烧率相应机组负荷，其机调门则在控制机组负荷的同时，兼顾机前压力。DCS控制系统将自动调节、逻辑控制、连锁保护有机结合，并考虑机炉控制对象的不同特性和满足不同运行方式、不同工况下的控制要求，充分利用前馈、补偿、校正等手段，构成了前所未有的复杂控制系统。在协调控制系统的四种控制方式中，设计汽机跟随和锅炉跟随控制方式，是为了提高协调控制系统在故障下的控制处理能力。在汽机跟随控制方式中，机前压力由汽机控制系统进行控制；在锅炉跟随控制方式中，机前压力由锅炉控制系统进行控制。因此，这里所说的汽机跟随和锅炉跟随控制方式，是与“炉跟机”协调控制方式和“机跟炉”协调控制方式有区别的。协调控制系统在某些工况下，能够在基础方式（BASE）、汽机跟随方式（TF）、锅炉跟随方式（BF）、协调控制方式（CCS）四种控制方式之间实现无扰切换，为控制系统提供了最大的灵活性。例如：当机组处于CCS方式时，若功率信号发生故障，系统应切至BF方式；若压力信号故障或DEH故障，系统应切至BASE方式；由于锅炉辅机故障发生RB时，协调控制系统应切为TF方式；发生FCB时，协调控制系统应切为BF方式。机组处于CCS方式时，若中调ADS信号允许，可以选择ADS远控方式运行；若ADS信卷故障，应自动切回本机CCS方式。600MW机组协调控制系统有以下主要特点： （1）系统具有多种控制方式（如锅炉基本方式、汽轮机基本方式、机炉协调方式、手动方式等），并能无扰地自动(或手动)进行控制方式切换，以适应机组不同工作状态（如机炉局部故障、定压运行、滑压运行等）的需要。（）系统具有比较完善的连锁保护功能，当机组发生局部故障时（如主要辅机跳闸、执行机构卡涩等），能使机组在限定的负荷范围内运行，而不至因局部故障造成整个机组停运的情况发生。（）600MW机组的协调控制系统具有比较完善的监视功能，并能通过屏幕进行图像和数据显示，能正确指导运行人员操作。（）600MW机组选用的分数控制系统大都具有功能强大的组态软件，并给用户提供上百种可以选择的功能块，能方便灵活地实现对控制策略的组态和修改。（）测量系统采用了冗余变送器进行参数测量，在工作变送器故障时可自动切换到备用变送器工作，使控制系统安全可靠。 第四节 锅炉协调控制回路一、 锅炉主控制器回路当机组切换到协调方式下运行，机组的主蒸汽压力和负荷由锅炉和汽轮机协调控制。锅炉主控指令由四部分组成：比例、积分、微分控制指令及机组负荷指令的前馈信号。P、I指令都综合考虑了主蒸汽压力设定值与汽轮机主蒸汽压力偏差、目标负荷与发电机实际功率偏差，偏差之和作为输入进行比例、积分调节，输出为比例、积分控制指令。微分控制考虑机组负荷和主蒸汽压力变化的影响，提高锅炉对负荷响应速度，尽快维持机前压力的稳定。 当机组不在协调方式时，指令运算将切换为跟踪方式。首先微分输出为0，积分禁止运行，输出跟踪常数0。锅炉指令在切换块T2和加法块处理后，跟踪实际锅炉主控指令，为切换协调方式做好无扰切换的准备。二、锅炉主控策略设计超临界机组协调控制系统采用了蓄能的合理利用和扰动补偿等措施来改善调节品质。系统中强化锅炉燃烧率的作用，增大机前压力的波动幅度以充分利用机组的蓄能，降低机组对负荷指令的响应速度等方法是改变控制效果的基本策略。超临界机组协调控制系统的负荷指令运算回路和亚临界机组基本相同，最大不同在于锅炉控制侧。锅炉主控设计有锅炉跟踪方式(BF)和协调方式(CCS)。只有“协调控制”方式和“锅炉跟随控制”方式时，锅炉主控在自动状态，其他方式时，锅炉主控在手动状态。下面详细分析锅炉主控在自动状态时的控制策略。其主控原理见下图。锅炉主控原理图1、“协调控制”方式下的锅炉主控策略在这种方式下，锅炉主控采用了“CCS模式炉调压PID调节器”实现“协调控制”方式下的锅炉调压任务，主汽压力实际值和主汽压力设定值引入该调节器后，执行正常的主汽压力反馈调节任务，而对于机组动态变负荷时的主汽压力调节任务和稳态时的快速主汽压力消差任务则由引入锅炉主控回路的前馈信号来实现。具体控制策略如下：（1）、LDC的输出经一函数发生器后作为锅炉主控的前馈，可保证机组在变负荷过程中得到与目标负荷基本对应的燃料指令。 （2）、当运行人员手动设定机组负荷值后，点取“负荷进行”开关时，设定的负荷目标值与实际的功率偏差值是锅炉主控的前馈，其前馈时间的长短，由“负荷进行”开始瞬间的设定负荷目标值与LDC的输出偏差大小决定。目的是对机组在变负荷过程中的燃料指令进行修正，保证机组得到准确的燃料指令。（3）、为改善协调特性增加了预给煤逻辑作为锅炉主控的前馈。预给煤逻辑是指当由“负荷保持”切换到“负荷进行”状态下时，要根据设定负荷目标值与LDC输出的偏差状况提前增加或减小锅炉主控的输出，大小由LDC的输出与实际功率的偏差经函数修正后决定，时间由设定负荷目标值与LDC输出的偏差决定。当LDC输出与设定负荷目标值之间的偏差接近时，也要根据设定负荷目标值与LDC输出的偏差状况提前增加或减小锅炉主控的输出，时间由设定负荷目标值与LDC输出的偏差决定，可以避免过调。（4）、为改善协调特性增加状态观测器逻辑作为锅炉主控的前馈。状态观测器对锅炉蒸汽管道上的各个状态点的状态进行观测，对锅炉主控的输出进行提前预测。（5）、对实际主汽压力值进行了微分，将此信号送往锅炉主控进行前馈。目的是保证机组在稳态工况时，主汽压力实际值接近主汽压力设定值。2“锅炉跟随控制”方式下的锅炉主控策略在这种方式下，锅炉主控采用了“BF模式炉调压PID调节器”实现“锅炉跟随控制”方式下的锅炉调压任务，该调节器正常的主汽压力反馈调节任务，也是引入主汽压力实际值和主汽压力设定值到该调节器，消除稳态时主汽压力偏差；同时引入DEB信号，加强前馈作用， 达到锅炉能量快速平衡、缩短调节时间的目的。第三章 超临界直流炉与汽包炉系统的比较第一节 给水控制系统直流锅炉是多变量控制系统，直流锅炉的控制任务与汽包锅炉有很大差别，对于直流锅炉不能象汽包炉那样，将燃料、给水、汽温简单地分为3个控制系统，而是将给水量与燃料量的控制与一次汽温控制紧密地联系在一起，这是直流锅炉控制最突出的特点。直流锅炉的给水是在给水泵压头作用下，顺序地通过加热区、蒸发区和过热区，一次性地将给水全部变为过热蒸汽，其循环倍率等于1。在直流锅炉中，给水变为过热蒸汽是一次完成的。这样，锅炉的蒸发量不仅取决于燃烧率，同样也决定于给水流量。因此，为了满足负荷变化的需要，给水控制和燃烧率控制是密切相关而不能独立的。而且当给水流量和燃烧率的比例变化时，锅炉的各个受热面的分界就发生移动。超临界机组中的给水流量控制回路是控制锅炉出口主蒸汽温度的一个最基本的手段。由于超临界机组采用直流锅炉，而在直流锅炉中，给水流量的波动将对机组负荷、主蒸汽压力和主蒸汽温度等机组运行重要过程参数均产生较大影响。由于机组负荷和主蒸汽压力已设计有其它控制手段，而一旦给水控制回路如果工作欠佳的话，将导致煤水比动态失调。而这时锅炉出口主蒸汽温度仅靠喷水减温控制是无法满足机组运行对主蒸汽温度的要求。因此，给水流量调节回路起到了控制锅炉总能力平衡（保持适当的煤水比）并维持汽水分离器出口蒸汽温度在一定范围内变化的作用。实际上，给水流量控制回路仅当锅炉运行在纯直流（干态分离器）工况下才能对锅炉出口的主蒸汽温度起到粗调的作用。为了保证锅炉本身的安全运行，要求在任何工况下省煤器入口给水流量不低于35%MCR的值。当锅炉在低负荷下运行（湿式分离器）时，多余的给水流量经分离器疏水阀进行再循环控制。给水流量串级控制的主调节器控制水冷壁出口联箱给水温度在其设定值上，副调节器则根据锅炉总给水量的测量值和测量设定值的偏差输出给水泵控制指令，分别调节三台给水泵的转速来满足机组负荷变化的需求。汽包锅炉给水自动控制的任务是使锅炉的给水量适应锅炉的蒸发量，维持汽包水位在规定的范围内。汽包水位是锅炉运行中一个重要的监控参数，它反映了锅炉蒸汽负荷与给水量之间的平衡关系，维持汽包水位正常是保证锅炉和汽轮机安全运行的必要条件。汽包锅炉给水自动控制的另一任务是要维持给水流量不要过大的频繁的波动，以保证省煤器、给水管路的安全。一般应限制给水流量波动范围在额定给水流量的5-10以内。第二节 汽温控制系统锅炉气温控制系统包括过热蒸汽气温控制系统和再热蒸汽气温控制系统。一、过热汽温度控制系统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，也是金属的最高点。过热器采用的是耐高压的合金钢材料，过热器正常运行时的温度已接近材料所允许的最高温度。过热汽温控制的任务是维持过热器出口主蒸汽温度在允许范围内，并对过热器进行保护，使管壁金属温度不超过允许的工作范围。正常运行时，一般要求过热器出口蒸汽温度与额定值偏差不超过5。正常情况下，给水温度一般不会有大的变动；但当高压加热器因故障退出运行时，给水温度就会降低。对于直流锅炉，若燃料量不变，由于给水温度降低，加热段加长且过热段缩短，主汽温会随之降低，负荷也会降低。因此，当给水温度降低时，必须改变原来设定的燃水比，即适当提高煤水比，以使过热汽温维持在额定值。燃水比不变的调节下，炉膛水冷壁结渣时，主汽温有所降低；过热器结渣或积灰时，主汽温下降明显。前者发生时，调整燃水比就可；后者发生时，不可随便调整燃水比，必须在保证水冷壁温度不超限的前提下调整燃水比。过量空气系数的变化直接影响锅炉的排烟损失，同时影响到对流受热面与辐射受热面的吸热比例。当过量空气系数增大时，除排烟损失增加、锅炉效率降低外，炉膛水冷壁吸热减少，造成过热器进口温度降低、屏式过热器出口温度降低；虽然对流过热器吸热量有所增加，但在燃水比不变的情况下，末级过热器出口汽温有所下降。过量空气系数减少时，结果与增加时相反。若要保持主汽温不变，则需要重新调整燃水比。 当机组负荷或者运行工况变化时，通过调整燃水比保持中间点温度的稳定，而且保持适当的过热度，能使直流锅炉和汽包锅炉具有类似的过热汽温特性。例如，给水温度提高后，加热段和蒸发段缩短，分离器汽温提高，若要保持中间点温度不变，在燃料量不变的条件下必须增加给水流量，导致过热汽温下降。相反，若高压加热器解除，给水温度降低，将导致加热段和蒸发段增长。若要保持中间点温度不变，在给水流量不变的前提下必须增加燃料量，这将使得过热段的吸热量增加，使过热汽温升高。保持中间点温度有不大且稳定的过热度，实际上相当于通过燃水比调节将中间点至过热器出口之间的过热段固定，类似于汽包炉有固定的过热段一样。工质在分离器前主要吸收液体热和汽化热，分离器后吸收过热热。显然，这就是给水控制系统中，主调节器根据中间点温度校正燃水比的结果。 所以在给水控制系统正常投入的情况下，直流锅炉可以像汽包锅炉那样，用喷水减温来微调过热汽温。二、再热汽温的控制系统 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。再热蒸汽温度控制也不能像过热蒸汽温度控制那样直接采用喷水减温为主要手段，这是因为喷入再热蒸汽中的水汽化后在汽轮机中压缸和低压缸中作功，这等于部分的用低压蒸气循环代替高压蒸汽循环做功，而低压蒸气作功效率较低。因而必然导致整个机组热经济性的降低。因此，再热蒸汽温度控制大都采用改变烟气流量作为主要控制手段，只有在烟气侧调温已达极限时，才辅之以喷水。再热蒸汽温度控制系统的任务是将再热蒸汽温度控制在某个设定值上。并在低负荷、机组甩负荷或汽轮机跳闸时保护再热器不超温，使机组安全经济运行。 目前再热汽温调节可采用的烟气控制方法有：控制烟气挡板的位置、采用烟气再循环或通过改变摆动燃烧器的倾角来控制再热汽温。对其他参数的影响、运行经济等技术指标而言，改变烟气挡板位置和调整燃烧器倾角来控制再热汽温的方法优于其他方法。改变烟气流量的挡板通常平行布置在互相隔开的尾部烟道中。利用这些挡板的不同开度位置改变流经两烟道中的烟气量调节再热汽温。再热汽温调节以喷水作为辅助调节手段。当再热汽温偏高，用调节烟气挡板或燃烧器倾角的方式还无法控制时，可以利用微量喷水或事故喷水减温方法来避免再热蒸汽继续超温。再热气温的控制对于直流炉和汽包炉采用控制烟气挡板的位置、采用烟气 再循环或通过改变摆动燃烧器的倾角来控制再热气温，再辅之以喷水减温。第三节 燃烧控制系统锅炉燃烧自动控制系统的基本任务是使燃料燃烧所提供的热量适应外界对锅炉输出的蒸汽负荷的要求，同时还要保证锅炉安全经济运行。一台锅炉的燃料量、送风量和引风量三者的控制任务是不可分开的，可以用三个控制器控制这三个控制变量，但彼此之间应互相协调，才能可靠工作。对给定出水温度的情况，则需要调节鼓风量与给煤量的比例，使锅炉运行在最佳燃烧状态。同时应使炉膛内存在一定的负压，以维持锅炉热效率、避免炉膛过热向外喷火，保证了人员的安全和环境卫生。锅炉燃烧过程是一个将燃料的化学能转变为热能，以蒸汽形式向负荷设备（以汽轮机为代表）。燃烧调节是主控制系统的重要子系统，它接受来自主控制系统发出的锅炉负荷指令，并将该指令分别送往燃烧、送风调节系统，使燃料和风量按预先设置好的静态配合按比例同时动作，以保证合适的风/燃料配比，并通过燃料控制和风量控制的交叉限制作用，满足增负荷先增风，减负荷先减燃料的生产工艺要求，以保证锅炉既安全又经济的正常运行。送风调节机构的位置指令又作为炉膛压力控制的前馈信号，实现送风机和引风机的协调动作，以减小炉膛压力波动。从而在外界负荷需求变化时，使燃料、送风和炉膛压力三个子系统同时成比例的动作，共同适应外界负荷的要求。 直流锅炉和汽包锅炉的燃料控制系统的任务是保证进入锅炉的燃料量随时与外界负荷要求相适应，控制系统大都设计成串级调节系统。燃料控制系统通常包括燃煤控制、燃油控制和磨煤机控制三部分。因为直流炉没有汽包，“燃水比”对直流炉很重要，通过控制“燃水比”可以调节锅炉的气温和炉膛压力。而汽包炉的温度、压力和流量的控制只需要控制燃料进入量和风量的协调，锅炉的水量是在一定范围内变化的，对其影响很小。由于直流炉和汽包炉设计技术和理念有所区别，所以它们在燃烧过程中压力、温度和流量的设计值不一样，导致给煤系统、送风系统和给水系统的参数不一样。直流锅炉没有汽包，工质一次通过蒸发部分，即循环倍率为1。直流锅炉的另一特点是在省煤器、蒸发部分和过热器之间没有固定不变的分界点，水在受热蒸发面中全部转变为蒸汽，沿工质整个行程的流动阻力均由给水泵来克服。第四节 超临界直流炉与汽包炉的比较超临界直流锅炉与亚临界汽包锅炉，主要由于水汽转换原理和设备不同，其运行控制有所不同，其主要特点如下。超临界机组中锅炉的协调比汽包炉更加复杂。锅炉协调的任务是使燃料量、送风量和给水量共同适应负荷的需要。基本的控制指标有两个，一个是控制风煤比以保持氧量;一个是控制燃水比以保持中间点蒸汽微过热度。由于风的动态特性远远快于燃料，而且要求在动态过程中保证风量大于煤量。因此，只要燃料和风量测量可靠，按静态平衡控制风煤比就能保证一定得过剩空气。所以，风煤比控制在无论在稳定工况还是动态工况都可以保持稳定。而燃水比的控制就复杂得多，直流锅炉燃水比的变化要引起受热面分界的变化。直吹式系统燃料量指令的变化到进入炉膛燃料量的变化，以及燃料对温度的动态响应比给水要慢得多。因此，必须考虑燃水比在动态过程中的补偿。同时，直流锅炉蓄热较小，无法得到类似方法在实际应用中往往造成系统的不稳定。因为汽温的变化、尤其是外扰（一次调频）引起蒸汽流量和温度的变化都导致燃料的变化，甚至使燃料控制系统不能稳定运行，影响机组运行的稳定。这些都是运行中应注意的问题。超临界机组控制对象的特性使其控制系统与汽包锅炉相比复杂的多。第一，被调量相互影响，相互关联。被调量相互影响，控制复杂。汽包锅炉中，汽包把汽水流程分隔为加热段、蒸发段和过热段，两段受热面的位置和面积是固定不变的。在给水流量变化时，仅影响汽包水位，不影响蒸汽压力和温度，而燃料量变化时，仅改变蒸汽流量和蒸汽压力，对蒸汽温度影响不大。因此给水、燃烧、蒸汽温度控制系统是可以相对独立的。可以构成给水流量-汽包水位、燃烧率-汽包压力、喷水流量-蒸汽温度几个相对独立的系统。超临界锅炉没有汽包，又没有炉水小循环回路。给水是一次性流过加热段、蒸发段和过热段，三段受热面没有固定分界线，当给水流量或燃料量发生变化时，三段受热面的吸热比例将发生变化，锅炉出口汽温，以及蒸汽流量和压力都将发生变化。因此给水、汽温，燃烧控制系统是密切相关，不能独立的，某一控制系统投入与否将影响另一控制系统的性能，这给控制系统的设计和整定增加了复杂性。超临界直流锅炉的协调比汽包锅炉复杂。锅炉协调的主要任务是使燃料量、送风量和给水量共同适应负荷的需要。基本控制指标有两个，一是控制风煤比以保持氧量：二是控制燃水比以保证中间点蒸汽微过热度。风的动态特性快于燃料而且要求动态过程中风量大于煤量，因此只要燃料和风量测量准确，按照静态平衡比例就可以保证一定过量空气，所以风煤比无论在动态还是稳态都可以保持稳定，但是燃水比控制就比较复杂，第二、过热汽温控制必须以保持适当燃水比为前提对于汽包锅炉，在锅炉结构确定后，加热段、蒸发段和过热段受热面是固定的。当燃水比变化时，汽包作为燃水比例失调的缓冲器，汽包水位可以迅速反应燃水比的变化。根据汽包水位的变化改变给水流量，使给水量与锅炉蒸发量相适应，起到保持燃水比不变的作用。例如，当燃料量不变而给水流量增加时，给水不会被全部蒸发，将引起汽包水位上升，给水控制系统会自动降低给水流量，使给水流量与燃料燃烧所能产生的蒸发量相适应。所以，通过锅炉结构设计，调整蒸发受热面和过热受热面之间的吸热比例，可以把过热蒸汽温度的变化限制在一定范围内。当汽包内饱和压力一定时，进入过热器受热面蒸汽的温度也是一定的。这就为采用喷水减温控制过热蒸汽温度创造了良好的条件。因此，喷水减温可作为控制过热汽温的主要手段。超临界锅炉则不同，它没有固定的过热受热面，进入过热受热面的工质温度也是随燃水比等因素变化的，过热蒸汽温度主要决定于燃料量与给水流量之比率。燃水比提高时，加热(蒸发)段缩短，过热段增长，过热汽温上升；反之亦然。燃水比失配可引起过热汽温大范围内波动。因此，要把锅炉出口过热蒸汽温度限制在一定范围内，必须保持适当的燃水比，直流锅炉取什么信号作为燃水比的校正信号，是设计直流锅炉自动调节系统首先要明确的问题。对于直流锅炉来说，燃水比改变后，汽水流程中各点工质焓值都随之改变，离锅炉过热器出口越近，变化越大，同时迟延也越大。因此，虽然锅炉过热器出口汽温可以反应燃水比的变化，但由于迟延很大，不能以此作为燃水比的校正信号。为使信号能及时反映燃水比的变化，又不致迟延过大，多采用中间点温度（一般用汽水分离器蒸汽温度)作为燃水比校正信号。若能通过给水控制系统的调节作用，把中间点温度稳定在分离器压力下的饱和温度附近（适当的过热度），就相当于以分离器为界限，之前为加热段，之后为过热段，于是直流炉就有类似汽包炉的汽温特性，可以通过减温水控制过热汽温。但此分界点是虚拟的，第三、旁路控制系统在机组启动过程中的地位更加重要直流锅炉启动的特点是在锅炉点火前就必须不间断地向锅炉进水，建立起足够的启动流量，以保证给水连续不断地强制流经水冷壁受热面，使其得到冷却。所以锅炉都要有一个在最低燃烧率时最小的水冷壁给水流量，以防止水冷壁过热。而对于单元机组，要求进入汽轮机的蒸汽必须有50以上的过热度。超临界锅炉启动过程初期排出的热水、汽水混合物、饱和蒸汽和过热度较低的蒸汽，都不能进入汽轮机。所以，直流锅炉就需要设置专门的启动旁路系统来排除这些不合格的工质。因此在超临界机组启动和低负荷运行期间，在汽轮机负荷蒸汽流量)达到最小给水流量以前，控制系统必须把蒸汽压力和给水控制延伸到启动旁路系统。汽包锅炉有重型的汽包、大的水容和较粗的下降管及联箱等，其蓄热能力是直流锅炉的23倍。因此，直流锅炉对外界负荷扰动比较敏感。但从另一方面讲，汽包锅炉在外界负荷扰动引起压力下降过快时，会造成蒸发系统下降管中工质汽化而破坏水循环，因此汽包锅炉对压力变化速度有严格的要求。直流锅炉中，工质流动依靠给水泵压力推动，当压力大于一定数值之后，压力下降而引起水的蒸发不会阻碍工质的正常流动。因此，蓄热能力小，迟延和惯性小有利于主动快速改变锅炉负荷，比汽包炉更宜于采用滑压运行。第四章 分散控制系统第一节 Symphony系统工程一、Symphony系统工程简介Symphony系统是ABB贝利公司于20世纪90年代中期推出的，融过程控制和企业管理为一身的新一代分布式过程控制系统。Symphony系统功能由以下四个方面组成:(1)区域管理和控制。为生产过程提供传统意义上的过程控制、数据采集和I/O接口。（2）厂区管理和控制。对厂区范围的过程控制、企业数据及网络通讯进行管理。（3）人系统接口。对生产过程进行监视和控制，信息的采集、显示记录及存储。（4）系统设计和维护工具。过程设计、现场维护、组态、调试及文件管理。为完成以上四个方面的功能，Symphony系统由过程控制级、控制管理级、企业管理级和数据通信系统四个层次组成。过程控制级主要由现场控制单元HCU组成；控制管理级由人系统接口HSI组成；企业管理级主要由个人计算机、服务器和局域网组成；数据通信系统则由包括操作网络Onet、控制网络Cnet、控制总线C.W和I/O扩展总线X.B在内的多层网络组成。因此，Symphony系统按功能主要划分为系统网络、现场控制单元、过程控制及新型管理系统、工程工具系统四大部分。二、 Symphony系统通信网络 1、 Symphony系统的网络结构 Symphony系统为适应各种过程控制规模和现场应用条件，以及更广范围的数据传送和高层次的的管理功能，其通信系统采用了多层通信网络结构。Symphony系统中的数据分为企业管理数据、过程管理数据、过程控制数据和过程I/O数据。Symphony系统的网络结构根据应用数据的功能分为四个层次：在企业数据管理层称为操做网络；在过程数据管理层称为控制网络；在过程数据控制层称为称为控制总线或模件总线；在过程I/O数据层称为I/O扩展总线或H网络，分别采用各自独立的环形网络结构或总线网络结构。2、Symphony系统通信网络的特点 （1）构成系统规模灵活；（2）环形网络通信响应快，利用率高；（3）能有效地控制在通信网络中传输的信息量；（4）在通信网络中采用冗余技术，提高系统的可靠性；（5）系统容易扩展；（6）控制处理器和通信处理器分开。3、Symphony系统的通信协议 通信协议是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。它规定了通信中数据与控制信息的结构或格式，需要发出的控制信息和完成的动作，应作出的应答，以及通信相关事件实现顺序的详细说明。通信协议以软件的形式固化在系统节点的网络接口模件中。一般DCS中常用的通信协议有两种：广播式通信协议和存储转发式通信协议。广播式通信协议有分为令牌协议和自由竞争协议等；存储转发式通信协议有分为询问式和存储器插入式。4、Symphony系统通信网络采用的技术 为了防止通信通道的堵塞，保证通信传输的通畅，提高网络的通信效率，最有效的利用信息传输中的每一个字节，在Symphony通信系统中，使用了三种有效的通信技术：例外报告技术、数据压缩技术和确认重发技术。5、Symphony系统的通信模件 Symphony系统的Cnet是一个高速的、单方向传输的，串行环形数据公路。Cnet提供了多种接口的通信模件，实现子环及工厂环与中心环、现场控制单元、计算机等相关设备的接口。与相关系统设备接口的通信模件如下表所示：三、现场控制单元Symphony Rack系列的现场控制单元通过其通信网络、控制运算模件(控制器)、I/O子模件及相应的连接端子等，为整个系统提供一套功能完善和可组态的过程控制功能，成为系统的过程信息数据源及就地的执行机构。其在现场的配置原则为：选择的设备要满足现场要求，选择的方案要满足安全要求，选择的容量要满足扩展要求。它的主要功能是经过配置满足各种I/O信号，完成多种过程控制功能，实现与第三方设备的通讯，向整个系统发布处理的过程数据。1、系统模件分布（1）通讯类模件：过程控制单元通讯接口模件，网络至计算机接口通讯模件，网络至网络接口通讯模件；（2）控制类模件：智能控制器模件，通用输入/输出子模件，专用输入/输出子模件（3）专用类模件：