锅炉主蒸汽控制.doc

课程设计报告( 2009 - 2010年度第1学期)名 称： 热工控制系统 题 目： 过热汽温控制系统院 系： 能源动力与机械工程班 级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 设计周数： 2 成 绩： 日期： 2010年 7月 9 日 课程 课程设计（综合实验）报告一、课程设计(综合实验)的目的与要求1 通过课程设计，巩固、深化和扩展学生的热工控制系统理论知识，提高综合运用知识的能力。2 通过实际题目、控制方案选择、工程图纸绘制等基础设计，培养学生理论与实际相结合的能力，提高分析问题和解决问题的能力。3 独立完成课程设计任务。二、设计（实验）正文1.过热蒸汽控制系统的基本任务和要求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，也是金属壁温的最高处。过热器采用的是耐高温高压的合金刚材料，过热器正常运行的温度已接近材料所允许的最高温度。如果过热蒸汽温度过高，容易损坏过热器，也会使蒸汽管道、汽轮机内某些零部件产生过大的热膨胀而毁坏，影响机组的安全运行。如果过热蒸汽温度过低，将会降低机组的热效率，一般蒸汽温度降低5-10，热效率约降低1%，不仅增加燃料的消耗量，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。另外，过热汽温的降低还会导致汽轮机高压级部分蒸汽的焓值减小，引起反动度增大，轴向推力增大，也对汽轮机安全运行带来不利的影响。所以，过热蒸汽温度过高或过低都是生产过程所不允许的。因此，以600MW机组国产汽包炉为例，其过热蒸汽温度额定值为541（主汽压力为17.3MPa），在负荷为额定值的60%100%范围内变化时，过热蒸汽温度不超过额定值的-10+5,长期偏差不允许超过5。为了防止过快的蒸汽温度变化速率造成某些高温工作不部件产生较大的热应力，还对温度变化速率进行限制，一般限制在3/min内。2.过热蒸汽温度控制对象的动态特性目前，火电机组厂广泛采用喷水减温方式来控制过热蒸汽温度。影响汽温变化的因素很多，但主要有蒸汽流量、烟气传热量和减温水量等。在各种扰动下，汽温控制对象是有迟延、惯性和自平衡能力的。1、蒸汽流量扰动下的蒸汽温度对象的动态特性大型锅炉都采用复合式过热器，当锅炉负荷增加时，锅炉燃烧率增加，通过对流式过热器的烟气量增加，而且烟气温度也随负荷的增大而升高。这两个因素都使对流式过热器的气温升高。然而，当负荷增加时，炉膛温度升高的并不明显，由炉膛辐射传给过热器的热量比锅炉蒸汽量增加所需热量少，因此使辐射式过热器出口温度下降。可见，这两种型式的过热器对蒸汽流量的扰动的反映恰好相反，只要设计上配合得当，就能使过热其出口汽温随蒸汽流量变化的影响减小。因此在生产实践中，通常把对流式过热器与辐射式过热器结合使用，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多，综合而言，过热器出口汽温是随流量D的增加而升高的。动态特性曲线如图2-1所示。蒸汽流量扰动时，沿过热器长度上各点的温度几乎是同时变化的，延迟时间较小，约为15s左右。D c 0 t0 t 图2-1在蒸汽流量扰动下温度的变化曲线2、烟气侧热量扰动下蒸汽温度对象的动态特性当燃料量、送风量或煤种等发生变化时，都会引起烟气流速和烟气温度的变化，从而改变了传热情况，导致过热器出口温度的变化。由于烟气传热量的改变是沿着整个过热器长度方向上同时发生的，因此汽温变化的迟延很小，一般在15-25s之间。烟气侧扰动的汽温响应曲线如图2-2所示。与蒸汽量扰动下的情况类似。 Qy c Qy 0 t 0 t 图2-2 烟气热量扰动下过热汽温的阶跃响应曲线3、蒸汽温度在减温水量扰动下的动态特性当减温水量发生扰动时，虽然减温器出口处汽温已发生变化，但要经过较长的过热器管道才能使出口汽温发生变化，其扰动地点（过热器入口）与测量蒸汽温度的地点（过热器出口）之间有着较大的距离，此时过热器是一个有纯滞后的多容对象。.动态曲线图如图2-3所示。当扰动发生后，要隔较长时间才能是蒸汽温度发生变化，滞后时间比较大，滞后时间约为30-60s。 B c 0 tB 0 t 图2-3 减温水扰动下过热汽温的阶跃响应曲线综上所述，可归纳出以下几点：（1）过热器出口蒸汽温度对象不管在哪一种扰动下都有延迟和惯性，有自平衡能力。而且改变任何一个输入参数（扰动），其他的输入参数都可能直接或间接的影响出口蒸汽温度，这使得控制对象的动态过程十分复杂。（2）在减温水流量扰动下，过热器出口蒸汽温度对象具有较大的传递滞后和容量滞后，缩减减温器与蒸汽温度控制点之间的距离，可以改善其动态特性。（3）在烟气侧热量和蒸汽流量扰动下，蒸汽温度控制对象的动态特性比较好。3调节量与被调量从过热蒸汽温度对象动态特性来看，蒸汽流量或烟气热量变化时，蒸汽温度动态反应较快；而减温水量变化时，蒸汽温度动态反应较慢。由于蒸汽流量由机组负荷决定，不能作为调节量，因而改变烟气热量（改变烟温或烟气流量）是比较理想的蒸汽温度调节手段，但目前改变烟气热量是控制再热蒸汽的重要手段。因此，尽管喷水减温控制特性不是很理想，但由于其结构简单、调节能力强和易实现自动化，还是被广泛作为过热蒸汽的调节手段。因此，过热汽温控制系统的调节量为减温水流量，被调量为过热器出口温度。4测量控制系统图 大型机组的锅炉过热器管道较长，结构也很复杂，为了改善控制品质，常采用分段气温控制系统，即将整个过热器分为若干段，每段设置一个减温器，分别控制各段的蒸汽温度，以维持主蒸汽温度为设定值。对于分段控制系统，可采用不同的控制方法。本次设计主要采用按温差控制的分段控制系统。控制系统原理图如图42。二级喷水减温T1T2KzPI2T3PI3PI1f1(x)T4PT4KzD 段过热器一级喷水减温 T4 段过热器 T3 T2 段过热器 T1f2(x)+_+-_蒸汽流量D+_+_ 图4-1 按温差控制的过热器温度分段控制系统原理图该控制的系统两段均采用串级控制方案，第一段控制系统以二级减温器前后的温差（T3T2）作为被调量信号送入主调节器PI3。设定值信号T0是有模块发生器f2(x)产生的，其值随负荷变化而变化。当负荷增大时，主调节器PI3的设定值随之减小，这样有（T3T2）T0，PI3入口偏差增大，这就意味着必须增大一级喷水减温量才能使T3下降，从而使温差（T3T2）减小。这样就可以防止负荷增大时一级喷水减温量减小，达到一级喷水量和二级喷水量相差不大的目的。同时，一级的多喷水对III段过热器出口温度来说有超前控制的作用，因为负荷增加时，III段过热器出口蒸汽温度T1肯定升高，这样各段过热器喷水量接近均匀，保证了过热器的安全运行。 第二段控制系统和一般的串级蒸汽温度控制系统一样，主调节器PI1主要维持主蒸汽温度；主蒸汽温度设定值有函数模块f1(x)产生，同样是锅炉负荷的函数。PI2为副调节器，接受PI1的输出信号和一级减温器后的蒸汽温度T2，PI2的输出去调节二级喷水量。该方案中还将蒸汽负荷信号作为前馈信号分别送到两个串级控制系统的副回路中，以减少锅炉负荷扰动对蒸汽温度的影响。控制系统的原理方框图如图42所示。T1变送器T2变送器T3变送器T4变送器PI1PI2执行器阀门减温器三段过热器PI3PI4执行器阀门减温器二段过热器f2(x)f1(x)蒸汽流量扰动减温水扰动+T2蒸汽流量扰动减温水扰动 +T4+ 图42按温差控制的过热器温度分段控制系统原理方框图5.控制系统SAMA图T4温度变送器T3温度变送器T2温度变送器T1温度变送器 H/LH/LK d/dt TRACKf2(x)f1(x)K d/dt TRACKTTTTTTTT/2/2TTTT/2K d/dt TRACKDH/LA/Mf(x)ZTK d/dtTRACKH/L/LTTTT/2 主蒸汽流量 K d/dt TRACKA/Mf(x)ZTH/L+PI3PI1+ +PI4PI2A/MH/LH/LZTf(x)三、课程设计（综合实验）总结或结论过热蒸汽温度控制系统采用两段相对独立的控制系统构成，两级减温水都是由基本的串级控制系统构成，其中一级减温控制系统主要控制后屏过热器出口蒸汽温度，实现蒸汽温度的粗调；二级减温控制系统主要控制墨迹过热器出口蒸汽温度，用于蒸汽温度微调，实现主蒸汽温度的精确调整。如果系统仅采用简单的温度分段控制，由于II段过热器为辐射式过热器，III段过热器为高温对流过热器。当机组负荷大范围变化时，由于过热器吸热方式不同，两种过热器的吸热比例随负荷而发生变化，当负荷增大时，屏式过热器出口蒸汽温度T3将降低，为了保持T3不变，则必须减小一级减温器喷水量。而末级过热器为对流传热，负荷增加时，出口蒸汽温度将增加，为了维持位设定值，二级喷水减温器喷水量必须增加，这样两个减温器喷水量一个减小而另一个增加，造成负荷变化时两级减温器喷水量相差很大，使整个过热器喷水不均匀，恶化二级彭水减温的调控能力，可能导致末级过热器出口温度超温。本控制系统在蒸汽温度分段控制的基础上将二级喷水减温器前后的温度差引入一级减温水的调节，即把温差（T3T2）作为第一段控制系统的被调量信号送入主调节器PI3，这样可以达到一级喷水量和二级喷水量相差不大的目的，使各段喷水量接近均匀