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沈阳工程学院300MW机组过热汽温系统进行原理分析.doc
电气电子毕业设计8300mw机组过热汽温系统进行原理分析设计
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电气电子毕业设计8300mw机组过热汽温系统进行原理分析设计,毕业设计论文
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摘 要 本次毕业设计 (论文 )是通过对 300MW机组过热汽温系统进行原理分析、可靠性论证、现场实地观察，提出的保证该系统长期稳定控制的方案。 锅炉蒸汽温度自动控制包括过热蒸汽温度控制和再热蒸汽温度控制。 锅炉过热蒸汽温度是影响锅炉生产过程安全性和经济性的重要锅炉过热蒸汽温度是影响锅炉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。必须通过自动化手段加以控制，维持其出口蒸汽温度在生产允许的范围内。因此，需要采用适当的减温方式改变过热器入口的蒸汽温度。从而控制出口的过热蒸汽温度 。目前大多数机组都采用二级喷水减温控制方式。 在再热蒸汽温度控制中，由于蒸汽负荷是由用户决定的，所以几乎都采用改变烟气流量作为主要控制手段，例如改变再循环烟气流量，改变尾部烟道通过再热器的烟气分流量或改变燃烧器（火嘴）的倾斜角度。 关 键 字 自动控制 过热蒸汽 喷水减温 nts沈阳工程学院毕业设计（论文） 2 Abstract The design project for graduation(graduation thesis)pose a scheme which pledges the system under the coordination control long-term, by analyzing superheat steam temperature principle of 300MW unit sets,testifying the reliability and observing by doing fieldwork. Boiler steam temperature automatic control includes superheat steam temperature control and reheat steam temperature control. Boiler superheat steam temperature is an important parameter which influences boiler produce process safety and economic value. Sophisticated boiler super heater working on condition that high temperature and high pressure must be controlled by automatic methods, and keep the outlet steam temperature in the range of produce permitting. For this reason, we should use suitable desuperheat methods to alter the inlet steam temperature of superheater, so that control the outlet temperature of superheater. At the moment, most unit sets use jet desuperheat control. Under the reheat steam temperature control, consumers decide the steam load, so we use the gas flow as the main control method. For example, we change the gas recalculating flow and tail flue by altering the gas divergence flow of reheated or altering the gradient of combustion chamber. Key words: Automatic Control Superheat steam Jet desuperheat nts沈阳工程学院毕业设计（论文） 3 目 录 摘 要 . 1 ABSTRACT . 2 第一章 引言 . 4 1.1 课题背景及其选题 意义 . 4 1.2 火电厂自动化控制水平 . 4 1.3 过热汽温控制系统发展现状 . 6 第二章 T-XP 系统简介 . 7 2.1 T-XP 系统的组成 . 7 2.2 T-XP系统的应用特点 . 8 2.3 集散控制系统的特点及在火力发电厂的应用 . 9 第三章 过热汽温控制概述 . 12 3.1 过热汽温控制的任务 . 12 3.2 过热汽温控制对象的动态特性 . 12 第四章 过热汽温控制系统的组态分析 . 16 4.1 过热汽温控制系统的特点： . 16 4.2 I级减温控制系统 . 16 4.3 II级减温控制系统 . 21 第五章 过热汽温控制系统的整定 . 24 5.1 I级减温控制系统的整定 . 24 5.2 II级减温控制系统的整定 . 29 第六章 MATLAB仿真 . 30 结 论 . 32 参考文献 . 33 致 谢 . 34 附 录 一：组态图中的功能模块及其图 . 35 附 录 二：过热汽温控 制系统组态图 . 37 附 录 三：过热汽温控制 SAMA图 . 40 附 录 四：外文翻译 . 41 nts沈阳工程学院毕业设计（论文） 4 第一章 引言 1.1 课题背景及其选题意义 随着电力事业的飞速发展，火电厂机组容量的不断扩大，参数 不断提高，如何保护单元机组的安全、经济运行，减少事故，提高设备的可靠性和运行的经济性，是十分重要的问题。大量事实证明，采用先进的热工自动化技术是提高机组安全、经济运行水平的行之有效的措施。自动控制装置在机组启动时，根据启动要求进行控制，启动后按较高的热效率、较低的煤耗和厂用电进行运行。当运行出现异常时，自动控制装置能迅速按照预先规定的顺序进行处理，以尽快恢复正常运行，当故障发展到可能危及设备和人身安全时，采取停炉、停机等保护措施，避免事故进一步扩大。 大型火电机组热工自动化技术，包括以下四个方面：控制（ Control）、报警（ Alarm）、监测（ Monitor）和保护（ Protection），简称 CAMP。这四个方面既相互独立，又相互联系。例如，运行参数由监测装置进行自动监视，当参数异常时自动发出报警信号，同时调节装置进行自动调节，而当设备异常或运行参数达到危险值时，保护装置动作，以保护设备及人身安全。 1.2 火电厂自动化控制水平 目前，机组以从早期的手动控制发展到现在的自动控制，从就地控制发展到现在的炉、机、电集中控制。过去，运行人员通过手动操作执行机构和人工记录报表，如今，现代化大型机组普遍采用计 算机控制、大屏幕显示和高分辨率的 CRT监视操作，从而将复杂的机组运行参数集中处理，并以图表、文字形式实时显示，供运行人员操作指导。由此可见，大机组自动控制不仅可减轻运行人员的劳动强度，而且可减少运行人员，节省劳动力。 我国热工自动控制水平应按照中上水平及以满足保证机组安全和满足经济运行的要求进行设计，并应积极慎重地、有步骤地推广国内外先进技术，以推动我国电厂自动控制水平的提高。 目前，大机组的特点之一是监视点多 (600MW 机组 I/O 点多达 30005000 个 ，随着发电机 变压器组和厂用电源等电气部分监视 时纳入 DCS之后， I/O点以超达 7000个 )，参数变化速度快和控制对象数量大 (600MW 机组超过 1300 个 ),而各个控制对象又相互关联， 所适应像 600MW 这样大型单元机组监控的要求。如果将大机组的监视与控制操作nts沈阳工程学院毕业设计（论文） 5 任务仅交给运行人员去完成， 不仅体力和脑力劳动强度大 , 而且很难做到及时调整和避免人为的操作失误， 因此必须由高度计算机化的机组集控取而代之。 1.在机组正常运行过程中，自动化系统根据机组运行要求，自动将运行参数维持在要求值，以期取得较高的效率（如热效率）和较低的煤耗， 厂用电效率等。对望亭发电厂 一台 300MW 机组使用美国西屋公司的 WDPF 微积分散控制系统的运行经济效果的初步分析表明；仅 WDPF 分散控制系统的自动控制和在线效率监控功能的投用，就分别降低机组供电煤耗 3.6g/(kw.h)和 0.85g/(kw.h)， 综合降低的机组供电煤耗可达4.45g/(kw.h).以该机组年发电量 18亿 kw.h 计算，每年可节约标准煤 8010t，可见其经济效益是很显著的。 2.在机组运行工况出现异常，如参数越限、辅机跳扎闸时， 自动设备除及时报警外，还能迅速、及时地按预定的规律进行处理。这样， 既能保证机组设备的安全 ，又能保证机组尽快恢复正常运行，减少机组的停运次数。例如， RUN BACK（自动快速减负荷）， RUN UP（强增负荷）， RUN DOWN（强减负荷）， FAST CUT BACK（ FCB，负荷快速切回或称快速甩负荷）等功能。 3.当机组从运行异常发展到可能危及设备安全或人身安全时，自动化设备能适时采取果断措施进行处理，以保证设备及人身安全。如锅炉主燃料跳（ master fuel trip,MFT）、汽轮机监视系统（ TSI）和汽轮机紧急跳闸（ ETS）等。 4.在机组启停过程中，自动化设备又能根据机组启动时的热状 态进行相应的控制，以避免机组产生不允许的热应力而影响机组的运行寿命，即延长机组的服役期。如汽轮机的计算机应力估算和寿命管理系统，汽轮机自启停系统（ turbine automatic system ,TAS）。 5.随着电网的发展，对自动发电控制（ Automatic generation control ,AGC）的要求日趋严格。 AGC 是现代电网控制中心的一项基本和重要的功能，是电网现代化管理的需要，也是电网商业化运营的需要。而要实现 AGC，单元机组必须有较高的自动化水平，单元机组协调控制系统必须能投入稳定运 行。 建国 40 多年来，随着机组容量的增大、参数的提高，对于机组安全经济运行的要求不断提高，火电厂的自动化水平也不断得到提高，从传统的机、炉、电分别人工监控发展到今天的单元机组集控，自动化系统的功能也已从单台辅机和局部热力系统发展到整个单元机组的检测与控制。而随着整个单元机组自动化的不断完善以及电网发展的需要，火电厂热工自动化的功能必然会和调度自动化系统（ automatic dispatch system ,ADS）相协调而实现电网的自动发电控制（ AGC）。但必须指出的是，自动化系统毕竟只能按照人们预先制定的 规律进行工作。而机组运行过程中的情况却是复杂、随机的。因此，自动化系统在一般情况下虽不需要人工干预，但在特定情况下却要人工给以提示或协调。无人值班的火电机组虽然尝试，却迄今未获成功，也就是说高度自动化nts沈阳工程学院毕业设计（论文） 6 的火电机组并非不需要人的干预，而是需要人的更高层次的干预。由此可见，自动化水平的机组，要求运行人员也具有更高的技术和文化水平。 1.3 过热汽温控制系统发展现状 过热蒸汽温度是锅炉运行质量的重要指标之一。过热蒸汽温度过高或过低都会显著地影响电厂的安全性和经济性。目前，仍采用以分散微机为基础的集散型控制系统（ DCS）。在过热蒸汽温度控制系统中采用主要有串级控制系统和采用导前汽温微分信号的双回路汽温控制系统。 本文将在分析该系统的特点和可靠性的基础上，针对过热汽温系统在应用中存在的几个带普遍性的问题展开进一步的分析和探讨，并提出了相应的解决措施 nts沈阳工程学院毕业设计（论文） 7 第二章 T-XP 系统简介 2.1 T-XP 系统的组成 2.1.1 操作监视系统 OM650 操作监视系统的作用与 T-ME 系统的 OS 系统类似，是电厂过程与操作员之间的对话窗口，用于对过程进行操作、监视及信息的处理和归档 。它采用在 UNIX 环境下以 X/Windows 和 OSF-MOTIF（标准软件）作为标准的统一人机界面。它主要包括如下几个部分： (1) 操作员终端 (OT ) 每个都带有 4 个的功能，可以包含整个机组的操作与监视功能，若一台机组配置多台终端，则意味着具有多重冗余。根据需要每台机组可以配置若干个标准 CRT，也可以配置大屏幕终端，该大屏幕可以显示一幅 1.5 2.0( )的巨大画面，也可以同时显示 4幅不同内容的 CRT 画面。大屏幕技术对现场的调试和运行带来了相当的方便和好处，对机组的安全运行提供了可靠的监控手段。 (2) 过程处理单元（ PU） PU 单元对于机组的实时操作命令和实时过程信息的处理。对于大型发电机组，一般配置两对冗余的 PU 单元，可以处理大约 9500 个现场 I/O 点（不包括中间量信号），其中一对 PU 主要用于处理锅炉部分的过程信息，另一对 PU 主要用于处理汽轮机和发电机系统以及外围系统的信息，设计中要充分考虑两对处理能力的均衡。 (3) 服务单元（ SU） SU 单元用于对历史数据的处理，如形成各类报表、历史曲线以及性能计算的数据存储等。为了增大信息的存储量和提高可靠性，一般配置一对冗余 SU 的，并在机内配置有光驱。 (4) 打印输出设备 根据发电机组的实 际需要，可以配置若干台过程打印机及一台彩色图形硬拷贝机，以确保机组数据的长期有效管理和存档。硬拷贝机可以将任一 CRT 上的画面、曲线、时间记录等真实地拷贝下来。所有的过程打印机在功能上是一致的，不受物理连接的限制。操作员可以在任一 CRT 终端（包括大屏幕）输出报表、操作记录及事件记录等至任一打印机，为运行人员的归档和分析处理提供便利的手段。 2.1.2 自动系统 (1) AS620B AS620B 自动系统用于实现机组的协调控制系统 (CCS)、顺序控制系统 (SCS)及信息系统 (DAS)等功能，它接受现场和 CRT/BTG 盘的指令，进行处理及逻辑判断，并进行相应的过程控制。同时将有关的过程信息实时地传送至 OM 系统、 BTG 盘以及 ES 系统（如果 ES 系统处于动态调试模式的话）。 nts沈阳工程学院毕业设计（论文） 8 AS620B 自动系统的功能结构属集中分散型，对每个 AS620B 自动系统来说，所有相关的过程信息或指令都通过一对冗余的 CPU 进行集中协调和处理，然后传送至个智能型处理模块，以实现各种独立的功能和任务。 (2) AS620F AS620F 自动系统用于实现 BMS 控制及汽轮机远方跳闸功能，主要包括油枪 /油阀的启动及保护、火检监测、磨煤机组保护 、主燃料跳闸逻辑 (MFT)以及汽轮机远方跳闸逻辑等监控。 (3) AS620T AS620T 自动系统是为汽轮机 /发电机的闭环控制设计的。其特点是通过极小的响应时间和极快的处理周期，保证汽轮机 /发电机的快速闭环调节（如对汽轮机调速汽门的控制）。 2.1.3 通信总线系统 通信总线系统包括终端总线及工厂总线，两个总线均为以太网结构，通信速率达10Mbps，具有故障容错能力。另外，在 AS 自动系统中还配置了冗余的 I/O 总线，通过网卡与工厂总线相连接。 2.1.4 工程师站 (ES680) ES680工程师站用 于对 AS、 OM系统以及总线系统的组态、修改和动态调试。它用于整个工程实施过程，从确定工程设计任务一直到自动控制系统的调试、修改和升级。ES680 提供了连贯的前向式工程设计，用户在设计、调试和维修中使用同一个工具，所有的参数只需要输入和检查一次，就可由 ES680 系统统一管理。 2.1.5 BTG 盘 用于对机、炉、电主要参数的监控、报警以及提供 DCS控制的后备操作手段。 2.2 T-XP 系统的应用特点 T-XP 系统是在 T-ME 系统系统基础上发展起来的一种能够适应现代化电厂生产过程要求的自动化控制系统，它 的主要特点如下： (1) 基于国际标准的模块化系统结构不仅使 T-XP 具有很高的经济性和可靠性，而且还有利于电厂其它系统的发展。在采用 T-XP 系列设备的电厂 DCS 设计中，可以将许多常规的电气监控功能（如，主电源系统的监控、高压开关站系统的监控、厂用电系统的监控、直流电源系统的监控、发电机及其动力中心的监控、 UPS 系统的监控等）纳入DCS 的范围内，从而使单元机组的机、炉、电控制水平协调发展，实现机、炉、电的统一集中监控。 (2) 功能完备的人机接口，尤其是大屏幕技术的采用，可以通过 Windows实现所有信息的直接存取和设备的安全操作，提高了机组调试和运行的自动化水平。 nts沈阳工程学院毕业设计（论文） 9 (3) 标准的现场总线协议 (PROFI BUS)的使用，使得 DCS 的部分功能可以通过远程I/O 站来实现，提高了 DCS 功能的物理分散度。例如，火电厂机组的循环水泵房距主控室较远，为了节省成本，增加信号传输的可靠性，可以在循环水泵房设置若干个 I/O远程站 (ET200)，通过光缆将远程 I/O站与 DCS 的 AS620B系统连接在一起，从而使运行人员成功地实现了对整个循环水泵房的操作和监视。 (4) 通过各种软件 /硬件接口，实现 DCS 对现场设备的集中监 控。例如，通过 AS620B处理站， DCS提供了两个软接口来实现 DCS与 DEH（汽机电液调节系统）以及 DCS与 TSI（汽机振动的检测系统）之间的通信，这样就可以将 DEH或 TSI的部分监控功能移置到DCS系统中，便于运行人员的集中监控，从而提高机组运行的监控水平。 (5)T-XP 系统的 DCS 还提供了主时钟的卫星定位系统（ GPS）通信接口以及 DCS 与电厂信息系统（ MIS）的通信接口，为电厂监控和管理功能的进一步扩展提供了有效的空间。 (6)无需编程语言知识要求，自始至终采用图形化的工程设计和调试。 (7)DCS通信系统采用了基于 ISO/OSI国际标准的 7层通信协议无论是和工厂总线或终端总线连接，都能够为外部系统提供开放式的通信手段。 (8)无需独立的事故顺序记录装置（ SOE），该功能已集成在 DCS 中，并可由 ES680组态。 2.3 集散控制系统的特点及在火力发电厂的应用 电力工业的特点是连续生产，强调安全、经济运行，特别是随着机组容量增大、参数的提高，系统更加复杂化，而常规仪表和单一控制设备难以满足要求。因而现代大型火电机组均采用集散控制系统来实现机组的自动检测与报警、自动保护、自动调节等功能，以保证机组的安 全与经济运行。 集散控制系统是一种以微处理器为基础，应用网络通信技术、计算机技术、 CRT显示技术及过程控制技术构成的新型控制系统。自从 1975 年 Honeywell 公司宣布第一套集散控制系统 (TDC2000)诞生以来，工业控制自动化进入了一个崭新的时期。经过 20年的发展，结构体系不断更新，功能不断加强。新型的集散控制系统是开放型的体系结构，可方便地与生产管理的上位计算机相互交换信息，形成计算机一体化的生产系统，从而实现工厂的信息管理一体化。 2.3.1 集散控制系统的特点 与以往的控制设备相比， DCS具有以下特点： （ 1） 能分层体系 本着集散控制的设计思想，层次化充分体现了集中操作管理、分散控制的思想，成为DCS 的重要体系特点。根据 DCS 的规模和实际工艺需要可以将功能分成以下 2 至 4 层，如图 1.1所示： 1）直接控制级（又称过程控制级）：直接与现场各类设备（如变送器、执行机构等） 相连，对现场设备实施监测、控制、诊断和保护，同时通过总线与过程管理级交换信息。 2）过程管理级：包括监控计算机、操作站及工程师工作站。它综合监视过程各点的nts沈阳工程学院毕业设计（论文） 10 所有信息，集中显示操作，进行控制回路组态和参数修改，优化过程处理（包括优化过 程 过 程第一级第二级第三级第四级现场设备直接控制级过程管理级生产管理级经营管理级系统的分层结构图 1 . 1控制、自适应控制以及优化单元内各装置等）。 3）生产管理级：管理计算机完成比系统控制模式更宽的操作和逻辑分析功能，协调各单元级的参数设定，实施协调策略等。 4）工厂经营管理级：居于工厂自动化系统的最高层，它的管理范围很广，包括工程技术、经济、商业事务等方面的功能。 对于某一具体集散控制系统的应用来说，并非一定具有四层功能不可，大多数应用于中小规模的控制系统只有 1至 2层，少数情况使用到第 3层，在大规模的控制系统中才 应用完全的四层模式。就目前世界上的优秀集散控制系统产品来看，多数局限在第 1、 2、 3层，第 4层的功能只附带在第 3层的硬件基础上。 （ 2）容错能力 DCS具有很高的可靠性，广泛采用了容错、冗余技术。此外还具有软、硬自诊断功能，使设备的故障率大为下降，且故障货修复快。 （ 3）通信功能强 DCS 是由多台微处理器以数据通信形式，通过告诉公路相连而过程的一个完整的综合自动控制系统，系统内数据共享，可节约大量控制电缆、一次元件和变送器等，简化各子系统之间的接口，并减少备品配件的品种和数量， 降低维护、管理的工作量和费用。 （ 4）功能齐全 DCS 功能齐全，人机界面友好，它的集中操作显示功能，精简了常规监视仪表，为运行人员提供了综合性的画面和信息，有利于全面掌握和分析工况，以及对整个生产过程的操作控制。从计算机时间顺序记录和事故追忆打印中，可迅速判断并处理事故，恢复运行，减少停机时间。 （ 5）扩展方便、组态灵活 控制系统扩展方便，组态灵活、直观，便于控制方案的调整，能方便地实现许多复杂控制功能，提高控制品质，而且系统易于调试。 （ 6）自动系统投入率高 采用 DCS以后，机组主参数的控制精度及自动系统的投入率均有叫大幅度提高，同时可以节省燃料，大大提高电厂的经济效益。 nts沈阳工程学院毕业设计（论文） 11 2.3.2 DCS 在火力发电厂应用及发展 我国火电厂应用 DCS 从 1985年开始提上议事日程，到目前采用 DCS 并投入运行的电厂已比较普遍，采用的 DCs 品种有十几种。 目前， DCS 已成为工业过程控制的主要控制设备，它在火电厂的应用有着广阔的前景。为了适应火电机组向大容量、高参数的发展， DCS 的应用呀在不断地发展和完善，主要体现在以下几个方面： （ 1）向 DCS 一体化方向发展 ，即以 DCS 为主体，通过网络通信实现数据共享，显示终端（ CRT 及键盘）共用，简化系统，减少监视和操作设备，缩小运行人员的监视面，从而将数据采集、处理及监控纳入统一的自动化系统中，以利于管理和调度。 （ 2）采用不断发展的先进技术，如： 1）人机接口中的新型工业图形显示系统 IGDS 和多媒体技术（尤其是语音和视频图象技术）； 2）采用 EIC 综合技术将电器控制、仪表控制和计算机控制等功能由 DCS 统一完成； 3）采用现场总线（ FB）技术将现场许多智能设备，如智能变送器和智能执行器等全部 接到一条总线上，从系统结构上实现真正的“功能分散”和“道理分散”，为运行、检修和故障诊断提供方便条件； 4）开发适合我国电厂使用的运行支援系统，使运行支援系统和计算机见空系统同意起来，构成对整个机组的立体监控，以便更好地发挥 DCS 的潜力，将它的应用提高到一个新水平； （ 3）采用先进的控制理论和控制策略（如，自适应控制、住家系统、模糊控制、神经网络理论等），不断提高 DCS 的软件功能，以便更好地解决火电机组这一具有大迟延、非线形、多变量耦合等特性被控对象的自动控制问题，进一步提高 DCS 的应用水平 。 总之， DCS 的应用使火电厂更新了传统的生产操作手段，建立了全程多参数综合操作的新概念，向着操作的简便性、稳定性、安全性、预见性和优化性等方面迈出了新的一步，它不仅可以提高劳动生产率和电能质量，还能减低发电成本，改善劳动条件，为大型机组的安全、经济运行提供了可靠的保证。 nts沈阳工程学院毕业设计（论文） 12 第三章 过热汽温控制概述 3.1 过热汽温控制的任务 过热蒸汽温度自动控制的任务是维持过热器出口蒸汽温度在允许范围内，并且保护过热器，使管壁温度不超过允许的工作温度。过热蒸汽温度是锅炉运行质量的重要指 标之一，过热蒸汽温度过高或过低都会显著地影响电厂的安全性和经济性。过热蒸汽温度过高，可能造成过热器、蒸汽管道和汽轮机的高压部分金属损坏，因而过热汽温的上限一般不应超过额定值 5。过热蒸汽温度过低，又会降低全厂的热效率并影响汽轮机的安全经济运行，因而过热汽温的下限一般不低于额定值 10。过热汽温的额定值通常在 500以上，例如高压锅炉一般为 540，就是说要使过热汽温保持在 540 5的范围内。 3.2 过热汽温控制对象的动态特性 影响过热器出口蒸汽温度变化的原因很多，如蒸汽流量变化、燃烧工况变化、锅炉给水温度变化、进入过热器的蒸汽温度变化、流经过热器的烟气温度和流速变化、锅炉受热面结垢等。但归纳起来，主要有三个方面： 3.2.1 蒸汽流量（负荷）扰动下过热汽温对象的动态特性 当锅炉负荷扰动时，蒸汽流量的变化使沿整个过热器管路长度上各点的蒸汽流速几乎同时改变，从而改变过热器的对流放热系数，使过热器各点的蒸汽温度几乎同时改变，因而汽温反应较快。过热器出口汽温的阶跃响应曲线如图 3-1所示，其特点是：有滞后、有惯性、有自平衡能力，且 c 较小。但由于蒸汽量是由机组负荷决定的，不能用来作为调节气温的手段。 D c 0 t 0 t 图 3-1 锅炉负荷扰动下过热汽温的阶跃响应曲线 当锅炉负荷增加时，对流式过热器和辐射式过热器的出口汽温随负荷变化的方向是相反的。负荷增加时，通过对流式过热器的烟气温度和流速都增加， 从而使对流过热器的出nts沈阳工程学院毕业设计（论文） 13 口汽温升高。但是，由于负荷增加时，炉膛温度升高不多，而炉膛烟温升高所增加的辐射热量小于蒸汽负荷增大所需的吸热量，因而当负荷增加时，辐射式过热器出口汽温是下降的。现代大型锅炉的过热器，对流式过热器的受热面积大于辐射式过热器的受热面积，因此总的汽温将随负荷增加而升高。 3.2.2 烟气侧扰动下过热汽温的动态特性 烟气侧对汽温的影响干扰因素较多。由于过热器及再热器是热交换器，其出口汽温反映了蒸汽带走的热量和烟气侧吸收的热量之间的热平衡关系。因此，凡是影响烟气和蒸汽之间换热的因素都是对汽温的 扰动因素。烟气侧的扰动主要包括以下几方面： （ 1） 煤质的变化 燃煤中的水分和灰分增加时，燃煤的发热量降低，为了保证锅炉蒸发量，必须增加燃料消耗量。因为水分蒸发和灰分本身提高温度均要吸收炉内的热量，故使炉内温度水平降低，炉内辐射传热量减少；炉膛出口烟温升高，水分增加使烟气体积增大，烟气流速增加，使对流传热增加，故使汽温升高。 当燃煤的挥发分降低，含碳量增加（例如由烧烟煤该成烧无烟煤或贫煤）或煤粉较粗时，煤粉在炉内的燃尽时间较长，火焰中心上移，炉膛出口烟温升高，从而使汽温上升。 （ 2）炉内过剩空气系数 的变化 当送风量和漏风量增加使炉内过剩空气系数增加时，低温空气的吸热及烟气容量的增加将使炉膛温度降低，流经过热器的烟量增加，烟速增高，使对流过热器传热加强，汽温升高。 （ 3）燃烧器运行方式的变化 燃烧器运行方式改变，例如，燃烧器从上排切换到下排，或燃烧其的喷口角度改变时，火焰中心位置也会改变，从而引起汽温变化。 （ 4）配风工况的改变 在总风量不便的情况下，由于配风工况不同，也会造成火焰中心位置的变化而使汽温发生变化。当送风和引风配合不当而造成炉膛负压变化使火焰中心位置变化时，也 会造成汽温变化。 图 3-2表示烟气热量 Qy阶跃变化时过热汽温的反应曲线，其特点是：有迟延、有惯性、有自平衡能力。烟气热量扰动（烟气温度和流速产生变化）时，由于烟气流速和温度的变化也是沿整个过热器同时改变的，因而沿过热器整个长度使烟气传递热量也同时变化，所以汽温反应较快，其时间常数 c和迟延均比其他扰动小。其迟延时间与烟气侧的扰动原因以及锅炉的运行工况有关。 Qy c Qy 0 t 0 t nts沈阳工程学院毕业设计（论文） 14 图 3-2 烟气热量扰动下过热汽温的阶跃响应曲线 由于烟气侧的扰动是沿过热器及再热器整个管段长度使烟气传热量同时变化的，所以汽温变化反应较快，因此可以利用烟气侧的扰动来作为调节汽温的手段，例如可以采用烟气再循环和改变喷燃器角度等。现场当中是通过改变烟气温度（例如改变喷燃器角度或改变喷燃器投入的个数）或改变烟气流量来求取汽温响应曲线的。 3.2.3 工质侧扰动下的过热汽温动态特性 工 质侧扰动除蒸汽负荷扰动外还包括以下几个方面： （ 1） 给水温度的变化 在具有给水母管的系统中，给水温度一般不会变动很大。但对于单元机组来说，如果 压加热器不能投入运行，给水温度可能比额定值低 50 120，而给水温度的降低将增加给水进入锅炉后水加热阶段的吸热量。如果燃料量不便，则会降低蒸发量，因为过热器所吸收的热量基本不变，所以在过热器中每公斤蒸汽所吸收的热量增加，使汽温升高。如果要恢复蒸发量以满足汽机的需要，必须增加燃料，结果同样使汽温升高。 对于单元机组，给水温度是随着机组的出力而变化的。当机组出力降低时，由于 抽气压力随之降低，使用于加热器加热给水的蒸汽减少，因此它对过热汽温的变化起到一定的自补偿作用，但由于管道系统很长，其迟延较大。 （ 2） 饱和蒸汽含湿量的变化 过热器入口蒸汽（即饱和蒸汽）的焓值决定于蒸汽压力及其含湿量，饱和蒸汽含湿量越大，蒸汽焓值越小。在正常情况下，进入过热器的饱和蒸汽含湿量一般变化很小，饱和蒸汽的湿度一般保持不变。但在工况不稳定和运行不正常的条件下，例如，当锅炉负荷突增，汽包水位过高，以及炉水含盐浓度太大而发生汽水共腾时，将会使饱和蒸汽的含湿量大大增加，由于增加的水分在过热器中汽化要吸收热量，在燃 烧工况不便的情况下，用于使饱和蒸汽过热的热量相应减少，因而将引起过热汽温下降。 （ 3）减温水流量的变化 当减温水流量扰动时，改变了高温过热器的入口汽温，从而影响了过热器出口汽温，其阶跃响应曲线如图 2-3所示。从图 3-3中可看出，其特点也是有迟延、有惯性、有自平 衡能力的。但是由于现代大型锅炉的过热器管道很长，因而当减温水流量扰动时，汽温反应较慢。 对于一般高、中压锅炉，当减温水流量扰动时，汽温的迟延时间 30-60s，时间常数 c 100s，而当烟气侧扰动时 10-20s， c100s。 B c 0 t B 0 t 图 3-3 减温水扰动下过热汽温的阶跃响应曲线 nts沈阳工程学院毕业设计（论文） 15 可见，当负荷扰动或烟气热量扰动时，汽温的反应较 快；而减温水量扰动时，汽温的反应较慢。因而从过热汽温控制对象动态特性的角度考虑，改变烟气侧参数（改变烟温或烟气流量）的控制手段是比较理想的（因为负荷信号由用户决定，不能作为控制量），但具体实现较困难，所以一般很少采用。喷水减温对过热器的安全运行比较有利，所以尽管对象的特性不太理想，但还是目前广泛被采用的过热蒸汽温度控制方法。采用喷水减温时，由于对象控制通道有较大的迟延和惯性以及运行中要求有较小的汽温控制偏差，所以采用单回路控制系统往往不能获得较好的控制品质。针对过热汽温的控制对象控制通道惯性迟延大、被调量信 号反馈慢的特点，应该从对象的控制通道中找出了一个比被调量反应快的中间点信号作为调节器的补充反馈信号，以改善对象控制通道的动态特性，提高控制系统的质量。 目前采用的过热蒸汽温度控制系统主要有串级控制系统和采用导前汽温微分信号的双回路汽温控制系统。 nts沈阳工程学院毕业设计（论文） 16 第四章 过热汽温控制系统的组态分析 本设计以 300MW机组的锅炉过热汽温控制系统为例，介绍过热汽温控制系统的原理、特点及系统的组态。 过热汽温控制系统分为 I,II 级喷水减温控制，均采用“温度 温差”串级控制 系统。每级又分为左、右两侧，这两侧控制系统的结构完全相同。 4.1 过热汽温控制系统的特点： 该锅炉的过热汽温控制系统是主要特点如下： （ 1） I 级减温控制系统的控制任务是保持 II 级减温器前后的温差与负荷成某种函数关系，这一函数关系由锅炉本体设计的热力计算结果决定。因此该系统的给定值与负荷成一定的函数关系，而不是固定值。 该锅炉过热器靠近蒸汽出口的两段为高温对流过热器（末级）和辐射过热器（屏式过热器），两者随负荷变化的汽温特性是相反的。例如当锅炉负荷增加时，高温对流过热器出口温度升高，而辐射过热器出口温度 却降低。 因此，该锅炉采用的两级喷水减温串级控制系统中， I 级减温控制系统的任务是保证II级减温器前后的温差为负荷的某种函数关系，而不是保持屏式过热器出口温度不变；如果两级喷水减温都是控制相应过热器出口的温度不变，则当负荷变化时，两级喷水量会向相反的方向变化，例如当负荷增加时，高温对流过热器出口温度升高， II级喷水减温控制系统使喷水量加大；而辐射过热器出口温度降低， I级喷水减温控制系统使减温水量减少，这样就使两级喷水量差值加大，使整个喷水不均匀，影响过热器的安全运行。 （ 2） II级喷水减温控制系统的任 务是保证主汽温度（高温对流过热器出口蒸汽温度）为 540 5。 （ 3）为了提高系统对负荷变化及控制再热汽温时烟道档板位置变化等扰动的响应速度，采用了相应的前馈信号。 4.2 I 级减温控制系统 I 级减温控制系统由左、右两侧工作原理相同、互为独立的串级控制系统组成。每个控制回路有一个主调节器和一个副调节器，各自控制左、右两侧的 I级减温喷水调节阀，以保证 II级减温器前后的汽温差为负荷的某种函数关系。主调节器的被控参数的 II级减温器的汽温差；副调节器的被控参数是 I级 减温器出口的汽温。现通过对其中一侧控制回路的 分析来说明 I级减温控制系统的组态，系统框图如 4.1所示： nts沈阳工程学院毕业设计（论文） 17 1R/ d tdd Q / d t5 12211513412J1J22g111gI I 级 减 温 器屏式过热器副调节器烟道档板开度主调节器总燃料量图 4.1 I 级减温控制系统简化框图 图中： 2g 主调节器的温差给定值，为负荷的函数； 1g 副调节器的温度给定值，为负荷的函数； Q 总燃料量，代表机组负荷； 锅炉尾部过热器烟道档板开度； 1 I级喷水减温器阀门开度 这是一个典型的串级系统，主调节器 5 和副调节器 12 串在一起工作。下面以左侧 I级喷水减温控制系统为例说明其组态。 4.2.1 主回路的组态分析 主调节器 5的偏差信号的形成如图 4.2所示 主控输出的调节指令跟踪信号机组负荷总燃料量过热器低温对流级减温器屏式过热器级减温器过热器高温对流主蒸汽nts沈阳工程学院毕业设计（论文） 18 图 4.2 主调节器的偏差信号回路 主回路的设定值为对应不同负荷下 II级减温器前后的温差设计值 2g，它与机组的负荷成一定函数关系，在组态中由函数发生器 4产生： 2g=f(x)=f(Q) f(D) 式中， Q为总燃料量，代表机组总的复核； D为主蒸汽量。 这一函数关系由锅炉设计中的热力计算得到，如图 4.3所示： 主调节器的被控参数（主参数）为 II 级减温器前后温差 2： 2= 1- 2 式中 22是取 II 级减温器后两个温度变送器 T2， T1 中的大值，并经过一阶惯性环节2，使它有一定的迟延，这是因为 II 级减温器后的温度变化很快，为了与 II 级减温器前的温度 1时间上相匹配，故在此加了一个一阶惯性环节。 主调节器 5 入口的偏差信号： e2 = 2- 2g 由于主调节器 5的调节规律为 PI规律，在系统稳定时要满足入口平衡条件，即 e2 = 2- 2g=0 所以稳态时 2= 2g 4.2.2 副回路的组态分析 I 级减温控制系统副回路的组态如附图 1 所示，它包括： 1）偏差信号的组态； 2）前馈控制的组态； 3）过热度保护功能的组态； 4）副调节器小回路反馈的组态共四部分组成。 （ 1）副调节器偏差信号的组态 副调节器 12 的设定值 11g包括两部分：一是主调节器 5 的输出调节指令 R1，另一是由机组负荷信号经过函数发生器 13形成的修正值 11g，故设定值 11g为 11g=R1-f(Q)= R1- 11g 副调的被控参数为 I级喷水减温器出口汽温，两个测量传感器 T4,T3测得两个测点的温度信号经大选块 3选大值作为副调节器的被控参数 11。副调节器的入口偏差信号为 e1= 11g- 11+dQ/dt+d /dt 式中， dQ/dt和 d /dt分别为负荷和尾部烟道档板开度的微分信号。 当偏差为正时，则关小 I级减温水阀开度 1；反之，则开大减温水阀。 （ 2）前馈控制的组态 副环引入了负荷和烟道档板位置信号作为前馈控制信号，以改善这两个 参数扰动时的图 4 . 3 过 热 汽 温 各 点 设 计 值 示 意 图nts沈阳工程学院毕业设计（论文） 19 控制品质，其组态如图 4.4所示： 机组负荷信号 Q 通过微分环节 15 得到负荷微分信号，使副调节器对负荷变化作出迅速响应。 由于有一部分过热器布置在尾部烟道中，当调节烟道档板来改变再热汽温时，同时也改变了经过过热器受热面的烟气流量。过热档板开大时烟气流量增大，过热器吸热量增加，使过热蒸汽温度提高。反之，则会降低过热蒸汽温度。 为了避免烟气流量改变多整个主汽温度稳定性的影响，将过热烟道档板开度信号通 机组负荷过热烟道档板位置 4 0 跟踪 手动 复位图 4.4 两个前馈控制信号的组态图 过微分环节 21 作为一个前馈信号，加至副调节器的输入端。一旦过热档板开度有一些变化，就立即通过该前馈信号作用于减温水系统，迅速消除这种扰动对汽温的影响，提高系统的稳定性。 在附图 2中，还有四个非线形环节，其中 14、 20为死区特性，其作用是限制负荷或烟道档板作微小波动（可通过调整死区范围大小限制波动的幅度）时造成对控制系统的干扰；17、 23是限幅环节，其作用是限制微分作用过大对控制系统的过强作用 当负荷小于 40或控制系统切为手动时，则通过或门 18、 24切除微 分环节 15、 21的作用。 （ 3）过热度保护功能的组态 过热度的保护作用是针对 I 级减温水的最大量加以限制，从而防止屏式过热器的入口汽温低于该点压力下水蒸汽的饱和温度。其组态如图 4.5，乘法器 27 的输出为相应汽包压力
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