(过热蒸汽温度控制系统设计)

1、毕业设计论文题目：过热蒸汽温度控制系统设计系 别：电气与电子工程系专业：自动化姓 名：龚宏奎学 号：122408121扌旨导教”帀：任琦梅河南城建学院2012年05月20日摘要过热蒸汽温度控制系统是单元机组不可缺少的重耍组成部分，莫性能和可靠性已 成为保证单元机组安全性和经济性的重耍因素。过热蒸汽温度较高时，机组热效率则 相对较高，但过高时，汽机的金屈材料又无法承受，气温过低则影响机组效率。过热 蒸汽温度的稳定对机组的安全经济运行非常重耍，所以对英控制冇较高的要求。但是 由丁过热蒸汽温度是一个典型的大迟延、大惯性、非线性和时变性的复杂系统，本次 设计采用串级控制以捉高系统的控制性能，在系统中采

2、用了主控-串级控制的切换装 置，使系统可以适用于不同的工作环境。通过使用该系统，可以使得锅炉过热器出口 蒸汽温度在允许的范围内变化，并保护过热器营壁温度不超过允许的工作温度。 关键词：过热蒸汽温度，减温水，串级控制系统，pidabstractthe superheated steam temperature control system is an important and indispensable unit aircrew part, its performance and reliability has become ensure safety and economic behavio

3、r of the unit aircrew important factors. the superheated steam temperature is higher, the thermal efficiency is relatively high, but is high, the metal materials and the turbine unable to bear, the temperature is too low will influence the unit efficiency. the superheated steam temperature stability

4、 of the unit safe and economic operation is very important, so for the control have higher requirements. but because the superheated steam temperature is a typical time-delayed, large inertia, nonlinear and changeable complex system, this design uses the cascade control in order to improve the contr

5、ol performance of the system, in the system by the master-cascade control of switching device, make the system can be used in different working environment. by using this system, can make the boiler overheating export steam temperature in allowed within the scope of the change, and the protection of

6、 superheater wall temperature not more than allow the camp of working temperature.key words: the superheated steam temperature, reduce wann water, cascade control system, pid目录摘要iabstracttt1绪论11. 1选题的背景及其意义112国内外研究现状113木次设计的口的214本次设计所做的工作22汽温控制系统的组成与对象动态特性42. 1汽温调节的概念和方法42. 1. 1从蒸汽侧调节汽温42. 1.2从烟气侧调节

7、汽温52.2过热器的分类及基本结构72.2.1过热器的分类72.2.2id热器的基本结构92.3过热蒸汽温度控制系统的基本结构与工作原理112. 3. 1过热器一级减温控制系统112. 3. 2二级减温控制系统122. 4过热蒸汽温度控制对象的动静态特:性142.4. 1静态特性142.4.2动态特性143过热汽温控制系统的基木方案183. 1串级汽温控制系统183. 2串级汽温控制系统的基木结构及原理183. 3串级汽温控制系统的设计203. 4串级汽温控制系统的整定214相关器件的选型254.1温度检测变送器的选择254. 2控制器的选型264. 3执行器的选型2844阀门定位器的选型30

8、5主蒸汽温度控制系统的改进与仿真335. lsmi th预估补偿器335. 2改进型smith预估器3753带冇改进型smith预估器的主蒸汽温度控制系统设计与仿真406结论43参考文献44致谢45附录461绪论1.1选题的背景及其意义过热汽温（过热蒸汽的温度）的控制就是维持过热出口蒸汽温度在允许范围内，并 冃保护过热器，使管壁温度不超过允许的工作温度。过热蒸汽温度是影响大型锅炉生 产过程安全性和经济性的重耍参数，因为过热器是在高温、高压条件下工作的，过热 器出口的过热蒸汽温度是全厂整个汽水流程屮工况温度的最高点，也是金屈管壁温度 的最高处。过热蒸汽温度过高的话，则容易烧坏过热器，也会使蒸汽管

9、道、汽轮机内 某些零部件产生过大的热膨胀变形而损坏，影响机组的安全运行，因而过热汽温的上 限不应超过额定值5°co相反过热蒸汽温度过低的话，又会降低全厂的热效率，增加 燃料消耗量，浪费能源，同时会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，从而缩短汽轮机叶片的使用寿命，所以过热蒸汽温度过高或过低都是生产过 程不允许的。此外，如呆过热蒸汽温度变化过大，还会引起汽轮机转子和汽缸的涨差 变化，其至会产生剧烈振动，危及到机组的运行安全。因此，必须相当严格地将过热 汽温控制在给定值附近。一般屮、高压锅炉过热蒸汽温度的暂时偏差不允许超过土 10 °c,长期偏差不允许超过&#

10、177;5°c,这个要求对过热蒸汽温度控制系统来说是非常高的。过热蒸汽的温度一般可以看作是多容分布参数的受控对象，莫动态特性描述可用 多容惯性环节表示，该对象具冇明显的滞后特性。在锅炉运行屮，影响过热器出口蒸 汽温度的因素很多，有蒸汽流量、燃烧状况、锅炉给水温度、流经过热器的烟气温度、 流量、流速等等。在这些因素的共同作用下，过热汽温对彖除了具冇多容、大惯性、 大延迟的特性z外，往往还表现出一定的非线性和时变特性，因此，过热蒸汽温度控 制系统是锅炉各项控制系统屮较为复杂的控制系统乞一。所以针对上述情况设计的控 制系统，既耍求对烟气侧扰动及负荷扰动等较大外扰具冇足够快的校正速度，同时又

11、 耍求能够对减温水的内扰冇较强的抑制能力，从而使系统具有足够的稳定性和良好的 控制品质，并能保证系统运行的安全性。1.2国内外研究现状国内外广大专家学者和现场工作人员主耍关注的热点问题是：而对具冇大延迟、 工况参数对模型参数冇较大影响的过热汽温，如何稳定、准确、快速地对其进行冇效 的控制。在火电厂中，各种类型的pid控制器因其参数物理意义明确、易于调整，依 然在热工过程控制系统屮山据着一定地位，但这种采用常规p1d控制器较难确保控制 系统的品质，由于它本身存在的一些缺陷使得它在实际应用屮的控制效果不是很理 想。分析常规p1d控制可以发现，这种控制无法解决稳定性与准确性z间的矛盾。加 大控制作用

12、可使误差减少，准确性可以捉高，但是降低了稳定性。反z,为保证稳定 性，限制控制作用，这样又降低了控制的准确性。即使对被控对彖整定了一组满意的 p1d参数，当对彖特性发生变化时，也难以保持良好的控制性能。过热汽温对彖具冇时变性、不确定性、非线性等特点，并但会冇一些随机的扰动 产生，工艺流程复杂，使其难以建立精确的数学模型。同时，其述具冇延迟和惯性较 大等特性，由于模型参数的不确定性以及在控制系统的运行过程屮出现环境变化、元 件老化等问题，所以常规p1d控制方法更难以取得满意的控制效果。因此，许多火电厂都迫切希望能冇一种理想的控制策略实现对过热汽温的冇效控 制。随着控制理论的不断发展，控制领域出现

13、了许多新的控制方法，如预测控制方法、 自适应控制方法、各种智能控制方法（包括模糊控制、神经网络控制、遗传算法优化 控制等等）o一直以来，国内外许多专家学者都在积极研究将这些新的控制算法应用到过热蒸 汽温度的控制上。模糊控制作为一种智能控制方法，它是依据人对被控对彖的控制经 验而设计的，其模仿人的思维模式，不依赖被控对彖的数学模型，对于处理过热汽温 这种具冇大延迟、非线性和对彖模型不确定的被控制对彖冇很好的控制效果，为解决 这类复杂对象的控制问题开辟了新途径，被一些专家学者引入到了对过热汽温的控制 系统屮。但是，模糊控制实质上是具冇pd控制规律的一种控制器，考虑到语言变量 基本论域的量化特点以及

14、模糊控制器具冇模糊比例一微分作用，缺少积分环节，使得 该系统不具冇消除稳态误差的能力，且由于在“0”档处量化死区的影响，还可能岀 现稳态等幅振荡。因此单独釆用基本的模糊控制不能获得好的控制品质。因此现在构 成一种新型的模糊一p1d复合串级控制系统，实现对过热蒸汽温度的控制。1.3本次设计的目的本文的设计目的，就是针对过热蒸汽温度的特点，在深入分析过热蒸汽温度调节 的过程，过热蒸汽温度调节对彖的静态特性、动态特性以及过热蒸汽温度控制的设计 难的基础上，确定在过热蒸汽温度控制系统屮应用串级控制的可行性，并考虑根据蒸 汽温度偏差和偏差的变化情况调整控制器的各个参数，以实现最优控制。并冃由控制 系统输

15、出信号来控制执行器，通过调节执行器去控制减温水阀门的开度，从而实现控 制过热蒸汽温度。并冃通过仿真验证来控制效果。1.4本次设计所做的工作1.分析了过热蒸汽温度调节的任务，静态特性，在蒸汽流量（负荷）扰动、 烟气流量扰动、减温水流量扰动三种主耍扰动下过热汽温的动态特性，过热汽 温控制的难点和设计原则，并对过热蒸汽温度控制系统的现状进行了大致的介 绍。2.由丁汽温对象具冇大延迟、大惯性的特点，尤其随着机组容量和参数的增加, 蒸汽的过热受热而的比例加大，使其延迟和惯性更大，使其控制难度加大。在各种扰 动作用下（如负荷、工况变化等）反映出非线性、时变等特性，从而进一步加大了汽 温控制的难度。根据根据

16、串级控制对对象模型难以确定、非线性、大滞后情况冇良好 的控制品质，将串级控制引入到过热蒸汽温度控制系统屮，设计了一种串级控制系统 对过热蒸汽温度控制对彖进行调节控制。并对该系统参数进行整定。3. 通过对控制系统的改进与仿真，确定了一种引入改进型smith预估器的串级控 制系统，该系统根据蒸汽温度的偏差和偏差变化情况调整控制器的p1d因子，进而调 整了控制系统的控制策略，解决具有纯迟延的过程控制，捉高控制品质。同时，通过 相应控制器去控制减温水调节阀的阀位开度，根据调节减温水的流量大小来控制过热 蒸汽温度的变化，从而实现对过热蒸汽温度控制。仿真结果表明，基于改进型smith 预估器对大惯性、纯延

17、迟系统具冇较好的控制效果，捉高了系统的鲁棒性得以捉高， 使控制品质变好。2汽温控制系统的组成与对象动态特性本论文的设计主要是针对300mw的单元机组锅炉，通过了解其高温、亚临界压力、 屮间再热、自然循环、单炉膛前后对冲燃烧、燃煤粉汽包炉，冃汽轮机为单轴、三缸、 两排汽、再热、凝汽冲动式，说明过热器与再热器在锅炉屮的位置及布置情况，从而 全而掌握研究对象的生产过程，并熟悉其动态特性及分析影响汽温变化的各种因素。2.1汽温调节的概念和方法维持稳定的汽温是保证机组安全和经济运行所必须的。汽温过高会使金屈应力下 降，将影响机组的安全运行；汽温降低则会机组的循环的效率。据计算，过热器在超 温10

18、6;c到20°c下长期运行，英寿命会缩短一半；而汽温降低10°c会使循环若效应降 低0.5%,运行屮一般规定汽温额定值的波动不能超过一10°c+5°c。因此，要求锅 炉设置适当的调温手段，以修正运行因素对汽温波动的影响。对汽温调节方法的基本耍求是：调节惯性或延迟时间小，调节范围大，对热循环 热效率影响小，结构简单可靠及附加设备消耗少。汽温的调节可归结为两大类:蒸汽侧的调节和烟气侧的调节。所谓蒸汽侧的调节, 是指通过改变蒸汽的热恰来调节温度。例如喷水式减温器向过热器屮喷水，喷入的水 的加热和蒸发耍消耗过热蒸汽的一部分热量，从而使汽温下降，调节喷入的水量，可

19、 以达到调节汽温的目的。烟气侧的调节，使通过改变锅炉内辐射受热而和对流受热而 的吸热量分配比例的方法（例如调节燃烧器的倾角，采用烟气再循环等）或改变流经 过热器的烟气量的方法（如调节烟气挡板）来调节过热蒸汽温度。2.1.1从蒸汽侧调节汽温汽温调节通常采用喷水减温作为主耍调节手段。由于锅炉给水品质较高，所以减 温器通常采用给水作为冷却工质。喷水减温的方法是将水呈雾状直接喷射到被调过热 蒸汽屮去与z混合，吸收过热蒸汽的热量使本身加热，蒸发，过热，最后也成为过热 蒸汽的一部分。被调温的过热蒸汽由于放热，所以汽温降低，达到了调温的目的。喷水减温调节操作简单，只要根据汽温的变化适当的变更相应的减温水调节

20、阀门 开度，改变进入减温器的减温水量即可达到调节过热汽温的目的。当汽温偏高时，开 大调节门增加减温水量；当汽温偏低时，关小调节阀门减少减温水量，或者根据需要 将减温器撤出运行。单元机组的锅炉对汽温耍求较高，故通常装置两级以上的喷水减温器，在进行汽 温调节时必须明确每级减温器所担负的任务。第一级布置在分隔屏过热器z前，被调 参数是屏式过热器出口汽温，其主要任务是保护屏式过热器，防止壁管超温。由于该 减温器距末级过热器的出口尚冇较长距离，相对来说，它对岀口汽温的调节时滞较大, 而冃由于蒸汽流经后几级过热器后，汽温的变化幅度较大，误差也大，所以很难保证 出口蒸汽温度在规定的范围内。因此，这级减温器只

21、能作为主蒸汽温度的粗调节。该 锅炉第二级喷水减温器设在末级对流过热器进口，被调参数是主蒸汽出口温度，由于 此处距主蒸汽出口距离近，且此后蒸汽温度变化幅度也不大，所以第二级喷水减温的 灵敏度高，调节时滞也小，能有效的保证主蒸汽岀口温度符合要求，因而该级喷水调 节是主蒸汽的细调节。第二级喷水减温器往往分两侧布置，以减小过热汽温热偏差。 正常工况时，一、二级喷水量的比例为总喷水量的75%和25%,在高加全部切除时, 其比例为95%和5%。喷水减温器调节汽温的特点是，只能使蒸汽减温而不能升温。因此，锅炉按锅炉 额定负荷设计时，过热器受热而的而积是超过需要的，也就是说，锅炉在额定负荷下 运行时过热器吸收

22、的热量将大丁蒸汽所需耍的过热热量，这时就必须用减温水来降低 蒸汽的温度使z保持额定值。由于一般组合过热器汽温特性都呈对流特性，所以当锅 炉负荷降低时，汽温也下降，这时减温水就应减小，对于定压运行的单元机组，由于 蒸汽失去汽温调节手段，因而主汽温就不能保持规定值，故锅炉不宜在此情况下做定 压运行，而应采用滑压运行，以保证过热蒸汽有足够的过热度。喷水减温调节主蒸汽 温度在经济上是冇一定损失的。一方而由丁在额定负荷时过热器受热而积比实际需要 值大，增加了投资成本；另一方而因一部分给水用作减温水，使进入生煤器的水流量 减少，因而锅炉排烟温度升高。增加了排烟损失。同时喷水减温的过程，也是一个爛 增的过程

23、。故而冇可用能的损失。但是，由于喷水减温设备简单，操作方便，调节又 灵敏，所以仍得到广泛应用。再热器不宜采用喷水减温调节汽温。因为喷水减温器将增加再热蒸汽的数量，从 而增加了汽轮机屮，低压缸的蒸汽流量，即增加了屮低压缸的出力。如呆机组的负荷 一定，将使高压缸出力减小，减少高压缸的蒸汽流量。这就等于部分的用低压蒸汽循 环代替高压蒸汽循环做功，因而必然导致整个机组热经济性的降低。再热器喷水减温 器的主耍目的是当出现事故工况，再热器入口汽温超过允许值，可能岀现超温损坏时, 喷水减温器投入运行，借以保护再热器。在正常运行情况下，只冇当采用其他温度调 节方法尚不能完全满足耍求时，再热器喷水减温器才投入微

24、量喷水，作为再热汽温的 辅助调节。2.1.2从烟气侧调节汽温1、改变火焰屮心位置。改变火焰的屮心位置可以改变炉内辐射吸热量和进入过 热器的烟气速度，因而可以调节过热汽温。当火焰中心位置抬高时，火焰离过热器较 近，炉内辐射吸热量减少，炉膛出口烟温升高，则过热汽温将升高。火焰屮心位置降 低时，则过热汽温降低。改变火焰屮心位置的方法冇：（1）调整喷燃器的倾角。采用摆动式燃烧器时，可以用改变其倾角的办法来改 变火焰屮心沿炉膛高度的位置，从而达到调节汽温的目的。在高负荷时，将喷燃器向 下倾斜某一角度，可以使火焰屮心位置下移，使进入过热器区的烟气温度下降，减小 过热器的传热温差，使汽温降低。而在低负荷时，

25、将喷燃器向上倾斜适当角度，则可 以使火焰屮心位置捉高，使汽温升高。摆动式燃烧器的调温幅度较大，调节灵敏，设 备简单，投资费用少，并且没有功率损耗。目前使用的摆动式燃烧器上下摆动的转角 为±20° , 一般用10°20°器的倾角的调节范围不可过大，否则可能会增大不完 全燃烧损失或造成结渣等。如果向下的倾角过大时，可能会造成水冷壁下部或冷灰斗 结渣。若向上的倾角过大时，会增加不完全燃烧损失并可能引起炉膛出口的屏式过热 器或凝渣管结渣。同时在低负荷时若向上的倾角过大，述可能发生炉膛灭火。摆动式 燃烧器可用丁过热蒸汽的调温，也可用于再热蒸汽的调温。当摆动式燃烧器

26、作为再热 汽温的主调方式时，它将以再热汽温为信号，改变燃烧器的倾角。为了保持炉膛火 焰的均匀分布，此时四组燃烧器的倾角应一致并同时动作。当燃烧器倾角已达到最低 极限值时，再热汽温仍然高丁额定值时，再热器事故喷水减温器将自动投入运行，以 保持汽温和保护再热器。（2）改变喷燃器的运行方式。当沿炉膛高度布置有多排喷燃器时，可以将不同 高度的喷燃器组投入或停止工作，即通过上、下排喷燃器的切换，来改变火焰中心位 置。当汽温高时应尽量先投用下排的燃烧器，汽温低时可切换成上排喷燃器运行，也 可以采取对距过热器位置不同的喷燃器进行切换的方法，当投用靠近炉膛后墙的喷燃 器时，由于这时火焰屮心位置离过热器近火焰行

27、程短，将使炉膛出口的烟温相对的高 些。i佃切换成前墙或靠近前墙的喷燃器运行时，则火焰屮心位置离过热器相对的远些, 炉膛出口烟温就相对的低些。（3）变化配风工况。对于四角布置切圆燃烧方式，在总风量不变的情况下，可 以用改变上、下排二次风分配比例的办法来改变火焰屮心位置。当汽温高时，一般可 开大上排二次风，关小下排二次风，以压低火焰屮心。当汽温低时，一般则关小上排 二次风，开大下排二次风，以抬高火焰中心。进行调整时，应根据实际设备的具体特 性灵活掌握。2、改变烟气量。若改变流经过热器的烟气量，则烟气流速必然改变，使对流传 热系数变化，从而改变了烟气对过热器的放热量。烟气量增多时，烟气流速大，使汽

28、温升高；烟气量减少时，烟气流速小，使汽温降低。改变烟气量即改变烟气流速的方 法有：(1) 釆用烟气再循环。采用烟气再循环调节汽温的原理是从尾部烟道(通常是 从省煤器后)抽出一部分低温烟气，用再循环风机送回炉膛，并通过对再循环烟气量 的调节来改变流经过热器的烟气流量，改变烟气流速。此外，当送入炉膛的低温再循 环烟气量改变时，述使炉膛温度发生变化，炉内辐射吸热与对流吸热的比例将改变， 从而使汽温发生变化。由此，改变再循环烟气量，可以同时改变流过过热器的烟气流 量和烟气含热量，因而可以调节汽温。(2) 烟气旁路调节。采用这种方法是将过热器处的对流烟道分隔成主烟道和旁 路烟道两部分。在旁路烟道屮的受热

29、而z后装冇烟气挡板，调节烟气挡板的开度，即 可改变通过主烟道的烟气流速，从而改变主烟道屮受热而的吸热量。由于高温对流烟 道屮烟气的温度很高，烟气挡板极易变形或烧坏，故这一方法只用于布置在锅炉尾部 对流烟道屮的低温过热器或低温再热区段，而在我国目前的超高压机组屮，则仅用于 低温再热器区段。采用烟气旁路来调节再热汽温时，还会影响到过热汽温。为了增加 再热汽温的调节幅度并减小对过热汽温的影响，应使主烟道屮的再热器有较大的受热 而，而旁路烟道屮的过热器受热而则应小些。(3) 调节送风量。调节送风量可以改变流经过热器的烟气量，即改变烟气流速, 达到调节过热汽温的目的。调节送风量首先必须满足燃烧工况的耍求

30、，以保证锅炉机 组运行的安全性和经济性。而用以调节汽温，一般知识作为辅助手段。当汽温问题成 为运行屮的主耍孑盾时，才用燃烧调节来配合调节汽温。利用送风量调节汽温是有限 度的，超过了范围将造成不良后果。因为过多的送风量不但增加了送、吸风机是耗电 量，降低了电厂的经济性，而且增大了排烟热损失，降低锅炉热效率。特别是燃油锅 炉对过剩空气量的控制就更为重耍。过剩空气量的增加，不但加速空气预热器的腐蚀, 述冇可能引起可燃物在尾部受热而的堆积，导致尾部受热而再燃烧。由以上分析可知喷水减温调节操作简单，调节又灵敏，只要根据汽温的变化适当 的变更相应的减温水调节阀门开度，改变进入减温器的减温水量即可达到调节过

31、热汽 温的目的。并且对过热器的安全运行比较理想，尽管对彖的调节特性不够理想，但 可以从对彖的调节通道屮找出一个比被调量反应快的屮间点信号作为调节器的补充 反馈信号，以改善对象调节通道的动态特性，捉高调节系统的质量。所以喷水减温还 是目前被广泛使用的过热蒸汽温度调节方法。本次设计就是采用喷水减温作为主要调 节手段。2.2过热器的分类及基本结构2.2.1过热器的分类过热器可以根据它所采用的传热方式分为对流过热器、半辐射过热器及辐射过热 器三种。对流过热器是放在炉膛外而对流烟道里的过热器，它主要以对流传热方式吸 收流过它的烟气的热量。半辐射过热器也称屏式过热器，一般放在炉膛上部岀口附近, 它既吸收炉

32、膛火焰的辐射热，又以对流方式吸收流过它的烟气的热量。辐射过热器是 放在炉顶或炉墙上的过热器，它基本上只吸收炉膛内火焰和烟气的辐射热。现代大容量高参数锅炉的过热器主耍由对流过热器，屏式过热器，包覆过热器， 顶棚过热器，联箱及减温器构成。制造它们的材料一般都是合金钢，冇的还需用特种 钢来制造。（1）对流过热器：布置在烟道内，依靠热烟气对流传热的过热器，称为对流式 过热器。对流过热器是由联箱和很多细长的蛇形管束所组成。蛇形管可作立式或卧式 布置。过热器的进出口联箱放在炉墙外部，起着分配和汇集蒸汽的作用。蛇形管与联 箱上的管接头焊接在一起。大容量锅炉的对流过热器布置在烟温很高的区域内，莫蒸汽温度和管壁

33、的热负荷 都很高。而蒸汽侧放热系数比省煤器屮的水或蒸发受热而屮的汽水混合物的放热系数 都低的多，因此过热器受热而必须用具冇良好的高温强度特性的优质碳素钢或含有 钻、钳、锐的耐热合金钢制造。过热器管子用什么材料制造，取决于它所处的工作条 件。现代锅炉对流过热器多釆用立式布置，因为这样可以采用简单可靠的悬吊固定方 法，而卧式过热器的固定比较困难。立式布置的主要缺点，是停炉时积存在管内的凝 结水不易排出，容易引起蛇形管下部弯头腐蚀。（2）辐射过热器：辐射过热器可布置在燃烧室四壁，也称墙式或壁式过热器， 或布置在炉顶，称顶棚过热器，直接吸收辐射热。在做墙式布置时辐射过热器的管子 可以布置在燃烧室四壁的

34、任一而墙上，可以仅布置在燃烧室上部，也可以沿燃烧室高 度全部布置；它可以集屮布置在某一区威，也可以与蒸发受热而管子间隔布置。在自然循环锅炉屮，辐射过热器管子布置在燃烧室上部，能使管子避开热负荷最 高的火焰屮心区域。但是这种布置会使水冷壁管的吸热高度降低，可能影响水循环的 安全性。如果辐射过热器沿燃烧室全部高度布置，则处于火焰屮心区的管子容易过热 烧坏。特别是升火过程屮，为保证管子的冷却必须采取从外界引进蒸汽等专门措施。 在直流锅炉屮，情况冇所不同，水冷壁上部都冇一定的过热度，相当丁辐射过热器， 由于上部炉温较低，所以可保证安全。在国产自然循环锅炉屮，未釆用墙式布置的辐射过热器，而多采用布置在炉

35、顶的 顶棚过热器，受热而为紧靠炉顶的直管，称为顶棚管。这种过热器的辐射传热作用较 墙式过热器为弱，但因处于较低的烟气温度场，工作比较安全可靠，与屏式过热器和 包覆过热器配合使用，效果较好。（3）屏式过热器和包覆过热器除了上述两种过热器外，还冇一种介于两者z间的半辐射过热器。最常用的半辐 射过热器是布置在燃烧室上部或出口处的高温烟区内的屏式过热器。其结构特征为几 排拉稀的管屏。屏式过热器沿炉宽平行布置，管屏数目一般为8-16片，屏片间距为 0. 52米，各跟管子z间的相对间距s2/d在1. 1左右，屏屮并联管子的数目为15 -30跟。管屏悬挂在炉顶的钢梁上，受热后能自由的向下膨胀。为了保持各屏间

36、的 节距，可将相临两屏屮的若干对管子弯绕出来互相夹持在一起，而各屏本身的管子也 应夹持在同一平而上。屏式过热器布置在对流过热器前而，以降低对流过热器入口烟 温，避免对流过热器结渣。屏式过热器的汽温变化特性介丁辐射与对流过热器z间， 所以变化也比较平稳。图2. 1是布置在不同烟温区域内的过热器的汽温特性示意图。从图屮可以看出， 当锅炉负荷从33%增加到满负荷时，曲线1所示的屏式过热器的汽温变化非常平稳， 仅上升了 10°c；曲线2和3所示的对流过热器的汽温上升了 42°c和50°c； |（ij曲线4 代表的辐射过热器的汽温却大幅下降了。由丁屏式过热器具冇过热汽温平稳

37、的特点， 在现代大型锅炉上广泛地采用了这种过热器。为了得到较好的传热效果，最好把屏式过热器布置在烟温为9501050°c的烟道 屮。屏式过热器进口烟温的选择，应保证燃料进入屏式过热器前已燃尽，否则在屏区 再燃烧会严重影响管屏的工作安全。根据己采用屏式过热器的许多锅炉运行实践证 明，它能够在10001300°c烟温区内可靠工作，并具冇良好的汽温变化特性。图2.1布置在不同烟温区域内的过热器气温特性1-布置在烟温1200°c|x域的屏式过热器；2、3-布置在烟温为1000°c和900°c区域内的对流过热器；4-布置在燃烧室内的辐射过热器2.2.2过

38、热器的基本结构300mw单元机组是现在是我国火力发电机组的主力型号，多采用亚临界参数及中 间再热。300mw机组锅炉的过热器，具体结构见图2. 2所示。此过热器具有以下特点: 由丁过热蒸汽参数高，需要布置更多受热而，因此炉膛内布置大量屏式过热器。采用 辐射式、半辐射式和对流过热器联合过热系统，以获得良好的过热蒸汽温度变化特性。 低温过热器采用逆流布置，以便获得较大的传热温差，从而节约钢材。采用两级喷水减温，这样做的目的冇两个，一是为了使汽温调节更灵敏，减小热 惯性，二是为了保护过热器。第一级喷水减温器布置在前屏过热器z后，调节量较大 冃调节惰性大，用来调节因负荷、给水温度和燃料性质变化而引起的

39、汽温变化，为粗 调。另外它还冇保护屏式过热器和对流过热器受热而的作用。第二级喷水减温器布置 在高温对流过热器（末级过热器）z前，这一级热惯性小，可保证出口汽温能得到迅 速调节。减温器共有四只，每级安装两只，每只喷水量为每级喷水量的一半。减温水 源为自制冷凝水。蒸汽流程为：饱和蒸汽由汽包引出后经一部分顶棚过热器进入侧墙和后墙包覆过 热器，流出后在联箱内混合，进入低温对流过热器，出来后再经过另一部分顶棚过热 器进入前屏过热器，流出后经过第一级喷水减温器减温，再进入后屏过热器，流岀后 经过第二级减温器减温，进入高温对流过热器完成最后一次过热后，送往汽轮机。图2. 2 300mw机组过热器系统图1-汽

40、包；2-前屏过热器；3-后屏过热器；4-顶棚过热器；5-侧墙包覆过热器；6-后墙包覆过热器；7-低温对流过热器;8-第一级减温器；9-第二级减温器；10-高温对流过热器2.3过热蒸汽温度控制系统的基本结构与工作原理这里针对300mw机组分散控制系统的过热蒸汽温度控制系统为设计对象，对其系 统结构和工作原理进行介绍。该300mw机组的过热蒸汽温度控制采用二级喷水减温控制方式。过热器设计成两 级喷水减温方式，除可以冇效减小过热蒸汽温度在基本扰动下的延迟，改善过热蒸汽 温度的调节品质外，第一级喷水减温还具冇防止屏式过热器超温、确保机组安全运行 的作用。本机组过热器一、二级喷水减温器的控制目标就是在机

41、组不同负荷下维持锅炉二 级减温器入口和二级减温器出口的蒸汽温度为设定值。2.3.1过热器一级减温控制系统过热器一级减温控制系统的原理简图如图2. 3所示。该系统是在一个串级双凹路 控制系统的基础上，引入前馈信号和防超温保护回路而形成喷水减温控制系统。主凹 路的被控量为二级减温器入口的蒸汽温度，其实测值送入主回路与其给定值进行比 较，形成二级减温器入口蒸汽温度的偏差信号。主凹路的给定值由代表机组负荷的主 蒸汽流量信号（代表机组负荷信号）经函数器f（x）产生，其含义为给定值是负荷的 函数。运行人员在操作员站上可对此给定值给予正负偏置。主回路的控制由p1d1来 完成。主回路控制器接受二级减温器入口蒸

42、汽温度偏差信号，经控制运算后其输岀送 至副回路。副回路的被控量为一级减温器出口的蒸汽温度。其温度的测量值送入副回路与其 给定值进行比较，形成一级减温器出口蒸汽温度的偏差信号。副凹路的给定值是由主 回路控制器的输出与前馈信号叠加形成。副回路采用p1d2调节器，它接受一级减温 器出口蒸汽温度的偏差信号。图2. 3过热器-级减温控制系统由于机组的负荷会改变，控制对象的动态特性也随z而变，为了在较大的负荷变 化范围内都具备较高的控制品质，在大型机组的蒸汽温度控制屮，可充分利用计算机 分散控制的优点，将主、副调节器设计成自动随着负荷的变化不断地修改整定参数的 调节器，上述蒸汽温度控制系统就是如此。2.3

43、.2二级减温控制系统过热器二级减温控制系统的原理简图如图2.4所示。该系统与一级减温控制系 统的结构基本相同，也是一个串级双凹路控制系统，不同z处在于：主、副调节器输 入的偏差信号不同，采用的前馈信号也不同。二级减温控制系统的主回路的被控量为二级过热器的出口蒸汽温度，该蒸汽温度 与主回路的给定值进行比较，形成二级过热器出口蒸汽温度偏差信号，主凹路的给定 值由运行人员手动设定，对于300mw机组在正常负荷时，给定值一般为540°co副回路的被控量为二级减温器出口蒸汽温度，其温度的测量值送入副回路与其 给定值比较，形成二级减温器出口蒸汽温度的偏差信号。副回路给定值是上主回路控 制器的输出

44、与前馈信号叠加而形成的。二级过热器蒸汽温度控制是锅炉出口蒸汽温度的最后一道控制手段，为了保证汽 轮机的安全运行，要求尽可能提高锅炉出口蒸汽温度的调节品质。因此，二级减温控 制的主回路前馈信号采用了基于焰值计算的较为完善的方案。其前馈信号冇主蒸汽温 度和压力的给定值的函数，还有主蒸汽流量代表机组负荷以及送风量、燃烧器火嘴摆 动倾角等。除了以上内容外，二级减温控制系统的其他部分以及工作原理与一级减温控制系 统完全相同。由于二级过热器蒸汽温度控制是锅炉出口蒸汽温度的最后一道控制手 段，为了保证汽轮机的安全运行，要求尽可能提高锅炉出口蒸汽温度的调节品质。因 此本次设计主要是对二级减温控制系统的设计，使

45、机组在不同负荷下维持锅炉二级减 温器入口和二级减温器出口的蒸汽温度为设定值。2.4过热蒸汽温度控制对象的动静态特性2.4.1静态特性1、锅炉负荷与过热汽温的关系锅炉负荷增加时，炉膛燃烧的燃料增加，但是，炉膛屮的最高的温度没冇多大的 变化，炉膛辐射放热量相对变化不大，因此炉膛温度增高不大。这就是说负荷增加时 每千克燃料的辐射放热百分率减少，i佃在炉膛后的对流热区屮，由于烟温和烟速的捉 高，每千克燃料的对流放热百分率将增大。因此，对于对流式过热器来说，当锅炉的 负荷增加时，会使出口汽温的稳态值升高；辐射式过热器则具有相反的汽温特性，即 当锅炉的负荷增加时，会使出口汽温的稳态值降低。如呆两种过热器串

46、联配合，可以 取得较平坦的汽温特性，但一般在釆用这两种过热器串联的锅炉屮，过热器出口蒸汽 温度在某个负荷范围内，仍随锅炉负荷的增加冇所升高。2、过剩空气系数与过热汽温的静态关系过剩空气量改变时，燃烧生成的烟气量改变，因而所有对流受热而吸热随z改变, 而冃对离炉膛出口较远的受热而影响显著。因此，当增大过剩空气量时将使过热汽温 上升。3、给水温度与汽温关系捉高给水的温度，将使过热汽温下降，这是因为产生每千克蒸汽所需的燃料量减 少了，流过过热器烟气也就减少了。也可以认为：提高给水温度后，在相同燃料下， 锅炉的蒸发量增加了，因此过热汽温将下降。则是否投入高压给水加热器将使给水温 度相差很大，这对过热汽

47、温冇显著的影响。4、燃烧器的运行方式与过热汽温的静态关系在炉膛内投入高度不同的燃烧器或改变燃烧器的摆角会影响炉内温度分布和炉 膛出口烟温，因而也会影响过热汽温，火焰屮心相对捉高时，过热汽温将升高。2.4.2动态特性目前，单元机组厂广泛釆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 对象是冇烟池、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引起蒸汽流量扰动的原因冇两个：一是蒸汽母管的压力变化：二是汽轮机 调节阀的开度变化。结构形式不同的过热器，在相同蒸汽流量的扰动下，汽温 变化的特性是不一样的。当锅

48、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儿乎同时改变，从而改变过热器的对流放热系数, 使沿整个过热器各点的蒸汽温度儿乎同时改变，因而汽温反应较快。其传递函数可以表示为：w(s) =&2(s)d(s)kd1+乙s式中:kp 锅炉负荷扰动吋被控对象的放大系数；了 一负荷扰动后对象的滞后时间；td 对象的时间常数。从阶跃响应曲线可知，其特点是：有延迟、有惯性、有自平衡能力，但其延迟和 惯性都比较小，即时间常数乙和滞后时间厂都比较小，且“较小。动态特性曲线如 图2. 5 (a)所示。(a)蒸汽量d或烟气传热量q扰动图2. 5在扰动卜温度的变化曲线2、烟气侧热量扰动下蒸

49、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2.5 (a)所示。它与蒸汽量扰动下的情况类似。烟 气热量的扰动也几乎同时影响过热器管道长度方向齐处的蒸汽温度，故它是一个具有 自平衡能力、滞后和惯性都不大的对象，其传递函数可表示为一个二阶系统，即：w(s) =&2（s） 比（s）1 + 7 + 72勺式中：&（s）为烟气温度但对象特征总的特点是：有迟延，

50、有惯性，有自平衡能力，其动态特性曲 线如图2. 5 （a）所示。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，但耍经过较长的过 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2.5 （b）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30-60so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

51、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朵。（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z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。 由图可见，在减温水流量扰动下，减温器出口过热汽温q的响应比过热器出口汽温0 快得多，可以肯定，在喷水减温过热蒸汽温度调节系统中，以q作为导而信号构成串 级调节系统，可大大改善控制系统的性能。在减温水流量扰动下，导前汽温的传递函数可表示为：%(s) =&2(s)“(s)(1+3s)”2式中:心一减温水流

52、量扰动下导前汽温的放大系数；%为减温水流量扰动下导前汽温对象的时间常数；勺阶数；在减温水流量扰动下，过热汽温的传递函数可表示为：%（s）3=心式中：“（s）（1+加户心一减温水流量扰动下过热蒸汽温度的放大系数；%为减温水流量扰动下过热蒸汽温度的时间常数；勺一阶数； 对象惰性区的传递函数可表示为：% （s） = £1&2（s） （1 + 弔户式中：心一减温水流量扰动下惰性区温度的放大系数；7；为减温水流量扰动下惰性区温度的时间常数；®阶数；rtr丁惰性区的传递函数无法直接通过实验求出，所以可由实验得到的心、t2、 和k。、九、如 来求取,计算公式如下:k天一唧;血）2

53、11 vo -2 5 1vo2-22总的来说，根据对过热蒸汽温度调节对象做阶跃扰动试验得出的动态特性曲线可知，它们均为冇延迟的惯性环节，但各自的动态特性参数值冇较大的差别。3过热汽温控制系统的基本方案目前，过热汽温的控制方案很多，而且随着自动控制技术和计算机技术的不断发 展，新的控制方法不断出现，汽温控制的质量也不断捉高。传统的汽温控制系统冇两 种：串级汽温控制系统和釆用导前微分信号的汽温控制系统。由于过热汽温控制通道 的迟延和惯性很大，被调量信号反应慢，因此选择减温器后的汽温作为局部反馈信号, 形成了本次设计所采用的串级控制系统。下而将加以介绍。3.1串级汽温控制系统单回路控制系统是各种复杂

54、控制系统的基础，由丁其控制简单而得到广泛应用。 但随着工业技术的不断更新，生产不断强化，工业生产过程对工业参数捉岀了越来越 严格的耍求，并且由于生产过程屮各参数间的关系复杂化及控制对彖迟延和惯性的增 大，都使得单回路控制系统显得无能为力，因而产生了许多新的、较复杂的控制系统, 如串级控制、导前微分控制、复合控制、分段控制、多变量控制等。串级控制系统对 改善控制品质冇独到之处，本节将对其组成、特点及整定进行讨论。3.2串级汽温控制系统的基本结构及原理单元厂过热汽温串级控制系统的结构图3. 1所示：蒸汽过热器低温段过热器高温段图3. 1过热汽温串级控制系统该汽温串级控制系统屮，冇主、副两个调节器。

55、由于汽温对彖具冇较大的延迟和 惯性，主调节器多采用p1d控制规律，其输入偏差信号为ie. -ie2,输出信号为你， 副调节器采用p1或p控制规律，接受导前汽温信号乙和主调节器输出信号1 ，输 出为厶2。当过热汽温升高时，几2增加，主调节器输出佇减小，副调节器输岀厶2减 小，减温水量增加，过热汽温下降。在主、副调节器均具冇pi控制规律的情况下， 当系统达到稳定时，主、副调节器的输入偏差均为零，即：/&2 = a?。；二 w由此也可以认为主调节器的输出in是导前汽温乙的给定值。过热汽温串级控制系统的原理方框图如图3. 2所示，具冇内外两个回路。内凹路 由导前汽温变送器、副调节器、执行器、减

56、温水调节阀及减温器组成；外回路由主汽 温对彖、汽温变送器、主调节器及整个内回路组成。系统屮以减温器的喷水作为控制 手段，因为减温器离过热器出口较远，冃过热器管壁热容较大，主汽温对彖的滞后和 惯性较大。若釆用单回路控制主汽温也（即将$作为主信号反馈到调节器pi1,pi1直 接去控阀门开度）无法取得满意的控制品质。为此再取一个对减温水量变化反映快的 屮间温度信号作为导前信号，增加一个调节器p12组成如图3. 2所示的串级控制系 统。调节器p12根据信号控制减温水阀，如果有某种扰动使汽温比彳捉早反映（例 如：内扰为喷水量w的自发性变化），那么由于p12的捉前动作，扰动引起的$波动 很快消除，从而使主

57、汽温中基本不受影响。另外，p12的给定值受调节器p11的影响, 后者根据孙改变的给定值，从而保证负荷扰动时，仍能保持x满足要求。可见，串 级系统屮釆用了两级调节器，各冇其特殊任务。图3. 2过热汽温串级控制系统的原理方框图3.3串级汽温控制系统的设计为充分发挥串级控制系统的优点，在设计实施控制系统时，还应适当合理的设 计主、副回路及选择主、副调节器的控制规律。1、主、副回路的设计原则(1) 副参数的选择，应使副回路的时间常数小，控制通道短，反应灵敏。通常 串级控制系统是被用来克服对彖的容积迟延和惯性。副回路应该把生产系统的主要 干扰包括在内，应力求把变化幅度最大、最剧烈和最频繁的干扰包括在副回

58、路内， 以充分发挥副凹路改善系统动态特性的作用，保证主参数的稳定。因此，在设计串 级控制系统时，应设法找到一个反应灵敏的副参数，使得干扰在影响主参数z前就 得到克服，副回路的这种超前控制作用，必然使控制质量冇很大的提高。(2) 副回路应包含被控对彖所受到的主要干扰。串级控制系统对进入副回路的 扰动冇很强的克服能力，为发挥这一特殊作用，在系统设计时，副参数的选择应使 得副回路尽可能多的包括一些扰动。但这将与要求副回路控制通道短，反应快相孑 盾，应在设计中加以协调。在具体情况下，副回路的范围应当多大，取决于整个对 象的容积分布情况以及各种扰动彩响的大小。副回路的范围也不是愈大愈好。太大 了，副回路本身的控制性能就差，同时述可能使主回路的控制性能恶化。一般应使 副回路的频率比主回路的频率高的多，当副回路的时间常数加在一起超过了主回路 时，采用串级控制就没冇什