【《火电厂中锅炉的结构与主蒸汽温度特性分析概述》6600字】

PAGE59火电厂中锅炉的结构与主蒸汽温度特性分析概述目录TOC\o"1-3"\h\u6345火电厂中锅炉的结构与主蒸汽温度特性分析概述 1284341.1锅炉中结构介绍 124011.2锅炉中的温度控制系统 2322291.1.1温度控制流程 2177141.1.2过热器简介 3294861.3锅炉主蒸汽的简述 5179871.4主蒸汽的扰动特性 6153211.5主蒸汽温度的常见结构 9155581.5.1主蒸汽温度单回路的控制结构 9190441.5.2主蒸汽温度串级控制结构 1041081.5.3主蒸汽导前温度微分信号的双回路控制结构 12216251.5.4两种控制方案的优劣势 14锅炉是火电生产的核心设备，其中锅炉中的主蒸汽温度更是影响汽轮机做功的重要因素。锅炉的主要作用就是将燃料燃烧产生的热量用以加热工质水，进而产生符合规格的蒸汽，进而推动汽轮机做功进行电能的生产。锅炉一般由燃料系统，烟风系统和汽水系统三部分组成，各系统内有监测装置，过热器，再热器等等，用以对蒸汽的生产加以监测和控制，共同组成了完成的锅炉系统。本章主要介绍主蒸汽的温度特性，用以对主蒸汽的特性加深了解，从而为后续数学模型的建立奠定一定的基础。1.1锅炉中结构介绍锅炉的结构如图1.1所示。图1.1锅炉的主要结构从图中可以看出，锅炉中主要包括以下几部分：1）给水泵：用以供给锅炉系统工质水；2）省煤器：燃料燃烧供热；3）汽包：用以气态水和液态水的分离；4）下降管：液态水下降进行加热；5）过热器：用以加热蒸汽温度，是主蒸汽温度控制主要控制装置；6）汽轮机高压缸：高压主蒸汽推动汽轮机做功装置；7）再热器：用以将高压缸气体进行再加热循环利用的装置；8）汽轮机中、低压缸：中、低压主蒸汽推动汽轮机做功装置；1.2锅炉中的温度控制系统1.1.1温度控制流程锅炉中的温度控制系统主要组成部分如图1.2所示。主要由一级过热器，减温器一，屏式过热器，减温器二，二级过热器以及两个喷水减温装置组成。在图1.2中，T1与T2分别表示减温器一与减温器二出口的主蒸汽温度，W1与W2分别表示减温器一与减温器二中的减温水量，T0表示经过温度控制系统后进入汽轮机组的蒸汽温度。图1.2主蒸汽的温度控制系统在整个主蒸汽温度控制系统中，可以将主蒸汽的温度控制分为导前区和惰性区。导前区表示减温水到减温器出口部分，惰性区表示减温器出口到过热器出口部分。根据图1.2可以看出，在主蒸汽控制的两个控制段中均包含了各自的导前区和惰性区，其动态特性可以用公式1.1进行表示。(1.1)公式1.1中，n1、n2为惯性阶数，其中W02表示导前区数学模型，W01表示惰性区的数学模型。1.1.2过热器简介过热器用于将附连蒸发器中产生的饱和蒸汽的温度提高到饱和温度以上所需的过热程度。再热器的相似之处在于它们提高了进入蒸汽的温度，但蒸汽源通常是高压汽轮机排气。余热蒸汽发生器（heatrecoverysteamgenerator，HRSG）的过热器和再热器部分都增加了蒸汽的显热。蒸汽可以在余热锅炉内产生，也可以从其他来源产生，图1.3给出了过热器的工作流程。图1.3过热器中主蒸汽的流程在蒸汽的生产过程中必须包括过热器受热面、管道、阀门和阀内件的压力损失，以便在所需的温度和压力条件下将蒸汽输送到供给点和/或接收装置或过程。蒸汽可用作转动汽轮机和/或向过程提供热量或从过程中提取热量的动力液。后者的一个例子是，在蒸汽/水冷却燃气轮机联合循环中，使用蒸汽从燃气轮机的某些冷却系统中排出热量。在给定的余热锅炉内，蒸汽通常在多个压力水平下产生。每个压力等级可以有除发电之外的特定用途，和/或用于在适当的阶段与汽轮机混合。蒸汽需要在几乎无限的压力和温度组合下，从饱和到高度过热，取决于具体的蒸汽消耗量。即使是饱和蒸汽过程，通常也需要添加少量过热，以克服余热锅炉和用户之间管道中的热量和压力损失。过热器是用来将蒸汽的温度提高到饱和温度以上的。蒸汽通常通过饱和蒸汽管道从蒸发器/汽包出口进入过热器入口集箱，干的和饱和的进入过热器。从那里，热量从涡轮废气吸收到受热面，然后进入蒸汽，蒸汽温度升高。同时，流经加热面、集箱和互连管道的蒸汽也会失去压力。受热面设计用于在供应终点范围内或蒸汽消费者处提供所需的蒸汽压力/温度条件。一般情况下，随着过热器压力损失的增加，蒸发器中的饱和压力增加，蒸汽流量减小，因此在保持管子强冷却的同时，压力损失应最小。过热器可分为对流式过热器、辐射式过热器和半辐射式过热器三种基本类型，这主要取决于它们的传热方式。（1）对流式过热器对流过热器的特点是烟气温度越低，辐射通量越小，对流换热份额越大，不到一半的传热来自辐射。（2）辐射式过热器能够吸收炉膛的辐射热，一般布置在炉顶或墙壁，是独立的辐射受热面，热辐射的性能较号，可以节省壁面的金属面积，缺点也有，工作条件差，温度过高可能会损坏。（3）半辐射式过热器半辐射式过热器的热辐射高，但由于结构尺寸和受热条件的差别，有可能导致管壁温度相差较大，除了要采取相应的安全措施外，还应将蒸汽流速和烟气流速控制在合适的范围内。 过热器还有一些其他的类型分类，如炉顶、蒸汽包覆壁过热器、分隔屏、后屏、末级高温、低温过热器等等，各过热器有各自的特点，此处不再一一赘述。各过热在在锅炉中都有一定的位置分布，如图1.4所示。图1.4各过热器在锅炉中的相对位置以上分布的过热器，炉顶和包覆壁先对主蒸汽进行第一级加热，然后分隔屏过热器加热，然后，后屏过热器再发挥作用，高温过热器再加热。省煤器和再热器以及低温过热器是最后对主蒸汽进行再加热的装置。总的来讲，过热器的合理分布能够有效提高主蒸汽的加热效率与控制效果，在对主蒸汽的温度控制中大有益处。1.3锅炉主蒸汽的简述锅炉中各结构如图1.5所示。该结构为典型的锅炉主蒸汽温度控制系统，由过热器及喷水减温装置组成，共同完成主蒸汽的温度控制。在锅炉中主蒸汽温度作为十分重要的控制指标，它对火电生产有着关键的作用，所以在工程中要求主蒸汽温度必须严格控制在合理的范围内，超过上限或越过下限均会严重影响电能的生产效率或品质，带来经济损失和安全隐患。图1.5锅炉主蒸汽温度控制系统受热管管材的材料影响，如果温度过高的蒸汽经过热管时有可能会加剧热管受热面的老化与蠕变，进而对热管的使用寿命带来一定的影响。如果热管受热面的温度长时间过高，还有可能会引起热管的爆炸，严重威胁生产的安全，也会造成汽轮机高压缸、低压缸等损坏。同时，如果主蒸汽的温度过低，由我们学过的知识可知，蒸汽的温度会影响气体分子的活跃程度，温度过低则会严重影响蒸汽的性能，从而无法为汽轮机提供良好的动力来源，影响电能的生产效率，一般而言温度每降低5摄氏度到10摄氏度，汽轮机的循环效率大概会降低1%。同时温度过低还有可能造成蒸汽在汽轮机中冷凝成水滴，从而导致汽轮机的叶轮在运动过程中产生过多的摩擦，影响汽轮机的使用寿命，加剧维修成本。此外，如果蒸汽的品质控制的不好，温度的来回变换范围过大，过快，也会造成锅炉中过热器的频繁使用，影响过热器的使用年限，乃至造成危险事故的发生。图1.6主蒸汽的生产流程图火电厂的主蒸汽详细生产流程如图1.6所示。从其中可以总结出影响主蒸汽温度的主要特点有以下几点：1）从图1.6可以看出，主蒸汽温度是一个长时间的过程，具有大惯性，大延迟的特点。发生扰动时，主蒸汽温度会经过环节，并不会马上进行变化，这也给温度的监测和控制带来了一定的挑战。2）锅炉中过热器的放置位置与控制的需求之间存在一定的矛盾。一方面，如果喷水减温装置设置在过热器的前端，这样能够非常好的保护过热器，防止过热，这从结构与设计的安全方面也是符合要求的。另一方面，如果喷水减温装置安装在过热器的出口端，虽然这样无法达到最好的保护过热器的效果，但是能够降低温度控制的时间延时与滞后，能够提高温度控制的响应速度，有利于增强系统的动态响应，所以从控制效果上而言又与设备安全上的结构设计造成了一定的矛盾。3）主蒸汽的生产经历了过多的设备与环节，当发生温度扰动后，各环节之间存在较强的耦合性，这也给温度控制带来了一定的苦难，增加了温度控制的复杂度，从而使得控制方案的选择更加艰难。1.4主蒸汽的扰动特性不同的干扰因素对主蒸汽温度的扰动特性是不同的，这也会造成主蒸汽的动态响应效果不同，下文将主要介绍主蒸汽关于蒸汽流量、减温水量及烟气量三种扰动因素下的动态响应特性。蒸汽流量扰动对于主蒸汽温度的扰动特性蒸汽流量的扰动变化其实是锅炉中的负荷变化，它将引起整个主蒸汽生产管道中蒸汽的流速和蒸汽流量变化，从而导致过热器相对于外部的外特性改变，主蒸汽温度也会改变。图1.7展示了当蒸汽流量变化时主蒸汽温度的动态响应曲线，从图中不难看出，主蒸汽关于蒸汽流量存在滞后性、惯性以及自平衡的能力，而且也可以看出τ/Tc的比值是相对较小的。图1.7蒸汽流量扰动下主蒸汽的动态响应特性减温水量扰动对于主蒸汽温度的扰动特性减温水量的大小主要影响的是喷水减温装置中的蒸汽温度，也即过热器入口的温度大小，这样一来也就会造成减温器出口处主蒸汽的温度也是发生变化，引起一系列的变化。图1.8展示了减温水量扰动下主蒸汽温度的动态响应特性。不难看出，此时的主蒸汽与在蒸汽流量扰动下的动态特性具有相似的特点，即大惯性、延迟、自平衡能力。造成这个的原因可能是因为在火电机组的过热管道中，线路较长，所以在减温水扰动下，需要一定的时间主蒸汽温度才会响应。图1.8减温水量扰动下主蒸汽的动态响应特性一般情况下，当发生减温水扰动时，锅炉的主蒸汽温度的延迟时间大约在半分钟到一分钟之间，时间常数Tc大约为100秒，而喷水减温的流程可以参见图1.9，减温水的扰动即喷水减温器中开关阀的大小。图1.9喷水减温流程与结构烟气量扰动对于主蒸汽温度的扰动特性图1.10展示了烟气量扰动下主蒸汽温度的动态响应特性。从图1.9可以看出，当烟气热量Q发生变化时，主蒸汽温度的动态响应特性与蒸汽流量扰动下时的主蒸汽动态响应特性相似，同样具有惯性，延迟和自平衡的能力。这也说明在烟气量扰动下，主蒸汽的温度同样需要较常的时间进行响应。但是，烟气量扰动也会有所区别，当烟气的温度和流动速度都发生改变的时候，也会导致烟气的传热量发生变化，在这种情况下的主蒸汽温度变化相对其他扰动要快一些，时间常数Tc和延迟时间常数分别大概在小于100秒以及10-20秒之间的范围内。通常情况下，火电厂为获得烟气量扰动对于主蒸汽温度的动态响应特性，可以通过改变喷燃气的角度或者输入量来改变锅炉内的烟气量的温度大小，从而获得主蒸汽温度的动态响应特性。图1.10烟气量扰动下主蒸汽的动态响应特性 通过以上三个扰动对于主蒸汽温度的动态响应特性可以看出：在烟气量扰动下，主蒸汽温度的动态响应最快，以及在蒸汽流量变化时主蒸汽的温度变化也较块，最慢的便是在减温水扰动下的主蒸汽温度变化。但是尽管改变烟气量和蒸汽流量对于改变主蒸汽温度的效果最快，但是一般来说，烟气量的改变在实际操作中比较复杂，而蒸汽流量是根据发电需求进行的负荷投入，也是难以改变的，所以即使二者在改变主蒸汽温度上效果比较好，但是在实际操作中，往往通过改变减温水量来实现主蒸汽温度的改变。1.5主蒸汽温度的常见结构从上文的讨论中可以看出，不管在哪种扰动因素下，主蒸汽温度的动态响应均具有惯性、延迟和自平衡的特性。同时，上文中也提到了通过改变蒸汽流量和烟气量来改变主蒸汽温度是太切实际的，所以从实现难易程度、操作的简便与否以及控制方式上考虑，减温水量可以作为改变主蒸汽温度的主要手段。下文将对锅炉中常见的主蒸汽控制结构进行介绍。1.5.1主蒸汽温度单回路的控制结构主蒸汽温度控制的单回路系统框图如图1.11所示。它主要由两部分组成：调节控制器和被控对象。调节控制器可以起到正反馈作用或者负反馈作用，但是一般而言负反馈作用下的控制系统往往是稳定的。当调节控制器起正反馈作用时，调节控制的输出信号会随着输入误差的增大而增大，相反，当调节控制器起负反馈作用时，调节控制的输出信号会随着输入误差的增大而减小，从而抑制误差的进一步增大。如果在主蒸汽的生产过程中发生了扰动，如上文提到的主蒸汽流量、烟气量或减温水量，由于蒸汽温度在动态响应上存在惯性和延迟大的特点，所以只能当扰动对主蒸汽的温度产生了影响后才会开始动作，所以这种控制无法及时响应，较难获得优质的主蒸汽，使得主蒸汽在后续流程中难以满足要求。图1.11主蒸汽温度单回路控制系统1.5.2主蒸汽温度串级控制结构由于简单的单回路系统无法满足主蒸汽温度控制的需求，所以在后续的研究中又有了串级控制结构的系统。串级结构的控制系统相比简单的单回路控制系统能够更好的实现主蒸汽的温度控制，响应快速，控制品质优良，所以被广泛的使用起来。当主蒸汽的温度T1在收到减温水Wj扰动时，存在较大的延迟。串级结构的主蒸汽的温度控制系统的示意图如图1.12所示。主调节器PID1主要是调节主蒸汽温度T1，让T1工作在合理的要求内，而PID2作为副调节器，主要是根据主调节器的输出信号和传感器的主蒸汽温度T2进行控制，来调节输出信号从而控制喷水减温装置执行控制命令，完成减温水量对主蒸汽温度的调节。图1.12主蒸汽温度串级控制系统从图1.12可以看出，这种结构的控制系统拥有两个控制回路，包括副回路和主回路，可以用图1.13所示的控制原理图对主蒸汽的串级控制系统进行简单的原理表示。图1.13主蒸汽温度串级控制原理框图在图1.13中，控制原理描述如下：副回路：由导前区W02(s)，副PID2调节控制器WT2(s)，温度变送器γT2，执行器Kz以及减温水调节的控制Kμ组成。主回路：由惰性区W01(s)，主蒸汽温度的主PID1调节控制器WT1(s)，主蒸汽温度变送器γT1以及副回路组成。在图1.13中，当喷水减温装置处产生Wj的减温水量扰动时会引起副回路中温度T2的变化，此时副控制回路的PID2调节控制便会发挥作用，调节输出信号控制喷水减温装置开关阀的开关渡，从而维持温度T2在稳定的值下，降低与温度T1之间的误差。在主蒸汽温度T1与参考值之间发生误差后，主调节控制器PID1变化动作，但是此时它是通过改变副回路中PID2控制器的作用来改变喷水减温装置的开关阀的，使主蒸汽温度控制在参考值。由于要达到快速控制的效果，副回路的PID控制器在控制带宽上应该要大于主回路的控制带宽，这样才会能够快速响应主PID控制的输出结果。所以有学者为了保证快速控制的特性，将副回路中的PID控制器选择比例或比例-微分控制，而主调节控制器为了消除主蒸汽温度的稳态误差，往往选择比例积分控制或者比例积分微分控制。1.5.3主蒸汽导前温度微分信号的双回路控制结构主蒸汽导前微分的结构图如图1.15所示。在该结构中，温度T2进行先进行一个微分控制，虽然T1与T2几乎同时变大或变小，但是通过这种控制能够使温度T2的控制速度快于T1，从而发挥导前的作用，以此来提高控制的响应速度，以及快速性。针对图1.15的导前微分温度控制结构，图1.14给出了该结构的控制原理基本示意图。图1.14导前微分双回路控制结构基本原理示意图图1.15主蒸汽温度导前微分双回路控制结构将各部分的控制部分代入图1.14所示的基本原理示意图后，可得图1.16所示的示意图。图1.16主蒸汽温度导前微分双回路控制原理框图 在图1.16所示的图中，WT(s)为温度调节控制器的传奇函数，WD(s)为导前微分的控制传递函数。 同时可以将图1.16所示的控制框图进行转化，得到图1.17所示等效串级控制形式的控制框图。该框图中实际相当于根据传递函数相同的原理，将导前微分的控制传函提到主控制回路中。图1.17主蒸汽温度导前微分双