锅炉主汽温度控制系统设计说明书

内蒙古科技大学

本科生过程控制课程设计说明书

摘要

随着先进的电子和计算机技术的发展和控制功能的不断完善以及对热电厂中锅炉仪表控制系统进行的先进改造，以先进的DCS系统作为锅炉的控制核心，锅炉鼓风机和引风机采用变频驱动技术，以保护电机和节约能源，结合实际的现场仪表、变频调速器、DCS控制方案的具体实施方案。而在锅炉主汽温度控制系统中，也有越来越多的方法可以实现生产控制，这里需要我们对过热器的出口蒸汽温度进行检测，当温度不在控制范围内时就通过对过热器阀门的控制，设计锅炉主汽温度控制系统，实现对汽包主蒸汽温度的控制，以产生合格的产品，这个就是这次设计的主要内容。

关键词：锅炉；主汽；温度；控制

目录

第一章绪论 (3)

第二章热电厂概述 (4)

2.1锅炉概述 (4)

2.2锅炉、锅筒设备及结构 (5)

2.3锅炉控制的工作原理 (6)

第三章锅炉主汽温度控制系统概述 (7)

3.1锅炉蒸汽温度控制概述 (7)

3.2过热器的基本概念 (7)

3.3锅炉主汽温度控制系统的总体设计方案 (8)

第四章锅炉主汽温度控制的设计过程 (9)

4.1锅炉主汽温度控制说明 (9)

4.2锅炉主汽温度控制系统的分析与初步设计 (10)

4.3锅炉主汽温度串级控制系统图解及仪表选型 (11)

4.4锅炉主汽温度控制系统安全保护对策 (13)

第五章总结 (15)

参考文献 (16)

第一章绪论

这个学期的第一个课程设计是过程控制课程设计，通过上个学期的热电厂的实习，以及对热电厂的工艺和锅炉的生产设备及工艺的了解，我们选择了各自的课程设计题目，我的设计主要是介绍锅炉控制中的主汽温度控制系统的设计。随着科学的进步以及各种仪器的发展，现在已经有很成熟的控制方法来控制锅炉的生产，我这里是根据一般的场合所需要的控制方案，设计了一个串级的控制系统。对一些大的生产设备和一些有大的延迟或者是大的滞后的生产过程就不做叙述了。

第二章热电厂概述

热电厂发电是利用燃烧燃料所得到的热能发电。热电厂发电的发电机组由两种主要形式：一是利用锅炉产生高温高压蒸汽汽轮机旋转带动发电机发电，称为汽轮发电机组；二是燃料进入燃气轮机将热能直接转换为机械能驱动发电机发电，称为燃气轮机发电机组。热电厂发电通常是指以汽轮发电机组为主的发电厂。

发电厂的主要生产过程是：储存在储煤场中的原煤有输煤设备从储煤场送到锅炉的原煤斗中，再由给煤机送到磨煤机中磨成煤粉。煤粉送至分离器进行分离，合格的煤粉送到煤粉仓储存。煤粉仓里的煤粉由给粉机送到锅炉内的喷燃器中，由喷燃器到炉膛内燃烧。燃烧后的煤粉放出大量的热能将炉膛四周水冷壁内的水加热成汽水混合物。混合物被锅炉汽包内的汽水分离器进行分离，分离出的水经过下降管道送到水冷壁管加热，分离出的蒸汽送到过热器，加热成符合规定的温度和压力的过热蒸汽，经过管道送到汽轮机内做功。过热蒸汽在汽轮机内做功推动汽轮机旋转，汽轮机带动发电机发电，发电机发出的三相交流电送到电网。在汽轮机内做完功的过热蒸汽被冷汽器冷却成凝结水，凝结水经过凝结泵送到低压加热器加热，然后送到除氧器除氧，再经过给水泵送到高压加热器加热后，再送到锅炉进行热力循环。

2.1锅炉概述

随着科学技术的发展，自动控制在现代工业中起着重要的作用，目前已经广泛应用于生产和很多建设方面。锅炉是热电厂重要且基本的设备，其中最主要的输出变量之一就是主蒸汽温度。主汽温度自动调节的任务是维持过热器出口汽温在允许范围内，以确保机组运行的安全性和经济性。

如果该温度过高，会使锅炉受热面及蒸汽管道金属材料的蠕变速度加快，降低使用寿命。若长期超温，则会导致过热器爆管，在汽机侧还会导致汽轮机的汽缸、气阀、前几级喷嘴和叶片、高压缸前轴承等部件的寿命缩短，甚至损坏；如果该汽温过低，会降低机组的循环热效率，同时会使通过汽轮机最后几级蒸汽湿度增加，引起叶片磨损；当汽温变化过大时，将导致锅炉和汽轮机金属管材及部件的疲劳，还将引起汽轮机汽缸和转子的胀差变化，甚至产生剧烈振动，危及机

组安全，所以有效精准的控制策略是十分必要的。

随着工业生产过程规模的不断扩大，生产过程不断强化，作为全厂动力和热源的锅炉设备，亦可向大容量、高参数、高效率方向发展。它所产生的蒸汽不仅可以供生产过程作为热源，而且还可作为蒸汽透平的动力源。为确保锅炉生产的安全操作和稳定运行，对锅炉设备的自动控制也提出了更高的要求。

2.2锅炉、锅筒设备及结构

按锅炉设备所使用燃料的种类、燃烧设备、炉体形式、锅炉功能和运行要求的不同，锅炉生产有各种不同的流程。

给水经过水泵、给水控制阀、省煤气进入锅炉的汽包，燃料与经预热的空气按一定配比混合，在炉膛内燃烧产生热量，汽包生成饱和蒸汽，经过热器形成过热蒸汽，并经负荷分配后供生产过程使用。燃烧过程的废气将饱和蒸汽过热，并经过省煤气对锅炉的给水和空气预热，最后烟气经过引风机送烟囱排空。

根据生产负荷的不同需要，锅炉需要提供不同规格温度的蒸汽，应根据安全性和经济性的要求，使锅炉安全运行和完全燃烧。

锅炉整体的结构包括锅炉本体和辅助设备两大部分。锅炉中的炉膛、锅筒、燃烧器、水冷壁过热器、省煤器、空气预热器、构架和炉墙等主要部件构成生产蒸汽的核心部分，称为锅炉本体。锅炉本体中两个最主要的部件是炉膛和锅筒。

炉膛又称燃烧室，是供燃料燃烧的空间。将固体燃料放在炉排上，进行火床燃烧的炉膛称为层燃炉；将液体、气体或磨成粉状的固体燃料，喷入火室燃烧的炉膛称为室燃炉；空气将煤粒托起使其呈沸腾状态燃烧，并适于燃烧劣质燃料的炉膛称为沸腾炉；利用空气流使煤粒高速旋转，并强烈火烧的圆筒形炉膛称为旋风炉。

锅筒的主要功能是储水，进行汽水分离，在运行中排除锅水中的盐水和泥渣，避免含有高浓度盐分和杂质的锅水随蒸汽进入过热器和汽轮机中。

锅筒内部装置包括汽水分离和蒸汽清洗装置、给水分配管、排污和加药设备等。其中汽水分离装置的作用是将从水冷壁出来的饱和蒸汽与水分离开来，并尽量减少蒸汽中携带的小水滴。

2.3锅炉控制的工作原理

常见的锅炉设备主要工艺流程图如图2.1所示：

图2.1锅炉设备主要工艺流程图

由图可知，燃料和热空气按照一定的比例进入燃烧室燃烧，产生的热量传递给蒸汽发生系统锅炉，产生饱和蒸汽,然后经过热器变成一定汽温的过热蒸汽，汇集至蒸汽母管。过热蒸汽经负荷设备调节阀供给生产负荷使用。与此同时，燃烧过程中产生的烟气，将饱和蒸汽变成过热蒸汽后，经省煤器预热锅炉预热空气，最后经引风机送往烟筒排入大气。

根据经济性和安全性的总体要求，使锅炉安全运行和使完全燃烧。锅炉设备

的主要控制要求应有如下几条：

（1）供给蒸汽量适应负荷变化。

（2）锅炉供给用汽设备的蒸汽压力保持在一定范围内。

（3）过热蒸汽温度保持在一定范围内。

（4）锅筒水位保持在一定范围内。

（5）炉膛负压保持在一定范围内并保持锅炉燃烧的经济性和安全运行。

第三章锅炉主汽温度控制系统概述

3.1锅炉蒸汽温度控制概述

锅炉蒸汽温度控制在热电厂安全经济运行方面有着相当重要的地位,也是防止炉超温的一种重要手段,但绝大多数热电厂内的锅炉系统不时会出现锅炉主蒸汽超温或过热器局部超温问题,这就涉及如何有效地控制锅炉减温水系统的问题了。在经典控制理论中,人们通常假定调节量响应迅速且远大于调节对象的变化量,但在生产实践中,大多数控制系统并非如此。锅炉主蒸汽温度信号是一个大时滞信号,热电厂锅炉蒸汽温度控制系统通常采用串级PID调节方式,在工况相对稳定的情况下,每台锅炉都能将蒸汽温度控制得很好,但是,在较大幅扰动情况下就不一定了。

对汽温调节方法的基本要求是：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。

3.2过热器的基本概念

锅炉过热器是回收锅炉烟气能量的，使锅炉出来的蒸汽可以获得加热，变为过热蒸汽，有利于提高锅炉热效率，也有利于蒸汽轮机避免水击。过热器主要作用是把饱和蒸汽加热到具有一定温度的过热蒸汽提高电站效率。

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。

过热器有以下特点：

（1）过热器是锅炉中金属壁温最高的受热面，对材质要求高。

（2）过热器的阻力不能太大。

（3）高热负荷区的过热器工质流速高。

（4）过热器出口汽温将随锅炉负荷的改变而变化。

（5）过热器布置受锅炉参数影响。

（6）在锅炉点火升炉或汽轮机甩负荷时，过热器要有一定的保护措施。

3.3锅炉主汽温度控制系统的总体设计方案

对于常规锅炉主汽温度常用控制方法有两种：

（1）经典串级控制系统

该控制方法广泛应用于工业生产现场。通过对主控制器或副控制器的改进,又产生了很多变形的控制算法,在众多控制算法中的一种是将主调节器改进为两个单神经元的控制器。其中一个神经元用于对过热汽温进行预测,另一个神经元完成常规神经PID控制,具有自适应性。

（2）负荷分级串级控制系统

该类控制系统的基本思路是仍采用以上串级控制系统,但考虑到主汽流量变化对主汽温度的调节特性影响最大,所以采用根据不同的锅炉负荷,主控制器和副控制器采用不同的PID调节参数的控制方法。在该方法中,将锅炉负荷分为五级,并融入预测控制及自适应控制技术,对不同负荷下的PID参数进行预估并自适应调整,以达到较好的控制效果。其核心思想是按照不同工作负荷进行分段控制。

但是在这次的锅炉主汽温度控制系统设计中我就采用人们最熟悉的串级控制系统。

第四章锅炉主汽温度控制的设计过程

4.1锅炉主汽温度控制说明

锅炉蒸汽温度控制主要包括一级过热器温度控制和二级过热器温度控制，其任务是维持两级过热器出口温度在允许的范围内。大体的系统结构示意图就如图4.1所示：

图4.1锅炉蒸汽温度控制示意图

因此，该锅炉控制系统底层设备是一、二级过热器和减温器。从锅炉汽包的汽水分离器分离出来的蒸汽经一级过热器加热后，有减温器减温，进入二级过热器加热之后蒸汽经过热蒸汽管道形成合格产品。

从上面的分析过程可以获得锅炉主汽温度控制系统流程图如图4.2所示：热电厂锅炉控制系统中，汽包中的水经过炉膛的燃料加热后就会被蒸发，变成饱和蒸气与水分离，饱和蒸汽充满汽包空间，蒸汽会从汽包上面的管道流出，即锅炉主蒸汽从汽包中流出。此时的出口温度还比较低，大约是在300℃-400℃左右，达不到生产的要求，所以要将蒸汽送入两级过热器进行加热，一般情况下小型的生产设备不需要两级过热器，但是在大型锅炉生产过程中要有两级过热器，以保证蒸汽被加热到生产工艺要求的控制温度，大约是700℃-800℃左右，这样的产品才是合格的产品。通过温度变送器的测量，可以知道二级过热器出口时的过热蒸汽的温度，如果过热蒸汽的温度在700℃-800℃之间，都是合格的，这时的过热蒸汽便是生产所需要的产品，将会用于其他的生产过程或供给用户使用。如果被加热的饱和蒸汽还没有达到生产所必须的温度，则需要通过减温水的控制阀门

来控制减温水的流量，控制器控减温水阀门的开度减小，此时减温水的压力便减小了，过热器通过烟气继续给蒸汽加热，直到蒸汽的温度是要求范围内的为止。同理，如果温度变送器的检测结果是过热蒸汽的温度已经超过了要求的范围，就需要通过控制器执行，使减温水的控制阀开度增大，这样减温水的流量就增大了，将会降低蒸汽的温度，从而达到生产要求。

图4.2锅炉主汽温度控制系统流程图

4.2锅炉主汽温度控制系统的分析与初步设计

由上面的示意图及流程分析过程我们就可以清楚的知道，锅炉蒸汽温度控制就是通过在过热器的出口出放置温度变送器，测量出口的蒸汽温度，从而检测过热蒸汽的温度是否达到了生产的要求。进而控制减温水的阀门开度，是蒸汽的温度降低或提高，以达到控制的目的，输出合格的产品。

这样就可以采取很多控制方案来实现设计的要求，我们可以采用单回路控制系统也可以采用串级控制系统，在这次的设计当中，为了有比较好的控制效果，我就采用串级控制系统，主蒸汽温度调节是通过两侧进行调节，这样一方面能保证温度值的真实性和可靠性；另一方面能反映出两侧汽温的偏差并及时进行调整。

而这两侧的汽温调节可归纳为两大类：蒸汽侧的调节和烟气侧的调节。蒸汽侧的调节，是指通过改变蒸汽的热焓来调节温度。喷水式减温器向过热器中喷水，喷入的水的吸热和蒸发要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面和对流受热面的吸热量分配比例的方法或改变流经过热器的烟气量的方法来调节过热蒸汽温度。

4.3锅炉主汽温度串级控制系统图解及仪表选型

通过上面的分析也对工艺有一定的理解，就可以得到如图4.3所示的方框图。

图4.3控制系统方框图

该图为一级过热器的控制系统，此串级控制系统实现了蒸汽温度控制的部分任务。系统中蒸汽温度控制使用PID功能块，并由两个PID功能块组成串级控制系统。串级控制系统与单回路控制系统相比，在系统结构上多了一个副回路，所以系统的响应时间比较短。工作频率比较高，抗外界干扰能力强，并且对负荷变化

的适应性也增强。串级控制的过程为：实测一级过热器蒸汽温度与给定温度进行比较，偏差信号经PID运算后作为温度(二级过热器出口温度)的给定信号，这个信号与实测温度进行比较，偏差经PID运算后产生控制信号用于控制减温量，以达到调节主蒸汽温度的目的。在锅炉启动时，采用人工控制，待工作平稳后投入自动运行。有自动和手动开关切换，置自动时，处理器输出控制信号直接送执行机构，置手动时，由手动操作进行控制。

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、副回路及主、副调节器的控制规律，温度变送器也要选择合适的型号，减温水的阀门也要选择合适的形式以及控制器的正反作用形式。

1.主、副控制回路的设计原则：

（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。副回路应该把生产控制系统的主要干扰包括在内。

（2）副回路应包含被控对象所受的主要干扰。

（3）主、副对象的时间常数应当匹配。

2.主、副调节器的选型：

串级控制系统中，主调节器和副调节器的任务不同，对于它们选型及控制规律的选择也要不同考虑。

（1）副调节器的选型

副调节器的任务是要快速动作迅速消除进入副回路内的扰动，而且副参数并不要求无差，所以选P调节器，在一般情况下，采用P调节器就足够了，如果主、副回路频率相差很大，也可以采用PI调节器。

（2）主调节器的选型

主调节器的任务是准确保持被调量符合生产的要求。凡是需采用串级控制的生产过程，对控制的品质的要求都是很高的，不允许被调量存在静差。因此主调节器必须具有积分作用，一般都采用PI调节器。

3.主、副回路调节器调节规律选择原则

（1）若主参数控制质量要求不十分严格，同时在对副参数的要求也不高的情况下，为使两者兼顾而采用串级控制方式时，主、副调节器均可以采用比例控制。

（2）若要求主参数波动范围很小，且不允许有余差，此时副调节器可以采用比例控制，主调节器采用比例积分控制。

（3）若主参数要求高，副参数亦有一定要求，这时主、副调节器均采用比例积分形式。

4.温度变送器的选择

根据上面的系统结构图可以知道，蒸汽和烟气的温度都比较高，所以选用热电阻是不合适的。因此，副温度变送器是测量烟气温度的，而烟气的温度大约在700℃~800℃左右，所以选用的是K型热电偶。而主温度变送器是测量蒸汽温度的，以一级过热器来说，一级过热器出口的蒸汽温度大约在450℃左右。所以主温度变送器选用的是E型热电偶。

5.减温水阀门的气开气闭形式

减温水的阀门在调节器输出为零时，从安全方面考虑，为了保证执行器的工作状态避免算坏生产设备和伤害操作人员，所以减温水的阀门应该选择气开形式。

6.控制器的正反作用形式

通过方框图分析主副控制器的正反作用形式，因为主控制对象是过热器的出口温度，当减温水增加时，出口温度降低，且阀门为气开形式，所以控制器应该为反作用，同理，副调节器也为反作用。

4.4锅炉主汽温度控制系统安全保护对策

在锅炉蒸汽温度控制系统中，其作用是将饱和蒸汽加热成具有一定过热度的过热蒸汽。而过热器又是锅炉最复杂的受热面,所布置的区域烟气流速比较高,受热面管壁温度比较高,管内蒸汽温度比较高。所以过热器的工作状况不仅决定主蒸汽品质高低,而且一定程度上决定锅炉的安全运行,对锅炉的经济性及安全性有重要的影响,必须对过热器采取保护措施。

以下是一些常用的保护措施：

（1）管壁温度及蒸汽温度是运行人员判断过热器管材受热状况比较主要依据，在过热器进出口联箱及导汽管上均应有足够的管壁及蒸汽温度测点。

（2）定期对过热器进行吹灰。

（3）在锅炉大修时,应对过热器进行酸洗、除垢、减少管壁的热阻。

（4）减温器投入之前,要尽量先将减温水管内冷水排出，起动过程中要经常检查过热器的膨胀值,膨胀过快时,要及时降低锅炉升温升压速度,防止两侧膨胀不均匀造成过大的热应力。

（5）锅炉进行保养要停炉,防止空气进入汽水系统对受热面管壁的氧化腐蚀。

第五章总结

本学期开学初就做了两个星期的过程控制课程设计，这个也是根据上个学期的生产实习内容来完成的，我们组的课程设计是围绕热电厂的生产工艺展开的，我选的课程题目是“锅炉主汽温度控制系统设计”，通过完成这个设计，我又了解到关于热电厂、锅炉以及主汽温度控制中过热器的工艺及工作原理。通过老师的讲解，对整个锅炉控制过程有了更进一步的了解，对锅炉的炉膛压力，空燃比，汽包液位等的控制过程的理解又上了一个层次。其中最主要的还是锅炉主汽温度控制系统的设计过程，因为这个是我自己设计的，整个设计过程中，除了要对整体和部分的控制的理解，还要懂得很多东西。这其中我就对论文的写作格式、搜查资料的方法、整理资料的过程等都能更加熟练，这对以后都将有很大帮助。另一个我觉得很重要的就是，我有学会了如何用Word和CAD软件画生产工艺的制图。这个也是一个很大的进步。课程设计本身就是对自己的知识、思维和能力的一种综合锻炼，我觉得这个是对我很有帮助的，我很高兴能有这样的机会来自己做设计，更多多感谢老师对我的指导。

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