大型单元机组主汽温控制系统设计

引言在生产和科学技术的发展过程中，自动控制起着主要的作用，目前已广泛应用于工农业生产及其他建设方面。

生产过程自动化是保持生产稳定、降低成本、改善劳动成本、促进文明生产、保证生产安全和提高劳动生产率的重要手段，是20世纪科学与技术进步的特征，是工业现代化的标志之一。

可以说，自动化水平是衡量一个国家的生产技术和科学水平先进与否的一项重要标志。

电力工业中电厂热工生产过程自动化技术相对于其他民用工业部门有较长的历史和较高的自动化水平，电厂热工自动化水平的高低是衡量电厂生产技术的先进与否和企业现代化的重要标志。

设计所讨论的汽温控制系统包括锅炉主蒸汽温度控制系统。

主蒸汽温度与再热蒸汽温度的稳定对机组的安全经济运行是非常重要的。

过热蒸汽温度控制的任务是维持过热器出口蒸汽温度在允许的范围之内，并保护过热器，使其管壁温度不超过允许的工作温度。

过热蒸汽温度是锅炉汽水系统中的温度最高点，蒸汽温度过高会使过热器管壁金属强度下降，以至烧坏过热器的高温段，严重影响安全。

一般规定过热器的温度上限不高于其额定值5℃。

如果过热蒸汽温度偏低，则会降低电厂的工作效率，据估计，温度每降低5℃，热经济性将下降约1%；且汽温偏低会使汽轮机尾部蒸汽温度升高，甚至使之带水，严重影响汽轮机的安全运行。

一般规定过热汽温下限不低于其额定值10℃。

通常，高参数电厂都要求保持过热汽温在540℃的范围内。

由于汽温对象的复杂性，给汽温控制带来许多的困难，其主要难点表现在以下几个方面：（1）影响汽温变化的因素很多，例如，蒸汽负荷、减温水量、烟气侧的过剩空气系数和火焰中心位置、燃料成分等都可能引起汽温变化。

（2）汽温对象具有大延迟、大惯性的特点，尤其随着机组容量和参数的增加，蒸汽的过热受热面的比例加大，使其延迟和惯性更大，从而进一步加大了汽温控制的难度。

（3）汽温对象在各种扰动作用下（如负荷、工况变化等）反映出非线性、时变等特性，使其控制的难度加大。

第一章汽温控制系统的作用、特点和调节规律本章将以300MW的单元机组锅炉为例，通过研究其高温、亚临界压力、中间再热、自然循环、单炉膛前后对冲燃烧、燃煤粉汽包炉，且汽轮机为单轴、三缸、两排汽、再热、凝汽冲动式，说明过热器与再热器在锅炉中的位置及布置情况，从而全面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。

1.1过热器和再热器的汽温特性所谓汽温特性，是过热器和再热器出口蒸汽温度与锅炉负荷之间的关系，辐射式过热器只吸收炉内的直接辐射热。

随着锅炉负荷的增加，辐射过热器中工质的流量和锅炉的燃料耗量按比例增大，但炉内辐射热并不按比例增加，因为炉内火焰温度的升高不太多。

也就是说，随锅炉负荷的增加，炉内辐射热的份额相对下降，辐射式过热器中蒸汽的焓增减少，出口蒸汽温度下降，如图1-1a中曲线1所示。

当锅炉负荷增大时，将有较多的热量随烟气离开炉膛，被对流过热器等受热面所吸收；对流过热器中的烟速和烟温提高，过热器中工质的焓增随之增大。

因此，对流式过热器的出口汽温是随锅炉负荷的提高而增加的。

过热器布置远离炉膛出口时，汽温随锅炉负荷的提高而增加的趋势更加明显，如图1-1 a中曲线2、3所示，对流式过热器的出口汽温是随着负荷的增加而增大的。

过热器离炉膛出口越远，过热器进口烟温θ′降低，烟气对过热器的辐射换热份额减少，汽温随负荷增加而上升的趋势更明显，这就是图中曲线3的斜率大于曲线2的原因。

可以预期，屏式过热器的汽温特性将稍微平稳一些，因它以炉内辐射和烟气对流两种方式吸收热量。

不过它的汽温特性有可能是在高负荷时对流传热占优势而低负荷时则辐射传热占优势。

高压和超高压锅炉的过热器，虽然是由辐射、半辐射和对流三种吸热方式的份额毕竟不大，整个过热器的汽温特性仍是对流式的，即负荷降低时，出口汽温将下降。

再热器的汽温特性也几乎都是对流式的，其再热蒸汽温度随锅炉负荷变化规律与过热器。

汽温比较，对流式再热器汽温随负荷降低而降低要严重些，相反，辐射式再热器汽温随负荷降低而升高要平缓些。

因为再热器多半布置在对流烟道中，而且常常布置在高温对流过热器之后。

此外，负荷降低时，再热器的入口汽温（汽轮机高压缸的排汽温度）还要下降，这就使得负荷降低时再热蒸汽温度的下降比过热蒸汽要严重的多（图1-1 b）。

图1-1 汽温特性图1.2 过热蒸汽温度控制对象的动态特征1.2.1过热蒸汽温度控制对象的动态特征过热汽温调节对象的动态特性是指引起过热汽温变化的扰动与汽温之间的动态关系。

蒸汽从汽包出来以后通过过热器的低温段，至减温器，然后再到过热器的高温段，最后至汽轮机。

通常的大中型锅炉都采用减温器减温的方式控制过热蒸汽温度。

各种锅炉结构不同过热器的结构布置也不同（辐射式、屏式、对流式）。

影响温度变化的扰动因素很多，如烟气温度和流速，给水温度，炉膛热负荷，送风量，给水母管压力和减温水量。

归纳起来主要为蒸汽流量，烟气传热量，减温水三方面的扰动。

1、蒸汽流量扰动汽机负荷变化会引起蒸汽量的变化。

蒸汽量的变化将改变过热器和烟气之间的传热条件，导致气温变化。

可以看到，温度响应具有自平衡特性，而且惯性和迟延都比较小，这是因为蒸汽量变化时，沿过热器管道长度方向的各点温度几乎同时变化。

2、烟气侧传热量的扰动燃料量增减，燃料种类的变化，送风量、吸风量的改变都将引起烟气流速和烟气温度的变化，从而改变了传热情况，导致过热气出口温度的变化。

由于烟气传热量的改变是沿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10~20之间。

它与蒸汽量扰动下的情况类似。

3、喷水量的扰动应用喷水来控制蒸汽温度是目前广泛使用的一种方式。

对于这种控制方式，喷水量扰动是基本扰动。

过热器是具有分布参数的对象，可以把管内的蒸汽和金属管壁看作是无穷多个单容对象串联组成的多容对象。

当喷水量发生改变后，需要通过这些串联单容对象，最终引起出口蒸汽温度θs的变化。

因此，θs的响应有很大的迟延。

1.2.2对过热蒸汽温度控制对象的特性进行分析1、烟气侧热量扰动下蒸汽温度对象的动态特性烟气侧热量扰动，包括烟气流速和烟气温度的扰动，在这种扰动下烟气与蒸汽之间换热条件发生了变化，由于这个变化是在全部过热器中同时发生的，因此过热器吸收热量的改变应该没有传递滞后，当燃料或空气量发生扰动时，传递滞后很小，这个传递滞后主要决定于从扰动发生到过热器周围烟道中烟气量或烟气温度发生变化所需要的时间。

因此，烟气侧热量扰动下的动态特性要比减温水扰动下的动态特性好的多。

图1-2 在扰动下温度的变化曲线2、蒸汽流量扰动下的蒸汽温度对象的动态特性蒸汽流量扰动时，过热器出口蒸汽温度变化的动态特性与烟气侧热量扰动下的动态特性是相似的，有较小的时间常数。

综合上述可归纳出下列几点：（1）过热器出口蒸汽温度对象不管在哪一种扰动下都有自平衡能力。

而且改变热和一个输入参数，其他的输入参数都可能直接或间接的影响过热器出口蒸汽温度，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后，缩短减温器与蒸汽温度控制之间的距离，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，动态曲线如图1-2所示。

3、蒸汽温度在减温水量扰动下的动态特性减温水量扰动时，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1-2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。

滞后时间产生的原因有：（1）由于扰动地点到测量被调量地点之间的距离造成传递滞后。

（2）由于过热器管壁储量和表面传热阻力造成的容量滞后。

过热器管壁的热容量越大，则传递滞后与时间常数的数值都越大。

1.3过热蒸汽温度控制系统的基本结构与工作原理这里以300MW机组分散控制系统的过热蒸汽温度控制系统为例，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，除可以有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有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。

1.3.1过热器一级减温控制系统该系统是在一个串级双回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。

主回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。

主回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PID1来完成。

主回路控制器接受二级减温器入口蒸汽温度偏差信号，经控制运算后其输出送至副回路。

图1-3 过热器一级减温控制系统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。

副回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PID2调节器，它接受一级减温器出口蒸汽温度的偏差信号。

系统引入的前馈信号有机组负荷、送风量、喷燃器火嘴倾角等外扰信号。

这些信号会引起过热蒸汽温度的明显变化，因此将他们作为前馈信号引入系统，来抑制他们对过热蒸汽温度的影响，改善一级过热蒸汽温度的控制品质。

由于机组的负荷会改变，控制对象的动态特性也随之而变，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中，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。

1.3.2二级减温控制系统过热器二级减温控制系统的组态如图：图1-4 过热器二级减温控制系统该系统与一级减温控制系统的结构基本相同，也是一个串级双回路控制系统，不同之处在于：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，主回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℃。

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。