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1、1,第五章 鍋爐蒸汽溫度控制系統(tǒng),,5.1 概 述 5.2 蒸汽溫度控制策略 5.3 蒸汽溫度控制系統(tǒng)實例,,,,,2,,5-1 概 述,,3,一、蒸汽溫度控制的任務(wù) 1. 過熱蒸汽溫度控制的任務(wù) 維持過熱器出口溫度在允許的范圍之內(nèi)，并保護過熱器，使其管壁溫度不超過允許的工作溫度。 過熱蒸汽溫度是鍋爐汽水系統(tǒng)中的溫度最高點，蒸汽溫度過高會使過熱器管壁金屬強度下降，以至燒壞過熱器的高溫段，嚴(yán)重影響安全。 過熱蒸汽溫度偏低，則會降低發(fā)電機組能量轉(zhuǎn)換效率，據(jù)分析，汽溫每降低5，熱經(jīng)濟性將下降1%；且汽溫偏低會使汽輪機尾部蒸汽濕度增大，甚至使之帶水，嚴(yán)重影響汽輪機的安全運行。一般規(guī)定大

2、容量高參數(shù)火力發(fā)電機組都要求保持過熱蒸汽溫在 的范圍內(nèi)。,4,2再熱蒸汽溫度控制的任務(wù) 隨著蒸汽壓力的提高，為了提高機組熱循環(huán)的經(jīng)濟性，減少汽輪機末級葉片中蒸汽濕度，高參數(shù)機組一般采用中間再熱循環(huán)。將高壓缸出口蒸汽引入鍋爐，重新加熱至高溫，然后再引入中壓缸膨脹做功。一般再熱蒸汽溫度隨負(fù)荷變化較大，當(dāng)機組負(fù)荷降低30%時，再熱蒸汽溫度如不加以控制，鍋爐再熱器出口汽溫將降低2835 (相當(dāng)于負(fù)荷每降低10%時，汽溫降低10)。所以大型機組必須對再熱汽溫進行控制。,5,二、影響汽溫的主要因素 1. 過熱汽溫的主要影響因素 (1) 鍋爐負(fù)荷與過熱汽溫的關(guān)系 鍋爐負(fù)荷增加時，爐膛中燃燒

3、的燃料量增加，但爐膛的最高溫度沒有多大變動，爐膛輻射放熱量相對變化不大，使得爐膛出口煙溫增高。這就說負(fù)荷增加時，每千克燃料的輻射放熱百分?jǐn)?shù)減少，而在爐膛后的對流換熱區(qū)，由于煙溫和煙速的提高，每千克燃料的對流放熱百分率增大。因此，對于對流式過熱器來說，當(dāng)鍋爐負(fù)荷增加時，出口汽溫的穩(wěn)態(tài)值升高；輻射式過熱器則具有相反的汽溫特性。采用這兩種過熱器串聯(lián)的鍋爐，過熱器出口蒸汽溫度在某個負(fù)荷范圍內(nèi)仍隨鍋爐負(fù)荷的增加而有所升高。,6,(2) 給水溫度與汽溫的關(guān)系 提高給水溫度，將使過熱汽溫下降，這是因為產(chǎn)生每千克蒸汽需要的燃料量減少了，流經(jīng)過熱器的煙氣量也減少了。也可以這樣認(rèn)為：提高給水溫度后，在相同的燃料

4、量下，鍋爐的蒸發(fā)量增加了，故過熱氣溫將下降。因此，是否投入高加將使給水溫度相差很大，這對過熱氣溫有明顯影響。,(3) 過?？諝庀禂?shù) 過?？諝饬扛淖儠r，燃燒生成的煙氣量亦改變，因而所有對流受熱面吸熱隨之改變，而且對離爐膛出口較遠的受熱面影響顯著。以對流吸熱為主的過熱器，當(dāng)增大過?？諝饬繒r，將使過熱氣溫上升。,7,(4) 燃燒器的運行方式與過熱汽溫的靜態(tài)關(guān)系 在爐膛內(nèi)投入高度不同的燃燒器或改變?nèi)紵鲾[角會影響爐內(nèi)溫度分布和爐膛出口煙溫，因而也會影響過熱汽溫，火焰中心相對提高時，過熱汽溫將升高。,(5)受熱面清潔程度 過熱器之前的受熱面發(fā)生積灰或結(jié)渣時，進入過熱器的煙溫升高，因而使過熱汽溫上

5、升，而過熱器本身發(fā)生積灰或結(jié)渣將使過熱汽溫下降。,8,2. 再熱汽溫的影響因素 (1) 給水溫度 給水溫度降低時（如高壓加熱器出系），若鍋爐出力保持不變，則需要增加燃料，以補充因給水溫度降低而減少的熱量；這樣，爐膛出口煙氣量增加，以對流受熱面為主的再熱器吸熱量增加，導(dǎo)致再熱汽溫升高。 (2) 過?？諝庀禂?shù) 過?？諝庀禂?shù)增加，以對流受熱面為主的再熱器吸熱量增加，再熱汽溫升高；反之則降低。,9,(3) 爐膛火焰中心 爐膛火焰中心的高度對再熱汽溫有相當(dāng)顯著的影響，是調(diào)節(jié)再熱汽溫的主要手段。當(dāng)火焰中心抬高時，爐膛出口溫度上升，以對流受熱面為主的再熱器其進口煙溫升高，吸熱量增加，再熱汽

6、溫提高；反之，再熱器吸熱量減少，再熱汽溫降低。 (4) 受熱面結(jié)渣 再熱器受熱面結(jié)渣或積灰，吸熱量減少，再熱汽溫降低。 爐膛水冷壁結(jié)渣，水冷壁吸熱量減少，導(dǎo)致爐膛出口煙溫上升，再熱器吸熱增加，再熱汽溫提高。,10,(5) 過熱蒸汽溫度和壓力 過熱蒸汽溫度變化會引起高壓缸排汽變化。過熱汽溫降低，高壓缸排汽溫度降低；在再熱器吸熱量不變的條件下，因再熱器進口溫度降低，導(dǎo)致再熱器出口溫度降低。 過熱蒸汽壓力的變化也會引起再熱汽溫的變化。過熱蒸汽壓力降低，在過熱汽溫不變的情況下，過熱蒸汽的焓增大，高壓缸排汽溫度上升；在再熱器吸熱量不變的條件下，因再熱器進口溫度升高，使再熱器出口溫度提高

7、；反之，過熱蒸汽壓力升高，再熱汽溫降低。這與變壓運行時，可保持較高再熱汽溫的原理相同。,11,三、蒸汽溫度控制對象的動態(tài)特性 1. 過熱蒸汽溫度對象的動態(tài)特性 主要為蒸汽流量、煙氣傳熱量和減溫水?dāng)_動。 （）蒸汽擾動下對象的動態(tài)特性 引起蒸汽流量變化的原因有二：一是蒸汽母管的壓力變化，二是汽輪機調(diào)節(jié)汽門的開度變化。結(jié)構(gòu)形式不同的過熱器，在相同蒸汽流量D的擾動下，汽溫變化的靜態(tài)特性是不同的。對于對流式過熱器的出口溫度，隨著蒸汽流量D的增加，通過過熱器的煙氣量也增加，導(dǎo)致汽溫升高；對于輻射式過熱器，蒸汽流量D增加時，爐膛溫度升高較少，爐膛輻射給過熱器受熱面的熱量比蒸汽流量的增加所需的熱量要少

8、，因此輻射式過熱器的出口汽溫反而下降，對流式過熱器和輻射式過熱器的出口汽溫對負(fù)荷變化的反應(yīng)是相反的，其靜態(tài)特性如下。,12,圖5-1 蒸汽量變化與對流過熱器及輻射過熱器出口汽溫變化的靜態(tài)特性,實際生產(chǎn)中，通常把兩種過熱器結(jié)合使用，還增設(shè)屏式過熱器，且對流方式下吸收的熱量比輻射方式下吸收的熱量要多，因此綜合而言，過熱器出口汽溫是隨流量D的增加而升高的。動態(tài)特性如圖5-2所示。,圖5-2 蒸汽量變化對過熱器汽溫的影響,有延遲，有慣性，有自平衡能力。,13,當(dāng)蒸汽流量發(fā)生擾動時，由于過熱器上各點汽溫是同時變化，因此過熱器出口汽溫變化的遲延較小，遲延時間約為20s左右。盡管蒸汽流量擾動下汽溫對象的動態(tài)

9、特性較好，但由于蒸汽負(fù)荷是決定于用戶，所以不能用蒸汽流量的擾動作為控制汽溫的手段。 注意：蒸汽流量的擾動不能作為調(diào)節(jié)信號用。,14,（）煙氣量擾動下過熱汽溫對象的動態(tài)特性,圖5-3 煙氣流量變化對過熱汽溫的影響,當(dāng)燃料量、送風(fēng)量或煤種等發(fā)生變化時，都會引起煙氣溫度和流速的變化，使延期傳給過熱器的熱量發(fā)生變化，從而使過熱汽溫變化。因為沿著過熱器整個長度方向上，煙氣的傳熱是同時發(fā)生變化的，所以過熱汽溫的變化很快，遲延時間很小，一般為1525。,由于煙氣擾動時，過熱汽溫的動態(tài)特性較好，因此可利用煙氣側(cè)的擾動作為控制汽溫的手段，例如采用煙氣再循環(huán)和改變?nèi)紵鲾[角等，但這些控制方法需要鍋爐具有滿足自動

10、控制要求的結(jié)構(gòu)和性能，而鍋爐設(shè)計、制造及實際都有一定的困難。,15,（）減溫水量擾動下過熱汽溫對象的動態(tài)特性,圖5-4 減溫水量變化對過熱汽溫的影響,對于蒸汽流量的擾動和煙氣側(cè)的擾動，過熱汽溫對象的動態(tài)特性雖然比較好，但前者由機組負(fù)荷決定，不能作為汽溫控制手段，后者使用比較困難。因此目前常采用噴水式減溫來控制汽溫。,當(dāng)減溫水量發(fā)生擾動時，雖然減溫器出口汽溫產(chǎn)生變化，但要經(jīng)過較長的過熱器管道才能使出口汽溫發(fā)生變化，使汽溫反應(yīng)的遲延很大，而且減溫器離過熱器出口愈遠，則對象控制通道的遲延和慣性愈大。,16,因此?？刂破麥氐淖钣行Х椒ㄊ窃谶^熱器出口處直接進行噴水減溫，但這又對過熱器和汽輪機的安全運行不

11、利。因此，噴水減溫器通常裝在末級過熱器高溫段的前面，這樣既保護了過熱器的高溫段，同時又減少了蒸汽帶水的可能性。,17,結(jié)論： 在上述三種主要擾動作用下，過熱汽溫控制對象都表現(xiàn)為有遲延、慣性和有自平衡能力，只是時延時間和時間常數(shù)不一樣。其中，減溫水?dāng)_動作用下的遲延和慣性最大，煙氣側(cè)擾動作用下的遲延和慣性次之，而鍋爐負(fù)荷擾動作用下的遲延和慣性最小。然而，只有煙氣側(cè)的擾動和減溫水側(cè)擾動可作為控制汽溫的手段。,目前廣泛采用噴水減溫作為控制汽溫的手段。由于過熱器管道加長，結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，遲延和慣性更大，為了完成控制主蒸汽溫度和保護過熱器兩個任務(wù)，多采用分段控制系統(tǒng)。,18,2再熱蒸汽溫度控制對象的動態(tài)

12、特性,圖5-5 煙氣擋板控制再熱汽溫的動態(tài)特性,圖5-5是再熱汽溫動態(tài)特性。當(dāng)煙氣擋板從0 100變化時，再熱汽溫變化58，滯后時間80s；其傳遞函數(shù)可用四階慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)表示：,再熱蒸汽溫度控制對象的動態(tài)特性依控制方式的不同動態(tài)特性也不同。,,19,,5-2 蒸汽溫度控制策略,,20,在大型鍋爐中，過熱器管道較長，結(jié)構(gòu)亦復(fù)雜，為了改善控制品質(zhì)，一般采用分段控制，即將整個過熱器分成若干段，每段設(shè)置一個減溫器，分別控制各段的汽溫，以維持主汽溫為給定值。,1. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu),圖. 串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,過熱蒸汽溫度串級控制的基本結(jié)構(gòu)(最后一級)如右圖所示。,一、過熱蒸汽溫度串級控制,1,,-I,,+

13、I0,+I1,-IT1,IT2,21,原理框圖如下圖所示,圖. 串級控制系統(tǒng)原理方框圖,主參數(shù)(主變量)： 串級控制系統(tǒng)中起主導(dǎo)作用的被調(diào)參 數(shù)稱為主參數(shù)。 副參數(shù)(副變量)： 其給定值隨主調(diào)節(jié)器的輸出而變化， 能映主信號數(shù)值變化的中間參數(shù)稱為 副參數(shù)。這是一個為了提高控制質(zhì)量 而引起的輔助參數(shù)。,22,主調(diào)節(jié)器： 根據(jù)主參數(shù)與給定值的偏差而動作，其輸 (主控制器) 出作為副調(diào)節(jié)器的給定值的調(diào)節(jié)器稱為主 調(diào)節(jié)器，記為WT1(s) 副調(diào)節(jié)器： 其給定值由主調(diào)節(jié)器的輸出決定，并根據(jù) (副控制器) 副參數(shù)與給定值(即主調(diào)節(jié)器輸出)的

14、偏差 動作的調(diào)節(jié)器稱為副調(diào)節(jié)器，記為WT2(s) 主回路(外回路)： 斷開副調(diào)節(jié)器的反饋回路后的整個回 路稱為主回路。,23,副回路： 由副參數(shù)，副調(diào)節(jié)器及其所包括的一部分對象等(內(nèi)回路) 環(huán)節(jié)所組成的閉合回路稱為副回路，副回路有 時亦稱隨動回路。 主對象： 主參數(shù)所處的那一部分工藝設(shè)備，它的輸入信號(惰性區(qū)) 為副變量，輸出信號為主參數(shù)，記為WD1(s) 副對象(導(dǎo)前區(qū))： 副參數(shù)所處的那一部分工藝設(shè)備，它的 輸入信號為調(diào)節(jié)量，其輸出信號為副參數(shù)(副變 量)，記為WD2(s),24,2. 串級控制系統(tǒng)的特點 串級控制仍然是一個定值控制系統(tǒng)

15、，主參數(shù)在干擾作用下的控制過程與單回路控制系統(tǒng)的過程具有相同的指標(biāo)和形式，但與單回路系統(tǒng)比較，串級控制系統(tǒng)具有以下特點： 1)串級控制系統(tǒng)具有很強的克服內(nèi)擾的能力 2)串級控制系統(tǒng)可減小副回路的時間常數(shù)，改善對象動態(tài)特性，提高系統(tǒng)的工作頻率。 3)串級控制系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)能力,25,3. 串級控制系統(tǒng)主副回路和主副調(diào)節(jié)器選擇 (1) 主副回路的選擇原則 1) 副回路應(yīng)該把生產(chǎn)過程的主要干擾包括在內(nèi)，力求把變化幅度最大、最劇烈和最頻繁的干擾包括在副回路內(nèi)，充分發(fā)揮副回路改善系統(tǒng)動態(tài)特性的作用，保證主參數(shù)的穩(wěn)定; 2) 選擇副回路時，應(yīng)力求把盡量多的干擾包括進去，以盡量

16、減少它們對主參數(shù)的影響，提高系統(tǒng)抗干擾能力; 3) 主副對象的時間常數(shù)應(yīng)適當(dāng)匹配，串級控制系統(tǒng)與單回路控制系統(tǒng)相比，其工作頻率提高了，但這與主副對象的時間常數(shù)選擇是有關(guān)的。原則是兩者相差大一些，效果好一些。,26,(2) 主、副回路調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇原則 1）主參數(shù)控制質(zhì)量要求不十分嚴(yán)格，同時在對副參數(shù)的要求也不高的情況下，為使兩者兼顧而采用串級控制方式，主、副調(diào)節(jié)器均可采用比例控制。 2）要求主參數(shù)波動范圍很小，且不允許有余差(穩(wěn)態(tài)誤差)，此時副調(diào)節(jié)器可采用比例控制，主調(diào)節(jié)器采用比例積分控制。 3）主參數(shù)要求高，副參數(shù)亦有一定要求，這時主副調(diào)節(jié)器均采用比例積分控制。,27,

17、從上圖可以看到，過熱汽溫串級控制系統(tǒng)中，有主、副兩個調(diào)節(jié)器。當(dāng)主汽溫度升高時，主汽溫度設(shè)定值與主汽溫度測量值的偏差，送到主調(diào)節(jié)器，其輸出信號作為副調(diào)節(jié)器的給定值，同時副調(diào)節(jié)器接受導(dǎo)前汽溫信號，取兩個偏差送到副調(diào)，副調(diào)節(jié)器輸出去控制執(zhí)行器開度，改變噴水量，進而改變了主汽溫度。當(dāng)主汽溫升高時，主調(diào)節(jié)器（反作用方式）輸出減小，副調(diào)節(jié)器（正作用方式）輸出增大，減溫水量增加，從而使主汽溫度下降。,28,1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu),圖. 導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖,二、過熱蒸汽溫度導(dǎo)前微分控制,+I2,+I1,,-I0 (給定值）,29,圖5-9 導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)原理方框圖,導(dǎo)前區(qū)對象,惰性區(qū)對象,,,內(nèi)擾,副回路：,主

18、回路：,,,,,,30,2. 導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)的特點,(1) 引入導(dǎo)前微分信號縮短了遲延時間，等效地改善了控制對象的動態(tài)特性 在汽溫導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)中，當(dāng)減溫水量發(fā)生階躍擾動時，I1、I2 變化如左圖所示。 遲延時間縮短后，可控性變好，控制品質(zhì)將得到改善。,圖. 減溫水量擾動時各信號,31,(2)引入導(dǎo)前微分信號能減小動態(tài)偏差，改善控制品質(zhì),圖5-11 閥門開度階躍擾動下汽溫特性,曲線1、2分別為 1、* 自平衡飛升特性曲線；曲線3、4為加導(dǎo)前微分信號前后的調(diào)節(jié)曲線；曲線5、6則為加導(dǎo)前微分信號前后1的過渡過程曲線。,由于遲延時間和慣性都減小了，因而在調(diào)節(jié)器參數(shù)相同的情況下，加入微分信號

19、可以減小過渡過程時間，改善控制品質(zhì)。 (3)導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)有很強的克服內(nèi)擾的能力,,,,,,32,,從上圖可以看到，采用導(dǎo)前微分信號的雙回路過熱汽溫控制系統(tǒng)， 2為減溫器出口蒸汽溫度，是局部反饋信號，稱為導(dǎo)前汽溫信號。 當(dāng)某種原因是主汽溫度發(fā)生變化時，如1和2上升時，調(diào)節(jié)器（正作用方式）輸入偏差增加，輸出指令增大，經(jīng)執(zhí)行器使噴水調(diào)節(jié)閥開度增加，減溫水量增加，減溫器出口汽溫下降。經(jīng)延時，主汽溫度下降。不難想象，如果要等到主汽溫度下降后再減小減溫水量，就可能會使減溫水量增加過的而導(dǎo)致主汽溫反而下降。在調(diào)節(jié)過程初期，由于導(dǎo)前汽溫2能比主汽溫1提前反應(yīng)調(diào)節(jié)效果，當(dāng)汽溫開始下降時，,I2,33,,信號

20、及時作用于調(diào)節(jié)器，抑制減溫水調(diào)節(jié)閥的過分開打。這對于防止因?qū)ο筮t延和慣性大而產(chǎn)生的過調(diào)，改善控制品質(zhì)，是十分有效的。 當(dāng)減溫水量發(fā)生變化或其他原因使減溫器后的溫度發(fā)生變化時，導(dǎo)前汽溫2發(fā)生變化，調(diào)節(jié)器動作，可及時調(diào)整減溫水量。因?qū)捌麥貙p溫水的變化響應(yīng)很快，所以導(dǎo)前汽溫的變化很快地被抑制，從而減小了減溫水內(nèi)部擾動對主汽溫的影響。,34,,5-3 蒸汽溫度控制系統(tǒng)實例分析,,35,左側(cè)過熱汽溫控制,右側(cè)一減調(diào)門,36,右側(cè)一減噴水后溫度設(shè)定值與左中間溫度取偏差，以及偏差變化率一塊送到FTAB（模糊控制器），查表后得到右側(cè)一減溫度解模糊后的值，將送到主調(diào)節(jié)器，其中主調(diào)節(jié)器比例系數(shù)和積分時間常數(shù)隨

21、偏差不同經(jīng)函數(shù)選擇，主調(diào)節(jié)器輸出作為副調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，副調(diào)的測量值（左一減噴水后溫度），經(jīng)副調(diào)后，再加上排粉機出口風(fēng)壓前饋信號，送到執(zhí)行器（右側(cè)一減調(diào)門），從而控制了左側(cè)過熱汽溫。,37,,,注意： 模糊控制采用偏差與偏差變化率作為輸入 量，查表后輸出作為調(diào)節(jié)器偏差輸入。 一級噴水減溫左右換位是為了防止燃燒不 均，均衡溫度 取排粉機出口風(fēng)壓作為前饋信號是為了這些 擾動信號變化對過熱蒸汽溫度的影響，改善 一級過熱蒸汽溫度的控制品質(zhì)。 主蒸汽溫度由一、二級減溫器噴水進行調(diào) 節(jié)，一級減溫器作為粗調(diào)，其噴水量應(yīng)大 些，保持后屏壁溫不超過

22、規(guī)定值。在負(fù)荷變 化不大時，一級減溫水應(yīng)基本不變，二級減 溫作為細(xì)調(diào)，其噴水量應(yīng)小些，保持主汽溫 度穩(wěn)定。,38,左側(cè)主汽溫控制,39,兩個左側(cè)主蒸汽溫度切換之后選擇好點選擇后的左側(cè)主汽溫度與左側(cè)主汽溫度設(shè)定值取偏差后送到FTAB，之后為左側(cè)主汽溫度解模糊的值送到左側(cè)住氣溫控制的主調(diào)節(jié)器，主調(diào)節(jié)器輸出作為副調(diào)節(jié)器給定，其測量值為選擇后的左側(cè)二減后溫度，送到副調(diào)節(jié)器，副調(diào)節(jié)器輸出再加上排粉機出口風(fēng)壓前饋信號送到執(zhí)行器（左側(cè)二減調(diào)門），從而控制了左側(cè)主汽溫。,40,左側(cè)再熱汽溫控制,41,左側(cè)再熱噴水減溫設(shè)定值與選擇后的左側(cè)再熱汽溫取偏差及偏差變化率送到FTAB，查表得到左側(cè)再熱噴水汽溫解模糊后的值，將該值送到左側(cè)再熱汽溫控制的主調(diào)節(jié)器，主調(diào)節(jié)器輸出作為副調(diào)節(jié)器設(shè)定值，選擇后的左側(cè)再熱減溫器后汽溫為測量值，送到副調(diào)，副調(diào)輸出再加上排粉機出口風(fēng)壓前饋信號，送到左再減執(zhí)行器控制左側(cè)再熱汽溫。,