單元機組蒸汽溫度控制系統(tǒng)

1、第二章 單元機組蒸汽溫度控制系統(tǒng)2.1 機組過熱器與再熱器工藝流程簡介某電廠300MW機組過熱器和再熱器布置流程簡圖如圖 2-1所示過熱器的組成及布置由圖看出，在水冷壁中產(chǎn)生的蒸汽經(jīng)過汽包進行汽水分離，干燥后以干飽和蒸汽狀態(tài)離開汽包進入過熱器受熱面。HG1025/12.28YM11型亞臨界自然循環(huán)鍋爐過熱器由五個主要部分組成，即末級過熱器，后屏過熱器，分隔屏過熱器，立式低溫過熱器，水平低溫過熱器，另外還包括后煙道包墻過熱器和頂棚過熱器。末級過熱器位于水冷壁垂簾管后方的水平煙道內(nèi)；后屏過熱器位于爐膛出口折焰角前方；立式低溫過熱器位于尾部堅井煙道轉(zhuǎn)向室處。后煙道包墻和頂棚過熱器部分由側(cè)墻、前墻、后

2、墻和頂棚組成，形成垂直下行管道，后煙道延伸包墻形成一部分水平管道，爐膛頂棚管形成了爐膛和水平煙道部分的頂棚。 再熱器的組成及布置來自汽輪機高壓缸排氣口的冷再熱蒸汽通過位于熱回收區(qū)底部的再熱器入口聯(lián)箱進入再熱器，逆流流經(jīng)再熱器管道排進入位于水平煙道上部的再熱器出口聯(lián)箱，然后由熱再熱管道返回汽機。某機組的順流再熱器系統(tǒng)為順流立式布置，主要有三部分組成，即末級再熱器（高再），低溫再熱器（壁再），墻式輻射式再熱器（屏再）。其汽溫特性與過熱器相同。末級再熱器位于水平煙道內(nèi)，在水冷壁懸吊管和水冷壁之間；后屏再熱器位于后墻懸吊管和后屏過熱器之間；墻式再熱器布置在水冷壁前墻和側(cè)水冷壁位于前部的部分。2.2 汽

3、溫控制的任務(wù)及汽溫對象的動態(tài)特性2.2.1 汽溫控制的任務(wù)及其必要性鍋爐生產(chǎn)的蒸汽參數(shù)包括汽溫和汽壓，這兩個參數(shù)是表征發(fā)電機組運行狀況的重要指標之一。某電廠300MW機組主汽溫額定值為540，主汽壓力為17.36MPa。一般要求主汽溫度在鍋爐出力為70%100%范圍內(nèi)不超過+5-10。通常在5范圍內(nèi)波動。汽溫對象的靜態(tài)特性當要求鍋爐蒸發(fā)量增加時，控制系統(tǒng)使燃料量和送風量增加，流過過熱器對流過熱段的煙量和煙溫都增加，使對流過熱段出口汽溫上升，但此時爐膛汽溫基本不變，過熱器輻射過熱段接受熱量基本不變，但此時流過過熱器的蒸汽流量增大，故輻射過熱段出口汽溫下降。過熱汽溫靜態(tài)特性如圖2-2所示。2.2.

4、3汽溫對象的動態(tài)特性影響鍋爐汽溫變化的因素與機組的運行方式，運行狀況有關(guān)，這些因素從煙氣側(cè)來說包括燃燒工況變化、受熱面的潔凈程度等；蒸汽側(cè)包括蒸汽流量變化、鍋爐給水溫度變化、減溫水流量和減溫水焓等。但歸納起來，主要有三個方面：2.2.3.1蒸汽流量（負荷）擾動下對汽溫的影響當鍋爐負荷擾動時，蒸汽流量的變化使沿整個過熱器管路長度上各點的蒸汽流速幾乎同時改變，從而改變過熱器的對流放熱系數(shù)，使過熱器各點的蒸汽溫度幾乎同時改變，因而汽溫反應(yīng)較快。過熱器出口汽溫的階躍響應(yīng)曲線如圖2-3所示，其特點是：有滯后、有慣性、有自平衡能力，且c較小。但由于蒸汽量是由機組負荷決定的，不能用來作為調(diào)節(jié)氣溫的手段。.2

5、 煙氣側(cè)擾動下過熱汽溫的動態(tài)特性煙氣側(cè)對汽溫的影響干擾因素較多。由于過熱器及再熱器是熱交換器，其出口汽溫反映了蒸汽帶走的熱量和煙氣側(cè)吸收的熱量之間的熱平衡關(guān)系。因此，凡是影響煙氣和蒸汽之間換熱的因素都是對汽溫的擾動因素。煙氣側(cè)的擾動主要包括以下幾方面：（1） 煤質(zhì)的變化燃煤中的水分和灰分增加時，燃煤的發(fā)熱量降低，為了保證鍋爐蒸發(fā)量，必須增加燃料消耗量。因為水分蒸發(fā)和灰分本身提高溫度均要吸收爐內(nèi)的熱量，故使爐內(nèi)溫度水平降低，爐內(nèi)輻射傳熱量減少；爐膛出口煙溫升高，水分增加使煙氣體積增大，煙氣流速增加，使對流傳熱增加，故使汽溫升高。當燃煤的揮發(fā)分降低，含碳量增加（例如由燒煙煤該成燒無煙煤或貧煤）或煤

6、粉較粗時，煤粉在爐內(nèi)的燃盡時間較長，火焰中心上移，爐膛出口煙溫升高，從而使汽溫上升。（2）爐內(nèi)過?？諝庀禂?shù)的變化當送風量和漏風量增加使爐內(nèi)過?？諝庀禂?shù)增加時，低溫空氣的吸熱及煙氣容量的增加將使爐膛溫度降低，流經(jīng)過熱器的煙量增加，煙速增高，使對流過熱器傳熱加強，汽溫升高。（3）燃燒器運行方式的變化燃燒器運行方式改變，例如，燃燒器從上排切換到下排，或燃燒其的噴口角度改變時，火焰中心位置也會改變，從而引起汽溫變化。（4）爐膛負壓變化煙氣流速或煙溫階躍擾動時汽溫的動態(tài)特性與圖2-3所示基本相同，由于煙氣側(cè)的擾動是沿過熱器及再熱器整個管段長度使煙氣傳熱量同時變化的，所以汽溫變化反應(yīng)較快，因此可以利用煙氣

7、側(cè)的擾動，如利用改變煙氣流速或煙溫來作為調(diào)節(jié)汽溫的手段，例如可以采用煙氣旁路、煙氣再循環(huán)和改變噴燃器角度等辦法，但這種控制手段受具體裝置結(jié)構(gòu)限制較大，在過熱汽溫控制中應(yīng)用較少，通常用于再熱汽溫控制。2.2.3.3 減溫水流量擾動下對汽溫的影響在設(shè)計鍋爐時，為使鍋爐在負荷低于額定值的某個范圍內(nèi)汽溫仍能達到給定值，總是使額定負荷下過熱汽溫高于它的額定值。對于中壓鍋爐，在額定負荷時，過熱汽溫比額定值高2540；對于高壓缸，則高4060，而后，采用在蒸汽中噴入減溫水的辦法來控制過熱汽溫。從鍋爐給水中取出減溫水噴入減溫器與蒸汽混合，水吸收蒸汽熱量，從而降低蒸汽溫度或增加蒸汽濕度，使過熱器出口汽溫降低。減

8、溫器的安裝位置通常在過熱器低溫段與高溫段之間。過熱汽溫控制對象可分為兩部分：過熱汽溫導(dǎo)前區(qū)（主要為減溫器）和過熱汽溫惰性區(qū)（過熱器受熱面）這兩部分串聯(lián)組成對象調(diào)節(jié)通道，如圖2-4(a)所示。當減溫水流量擾動時，過熱汽溫導(dǎo)前區(qū)和惰性區(qū)的相應(yīng)曲線可用圖2-4(b)表示，從圖中可看出，其特點是有遲延、有慣性、有自平衡能力?？梢姡斬摵蓴_動或煙氣熱量擾動時，汽溫的反應(yīng)較快；而減溫水量擾動時，汽溫的反應(yīng)較慢。因而從過熱汽溫控制對象動態(tài)特性的角度考慮，改變煙氣側(cè)參數(shù)（改變煙溫或煙氣流量）的控制手段是比較理想的（因為負荷信號由用戶決定，不能作為控制量），但具體實現(xiàn)較困難，所以一般很少采用。噴水減溫對過熱器的

9、安全運行比較有利，所以盡管對象的特性不太理想，但還是目前廣泛被采用的蒸汽溫度控制方法。采用噴水減溫時，由于對象控制通道有較大的遲延和慣性以及運行中要求有較小的汽溫控制偏差，所以采用單回路控制系統(tǒng)往往不能獲得較好的控制品質(zhì)。針對過熱汽溫的控制對象控制通道慣性遲延大、被調(diào)量信號反饋慢的特點，應(yīng)該引入能夠提前反映擾動的導(dǎo)前信號，構(gòu)成多回路系統(tǒng)，以改善對象控制通道的動態(tài)特性，提高控制系統(tǒng)的質(zhì)量。目前采用的過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)主要有串級控制系統(tǒng)和采用導(dǎo)前汽溫微分信號的雙回路汽溫控制系統(tǒng)。2.3.汽溫自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)方案2.3.1串級汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)（1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理串級汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作原理如圖2-5所示

10、，這里取減溫器后的汽溫信號2作為串級系統(tǒng)的輔助被調(diào)量信號，該信號能夠快速反映擾動，只要2變化，內(nèi)回路就立即動作，用副調(diào)節(jié)器Wa2(s)的輸出去控制減溫水量，使2維持在一定范圍內(nèi)，初步穩(wěn)定出口汽溫1 。1 的最終校正是通過外回路中主調(diào)節(jié)器Wa1(s)來完成的，調(diào)節(jié)過程結(jié)束時，應(yīng)使過熱器出口汽溫等于其給定值。串級汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)中內(nèi)、外兩個回路的作用是不同的，內(nèi)回路的作用在于盡快消除擾動；外回路的作用在于對出口汽溫進行最終校正，使其等于給定值。由于內(nèi)、外回路的調(diào)節(jié)任務(wù)不同，主、副調(diào)節(jié)器動作規(guī)律的選擇也有差異，副調(diào)節(jié)器Wa2(s)可選用P或PI規(guī)律；主調(diào)節(jié)器Wa1(s)應(yīng)選用PI或PID 規(guī)律。圖2-5

11、 串級汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理圖（2）串級汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)的分析與整定根據(jù)圖2-5，可以做出串級汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理方框圖如下圖2-6。一般講，汽溫對象導(dǎo)前區(qū)的遲延和慣性比惰性區(qū)要小，而且副調(diào)節(jié)器又選用P或PI調(diào)節(jié)規(guī)律，在這種情況下，內(nèi)回路的調(diào)節(jié)過程要比外回路的調(diào)節(jié)過程快得多。當發(fā)生減溫水量的內(nèi)擾時內(nèi)回路可以很快地予以消除而使主汽溫度基本上不受影響。因此內(nèi)回路動作時，外回路可以視為開路狀態(tài)；當外回路動作時，內(nèi)回路可視為快速回路分別整定的方法進行整定。圖2-6串級汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理方框圖 采用導(dǎo)前汽溫微分信號的雙回路汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用導(dǎo)前汽溫微分信號的雙回路汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)如圖2-7所示。由圖可見，這個系統(tǒng)是由兩個閉合

12、回路構(gòu)成的雙回路汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)。汽溫對象調(diào)節(jié)通道中存在比較大的遲延和慣性，當發(fā)生外部擾動時，其調(diào)節(jié)過程的品質(zhì)是不理想的。為了改善調(diào)節(jié)質(zhì)量，可以引入導(dǎo)前汽溫的微分信號，導(dǎo)前汽溫2 可以提前反映擾動，取其微分信號引入PI調(diào)節(jié)器后，一來可以使調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)動作超前，二來當系統(tǒng)進入穩(wěn)定時微分信號為零，并步影響主汽溫1 的穩(wěn)定值。因此可以改善系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)。圖2-7 采用導(dǎo)前汽溫微分信號的雙回路汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)由圖2-7可以作出如下圖所示的導(dǎo)前汽溫微分信號雙回路汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)的原理方框圖。從圖可以看出該系統(tǒng)是由兩個閉合回路構(gòu)成的。內(nèi)回路（導(dǎo)前補償回路）由WPI(s)、KZ 、K、Wo2(s) 2、WD(s)、等組

13、成。外回路由整個內(nèi)回路及Wo1(s)、1等組成，系統(tǒng)中由四個整定參數(shù)，即 TD、 KD 、Ti 。從不同的分析問題的角度出發(fā)，可以到處兩種不同的分析整定該系統(tǒng)的方法，即等效串級整定方法和補償整定方法。圖2-8 導(dǎo)前汽溫微分信號雙回路汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)的原理方框圖等效串級整定等效串級整定是將框圖變化為串級形式的雙回路系統(tǒng)，在內(nèi)、外回路中分別形成了兩個等效調(diào)節(jié)器。等效為串級系統(tǒng)后，當滿足內(nèi)回路主震蕩頻率遠高于外回路時，可以采用內(nèi)外回路分別整定的方法進行系統(tǒng)整定。補償整定方法補償法考慮問題的出發(fā)點在于采用一個調(diào)節(jié)裝置補償被調(diào)對象的遲延和慣性，以便形成一個慣性和遲延較小，相對比較容易控制的對象，以改善系統(tǒng)的

14、調(diào)節(jié)品質(zhì)。補償后的調(diào)節(jié)對象，要求動態(tài)時具有導(dǎo)前區(qū)汽溫對象的動態(tài)特性，穩(wěn)態(tài)時具有主汽溫特性。2.4 300MW機組過熱汽溫控制系統(tǒng) 過熱器噴水減溫系統(tǒng)流程圖300MW機組過熱汽溫采用，兩級噴水減溫控制，其中二級減溫器分左右兩側(cè)，對稱布置，如下圖2-9所示。減溫水來自給水泵出口母管。一級減溫器值設(shè)置了一個噴水調(diào)節(jié)閥，二級減溫器左右兩側(cè)各有一個噴水調(diào)節(jié)閥。 過熱器一級噴水減溫控制系統(tǒng)一級減溫器安裝在初級過熱器出口聯(lián)箱和分隔屏過熱器入口聯(lián)箱之間，根據(jù)爐膛內(nèi)分隔屏過熱器出口汽溫和一級噴口減溫器出口汽溫的大小，控制一級減溫器噴水調(diào)節(jié)閥的開度，以調(diào)節(jié)減溫水量的大小，達到使分隔屏過熱器出口汽溫為設(shè)定值的目的。

15、一級噴水減溫控制系統(tǒng)如圖2-10所示，下面介紹其工作原理。.1 一級噴水減溫控制系統(tǒng)的作用該系統(tǒng)通過一級減溫水流量的控制，使分隔屏過熱器出口汽溫維持在給定值，以保證屏式過熱器壁管不要超溫，同時配合末級過熱器控制系統(tǒng)的工作。由圖2-2可以看出，該系統(tǒng)所采用的是串級汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)，且同時加入了負荷側(cè)和燃料側(cè)的前饋控制信號。2.4.2.2 分割屏過熱器出口汽溫偏差信號的形成 由圖2-10可知，分隔屏過熱器出口汽溫的測量點設(shè)在分隔屏過熱器出口，左右兩側(cè)各有一個測點，左側(cè)測點和右側(cè)測點經(jīng)兩選一后輸出作為實測值。再經(jīng)低通濾波后送往PID控制器的測量信號端。分隔屏過熱器出口汽溫的設(shè)定值與機組負荷有關(guān)。對應(yīng)不同

16、負荷運行工況下的主蒸汽流量經(jīng)函數(shù)模塊處理成響應(yīng)的分隔屏過熱器出口汽溫設(shè)定值，根據(jù)實際運行的特點，有時需要對該設(shè)定值的大小進行調(diào)整，故該系統(tǒng)中設(shè)置了模擬量設(shè)定器，由運行人員通過OM窗口微調(diào)分隔屏過熱器出口汽溫設(shè)定值的大小。圖中加法器的輸出就是分隔屏過熱器出口汽溫設(shè)定值。該值送至PID控制器設(shè)定信號端。 以上所得到得測量值和設(shè)定值相比較，即可得到分隔屏過熱器出口汽溫偏差信號。.3 前饋信號由過熱汽溫對象動態(tài)特性可知，蒸汽負荷變化和煙氣側(cè)擾動均對汽溫有較大的影響。一般地，當機組負荷變化時，首先改變?nèi)剂狭?，然后改變送風量和引風量等，所以本系統(tǒng)引入了總?cè)剂狭康膶嶋H微分前饋，由加法模塊實現(xiàn)；同時，也引入了

17、主蒸汽流量的比例微分或?qū)嶋H微分前饋，由函數(shù)模塊實現(xiàn)。這樣可提高該系統(tǒng)在負荷變化和燃料擾動時一級減溫水量調(diào)整的響應(yīng)速度，同時也可以在負荷變化時，協(xié)助末級過熱器出口汽溫的調(diào)解工作。.4 導(dǎo)前汽溫微分信號的形成 如圖2-10可以看出，導(dǎo)前汽溫信號(即一級噴水減溫器出口溫度信號)有兩個測點，經(jīng)兩選一處理后得到其實測值，然后通過實際微分運算后得到導(dǎo)前汽溫的微分信號。所以導(dǎo)前汽溫微分信號的強度與一級減溫器出口汽溫的變化速度和變化幅度有關(guān)，從而能有效地控制一級減溫器噴水量，穩(wěn)定分割屏過熱器出口汽溫。.5 一級減溫水量調(diào)節(jié)閥控制回路 分隔屏過熱器出口汽溫偏差經(jīng)PID調(diào)節(jié)器運算后的輸出，與主蒸汽流量的微分前饋信

18、號疊加后送到副PID調(diào)節(jié)器，作為一級減溫器出口汽溫的設(shè)定值。副調(diào)節(jié)器的入口偏差就是該設(shè)定值與該導(dǎo)前汽溫信號之間的差值。副調(diào)節(jié)器對該偏差進行PID運算后，再加上總?cè)剂狭康奈⒎智梆佇盘枺玫降木褪且患墱p溫器噴水閥調(diào)門開度的指令信號。.6 手/自動切換 從圖2-11所示邏輯關(guān)系可知，當以下條件任一滿足時，一級減溫水控制切為手動運行方式。這些條件是：l 一級減溫器出口溫度測量故障；l 分隔屏過熱器出口溫度測量故障；l 主蒸汽流量測量故障；l 總?cè)剂狭繙y量故障；l 分隔屏過熱器出口汽溫偏差超限。 在手動方式，運行人員通過OM窗口的模擬量操作器設(shè)定一級減溫水調(diào)節(jié)閥開度的位置，控制一級減溫水流量的大小。末

19、級過熱器出口汽溫控制系統(tǒng).1末級過熱器出口汽溫控制系統(tǒng)的作用末級過熱器出口汽溫控制系統(tǒng)是為了保證鍋爐出口（即末級過熱器出口）蒸汽溫度為設(shè)定值而設(shè)置的。通過調(diào)節(jié)二級減溫器的噴水流量，達到控制末級過熱器出口汽溫的目的。 二級減溫器安裝在分隔屏過熱器出口聯(lián)箱和末級過熱器入口聯(lián)箱之間，分左右兩側(cè)布置有兩個噴水減溫器，故也設(shè)置了兩套完全相同的控制系統(tǒng)，下面以左側(cè)末級過熱器出口汽溫控制系統(tǒng)為例，根據(jù)圖2-4所示控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，介紹其工作原理。.2末級過熱器出口汽溫偏差的形成 由圖2-12可知，末級過熱器出口蒸汽管道分左右布置，末級過熱汽溫測量點設(shè)在左右兩側(cè)，每側(cè)各有2個測點，左側(cè)的2個測點經(jīng)兩選一后輸出作為實測值。再經(jīng)低通濾波后送往PID控制器的測量值信號端。末級過熱器出口汽溫的設(shè)定值與機組負荷有關(guān)。對應(yīng)于不同負荷運行工況下的主蒸汽流量經(jīng)函數(shù)模塊處理成相應(yīng)的末級過熱器出口汽溫設(shè)定值，根據(jù)實際運行的特點，有時需要對該設(shè)定值的大小進行調(diào)整，故該系統(tǒng)設(shè)置了模擬量設(shè)定器，可由運行人員通過OM窗口微調(diào)末級過熱器出口汽溫設(shè)定值的大小。圖中加法器的輸出就是末級過熱器出口汽溫設(shè)定值。該值送至PID