锅炉过热蒸汽温度控制系统

-1-摘要锅炉是一种应用最广的热能装置，人们通常将燃料比喻做工业的“粮食”，那么锅炉就相当于工业的“肠胃”。目前，工业锅炉是能源转换和能源消耗的重要设备。为了保证锅炉的安全、经济运行,锅炉的水位、温度、压力、流量都要严格的控制，不应该有较大的波动，应该严格控制在一个精确的范围内，只有这样才能安全生产。工业锅炉是能源转换和消耗的重要设备，对锅炉的水位、温度、压力、流量都要严格的控制，不仅能够提高产品质量，改善操作人员的工作环境和条件，而且可以使锅炉燃烧效率最佳。我国各行各业广泛使用着大量中小型工业锅炉。锅炉工艺复杂、控制要求较高。若用微机技术进行改造,使之实现自动化,不仅可加强运行安全可靠性、提高供汽质量、减轻劳动强度,有利于环境保护和节能;而且也不必对锅炉作大幅度改造、不需要增添过多设备;是一项利国利民、经济实惠的理想举措。为了保证锅炉的安全、经济运行,锅炉的水位、温度、压力、流量都需要监控,锅炉在正常运行时，为了保证其安全和经济，必须维持主要运行参数在规定值。主要运行参数为水位、压力、温度等。随着蒸汽负荷极其因素的变化，水位、压力、温度将发生变化偏离设定值。此时，应及时调整给水量，燃料供给量和通风量，使主要参数返回到规定值。在这次设计中，主要考虑锅炉过热蒸汽温度控制对其他的变量不加考虑。为改善调节品质，引入导前汽温微分信号，组成汽温调节系统的又一种策略。由汽温被调对象的动态特性可知，导前汽温可以提前反映扰动，取其微分信号引入调节器后，由于微分信号动态时不为零稳态时为零，所以动态时可使调节器的调节作用超前，稳态时可使过热器出口汽温等于给定值，从而改善调节品质。将减温器出口温度的微分信号作为前馈信号，与过热器出口温度相加后作为过热器温度控制器测量，当减温器出口温度有变化时，才引入前馈信号。稳定工况下，该微分信号为零，与单回路控制系统相同。关键字：过热蒸汽控制串级控制反馈控制影响因素系统参数-2-一.课程设计任务与要求1.1内容（1）.介绍工业过程控制系统设计的基本原则及方法（2）.根据所提供的工艺设备的主要工艺流程图设计一套控制系统1.2任务蒸汽过热系统则是锅炉系统安垒正常运行，确保蒸汽品质的重要部分。本设计主要考虑的部分是锅炉过热蒸汽系统的控制，要求保证过热蒸汽温度稳定；1.3要求根据下列所提供的设备主要工艺流程图，对工艺热工参数进行检测显示,完成所要求的控制系统,画出控制系统图;在设计说明书中分析方案设计的理由、控制器控制規律的选择、控制器正反作用的选择、选择器类型的选择。对锅炉设备热工参数进行检测，要求上盘显示。（1）.锅炉给水压力，15MPa（2）.饱和蒸汽压力，12MPa（3）.过热蒸汽压力，11MPa（4）.炉膛负压，－70Pa（5）.鼓风机出口压力，4KPa（6）.一级过热器出口蒸汽温度，540℃（7）.一级过热器前烟气温度，960℃(8).上级省煤器后烟气温度，470℃(9).下级空气预热器后烟气温度。160℃(10).引风机入口烟气温度，150℃(11).给水流量，150t/h(12).过热蒸汽流量，143t/h(13).锅炉汽包水位，±300mm二．锅炉设备介绍锅炉是石油化工、发电等工业过程必不可少的重要动力设备，它所产生的高压蒸汽既可作为驱动透平的动力源，又可作为精馏、干燥、反应、加热等过程的热源。随着工业生产规模的不断扩大，作为动力和热源的过滤，也向着大容量、高参数、高效率的方向发展。锅炉设备根据用途、燃料性质、压力高低等有多种类型和名称，工艺流程多种多样，常用的锅炉设备的蒸汽发生系统是由给水泵、给水控制阀、省煤器、汽包及循环管等组成。-3-燃料与空气按照一定比例送入锅炉燃烧室燃烧，生成的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽，形成一点观其文的过热蒸汽，在汇集到蒸汽母管。过热蒸汽经负荷设备控制，供给负荷设备用，于此同时，燃烧过程中产生的烟气，除将饱和蒸汽变成过热蒸汽外，还经省煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空气，最后经引风送往烟囱，排入大气。锅炉设备主要工艺流程图锅炉设备的控制任务是根据生产负荷的需要，供应一定压力或温度的蒸汽，同时要使锅炉在安全、经济的条件下运行。为达到这些控制要求，锅炉设备将有多个不同的控制系统，如下：（1）.供给蒸汽量适应负荷变化需要或保持给定负荷。（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。（4）.汽包水位保持在一定范围内。（5）.保持锅炉燃料的经济性和安全性。（6）.炉膛负压保持在一定范围。三．设计原理3.1锅炉过热蒸汽温度控制系统，要求保证过热蒸汽温度稳定；锅炉蒸汽出口压力控制系统，要求保证蒸汽出口压力保持在一定范围内，同时实现逻辑提量和逻辑减量；锅炉蒸汽出口压力控制系统，要求保证蒸汽出口压力保持在一定范围内，同时实现燃烧过程的经济运行；锅炉炉膛负压控制系统，要求保证炉膛负压在一定范围内，以保证锅炉的安全运行。锅炉安全连锁控制系统，以防止回火和脱火。本设计根据任务要求主要对锅炉过热蒸汽温度控制系统进行设计与分析。-4-3.2过热蒸汽温度控制任务过热蒸汽温度控制的主要任务是维持过热器出口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；过热蒸汽温度偏低，则会降低发电机组能量转换效率。据分析，气温每降低5℃，热经济性将下降1％；且汽温偏低会使汽轮机尾部蒸汽湿度增大,甚至使之带水，严重影响汽轮机的安全运行。该机组要求控制过热蒸汽温在538～548℃的范围内。锅炉过热器出口蒸汽温度称为主蒸汽温度，主蒸汽温度和再热蒸汽温度统称为蒸汽温度。正常运行中，蒸汽温度应维持在额定值，允许波动范围一般为+5℃～-10℃。过热蒸汽温度的控制任务是维持过热器出口汽温在允许范围内，并且保护过热器使管壁温度不超过允许的工作温度.过热蒸汽温度是锅炉给水通道中温度最高的地方.过热器正常运行时的温度一般接近于材料所允许的最高温度.因此，过热蒸汽温度的上限一般不应超过额定值5℃(额定值为450℃).如果汽温偏低，则会降低全厂的热效应和影响汽轮机的安全运行，因而过热蒸汽温度的下限一般不低于额定值10℃。过热蒸汽温度控制的主要任务就是：①克服各种干扰因素，将过热器出口蒸汽温度维持在规定允许的范围内，从而保持蒸气品质合格。②保护过热器管壁温度不超过允许的工作温度。本次设计以控制减温水流量的变化来阐述对过热蒸汽温度的自动调节3.3影响过热蒸汽的主要因素3.3.1蒸汽量扰动当蒸汽量扰动时，沿过热器管道整个长度各点的温度几乎同时变化其特点是有迟延，有惯性，有自平衡能力，且T较小。当锅炉的蒸汽量增加时，对流式过热器和辐射式过热器的出口汽温随蒸汽量变化的方向是相反的。蒸汽量增加时，通过对流式过热器的烟量增加，烟温也随之升高，这两具因素都使对流过热器汽温升高。但是，由于蒸汽量增加时，炉膛温度升高较少，辐射传热量的增加比蒸汽量增加所需的吸热量增加要少，因此，当蒸汽量增加，辐射式过热器出口汽温是下降的。通过对流过热器的受热面积大于辐射过热器的受热面积，对流方式比辐射方式吸热量为多，因此，总的汽温将随蒸汽量增加而升高。蒸汽量扰动时过热蒸汽温度动态特性，但不用蒸汽量作为过热蒸汽温度的调节量，这里的蒸汽量代表锅炉负荷，其大小由外部负荷决定。-5-3.3.2.给水温度正常情况下，给水温度一般不会有大的变动；但当高压加热器因故障退出运行时，给水温度就会降低。对于直流锅炉，若燃料不变，由于给水温度降低时，加热段会加长、过热段缩短，因而过热汽温会随之降低，负荷也会降低。3.3.3.过剩空气系数过剩空气系数的变化直接影响锅炉的排烟损失。影响对流受热面与辐射受热面的吸热比例。当过剩空气系数增大时，除排烟损失增加、锅炉效率降低外炉膛水冷壁吸热减少，造成过热器进口温度降低、屏式过热器出口温度降低；虽然对流过热器吸热量有所增加，但在煤水比不变的情况下，末级过热器出口汽温会有所下降。过剩空气系数减小时的结果与增加时的相反。若要保持过热汽温不变，则需重新调整煤水比。3.3.4.烟气侧扰动由于过热器是一个热交换器，过热器出口汽温反映了工质从过热器中带走的热量和从烟气侧吸收的热量之间的平衡关系。当烟气流量或烟气温度发生扰动时，过热蒸汽温度发生变化。其特点是：有迟延、有惯性、有自平衡能力。由于烟气侧扰动是沿过热器整个长度使烟气传热量发生变化，所以过热蒸汽温度响应较快，其迟延和惯性比其它扰动要小，但一般不用烟气侧作为调节手段来调节过热蒸汽温度。改变烟量或烟温时，会影响燃烧工况，与燃烧控制互相干扰，另外，烟气侧扰动也将影响再热蒸汽温度。现有电厂热控系统仅用烟气侧作为调节再热蒸汽温度的手段，而利用减温水量来调节过热蒸汽温度。3.3.5.火焰中心高度火焰中心高度变化造成的影响与过剩空气系数变化的影响相似。在煤水比不变的情况下，火焰中心上移类似于过剩空气系数增加，过热汽温略有下降；反之，过热汽温略有上升。若要保持过热温不变，亦需重新调整煤水比。3.3.7.受热面结渣煤水比不变的调节下，炉膛水冷壁结渣时，过热汽温会有所降低；过热器结渣或积灰时，过热汽温下降较明显。前者情况发生时，调整煤水比就可；后者情况发生时，不可随便调整煤水比，必须在保证水冷壁温度不超限的前提下调整煤水比。对于直流锅炉，在水冷壁温度不超限的条件下，后四种影响过热汽温因素都可以通过调整煤水比来消除；所以，只要控制、调节好煤水比，在相当大的负荷范围内，直流锅炉的过热汽温可保持在额定值。此优点是汽包锅炉无法比拟的；但煤水比的调整，只有自动控制才能可靠完成。-6-3.3.8减温水量扰动采用喷水减温时，减温水大多来自给水系统。在给水系统压力增高时，虽然减温水调节阀的开度未变，但这时减温水量增加了，汽温因而降低。喷水减温器若发生泄漏，也会在并未操作减温水调节阀的情况下，使减温水量增大、汽温降低。3.4设计原理工业过程的输入变量有两类：控制变量和扰动变量。控制通道和扰动通道的传递函数：fsfffsesTKsGesTKsG1)(;1)(0000。其中，干扰时客观存在的，它是影响系统平稳操作的因素，而操纵变量是克服干扰的影响，使控制系统重新稳定运行的因素。操纵变量的基本原则为：①选择对所选定的被控变量影响较大的输入变量作为操纵变量，0K尽量大；②在以上前提下，选择变化范围较大的输入变量作为控制变量，以便易于控制；③在①的基础上选择对被控变量作用效应较快的输入变量作为控制变量，使控制系统响应较快00T尽量小；综合以上原则，选择减温水的输入量作为操纵变量。改变过热器入口蒸汽温度可以有效地调节过热器出口蒸汽温度，这是应用较广的一种汽温调节手段，改变入口蒸汽温度可用喷水来进行。采用减温器喷水减温时，要求有足够的调节余量，一般在减温器停运、锅炉出力最大时汽温要高于给定值约30~40℃。→→→Ⅰ段Ⅱ段喷水调节门喷水减温器（导前区）（惰性区）θ2θ1Wθ（a）-7-减温器有表面式和喷水式两种。减温器应尽可能地安装在靠近蒸汽出口处，但一定要考虑过热器材科的安全问题，这样能够获得较好的动态特蛀。但作为控制对象的过热器，由于管壁金属的热容量比较大，使之有较大的热惯性。加上管道较长有一定的传递滞后，如果用上图所示的控制系统，控制器接受过热器出口蒸汽温度变化后，控制器才开始动作，去控制减温水流量的变化又要经过一段时向才能影响到蒸汽温度这样，既不能及早发现扰动，又不能及时反映控制的效果，将使蒸汽温度发生不能允许的动态偏差。影响锅炉生产的安全和经济运行。四．方案论证4.1串级控制方案过热器出口蒸汽温度串级控制系统如下图所示。采用两级调节器，这两级调节器串在一起，各有其特殊任务，调节阀直接受控制器TC2的控制，而控制器TC2的给定值受到控制器TC1的控制，形成了特有的双闭环系统，由副调节器调节器和减温器出口温度形成的闭环称为副环。由主调节器和主信号出口蒸汽温度，形成的闭环称为主环，可见副环是串在主环之中。控制器TC1称主调节器，控制器TC2称为