毕业设计论文300mw发电机组再热汽温控制系统设计.docx

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毕业设计论文300mw发电机组再热汽温控制系统设计

摘要

本次毕业设计（论文）的题目是铁岭电厂300MW机组再热气温控制系统设计。

通过对机组的再热汽温控制系统进行现场实地观察、原理分析、可靠性论证，从而提出保证该系统长期稳定处于协调控制的方案。

在大型机组中，新蒸汽在汽轮机高压缸内膨胀做功后，需再送回到锅炉再热器中加热升温，然后再送入汽轮机中、低压缸继续做功。

采取蒸汽中间再热可以提高电厂循环热效率，降低汽轮机末端叶片的蒸汽湿度，减少汽耗等。

为了提高电厂的热经济性，大型火力发电机组广泛采用了蒸汽中间再热技术。

再热蒸汽温度控制的意义与过热蒸汽温度控制一样，是为了保证再热器、汽轮机等热力设备的安全，发挥机组的运行效率，提高电厂的经济性。

再热蒸汽温度控制的任务，是保持再热器出口蒸汽温度在动态过程中处于允许的范围内，稳态时等于给定值。

在再热蒸汽温度控制中，由于蒸汽负荷是由用户决定的，所以几乎都采用改变烟气流量作为主要控制手段，例如改变再循环烟气流量，改变尾部烟道通过再热器的烟气分流量或改变燃烧器（火嘴）的倾斜角度。

关键字再热汽温，过热蒸汽，串级

Abstract

Thisgraduationproject（paper）isthroughthehotsteamwarmcontrolsystemcarriesontheprincipleanalysis,thereliableproof,thesceneagaintotheTieLingthreeelectricity300MWunitsonthespotobserves,guaranteethissystemwhichproposedlong-termstabilityisinthecoordinationcontroltheplan.

Inthelarge-scaleunit,thenewsteaminflatestheactingafterthesteamturbinehighpressurecylinder,mustagainreturntotheboilerreheaterinheatsupelevatestemperature,thenseessomebodyoffagaininthesteamturbine,thelowpressurecylindercontinuestheacting.Adoptsamongthesteamhottobepossibletoenhancethepowerplantcirculationthermalefficiencyagain,reducesthesteamturbineterminalleafbladethesteamhumidity,reducesthesteamconsumptionandsoon.Inordertoenhancethepowerplantthehotefficiency,thelarge-scalethermoelectricitygenerationunithaswidelyusedamongthesteamagainthehottechnology.

Againthehotvaportemperaturecontrolsignificanceandthesuperheatvaportemperaturecontrolissame,isinordertoguaranteethermalenergyequipmentandsoonreheater,steamturbinesecurities,thedisplayunit'soperatingefficiency,enhancesthepowerplanttheefficiency.Againthehotvaportemperaturecontrolduty,ismaintainsthereheatertoexportthevaportemperaturetobeinthepermissioninthedynamicprocessinthescope,whenstablestateisequaltothegivenvalue.

Inagainhotvaportemperaturecontrol,becausethesteamloadisbytheuserdecision,thereforenearlyallusesthechangehazecurrentcapacitytotaketheprimarycontrolmethod,forexamplethechangecirculatesagainthehazecurrentcapacity,thechangerearpartflueorchangestheburnerthroughthereheaterhazedivergencequantity（spout）theangleoftilt.

KeywordsReheatsteam，Superheatsteam，Cascade

1引言

1.1设计课题的目的、意义

再热蒸汽温度控制的目的与过热蒸汽温度控制一样，是为了保证再热器、汽轮机等热力设备的安全，发挥机组的运行效率，提高电厂的经济性。

再热蒸汽温度控制的任务，是保持再热器出口蒸汽温度在动态过程中处于允许的范围内，稳态时等于给定值。

随着时代的发展，实现生产过程自动化对国民经济的发展有十分重大的意义。

在火力发电厂中实现热力过程自动化后能使机组安全、可靠、经济地运行。

实现热力过程自动化具有：

（1）提高机组运行的安全可靠性；

（2）提高机组运行的经济性；（3）减少运行人员，提高劳动生产率；（4）改善劳动条件等特点。

在大型机组中，新蒸汽在汽轮机高压缸内膨胀做功后，需再送回到锅炉再热器中加热升温，然后再送人汽轮机中、低压缸继续做功。

采取蒸汽中间再热可以提高电厂循环热效率，降低汽轮机末端叶片的蒸汽湿度，减少汽耗等。

为了提高电厂的热经济性，大型火力发电机组广泛采用了蒸汽中间再热技术。

因此，再热器出口蒸汽温度的控制成为大型火力发电机组不可缺少的一个控制项目。

此外，再热气温如果控制不好，容易造成再热器高温腐蚀，以及联通管泄露等事故，所以再热气温的良好控制至关重要。

某电厂在数年的运行中，由于负荷变化频繁，一直存在微量喷水减温器出口的再热蒸汽温度波动大的问题，出现的最大温度变化超过140℃。

由于再热气温完全依赖喷水减温调节，使减温器后的蒸汽过热度发生很大的波动，该点的蒸汽过热度最大变化是由150℃快速降到接近饱和蒸汽温度。

由于蒸汽温度变化大，且比较频繁，经常出现很大的温度变化率，这使该处的管道经常承受很大的交变热应力，尤其是内壁承受的热应力最大，这样经过一定时间后，就会在管道的环向焊缝内侧产生裂纹，并逐渐向周围、外侧扩散，再进一步恶化就会影响锅炉的安全运行，后果严重！

1.2国内外现状及发展趋势

1.2.1国内背景

火力发电厂在我国电力工业中占有主要地位，是我国重点能源工业之一。

大型火力发电机组在国内外发展很快，我国现以300MW机组为骨干机组，并逐步发展600MW以上机组。

目前，国外已经建成单机容量1000MW以上的单元机组。

单元发电机组是有锅炉、汽轮发电机和辅助设备组成的庞大的设备群。

由于其工艺流程复杂，设备众多，管道纵横交错，有上千个参数需要监视、操作或控制，而且电能生产还要求有高度的安全可靠性和经济性，因此，大型机组的自动化水平受到特别的重视。

目前，采用以分散微机为基础的集散型控制系统（TDCS），组成一个完整的控制、保护、监视、操作及计算等多功能自动化系统。

我国自从70年代发展125MW等级的中间再热大型电站锅炉机组以来,紧接着有200MW,300MW的国产机组问世,80年代又相继从国外引进各种300MW以上的炉型,均无一例外为中间再热机组,所以有关再热汽温调节问题也引起了锅炉界同仁的关注。

国产锅炉的再热汽调温方式大致上经历了3个发展阶段,即:

（1）烟气再循环调温技术,早在70年代上海锅炉厂生产的配125MW机组的400MW锅炉采用这一技术,其中多数是燃煤机组。

（2）80年代中尾部分隔烟道挡板再热汽调温方式得到锅炉制造厂的青睐。

随后成立的北京巴威公司生产的300MW和600MW锅炉也采用了这种调温方式。

（3）80年代后期随大型电站锅炉引进美国CE公司技术后,以CE公司锅炉技术特方式之一的摆动燃烧器调节再热汽温,已作为300MW等以上容量锅炉的调温手段。

此外,汽—汽热交换面式减温器也曾用于某些200MW锅炉的再热汽温调节,但受先天性缺陷的限制,如管组和阀门的泄漏、调温幅度小和动态特性差等,影响了其效能。

近几年来,随着各地工农业生产的迅猛发展,电力建设事业进展极快,各电厂均注重降低煤耗和发电成本,争取低价上网,而且由于地方电网装机总量的增大,一些200MW甚至300MW容量的机组作调峰运行已屡见不鲜,低负荷运行经济性已提上日程;过去影响机组安全运行的问题多半已解决,电厂领导和职能、运行管理人员所关心的已是“挖潜节能”,故对于再热汽调温问题已十分重视。

国内现状及发展趋势

国内的现状是大部分执行机构老化或技术不够先进，我们国内有很好的控制理论和控制系统，但是到执行机构这里就出现问题了！

就好像一个人有灵活的大脑，却有笨拙的四肢，无法很好的支配一样。

彭城电厂再热器控制系统就是一例，它就是以摆动燃烧器喷嘴为主要调节，微量喷水调节为辅助调节的控制手段。

它的控制系统“软件”没有问题，但是执行机构这个“硬件”就有问题了：

如四角不能同时摆动、执行机构卡涩、燃烧器摆角下垂（出现单个燃烧器下垂，也有整组燃烧器下垂），这些问题曾导致锅炉运行中燃烧不稳定，甚至造成锅炉灭火。

经多次检修处理，却不能解决这些问题，不得不将燃烧器摆角固定在一定的角度，不再参与再热汽温调节。

因此微量喷水调节就成为正常工况下汽温调整的唯一手段。

由于完全依赖喷水调节再热汽温，导致运行过程中所投入的减温水量超过设计值。

如在额定设计工况下减温水用量是5.0t/h，实际中需投用减温水量达到20～30t/h。

喷水量大幅度地频繁变化，导致减温器后的汽温变化幅度超过规定范围，对减温器后的管道产生更大的热应力。

国内发展趋势是尽量恢复燃烧器摆角作为再热汽温的主调节手段；改善被控对象的控制品质；负荷变化时，使再热汽温尽可能稳定。

2火力发电厂发电工艺简介

2.1火力发电厂概述

火力发电厂是利用化石燃料燃烧释放的热能发电的动力设施，包括燃料燃烧释热和热能电能转换以及电能输出的所有设备、装置、仪表器件，以及为此目的设置在特定场所的建筑物、构筑物和所有有关生产和生活的附属设施。

主要有蒸汽动力发电厂、燃气轮机发电厂、内燃机发电厂几种类型。

火力发电厂基本原理

电磁感应理论：

任何变化的电场都要在其周围空间产生磁场，任何变化的磁场都要在其周围空间产生电场。

热力学第一定律：

热可以变为功，功也可以变为热，消耗一定热量时，必产生相当数量的功，消耗一定量的功时，必出现相应数量的热。

热力学第二定律：

高温物体的热能可以自动传递给低温物体，而低温物体的热能却不能自动地传递给高温物体。

机械能可以自动转化为热能，而热能却不能自动转化为机械能。

主要生产过程简述

储存在煤场中的原煤由输煤设备从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（仓储式锅炉）。

煤粉仓的煤粉由给粉机送到锅炉本体的喷燃器,由喷燃器喷到炉膛内燃烧（直吹式锅炉将煤粉分离后直接送入炉膛）。

燃烧的煤粉放出大量的热能将炉膛四周水冷壁管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,分离出的水经下降管送到水冷壁管继续加热,分离出的蒸汽送到过热器,加热成符合规定温度和压力的过热饱和蒸汽,经管道送到汽轮机做功。

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通过发电机端部的引线经变压器升压后引出送入电网。

在汽轮机内作完功的过热蒸汽被凝汽器冷却成凝结水,凝结水经凝结泵送到低压加热器加热,然后送到除氧器除氧,再经给水泵送到高压加热器加热后,送到锅炉继续进行热力循环。

再热式机组采用中间再热过程,把在汽轮机高压做功之后的蒸汽送到锅炉的再热器中再热,温度合格的再热蒸汽被送到汽轮机中、低压缸继续推动汽轮机做功，如图2-1。

以上只简单地讲述了电厂从煤到电的过程，但是实际上每个设备中所进行过程都十分复杂，除了主要设备的工作原理、结构和系统外，还有自动控制保护以及设计计算、经济运行等问题。

图2-1火力发电厂生产过程

2.2火电厂三大控制系统

锅炉给水控制系统

汽包锅炉给水控制的主要任务是使锅炉的给水量跟踪锅炉的蒸发量，保证锅炉进出的物质平衡和正常运行所需的工质，对于国产300MW机组普通采用的汽包锅炉来说，就是维持汽包水位在允许范围内变化。

所以，锅炉给水控制又称“锅炉水位控制”。

汽包水位间接地反映了锅炉内物质平衡状况（主要是蒸汽负荷与给水量的平衡关系），因此，它是表征锅炉安全运行的重要参数之一，也是保证汽轮机安全运行的重要条件之一。

汽包水位过高，会降低汽包内汽水分离装置的汽水分离效果，导致出口蒸汽水分过多，使其含盐浓度增大，从而使过热器管壁结垢而导致烧坏过热器；汽包出口蒸汽中水分过多，还会使过热汽温产生急剧变化；而且使汽轮机叶片也易于结垢，降低汽轮机的出力，直接影响机组运行的安全性和经济性。

汽包水位过低，则会破坏锅炉的水循环，使某些水冷壁管束得不到炉水冷却而烧坏，甚至引起锅炉爆炸事故。

因此，为保证机组安全运行，正常情况下一般限制汽包水位在-50～+50mm范围内变化。

锅炉水位实现自动控制，不仅可提高锅炉汽轮机组的安全性，还可提高锅炉运行的经济性。

采用自动控制会使锅炉的给水连续均匀、相对稳定，从而使锅炉汽压稳定，保证锅炉在合适的参数下稳定运行，使锅炉具有较高的运行效率。

因此，电厂锅炉的给水实现自动控制以及自动控制系统保持优良的工作性能是十分重要性的。

过热蒸汽温度控制系统

锅炉过热蒸汽温度是影响锅炉生产过程安全性和经济性的重要参数。

现代锅炉的过热器是在高温、高压的条件下工作，过热器出口的过热蒸汽温度是全厂整个汽水行程中工质温度的最高点，也是金属壁温的最高处。

过热器采用的是耐高温、高压的合金钢材料，过热器正常运行时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，容易烧坏过热器，也会使蒸汽管道、汽轮机内某些零部件产生过大的热膨胀变形而毁坏，影响机组的安全运行；如果过热蒸汽温度过低，将会降低全厂的热效率，一般蒸汽温度每降低5～10℃，热效率约降低1%，不仅增加燃料消耗量，浪费能源，而且还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。

另外，过热蒸汽温度降低还会导致汽轮机高压部分级的焓降减小，引起各级反动度增大，轴向推力增大，也对汽轮机的安全运行带来不利。

所以，过热蒸汽温度过高或过低都是生产过程所不允许的。

为了保证过热蒸汽的品质和生产过程的安全性、经济性，过热蒸汽温度必须通过自动化手段加以控制。

因此，过热蒸汽温度的控制任务是：

维持过热器出口蒸汽温度在生产允许的范围内，一般要求过热蒸汽温度的偏差不超过额定值（给定值）的+5～-10℃。

再热蒸汽温度控制系

在大型机组中，新蒸汽在汽轮机高压缸内膨胀做功后，需再送回到锅炉再热器中加热升温，然后再送人汽轮机中、低压缸继续做功。

采取蒸汽中间再热可以提高电厂循环热效率，降低汽轮机末端叶片的蒸汽湿度，减少汽耗等。

为了提高电厂的热经济性，大型火力发电机组广泛采用了蒸汽中间再热技术。

因此，再热器出口蒸汽温度的控制成为大型火力发电机组不可缺少的一个控制项目。

再热蒸汽温度控制的意义与过热蒸汽温度控制一样，是为了保证再热器、汽轮机等热力设备的安全，发挥机组的运行效率，提高电厂的经济性。

再热蒸汽温度控制的任务，是保持再热器出口蒸汽温度在动态过程中处于允许的范围内，稳态时等于给定值。

3火电厂的控制系统

3.1自动控制系统基本概念

调节量：

由调节机构（阀门、挡板等）改变的流量（或能量），用以控制被调量的变化，称为调节量。

又称控制量。

被调量：

又称被控制量。

表征生产过程是否正常运行并需要加以调节的物理量。

给定值：

按生产要求被调量必须维持的希望值，简称给定值。

在许多情况下给定值是不变的（如正常运行时锅炉的汽包水位、过热蒸汽温度等），但在有些情况下给定值是变化的，如汽轮机启动过程中转速的给定值就应不断改变。

调节对象（有平衡无自衡）：

又称被控对象。

即被调节的生产过程或设备称为调节对象。

调节器：

可用来改变进入控制对象的物质或能量的装置称为调节器。

扰动：

引起被调量偏离给定值的各种原因称为扰动。

如果扰动不包括在控制回路内部就称外扰。

如果扰动发生在控制回路内部，称为内扰。

其中，由于调节机构开度变化造成的扰动，称为基本扰动。

变更控制器的给定值的扰动称为定值扰动，有时也称控制作用的扰动。

前馈调节系统（开环调节系统）：

控制系统中不是根据被调量的偏差而是直接根据扰动进行控制，及时消除扰动的影响而使被调量基本不变化（或很少变化）。

这种直接根据扰动进行控制的系统，称为前馈控制系统。

前馈控制系统有时也称“扰动补偿”。

3.2自动控制系统的分类

3.2.1前馈控制系统

在自动控制系统中，经常又扰动的产生。

当扰动发生后，被控对象受到扰动，系统会发生偏差。

如果根据被调量和给定值之间的偏差进行控制的负反馈控制系统只有当被控对象受到扰动后，只有等被调量发生变化，偏差出现后才开始控制，这种控制动作落后于扰动，必然造成控制过程中存在（动态）偏差。

可以设想，如果控制系统不是根据被调量的偏差而是根据直接扰动进行控制，就有可能及时消除扰动的影响而使被调量基本不变化（或变化很小）。

这种直接根据扰动进行控制的系统，称为前馈控制系统。

前馈控制系统又称“扰动补偿”。

1.前馈控制系统的分析

前馈控制系统的原理框图如图3.1所示：

图3.1前馈控制系统

图3.1表示一个前馈控制系统，扰动量λ是引起被调量y变化的原因，而前馈调节器在扰动出现的同时就根据扰动信号λ进行调节，用此控制作用去抵消扰动λ对被调量的影响。

如果完全抵消，被调量就可可以保持不变。

在前馈控制系统中，没有被调量（及其它）的反馈信号，所以系统是不闭合的，因此也称开环控制系统。

2.前馈控制系统的特点

（1）前馈控制系统是直接根据扰动进行控制的因此可以消除扰动对被调量的影响，减小被调量的动态偏差，而且不像反馈控制系统那样根据被调量的偏差反复调节，因此前馈控制系统的调节时间ts也较小。

（2）前馈控制系统为开环控制系统，不存在系统的稳定性问题。

但是，由于系统中不存在被调量的反馈信号，因而控制过程结束后不易得到静态偏差的具体数值。

（3）前馈控制系统只能用来克服生产过程中主要的、可测的扰动。

在实际工业生产中使被调量发生变化的原因（扰动）是很多的，对每一种扰动都需要一个独立的前馈控制，这就会使控制系统变得非常复杂；而且有的扰动往往是难于测量的，对于这些扰动就无法实现前馈控制。

（4）前馈控制系统一般只能实现局部补偿而不能保证被调量的完全不变。

3.2.2反馈控制系统

这种控制系统的基本工作原理是根据被调量与其给定值之间的偏差进行调节，最后达到减小或消除偏差，简单说就是“按偏差调节”。

为了取得偏差信号，必须要有被调量测量值的反馈信号，因而将系统构成一个闭合回路，所以这种系统也称为闭环控制系统。

1.反馈控制系统的分析

反馈控制系统框图如图3.2所示：

图3.2反馈控制系统

2.反馈控制系统的特点

（1）在反馈控制系统中，输入量和输出量存在一一对应的关系。

（2）在反馈控制系统中，除输入量对输出量产生控制作用外，输出量也参与系统的控制，因而闭环系统具有抗干扰能力。

（3）为了检测偏差，必须直接或间接地检测出输出量，并将其变换为与输入量相同的物理量以便与给定量相比较，得出偏差信号。

所以反馈控制系统必须有检测环节、给定环节和比较环节。

（4）闭环控制环节是利用偏差量作为控制信号来纠正偏差的，因此系统中必须具有执行纠正偏差这一任务的执行能够机构。

反馈系数正是靠放大的偏差信号来推动执行机构，进一步对控制对象进行控制。

只要输出量与给定值之间存在偏差，就有控制作用存在，力图纠正这一偏差。

由于反馈控制系统是利用偏差信号作为控制信号，自动纠正输出量与其期望值之间的误差，因此可以构成精确的控制系统。

3.2.3复合控制系统

在反馈控制系统的基础上加入前馈控制系统就称为前馈－反馈复合控制系统。

将经常发生的主要扰动（负荷）做为前馈信号，由于前馈信号快于被调量的偏差信号，故可以进行“立即”调节，及时克服主要扰动对被调量的影响。

利用反馈来克服其它扰动，使系统的被调量在稳态时能准确地控制在给定值。

在复合控制系统中把前馈控制称为粗调，把反馈控制称为细调。

只要充分利用前馈与反馈的优点，可以提高控制质量。

3.3性能指标

一个控制系统控制品质的优劣，常用一些性能指标来评价。

性能指标可以用计算的方法得到，也可以从控制过程曲线（被调量的阶跃响应曲线）上直观地得出。

最常用的设计是时域（以时间为自由变量的研究领域）性能指标。

时域性能指标有可以分为单项性能指标和综合性能指标。

在过程控制种对定值控制系统和随动控制系统的要求不同，就产生了两类不同要求的性能指标。

对于定值控制系统，控制要求的是克服扰动的影响，市被控量保持在给定的范围。

对于随动控制系统，控制要求是使被控制量跟踪新给定值。

这两类系统同样要求被控制量接近给定值，但控制要求不完全相同。

在定制控制系统中，突出的要求是克服扰动的性能。

在扰动发生后，希望被控制量稳定、准确、快速地达到给定值或新的平衡状态。

在随动控制系统中突出的要求是跟踪性能，希望被控制量稳定、准确、快速地跟踪新给定值。

从以上的论述可以看出衡量控制系统调节品质优劣的性能指标可以归纳为三个，即系统的稳定性、快速性、准确性。

控制过程的稳定性是对控制系统最基本的要求。

不稳定的系统在生产上是不能采用的。

边界稳定的系统一般也是不符合生产要求的，只有稳定系统才能完成正常的调节任务。

准确性是指被调量的实际值与给定值之间的动态偏差和静态偏差。

动态偏差表示系统短期偏离给定值的程度。

静态偏差表示长期偏离给定值的程度。

所偏离越大，则控制系统离开规定的工况就越远，这是不希望的。

最大静态偏差往往出现在负荷发生最大幅度的变化时，即有满负荷跌到零负荷时。

快速性是指控制过程持续时间，控制过程的时间越短，即控制过程进行得越迅速，说明控制系统克服干扰的能力越强。

上述性能指标在同一系统中是相互制约的，在不同的系统中，则各有其重要性。

因此，在设计自动控制系统时，应该根据具体情况分清主次、区别对待，对于那些主要的指标应优先予以保证。

3.4调节器的控制规律

自动调节器（简称调节器）和控制对象组成一个相互作用的闭合回路如图3.3所示。

图3.3调节系统示意图

调节器根据被调量y与规定值r的偏差信号e而使执行机构按一定规律动作，从而引起调节机关位置μ的变化。

调节器输入