单元机组蒸汽温度控制系统.docx

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单元机组蒸汽温度控制系统

单元机组蒸汽温度控制系统

2.1机组过热器与再热器工艺流程简介

某电厂300MW机组过热器和再热器布置流程简图如图2-1所示

2.1.1过热器的组成及布置

由图看出，在水冷壁中产生的蒸汽经过汽包进行汽水分离，干燥后以干饱和蒸汽状态离开汽包进入过热器受热面。

HG1025/12.28—YM11型亚临界自然循环锅炉过热器由五个主要部分组成，即末级过热器，后屏过热器，分隔屏过热器，立式低温过热器，水平低温过热器，另外还包括后烟道包墙过热器和顶棚过热器。

末级过热器位于水冷壁垂帘管后方的水平烟道内；后屏过热器位于炉膛出口折焰角前方；立式低温过热器位于尾部坚井烟道转向室处。

后烟道包墙和顶棚过热器部分由侧墙、前墙、后墙和顶棚组成，形成垂直下行管道，后烟道延伸包墙形成一部分水平管道，炉膛顶棚管形成了炉膛和水平烟道部分的顶棚。

2.1.2再热器的组成及布置

来自汽轮机高压缸排气口的冷再热蒸汽通过位于热回收区底部的再热器入口联箱进入再热器，逆流流经再热器管道排进入位于水平烟道上部的再热器出口联箱，然后由热再热管道返回汽机。

某机组的顺流再热器系统为顺流立式布置，主要有三部分组成，即末级再热器（高再），低温再热器（壁再），墙式辐射式再热器（屏再）。

其汽温特性与过热器相同。

末级再热器位于水平烟道内，在水冷壁悬吊管和水冷壁之间；后屏再热器位于后墙悬吊管和后屏过热器之间；墙式再热器布置在水冷壁前墙和侧水冷壁位于前部的部分。

2.2汽温控制的任务及汽温对象的动态特性

2.2.1汽温控制的任务及其必要性

锅炉生产的蒸汽参数包括汽温和汽压，这两个参数是表征发电机组运行状况的重要指标之一。

某电厂300MW机组主汽温额定值为540℃，主汽压力为17.36MPa。

一般要求主汽温度在锅炉出力为70%——100%范围内不超过+5℃———-10℃。

通常在±5℃范围内波动。

2.2.2汽温对象的静态特性

当要求锅炉蒸发量增加时，控制系统使燃料量和送风量增加，流过过热器对流过热段

的烟量和烟温都增加，使对流过热段出口汽温上升，但此时炉膛汽温基本不变，过热器辐射过热段接受热量基本不变，但此时流过过热器的蒸汽流量增大，故辐射过热段出口汽温下降。

过热汽温静态特性如图2-2所示。

2.2.3汽温对象的动态特性

影响锅炉汽温变化的因素与机组的运行方式，运行状况有关，这些因素从烟气侧来说包括燃烧工况变化、受热面的洁净程度等；蒸汽侧包括蒸汽流量变化、锅炉给水温度变化、减温水流量和减温水焓等。

但归纳起来，主要有三个方面：

2.2.3.1蒸汽流量（负荷）扰动下对汽温的影响

当锅炉负荷扰动时，蒸汽流量的变化使沿整个过热器管路长度上各点的蒸汽流速几乎同时改变，从而改变过热器的对流放热系数，使过热器各点的蒸汽温度几乎同时改变，因而汽温反应较快。

过热器出口汽温的阶跃响应曲线如图2-3所示，其特点是：

有滞后、有惯性、有自平衡能力，且τ／Ｔc较小。

但由于蒸汽量是由机组负荷决定的，不能用来作为调节气温的手段。

2.2.3.2烟气侧扰动下过热汽温的动态特性

烟气侧对汽温的影响干扰因素较多。

由于过热器及再热器是热交换器，其出口汽温反映了蒸汽带走的热量和烟气侧吸收的热量之间的热平衡关系。

因此，凡是影响烟气和蒸汽之间换热的因素都是对汽温的扰动因素。

烟气侧的扰动主要包括以下几方面：

（1）煤质的变化

燃煤中的水分和灰分增加时，燃煤的发热量降低，为了保证锅炉蒸发量，必须增加燃料消耗量。

因为水分蒸发和灰分本身提高温度均要吸收炉内的热量，故使炉内温度水平降低，炉内辐射传热量减少；炉膛出口烟温升高，水分增加使烟气体积增大，烟气流速增加，

使对流传热增加，故使汽温升高。

当燃煤的挥发分降低，含碳量增加（例如由烧烟煤该成烧无烟煤或贫煤）或煤粉较粗时，煤粉在炉内的燃尽时间较长，火焰中心上移，炉膛出口烟温升高，从而使汽温上升。

（2）炉内过剩空气系数

的变化

当送风量和漏风量增加使炉内过剩空气系数增加时，低温空气的吸热及烟气容量的增加将使炉膛温度降低，流经过热器的烟量增加，烟速增高，使对流过热器传热加强，汽温升高。

（3）燃烧器运行方式的变化

燃烧器运行方式改变，例如，燃烧器从上排切换到下排，或燃烧其的喷口角度改变时，火焰中心位置也会改变，从而引起汽温变化。

（4）炉膛负压变化

烟气流速或烟温阶跃扰动时汽温的动态特性与图2-3所示基本相同，由于烟气侧的扰动是沿过热器及再热器整个管段长度使烟气传热量同时变化的，所以汽温变化反应较快，因此可以利用烟气侧的扰动，如利用改变烟气流速或烟温来作为调节汽温的手段，例如可以采用烟气旁路、烟气再循环和改变喷燃器角度等办法，但这种控制手段受具体装置结构限制较大，在过热汽温控制中应用较少，通常用于再热汽温控制。

2.2.3.3减温水流量扰动下对汽温的影响

在设计锅炉时，为使锅炉在负荷低于额定值的某个范围内汽温仍能达到给定值，总是使额定负荷下过热汽温高于它的额定值。

对于中压锅炉，在额定负荷时，过热汽温比额定值高25～40℃；对于高压缸，则高40～60℃，而后，采用在蒸汽中喷入减温水的办法来控制过热汽温。

从锅炉给水中取出减温水喷入减温器与蒸汽混合，水吸收蒸汽热量，从而降低蒸汽温度或增加蒸汽湿度，使过热器出口汽温降低。

减温器的安装位置通常在过热器低温段与高温段之间。

过热汽温控制对象可分为两部分：

过热汽温导前区（主要为减温器）和过热汽温惰性区（过热器受热面）这两部分串联组成对象调节通道，如图2-4（a）所示。

当减温水流量扰动时，过热汽温导前区和惰性区的相应曲线可用图2-4（b）表示，从图中可看出，其特点是有迟延、有惯性、有自平衡能力。

可见，当负荷扰动或烟气热量扰动时，汽温的反应较快；而减温水量扰动时，汽温的反应较慢。

因而从过热汽温控制对象动态特性的角度考虑，改变烟气侧参数（改变烟温或烟气流量）的控制手段是比较理想的（因为负荷信号由用户决定，不能作为控制量），但具体实现较困难，所以一般很少采用。

喷水减温对过热器的安全运行比较有利，所以尽管对象的特性不太理想，但还是目前广泛被采用的蒸汽温度控制方法。

采用喷水减温时，由于对象控制通道有较大的迟延和惯性以及运行中要求有较小的汽温控制偏差，所以采用单回路控制系统往往不能获得较好的控制品质。

针对过热汽温的控制对象控制通道惯性迟延大、被调量信号反馈慢的特点，应该引入能够提前反映扰动的导前信号，构成多回路系统，以改善对象控制通道的动态特性，提高控制系统的质量。

目前采用的过热蒸汽温度控制系统主要有串级控制系统和采用导前汽温微分信号的双回路汽温控制系统。

2.3.汽温自动调节系统方案

2.3.1串级汽温调节系统

（1）系统结构及工作原理

串级汽温调节系统的工作原理如图2-5所示，这里取减温器后的汽温信号θ2作为串级系统的辅助被调量信号，该信号能够快速反映扰动，只要θ2变化，内回路就立即动作，用副调节器Wa2（s）的输出去控制减温水量，使θ2维持在一定范围内，初步稳定出口汽温θ1。

θ1的最终校正是通过外回路中主调节器Wa1（s）来完成的，调节过程结束时，应使过热器出口汽温等于其给定值。

串级汽温调节系统中内、外两个回路的作用是不同的，内回路的作用在于尽快消除扰动；外回路的作用在于对出口汽温进行最终校正，使其等于给定值。

由于内、外回路的调节任务不同，主、副调节器动作规律的选择也有差异，副调节器Wa2（s）可选用P或PI规律；主调节器Wa1（s）应选用PI或PID规律。

图2-5串级汽温调节系统原理图

（2）串级汽温调节系统的分析与整定

根据图2-5，可以做出串级汽温调节系统原理方框图如下图2-6。

一般讲，汽温对象导前区的迟延和惯性比惰性区要小，而且副调节器又选用P或PI调节规律，在这种情况下，内回路的调节过程要比外回路的调节过程快得多。

当发生减温水量的内扰时内回路可以很快地予以消除而使主汽温度基本上不受影响。

因此内回路动作时，外回路可以视为开路状态；当外回路动作时，内回路可视为快速回路分别整定的方法进行整定。

图2-6串级汽温调节系统原理方框图

2.3.2采用导前汽温微分信号的双回路汽温调节系统

采用导前汽温微分信号的双回路汽温调节系统如图2-7所示。

由图可见，这个系统是由两个闭合回路构成的双回路汽温调节系统。

汽温对象调节通道中存在比较大的迟延和惯性，当发生外部扰动时，其调节过程的品质是不理想的。

为了改善调节质量，可以引入导前汽温的微分信号，导前汽温θ2可以提前反映扰动，取其微分信号引入PI调节器后，一来可以使调节器的调节动作超前，二来当系统进入稳定时微分信号为零，并步影响主汽温θ1的稳定值。

因此可以改善系统的调节品质。

图2-7采用导前汽温微分信号的双回路汽温调节系统

由图2-7可以作出如下图所示的导前汽温微分信号双回路汽温调节系统的原理方框图。

从图可以看出该系统是由两个闭合回路构成的。

内回路（导前补偿回路）由WPI（s）、KZ、Kμ、Wo2（s）2、WD（s）、γθ等组成。

外回路由整个内回路及Wo1（s）、γθ1等组成，系统中由四个整定参数，即TD、KD、Ti。

从不同的分析问题的角度出发，可以到处两种不同的分析整定该系统的方法，即等效串级整定方法和补偿整定方法。

图2-8导前汽温微分信号双回路汽温调节系统的原理方框图

等效串级整定

等效串级整定是将框图变化为串级形式的双回路系统，在内、外回路中分别形成了两个等效调节器。

等效为串级系统后，当满足内回路主震荡频率远高于外回路时，可以采用内外回路分别整定的方法进行系统整定。

补偿整定方法

补偿法考虑问题的出发点在于采用一个调节装置补偿被调对象的迟延和惯性，以便形成一个惯性和迟延较小，相对比较容易控制的对象，以改善系统的调节品质。

补偿后的调节对象，要求动态时具有导前区汽温对象的动态特性，稳态时具有主汽温特性。

2.4300MW机组过热汽温控制系统

2.4.1过热器喷水减温系统流程图

300MW机组过热汽温采用，两级喷水减温控制，其中二级减温器分左右两侧，对称布置，如下图2-9所示。

减温水来自给水泵出口母管。

一级减温器值设置了一个喷水调节阀，二级减温器左右两侧各有一个喷水调节阀。

2.4.2过热器一级喷水减温控制系统

一级减温器安装在初级过热器出口联箱和分隔屏过热器入口联箱之间，根据炉膛内分隔屏过热器出口汽温和一级喷口减温器出口汽温的大小，控制一级减温器喷水调节阀的开度，以调节减温水量的大小，达到使分隔屏过热器出口汽温为设定值的目的。

一级喷水减温控制系统如图2-10所示，下面介绍其工作原理。

2.4.2.1一级喷水减温控制系统的作用

该系统通过一级减温水流量的控制，使分隔屏过热器出口汽温维持在给定值，以保证屏式过热器壁管不要超温，同时配合末级过热器控制系统的工作。

由图2-2可以看出，该系统所采用的是串级汽温调节系统，且同时加入了负荷侧和燃料侧的前馈控制信号。

2.4.2.2分割屏过热器出口汽温偏差信号的形成

由图2-10可知，分隔屏过热器出口汽温的测量点设在分隔屏过热器出口，左右两侧各有一个测点，左侧测点和右侧测点经两选一后输出作为实测值。

再经低通滤波后送往PID控制器的测量信号端。

分隔屏过热器出口汽温的设定值与机组负荷有关。

对应不同负荷运行工况下的主蒸汽流量经函数模块处理成响应的分隔屏过热器出口汽温设定值，根据实际运行的特点，有时需要对该设定值的大小进行调整，故该系统中设置了模拟量设定器，由运行人员通过OM

窗口微调分隔屏过热器出口汽温设定值的大小。

图中加法器的输出就是分隔屏过热器出口汽温设定值。

该值送至PID控制器设定信号端。

以上所得到得测量值和设定值相比较，即可得到分隔屏过热器出口汽温偏差信号。

2.4.2.3前馈信号

由过热汽温对象动态特性可知，蒸汽负荷变化和烟气侧扰动均对汽温有较大的影响。

一般地，当机组负荷变化时，首先改变燃料量，然后改变送风量和引风量等，所以本系统引入了总燃料量的实际微分前馈，由加法模块实现；同时，也引入了主蒸汽流量的比例微分或实际微分前馈，由函数模块实现。

这样可提高该系统在负荷变化和燃料扰动时一级减温水量调整的响应速度，同时也可以在负荷变化时，协助末级过热器出口汽温的调解工作。

2.4.2.4导前汽温微分信号的形成

如图2-10可以看出，导前汽温信号（即一级喷水减温器出口温度信号）有两个测点，经两选一处理后得到其实测值，然后通过实际微分运算后得到导前汽温的微分信号。

所以导前汽温微分信号的强度与一级减温器出口汽温的变化速度和变化幅度有关，从而能有效地控制一级减温器喷水量，稳定分割屏过热器出口汽温。

2.4.2.5一级减温水量调节阀控制回路

分隔屏过热器出口汽温偏差经PID调节器运算后的输出，与主蒸汽流量的微分前馈信号叠加后送到副PID调节器，作为一级减温器出口汽温的设定值。

副调节器的入口偏差就是该设定值与该导前汽温信号之间的差值。

副调节器对该偏差进行PID运算后，再加上总燃料量的微分前馈信号，所得到的就是一级减温器喷水阀调门开度的指令信号。

2.4.2.6手/自动切换

从图2-11所示逻辑关系可知，当以下条件任一满足时，一级减温水控制切为手动运行方式。

这些条件是：

●一级减温器出口温度测量故障；

●分隔屏过热器出口温度测量故障；

●主蒸汽流量测量故障；

●总燃料量测量故障；

●分隔屏过热器出口汽温偏差超限。

在手动方式，运行人员通过OM窗口的模拟量操作器设定一级减温水调节阀开度的位置，控制一级减温水流量的大小。

2.4.3末级过热器出口汽温控制系统

2.4.3.1末级过热器出口汽温控制系统的作用

末级过热器出口汽温控制系统是为了保证锅炉出口（即末级过热器出口）蒸汽温度为设定值而设置的。

通过调节二级减温器的喷水流量，达到控制末级过热器出口汽温的目的。

二级减温器安装在分隔屏过热器出口联箱和末级过热器入口联箱之间，分左右两侧布置有两个喷水减温器，故也设置了两套完全相同的控制系统，下面以左侧末级过热器出口汽温控制系统为例，根据图2-4所示控制系统结构，介绍其工作原理。

2.4.3.2末级过热器出口汽温偏差的形成

由图2-12可知，末级过热器出口蒸汽管道分左右布置，末级过热汽温测量点设在左右两侧，每侧各有2个测点，左侧的2个测点经两选一后输出作为实测值。

再经低通滤波后送往PID控制器的测量值信号端。

末级过热器出口汽温的设定值与机组负荷有关。

对应于不同负荷运行工况下的主蒸汽流量经函数模块处理成相应的末级过热器出口汽温设定值，根据实际运行的特点，有时需要对该设定值的大小进行调整，故该系统设置了模拟量设定器，可由运行人员通过OM窗口微调末级过热器出口汽温设定值的大小。

图中加法器的输出就是末级过热器出口汽温设定值。

该值送至PID控制器设定值信号端。

末级过热器出口汽温测量值和设定值相比较，即可得到末级过热器出口汽温偏差信号。

2.4.3.3前馈控制

与一级喷水减温控制一样，在末级过热器出口汽温控制系统中也引入了主蒸汽流量的微分前馈，由函数模块实现。

这样可以提高该系统在负荷变化和燃料扰动时二级减温水量调整的响应速度，达到在负荷侧和燃料侧扰动下，末级过热器出口汽温尽量不受或少受影响。

2.4.3.4二级减温水量调节阀控制回路

由图2-12可以得知，末级过热器出口汽温控制系统属于串级加前馈的控制方式。

末级过热器出口汽温偏差经主PID调节器运算后的输出，与主蒸汽流量的微分前馈信号叠加后作为副回路调节器的设定值，副回路的辅助被调量为二级减温器后的温度（即末级过热汽温控制系统的导前温度）。

所以副回路控制器的入口偏差就是该设定值与该导前温度之间的差值。

副控制器对该偏差进行PID运算后，再加上总燃料量的前馈信号，所得到的就是左侧二级减温器喷水调门开度的指令信号。

2.4.3.5手/自动切换

从图2-13所示逻辑关系可知，当以下条件任一满足时，二级减温水控制切为手动运行方式。

这些条件是：

●二级减温器后温度测量故障

●末级过热器出口左侧温度测量故障

●主蒸汽流量测量故障

●总燃料量测量故障

●末级过热器出口温度偏差超限

在手动方式，运行人员通过OM窗口的模拟量操作器设定左侧二级减温水调节阀的开度的位置，控制减温水流量的大小。

当减温器的调门全关（＜0.5%）或发生MFT时，过热器减温水快关门应自动关闭；当其中一只减温水调节门开启时，快关门应“自动”开启。