火电厂锅炉过热汽温控制系统设计.doc

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河南城建学院本科毕业设计（论文）摘要

摘要

过热蒸汽温度控制系统是单元机组不可缺少的重要组成部分，其性能和可靠性已成为保证单元机组安全性和经济性的重要因素。

过热蒸汽温度较高时，机组热效率则相对较高，但过高时，汽机的金属材料又无法承受，气温过低则影响机组效率。

过热蒸汽温度的稳定对机组的安全经济运行非常重要，所以对其控制有较高的要求。

但是由于过热蒸汽温度是一个典型的大迟延、大惯性、非线性和时变性的复杂系统，本次设计采用串级控制以提高系统的控制性能，在系统中采用了主控-串级控制的切换装置，使系统可以适用于不同的工作环境。

通过使用该系统，可以使得锅炉过热器出口蒸汽温度在允许的范围内变化，并保护过热器营壁温度不超过允许的工作温度。

关键词：

过热蒸汽温度，减温水，串级控制系统，PID

Abstract

Thesuperheatedsteamtemperaturecontrolsystemisanimportantandindispensableunitaircrewpart,itsperformanceandreliabilityhasbecomeensuresafetyandeconomicbehavioroftheunitaircrewimportantfactors.Thesuperheatedsteamtemperatureishigher,thethermalefficiencyisrelativelyhigh,butishigh,themetalmaterialsandtheturbineunabletobear,thetemperatureistoolowwillinfluencetheunitefficiency.Thesuperheatedsteamtemperaturestabilityoftheunitsafeandeconomicoperationisveryimportant,soforthecontrolhavehigherrequirements.Butbecausethesuperheatedsteamtemperatureisatypicaltime-delayed,largeinertia,nonlinearandchangeablecomplexsystem,thisdesignUSESthecascadecontrolinordertoimprovethecontrolperformanceofthesystem,inthesystembythemaster-cascadecontrolofswitchingdevice,makethesystemcanbeusedindifferentworkingenvironment.Byusingthissystem,canmaketheboileroverheatingexportsteamtemperatureinallowedwithinthescopeofthechange,andtheprotectionofsuperheaterwalltemperaturenotmorethanallowthecampofworkingtemperature.

Keywords:

thesuperheatedsteamtemperature,reducewarmwater,cascadecontrolsystem,PID

III

河南城建学院本科毕业设计（论文）目录

目录

摘要 I

Abstract II

1绪论 1

1.1选题的背景及意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.3本次设计的目的 3

1.4本次设计所做的工作 3

2汽温控制系统的组成与对象动态特性 4

2.1汽温调节的概念和方法 4

2.1.1从蒸汽侧调节汽温 4

2.1.2从烟气侧调节汽温 6

2.2过热器的分类及其基本结构 8

2.2.1过热器的分类 8

2.2.2过热器的基本结构 11

2.3过热蒸汽温度控制系统的基本结构和工作原理 12

2.3.1过热器一级减温控制系统 12

2.3.2过热器二级减温控制系统 13

2.4过热蒸汽温度控制对象的动静态特性 15

2.4.1静态特性 15

2.4.2动态特性 15

3过热汽温控制系统的基本方案 19

3.1串级汽温控制系统 19

3.2串级控制系统的基本结构和原理 19

3.3串级汽温控制系统的设计 21

3.4串级汽温控制系统的整定 22

4器件的选型 25

4.1温度检测变送器的选择 25

4.2控制器的选型 27

4.3执行器的选型 28

4.4阀门定位器的选型 29

5主蒸汽温度控制系统的仿真和改进 31

5.1串级PID系统仿真 31

5.2基于Smith预估计补偿器的串级汽温控制系统 34

5.3基于改进型Smith预估器的串级汽温控制系统 39

结论 42

致谢 43

参考文献 44

附录 45

附录A 45

河南城建学院本科毕业设计（论文）绪论

1绪论

1.1选题的背景及意义

过热汽温的控制就是维持过热出口蒸汽温度在允许范围内，并且保护过热器，使管壁温度不超过允许的工作温度。

过热蒸汽温度是影响大型锅炉生产过程安全性和经济性的重要参数，因为过热器是在高温、高压条件下工作的，过热器出口的过热蒸汽温度是全厂整个汽水流程中工况温度的最高点，也是金属管壁温度的最高处。

过热蒸汽温度过高的话，则容易烧坏过热器，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损坏，影响机组的安全运行，因而过热汽温的上限不应超过额定值5℃。

相反过热蒸汽温度过低的话，又会降低全厂的热效率，增加燃料消耗量，浪费能源，同时会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，从而缩短汽轮机叶片的使用寿命，所以过热蒸汽温度过高或过低都是生产过程不允许的。

此外，如果过热蒸汽温度变化过大，还会引起汽轮机转子和汽缸的涨差变化，甚至会产生剧烈振动，危及到机组的运行安全。

因此，必须相当严格地将过热汽温控制在给定值附近。

一般中、高压锅炉过热蒸汽温度的暂时偏差不允许超过±10℃，长期偏差不允许超过±5℃，这个要求对过热蒸汽温度控制系统来说是非常高的。

过热蒸汽的温度一般可以看作是多容分布参数的受控对象，其动态特性描述可用多容惯性环节表示，该对象具有明显的滞后特性。

在锅炉运行中，影响过热器出口蒸汽温度的因素很多，有蒸汽流量、燃烧状况、锅炉给水温度、流经过热器的烟气温度、流量、流速等等。

在这些因素的共同作用下，过热汽温对象除了具有多容、大惯性、大延迟的特性之外，往往还表现出一定的非线性和时变特性，因此，过热蒸汽温度控制系统是锅炉各项控制系统中较为复杂的控制系统之一。

所以针对上述情况设计的控制系统，既要求对烟气侧扰动及负荷扰动等较大外扰具有足够快的校正速度，同时又要求能够对减温水的内扰有较强的抑制能力，从而使系统具有足够的稳定性和良好的控制品质，并能保证系统运行的安全性。

1.2国内外研究现状

国内外广大专家学者和现场工作人员主要关注的热点问题是：

面对具有大延迟、工况参数对模型参数有较大影响的过热汽温，如何稳定、准确、快速地对其进行有效的控制。

在火电厂中，各种类型的PID控制器因其参数物理意义明确、易于调整，依然在热工过程控制系统中占据着一定地位，但这种采用常规PID控制器较难确保控制系统的品质，由于它本身存在的一些缺陷使得它在实际应用中的控制效果不是很理想。

分析常规PID控制可以发现，这种控制无法解决稳定性与准确性之间的矛盾。

加大控制作用可使误差减少，准确性可以提高，但是降低了稳定性。

反之，为保证稳定性，限制控制作用，这样又降低了控制的准确性。

即使对被控对象整定了一组满意的PID参数，当对象特性发生变化时，也难以保持良好的控制性能。

过热汽温对象具有时变性、不确定性、非线性等特点，并且会有一些随机的扰动产生，工艺流程复杂，使其难以建立精确的数学模型。

同时，其还具有延迟和惯性较大等特性，由于模型参数的不确定性以及在控制系统的运行过程中出现环境变化、元件老化等问题，所以常规PID控制方法更难以取得满意的控制效果。

因此，许多火电厂都迫切希望能有一种理想的控制策略实现对过热汽温的有效控制。

随着控制理论的不断发展，控制领域出现了许多新的控制方法，如预测控制方法、自适应控制方法、各种智能控制方法（包括模糊控制、神经网络控制、遗传算法优化控制等等）。

一直以来，国内外许多专家学者都在积极研究将这些新的控制算法应用到过热蒸汽温度的控制上。

模糊控制作为一种智能控制方法，它是依据人对被控对象的控制经验而设计的，其模仿人的思维模式，不依赖被控对象的数学模型，对于处理过热汽温这种具有大延迟、非线性和对象模型不确定的被控制对象有很好的控制效果，为解决这类复杂对象的控制问题开辟了新途径，被一些专家学者引入到了对过热汽温的控制系统中。

但是，模糊控制实质上是具有PD控制规律的一种控制器，考虑到语言变量基本论域的量化特点以及模糊控制器具有模糊比例一微分作用，缺少积分环节，使得该系统不具有消除稳态误差的能力，且由于在“O”档处量化死区的影响，还可能出现稳态等幅振荡。

因此单独采用基本的模糊控制不能获得好的控制品质。

因此现在构成一种新型的模糊--PID复合串级控制系统，实现对过热蒸汽温度的控制。

1.3本次设计的目的

本文的设计目的，就是针对过热蒸汽温度的特点，在深入分析过热蒸汽温度调节的过程，过热蒸汽温度调节对象的静态特性、动态特性以及过热蒸汽温度控制的设计难的基础上，确定在过热蒸汽温度控制系统中应用串级控制的可行性，并考虑根据蒸汽温度偏差和偏差的变化情况调整控制器的各个参数，以实现最优控制。

并且由控制系统输出信号来控制执行器，通过调节执行器去控制减温水阀门的开度，从而实现控制过热蒸汽温度。

并且通过仿真验证来控制效果。

1.4本次设计所做的工作

分析了过热蒸汽温度调节的任务，静态特性，在蒸汽流量（负荷）扰动、烟气流量扰动、减温水流量扰动三种主要扰动下过热汽温的动态特性，过热汽温控制的难点和设计原则，并对过热蒸汽温度控制系统的现状进行了大致的介绍。

‚由于汽温对象具有大延迟、大惯性的特点，尤其随着机组容量和参数的增加，蒸汽的过热受热面的比例加大，使其延迟和惯性更大，使其控制难度加大。

在各种扰动作用下（如负荷、工况变化等）反映出非线性、时变等特性，从而进一步加大了汽温控制的难度。

根据根据串级控制对对象模型难以确定、非线性、大滞后情况有良好的控制品质，将串级控制引入到过热蒸汽温度控制系统中，设计了一种串级控制系统对过热蒸汽温度控制对象进行调节控制。

并对该系统参数进行整定

ƒ通过对控制系统的改进与仿真，确定了一种引入改进型Smith预估器的串级控制系统，该系统根据蒸汽温度的偏差和偏差变化情况调整控制器的PID因子，进而调整了控制系统的控制策略，解决具有纯迟延的过程控制，提高控制品质。

同时，通过相应控制器去控制减温水调节阀的阀位开度，根据调节减温水的流量大小来控制过热蒸汽温度的变化，从而实现对过热蒸汽温度控制。

仿真结果表明，基于改进型Smith预估器对大惯性、纯延迟系统具有较好的控制效果，提高了系统的鲁棒性得以提高，使控制品质变好。

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河南城建学院本科毕业设计（论文）汽温控制系统的组成与对象动态特性

2汽温控制系统的组成与对象动态特性

本论文的设计主要是针对300MW的单元机组锅炉，通过了解其高温、亚临界压力、中间再热、自然循环、单炉膛前后对冲燃烧、燃煤粉汽包炉，且汽轮机为单轴、三缸、两排汽、再热、凝汽冲动式，说明过热器与再热器在锅炉中的位置及布置情况，从而全面掌握研究对象的生产过程，并熟悉其动态特性及分析影响汽温变化的各种因素。

2.1汽温调节的概念和方法

维持稳定的汽温是保证机组安全和经济运行所必须的。

汽温过高会使金属应力下降，将影响机组的安全运行；汽温降低则会机组的循环的效率。

据计算，过热器在超温10℃到20℃下长期运行，其寿命会缩短一半；而汽温降低10℃会使循环若效应降低0.5％，运行中一般规定汽温额定值的波动不能超过－10℃～+5℃。

因此，要求锅炉设置适当的调温手段，以修正运行因素对汽温波动的影响。

对汽温调节方法的基本要求是：

调节惯性或延迟时间小，调节范围大，对热循环热效率影响小，结构简单可靠及附加设备消耗少。

汽温的调节可归结为两大类：

蒸汽侧的调节和烟气侧的调节。

所谓蒸汽侧的调节，是指通过改变蒸汽的热焓来调节温度。

例如喷水式减温器向过热器中喷水，喷入的水的加热和蒸发要消耗过热蒸汽的一部分热量，从而使汽温下降，调节喷入的水量，可以达到调节汽温的目的。

烟气侧的调节，使通过改变锅炉内辐射受热面和对流受热面的吸热量分配比例的方法（例如调节燃烧器的倾角，采用烟气再循环等）或改变流经过热器的烟气量的方法（如调节烟气挡板）来调节过热蒸汽温度。

2.1.1从蒸汽侧调节汽温

汽温调节通常采用喷水减温作为主要调节手段。

由于锅炉给水品质较高，所以减温器通常采用给水作为冷却工质。

喷水减温的方法是将水呈雾状直接喷射到被调过热蒸汽中去与之混合，吸收过热蒸汽的热量使本身加热，蒸发，过热，最后也成为过热蒸汽的一部分。

被调温的过热蒸汽由于放热，所以汽温降低，达到了调温的目的。

喷水减温调节操作简单，只要根据汽温的变化适当的变更相应的减温水调节阀门开度，改变进入减温器的减温水量即可达到调节过热汽温的目的。

当汽温偏高时，开大调节门增加减温水量；当汽温偏低时，关小调节阀门减少减温水量，或者根据需要将减温器撤出运行。

单元机组的锅炉对汽温要求较高，故通常装置两级以上的喷水减温器，在进行汽温调节时必须明确每级减温器所担负的任务。

第一级布置在分隔屏过热器之前，被调参数是屏式过热器出口汽温，其主要任务是保护屏式过热器，防止壁管超温。

由于该减温器距末级过热器的出口尚有较长距离，相对来说，它对出口汽温的调节时滞较大，而且由于蒸汽流经后几级过热器后，汽温的变化幅度较大，误差也大，所以很难保证出口蒸汽温度在规定的范围内。

因此，这级减温器只能作为主蒸汽温度的粗调节。

该锅炉第二级喷水减温器设在末级对流过热器进口，被调参数是主蒸汽出口温度，由于此处距主蒸汽出口距离近，且此后蒸汽温度变化幅度也不大，所以第二级喷水减温的灵敏度高，调节时滞也小，能有效的保证主蒸汽出口温度符合要求，因而该级喷水调节是主蒸汽的细调节。

第二级喷水减温器往往分两侧布置，以减小过热汽温热偏差。

正常工况时，一、二级喷水量的比例为总喷水量的75％和25％，在高加全部切除时，其比例为95％和5％。

喷水减温器调节汽温的特点是，只能使蒸汽减温而不能升温。

因此，锅炉按锅炉额定负荷设计时，过热器受热面的面积是超过需要的，也就是说，锅炉在额定负荷下运行时过热器吸收的热量将大于蒸汽所需要的过热热量，这时就必须用减温水来降低蒸汽的温度使之保持额定值。

由于一般组合过热器汽温特性都呈对流特性，所以当锅炉负荷降低时，汽温也下降，这时减温水就应减小，对于定压运行的单元机组，由于蒸汽失去汽温调节手段，因而主汽温就不能保持规定值，故锅炉不宜在此情况下做定压运行，而应采用滑压运行，以保证过热蒸汽有足够的过热度。

喷水减温调节主蒸汽温度在经济上是有一定损失的。

一方面由于在额定负荷时过热器受热面积比实际需要值大，增加了投资成本；另一方面因一部分给水用作减温水，使进入生煤器的水流量减少，因而锅炉排烟温度升高。

增加了排烟损失。

同时喷水减温的过程，也是一个熵增的过程。

故而有可用能的损失。

但是，由于喷水减温设备简单，操作方便，调节又灵敏，所以仍得到广泛应用。

再热器不宜采用喷水减温调节汽温。

因为喷水减温器将增加再热蒸汽的数量，从而增加了汽轮机中，低压缸的蒸汽流量，即增加了中低压缸的出力。

如果机组的负荷一定，将使高压缸出力减小，减少高压缸的蒸汽流量。

这就等于部分的用低压蒸汽循环代替高压蒸汽循环做功，因而必然导致整个机组热经济性的降低。

再热器喷水减温器的主要目的是当出现事故工况，再热器入口汽温超过允许值，可能出现超温损坏时，喷水减温器投入运行，借以保护再热器。

在正常运行情况下，只有当采用其他温度调节方法尚不能完全满足要求时，再热器喷水减温器才投入微量喷水，作为再热汽温的辅助调节。

2.1.2从烟气侧调节汽温

①改变火焰中心位置。

改变火焰的中心位置可以改变炉内辐射吸热量和进入过热器的烟气速度，因而可以调节过热汽温。

当火焰中心位置抬高时，火焰离过热器较近，炉内辐射吸热量减少，炉膛出口烟温升高，则过热汽温将升高。

火焰中心位置降低时，则过热汽温降低。

改变火焰中心位置的方法有：

1）调整喷燃器的倾角。

采用摆动式燃烧器时，可以用改变其倾角的办法来改变火焰中心沿炉膛高度的位置，从而达到调节汽温的目的。

在高负荷时，将喷燃器向下倾斜某一角度，可以使火焰中心位置下移，使进入过热器区的烟气温度下降，减小过热器的传热温差，使汽温降低。

而在低负荷时，将喷燃器向上倾斜适当角度，则可以使火焰中心位置提高，使汽温升高。

摆动式燃烧器的调温幅度较大，调节灵敏，设备简单，投资费用少，并且没有功率损耗。

目前使用的摆动式燃烧器上下摆动的转角为±20°，一般用10°～20°器的倾角的调节范围不可过大，否则可能会增大不完全燃烧损失或造成结渣等。

如果向下的倾角过大时，可能会造成水冷壁下部或冷灰斗结渣。

若向上的倾角过大时，会增加不完全燃烧损失并可能引起炉膛出口的屏式过热器或凝渣管结渣。

同时在低负荷时若向上的倾角过大，还可能发生炉膛灭火。

摆动式燃烧器可用于过热蒸汽的调温，也可用于再热蒸汽的调温。

当摆动式燃烧器作为再热汽温的主调方式时，它将以再热汽温为信号，改变燃烧器的倾角。

为了保持炉膛火焰的均匀分布，此时四组燃烧器的倾角应一致并同时动作。

当燃烧器倾角已达到最低极限值时，再热汽温仍然高于额定值时，再热器事故喷水减温器将自动投入运行，以保持汽温和保护再热器。

2）改变喷燃器的运行方式。

当沿炉膛高度布置有多排喷燃器时，可以将不同高度的喷燃器组投入或停止工作，即通过上、下排喷燃器的切换，来改变火焰中心位置。

当汽温高时应尽量先投用下排的燃烧器，汽温低时可切换成上排喷燃器运行，也可以采取对距过热器位置不同的喷燃器进行切换的方法，当投用靠近炉膛后墙的喷燃器时，由于这时火焰中心位置离过热器近火焰行程短，将使炉膛出口的烟温相对的高些。

而切换成前墙或靠近前墙的喷燃器运行时，则火焰中心位置离过热器相对的远些，炉膛出口烟温就相对的低些。

3）变化配风工况。

对于四角布置切圆燃烧方式，在总风量不变的情况下，可以用改变上、下排二次风分配比例的办法来改变火焰中心位置。

当汽温高时，一般可开大上排二次风，关小下排二次风，以压低火焰中心。

当汽温低时，一般则关小上排二次风，开大下排二次风，以抬高火焰中心。

进行调整时，应根据实际设备的具体特性灵活掌握。

‚改变烟气量。

若改变流经过热器的烟气量，则烟气流速必然改变，使对流传热系数变化，从而改变了烟气对过热器的放热量。

烟气量增多时，烟气流速大，使汽温升高；烟气量减少时，烟气流速小，使汽温降低。

改变烟气量即改变烟气流速的方法有：

1）采用烟气再循环。

采用烟气再循环调节汽温的原理是从尾部烟道（通常是从省煤器后）抽出一部分低温烟气，用再循环风机送回炉膛，并通过对再循环烟气量的调节来改变流经过热器的烟气流量，改变烟气流速。

此外，当送入炉膛的低温再循环烟气量改变时，还使炉膛温度发生变化，炉内辐射吸热与对流吸热的比例将改变，从而使汽温发生变化。

由此，改变再循环烟气量，可以同时改变流过过热器的烟气流量和烟气含热量，因而可以调节汽温。

2）烟气旁路调节。

采用这种方法是将过热器处的对流烟道分隔成主烟道和旁路烟道两部分。

在旁路烟道中的受热面之后装有烟气挡板，调节烟气挡板的开度，即可改变通过主烟道的烟气流速，从而改变主烟道中受热面的吸热量。

由于高温对流烟道中烟气的温度很高，烟气挡板极易变形或烧坏，故这一方法只用于布置在锅炉尾部对流烟道中的低温过热器或低温再热区段，而在我国目前的超高压机组中，则仅用于低温再热器区段。

采用烟气旁路来调节再热汽温时，还会影响到过热汽温。

为了增加再热汽温的调节幅度并减小对过热汽温的影响，应使主烟道中的再热器有较大的受热面，而旁路烟道中的过热器受热面则应小些。

3）调节送风量。

调节送风量可以改变流经过热器的烟气量，即改变烟气流速，达到调节过热汽温的目的。

调节送风量首先必须满足燃烧工况的要求，以保证锅炉机组运行的安全性和经济性。

而用以调节汽温，一般知识作为辅助手段。

当汽温问题成为运行中的主要矛盾时，才用燃烧调节来配合调节汽温。

利用送风量调节汽温是有限度的，超过了范围将造成不良后果。

因为过多的送风量不但增加了送、吸风机是耗电量，降低了电厂的经济性，而且增大了排烟热损失，降低锅炉热效率。

特别是燃油锅炉对过剩空气量的控制就更为重要。

过剩空气量的增加，不但加速空气预热器的腐蚀，还有可能引起可燃物在尾部受热面的堆积，导致尾部受热面再燃烧。

由以上分析可知，通过查阅相关的资料可知，蒸汽流量扰动、烟气热量扰动、减温水量扰动下出口汽温扰动曲线，如下图2.1所示

图2.1蒸汽流量扰动、烟气热量扰动、减温水量扰动下出口汽温仿真曲线

负荷扰动和烟气热量扰动迟延和惯性比减温水量扰动小,但因负荷信号由用户决定,不能作为调节手段;烟气热量扰动（改变烟温或烟气流量）具体实现比较困难;而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,但目前现场还是广泛采用过热蒸汽温度调节方法。

2.2过热器的分类及其基本结构

2.2.1过热器的分类

过热器可以根据它所采用的传热方式分为对流过热器、半辐射过热器及辐射过热器三种。

对流过热器是放在炉膛外面对流烟道里的过热器，它主要以对流传热方式吸收流过它的烟气的热量。

半辐射过热器也称屏式过热器，一般放在炉膛上部出口附近，它既吸收炉膛火焰的辐射热，又以对流方式吸收流过它的烟气的热量。

辐射过热器是放在炉顶或炉墙上的过热器，它基本上只吸收炉膛内火焰和烟气的辐射热。

现代大容量高参数锅炉的过热器主要由对流过热器，屏式过热器，包覆过热器，顶棚过热器，联箱及减温器构成。

制造它们的材料一般都是合金钢，有的还需用特种钢来制造。

对流过热器：

布置在烟道内，依靠热烟气对流传热的过热器，称为对流式过热器。

对流过热器是由联箱和很多细长的蛇形管束所组成。

蛇形管可作立式或卧式布置。