(过热蒸汽温度控制系统设计).doc

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1、毕 业 设 计 论 文题目：过热蒸汽温度控制系统设计系 别：电气与电子工程系专 业：自动化姓 名：龚宏奎学 号：指导教师：任琦梅河南城建学院2012年05月20日摘要 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

2、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 The superheated steam temperature control system is an important and indispensable unit aircrew part, its performance and reliability has become ensure safety and economic behavior of the u

3、nit aircrew important factors. The superheated steam temperature is higher, the thermal efficiency is relatively high, but is high, the metal materials and the turbine unable to bear, the temperature is too low will influence the unit efficiency. The superheated steam temperature stability of the un

4、it safe and economic operation is very important, so for the control have higher requirements. But because the superheated steam temperature is a typical time-delayed, large inertia, nonlinear and changeable complex system, this design USES the cascade control in order to improve the control perform

5、ance of the system, in the system by the master-cascade control of switching device, make the system can be used in different working environment. By using this system, can make the boiler overheating export steam temperature in allowed within the scope of the change, and the protection of superheat

6、er wall temperature not more than allow the camp of working temperature.Key words: the superheated steam temperature, reduce warm water, cascade control system, PID目录摘要IABSTRACTII1绪论11.1选题的背景及其意义11.2国内外研究现状11.3本次设计的目的21.4本次设计所做的工作22汽温控制系统的组成与对象动态特性42.1汽温调节的概念和方法42.1.1从蒸汽侧调节汽温42.1.2从烟气侧调节汽温52.2过热器的分类

7、及基本结构72.2.1过热器的分类72.2.2过热器的基本结构92.3过热蒸汽温度控制系统的基本结构与工作原理112.3.1过热器一级减温控制系统112.3.2二级减温控制系统122.4过热蒸汽温度控制对象的动静态特性142.4.1静态特性142.4.2动态特性143过热汽温控制系统的基本方案183.1串级汽温控制系统183.2串级汽温控制系统的基本结构及原理183.3串级汽温控制系统的设计203.4串级汽温控制系统的整定214相关器件的选型254.1温度检测变送器的选择254.2控制器的选型264.3执行器的选型284.4阀门定位器的选型305主蒸汽温度控制系统的改进与仿真335.1Smit

8、h预估补偿器335.2改进型Smith预估器375.3带有改进型Smith预估器的主蒸汽温度控制系统设计与仿真406结 论43参考文献44致 谢45附 录461绪论1.1选题的背景及其意义 过热汽温(过热蒸汽的温度)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

9、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

10、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

11、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

12、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

13、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

14、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 1分析了过热蒸汽温度调节的任务，静态特性，在蒸

15、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。 2.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。 3.通过

16、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。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

17、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

18、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

19、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

20、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

21、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

22、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

23、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

24、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1020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

25、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

26、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。 2、改变烟

27、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

28、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

29、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。 由以上分析可知喷水减温调节操作简单，调节又灵敏，只

30、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。并且对过热器的安全运行比较理想， 尽管对象的调节特性不够理想，但可以从对象的调节通道中找出一个比被调量反应快的中间点信号作为调节器的补充反馈信号，以改善对象调节通道的动态特性，提高调节系统的质量。所以喷水减温还是目前被广泛使用的过热蒸汽温度调节方法。本次设计就是采用喷水减温作为主要调节手段。2.2 过热器的分类及基本结构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

31、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。（1）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。过热器的进出口联箱放在炉墙外部，起着分配和汇集蒸汽的作用。蛇形管与联箱上的管接头焊接

32、在一起。大容量锅炉的对流过热器布置在烟温很高的区域内，其蒸汽温度和管壁的热负荷都很高。而蒸汽侧放热系数比省煤器中的水或蒸发受热面中的汽水混合物的放热系数都低的多，因此过热器受热面必须用具有良好的高温强度特性的优质碳素钢或含有铬、钼、钒的耐热合金钢制造。过热器管子用什么材料制造，取决于它所处的工作条件。现代锅炉对流过热器多采用立式布置，因为这样可以采用简单可靠的悬吊固定方法，而卧式过热器的固定比较困难。立式布置的主要缺点，是停炉时积存在管内的凝结水不易排出，容易引起蛇形管下部弯头腐蚀。（2）辐射过热器：辐射过热器可布置在燃烧室四壁，也称墙式或壁式过热器，或布置在炉顶，称顶棚过热器，直接吸收辐射热

33、。在做墙式布置时辐射过热器的管子可以布置在燃烧室四壁的任一面墙上，可以仅布置在燃烧室上部，也可以沿燃烧室高度全部布置；它可以集中布置在某一区域，也可以与蒸发受热面管子间隔布置。 在自然循环锅炉中，辐射过热器管子布置在燃烧室上部，能使管子避开热负荷最高的火焰中心区域。但是这种布置会使水冷壁管的吸热高度降低,可能影响水循环的安全性。如果辐射过热器沿燃烧室全部高度布置，则处于火焰中心区的管子容易过热烧坏。特别是升火过程中，为保证管子的冷却必须采取从外界引进蒸汽等专门措施。在直流锅炉中，情况有所不同，水冷壁上部都有一定的过热度，相当于辐射过热器，由于上部炉温较低，所以可保证安全。 在国产自然循环锅炉中

34、，未采用墙式布置的辐射过热器，而多采用布置在炉顶的顶棚过热器，受热面为紧靠炉顶的直管，称为顶棚管。这种过热器的辐射传热作用较墙式过热器为弱，但因处于较低的烟气温度场，工作比较安全可靠，与屏式过热器和包覆过热器配合使用，效果较好。 （3）屏式过热器和包覆过热器 除了上述两种过热器外，还有一种介于两者之间的半辐射过热器。最常用的半辐射过热器是布置在燃烧室上部或出口处的高温烟区内的屏式过热器。其结构特征为几排拉稀的管屏。屏式过热器沿炉宽平行布置，管屏数目一般为816片，屏片间距为0.52米，各跟管子之间的相对间距S2/d在1.1左右，屏中并联管子的数目为1530跟。管屏悬挂在炉顶的钢梁上，受热后能自

35、由的向下膨胀。为了保持各屏间的节距，可将相临两屏中的若干对管子弯绕出来互相夹持在一起，而各屏本身的管子也应夹持在同一平面上。屏式过热器布置在对流过热器前面，以降低对流过热器入口烟温，避免对流过热器结渣。屏式过热器的汽温变化特性介于辐射与对流过热器之间，所以变化也比较平稳。 图2.1是布置在不同烟温区域内的过热器的汽温特性示意图。从图中可以看出，当锅炉负荷从33%增加到满负荷时，曲线1所示的屏式过热器的汽温变化非常平稳，仅上升了10；曲线2和3所示的对流过热器的汽温上升了42和50；而曲线4代表的辐射过热器的汽温却大幅下降了。由于屏式过热器具有过热汽温平稳的特点，在现代大型锅炉上广泛地采用了这种

36、过热器。 为了得到较好的传热效果，最好把屏式过热器布置在烟温为9501050的烟道中。屏式过热器进口烟温的选择，应保证燃料进入屏式过热器前已燃尽，否则在屏区再燃烧会严重影响管屏的工作安全。根据已采用屏式过热器的许多锅炉运行实践证明，它能够在10001300烟温区内可靠工作，并具有良好的汽温变化特性。图2.1 布置在不同烟温区域内的过热器气温特性1-布置在烟温1200区域的屏式过热器；2、3-布置在烟温为1000和900区域内的对流过热器；4-布置在燃烧室内的辐射过热器2.2.2 过热器的基本结构 300MW单元机组是现在是我国火力发电机组的主力型号，多采用亚临界参数及中间再热。300MW机组锅

37、炉的过热器，具体结构见图2.2所示。此过热器具有以下特点：由于过热蒸汽参数高，需要布置更多受热面，因此炉膛内布置大量屏式过热器。采用辐射式、半辐射式和对流过热器联合过热系统，以获得良好的过热蒸汽温度变化特性。低温过热器采用逆流布置，以便获得较大的传热温差，从而节约钢材。 采用两级喷水减温，这样做的目的有两个，一是为了使汽温调节更灵敏，减小热惯性，二是为了保护过热器。第一级喷水减温器布置在前屏过热器之后，调节量较大且调节惰性大，用来调节因负荷、给水温度和燃料性质变化而引起的汽温变化，为粗调。另外它还有保护屏式过热器和对流过热器受热面的作用。第二级喷水减温器布置在高温对流过热器（末级过热器）之前，

38、这一级热惯性小，可保证出口汽温能得到迅速调节。减温器共有四只，每级安装两只，每只喷水量为每级喷水量的一半。减温水源为自制冷凝水。 蒸汽流程为：饱和蒸汽由汽包引出后经一部分顶棚过热器进入侧墙和后墙包覆过热器，流出后在联箱内混合，进入低温对流过热器，出来后再经过另一部分顶棚过热器进入前屏过热器，流出后经过第一级喷水减温器减温，再进入后屏过热器，流出后经过第二级减温器减温，进入高温对流过热器完成最后一次过热后，送往汽轮机。图2.2 300MW机组过热器系统图1-汽包；2-前屏过热器；3-后屏过热器；4-顶棚过热器；5-侧墙包覆过热器；6-后墙包覆过热器；7-低温对流过热器；8-第一级减温器；9-第二

39、级减温器；10-高温对流过热器2.3 过热蒸汽温度控制系统的基本结构与工作原理 这里针对300MW机组分散控制系统的过热蒸汽温度控制系统为设计对象，对其系统结构和工作原理进行介绍。 该300MW机组的过热蒸汽温度控制采用二级喷水减温控制方式。过热器设计成两级喷水减温方式，除可以有效减小过热蒸汽温度在基本扰动下的延迟，改善过热蒸汽温度的调节品质外，第一级喷水减温还具有防止屏式过热器超温、确保机组安全运行的作用。本机组过热器一、二级喷水减温器的控制目标就是在机组不同负荷下维持锅炉二级减温器入口和二级减温器出口的蒸汽温度为设定值。2.3.1 过热器一级减温控制系统 过热器一级减温控制系统的原理简图如

40、图2.3所示。该系统是在一个串级双回路控制系统的基础上，引入前馈信号和防超温保护回路而形成喷水减温控制系统。主回路的被控量为二级减温器入口的蒸汽温度，其实测值送入主回路与其给定值进行比较，形成二级减温器入口蒸汽温度的偏差信号。主回路的给定值由代表机组负荷的主蒸汽流量信号（代表机组负荷信号）经函数器f(x)产生，其含义为给定值是负荷的函数。运行人员在操作员站上可对此给定值给予正负偏置。主回路的控制由PID1来完成。主回路控制器接受二级减温器入口蒸汽温度偏差信号，经控制运算后其输出送至副回路。 副回路的被控量为一级减温器出口的蒸汽温度。其温度的测量值送入副回路与其给定值进行比较，形成一级减温器出口

41、蒸汽温度的偏差信号。副回路的给定值是由主回路控制器的输出与前馈信号叠加形成。副回路采用PID2调节器，它接受一级减温器出口蒸汽温度的偏差信号。图2.3 过热器一级减温控制系统 由于机组的负荷会改变，控制对象的动态特性也随之而变，为了在较大的负荷变化范围内都具备较高的控制品质，在大型机组的蒸汽温度控制中，可充分利用计算机分散控制的优点，将主、副调节器设计成自动随着负荷的变化不断地修改整定参数的调节器，上述蒸汽温度控制系统就是如此。2.3.2 二级减温控制系统 过热器二级减温控制系统的原理简图如图2.4所示。该系统与一级减温控制系统的结构基本相同，也是一个串级双回路控制系统，不同之处在于：主、副调

42、节器输入的偏差信号不同，采用的前馈信号也不同。 二级减温控制系统的主回路的被控量为二级过热器的出口蒸汽温度，该蒸汽温度与主回路的给定值进行比较，形成二级过热器出口蒸汽温度偏差信号，主回路的给定值由运行人员手动设定，对于300MW机组在正常负荷时，给定值一般为540。图2.4 过热器二级减温控制系统 副回路的被控量为二级减温器出口蒸汽温度，其温度的测量值送入副回路与其给定值比较，形成二级减温器出口蒸汽温度的偏差信号。副回路给定值是上主回路控制器的输出与前馈信号叠加而形成的。 二级过热器蒸汽温度控制是锅炉出口蒸汽温度的最后一道控制手段，为了保证汽轮机的安全运行，要求尽可能提高锅炉出口蒸汽温度的调节

43、品质。因此，二级减温控制的主回路前馈信号采用了基于焓值计算的较为完善的方案。其前馈信号有主蒸汽温度和压力的给定值的函数，还有主蒸汽流量代表机组负荷以及送风量、燃烧器火嘴摆动倾角等。 除了以上内容外，二级减温控制系统的其他部分以及工作原理与一级减温控制系统完全相同。由于二级过热器蒸汽温度控制是锅炉出口蒸汽温度的最后一道控制手段，为了保证汽轮机的安全运行，要求尽可能提高锅炉出口蒸汽温度的调节品质。因此本次设计主要是对二级减温控制系统的设计，使机组在不同负荷下维持锅炉二级减温器入口和二级减温器出口的蒸汽温度为设定值。2.4 过热蒸汽温度控制对象的动静态特性2.4.1 静态特性 1、锅炉负荷与过热汽温

44、的关系 锅炉负荷增加时，炉膛燃烧的燃料增加，但是，炉膛中的最高的温度没有多大的变化，炉膛辐射放热量相对变化不大，因此炉膛温度增高不大。这就是说负荷增加时每千克燃料的辐射放热百分率减少，而在炉膛后的对流热区中，由于烟温和烟速的提高，每千克燃料的对流放热百分率将增大。因此，对于对流式过热器来说，当锅炉的负荷增加时，会使出口汽温的稳态值升高；辐射式过热器则具有相反的汽温特性，即当锅炉的负荷增加时，会使出口汽温的稳态值降低。如果两种过热器串联配合，可以取得较平坦的汽温特性，但一般在采用这两种过热器串联的锅炉中，过热器出口蒸汽温度在某个负荷范围内，仍随锅炉负荷的增加有所升高。 2、过剩空气系数与过热汽温

45、的静态关系 过剩空气量改变时，燃烧生成的烟气量改变，因而所有对流受热面吸热随之改变，而且对离炉膛出口较远的受热面影响显著。因此，当增大过剩空气量时将使过热汽温上升。 3、给水温度与汽温关系 提高给水的温度，将使过热汽温下降，这是因为产生每千克蒸汽所需的燃料量减少了，流过过热器烟气也就减少了。也可以认为：提高给水温度后，在相同燃料下，锅炉的蒸发量增加了，因此过热汽温将下降。则是否投入高压给水加热器将使给水温度相差很大，这对过热汽温有显著的影响。 4、燃烧器的运行方式与过热汽温的静态关系 在炉膛内投入高度不同的燃烧器或改变燃烧器的摆角会影响炉内温度分布和炉膛出口烟温，因而也会影响过热汽温，火焰中心

46、相对提高时，过热汽温将升高。2.4.2 动态特性目前，单元机组厂广泛采用喷水减温方式来控制过热蒸汽温度。影响汽温变化的因素很多，但主要有蒸汽流量、烟气传热量和减温水量等。在各种扰动下，汽温控制对象是有烟池、惯性和自平衡能力的。 1、蒸汽流量扰动下的蒸汽温度对象的动态特性引起蒸汽流量扰动的原因有两个：一是蒸汽母管的压力变化：二是汽轮机调节阀的开度变化。结构形式不同的过热器，在相同蒸汽流量的扰动下，汽温变化的特性是不一样的。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，使沿整个过热器各点的蒸汽温度几乎同时改变，因而汽温反应较快。其

47、传递函数可以表示为： 式中： 锅炉负荷扰动时被控对象的放大系数； 一负荷扰动后对象的滞后时间； 对象的时间常数。 从阶跃响应曲线可知，其特点是：有延迟、有惯性、有自平衡能力，但其延迟和惯性都比较小，即时间常数和滞后时间都比较小,且较小。动态特性曲线如图2.5（a）所示。 (a)蒸汽量D或烟气传热量Q扰动 （b）减温水WS扰动图2.5 在扰动下温度的变化曲线 2、烟气侧热量扰动下蒸汽温度对象的动态特性 当燃料量、送风量或煤种等发生变化时，都会引起烟气流速和烟气温度的变化，从而改变了传热情况，导致过热器出口温度的变化。由于烟气传热量的改变是沿着整个过热器长度方向上同时发生的，因此汽温变化的迟延很小，一般在15-25s之间。烟气侧扰动的汽温响应曲线如图2.5（a）所示。它与蒸汽量扰动下的情况类似。烟气热量的扰动也几乎同时影响过热器管道长度方向各处的蒸汽温度，故它是一个具有自平衡能力、滞后和惯性都不大的对象，其