工业锅炉过热汽温全程控制系统的

引言近年来，随着电力工业的飞速发展，大容量火电机组已成为各电厂中的主要机组，它对系统运行的安全性、经济性和系统的自动化程度提出了更高的要求。

与此同时，对过热汽温控制系统的要求也越来越高。

火电厂锅炉汽温控制系统具有大迟延、大惯性的特点，且影响汽温变化的扰动因素很多，如蒸汽负荷、烟气温度和流速、火焰中心位置、减温水量、给水温度等等，这些扰动会极大影响机组的安全、经济运行。

正常运行时的锅炉燃烧系统须使出口的过热汽温维持在一定范围内，该参数的控制质量直接影响着机组运行的安全性和经济性。

过热蒸汽温度过高，可能造成过热器、蒸汽管道及汽轮机的高压部分金属损坏；过热蒸汽温度过低，会降低汽轮机的效率，加剧对叶片的侵蚀。

针对过热汽温调节对象调节通道惯性迟延大、被调量信号反馈慢的特点，应该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。

目前采用的过热蒸汽温度调节系统主要有两种方案: 一种是串级控制, 另一种是导前汽温微分信号控制。

本设计所采用的汽温控制方案为导前汽温微分控制。

这种控制系统的结构特点是：只用了一个调节器，调节器的输入取了两个信号。

一个信号是主汽温经变送器直接进入调节器的信号，另一个信号则是减温器后的温度经微分器后送入调节器的信号。

本设计通过理论计算与仿真研究相结合的方法，将导前微分控制应用于过热汽温控制方案中，改善了控制对象的动态特性和控制品质。

该方案的可行性和该控制系统的优点，为进一步研究和设计这种控制系统提供了理论基础。

第一章过热汽温控制系统概述1.1 过热蒸汽温度控制的任务现代锅炉的过热器是在高温、高压条件下工作的，锅炉出口的过热蒸汽温度是整个汽水行程中共质的最高温度，对于电厂的安全经济运行有重大影响。

锅炉过热器是由辐射过热器、对流过热器和减温器等组成。

其任务是将汽包出来的饱和蒸汽加热到一定数值，然后送往汽机去作功。

通常称减温器前的过热器为前级过热器，减温器后的过热器为后级过热器。

由于过热器承受高温高压，它的材料采用耐高温、高压的合金钢。

过热器正常运行的温度已接近钢材允许的极限温度，强度方面的安全系数也很小，因此，必须相当严格地将过热汽温控制在给定值附近。

中、高压锅炉过热汽温的暂时偏差不允许超过±10℃，长期偏差不允许超过±5℃，这个要求对于汽温控制系统来说是非常高的。

汽温过高会使过热器和汽机高压缸承受过高的热应力而损坏，汽温偏低会降低机组热效率，影响经济运行。

图1-1所示为锅炉过热蒸汽温度控制系统的结构图。

图1-1 过热汽温控制系统θ一个温度信号到调节器去控制减温水阀门开度μ，由若采用单回路调节，只取1于汽温对象的大滞后和大惯性，无法得到令人满意的控制品质。

为此，再取一个控制θ，增加一个调节器，组成串级控制系统如图1-2所示。

中间温度信号2图1-2 过热蒸汽温度控制原理方框图1.2 影响过热汽温的因素及动态特性蒸汽从汽包出来以后通过过热器的低温段，至减温器，然后再到过热器的高温段，最后至汽轮机。

通常的大中型锅炉都采用减温的方式控制过热器蒸汽的温度。

各种锅炉结构不同，过热起器的结构布置也不同（辐射式、屏式、对流式等）。

影响汽温变化的扰动因素很多，例如蒸汽负荷、烟气温度、流速、给水温度、炉膛热负荷、送风量、给水母管压力和减温水量等。

表1-1列出了部分因素对于对流过热器的汽温影响。

表1-1 部分因素对于对流式过热器的过热蒸汽温度的影响影响因素过热蒸汽温度变化/℃锅炉负荷变化±10% ±10锅炉炉膛过热空气系数变化±10% ±10～20给水温度变化±10℃±4～5燃煤水分变化±1% ±1.5燃煤灰分变化±10% ±5造成过热器出口蒸汽温度变化的主要因素归结起来有以下三种：蒸汽流量D、烟气传热量Q y和减温水量G j。

1. 蒸汽流量（即负荷）的变化。

蒸汽流量变化对不同的过热器型式其影响是很不相同的。

一般辐射式过热器的蒸汽温度，随着蒸汽流量的增加而降低。

这是因为炉膛温度随锅炉负荷的增加而升高不多，辐射传热量正比于Δ4T（ΔT即炉膛温度的增量），它的增加不足以满足流过辐射过热器蒸汽量增加所需的热量；对流式过热器的蒸汽温度，随着蒸汽流量的增加升高，这是由于燃烧生成物与锅炉负荷成正比地增加，即烟气流速随锅炉负荷成正比地增大，因此对流传热系数随着烟气流速的增大而增大，对流传热量随着传热系数的增大而增加。

由于对流传热量增加的热量超过蒸汽流量增加所需要吸收的热量，使蒸汽温度升高。

2. 烟气方面的热量变化，如过剩空气系数的变化，使燃烧产物的数量改变，从而改变了烟气的温度和流动速度，也改变了对流传热和辐射传热的比例。

过剩空气量对过热蒸汽温度的影响也与过热器的形式有关。

对于大多数现代锅炉，对流部分吸收的热量大于辐射部分吸收的热量，因此，过热蒸汽温度将随着过剩空气量的增加而增大。

3. 减温水量的变化。

改变减温水量，实际上是改变过热器进口蒸汽的热焓，亦即改变进口蒸汽温度。

减温水量增加时，进口蒸汽温度降低，在其他条件不变的情况下，二级过热器出口蒸汽温度也随之降低。

对于不同的扰动，过热蒸汽温度的动态特性是各不相同的，为了掌握过热器对象的动态特性，下面分别讨论蒸汽流量、减温水量和烟气传热量三种扰动下蒸汽温度对象的动态特性。

1.2.1 蒸汽扰动下对象的动态特性引起蒸汽流量扰动的原因有两个，一个是蒸汽母管的压力变化，另一个是汽轮机调节汽门的开度变化。

结构形式不同的过热器，在相同蒸汽流量的扰动下，汽温变化的静特性是不同的。

对于对流式过热器的出口温度，随着蒸汽流量D的增加，通过过热器的烟气量也增加，此时汽温升高；对于辐射式过热器，蒸汽流量D增加时，炉膛温度升高较少，炉膛辐射给过热器受热面的热量比蒸汽流量的增加所需的热量要少，因此辐射式过热器的出口汽温反而会下降。

对流式过热器和辐射式过热器的出口汽温对负荷变化的反映是相反的，其静特性如图1-3所示。

图1-3 蒸汽流量变化对流式过热器与辐射式过热器出口汽温变化的静特性在实际生产中，通常是把两种过热器结合使用的，还增设屏式过热器，且对流方式下吸收的热量比辐射方式吸收的热量要多，因此综合而言，过热器出口汽温是随流量D的增加而升高的。

动态特性曲线如图1-4所示。

图1-4 蒸汽量变化对过热器汽温的影响对象动态特性的特点是有延迟，有惯性且有自平衡能力的。

蒸汽流量扰动时，沿过热器长度上各点的温度几乎是同时变化的，迟延时间较小，约有15s左右。

蒸汽流量的扰动是由用户决定的，故不能将这种扰动作为调节信号使用。

1.2.2 烟气扰动下过热汽温对象的动态特性烟气传热量扰动引起的原因很多，如给煤机给粉不均匀，煤中水分的改变蒸发受热面结渣，过剩空气系数改变，汽包给水温度变化，燃烧火焰中心位置的改变等。

尽管引起烟气传热量扰动的原因很多，但对象特征总的特点是：有延迟、有惯性、有自平衡能力。

其特性曲线如图1-5所示。

图1-5 烟气流量变化对过热汽温的影响烟气热量扰动(烟气温度和流速产生变化)时，由于烟气流速和温度的变化也是沿整个过热器同时改变的，因而沿过热器整个长度使烟气传递热量也同时变化，所以汽温变化反映较快，延迟时间只有10-20s。

1.2.3 减温水量扰动下过热汽温对象的动态特性常用的减温方法有两种：喷水式减温和表面式减温，前者的效果比后者的好。

喷水式减温器一般装在末级过热器高温段前面，一方面保护了过热器高温段，另一方面又改善了调节性能。

这种过热器的安装方法与在饱和侧装设表面式减温器相比，延迟时间能减小1/4。

减温水量扰动下的对象特征曲线如图1-6所示。

其特点是有延迟，有惯性和有自平衡能力。

延迟时间约为30～60s。

图1-6 减温水量变化对过热汽温的影响综合上述可归纳出下列几点：⑴过热器出口蒸汽温度对象不管在哪一种扰动作用下都有自平衡能力。

而且改变任何一个输入参数（扰动），其他的输入参数都可能直接或间接地影响过热器出口蒸汽温度，这使得控制对象的动态过程十分复杂。

⑵在减温水流量扰动下，过热器出口蒸汽温度对象具有较大的传递滞后和容量滞后，缩短减温器与蒸汽温度控制点之间的距离，可以改善其动态特性。

⑶在烟气侧热量和蒸汽流量扰动下，蒸汽温度控制对象的动态特性比较好。

为了在调节机构动作后，能及时地影响汽温变化，希望调节机构动作时，汽温的动态特性参数τ、T和τ/T尽可能小些。

正确选择控制汽温的手段是非常重要的。

这一点在设计锅炉的过热器结构时要特别注意。

如果由于设计制造时考虑不周，会对汽温控制带来困难。

第二章过热汽温控制系统的设计2.1 过热汽温的调节方法为了使过热蒸汽温度具有很好的调节性能，调节汽温的方法必须灵敏而可靠。

电站锅炉调节汽温的方法有：表面式减温器、喷水式减温器、摆动式燃烧器。

由于表面式减温器热惯性大，它是一个给水与蒸汽之间的换热器，在中压参数锅炉中仍有应用，大型锅炉已被淘汰。

1．喷水式减温器喷水式减温器是将给水直接喷入蒸汽，水吸收蒸汽中的热量蒸发。

改变喷水量即可调节汽温。

它的热惯性小，调节灵敏，易于自动化，结构简单，运行可靠，是现代大型锅炉必不可少的调节手段。

2．摆动式燃烧器利用摆动式燃烧器上下摆动，改变火焰中心位置，从而改变炉膛出口烟温，可以调节过热汽温或再热汽温。

在高负荷时，燃烧器向下倾斜；低负荷时，燃烧器向上倾斜。

上下摆动范围一般为±(20°～30°)时，炉膛出口烟温变化约为110℃～140℃，蒸汽温度的最大调节幅度为40℃～60℃。

优点是调节灵敏、热惯性小。

采用多层燃烧器时，当负荷较低时，首先停用下排燃烧器，使火焰位置上移，对汽温调节有一定的作用。

通常摆动式燃烧器只作为蒸汽温度粗调手段，细调应采用喷水减温器。

2.2 汽温控制系统的设计原则⑴影响汽温变化的因素很多（如烟气、负荷等），选择改变烟气量或烟气温度（如改变喷燃器角度）作为汽温调节手段时过热汽温的动态特性较好，但实现起来较麻烦，并造成与燃烧控制系统的相互干扰。

⑵目前广泛采用喷水减温作为控制汽温的手段。

对于维持汽温的要求而言，此时被控对象在调节作用下的滞后时间τ和时间常数T还嫌太大，如果只根据汽温偏差来改变喷水量往往不能满足生产上的要求，因此在设计自动控制系统时，应该加入比过热汽温能提前反映扰动的前馈补偿信号，如负荷前馈信号，导前汽温信号等。

当扰动产生后，过热汽温还未发生明显变化的时候就进行调节，能及早地消除扰动对汽温造成的影响，以便有效控制汽温的变化。

⑶尽量采用快速测量元件，选择正确的安装位置，以减小控制通道的滞后和惯性。

由于控制通道的滞后和惯性，不能及时地反映温度的突然变化，因此也就不能及时发出控制信号，造成控制系统稳定性差和控制质量不好。