再热器汽温控制系统课程设计说明书

目录
一 600MW火电机组DCS系统设计 1
1.1电源部分 1
1.2通信部分 2
1.3 系统接地 2
1.4 软件部分 3
二、设计正文 4
2.1 已知技术条件与参数 4
2.2设计总体方案及传感器、执行器、调节器等的选择 4
2.2.1 再热汽温的影响因素 4
2.2.2再热汽温控制的任务 5
2.2.3 再热汽温的控制方法 5
2.2.4执行器的选择 6
2.2.5变送器的选择 8
2.2.6控制器的选择 10
2.4画出系统框图及接线图 12
2.4.1再热器烟道挡板控制系统 13
2.4.2再热器喷水减温控制回路 14
三、设计心得 16
五、附表 18
一 600MW火电机组DCS系统设计
DCS系统配置应能满足机组任何工况下的监控要求(包括紧急故障处理)，CPU负荷率应控制在设计指标之内并留有裕度；所有站的CPU负荷率在恶劣工况下不得超过60％，所有计算站、数据管理站、操作员站、历史站等的CPU负荷率在恶劣工况下不得超过40％；控制站、操作员站、计算站、数据管理站、历史站或服务器脱网、离线、死机，在其它操作员监视器上应设有醒目的报警功能，或在控制室内设有独立于DCS系统之外的声光报警；DCS应采用合适的冗余配置和直至卡件的自诊断功能，使其具有高度的可靠性，系统的任何一个组件发生故障均不影响整个系统工作。

DCS系统应易于组态、易于实用和易于扩展；系统的报警、监视和自诊断功能应高度集中在CRT上，控制功能应尽可能在功能和物理上进行分散；主要控制器应采用冗余配置，重要I/O点应考虑采用非同一板件的冗余配置；系统设计应采用各种抗噪声技术、包括光电隔离、高共模抑制比以及合理的接地和屏蔽；分配控制回路和I/O信号时，应使一个控制器或一块I/O板件损坏时对机组的安全运行的影响尽可能小。

I/O板件及其电源故障时，应使I/O处于对系统安全的状态，不出现误动；电子设备机柜的外壳防护等级应满足有关标准的规定；机柜内的模件应能带电插拔，而不影响其它模件的正常运行。

DCS设计完成后能保证以下安全原则:单一故障不应引起DCS系统的整体故障。

单一故障不应引起锅炉或汽机/发电机保护系统的误动作或拒动作。

控制功能的分组划分应使某个区域的故障将只是部分降低整个控制系统的控制功能，此类控制功能的降低应能通过运行人员干预进行处理。

控制系统的构成应能反映电厂设备的冗余配置，以使控制系统内单一故障不会导致运行设备与备用设备同时不能运行。

整个DCS的可利用率至少为99.98%。

当DCS系统通讯发生故障或运行操作员站和LCD全部故障时，应能确保安全停机，当控制器单元发生故障时，应能保证稳定负荷下安全停机。

1.1电源部分
系统电源应设计有可靠的后备手段(如采用UPS电源)，备用电源的切换时间应小于5ms(应保证控制器不能初始化)，同时，系统电源故障应在控制室内设有独立于DCS之外的声光报警；有条件的机组，DCS应采用隔离变压器供电。

系统应设计双回路供电，其中一路电源要采用UPS 供电，并应进行定期切换试验；
UPS电源应能保证连续供电30min，以确保安全停机、停炉的需要；采用直流供电方式的重要I/O板件，其直流电源应采用冗余配置。

1.2通信部分
主系统及主系统连接的所有相关系统(包括专用装置)的通讯负荷率设计必须控制在合理的范围(保证在高负荷运行时不出现“瓶颈”现象)之内，其接口设备(板件)应稳定可靠：连接到系统数据高速公路上的任一系统或设备发生故障都不应导致通讯系统瘫痪或影响其它联网和系统和设备的工作；通信总线应有冗余设置，冗余的数据高速公路在任何时候都能同时工作，通信负荷率在繁忙工况下不得超过30％，对于以太网则不得超过30％；通讯高速公路的故障不应引起机组跳闸或使DPU(分散处理单元)不能工作；当数据通信系统发生某个通讯错误时，系统应能自动采取某种安全措施如切除故障的设备或切换到冗余装置等；系统应能在电子噪声、射频干扰和振动都很大的现场环境中连续运行而不降低系统性能。

1.3 系统接地
DCS的系统接地必须严格遵守技术要求，所有进入DCS系统控制信号的电缆必须采用质量合格的屏蔽电缆，且有良好的单端接地；DCS系统与电力系统共用一个接地网时，控制系统接地线与电气接地网只允许有一个连接点，且接地电阻应小于0.5Ω；重点处理好两种接地：保护地(CG)和屏蔽地(AG)。

保护地接至电厂电气专业接地网，接地电阻小于2Ω；屏蔽地当电厂电气专业接地网接地电阻不大于0.5Ω，直接接入电厂电气专业接地网；当电气专业接地网接地电阻较大时，独立设置接地系统，接地电阻不大于2Ω；屏蔽地接地点应远离电厂大电流设备，如
给水泵、磨煤机等，距离应大于10m以上；模拟量信号(模入、模出，特别是低电平的模入信号，如热电偶、热电阻信号等)最好采用屏蔽双绞线电缆连接，且有良好的单端接地。

1.4 软件部分
整个系统应该采用统一的组态技术和方法，操作系统应选用适用于工业控制要求的稳定的系统，应用软件的安全性和稳定性应能完全胜任工业控制；所有算法和系统整定参数应驻存在各处理模件的非易失性存储器内，执行时无须重新装载；系统应留有后继开发应用软件的方式；在工程师站上应能对系统组态进行修改，不论该系统在线或离线，均能对系统组态进行修改。

增加或改变系统中的一部分内容应不必重新编译整个系统的程序。

在编程或修改完成之后，系统组态程序应能通过数据高速公路装入到各有关处理模件而不影响系统的正常运行；所有程控逻辑的修改都在系统内完成，而无需使用外部硬接线、
专用开关或其它替代物作为逻辑的组态输入；应提供方便查阅历史数据的工具软件；应设计有对报警历史、操作员操作历史的记录和查阅程度包；应提供对事故顺序记录的主录和查阅程序包；系统应有对生产过程数据的记录和查阅功能，对于一般过程点应能精确到一秒，重要事件应能记录到毫秒级。

系统应有完善的在线诊断和离线诊断能力，查找故障的自诊断功能应至少诊断至模件级故障，报警功能应能使使用人员方便地辨别和解决各种问题。

二、设计正文
2.1 已知技术条件与参数
已知技术条件与参数表1系统误
差
满足控制指标要求
使用环境温度传感器-30℃～＋80℃变送器执行器-30℃～＋80℃
调节器记录显示仪
表
0℃～40℃
相对湿度≤90%
电源交流220V(＋10%、－15%)，50Hz
2.2设计总体方案及传感器、执行器、调节器等的选择
2.2.1 再热汽温的影响因素
(1) 给水温度
给水温度降低时（如高压加热器出系），若锅炉出力保持不变，则需要增加燃料，以补充因给水温度降低而减少的热量；这样，炉膛出口烟气量增加，以对流受热面为主的再热器吸热量增加，导致再热汽温升高(2) 过剩空气系数
过剩空气系数增加，以对流受热面为主的再热器吸热量增加，再热汽温升高；反之则降低。

(3) 炉膛火焰中心
炉膛火焰中心的高度对再热汽温有相当显著的影响，是调节再热汽温的主要手段。

当火焰中心抬高时，炉膛出口温度上升，以对流受热面为主的再热器其进口烟温升高，吸热量增加，再热汽温提高；反之，再热器吸热量减少，再热汽温降低
(4) 受热面结渣
再热器受热面结渣或积灰，吸热量减少，再热汽温降低。

炉膛水冷壁结渣，水冷壁吸热量减少，导致炉膛出口烟温上升，再热器吸热增加，再热汽温提高。

(5) 过热蒸汽温度和压力
过热蒸汽温度变化会引起高压缸排汽变化。

过热汽温降低，高压缸排汽温度降低；在再热器吸热量不变的条件下，因再热器进口温度降低，导致再热器出口温度降低。

过热蒸汽压力的变化也会引起再热汽温的变化。

过热蒸汽压力降低，在过热汽温不变的情况下，过热蒸汽的焓增大，高压缸排汽温度上升；在再热器吸热量不变的条件下，因再热器进口温度升高，使再热器出口温度提高；反之，过热蒸汽压力升高，再热汽温降低。

这与变压运行时，可保持较高再热汽温的原理相同。

2.2.2再热汽温控制的任务
为了提高大容量、高参数机组的循环效率，并防止汽轮机末级蒸汽带水，需采用中间再热系统。

提高再热汽温对于提高循环热效率是十分重要的，但受金属材料的限制，目前一般机组的再热蒸汽温度都控制在560℃以下。

另一方面，在锅炉运行中，再热器出口温度更容易受到负荷和燃烧工况等因素的影响而发生变化，而且变化的幅度也较大，如果不进行控制，可能造成中压缸转子与汽缸较大的热变形，引起汽轮机振
动。

再热蒸汽温度控制系统的任务是将再热蒸汽温度稳定在设定之上。

此外，在低负荷、机组甩负荷或汽轮机跳闸时，保护再热器不超温，以保证机组的安全运行。

2.2.3 再热汽温的控制方法
再热蒸汽温度调节采用调节延期挡板，摆动火嘴和喷水减温的控制方式。

按设计，再热蒸汽温度正常情况下由烟气挡板的摆动来控制。

也就是说一般以采用烟气控制的方式为主，这比采用喷水控制有较高的热经济性。

1.采用烟气挡板控制再热汽温的控制系统
采用烟气挡板需把尾部烟道分成两个并联烟道，在主烟道中布置低温再热器，旁路烟道中布置低温过热器。

在低温过热器下面布置省煤器，调温挡板则布置在工作条件较好的省煤器下面。

主，旁两侧挡板的动作是相反的，即再热器侧开，过热器侧关，反之亦然。

2、摆动火嘴：
摆动燃烧器火嘴倾角是设计用来调节再热汽温的正常手段，它是一个带前馈信号的单回路调节系统。

在锅炉A，B侧末级再热器出口联箱上各装有两个出口蒸汽温度测点，可由运行人员在OIS上手动选择每侧的某一测点或两个测点的平均值作为本次再热汽温控制使用。

根据主蒸汽流量经函数发生器给出的随机组负荷变化的再热汽温设定值，与运行人员手动设定值经小值选择器后与再热蒸汽测量值进行比较，偏差进入控制器。

控制器设计为SMITH预估器和PID调节器互相切换的方式，两者只能由一个起控制作用，可由热控工程师通过软件调节。

为了提高再热汽温在外扰下的调节品质，控制回路设计了机组负荷和送风量经函数发生器给出的前馈信号。

根据再热汽温的偏差经控制器的控制运算后在加上前馈信号，形成了对燃烧器火嘴倾角的控制指令，这个指令信号分四路并列输出去驱动炉膛四角的燃烧器火嘴倾角。

当进行炉膛吹扫时，火嘴倾角将被自动连锁到水平位置。

3、喷水减温：
喷水减温只起辅助或保护性质的减温作用。

每侧的再热汽温有两个测量信号，当摆动火嘴在自动控制状态时，喷水减温的再热汽温设定在摆动火嘴控制系统设定值的基础上加上根据摆动火嘴控制指令经函数发生器给出的偏置量，意在当摆动火嘴有调节与低时抬高喷水减温控制系统设定值以确保喷水减温阀门关死。

当摆动火嘴控制指令接近下限而将失
去调节余地时，该偏置量应该减小到零以便再热汽温偏高时喷水阀门接替摆动火嘴的减温手段。

由于喷水减温系统只是设计用作辅助调节手段，故系统设计比较简单，再热汽温设定值与测量值的偏差经PID调节器后直接作为喷水减温阀门开度指令，控制器未设计SMITH预估器，也未设计任何前馈信号
2.2.4执行器的选择
一、作用
控制机构与执行机构合称执行器，它是电厂热工自动控制系统的执行环节。

执行器接受控制器或人工给定的控制信号。

将其进行功率放大，并转换为输出轴相应的转角或直线位移，连续或断续地推动各种控制机构。

如控制阀(或调节阀)、挡板，以完成对各种参量的控制。

二、分类
执行器根据所使用的能源形式，可分成气动、电动和液动三大类。

气动执行器是利用压缩空气作为能源；电动和液动执行器分别利用电和高压液体作为能源。

在火电厂中，气动和电动使用较多，液动使用较少。

执行器根据输出位移量的不同，又分为角位移(或角行程)执行器和线位移(或直行程)执行器。

三、特点及应用
1．电动执行器
(1)采用电源为动力，使用方便，无需特殊的气源和空气净化装置。

电源消失时，能保持原来位置。

(2)可以远距离传输信号，电缆的安装比气管方便。

且便于检查。

(3)体积小、推力较大、定位精度高、反应快、滞后时间短。

(4)与计算机控制系统连接方便。

而且本身也可智能化(内装微处理机)，智能电动执行器是执行器的发展方向。

电动执行器的缺点是结构复杂，价格较高，不适用于防火防爆场合，频繁启停易损害电机或阀门。

目前，在火电厂中应用的电动执行器，除DDZ-I、Ⅱ型外，还有引进型电动执行器。

如：德国西门子的M76346系列和MAM393系列、法国伯纳德的SD系列、英国罗托克M系列和A系列。

此外，还有DDZ—S型智能电动执行器等。

2．气动执行器
气动执行器的主要优点是；结构简单、工作安全可靠、价格便宜、维护方便、运行平稳、不损坏阀门或设备、负载能力大、天然防火防爆；
缺点是：体积大、不便与计算机控制系统连接、需要气源和空气净化装置、气信号不便远传。

气动执行器主要有薄膜式和活塞式两大类，并以薄膜式应用最广。

在电厂气动基地式自动控制系统中，常采用这类执行器。

气动活塞式执行器由气缸内的活塞输出推力，并容易制造成长行程的执行器。

所以，气动活塞式执行器特别适用于高静压、高差压以及需要较大推力和位移(转角或直线位移)的工艺场合，如火电厂中的给水、减温水控制阀和送、引风挡板开度的控制。

常用的型号为；ZSLD-A、ZSZ、ZSL及MDQZ型，此外还有从国外引进的气动执行器。

3．液动执行器
液动执行器的优缺点与气动执行器基本相同，只是它的响应速度更快，输出推力更大，在电厂中常作为汽轮机控制系统的执行器，如电液伺服执行器(简称EH)。

执行器是自动控制系统中不可缺少的重要设备。

因此，只有了解和掌握执行器的作用、特点、工作原理和维修调整技能，才能保证热工自动控制系统的安全投入，使火电机系统机组安全运行。

在本系统中，调节阀是系统的执行机构，是按照控制器所给定的信号大小和方向，改变阀的开度，以实现调节流量的装置。

调节阀的口径的大小，直接决定着控制介质流过它的能力。

为了保证系统有较好的流通能力，需要是控制阀两端的压降在整个管线的总压降占有较大的比例。

在正常工况下，一般要求调节阀开度应处于1 5%～85%之间，应具体根据实际需要的流通能力的大小进行选择。

调节阀按驱动方式可分为：气动调节阀、电动调节阀和液动调节阀，即以压缩空气为动力源的气动调节阀，以电为动力源的电动调节阀，以液体价值压力为动力源的液动调节阀，由于生产现场有防爆要求，所以应选择气动执行器。

调价阀的开、关形式需要考虑到以下几种因素：
〔1〕生产安全角度：当起源供气中断，或调节阀出故障而无输出等情况下，应该确保生产设备的安全，不至发生事故；
〔2〕保证产品质量：当发生控制阀处于无源状态而恢复到初始位置时，产品的质量不应降低；
〔3〕尽可能的降低原料、产品、动力耗损；
〔4〕从介质的特点考虑。

2.2.5变送器的选择
温度变送器的选择
热电偶温度变送器与各种测温热电偶配合使用，可将温度信号线性地转换成为4～20mADC电流信号或1～5VDC电压信号输出，它是由量程单元和放大单元两部分组成的。

热电偶温度变送器的主要特点是采用非线性负反馈回路来实现线性变化。

这个特殊的性质反馈回路能按照热电偶温度－毫伏信号间的非线性关系调整反馈电压，以保证输入温度t与整机输出或间的线性关系。

图1热电偶温度变送器
零点调整、量程调整电路的工作原理与直流毫伏变送器大致相仿。

所不同的是：在热电偶温度变送器的输入回路中增加了由铜电阻等元件组成的热电偶冷端温度补偿电路；同时把调零电位器移动到了反馈回路的支路上；在反馈回路中增加了运算放大器等组成的线性化电路起线性化作用，如图1所示。

由于锅炉炉膛内的温度值较高，所以选用的热电偶变送器的温度测量值必须达到要求，这里，我选用的是DBW-1150型热电偶温度变送器。

DBW-1150型热电偶温度变送器是DDZ-III系列仪表的主要品种。

本温度变送器用热电偶作为测温元件，将被测温度线性地转换成标准信号1-
5VDC或4-20mADC输出，供给指示、记录、凋节器、计算机等自动化监控系统。

技术参数表2
输入标准热电偶
输出电流4～20mADC
输出电压1～5VDC
输出电阻250Ω
允许负载变化范围100Ω
量程0～1600℃
冷端补偿误差≤1℃
温度漂移≤0.1×基本误差/1℃
绝缘电阻电源、输入与输出端子间≤100MΩ
绝缘强度电源/输入/输山端子间1500VAC/分钟
工作条件环境温度：0～50℃相对湿度：≤90%（RH）
电源电压24VDC±5%
功耗＜2W
防爆等级(ib)IICT6
重量＜2Kg
2.2.6控制器的选择
（1）采用模拟控制器:DDZ－III型调节器，DDZ―Ⅲ基型控制器框图如图2 。

控制器的输入信号为1～5V的测量信号。

设定信号有内设定和外设定两种。

内设定信号为1～5V，外设定信号为4～20mA。

测量信号和设定信号通过输入电路进行减法运算，输出偏差到比例积分微分电路进行比例积分微分运算后，由输出电路转换为4～20mA信号输出。

手动电路和保持电路附于比例积分微分电路之中，手动电路可实现软手动和硬手动两种操作，当处于软手动状态时，用手指按下软手动操作键，使控制器输出积分式上升或下降，当手指离开操作键时，控制器的输出值保持在手指离开前瞬间的数值上，当控制器处于硬手动状态时，移动硬手动操作杆，能使控制器的输出快速改变到需要的数值，只要操作杆不动，就保持这一数值不变。

由于有保持电路，使自动与软手动相互切换，硬手动只能切换到软手动，都是无平衡无扰动切换，只有软手动和自动切换到硬手动需要事先平衡才能实现无扰动切换。

如果是全刻度指示控制器，测量信号的指示电路和设定信号的指示电路分别把1～5V电压信号转化为1～5mA电流信号用双针指示器分别指
示测量信号和设定信号。

当控制器出现故障需要把控制器从壳体中取出检查时，可以把便携式手动操作器插入手动操作插孔，以实现手动操作。

图2中的4～20mA输出信号通过精密电阻转化为1～5V电压反馈到控制器的输入端，使控制器形成了自闭系统，提高了控制器的运算精度。

根据生产设计要求，采用WHSPL型调节器。

图2 DDZ―Ⅲ基型控制器框图
（2）本设计采用气动薄膜调节阀，其工作原理：当气室输入了0.02～0.10MPa信号压力之后，薄膜产生推力，使推力盘向下移动，压缩弹簧，带动推杆、阀杆、阀芯向下移动，阀芯离开了阀座，从而使压缩空气流通。

当信号压力维持一定时，阀门就维持在一定的开度上。

气动薄膜调节阀的结构可以分为两部分，上面是执行机构，下面是调节机构。

它主要由膜片、弹簧、推杆、阀芯、阀座等零部件组成。

当来自控制器的信号压力通入到薄膜气室时，在膜片上产生一个推力，并推动推杆部件向下移动，使阀芯和阀座之间的空隙减小，流体受到的阻力增大，流量减小。

推杆下移的同时，弹簧受压产生反作用力，直到弹簧的反作用力与信号压力在膜片上产生的推力相平衡为止，此时，阀芯与阀座之间的流通面积不再改变，流体的流量稳定。

出于安全的原因，在此次设计中使用VBD气动端面密封蝶阀，VBD气动端面密封蝶阀是一种重量轻，结构简单的后座式端面密封蝶阀。

阀体、阀板均用钢板焊接或铸造加工而成。

适用于低压状态的空气或其他气体的流量、压力控制。

2.3总体方案
蒸汽再热器是锅炉的重要组成部分，它的作用是将在汽轮机高压缸作
功后的蒸汽再次加热到新蒸汽温度，然后送入汽轮机中压缸继续作功，经过再热循环，一方面可以进一步提高循环热效率，另一方面可以使汽轮机末级叶片的蒸汽湿度控制在允许的范围内，其调节用温度测点和执行机构接线图附录1所示。

再热汽循环可以降低汽轮机末端叶片的蒸汽湿度，降低消耗，提高电厂的热效率，高压缸做功以后的乏汽，回到锅炉后，主要提高蒸汽的干度，进入汽轮机做功，对汽轮机不会产生损坏，控制再热温度的目的也就在于此，提高机组的热效率，降低汽轮机低压部分蒸汽带水，。

某电厂控制再热器温度的手段有两大部分，一部分为控制热风挡板的位置来控制再热汽温，另一部分为控制再热喷水量来控制再热汽温。

(图如附录1)
1、系统构成
再热汽温控制系统外围设备包括再热减温出口温度TE0601A、
TE0601B温度元件，再热器压力信号PT0501变送器，再热器喷水流量信号为PDT2123差压变送器，再热器出口温度信号分别为TE0691A、
TE0691B温度元件，A侧热风注入信号分别为PDT7107AA、
PDT7107AB，B侧热风注入信号分别为PDT7107BA、PDT7107BB差压变送器，应确保量程合适、测量正确、CRT显示正常，再热减温执行器BN0601、热风注入挡板CD7107A、CD7107B，执行机构应确保动作方向正确，行程时间和行程误差合适。

（图如附录2）
2.4画出系统框图及接线图
某660MW机组再热器温控制方法采用了以调节烟气挡板开度（为主），和高温时喷水减温（为辅）相结合的气温控制系统。

正常运行时采用烟气挡板控制系统进行再热蒸汽控制，在再热汽温超过一定的温度值后，再投入喷水减温控制系统。

在一些特殊情况下（入挡板在手动方式下），还可以用喷水减温系统切换后组成的位置控制系统替代再热气温控制系统。

2.4.1再热器烟道挡板控制系统
再热器烟道挡板控制系统采用常规的双回路串级前馈-反馈控制系统，主调节器PID和副调节器PI串联连接，共同完成“保持再热器汽温为恒定值”的控制人物。

由于再热器布置与延期对流区，流经再热器延期流量的变化会影响到再热汽温，系统采用调节烟道挡板角度的方法控制。