锅炉过热蒸汽温度控制系统课程设计

锅炉过热蒸汽温度控制系统课程设计
过程控制课程设计说明书
——锅炉过热蒸汽温度控制系统
院系：化工学院化工机械系
班级：10自动化（1）
姓名：李正智
学号：1 0 2 0 3 0 1 0 1 6
日期：2013/12/2-2013/12/15
指导老师：王淑钦老师
引言
蒸汽温度是锅炉安全、高效、经济运行的主要参数，因此对蒸汽温度控制要求严格。

过高的蒸汽温度会造成过热器、蒸汽管道及汽轮机因过大的热应力变形而毁坏；蒸汽温度过低，又会引起热效率降低，影响经济运行。

锅炉控制现场环境恶劣，采用传统的基于模拟技术的控制器、仪器仪表或单片机，不仅结构比较复杂，效率比较低，并且可靠性也不高。

本次课程设计的主要目的是锅炉蒸汽温度控制系统的设计。

蒸汽过热系统包括一级过热器、减温器、二级过热器。

锅炉汽温控制系统主要包括过热蒸汽和再热蒸汽温度的调节。

主蒸汽温度与再热蒸汽温度的稳定对机组的安全经济运行是非常重要的。

过热蒸汽温度控制的任务是维持过热器出口蒸汽温度在允许的范围之内，并保护过热器，使其管壁温度不超过允许的工作温度。

过热蒸汽温度是锅炉汽水系统中的温度最高点，过热蒸汽温度过高或过低，对锅炉运行及蒸汽设备是不利的。

蒸汽温度过高会使过热器管壁金属强度下降，以至烧坏过热器的高温段，严重影响安全。

一般规定过热器的温度与规定值的暂时偏差不超过±10℃，长期偏差不超过±5℃【1】。

如果过热蒸汽温度偏低，则会降低电厂的工作效率，同时使汽轮机后几级的蒸汽湿度增加，引起叶片磨损。

据估计，温度每降低5℃，热经济性将下降约1%；且汽温偏低会使汽轮机尾部蒸汽温度升高，甚至使之带水，严重影响汽轮机的安全运行。

一般规定过热汽温下限不低于其额定值10℃。

通常，高参数电厂都要求保持过热汽温在540℃的范围内。

由于汽温对象的复杂性，给汽温控制带来许多的困难，其主要难点表现在以下三个方面：（1）影响汽温变化的因素很多，例如，蒸汽负荷、减温水量、烟气侧的过剩空气系数和火焰中心位置、燃料成分等都可能引起汽温变化。

（2）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，从而进一步加大了汽温控制的难度。

（3）汽温对象在各种扰动作用下（如负荷、工况变化等）反映出非线性、时变等特性，使其控制的难度加大。

一．生产工艺概述
1.1.锅炉生产工艺介绍
锅炉是过程工业中必不可少的动力设备。

它所产生的蒸汽不仅可供生产过程作为热源，而且还可作为蒸汽透平的动力源。

在热电厂中按锅炉设备所使用燃料的种类、燃烧设备、炉体形式、锅炉功能和运行要求的不同，锅炉生产有各种不同的流程。

常见锅炉设备的工业流程如图1.1所示[2]：
过热蒸汽送负荷设备
热空气汽包
炉膛
烟气排出
冷空气送入
水送入
热空气送往炉膛
过热器
减温器
空气预热器
图1.1 锅炉设备主要工
艺流程
蒸汽发生系统由给水泵、给水调节阀、省煤器、汽包及循环管组成。

燃料和热空气按照一定的比例进入燃烧室燃烧，产生的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽Ds ，然后经过热器成一定汽温的过热蒸汽D，汇集至蒸汽母管。

压力为Pm的过热蒸汽，经负荷设备调节阀供给生产负荷使用。

与此同时，燃烧过程中产生的烟气，将饱和蒸汽变成过热蒸汽后，经省煤器预热锅炉预热空气，最后经引风机送往烟筒排入大气。

锅炉设备的控制任务：根据生产负荷的要求，供应一定压力或温度的蒸汽，同时要使锅炉在安全、经济的条件下运行。

按照这些控制要求，锅炉设备将有如下主要的控制系统：
⑴锅炉汽包水位控制系统：主要是保持汽包内部的水位平衡，使积水量适应锅炉的蒸汽汽量，维持汽包中水位在工艺允许的范围内；
⑵锅炉燃烧系统的控制：其控制方案要满足燃烧所产生的热量，适应蒸汽负荷的需要，使燃料与空气量保持一定的比值，保证燃烧的经济性和锅炉的安全运行，使引风量与送风量相适应，保持炉膛负压在一定范围内；
⑶过热蒸汽系统控制：主要使过热器出口温度保持在允许范围内，并保证管壁温度不超过工艺允许范围；
⑷锅炉水处理过程：主要使锅炉给水的水性能指标达到工艺要求。

1.2过热器的介绍
过热器定义：锅炉中将蒸汽从饱和温度进一步加热至过热温度的部件。

过热器概述：过热蒸汽温度的高低取决于锅炉的压力、蒸发量、钢材的耐高温性能以及燃料
与钢材的比价等因素，对电站锅炉来说,低压锅炉的温度一般为350~375℃，过热器前布置有大量对蒸汽管束，进入过热器的烟温约在700℃上下。

中压锅炉多为烧煤粉或重油的室燃炉，其过热气温为450℃，这时的炉膛辐射传热的烟温可达1000℃左右[3]。

高压锅炉，尤其超高压锅炉，加热水的热量和过热热量增大很多，而蒸发热减少，当有中间再过热时，情况更为突出，这时必须把一部分过热器受热布置在炉膛内，是吸收部分辐射热。

为了提高电厂热力循环的效率，蒸汽的初参数不断提高。

蒸汽压力的提高要求相应的提高过热蒸汽温度，否则蒸汽在汽轮机膨胀终了的湿度就会过高，影响汽轮机的安全。

但蒸汽温度的增高要受到过热器钢材高湿强度性能的限制，因而采用了中间再热，即高压高温蒸汽在汽轮机内膨胀至某一中间压力后，引到布置在锅炉烟道内的再热器，再一次加热升温，然后又回到汽轮机的中、低压缸，继续膨胀至凝汽器压力，这样蒸汽膨胀终了的湿度可控制在允许范围内。

超高压机组采用中间再热时，理论上可使循环经济性相对提高6%~8%，在实际设备中，由于有压降损失，
热经济性的提高比理论值稍低。

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。

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。

由于过热器管壁金属在锅炉受压部件中承受的温度最高，因此必须采用耐高温的优质低碳钢和各种铬钼合金钢等，在最高的温度部分有时还要用奥氏体铬镍不锈钢。

锅炉运行中如果管子承受的温度超过材料的持久强度、疲劳强度或表面氧化所容许的温度限值，则会发生管子爆裂等事故。

二．蒸汽温度控制系统的组成与对象静动态特性
2.1.过热蒸汽温度控制的意义与任务
锅炉过热蒸汽温度是影响机组生产过程安全性和经济性的重要参数。

现代锅炉的过热器是在高温、高压的条件下工作的，过热器出口的过热蒸汽温度是机组整个汽水行程中工质温度的最高点，也是金属壁温的最高处。

过热器采用的是耐高温高压的合金刚材料，过热器正常运行的温度已接近材料所允许的最高温度。

如果过热蒸
汽温度过高，容易损坏过热器，也会使蒸汽管道、汽轮机内某些零部件产生过大的热膨胀而毁坏，影响机组的安全运行。

如果过热蒸汽温度过低，将会降低机组的热效率，一般蒸汽温度降低5-10℃，热效率约降低1%，不仅增加燃料的消耗量，浪费能源，而且还将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。

另外，过热汽温的降低还会导致汽轮机高压级部分蒸汽的焓值减小，引起反动度增大，轴向推力增大，也对汽轮机安全运行带来不利的影响。

所以，过热蒸汽温度过高或过低都是生产过程所不允许的。

2.2过热蒸汽温度控制对象的静动态特性
2.2.1 静态特性
2.2.1.1锅炉负荷与过热汽温的关系[4]
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。

2.2.1.2过剩空气系数与过热汽温的静态关系
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。

2.2.1.3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。

2.2.1.4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，火焰中心相对提高时，过热汽温将升高。

2.2.2 动态特性
目前，火电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。

2.2.2.1蒸汽流量扰动下的蒸汽温度对象的动态特性
大型锅炉都采用复合式过热器，当锅炉负荷增加时，锅炉燃烧率增加，通过对流式过热器的烟气量增加，而且烟气温度也随负荷的增大而升高。

这两个因素都使对流式过热器的气温升高。

然而，当负荷增加时，炉膛温度升高的并不明显，由炉膛辐射传给过热器的热量比锅炉蒸汽量增加所需热量少，因此使辐射式过热器出口温度下降。

可见，这两种型式的过热器对蒸汽流量的扰动的反映恰好相反，只要设计上配合得当，就
能使过热其出口汽温随蒸汽流量变化的影响减小。

因此在生产实践中，通常把对流式过热器与辐射式过热器结合使用，还增设屏式过热器，且对流方式下吸收的热量比辐射方式下吸收的热量多，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2-1（a）所示。

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，延迟时间较小，约为15s 左右。

图2-1 在扰动下温度的变化曲线
2.2.2.2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2-1（a）所示。

它与蒸汽量扰动下的情况类似。

2.2.2.3蒸汽温度在减温水量扰动下的动态特性
当减温水量发生扰动时，虽然减温器出口处汽温已发生变化，但要经过较长的过热器管道才能使出口汽温发生变化，其扰动地点（过热器入口）与测量蒸汽温度的地点（过热器出口）之间有着较大的距离，此时过热器是一个有纯滞后的多容对象。

.动态曲线图如图2-1（b）所示。

当扰动发生后，要隔较长时间才能是蒸汽温度发生变化，滞后时间比较大，滞后时间约为30-60s。

综上所述，可归纳出以下几点：
（1）过热器出口蒸汽温度对象不管在哪一种扰动下都有延迟和惯性，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的影响出口蒸汽温度，这使得控制对象的动态过程十分复杂。

（2）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，缩减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。

（3）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。

三．过热蒸汽温度控制原理简介
过热蒸汽温度控制系统采用两级喷水减温，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，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。

目前，过热汽温的控制方案很多，而且随着自动控制技术和计算机技术的不断发展，新的控制方法不断出现，汽温控制的质量也不断提高。

传统的汽温控制系统有
两种：单回路控制系统和串级汽温控制系统[5]。

3.1单回路控制系统
单回路控制系统是各种复杂控制系统的基础，由于其控制简单而得到广泛应用。

由图3.1可知，这种调节方法是最不理想的。

图3.1 单回路控制系统原理图
理论上减温器应尽可能地安装在靠近蒸汽出口处，但需在过热器材料安全的基础上，这样会得到较好的动态特性。

但作为控制对象的过热器由于管壁金属的热容量比较大，使其有较大的热惯性，加上管道有一定较长时间的传递滞后，同时在单回路控制系统，调节器在接受过热器出口蒸汽温度的变化后，调节器才会开始动作，去控制减温水的水流量变化又要经过一段时间才
能影响到蒸汽温度的变化，这样既不能及早发现扰动，又不能及时反映控制的效果，将使蒸汽温度发生不能允许的动态偏差，即使整个系统采用PID算法。

这样的控制方案会影响到锅炉生产的安全，而且还不够经济。

3.2串级控制系统
由图3.2可以看出，锅炉蒸汽温度串级控制系统采用两级调节器串在一起的；两级调节器各有其特殊的任务，调节器1直接控制调节阀的动作，同时调节器2控制着调节器1的设定值，从而形成了特殊的双闭环系统，其中副环由调节器1和减温水出口温度组成，调节器2和出口蒸汽温度形成的闭环为主环。

主环和副环一起构成了一个完整的串级控制系统。

其中调节器1为副调节器，主调节器是调节器2。

图3.2 过热蒸汽温度串级控制系统原理图
串级控制系统的原理方框图如图 3.3所示，具有内外两个回路。

内回路由导前汽温变送器、副调节器、执行器、减温水调节阀及减温器组成；外回路由主汽温对象、汽温变送器、主调节器及整个内回路组成。

由图可知，主调节器的输出即副调节器的给定，而副调节器的输出直接送往调节阀。

其中主调节器的的给定值使是一个定值，所以主回路是一个定值控制系统。

而副回路的给定值是由主调节器的输出给定的，所以它随主调节器输出的变化而变化，为一个随动控制
系统。

主调节器
调节阀
减温器出口蒸汽温度
主温度
变送器设定值-副温度
变送器
副调节器过热器-
图3.3串级控制系统方框图
系统中以减温器的喷水作为控制手段，通过减温水的控制达到控制蒸汽温度的效果。

由于汽温对象具有较大的延迟和惯性，主调节器多采用PID 控制规律，副调节器采用PI 或P 控制规律。

在主、副调节器均具有PI 控制规律的情况下，当系统达到稳定时，主、副调节器的输入偏差均为零。

从而提高了整个系统的准确度和实用性。

再者，在串级控制系统中，两个调节器串联工作，但是以主调节器为主导，保证主变量为目的，在整个控制过程两个调节器协调一致，互相配合，若干扰来自副回路，副调节器首先进行粗调，主调节器再进一步进行细调。

相对于过于简单的单回路控制系统，串级控制系统的控制质量
明显优越。

具体体现在：
⑴由于副回路的存在，减少了控制对象的时间常数，缩短了控制通道，使控制作用更加明显；
⑵在一定程度上提高了系统的工作频率，使震荡周期明显缩短，调节时间也有一定程度上的缩短，系统的快速性相对增强了；
⑶整个控制系统对二次干扰即包括在副回路范围内的扰动具有很强的克服能力，这是单回路控制系统所不能实现的；
⑷对负荷或操作条件的变化有一定的自适应能力。

综上所述，串级控制系统更适应锅炉蒸汽温度的控制。

四．过热蒸汽温度控制系统的设计
4.1系统控制参数的确定
4.1.1主变量的选择
根据串级控制系统选择主变量的原则：在条件允许的情况下，首先应尽量选择能直接反映控制目的的参数为主变量；其次，要选择与控制目的有某些单值对应关系的间接单数作为主变量；最后，所选的主变量必须要足够的变化灵敏度。

所以，在本系统中需选择送入负荷设备的出
口温度作为主变量。

该参数可以直接反映本系统的控制目的。

4.1.2副变量的选择
副回路应该把生产系统的主要干扰包括在内，应力求把变化幅度最大、最剧烈和最频繁的干扰包括在副回路内，以充分发挥副回路改善系统动态特性的作用，保证主参数的稳定，为发挥这一特殊作用，在系统设计时，副参数的选择应使得副回路尽可能多的包括一些扰动。

同时要求主、副对象的时间常数应适当匹配。

并且应保证副变量的选择能实现生产工艺上的合理性、可能性和经济性。

综上所述，应选择减温器和过热器之间的蒸汽温度作为副变量。

4.1.3操纵变量的选择
控制变量和扰动变量是工业过程的两大输入变量。

其中，干扰时刻存在的，它是影响系统平稳操作的主要因素，而操纵变量的主要作用是克服干扰的影响，是系统能重新稳定运行的因素。

选择操纵变量的基本原则为：
⑴选择对所选定的被控变量影响较大的输入量作为操纵变量；
⑵在⑴的前提下，选择变化范围较大的输入量作为控制变量，以便于控制；
⑶在⑴的基础上选择对被控变量作用效应较快的输入变量作为控制变量，使控制系统响应较快；
综上所述，应选择减温水的输入量作为操纵变量。

4.2执行器的选择
在本系统中，调节阀是系统的执行机构，是按照调节器所给定的信号大小和方向，改变阀门的开度，来实现调节流体流量的装置。

调节阀的口径大小，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，需要使控制阀两端的压降在整个管线的总压降中占有较大的比例。

在正常工况下一般要求调节阀开度应处于15%—85%之间，具体应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，以液体介质(如油等)压力为动力的电液动调节阀；由于生产现场有防爆要求，所以应选择气动
执行器。

此设计中的串级控制系统主要是通过换热来达到控制的目的，过热蒸汽在过热器内与减温水进行热交换被冷却，调节阀安装在减温水的管道上，用换热后的蒸汽温度来控制减温水的水量，在气源中断时，调节阀应处于开启位置更安全些，宜选用气关式调节阀。

4.3控制仪表的选择
4.3.1温度变送器的选择
温度变送器可分为电动和气动，常用的控制仪表有电动Ⅱ型、Ⅲ型。

再串级系统中，选用的仪表不同，具体的实施方案也不同。

电动Ⅱ型和电动Ⅲ型仪表就其功能而言是基本上相同的，但是就其控制信号而言是存在差异的。

具体表现在：电动Ⅱ型的典型控制信号为0~10mADC,电动Ⅲ型的典型控制信号时4~20mADC。

另外，与Ⅱ型仪表相比Ⅲ型仪表操作、维护更为方便、简捷，同时Ⅲ型仪表还有较完善的跟踪、保持电路，使得手动切换更为方便，随时都可以进行转换，而且保证无干扰。

综上所述，在本设计中需选用电动Ⅲ型仪表。

4.3.2温度传感器的选择
温度传感器有热电偶和热电阻两种。

在本设计中，最好选用热电偶温度传感器。

原因在于热电偶的测温范围广（－200℃～1300℃,特殊情况下－270℃～2800℃），耐高温，精度高，结构简单，更换方便，压簧式感温元件，抗震性能好，可以将热能转换为电能，用所产生的热电势测量温度[6]。

热电阻也可以作为温度传感元件。

大多数电阻的阻值随温度变化而变化，如果某材料具备电阻温度系数大、电阻率大、化学及物理性能稳定、电阻与温度的关系接近线性等条件，就可以作为温度传感元件用来测温，称为热电阻。

热电阻分为金属热电阻和半导体热敏电阻两类。

大多数金属热电阻的阻值随其温度升高而增加，而大多数半导体热敏电阻的阻值随温度升高而减少。

在使用热电偶时，由于冷端暴露在空气中，受周围环境温度波动的影响，且距热源较近，其温度波动也较大，给测量带来误差，为了降低这一影响，通常用补偿导线作为热电偶的连接导线。

补偿导线的作用就是将热电偶的冷端延长到距离热源较远、温度较稳定的地方。

补偿导线的作用如图4.1所示。