300MW单元机组过热汽温控制系统设计

课程设计说明书
题目：300MW单元机组过热汽温控制系统设计
课程设计（论文）任务书
摘要
过热蒸汽温度自动控制的任务是维持过热器出口蒸汽温度在允许范围内，并且保护过热器，是使管壁温度不超过允许的工作温度。

过热蒸汽温度是锅炉运行质量的重要指标之一，过热蒸汽温度过高或过低都会显著地影响电厂的安全性和经济性。

文章主要根据已知的300MW单元机组过热蒸汽流程设计串级过热气温分段控制系统。

在进行设计的同时先了解过热气温的特性，选择合适的调节器，再对其控制系统的调节器参数进行整定，在参数整定时主要采用内外回路分别进行整定的方法。

然后根据控制系统的设计原则进行设计，使系统控制过热气温的能力达到实际生产的要求，从而保证机组的安全稳定地运行。

研究内容主要集中在以下几方面：
第二章是过热汽温控制系统的分析和整定及过热蒸汽流程.首先说明过热汽温控制系统的任务,然后信号校正,其中信号校正又包含过热气温的校正和蒸汽流量的校正以及减温水流量的校正.最后介绍了过热蒸汽流程。

第三章是300MW单元机组过热汽温控制系统分析.内容有过热汽温控制系统方案包括系统的设计、原理分析。

并说明该过热汽温控制系统采用了前馈-串级分段控制方案,与普通的控制系统相比,既可克服内、外各种扰动,又可克服两侧汽温在调节过程中的相互干扰和影响,提高了蒸汽参数的稳定性。

维持过热器出口温度在允许的范围之内，并且保护过热器，使管壁温度不超过允许的工作温度，而最终达到设计要求。

关键词：300MW单元机组；过热汽温控制系统；串级过热汽温控制系统
目录
第一章过热汽温控制系统 (1)
1.1 过热汽温控制的任务 (1)
1.2 过热汽温控制对象的静态特性 (1)
1.3过热汽温控制对象的动态特性 (2)
1.4 串级过热汽温控制系统的结构和工作原理 (4)
1.5控制系统的整定 (5)
第二章过热汽温分段控制系统 (8)
2.1 串级过热蒸汽流程 (8)
2.2 300MW单元机组过热汽温控制系统方案 (8)
2.3 300MW单元机组过热汽温控制系统分析 (8)
参考文献 (12)
第一章过热汽温控制系统
1.1过热汽温控制的任务
过热蒸汽温度自动控制的任务是维持过热器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。

过热蒸汽温度是锅炉运行质量的重要指标之一，过热蒸汽温度过高或过低都会显著影响电厂的安全性和经济性。

过热蒸汽温度过高，可能造成过热器、蒸汽管道和汽轮机的高压部分金属损坏，因而过热汽温的上限一般不应超过额定值5℃。

过热蒸汽温度低，又会降低全厂的热效率并影响汽轮机的安全经济运行，因而过热汽温德下限一般不低于额定值10℃。

过热汽温的额定值通常在500℃以上例如高压锅炉一般为540℃，就是说要使过热汽温保持在540℃±5℃的范围内。

1.2 过热汽温控制对象的静态特性
1.锅炉负荷与过热汽温的关系
锅炉负荷（一把可用总分量代表）增加时，炉膛中燃烧的增加，但炉膛中的最高温度没有多大变动，炉膛辐射放热量相对变化不大，使得炉膛出口烟温增高。

这说明负荷增加时，每千克燃料的辐射放热百分率减少；而在炉膛后的对流换热区中，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，出口气温的稳态值升高；辐射式过热器则具有相反的气温特性，即当锅炉负荷增加时，会使出口气问的稳态值降低。

两种过热器的串联配合，可以取得较平的气温特性，但在一般采用这两种过热器串联的锅炉中，过热器出口的蒸汽温度，在某个负荷范围内，随锅炉负荷的增加将有所升高。

2.过剩空气系数与过热气温的静态关系
过剩空气量改变时燃烧生成的烟气量亦改变，然而所有对流受热面吸热改变，而且对离锅炉出口较远的受热面影响显著。

目前大多数锅炉的过热器均以对流吸热为主，当增大过剩空气量时，将使过热气温上升。

3.给水温度与汽温的关系
提高给水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，流经过热器的烟气量也减少了。

因此，是否投入高压给水加热器会使给水温度相差很大，这对过热气温有明显影响。

4.燃烧器的运行方式与过热气温的静态关系
在炉膛内投入高度不同的燃烧器或改变燃烧器倾角(再热器温调节的需要)会影响
炉内温度分布和炉膛出口烟温，因而也会影响过热气温，火焰“中心”相对提高时，过
热汽温将升高。

5.进入过热器的蒸汽的热焓与过热汽温的静态关系
一定压力下，过热器入口蒸汽焓值增加，将使出口汽温增加；采用喷水减温时，喷水量增加，进入过热器的蒸汽热焓降低，过热气温将下降。

同一负荷下，当锅炉汽包压力较低时，进入过热器蒸汽的饱和蒸汽焓值比较高压力下的饱和蒸汽的焓值要高，但从汽包产生的蒸汽量却减少了，所以出口主汽温将增加。

6.其它因素与过热汽温的静态关系
（1）受热面清洁程度。

过热器之前的受热面发生积灰或结渣时，进入过热器的烟温升高，因而使过热器的汽温上升，而过热器本事发生积灰或结渣将使过热汽温下降。

（2）饱和蒸汽用量。

当锅炉的吹灰器或其它辅机使用饱和蒸汽时，为了供应饱和蒸汽就需要增加燃料，其结果将使过热汽温升高。

（3）排污量。

排污对过热汽温的影响和使用保护蒸汽一样，但由于排污水的焓较低，故影响较小。

（4）燃烧性质对过热汽温的影响。

当由煤粉改燃油时，由于炉膛内的辐射吸热百分率增大，过热汽温将降低。

（5）尾部烟道中再热汽温控制挡板位置对过热汽温有较大的影响。

例如，当关小再热器烟道挡板（一般相应增大过热器挡板）时，过热汽温会升高。

1.3过热汽温控制对象的动态特性
过热气温调节对象的动态特性是指引起过热气温变化的扰动与气温之间的的动态
关系。

影响过热器出口蒸汽温度变化的因素很多，如蒸汽流量变化，燃烧工况的变化，锅炉给水温度的变化，进入过热器的蒸汽温度变化，流经过热器的烟气温度和流速变化，锅炉受热面结垢等。

归纳起来，主要有三个方面：
1﹑蒸汽流量（负荷）扰动下过热汽无奈对象的动态特性。

其特点是：有滞后、有
较小。

总的汽温将随负荷增加而升高。

其阶跃响应曲线如惯性、有自平衡能力、且c T
图1-1。

2﹑烟气热量扰动下的过热汽温的动态特性。

其特点是：有迟延、有惯性、有自平衡能力。

它的阶跃响应曲线如图1-2所示。

图1-1 锅炉负荷扰动下过热气温的阶跃响应曲线
图1-2 烟气热量扰动下过热气温的阶跃响应曲线
3﹑减温水量扰动下的过热汽温动态特性。

其特点是：有迟延、有惯性、有自平衡能力。

当负荷扰动或烟气热量扰动时，汽温的反应较快；而减温水量扰动时，汽温德反应较慢。

它的阶跃响应曲线如图1-3所示。

2θγ PI2 1θγPI1 z K 减温水W B
过热器 过热器 蒸汽
图1-3 减温水量扰动下过热气温的阶跃响应曲线
1.4 串级过热汽温控制系统的结构和工作原理
根据在减温水量B W 扰动时，主蒸汽温度1θ有较大的容积迟延，而减温器出口蒸汽温度2θ却有明显的导前作用，完全可以构成以2θ为副参数、1θ为主参数的串级控制系统，系统结构图如图1-4。

图1-4 串级过热汽温控制系统
系统中有主、副俩个调节器。

主调节器PI1用于维持主蒸汽温度1θ，使其等于给定值。

副调节器PI2接受主调节器的输出信号和减温器出口温度信号，副调节器的输出控制执行机构z K 的位移，从而控制减温水调节阀门的开度。

为了便于分析，给出主汽温串级控制系统原理框图，如图1-5示。

图1-5 主汽温串级控制系统原理框图
它有两个闭合的控制回路：
（1）由对象的导前区02()W s ，导前汽温变送器2θγ，副调节器2()T W s ，执行器Kz 和减温水调节阀K μ组成的副回路；
（2）由对象的惰性区01()W s ，主汽温变送器1θγ，主调节器1T W （s ），以及副回路 组成的外回路。

串级控制系统能改善控制品质，主要是由于有一个能快速动作的内回路存在。

由图可以看出，导前汽温2θ信号能快速反映扰动，尤其是减温水侧的自发性扰动1B W ，只要2θ变化，内回路就立即动作，用副调节器2T W （s ）的输出去控制减温水量，使2θ维持在一定范围内，从而使过热汽温1θ基本不变。

当主汽温1θ偏离给定值时，则由主调节器1()T W s 发出校正信号1V ，通过副调节器及执行器改变减温水量，使主汽温最终恢复到给定值。

主调节器的输出信号1V 相当于副调节器的可变给定值。

可见，在串级过热汽温控制系统中，内回路的任务是尽快消除减温水量的自发性扰动和其他进入内回路的各种扰动，对过热汽温的稳定起粗调作用，副调节器一般可采用P 或PD 调节器；而外回路的任务是保持过热汽温等于给定值，所以主调节器可采用PI 或PID 调节器。

1.5控制系统的整定
串级过热汽温控制系统方框图如图1-6所示，系统中各环节的传递函数为：
图1-6 串级过热气温控制系统方框图
221
)(δ=s W T ；)11(1
)(111s
T s W i T +=δ； 001025
9()()()(/)(118.4)
W s W s W s C V s ︒
==
+； 022
8
()(/)(113)
W s C V s ︒=
+； )/(1.021C V ︒==θθγγ；
先判断内、外回路的惯性差别：
2613222=⨯=⨯T n 924.185=⨯=nT
故知满足223nT n T ≥的条件。

这种情况内外回路可以分别整定。

1、副控制器的参数整定
内回路方框图如图所示，可以看出，内回路是一个二阶系统，按特征方程计算整定法比较准确。

内回路特征方程式为：
0)()(1022=+s W K K s W z T μ 01.011)131(8
112
2
=⨯⨯⨯+⨯
+
s δ
08
.01261692
2=+
++δs s
上式与022
2=++n n s ωδζω比较，可得
169
262=
n ζω ， 1698
.0122
δω+
=n
从上两式解出 2
8
.011δδ+=
设内回路的整定指标取75.0=ψ对应的阻尼比216.0=ζ，则由式算出副控制器的比例度
2δ为 04.01)216
.01(8
.022=-=
δ
2、主控制器的参数整定
内回路整定好后，可以看成一个快速随动回路，近似等效为一比例环节
2
11
)()()(22θθγγ≈I Θ=s s s W T
外回路克简化成图的形式，对象惯性区传递函数中的参数111K n 、、T 可按式计算
53.201324.1851324.185T 222222
221=⨯-⨯⨯-⨯=--=T n nT T n nT
31324.185)1324.185()(n 2
22
22
222221≈⨯-⨯⨯-⨯=--=T n nT T n nT 129
1.1258
K K K =
== 按31=n 查表1-1，得692.3/;218.0/1==T T T c c τ
表1-1 时间常数tc 、滞后时间t 与阶数n 、时间常数T 的关系
第二章 过热汽温分段控制系统
2.1串级过热蒸汽流程
汽包所产生的饱和蒸汽先流经低温对流过热器进行低温过热，然后依次流经前屏过热器、后屏过热器和高温过热器后送入汽轮机。

屏式过热器和高温对流过热器均为左、右两侧对称布置。

在前屏过热器和高温对流过热器的入口分别装设了Ⅰ级、Ⅱ级喷水减温器，其中Ⅱ级喷水减温器是左、右两侧对称布置。

图2-1过热蒸汽流程图
2.2 300MW 单元机组过热汽温控制系统方案
该系统由二段相对独立的串级汽温控制系统构成。

第一段控制系统中，以前屏过热器入口汽温6θ作为导前汽温信号，通过控制Ⅰ级喷水量1B W 来维持前屏过热器出口汽温
5θ为给定值；第二段控制系统中，以高温对流过热器入口汽温2θ为导前汽温信号，通过控制Ⅱ级喷水量2B W 以维持高温过热器出口汽温1θ为给定值。

两段汽温控制系统均采用串级控制，结构相似。

2.3 300MW 单元机组过热汽温控制系统分析
下面分别对二段控制系统进行分析：第一段控制系统它的设计原理如图3-2所示 该段控制系统是以前屏过热器出口汽温5θ为被调量，以前屏过热器入口汽温6θ为导前汽温信号的串级控制系统。

5θ取前屏过热器出口汽温值，5θ的给定值信号根据锅炉负荷大小来确定。

PI2的输出同时送入手/自动操作器AM 去控制I 级减温器的喷水调节阀A 的开度。

图3-2中的手/自动操作器除了依据运行条件自动实现手动/自动切换、直接对阀门进行操作外，还可以显示被调量、给定值及阀位信号。

当主燃料跳闸（MFT ）或汽轮机跳闸或主蒸汽流量<25%时，在逻辑信号作用下，AM 强迫切手动，T3切向NO ，AM 输出为0，喷水减温调节阀门A 关闭，以防止5θ偏低。

为了防止阀门A 泄漏的影响，系统中专门设置了降温闭锁阀A '，在逻辑信号控制下，需要减温水时打开，不需要时则闭死
图 2-2 第一段过热汽温控制系统
第二段控制系统的设计原理如图2-3所示，该段控制系统是以高温过热器出口汽温
1θ为被调量，以高温过热器入口汽温2θ为导前汽温信号的串级控制系统。

因为高温过热器为左、右两侧对称布置，所以正常情况下切换开关T1、T2切向NC ，1θ取左、右两侧高温过热器出口汽温的平均值，当任何一侧变送器故障时，通过逻辑信号是该回路T 切向NO ，1θ取正常一侧的汽温信号，同时发出声、光报警、系统切手动，待故障变送器切除后，系统才正常运行。

当主燃料跳闸或汽轮机主蒸汽流量<25%时，在信号作用下，1AM 和2AM 强迫切手动，T3切向NO ，1AM 和2AM 输出均为0，喷水减温调节阀门A 和B 关闭。

为了防止阀门A 和B 泄漏的影响，系统中专门设置了降温闭锁阀A `和B `，在逻辑信号控制下，需要减温水时则全部打开，不需要时则全部闭死。

图2-3 第二段过热汽温控制系统
在整个过热汽温控制系统中，屏式过热器以辐射过热为主，而高温对流过热器以对流传热为主。

对于这种传热方式不同的过热器，为防止负荷变化时Ⅱ级减温器的喷水量Ⅰ级减温器的喷水量相差很大，主调节器的输出信号（3CV）经函数模块f(x)转换后送到第二段控制系统的副调节器PI2的入口。

这样，当负荷增加时，主汽温上升，系统中主调节器的输出信号将使减温器喷水量增加以保持主汽温恒定，该信号经f(x)运算后送到第二段系统中副调节器的入口将使Ⅱ级减温器喷水量也增加，从而使Ⅱ级减温器喷水量和Ⅲ级减温器的喷水量大体相当，保证过热器的安全运行。

过热器为对流传热。

对于这种传热方式不同的过热器，为防止负荷变化时Ⅱ级减温器的喷水量相差很大，图3-3所示系统中将第二段汽温控制系统中的主调节器的输出信号（3CV）经函数模块f(x)转换后送到第一段控制系统的副调机器PI2的入口。

该信号经f(x)运算后送到第二段系统中副调节器的入口将使Ⅱ级减温器喷水量增加，从而使Ⅰ级和Ⅱ级减温器喷水量大体相当，保证过热器的安全运行。

第二段系统中采用了两个副调节器。

它们除接受主调节器
为导前汽温信号。

两个的输出外，还分别接受左、右两侧高温对流过热器的入口汽温
2
副调节器的输出经手/自动操作器分别控制左、右两侧Ⅱ级喷水减温阀A和B的开度，这
样当任一侧发生内扰时，通过该侧副环消除，防止另一侧发生不必要的操作。

参考文献
[1] 边立秀、周俊霞.《热工控制系统》中国电力出版社.2001
[2] 罗万金.《电厂热工过程自动调节》. 中国电力出版社.1991
[3] 王志祥、朱祖涛.《热工控制设计简明手册》.水利电力出版社.1995
[4] 刘健等.城乡电网建设与改造指南.北京:中国电力出版社.2001。