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在本设计用到的串级控制系统中,主对象为送入负荷设备的出口温度,副对象为减温器和过热器之间的蒸汽温度。
通过控制减温水的流量来实现控制过热蒸汽温度的目的。
关键词:
串级控制系统;
过热蒸汽温度;
温度控制;
摘要 1
引言 1
第一章生产工艺概述 2
1.1锅炉生产工艺介绍 2
1.2过热器的介绍 3
1.3过热器出口蒸汽温度的干扰因素 4
第二章过热蒸汽温度控制原理简介 6
2.1单回路控制系统 6
2.2串级控制系统 7
第三章过热蒸汽温度控制系统的设计 10
3.1系统控制参数的确定 10
3.1.1主变量的选择 10
3.1.2副变量的选择 10
3.1.3操纵变量的选择 10
3.2执行器的选择 11
3.3控制仪表的选择 11
3.3.1温度变送器的选择 11
3.3.2温度传感器的选择 11
3.4主、副控制器控制规律的选择 12
3.5控制器正、反作用的选择 12
总结 14
参考文献 15
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考虑部分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°
C,长期偏差不超过±
5°
C。
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°
C,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°
Co通常,高参数电厂都要求保持过热汽温在540°
C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两个方面:
(1) 由于过热器是一个多容且延迟较大的惯性环节,设备结构设计与控制要求存在很多矛盾,所以影响汽温变化的因素很多,例如,蒸汽量、减温水给水量、烟气侧的过剩空气系数和温度等都可能引起汽温变化。
(2) 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。
第一章生产工艺概述
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:
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°
C,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°
C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°
C,这时的炉膛辐射传热的烟温可达1000°
C左右。
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铭钥合金钢等,在最高的温度部分有时还要用奥氏体铭镣不锈钢。
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。
1.3过热器出口蒸汽温度的干扰因素
1、蒸汽流量扰动
汽轮机负荷变化会引起蒸汽量的变化。
蒸汽量的变化将改变过热蒸汽和烟气之间的传热条件,导致汽温变化。
图1.2(a)是蒸汽流量D扰动下过热蒸汽温度的影响曲线。
可以看到,温度影响具有自平衡特性,而且惯性和延迟都比较小。
这是因为蒸汽量变化时,沿过热器管道长度方向的各点温度几乎同时变化。
图1.2在扰动下温度的变化曲线
2、 烟气传热量的扰动
燃料量增减,燃料种类的变化,送风量、吸风量的改变都将引起烟气流速和烟气温度的变化,从而改变了传热情况,导致过热器出口蒸汽温度的变化。
由于烟气传热量的改变是沿着整个过热器长度的方向上发生的,因此汽温变化的延迟很小,一般在10~20s之间。
烟气传热量扰动的汽温响应曲线如图a所示。
它与蒸汽量扰动下的情况类似。
3、 喷水量扰动
应用喷水来控制蒸汽温度是目前广泛采用的一种控制方式,喷水量扰动就是基本扰动。
过热器是具体有分布参数的对象,可以把管内的蒸汽和金属管壁看做无穷多个单容对象串联组成的多容对象。
当喷水量发生变化后,需要通过这些串联单容对象,最终引起过热器出口温度9s变化。
因此,0s影响有很大的延迟。
减温器离过热器出口越远,延迟越大。
喷水量扰动下的动态特性曲线如图b所示。
第二章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。
2.1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2.1可知,这种调节方法是最不理想的。
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。
图2.1单回路控制系统原理图
2.2串级控制系统
由图2.2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。
主环和副减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,主调节器是调节器汨
图2.2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2.3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。
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翅哄用性。
图2.3串级控制系统方框图
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
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