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1、锅炉出口蒸汽温度控制系统一，热电厂简介1，概述电力工业是国民经济发展的基础工业，电力工业的发展水平和电能供应的数量和质量是衡量工业、农业、国防和科技现代化水平的重要标准。发电能源的种类很多，如火力发电、水力发电、核能发电、风力发电、太阳能发电、低热发电、潮汐发电等。当前，世界上主要有三类发电形式：火力发电、水力发电和核能发电。而从总体上讲，火力发电仍然是世界电能什产的主要形式，我国有与能源构成的特点更是如此。2，工艺流程热电厂的工艺流程如图一所示。水经过处理后经过省煤器进入锅炉加热变成蒸汽推动汽轮机转动，汽轮机带动发电机发电，发出的点进入电网转化供用电设备使用；原煤经磨煤机莫成粉末进入给粉机经
2、一次吹风进入锅炉炉膛，二次吹风助燃加热水，产生蒸汽；空气经空气预热器加热后一次吹风将煤粉吹入锅炉炉膛，二次吹风帮助煤粉燃烧。 图一二，锅炉出口蒸汽温度调节1，影响温度变化的主要因素。影响过热蒸汽和再热蒸汽温度变化的因素，主要有过热器和再热器系统受热面积的辐射和对流吸热放的比例、锅炉负荷、燃料性质、给水温度、炉膛过量空系数以及炉膛出口烟温的变化等等。还有其它影响汽温变化的运行因素，下面简要地说明运行中影响气温的主要因素。（1），锅炉负荷过热蒸汽或再热蒸汽系统一般聚友对流气温特性，即随锅炉负荷升高（或下降），气温也随之上升（或降低）。但如果过热器系统具有辐射特性则呈相反的趋势。（2），过量空气系数
3、过量空气增大时，燃烧生成的延期增多，烟气流速增大，对流传热加强，导致过热汽温升高。（3），给水温度给水温度升高，生产一定蒸汽所需的燃料量减少，燃烧产物的容积也随之减少，同时炉膛出口烟温降低。所以，过热汽温将下降。电厂运行中，高压加热器的投停会使温度有很大变化。因而会使过热器问发生显著的变化。（4），受热面的污染情况炉膛受热面的结焦或积灰，会使炉内辐射传热量减少，过热器区域的烟气温度降提高，因而使过热汽温上升。过热器本身的结焦或积灰导致气温下降。（5），饱和蒸汽用汽量当锅炉采用饱和蒸汽作为吹灰等用途时，用汽量增多将使过热汽温升高。锅炉的排污量对汽温也有影响。（6），燃烧器的运行方式当摆动燃烧器喷
4、嘴向上倾斜时，因火焰中心提高会使过热汽温升高。但是，对流受热面布置区域距炉膛越远，喷嘴倾角对其吸热量和出口温度的影响就越小。对于沿炉膛高度具有多排燃烧器的锅炉，运行中不同标高燃烧器的投停，也会影响过热蒸汽的温度。（7），燃烧种类和成分当燃烧发热量增大时，炉膛辐射的份额增大，对流受热面的吸热份额减小，同时相同负荷下燃料的消耗量减少，烟气体积减小，过热汽温将下降。另外，在煤粉锅炉中，煤粉变粗、水分增大或灰分增加，都会使过热气温升高。表一列出了某些因素对过热汽温影响的大致数据。表一影响因素过热汽温变化（）影响因素过热汽温变化（锅炉负荷变化10%炉膛过量空气系数变化10%给水温度变化10%101020
5、45燃煤水分变化10%燃煤灰分变化10%1.552，整齐调节的基本要求（1），蒸汽温度的允许偏差锅炉的过热汽温度应保持在额定值，以保证电站循环效率、用汽单位的优质生产和锅炉过热器的安全运行。蒸汽温度的正负偏差都将影响火力发电设备的正常运行，甚至造成设备的故障。根据我国标准（GB753-1985）电站锅炉出口蒸汽温度的允许偏差值如表二。蒸汽出口额定压力（MPa）锅炉负荷变化范围（%）蒸汽出口额定温度（）温度允许偏差值（）2.53.95.99.813.716.718.325.3751007513075100751007510075100400450540540/540540/540541/5411
6、0105555202510101010表二（2），对蒸汽温度调节设备的基本要求为了在锅炉运行中能保持蒸汽温度在规定的范围内波动，必须采用条文设备。对蒸汽温度调节设备的要求有a，身背结构简单，体积小，重量轻，价格低，运行可靠。b，调节灵敏，反应快，过程连续，气温偏差小，运行可靠。c，不影响锅炉或热力系统的效率。d，调节幅度能满足锅炉运行的要求。在选择蒸汽温度调节设备的容量时，对于对流过热器系统的锅炉，要求较大容量的调温设备；对于辐射-对流复合型过热器系统，调温设备的容量可以小些；燃用多灰分或灰熔融温度变化大或煤种变化大的燃料时，需要较大的调温设备；对于新设计的尚缺乏运行经验的炉型，调温设备的容量
7、应大一些，以便适应锅炉投运后对受热面进行必要的调整。3，蒸汽温度的调节方法蒸汽温度调节方法主要分为蒸汽侧调节和烟气侧调节两类。（1），蒸汽侧调温方法蒸汽侧调温方法包括面式减温器、喷水减温器和汽汽热交换器等，前两种方法主要用于调解过热蒸汽温度，后一种方法用于调节再热汽温。a，面式减温器面使减温器是一种管壳式换热器，有U形管、套管、螺旋管等类型。这类减温器常用于锅炉的给水来冷却蒸汽以调节温度，减温水量占给水总量的30%60%。由于冷却水和蒸汽不直接接触，所以对冷却水品质无其他特殊要求，面式减温器调节惯性大，一般用于中小容量的锅炉，国外有用它来调节再热汽温的报导，我国电站锅炉很少采用。b，喷水减温器
8、喷水减温器又称混合式减温器，其原理是减温水直接喷入过热蒸汽使其物化、吸热蒸发，达到降低温度的目的，图X为采用给水作为减温水的连接系统。其优点是：结构简单；调节灵敏，减温器出口的汽温延迟时间仅510s；条文幅度可达到100以上；压力损失小，一般不超过50kPa。其缺点是：要求减温水的品质不能低于整齐品质，对于给水品质不高的中小熔炼锅炉，可采用自制冷凝水，即使部分饱和蒸汽凝结作为减温水的系统，如图二，但系统复杂。图二 喷水减温器的连接系统1，喷头；2，联箱；3、5，过热器蛇形管；4、6，蒸汽进出口联箱；7，省煤器；8，汽包；9，给水管；10，节水阀；11，喷水调节阀；12，逆止阀；13隔离阀 图三
9、 自制冷凝水喷水建文系统1，汽包；2、4，过热器；3，喷水减温器；5，冷凝器；6，注水器；7，喷水调节阀；8，溢流管；9，水封；10，饱和蒸汽；11、12，省煤器现在大型锅炉过热器蒸汽温度的调节都采用喷水减温的方法，对于多级布置的过热器系统，未见烧热偏差，可采用23级喷水减温。对于在热蒸汽，喷水使在热蒸汽的流量增加，会使汽轮机中低压缸的做功能力增大，排挤高压蒸汽的做功，降低电站的循环效率。例如，对于定压运行超高压机组，当喷水量为蒸发量的1%时，循环热效率将降低0.10.2个百分点。所以，在再热蒸汽温度的调解中，喷水减温只是作为烟气侧调温的辅助手段和事故喷水之用。c，汽-汽热交换器汽-汽热交换器
10、热是用过热蒸汽来加热再热整齐的设备。以调节再热汽温。过热蒸汽来自辐射式过热器，在热蒸汽来自对流低温再热器，利用它们相反的汽温特性来调节再热汽温。汽-汽热交换器在系统中的连接图如图四，（a）图采用旁路调节阀3改变在热蒸汽通过热交换器的流量，热交换器中再热蒸汽侧的放热系数随之变化，从而改变了汽-汽间的换热量；（b）图用旁路调节阀3改变过热蒸汽通过热交换器的流量，同样可以改变其换热量；（c）图利用截流孔板9使部分过热蒸汽通过热交换器，同时用旁路调节阀3给便通过热交换器的在热蒸汽流量。汽-汽热交换器对再热汽温的调节幅度约为3040，比较适用于过热器辐射吸热量比例较大的锅炉，在德国、俄罗斯应用较多，在我
11、国只有部分670t/h锅炉采用。其缺点是结构复杂，控制再热整齐的三通阀制造困难，调节性能也不容易保证，故国产大容量锅炉上没有采用。（a）（b）（c）图四 热交换器在系统中的连接（a），改变再热器蒸汽流量；（b），改变过热器蒸汽流量；（c），同时改变在热蒸汽和过热器蒸汽流量1，辐射瘀斑辐射过热器；2，对流过热器；3，旁路调节阀；4，汽-汽热交换器；5，混合器；6，对流再热器；7，旁路管；8，对流再热器；9，截流孔板（2），烟气侧调温方法烟气侧调节汽温的主要方法有改变烟气流量和改变烟气温度两种。两种方法都存在着调温滞后和调节精度不够的问题，常作为粗调节，多用于调节再热蒸汽温度。我国现代大型电站锅炉
12、主要采用以下三种具体的调剂方法：a，烟气挡板烟气挡板是利用改变烟气流量和改变烟气温度的装置，现代锅炉上主要用来调节在热蒸汽温度。他有旁通烟道和平行烟道两种具体实施方法，如图五。平行烟道又可分为再热器与过热器并联和再热器于省煤器并联两种。（a） （b） （c） （d） 图五 延期当班调节气温装置（a），再热器与过热器斑病链结构；（b），旁通烟道；（c），再热器与过热器并联的平行装置；（d），再热器与省煤器并联的平行烟道；1，再热器；2，过热器；3，省煤器；4、5；烟气挡板烟气挡板调节汽温装置的原理是通过挡板改变再热器的烟气通流量，使烟气侧的放热系数及其吸热量发生变化，从而改变再热器的出口温度。对
13、于再热器与过热器的并联结构挡板调节汽温的原理示于图六，锅炉负荷降低时，再热器烟气通流量增加，过热器延期通流量减小，故再热气温升高而过热汽温下降。在这种调温方法中过热汽温要用见闻起来协调到额定值。对于其他机构，原理相同。 （a） （b）（c）图六 再热器与过热器并联方式挡板调节汽温原理（a），再热器、过热器烟气流量随负荷变化；（b），过热汽温随负荷变化；（c），再热汽温随负荷变化；A，调节前；B，调节后b，摆动燃烧器对于摆动时燃烧器可以采用改变燃烧器的倾角来调节气温，燃烧器的倾角在运行中可以上下调节。如图七所示，燃烧器的倾角向上时火焰中心位置上移，炉膛出口烟温1 升高；倾角向下时火焰中心位置下移
14、，炉膛出口烟温1下降。炉膛出口温度的变化，改变了炉膛辐射传热量Q1和烟道对流传热量Qd的比例。由于再热器与过热器都是以对流传热为主的受热面，因而在调节燃烧器的倾角时它们的吸热量发生了相对的变化，出口温度也随之改变。当燃烧器倾角变化幅度相同时，受热面吸热量变化的大小主要取决于其布置位置，越靠近炉膛出口的受热面吸热量越大。现代大型锅炉一般都用摆动燃烧器的倾角来调节再热温度，在调节过程中对过热汽温的影响用改变混合式减温器的喷水量来修正。图七 燃烧器倾角与炉膛吸热量、炉膛出口温度之间的关系c，烟气再循环烟气再循环也是采用调节再热汽温的装置，其工作原理是将省煤器后的烟气（温度约250350）由再循环风机
15、抽出再送回炉膛，如图八所示。图八 延期再循环系统1，炉膛；2，省煤器；3，在循环风机；4，再循环延期在炉膛下部引入；5，再循环延期在炉膛上部引入；6，锅炉排烟口；7，烟道内对流受热面烟气再循环用再循环率表示：式中 Vz 再循环烟气量，m3/kg； Vcd抽出点后烟气量，m3/kg。再循环烟气进入炉膛的位置有炉膛上部和炉膛下部两种设计。再循环烟气在炉膛下部进入时，他降低了炉膛内的烟气温度水平，减少了炉膛内的辐射传热量；炉膛出口烟气温度可能稍有升高也可能略为下降，但变化不大，在以后的对流受热面中烟气温度会有所上升，上升幅度沿着烟气流程逐步增大；烟气再循环使炉膛出口烟气量增多，烟气热量也增加。因此，
16、烟气再循环可降低水冷壁金属温度，并提高对流受热面的吸热量。图九示出烟气再循环对再热汽温调节效果的示意图，当锅炉未采用烟气再循环时，再热蒸汽温度随着负荷降低而下降，并低于额定值；采用烟气在循环后，再热蒸汽温度可在较大的负荷范围内维持在额定值，且烟气再循环率随负荷降低而增大。再循环烟气在炉膛上部进入时，对炉膛工作无明显的影响，它的作用是降低炉膛出口烟气温度，可防止高温过热器的高温腐蚀和结渣，并且有适当调节再热蒸汽的作用。图九 烟气再循环调节再热蒸汽温度烟气再循环调节再热蒸汽温度的最大优点是调节幅度大，灵敏度高；还能均匀炉膛热负荷，降低水冷壁温度；再热器受热面积可减小，节约钢材。其缺点是增加了在循环
17、风机，使能好增加，通过在循环风机得烟气温度较高，含灰量多，磨损严重，可靠性差，不利于燃烧调整，并使锅炉排烟温度有所升高，排烟热损失有所增大。延期在循环常作为燃油锅炉调节再热汽温的手段。4，蒸汽温度控制系统a，过热汽温控制对象的动态特性热工过程控制系统的品质，是由被控对象和控制系统各环节的特性及系统的结构决定的。不同的被控对象在某一扰动下，其参数具有不同的变化过程，此过程称之为被控对象的动态特性。影响过热器出口蒸汽温度变化的原因很多，如蒸汽流量变化、燃烧工况变化、锅炉给水温度变化、进入过热器的蒸汽温度变化、流经过热器的烟气温度级流速变化、锅炉受热面结垢、给水母管压力和减温水量等。但归纳起来，主要
18、有三个方面。蒸汽流量（负荷）扰动下过热汽温对象的动态特性：引起蒸汽流量扰动的原因有两个：一是蒸汽母管的压力变化；二是汽轮机调节阀的开度变化。结构形式不同的过热器，在相同的蒸汽流量扰的扰动下，汽温变化的静态特性是不同的。对于对流式过热器的出口温度，随着蒸汽流量的增加，通过过热器的烟气量也增加，此时气温升高；对于辐射式过热器，随着蒸汽流量的增加，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下降。对流式过热器和辐射式过热器的出口气温对负荷变化的反应是相反的，其静态特性如图十所示：图十 过热汽温的静态特性烟气流量扰动下过热汽温的动态特性
19、：它的对象特征总的特点是：有延迟、有惯性、有自平衡能力，汽动态特性曲线如图十一所示：图十一 烟气流量扰动下过热蒸汽温度响应曲线减温水量扰动下的过热汽温动态特性：常见的减温方法有两种：喷水式减温和表面式减温，前者的效果比后者好。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，如图十二。当减温水流量扰动时，改变了敢问过热器的如空气温，从而影响个了过热器出口蒸汽温度，其动态特性曲线如图X所示。从图中可看出，其特点也是有延迟、有惯性、有自平衡能力的。但是由于现代大型锅炉的过热器管路很长，因
20、而当减温水流量扰动时，气温反应较慢。图十二 减温水扰动下过热蒸汽温度的阶跃响应曲线b，过热蒸汽温度控制系统理论上选择简单的单回路控制新就可以控制过热蒸汽温度了，因为系统中只有一个输入和输出信号，反馈信号只有一个，而单回轮控制系统在工业生产过程自动化控制中也是被广发应用的应用，图十三为过热蒸汽温度控制的单回路结构示意图。图十三 过热蒸汽温度控制的单回路控制系统结构示意图从图可知该系统主要由被控对象是过热器，执行机构是电动喷水阀门(执行器)，检测变送部件是热电偶或温度变送器，控制系统核心部件是电动控制器(调节器)组成。其中，被调量(测量值)是过热蒸汽温度，调节量(控制信号)是减温水流量，干扰信号是
21、炉膛燃烧工况。单回路主汽温控制系统原理方框图如图十四所示:图十四 过热蒸汽单回路控制系统原理方框图该系统优点是：结构简单，投资少，易于整定和投放；缺点是控制信号存在延迟和惯性，控制不及时。这会使出口蒸汽温度出现上下大幅度浮动的现象。为此，要求再在系统中添加一个回路，在减温器和过热器间加一个温度变送器，这就组成了串级控制系统。其结构示意图如图十五。图十五 过热蒸汽温度控制的串级控制系统结构示意图从图上可以看到，串级系统和单回路系统有一个显著的区别，即其在结构上形成了两个闭环，一个闭环在里面，被称为内回路或副回路，在控制过程中起着粗调的作用。一个闭环在外面，被称为外回路或者主回路，用来完成细调任务
22、，以最终保证被调量满足生产要求。无论主回路还是副回路都有各自的控制对象，测量变送器和调节器。在主回路内的控制对象，被测参数和调节器分别被称为主对象，主参数和主调节器。在副回路内则相应地被称为副对象、副参数和副调节器。副对象是整个控制对象的一部分，常称为控制对象的导前区。主对象是整个控制对象中的另一部分，常称为控制对象的惰性区。系统中有两个调节器，他们的作用各不相同。主调节器具有自己独立的给定值，他的输出作为副调节器的给定值，而副调节器的输出信号则是送到调节机构去控制生产过程。比较串级系统和单回路系统，前者比后者多了一个测量变送器和一个调节器，增加的仪表投资并不多，但控制效果却有明显改善。它的原
23、理框图如图十六。图十六 过热蒸汽温度串级控制系统原理框图 一般汽温控制系统中导前区动态特性的滞后和惯性比整个蒸汽温度对象的滞后和惯性要小得多。在这种情况下，副回路的控制过程比主回路的控制过程快得多。当副回路消除喷水量扰动时，主汽温基本上不受扰动影响。因此，当副回路动作时，主回路可以看成是开路系统，而当主回路动作时，副回路可以看成是快速随动系统。由于导前区和惰性区的惯性差别较大，故主回路和副回路可以分别整定。 比较单回路反馈系统来说，串级控制系统的优点就是：1、由于副回路的存在，改善了对象的特性，使系统的工作频率提高。2、串级控制系统具有较强的抗干扰能力。串级控制系统的抗干扰能力比单回路控制系统
24、要强的多，特别是当干扰作用作用于副回路的情况下，系统的抗干扰能力会更强。3、串级系统具有一定的自适应能力。当系统采用串级控制时，主环是一个定值系统，而副环却是一个随动系统。主控制器能够根据操作条件和负荷的变化，不断修改副控制器的给定值，以适应操作条件和负荷变化的情况。如果对象有非线性特性存在那么可以把它设计处于副回路之中，当操作条件或符合变化时，虽然副回路的衰减比会发生一些变化，稳定裕度会降低一些，但是，它对主回路的稳定性影响却很小。三，仪表选型1、测温元件及变送器的选择在此温度串级控制系统中，使用的测温元件是K型热电偶，并且使用K型补偿导线来进行温度补偿。在此串级控制系统中，主、副回路进行的
25、是温度的检测，所以采用的是温度变送器，并且采用DDZIII型温度变送器。2、执行器的选择（1）执行器的选型在此串级控制系统中，由于在现场的煤气锅炉环境下，高温、高压，易燃易爆，电动执行器难以满足生产要求，所以选用气动执行器。（2）气动执行器的气开、气关的选择在此串级气温调节系统中，温度过高时，会烧坏过热器、蒸汽管道和汽轮机的高压部分金属损坏，造成生产停顿，还会引起高温锅炉爆炸等严重的后果，所以调节阀应选择气闭形式；但温度过低时就会降低生产的工作热效率并影响汽轮机的安全经济运行，所以调节阀应选择气开形式。在此情况下，出现了矛盾的情况，在此情况下要分清主要矛盾和次要矛盾，权衡利弊，主要矛盾是温度过
26、高出现的后果严重，所以调节阀选用气闭形式。 （3）调节阀尺寸的选择调节阀的尺寸主要指调节阀的开度和口径，它们的选择对系统的正常运行影响很大。若调节阀口径过小，当系统受到较大扰动时，调节阀即使运行在全开状态，也会使系统出现暂时失控现象；若口径选择过大，则在运行中阀门会经常处于小开度状态，容易造成流体对阀芯和阀座的频繁冲蚀，甚至使调节阀失灵。因此，调节阀的口径和开度选择应该给予充分重视。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。 （4）调节阀流量特性的选择 调节阀的流量特性应满足调节对象的动态特性的要求。若调节对象特性是线性的，可采用直线型工
27、作特性的调节阀。对于放大系数随负荷增大而变小的调节对象，则选用的调节阀的调节特性是放大系数随负荷增大而增大，可采用等百分比特性的调节阀。这样，调节对象特性和调节阀特性互相补偿，使总的特性近似直线特性。所以，在此系统中应采用对数特性的调节阀。（5）控制阀结构形式的选择在此串级控制系统中，在高压的锅炉环境下，采用高压阀较为适应环境的需要。3、主、副调节器调节规律的选择在此串级控制气温调节系统中，由于两个回路的任务及动态特性不同，所以选用了不同的调节器。副回路及副调节器的任务是快速消除内扰，要求调节过程的持续时间较短，但不要求无差，一般可选用纯比例调节器，不引入积分调节作用，因为积分调节作用会延长调
28、节过程，消弱副回路的快速作用。当减温器后气温惯性较大时，也可选用比例微分调节器，但不常用，因为副调节器引入微分作用后，会使调节阀动作过大或过于频繁，对控制不利。主回路及主调节器的任务是维持维持过热器T2的温度恒定，是工艺操作的主要指标，允许波动的范围很小，一般要求无静差，所以一般选用比例积分调节器。当过热器惯性区的惯性较大时，也可选用比例积分微分调节器。4、主、副调节器正、反作用方式的选择在串级控制系统中，主、副调节器的正、反作用方式选择的方法是：首先根据调节阀的气开、气关形式，并决定副调节器的正、反作用；然后再根据主、副过程的正、反形式最终确定主调节器的正、反作用方式。由控制理论的知识可知，
29、要使一个控制系统能够正常稳定运行，必须采用负反馈，即保证系统总的开环放大系数为正。对串级控制系统而言，主、副调节器正、反作用方式的结果同样要使整个系统为负反馈，即主回路各环节放大系数的乘积必须为正。主、副调节器正、反作用方式选择见表三。序号主对象副对象调节阀副调节器主调节器1正正正正正2正正负负正3负负正负负4负负负正负5负正正正负6负正负负负7正负正负正8正负负正正表三在此串级气温调节系统中，由于调节阀是气闭形式，所以为负；当调节阀的开度增大时，主、副对象即出口蒸汽的温度将会下降，所以均为负；为保证副回路为负反馈，则副调节器为正，即反作用调节器，为保证主回路为负反馈，则主调节器为负，为反作用
30、调节器。四，设计总结过热蒸汽温度是生产工艺确定的重要参数。蒸汽温度过高，会烧坏过热器的水管，影响负荷设备如汽轮的正常工作和安全，气温过低又会影响负荷设备的使用。例如进汽温度每降低5汽机效率就要下降1%。因此无论从安全还是技术经济指标上看，必须保持过热蒸汽温度在规定范围之内，微机控制系统一般将气温控制在偏离额定值5之内。控制系统详图见附图。五，参考文献1，电厂锅炉原理及设备，叶江明，中国电力出版社；2，过程控制系统及工程，翁维勤、孙洪程，化学工业出版社；3，锅炉课程设计指导书，李加护、闫顺林、刘彦丰，中国电力出版社；4，锅炉控制系统的设计，王贵斌、刘浩；5，火电厂锅炉蒸汽控制的深讨，付新河，广州发电厂有限公司。
