基于Ovation的再热汽温检测控制系统.docx

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基于Ovation的再热汽温检测控制系统

摘要

本次毕业设计（论文）的题目是铁岭电厂300MW机组再热汽温控制系统设计。

通过对机组的再热汽温控制系统进行现场实地观察、原理分析、可靠性论证，从而提出保证该系统长期稳定处于协调控制的方案。

在大型机组中，新蒸汽在汽轮机高压缸内膨胀做功后，需再送回到锅炉再热器中加热升温，然后再送入汽轮机中、低压缸继续做功。

采取蒸汽中间再热可以提高电厂循环热效率，降低汽轮机末端叶片的蒸汽湿度，减少汽耗等。

为了提高电厂的热经济性，大型火力发电机组广泛采用了蒸汽中间再热技术。

再热蒸汽温度控制的意义与过热蒸汽温度控制一样，是为了保证再热器、汽轮机等热力设备的安全，发挥机组的运行效率，提高电厂的经济性。

再热蒸汽温度控制的任务，是保持再热器出口蒸汽温度在动态过程中处于允许的范围内，稳态时等于给定值。

在再热蒸汽温度控制中，由于蒸汽负荷是由用户决定的，所以几乎都采用改变烟气流量作为主要控制手段，例如改变再循环烟气流量，改变尾部烟道通过再热器的烟气分流量或改变燃烧器（火嘴）的倾斜角度。

关键词再热汽温，过热蒸汽，串级

Abstract

Thisgraduationproject（paper）isthroughthehotsteamwarmcontrolsystemcarriesontheprincipleanalysis,thereliableproof,thesceneagaintotheTieLingthreeelectricity300MWunitsonthespotobserves,guaranteethissystemwhichproposedlong-termstabilityisinthecoordinationcontroltheplan.

Inthelarge-scaleunit,thenewsteaminflatestheactingafterthesteamturbinehighpressurecylinder,mustagainreturntotheboilerreheaterinheatsupelevatestemperature,thenseessomebodyoffagaininthesteamturbine,thelowpressurecylindercontinuestheacting.Adoptsamongthesteamhottobepossibletoenhancethepowerplantcirculationthermalefficiencyagain,reducesthesteamturbineterminalleafbladethesteamhumidity,reducesthesteamconsumptionandsoon.Inordertoenhancethepowerplantthehotefficiency,thelarge-scalethermoelectricitygenerationunithaswidelyusedamongthesteamagainthehottechnology.

Againthehotvaportemperaturecontrolsignificanceandthesuperheatvaportemperaturecontrolissame,isinordertoguaranteethermalenergyequipmentandsoonreheater,steamturbinesecurities,thedisplayunit'soperatingefficiency,enhancesthepowerplanttheefficiency.Againthehotvaportemperaturecontrolduty,ismaintainsthereheatertoexportthevaportemperaturetobeinthepermissioninthedynamicprocessinthescope,whenstablestateisequaltothegivenvalue.

Inagainhotvaportemperaturecontrol,becausethesteamloadisbytheuserdecision,thereforenearlyallusesthechangehazecurrentcapacitytotaketheprimarycontrolmethod,forexamplethechangecirculatesagainthehazecurrentcapacity,thechangerearpartflueorchangestheburnerthroughthereheaterhazedivergencequantity（spout）theangleoftilt.

Keywordsreheatsteam，superheatsteam，cascade

目录

摘要I

AbstractII

1引言1

1.1设计课题的目的、意义1

1.2国内外现状及发展趋势1

1.2.1国内背景1

1.2.2国内现状及发展趋势2

2OVATION介绍3

2.1西屋Ovation介绍3

2.2Ovation控制系统的特点3

3火力发电厂发电工艺简介5

3.1火力发电厂概述5

3.1.1火力发电厂基本原理5

3.1.2主要生产过程简述5

3.2火电厂三大控制系统6

3.2.1锅炉给水控制系统6

3.2.2过热蒸汽温度控制系统7

3.2.3再热蒸汽温度控制系7

4再热蒸汽温度检测控制系统8

4.1火电厂再热汽温检测控制系统概述8

4.1.1再热蒸汽温度检测控制的意义与任务8

4.1.2再热蒸汽的特点8

4.1.3再热蒸汽温度的影响因素9

4.1.4再热蒸汽温度控制的方法手段9

4.2基于Ovation的300MW机组再热汽温检测控制系统设计概述15

4.3基于Ovation的300MW机组再热汽温检测控制系统SAMA图设计说明16

4.3.1摆动燃烧器控制系统16

4.3.2喷水减温控制系统18

5再热汽温检测控制系统中的器件介绍21

5.1温度变送器21

5.2燃烧器摆角执行器22

结论23

致谢24

参考文献25

附录A1.126

附录A1.227

附录A1.328

附录A1.429

附录A1.530

附录A1.631

附录A1.732

1引言

1.1设计课题的目的、意义

再热蒸汽温度控制的目的与过热蒸汽温度控制一样，是为了保证再热器、汽轮机等热力设备的安全，发挥机组的运行效率，提高电厂的经济性。

再热蒸汽温度控制的任务，是保持再热器出口蒸汽温度在动态过程中处于允许的范围内，稳态时等于给定值。

随着时代的发展，实现生产过程自动化对国民经济的发展有十分重大的意义。

在火力发电厂中实现热力过程自动化后能使机组安全、可靠、经济地运行。

实现热力过程自动化具有：

（1）提高机组运行的安全可靠性；

（2）提高机组运行的经济性；（3）减少运行人员，提高劳动生产率；（4）改善劳动条件等特点。

在大型机组中，新蒸汽在汽轮机高压缸内膨胀做功后，需再送回到锅炉再热器中加热升温，然后再送人汽轮机中、低压缸继续做功。

采取蒸汽中间再热可以提高电厂循环热效率，降低汽轮机末端叶片的蒸汽湿度，减少汽耗等。

为了提高电厂的热经济性，大型火力发电机组广泛采用了蒸汽中间再热技术。

因此，再热器出口蒸汽温度的控制成为大型火力发电机组不可缺少的一个控制项目。

此外，再热气温如果控制不好，容易造成再热器高温腐蚀，以及联通管泄露等事故，所以再热气温的良好控制至关重要。

某电厂在数年的运行中，由于负荷变化频繁，一直存在微量喷水减温器出口的再热蒸汽温度波动大的问题，出现的最大温度变化超过140℃。

由于再热气温完全依赖喷水减温调节，使减温器后的蒸汽过热度发生很大的波动，该点的蒸汽过热度最大变化是由150℃快速降到接近饱和蒸汽温度。

由于蒸汽温度变化大，且比较频繁，经常出现很大的温度变化率，这使该处的管道经常承受很大的交变热应力，尤其是内壁承受的热应力最大，这样经过一定时间后，就会在管道的环向焊缝内侧产生裂纹，并逐渐向周围、外侧扩散，再进一步恶化就会影响锅炉的安全运行，后果严重[1]！

1.2国内外现状及发展趋势

1.2.1国内背景

火力发电厂在我国电力工业中占有主要地位，是我国重点能源工业之一。

大型火力发电机组在国内外发展很快，我国现以300MW机组为骨干机组，并逐步发展600MW以上机组。

目前，国外已经建成单机容量1000MW以上的单元机组。

单元发电机组是有锅炉、汽轮发电机和辅助设备组成的庞大的设备群。

由于其工艺流程复杂，设备众多，管道纵横交错，有上千个参数需要监视、操作或控制，而且电能生产还要求有高度的安全可靠性和经济性，因此，大型机组的自动化水平受到特别的重视。

目前，采用以分散微机为基础的集散型控制系统（TDCS），组成一个完整的控制、保护、监视、操作及计算等多功能自动化系统。

我国自从70年代发展125MW等级的中间再热大型电站锅炉机组以来，紧接着有200MW，300MW的国产机组问世，80年代又相继从国外引进各种300MW以上的炉型，均无一例外为中间再热机组，所以有关再热汽温调节问题也引起了锅炉界同仁的关注。

国产锅炉的再热汽调温方式大致上经历了3个发展阶段，即:

（1）烟气再循环调温技术，早在70年代上海锅炉厂生产的配125MW机组的400MW锅炉采用这一技术,其中多数是燃煤机组。

（2）80年代中尾部分隔烟道挡板再热汽调温方式得到锅炉制造厂的青睐。

随后成立的北京巴威公司生产的300MW和600MW锅炉也采用了这种调温方式。

（3）80年代后期随大型电站锅炉引进美国CE公司技术后，以CE公司锅炉技术特方式之一的摆动燃烧器调节再热汽温，已作为300MW等以上容量锅炉的调温手段。

此外，汽—汽热交换面式减温器也曾用于某些200MW锅炉的再热汽温调节，但受先天性缺陷的限制，如管组和阀门的泄漏、调温幅度小和动态特性差等,影响了其效能。

近几年来,随着各地工农业生产的迅猛发展,电力建设事业进展极快，各电厂均注重降低煤耗和发电成本,争取低价上网,而且由于地方电网装机总量的增大，一些200MW甚至300MW容量的机组作调峰运行已屡见不鲜，低负荷运行经济性已提上日程;过去影响机组安全运行的问题多半已解决，电厂领导和职能、运行管理人员所关心的已是“挖潜节能”，故对于再热汽调温问题已十分重视。

1.2.2国内现状及发展趋势

国内的现状是大部分执行机构老化或技术不够先进，我们国内有很好的控制理论和控制系统，但是到执行机构这里就出现问题了！

就好像一个人有灵活的大脑，却有笨拙的四肢，无法很好的支配一样。

彭城电厂再热器控制系统就是一例，它就是以摆动燃烧器喷嘴为主要调节，微量喷水调节为辅助调节的控制手段。

它的控制系统“软件”没有问题，但是执行机构这个“硬件”就有问题了：

如四角不能同时摆动、执行机构卡涩、燃烧器摆角下垂（出现单个燃烧器下垂，也有整组燃烧器下垂），这些问题曾导致锅炉运行中燃烧不稳定，甚至造成锅炉灭火。

经多次检修处理，却不能解决这些问题，不得不将燃烧器摆角固定在一定的角度，不再参与再热汽温调节。

因此微量喷水调节就成为正常工况下汽温调整的唯一手段。

由于完全依赖喷水调节再热汽温，导致运行过程中所投入的减温水量超过设计值。

如在额定设计工况下减温水用量是5.0t/h，实际中需投用减温水量达到20～30t/h。

喷水量大幅度地频繁变化，导致减温器后的汽温变化幅度超过规定范围，对减温器后的管道产生更大的热应力。

国内发展趋势是尽量恢复燃烧器摆角作为再热汽温的主调节手段；改善被控对象的控制品质；负荷变化时，使再热汽温尽可能稳定[1]。

2OVATION介绍

2.1西屋Ovation介绍

OVATION分散控制系统由WestinghouseProcessControl.Inc（WPC）西屋公司推出具有多任务、数据采集、潜在控制能力和开放式网络设计，是工业中较为可靠、能是实时响应的监控系统。

OVATION系统利用对一个当前最新的分布式、全局型、的重要的相关数据库做一次瞬态和透明的访问来完成对回路的控制，全局分布式数据库将功能分散到多个可并行运行的独立站点，而非集中到一个中央处理器上，可集中在指定的功能上不断运行，不因其他事件的干扰而影响系统性能。

该系统具有在多台200MW机组上成功使用的经验，且开放性、可扩展性和可连接性较好。

该系统包括数据采集系统（DAS）、自动调节控制系统（MCS）、顺序控制系统（SCS）、锅炉炉膛安全监控系统（FSSS）、汽机电调控制系统（DEH）、电气监控系统（ECS）和汽机危机跳闸系统（ETS）控制等，其中DAS、MCS属分散控制系统已参与控制的设备，而DEH、SCS、FSSS、ETS和ECS系统属新纳入的控制范围[2]。

西屋公司OVATION系统在总结WDPF系统大量使用经验的基础上容纳了最新技术成就，于1997年9月正式在我国市场投放。

OVATION系统的最大特点是以开放的计算机标准贯穿整个系统。

系统中的网络控制器、人机界面、I/O模件、数据库和工具软件，都按计算机开放标准设计，选用商品化硬件和软件。

OVATION系统具有以下优点：

（1）使本DCS系统可随着世界计算机技术的进步而进步；

（2）延长了DCS系统的可用性；

（3）更易于软件开发和应用；

（4）易于吸纳第三方开发的高性能应用软件；

（5）易于实现全厂乃至整个电力局系统的信息一体化。

2.2Ovation控制系统的特点

一Ovation控制器处理功能强大：

（1）Intel奔腾处理器

（2）执行模拟、顺序控制

（3）单个控制器容纳16000点

（4）5个控制区,每个控制区执行速度可调节（10ms-30ms）

（5）离线仿真能力

（6）工业标准POSIX实时操作系统

（7）采用的操作系统相同

二Ovation控制器标准PC结构

（1）带无源PCI总线，工业标准PC结构

（2）直接与WDPFQ-Line和OvationI/O接口

（3）支持第三方设备、现场级设备的接入

三Ovation控制器最大限度容错设计

（1）冗余的处理器、电源和通讯

（2）自动无扰动切换

（3）32位多任务环境

（4）I/O总线故障隔离

（5）完善的内置诊断功能

（6）无源底板，无源部件

（7）极少线路,高可靠

四Ovation操作员站强大、灵活的过程监控能力

（1）过程图显示

（2）同时监控8幅过程图，支持双CRT显示

（3）矢量格式，任一窗口可无级缩放

（4）小于1秒的画面响应速度

（5）支持过程图组显示

（6）趋势组监控

（7）同时监控4幅实时趋势＋4幅历史趋势，每幅趋势8点

（8）趋势表显示

（9）多种布置方式可选

3火力发电厂发电工艺简介

3.1火力发电厂概述

火力发电厂是利用化石燃料燃烧释放的热能发电的动力设施，包括燃料燃烧释热和热能电能转换以及电能输出的所有设备、装置、仪表器件，以及为此目的设置在特定场所的建筑物、构筑物和所有有关生产和生活的附属设施。

主要有蒸汽动力发电厂、燃气轮机发电厂、内燃机发电厂几种类型。

3.1.1火力发电厂基本原理

电磁感应理论：

任何变化的电场都要在其周围空间产生磁场，任何变化的磁场都要在其周围空间产生电场。

热力学第一定律：

热可以变为功，功也可以变为热，消耗一定热量时，必产生相当数量的功，消耗一定量的功时，必出现相应数量的热。

热力学第二定律：

高温物体的热能可以自动传递给低温物体，而低温物体的热能却不能自动地传递给高温物体。

机械能可以自动转化为热能，而热能却不能自动转化为机械能。

3.1.2主要生产过程简述

储存在煤场中的原煤由输煤设备从煤场送到锅炉的原煤斗中，再由给煤机送到磨煤机中磨成煤粉。

煤粉送至分离器进行分离，合格的煤粉送到煤粉仓储存（仓储式锅炉）。

煤粉仓的煤粉由给粉机送到锅炉本体的喷燃器，由喷燃器喷到炉膛内燃烧（直吹式锅炉将煤粉分离后直接送入炉膛）。

燃烧的煤粉放出大量的热能将炉膛四周水冷壁管内的水加热成汽水混合物。

混合物被锅炉汽包内的汽水分离器进行分离，分离出的水经下降管送到水冷壁管继续加热，分离出的蒸汽送到过热器，加热成符合规定温度和压力的过热饱和蒸汽，经管道送到汽轮机做功。

过热蒸汽在汽轮机内做功推动汽轮机旋转，汽轮机带动发电机发电，发电机发出的三相交流电通过发电机端部的引线经变压器升压后引出送入电网。

在汽轮机内作完功的过热蒸汽被凝汽器冷却成凝结水，凝结水经凝结泵送到低压加热器加热，然后送到除氧器除氧，再经给水泵送到高压加热器加热后,送到锅炉继续进行热力循环。

再热式机组采用中间再热过程，把在汽轮机高压做功之后的蒸汽送到锅炉的再热器中再热，温度合格的再热蒸汽被送到汽轮机中、低压缸继续推动汽轮机做功，如图2.1。

以上只简单地讲述了电厂从煤到电的过程，但是实际上每个设备中所进行过程都十分复杂，除了主要设备的工作原理、结构和系统外，还有自动控制保护以及设计计算、经济运行等问题。

图2.1火力发电厂生产过程

3.2火电厂三大控制系统

3.2.1锅炉给水控制系统

汽包锅炉给水控制的主要任务是使锅炉的给水量跟踪锅炉的蒸发量，保证锅炉进出的物质平衡和正常运行所需的工质，对于国产300MW机组普通采用的汽包锅炉来说，就是维持汽包水位在允许范围内变化。

所以，锅炉给水控制又称“锅炉水位控制”。

汽包水位间接地反映了锅炉内物质平衡状况（主要是蒸汽负荷与给水量的平衡关系），因此，它是表征锅炉安全运行的重要参数之一，也是保证汽轮机安全运行的重要条件之一。

汽包水位过高，会降低汽包内汽水分离装置的汽水分离效果，导致出口蒸汽水分过多，使其含盐浓度增大，从而使过热器管壁结垢而导致烧坏过热器；汽包出口蒸汽中水分过多，还会使过热汽温产生急剧变化；而且使汽轮机叶片也易于结垢，降低汽轮机的出力，直接影响机组运行的安全性和经济性。

汽包水位过低，则会破坏锅炉的水循环，使某些水冷壁管束得不到炉水冷却而烧坏，甚至引起锅炉爆炸事故。

因此，为保证机组安全运行，正常情况下一般限制汽包水位在-50～+50mm范围内变化。

锅炉水位实现自动控制，不仅可提高锅炉汽轮机组的安全性，还可提高锅炉运行的经济性。

采用自动控制会使锅炉的给水连续均匀、相对稳定，从而使锅炉汽压稳定，保证锅炉在合适的参数下稳定运行，使锅炉具有较高的运行效率。

因此，电厂锅炉的给水实现自动控制以及自动控制系统保持优良的工作性能是十分重要性的[3]。

3.2.2过热蒸汽温度控制系统

锅炉过热蒸汽温度是影响锅炉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，过热器出口的过热蒸汽温度是全厂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、高压的合金钢材料，过热器正常运行时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，容易烧坏过热器，也会使蒸汽管道、汽轮机内某些零部件产生过大的热膨胀变形而毁坏，影响机组的安全运行；如果过热蒸汽温度过低，将会降低全厂的热效率，一般蒸汽温度每降低5～10℃，热效率约降低1%，不仅增加燃料消耗量，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，过热蒸汽温度降低还会导致汽轮机高压部分级的焓降减小，引起各级反动度增大，轴向推力增大，也对汽轮机的安全运行带来不利。

所以，过热蒸汽温度过高或过低都是生产过程所不允许的。

为了保证过热蒸汽的品质和生产过程的安全性、经济性，过热蒸汽温度必须通过自动化手段加以控制。

因此，过热蒸汽温度的控制任务是：

维持过热器出口蒸汽温度在生产允许的范围内，一般要求过热蒸汽温度的偏差不超过额定值（给定值）的+5～-10℃[1]。

3.2.3再热蒸汽温度控制系

在大型机组中，新蒸汽在汽轮机高压缸内膨胀做功后，需再送回到锅炉再热器中加热升温，然后再送人汽轮机中、低压缸继续做功。

采取蒸汽中间再热可以提高电厂循环热效率，降低汽轮机末端叶片的蒸汽湿度，减少汽耗等。

为了提高电厂的热经济性，大型火力发电机组广泛采用了蒸汽中间再热技术。

因此，再热器出口蒸汽温度的控制成为大型火力发电机组不可缺少的一个控制项目。

再热蒸汽温度控制的意义与过热蒸汽温度控制一样，是为了保证再热器、汽轮机等热力设备的安全，发挥机组的运行效率，提高电厂的经济性。

再热蒸汽温度控制的任务，是保持再热器出口蒸汽温度在动态过程中处于允许的范围内，稳态时等于给定值。

4再热蒸汽温度检测控制系统

4.1火电厂再热汽温检测控制系统概述

4.1.1再热蒸汽温度检测控制的意义与任务

在大容量、高参数机组中，新蒸汽在汽轮机高压缸内膨胀做功后，需送回到锅炉再热器中加热升温，然后再送人汽轮机中、低压缸继续做功。

这样可以提高机组的循环效率，并防止汽轮机末级蒸汽带水，减少汽耗，提高热经济性。

提高再热蒸汽温度对于提高循环效率是十分重要的，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，而且变化的幅度是相当大的，如果不进行控制，可能造成中压缸转子与汽缸产生较大的热变形，引起汽轮机振动，造成事故。

因此，再热器出口蒸汽温度的控制成为大型火力发电机组不可缺少的一个控制项目。

再热蒸汽温度控制的意义与过热蒸汽温度控制一样，是为了保证再热器、汽轮机等热力设备的安全，发挥机组的运行效率，提高电厂的经济性。

再热汽温控制系统的任务是保持再热器出口蒸汽温度在动态过程中处于允许的范围内，稳态时等于给定值。

4.1.2再热蒸汽的特点

在电力工业的长期发展过程中，通过蒸汽的初参数不断变化来提高电厂的循环热效率。

但蒸汽温度的进一步提高受到高温钢材的限制，现大多数电站锅炉的过热汽温维持在540-555度的水平，仅提高压力而不相应的提高过热蒸汽的温度，会使蒸汽在汽轮机内膨胀终止时的湿度过高，从而影响汽轮机的安全运行。

再热循环的利用一方面可以进一步提高循环的热效率（采用一次再热可使循环效率提高4%—6%，二次再热可提高6%—8%），另一方面可以把汽轮机末级叶片的蒸汽温度控制在允许的范围内。

蒸汽参数的提高使水的蒸发热减少，过热热增加，使锅炉受热面的布置发生变化，为增加炉内吸热量，在炉内除布置蒸发受热面外，还要布置过热受热面，因此再热器的低温级在炉内以壁式再热器或屏式再热器形式存在，高温再热器一般采用对流式。

由于再热器是加热压力较低的蒸