锅炉汽温调节系统.docx

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锅炉汽温调节系统

汽包锅炉蒸汽温度自动调节系统

一、蒸汽温度自动调节系统

锅炉蒸汽温度自动调节包括过热蒸汽温度和再热蒸汽温度调节。

调节的任务是维持锅炉过热器及再热器的出口汽温在规定的允许范围之内。

1、过热汽温调节任务和特点

过热汽温是锅炉运行质量的重要指标之一。

过热汽温过高或过低都会显著地影响电厂的安全性和经济性。

过热汽温过高，可能会造成过热器、蒸汽管道和汽机的高压部分金属损坏，因为超温会引起汽轮机金属内部过大的热应力，会缩短使用寿命，还可能导致叶片根部的松动；过热汽温过低，会引起机组热耗上升，并使汽机轴向推力增大而可能造成推力轴承过载。

过热汽温过低还会引起汽轮机尾部叶片处蒸汽湿度增加，从而降低汽轮机的内效率，并加剧对尾部叶片的水蚀。

所以，在锅炉运行中，必须保持过热汽温长期稳定在规定值附近（一般范围为额定值541±5℃）。

过热汽温调节对象的静态特性是指过热汽温随锅炉负荷变化的静态关系。

过热器的传热形式、结构、布置都将直接影响过热器的静态特性。

对流式过热器和辐射式过热器的过热汽温静态特性完全相反。

对于对流式过热器，当负荷增加时，通过其烟气的温度和流速都增加，因而使过热汽温升高。

而对于辐射式过热器，由于负荷增加时炉膛温度升高不多，而炉膛烟温升高所增加的辐射热量小于蒸汽负荷增大所需要的吸热量。

我们的过热器系统采取了对流式、辐射式和屏式（半辐射式）交替串联布置的结构，这有利于减小过热器出口汽温的偏差，并改善了过热汽温调节对象的静态特性。

引起过热蒸汽温度变化的原因很多，如蒸汽流量变化、燃烧工况变化、进入过热器的蒸汽温度变化、流过过热器的烟气温度和流速变化等。

归结起来，过热汽温调节对象的扰动主要来自三个方面：

蒸汽流量变化（机组负荷变化），加热烟气的热量变化和减温水流量变化（过热器入口汽温变化）。

过热汽温调节对象的动态特性是指引起过热汽温变化的扰动与过热汽温之间的动态关系。

在各种扰动下的过热汽温调节对象动态特性的特点是有迟延和惯性，典型的过热汽温阶跃反应曲线如下图所示。

当机组负荷扰动时，蒸汽流量的变化使沿整个过热器管路长度上各点的蒸汽流速几乎同时改变，从而改变过热器的对流放热系数，使过热器各点的蒸汽温度也几乎同时改变。

所以，在机组负荷扰动下，过热汽温的迟延和惯性比较小。

当烟气热量扰动（烟气温度和流速发生变化）时，由于烟气流速和温度的变化也是沿整个过热器同时改变的，与蒸汽流量变化对传热影响的情况类似，所以过热汽温的反应也是较快的。

当减温水流量扰动时，改变了高温过热器的入口汽温，从而影响了过热器出口汽温。

由于过热器管路很长，因此汽温的反应是较慢的。

由此，在不同扰动作用下，过热汽温动态特性参数的数值（τ、Tc、K）有较大的差别，例如：

减温水扰动时汽温反应的迟延时间t远大于烟气侧扰动时的迟延时间。

因此，正确选择调节过热汽温的手段，使调节机构动作后能及时影响汽温（即调节机构动作时，汽温动态特性的迟延时间τ应尽可能小）是很重要的。

但目前广泛采用喷水减温作为调节过热汽温的手段，调节对象在调节作用下的迟延时间t和时间常数Tc太大，如果只根据汽温偏差来改变喷水量往往不能满足生产上的要求。

因此，在设计自动调节系统时应该设法减小调节对象的惯性迟延，以便好地控制汽温的变化。

2、过热汽温调节基本方案

从过热汽温调节对象的阶跃试验曲线可以看出：

若从动态特性的角度考虑，改变烟气侧参数（烟温或烟气流速）的调节手段是比较理想的，但具体实现比较困难。

喷水减温对过热器的安全运行比较有利，所以尽管对象的调节特性不够理想，但还是被广泛采用。

采用喷水减温时，由于对象调节通道有较大的迟延和惯性以及运行中要求有较小的汽温控制偏差，需要从对象的调节通道中找到一个比被调量反应快的中间点信号作为调节器的补充反馈信号，以改善对象调节通道的动态特性，提高调节系统的质量。

因此，一般考虑采用串级调节系统方案。

过热器减温器θ1过热器θ2

蒸汽γθ1γθ2

减

温执行器P

水PID

Wj

其中：

γθ1，γθ2—温度变送器斜率；θ1—减温器后汽温；

θ2—过热器出口汽温

简图过热汽温串级调节系统

汽温调节对象由减温器和过热器组成，减温水流量Wj为对象调节通道的输入信号，过热器出口汽温θ2为输出信号。

减温器出口处汽温θ1作为辅助调节信号（导前汽温信号）。

当调节机构动作（喷水量变化）后，导前汽温信号θ1的反应显然要比被调量信号θ2早得多。

这样，对象调节通道的动态特性Go（s）可以看成为由两部分构成：

①以减温水流量作为输入信号，减温器出口温度θ1作为输出信号的通道，这部分调节通道称为导前区；②以减温器出口汽温θ1为输入信号，过热器出口汽温θ2为输出信号的通道，这部分调节通道称为惰性区。

可以知道，引入θ1负反馈而构成的副回路起到了稳定θ1（或Wj）的作用，从而使过热汽温保持基本不变，因此可以认为负副反馈回路起着粗调过热汽温θ2的作用。

而只要θ2不等于设定值，主调节器就会不断地改变其输出信号，并通过副调节器去不断地改变减温水流量Wj，直到θ2恢复到等于设定值为止。

如果减温水流量Wj发生自发性波动（可能是减温水压力或蒸汽压力改变）而引起变化时，由于副回路的存在，而且导前区的惯性又很小，副调节器能够及时动作，快速消除减温水流量的自发性波动，从而使过热汽温基本保持不变。

如果扰动发生在副回路以外，引起过热汽温偏离给定值时，串级汽温调节系统首先由主调节器改变其输出校正信号，通过副调节回路去改变减温水流量，使过热汽温恢复正常。

可见，在串级汽温调节系统中，副回路的任务是尽快消除减温水流量的自发性扰动和其他进入副回路的各种扰动，对过热汽温起粗调作用。

副调节器一般采用比例或微分调节器，主调节器的任务是保持过热汽温等于给定值，采用PI或PID调节器。

3、过热汽温自动调节系统（1/2U应用）

宝钢电厂的1/2U锅炉过热蒸汽系统分为A、B两路。

主蒸汽温度的控制采用通常的喷水减温方法。

一般，即使是大容量锅炉，设置两级减温器也足能满足对汽温的控制要求了。

由于当初设计时考虑到宝钢电厂经常处于冲击负荷下运行，为了确保在冲击负荷下的汽温波动也不会过大，故在锅炉的设计上增加第三级喷水减温器。

第三级喷水减温器在正常运行条件下，其喷水调节门是全关的，只在主汽温偏差超过许可（±8℃）的情况下才参与汽温的控制。

所以第三级喷水减温调节系统纯粹是作为后备辅助之用的（或事故喷水减温用）。

针对汽温调节对象的上述特点，目前使用的汽温调节有两种方案（参见下图）。

这两个方案以过热器出口温度θ2作为主调节参数外，都引入了导前信号θ1。

对于减温水量的扰动，汽温θ1肯定比θ2提前反映，而对于烟气侧或蒸汽负荷的扰动不起提前作用，但是它能够比θ2提前反映调节效果，因此还是改善了闭环系统的动态特性，调节质量总是比不加这个导前信号时要好一些。

（a）有导前汽温微分信号的系统（b）串级调节系统

图过热汽温自动调节系统原理图

锅炉过热器温度控制对象是一个容积延迟很大的大惯性对象，故采用了分为三级的分段控制方法。

在正常情况下，主蒸汽温度主要由第二级减温控制回路保证；而第一级减温控制回路主要用来消除落在低温前屏过热器区段内的扰动，稳定住第二级减温器的入口温度，故可以看作是主汽温控制的粗调。

1）二级喷水减温控制回路（参见MCS-1图SH168、176）

二级喷水减温调节回路是主蒸汽温度控制的主回路。

它的原理与常规的带导前微分信号汽温控制系统相似。

主蒸汽温度经转换后，与设定值比较后加到PID调节器上，输出作为调节主信号。

由于主汽温对象的延迟较大，为改善系统的性能，引进了减温器出口温度的微分信号作为先行反馈信号。

同时，考虑到主蒸汽流量（机组负荷）及BFG混烧比的变化是引起汽温变化的主要外部扰动，所以把主蒸汽流量与BFG混烧比信号也作为先行信号引入控制信号中去，对喷水减温调节门实现先行控制，以其减小因机组负荷，燃料变化引起的汽温偏差。

调节器的输出与先行信号，导前微分信号的综合代表了不同负荷下所要求的喷水减温调节门开度指令，去控制二级喷水量，最终控制主蒸汽温度。

下面对几个信号作一些说明：

（1）设定值信号的形成

锅炉正常运行中，主蒸汽温度的设定值为额定值（541℃），由运行人员在设定器上给出。

锅炉在低负荷工况运行时，主蒸汽温度不能达到额定值。

所以在低负荷时应该相应地降低汽温设定值。

按锅炉设计，规定在小于50%额定负荷时，主蒸汽温度不控制到额定值，且负荷越低，过热汽温越低。

正常负荷时的主蒸汽温度额定值与经函数器f（x）处理后的负荷指令（主蒸汽流量）给出的设定值信号经低选器，输出信号作为主汽温调节器的给定值信号。

同时，为了消除由于相位补偿回路（目前相位补偿已经取消）与PID调节作用的很大的动态增益而使汽温设定值发生阶跃扰动，造成喷水减温调节门大幅度的动作，还考虑了设定值变化速率限制模块，速率3℃/MIN。

（参见MCS-1图SH168）

（2）先行信号（参见MCS-1图SH170）

在静态时，喷水减温调节门的开度信号是随着机组负荷和BFG混烧比的不同而不同的，所以把机组负荷（主蒸汽流量）和BFG混烧比信号经函数器作为调节主汽温的先行信号（参见下图）。

图先行信号形成回路

在BFG混烧比为零的情况下（即100%烧煤），先行信号由f2（x）形成；当BFG混烧比为100%的情况下，把经负荷修正的混烧比信号与经f2（x）的负荷信号相加，作为主蒸汽温度在负荷和BFG混烧比情况出现变化时的外扰先行信号。

另外，还考虑了总燃料量与蒸汽流量之差的先行信号。

（3）喷水减温调节系统的投入

①锅炉起动阶段

主汽温调节系统不是全程调节系统。

在锅炉起动直到升温到额定值，一段时间内，采用APS直接控制二级减温调节门的DDC控制方式。

（冷态时从主蒸汽温度480℃到控制温度到设定值的±4℃为止，再切回到正常的自动方式）

当锅炉在起动时，只要控制系统电源正常，APS在正常使用状态，汽温控制系统不在手动方式等条件满足，则按下二级喷水减温控制上的“APS方式”按钮，即能使二级喷水减温调节门置于APSDDC控制之下。

②锅炉正常运行阶段

当锅炉起动到达额定工况后，二级汽温控制系统能在APS指令下，自动转为MCS自动控制方式；或者由运行人员按下自动方式按钮，使系统成为自动方式。

③发生FCB时，调节系统能强制转为自动方式

在二级汽温控制系统的逻辑回路中，还考虑了联锁保护动作：

当二级减温水调节门A、B的开度都接近于零时（即调节门全关），警报设定器H/L动作，通过联锁接点能自动关闭减温水隔绝门，以防止在锅炉空负荷或低负荷时有减温水漏进减温器中，造成汽温不正常下降。

④发生MFT时（参见MCS-1图SH168、SH180、181）

当锅炉发生MFT时，二级喷水减温调节门控制强制手动方式，且发出？

？

秒脉冲信号（目前二级喷水减温调节门在MFT发生时，A侧是1S脉冲，B侧是3S脉冲），优先关闭二级喷水减温调节门。

2）一级喷水减温控制回路（参见MCS-1图SH167）

一级喷水减温控制回路是一个简单的单回路控制系统。

一级喷水控制回路是以二级减温器入口温度为调节信号的单回路系统，为提高控制性能，也引入了先行信号（与二级减温先行信号相同）。

FCB发生时，发出？

？

5秒脉冲信号，一级喷水减温控制回路转为强制自动方式。

MFT发生时，发出？

？

3秒脉冲信号，输出固定的减温调节门开度指令0%（？

？

）。

3）三级喷水减温控制回路（参见MCS-1图SH169）

三级喷水减温控制回路也是一个简单的单回路控制系统。

三级喷水减温控制回路以主蒸汽温度为调节信号。

前面已说明过，它是作为汽温超限的紧急情况时使用的，所以在主蒸汽温度额定值上加一偏置量（+8℃）作为调节器的设定值。

这样，在正常时，设定值永远大于主蒸汽温度值，调节器发出喷水减温调节门全关指令。

只有当主汽温超过所规定的偏置量（+8℃），调节器的输入偏差值极性才会倒过来，输出喷水减温调节门开的指令。

由于三级喷水减温控制系统正常运行时，调节器输入长期处于给定值＞被调量的状态下，即调节器输入正偏差长期存在，这时调节器的积分作用将使调节器处于积分饱和状态。

这样，一旦被调量信号＞设定值，即调节器入口偏差信号极性改变时，调节器的输出极性将不能立即改变，从而执行机构将不能及时动作，调节器暂时丧失调节功能，从而会形成调节系统产生的调节滞后现象。

这种现象一直要在负偏差作用下，在调节器调节一段时间，等调节器退出饱和区后，调节系统才能恢复正常调节功能。

当然，在连续生产过程中，积分饱和现象是不容易出现的。

通常对间断操作设备，才会出现这种现象。

积分饱和现象对调节系统的工作是一个十分有害的缺点。

所以对间断运行的三级喷水减温控制系统采用了有扰积分饱和功能的调节器，以使在偏差极性倒过来时，调节器会立即输出开启喷水减温调节门的指令。

喷水减温调节门在强制手动方式时，均发出报警信号（参见MCS-1图SH171）。

FCB发生时，发出？

？

5秒脉冲信号，一级喷水减温控制回路转为强制自动方式。

MFT发生时，延迟？

？

0秒（目前延时时间未设，放于0S），三级喷水减温调节门优先关闭。

（参见MCS-1图SH169）

二、再热汽温自动调节系统

1、再热汽温调节任务与特点

再热汽温调节系统的任务是保持再热器出口温度为给定值。

再热循环可以降低汽轮机尾部叶片处的蒸汽湿度、降低汽耗、提高机组的热循环效率。

在锅炉运行中，再热器出口温度更容易受到机组负荷、燃烧工况等干扰的影响而发生变化，并且变化的幅度也较大，这主要是再热器与过热器的结构特点不同所致。

因为，在再热器中的工质流速较低，为了启动及停炉时的保护需要，一般都将再热器布置在较低的烟温区。

因此，再热器具有纯对流式的汽温静态特性。

当负荷变化时，再热汽温会产生较大的变化，将可能造成汽机中压缸转子与汽缸之间产生较大的相对变形，引起汽机的剧烈振动。

2、再热汽温基本调节方案

对于再热汽温，几乎都采用改变烟气流量作为主要调节手段，如改变燃烧器的倾斜角度。

变烟气流量的调节方式比喷水减温调节方式有较高的经济性，因为再热器采取喷水减温时，将减少效率较高的高压汽缸内的蒸汽流量而降低机组热效率，所以在正常情况下再热汽温不采用喷水减温方式。

但由于喷水减温方式简单、可靠，所以一般把它作为再热汽温超过极限值的事故情况下的保护调节手段。

采用改变燃烧器摆角调节再热汽温的方式，实际上是以改变炉膛火焰中心位置来使再热器的入口烟温改变，从而调节再热器的吸热量，达到调节再热汽温的目的。

燃烧器向上，再热蒸汽温度上升；燃烧器向下，效果相反。

用烟气调节温度时，汽温动态特性的迟延较小，因此对再热汽温的自动调节，原则上只需要采用单回路调节的方案。

考虑到机组负荷变化是引起再热汽温变化的主要扰动，把主蒸汽流量（机组负荷）作为前馈信号引入调节系统将有利于再热汽温的稳定。

主蒸汽流量D再热汽温θ”

-+

Δ设定值±Z

+

f（x）PIΔ设定值

-

∑PI

执行器执行器

燃烧器摆角减温水门

Δ—比较器；∑--加法器；f（x）--函数器；±--偏置器

图3-2再热汽温自动调节系统原理图

当再热汽温处于规定值附近变化时，汽温的偏差由燃烧器摆角来校正消除。

蒸汽流量D作为负荷前馈信号，通过函数器f（x）转换去直接控制燃烧器摆角调节机构。

当函数器的参数整定合适时，能使负荷变化时的再热汽温保持基本不变或变化很小。

虽然喷水减温调节器也是以再热汽温为调节信号，但此信号通过偏置器时被叠加了一个负偏置信号Z（Z由偏置器设置，大小相当于再热汽温允许的超温限值）。

这样，当再热汽温正常时，喷水减温调节器的入口端始终只有一个负偏差信号，它使喷水减温调节门全关。

只有当再热汽温超过规定的限值时，调节器的入口偏差才会变为正的，从而发出喷水减温调节门开启的指令。

3、再热汽温调节系统（1/2U应用）

宝钢电厂1/2U锅炉再热汽温的控制，在正常情况下，采用调整煤段燃烧器摆角的方法来控制再热蒸汽温度，而喷水减温则在再热汽温超过某一限值的紧急情况下，才参与调节，作为超温事故时的保护手段。

因为再热器喷入减温水后，将极大地减少效率较高的高压汽缸内蒸汽流量，降低电厂热效率，故一般情况下不用这种调温方式。

再热汽温设定值根据主蒸汽流量通过函数f（x）生成，与额定值进行低选，并对其进行变化速率的限制（参见MCS-1图SH172）。

再热汽温的控制分为两个调节回路：

1）一个是燃烧器摆角控制回路（参见MCS-1图SH173），再热汽温的控制主要是通过这个回路来实现。

这个控制回路基本上与主汽温的二级喷水减温控制回路相同，系统中也考虑了低负荷时的设定值修正，及引入了外扰先行信号（BFG混烧比和主蒸汽流量综合信号，参见图SH172）。

这个控制回路一个特点是考虑了燃烧器摆角的限制。

因为火焰中心的调整是燃烧调整中一项很重要的工作，它不仅对燃烧过程的好坏起着决定性作用，而且对受热面的安全工作有很大的影响。

火焰中心过高对燃烧是不利的，它将使燃料在炉内的燃烬时间缩短，使燃烧不完全甚至引起尾部烟道的再燃烧；火焰中心位置对过热汽温也有一定影响。

总之，将火焰中心抬得过高是不允许的，特别不允许用恶化燃烧的办法，来调节再热蒸汽温度。

所以在这个控制回路中引入了不同负荷时，燃烧器相应的摆角上限值。

根据机组负荷（主蒸汽流量）生成上限值，固定下限值（参见MCS-1图SH173）。

机组负荷与燃烧器摆角上限值的静态对应关系由函数器f（x）设定。

本系统还有与过热汽温调节系统相同的设定值信号形成回路，在低负荷时，按与主蒸汽流量成函数关系的再热汽温设定值进行控制。

（1/2U根据主蒸汽流量生成再热器温设定值，3U则根据锅炉主控指令生成）

当FCB发生时，煤段燃烧器摆角转为强制手动方式，并保持在FCB刚发生前的角度上（参见MCS-1图SH173）。

2）另一个是在再热汽温超限值时起作用的喷水减温调节系统（参见MCS-1图SH174）。

再热汽温正常时，该调节回路使喷水减温调节门处于全关位置。

这个控制系统的原理与主蒸汽温度控制系统中的三级喷水控制回路基本相同。

当再热喷水减温调节门全关时，警报设定器H/L动作，通过联锁关闭再热减温水隔绝门，以防止减温水漏入再热器中。

当FCB发生时，再热蒸汽温度的控制由汽机旁路减温水调节门进行。

当MFT发生时，联锁关闭再热减温水隔绝门（参见MCS-1图SH175）。

附加：

喷水减温调节仅仅根据再热汽温偏差来调节，没有设置前馈信号，则调节比较缓慢。

3U设计时考虑加负荷时再热汽温的控制，使喷水减温设定值低5℃，变为539℃，这样比摆角调节设定值要低（541℃）。

AGC与一次调频投用后，使得喷水减温成为一种常规减温方式。

这样弊病就比较大，反应太慢，效果不佳，最主要是没有前馈信号参与调节。

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