600MW单元机组汽温控制系统分析与研究.docx

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600MW单元机组汽温控制系统分析与研究

600MW单元机组汽温控制系统分析与研究

摘要

在电厂热工生产过程中，整个汽水通道中温度最高的是过热蒸汽温度，蒸汽温度过高或过低，都将给安全生产带来不利影响，因此，必须严格控制过热器的出口蒸汽温度，使它不超出规定的范围。

过热汽温被控对象是一个多容环节，它的纯迟延时间和时间常数都比较大，干扰因素多，对象模型不确定，中间的测点不易取，在热工自动调节系统中属于可控性最差的一个调节系统。

串级汽温调节系统，无论扰动发生在副调节回路还是发生在主调节回路，都能迅速的做出反应，快速消除过热汽温的变化，串级控制是改善过热汽温调节过程极为有效的方法，虽然串级调节系统只比简单系统多了一个测量变送元件和一个调节器但是控制效果却有显著的提高。

本文以国电大连庄河2╳600MW机组为例，对其汽温控制系统SAMA图进行研究，分析了直流炉与汽包炉的区别以及直流炉汽温控制系统的控制特点，设计思想。

关键字：

直流炉，串级控制，过热汽温

Theanalysisandresearchofsteamtemperaturesystemfor600MWunit

Abstract

Thesuper-heatedsteamtemperatureisthemaximumtemperatureinthewholesteamchannelsintheprocessofthermodynamicengineeringinpowerplant.Ifthesteamtemperatureistoohighortoolow,itwillbringondangerousfactors.Wemustcontrolthesuper-heatedsteamtemperatureoftheoutputofthesuper-heatedimplementtosomerequiredrange.Thesteamtemperatureobjectisamulti-containerelement.Itsdeadtimeandtimeconstantisrelativelybig.Ithasmanydisturbances.Itsobjectmodelisnotconfirmable.Itisnoteasytomeasuresteamtemperatureinthesuper-heatedimplement.Itisthemostdifficultcontrolsysteminthethermodynamicautomaticcontrolsystems.Cascadesteamtemperatureregulationsystem,regardlessofdisturbanceinthelooporvice-conditioninginthemainloops,canquicklyrespondtotherapideliminationofsuperheatedsteamtemperaturechanges,cascadecontrolistoimprovethesuperheatedsteamtemperatureadjustmentprocessisextremelyeffectiveMethods,althoughthecascade-conditioningsystemonlymorethanasimplemeasurementtransmissioncomponentsandcontrolofaregulatorbuttheresultshavesignificantlyimproved.

Inthispaper,ZhuanghepowerplantofDalianhasbeenanalysisedasanexample,itsSAMAmapoftemperaturecontrolsystemhasbeenanalysised,andalsothedifferencebetweenonce-throughboileranddrumboiler.Moreover,thefeatureanddesignthinkingoftemperaturecontrolsystemforonce-throughboilerhavebeenanalysised.

Keywords:

once-throughboiler,cascadecontrol,superheatedsteamtemperature

1绪论

1.1选题背景及意义

火电厂锅炉的过热汽温控制对于电厂的安全经济运行有重大影响，通常要求控制过热汽温的变化在±5℃的范围内。

电厂锅炉出口的过热蒸汽温度是整个汽水行程中工质的最高温度，对于电厂的安全经济运行有着重大影。

温度过高，容易损坏设备；温度过低，则会降低热效率，因此，必须相当严格的将蒸汽温度控制在给定值附近。

在电厂运行过程中，机组的负荷在不断变化，过热汽温对象的动态特性也在不断变化，特别是大容量机组，其动态特性变化更大，再加上燃烧不稳定等扰动因素，这些都对过热汽温控制系统提出了更高的要求，尤其是控制系统应该具有较强的鲁棒性。

主蒸汽温度的稳定对机组安全经济运行非常重要，主要表现在以下几个方面:

（1）汽温过高会使锅炉受热面及蒸汽管理金属材料的蠕变速度加快，影响使用寿命。

例如，12CrMoV钢在585℃环境下保证应用强度的时间约为10万小时，而在595℃时到了3万小时就可能会丧失其应有的强度。

而且如果受热面严重超温，将会由于管道材料强度的急剧下降而导致爆管。

此外，汽温过高还会使汽轮机的汽缸、汽阀、前几级喷嘴和叶片、高压缸前轴承等部件的机械强度降低，从而导致设备的寿命缩短，甚至损坏。

（2）汽温过低会使机组循环热效率降低，煤耗增大。

根据理论估算可知:

过热汽温降低

10℃，会使煤耗平均增加0.2%。

同时，汽温降低还会使汽轮机尾部的蒸汽湿度增大，不仅使汽轮机的效率降低，而且造成汽轮机末几级叶片的侵蚀加剧。

此外，汽温过低，汽轮机转子所受的轴向推力增大，对机组安全运行十分不利。

（3）汽温变化过大，除使管材及有关部件产生疲劳外，还将引起汽轮机汽缸的转子与汽缸的胀差变化，甚至产生剧烈振动，危及机组安全运行。

因此，工艺上对汽温控制的质量要求是非常严格的，一般要求主蒸汽温度稳定在±5℃的范围内。

但是，汽温对象的复杂性，给汽温控制带来了许多困难，其主要难点表现在以下几个方面:

①影响汽温变化的因素很多，例如，蒸汽负荷、减温水量、烟气侧的过剩空气系数和火焰中心位置、燃料成分等都可能引起汽温变化；②汽温对象具有大迟延、大惯性的特点，尤其随着机组容量和参数的增加，蒸汽的过热受热面相对于蒸发受热面的比例加大，使其迟延和惯性更大，从而进一步加大了汽温控制的难度；③汽温对象在各种扰动作用下（如负荷、工况变化等）反应出非线性、时变等特性，使其控制的难度加大；④由于过热器正常运行时的温度己接近钢材允许的极限温度，强度方面的安全系数也很小，因此，现代大型机组对过热汽温参数要求很严格，通常中高压锅炉过热汽温的暂时偏差不允许超过±10℃，长期偏差不允许超过±5℃。

总之，过热汽温是火电机组的主要参数。

由于过热器是在高温、高压环境下工作，过热器出口汽温是全厂工质温度的最高点，也是金属壁温的最高处，工艺上允许的汽温变化范围又很小，汽温对象特性呈非线性，影响汽温变化的干扰因素多等，这些都使得汽温控制系统复杂化，因此正确选择控制汽温的手段及控制策略是非常重要的。

1.2本课题的研究现状

锅炉过热汽温系统属于典型的多容环节，其对象具有较大的迟延及参数摄动特性。

目前，电厂锅炉过热汽温控制系统有很多采用常规PID串级控制方式，并多采用喷水减温的方法来维持过热汽温。

一般说来，常规PID控制具有结构简单、易于实现且稳态精度较高等优点，但主要存在以下几方面缺点:

（1）过热汽温对象的精确数学模型难以建立或较复杂，且具有较大的迟延和时变特性，这就是使得PID控制器参数的整定很难实现最优；

（2）理论和仿真研究都表明，过热汽温串级系统的结构与特点以及常规PID控制器自身的局限性使得其参数整定无法同时兼顾系统的汽温响应特性和抗扰动特性及对象参数摄动情况下的鲁棒稳定性；

（3）PID控制器的线性控制律难以克服过热汽温对象所具有的大滞后和大惯性特性，因此，当系统出现突发性干扰和模型或设定值突变时，常引起被控量的较大偏差，而这对于过热汽温控制来说，是不允许出现的。

Smith预估控制是克服被控对象大惯性、大迟延特性的有效方法，但缺点是抗干扰能力差，模型适配能力差，这是制约Smith预估控制应用的主要原因。

自校正—Smith预估控制方法通过对被控对象建立精确模型，来预估对象的实际输出，进而调整PID控制器的参数，从而对主控制器的输出量做出补偿。

但是，这种方法由于仍然依赖对控制对象的精确建模，因此，无法从根本上克服Smith预估控制的缺陷。

常规PID串级控制系统仅利用导前汽温信号和过热汽温信号进行控制，当惰性区的对象惯性和迟延较大时，控制品质较差。

但是利用状态变量控制理论，通过设计状态观测器，可以实现状态重构，这样就可设计基于状态观测器的各种新型控制策略，以提高过热汽温控制系统的控制品质。

通过在副回路中采用PID控制，同时，根据主回路等效对象（考虑到副回路的快速跟踪特性，将主回路控制对象等效为导前汽温—出口汽温对象），设计中间状态观测器，构成各种状态变量—PID控制系统。

不过，状态观测器的设计，同样对控制对象精确模型具有较大的依赖性。

模糊控制是基于模糊语言推理的控制方法，适用于对象输入—输出关系具有不确定性的系统，也适用于具有大惯性、大迟延对象特性的系统。

近年来，基于模糊控制的一些新型控制策略已在大型单元机组的过热汽温控制系统中得到了较多的理论研究和成功应用。

此外，近年来基于遗传算法GA（GeneticAlgorithms遗传算法）的PID参数优化算法（根据性能指标构建适应度函数，通过随机搜索以获得最佳的PID参数，而传统GA方法存在早熟问题，容易陷入局部极值点）为基础的变参数PID控制策略研究得到重视。

为了使变参数PID控制取得更好的性能，提出了鲁棒整定的思想，并采用免疫遗传算法进行设计参数的鲁棒优化调整。

通过对具有严重参数不确定性、多扰动以及大迟延的电厂主蒸汽温度被控对象进行的仿真研究结果表明，基于免疫反馈和遗传机制的免疫遗传算法具有全局优化的能力，对变参数PID控制的参数优化设计是成功和有效的，使得具有多模型特性的汽温控制系统在不同的负荷下均获得很好的控制品质。

2过热汽温控制简介

2.1引言

现代锅炉的过热器是在高温、高压条件下工作的，锅炉出口的过热蒸汽温度是整个汽水行程中工质的最高温度，对于电厂的安全经济运行有重大的影响。

锅炉过热器的任务是将汽包出来的饱和蒸汽加热到一定数值，然后送往汽轮机去做功。

通常称减温器前的过热器为前级过热器，减温器后的过热器为后级过热器。

锅炉过热器是由辐射过热器，对流过热器和减温器组成的。

高压以上的大型锅炉大多采用辐射、半辐射与对流型多级布置的联合型过热器。

过热器的蒸汽高温段采用对流型，低温段采用辐射或半辐射型，以降低受热面管壁钢材温度。

对流过热器布置在锅炉烟道内，它的受热面由蛇形管并联组成，其进出口分别由联箱连接。

由于过热器承受高温高压，它的材料采用耐高温、高压的合金钢。

过热器正常运行时的温度已接近钢材容许的极限温度，强度方面的安全系数也很小，因此，必须相当严格地将过热汽温控制在给定值附近。

例如，亚临界压力机组的主蒸汽温度通常要求其暂态偏差不超过±8℃中、高压锅炉过热汽温的暂时偏差不容许超过±10℃，长期偏差不容许超过±5℃，这个要求对于汽温控制系统来说是非常高的。

汽温过高会使过热器和汽机高压缸承受过高的热应力而损坏，汽温过低又会降低机组的热效率，影响经济运行。

2.2过热汽温对象的动态特性

2.2.1锅炉蒸汽负荷的变化对过热汽温的影响

锅炉蒸汽母管压力或汽轮机调速汽门开度的变化都会引起锅炉蒸汽量变化。

当蒸汽量变化时，沿过热器管整个长度各点的温度几乎同时变化，过热器出口温度的阶跃反应曲线如图2-1（a）所示。

其特点是，有迟延，有惯性，有自平衡能力，且τ/TC较小。

虽然在蒸汽量扰动作用下汽温变化的特性较好，但是不能作为调节手段。

因为蒸汽负荷是由用户决定的。

同时，对流式过热器和辐射式过热器的出口汽温对负荷变化的反应是相反的，其静特性如图2-1（b）所示。

当蒸汽量增加时，通过对流式过热器烟气增加，炉烟温度也随负荷增加时，炉膛温度升高较少，此时炉膛辐射作用多传给过热器受热面的热量比锅炉蒸汽量的增加所需热量要少，因此当负荷增加时，辐射式过热器口温度下降。

近代大型超高压锅炉，由于蒸汽过热所需热量份额的增大和水的汽化所需热量份额减少的结果，因而把一部分过热器受热面布置在辐射受热区。

辐射式过热器和对流式过热器一样，也是布置在平烟道中。

所不同的是，对流式过热器的前面布置有对流管束（如防渣管），他是以对流方式进行换热的，而半辐射是以辐射方式接受热量。

半辐射式过热器又称为“屏式过热器”。

通常锅炉过热器以对流方式吸热比辐射方式吸收的热量多，因此总的出口汽温将随负荷的增加而升高。

图2-1蒸汽量变化对过热汽温的影响

（a）动态特性：

（b）静态特性

2.2.2烟气侧的扰动对过热汽温的影响

由于过热器是一个热交换器，过热器出口汽温反应了蒸汽带走的热量和从烟气侧吸收的热量之间的热平衡关系，所以凡是影响烟气和蒸汽之间换热的因素都是对汽温的扰动因素。

在烟气侧，烟气温度和烟气流速的变化都会使过热汽温变化。

而影响烟气温度和烟气流速变化的因素有很多，主要有以下几个方面：

（1）给粉机给粉不均匀。

它是炉膛温度和炉膛出口烟气温度发生变化，从而改变了过热器的吸热量，使过热汽温发生变化。

（2）煤中水分的改变。

煤的水分需要吸收燃料燃烧时放出的热量，因此水分增加将降低炉内温度水平和辐射放热量。

另一方面，由于烟气容积随着水分的增加而增加，所以对流放热增大了。

一般来说，对流放热的增加大于辐射放热的减少，这就使得对流过热器出口汽温有所提高。

反之，如果煤的水分减少，过热汽温就下降。

（3）蒸汽受热面结渣。

它使传热恶化，降低了蒸发量，同时提高了炉膛出口烟气温度，结果使对流过热器吸热量增加，过热汽温上升。

（4）过热空气系数增加，这一方面会使烟气量增加，烟气流速提高，另一方面过剩空气在炉内又要吸收燃料放热有所降低。

因此当过剩空气量增加时，会使炉内温度水平和辐射放热有所降低。

但是，对流放热的增加比炉温降低对汽温的影响大，所以过剩空气系数增加，最终会使过热器出口汽温升高。

（5）给水温度变化也会影响汽温变化。

当给水温度降低时，为了维持一定的蒸发量就要增加燃料和送风量，这样使炉膛出口的烟气温度和烟气量增加，因为过热汽温上升。

如果在给水温度降低时燃料量保持不变，则蒸发量就会相应减少，过热汽温同样是上升的。

（6）火焰中心位置改变（例如，由于煤粉细度变粗或喷燃器角度上升都使火焰中心位置上移；反之，则下移）。

由以上分析可知，运行中由于种种原因会使过热器出口汽温经常发生变化。

在烟气侧扰动下汽温变化的阶跃反应曲线如图2-2所示。

其特点也是有自平衡，有迟延，有惯性。

其迟延时间与烟气侧的扰动以及锅炉运行工况有关。

由于烟气侧的扰动是沿过热器整个长度使烟气传热量同时变化的，所以汽温变化反应较快。

因此，可以利用烟气侧的扰动作为调节的手段。

例如，烟气在循环（改变流经过热器的烟气流量）和改变喷燃器角度，这种调节方法将使锅炉结构上带来不少困难。

图2-3是某电厂的HK-10-2型高压锅炉利用回转式喷燃器调节气温时，对象的静态和动态特性试验曲线。

由图2-3（a）可知，参与调温的喷燃器的数目越多，则调温的幅度越大，且过热器出口汽温及炉膛出口烟气温度与喷燃器角度β（其正值为向上偏转角度，负值为向下偏转角度，在水平位置对β＝0）之间有近似的线性关系。

用八只回转式喷燃器来调节过热汽温时，即调温总幅度约为40℃。

图2-2汽温在烟气侧扰动时的阶跃响应曲线

图2-3喷燃器角度改变是对过热器出口汽温的影响

（a）动态特性；（b）静态特性

1-八只喷燃器；2-下排四只喷燃器

3-上排四只喷燃器4-后墙上排两只喷燃器

2.2.3减温水扰动对过热汽温的影响

利用减温器进行调温，是目前应用较广的一种调节方式。

减温器由表面式和喷水式两种，其中，喷水减温又分自凝喷水减温和给水喷水减温两种型式。

表面式减温的减温水和蒸汽是隔开的，而喷水减温则是利用减温水直接喷入过热蒸汽中进行减温的，因此又称“混合式减温器”。

高压锅炉表面式减温器一般装在饱和侧，中压锅炉一般装在两级过热器之间。

当表面式减温器装在饱和侧时，出来的饱和蒸汽被表面式减温器冷却后湿分增大，也即焓值降低了。

这股湿蒸汽经过第一段过热器、中间联箱及第二段过热器后，加热到额定温度，然后送到汽轮机或经蒸汽母管后去汽轮机。

减温水是利用锅炉给水。

在给水管路上，装一个给水节流阀，以造成一定的压降，迫使一部分给水分流至减温器。

汽温调节阀用来控制分流的减温水量G1，给水调节阀则调节总给水量G必须指出，调节给水是对减温器的运行有影响，所以汽温调节与给水调节互相干扰。

当减温器装在两端过热器中间时，则进减温器的蒸汽已具有一定的过热度，经过减温调节及第二段过热器，加热到额定的温度。

由上述可见，当减温水发生扰动时，减温器离开过热器出口愈远对象的迟延愈大，其动态特性如图2-4所示：

图2-4减温水扰动对过热器出口汽温的影响

2.2.4小结

各种扰动作用下，汽温对象都有迟延和惯性，且有自平衡能力。

对于同类型锅炉，表面式减温器装在饱和侧时，在减温水扰动作用下主汽温的特性参数τ∕Tc值最大，烟气侧扰动作用下的τ∕Tc次之，蒸汽量扰动作用下的τ∕Tc值最小喷水减温与表面式减温相比，对象的特性参数τ∕Tc要小的多。

在汽温调节中，可以作为调节手段的是烟气侧及减温水侧的扰动。

归纳起来，目前锅炉主汽温的调节方式有喷水减温式、表面减温式、回转喷嘴式、烟气再循环式几种，而任何种调节方式的选择，都涉及锅炉的结构设计，为了提高汽温的调节质量，设计锅炉时应该尽量减少对象调节通道的迟延和惯性。

2.3过热汽温控制分析

2.3.1过热汽温度调节任务和重要性

过热汽温自动调节的任务是维持过热器出口汽温在允许范围内，以确保机组运行的安全性和经济性。

被调量直接采用过热器出口联箱蒸汽温度。

为减小检测元件的热惯性，改善调节品质，汽温测量应采用小惯性热电偶。

过热汽温的调节大多采用喷水减温方式，即用改变喷水量来改变进入过热器蒸汽的热焓，以实现过热蒸汽温度的调节。

锅炉的过热蒸汽温度是表征锅炉特性的重要指标之一，过热汽温的稳定对机组的安全经济运行有极大的作用，这是因为：

①汽温过高会使锅炉受热面及蒸汽管道蠕变加快，影响使用寿命，汽温过高还会使汽轮机的汽缸、汽门、前几级喷嘴和叶片的机械强度降低，导致设备的损坏或使用年限缩短。

②汽温降低，将会使机组循环热效率降低，使煤耗增大，根据理论估算，过热汽温降低10℃，煤耗平均增大0.2%。

同时，汽温降低还会使汽轮机尾部的蒸汽湿度增大，这不仅使汽轮机内部热效率降低，而且会造成汽轮机末几级叶片的侵蚀加剧。

此外，汽温过低，汽轮机所受的轴向推力增大，对汽轮机的安全运行非常不利。

过热汽温变化过大，还会引起汽轮机中汽缸的转子和汽缸的涨差变化，甚至产生剧烈振动，危机机组安全运行。

2.3.2过热汽温控制的难点及设计原则

汽温控制的质量直接关系到机组的安全经济运行，而且过热汽温控制有是锅炉各项控制中较为困难的任务之一，过热汽温调节系统的难点在于：

（1）过热汽温作为调节对象，其主要特点是滞后时间较大。

在发生扰动后，温度不会立刻发生变化。

此外，测量温度的传感器也有较大的惯性，在动态过程中不能及时的发出测量和调整信号。

（2）设备的结构设计与自动调节的要求存在矛盾。

从调节的角度看，减温设备应安装在过热器出口的地方，这样可以使调节作用的时滞最小，使输出的蒸汽温度波动小，但是从设备安全的角度看，减温设备应安装在过热器入口的地方。

（3）造成过热汽温扰动的因素很多，各种因素之间又相互影响，使对象的动态过程十分复杂。

能使过热器出口汽温改变的因素有:

蒸汽流量的变化、燃烧工况的变化、锅炉给水温度的变化、进入过热蒸汽热焓的变化、流经过热器烟气温度即流速的变化、锅炉受热面结垢等。

综上所述，过热汽温控制系统设计原则可归纳为:

①从动态特性的角度考虑，改变烟气侧参数（如改变烟温或烟气流速）的调节手段是比较理想的，但具体实现比较困难的，所以一般很少被采用。

②喷水减温对过热器的安全运行比较理想，尽管对象的调节特性不够理想，但还是目前被广泛使用的过热蒸汽温度调节方法。

采用喷水减温时，由于对象调节通道有较大的延迟和惯性以及运行中要求有较小的汽温控制偏差，所以采用单回路调节系统往往不能获得好的调节品质。

针对过热汽温调节对象调节通道惯性延迟大、被调量信号反馈慢的特点，应该从对象的调节通道中找出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。

③使用快速的测量元件，安装在正确的位置，保证测量信号传递的快速性，减小延迟和惯性。

如果测量元件的延迟和惯性比较大，就不能及时反映过热汽温的变化，就会造成系统不稳定，影响控制质量。

④现代电厂的过热器管道的长度不断加长，延迟和惯性越来越大，采用一级减温己不能满足要求，可以采用多级减温，以保证汽温控制的要求。

2.3.3过热汽温常规控制方案及手段

目前，存在的过热汽温控制系统主要有三种方案：

串级控制系统方案、采用导前汽温微分信号的控制系统方案、前馈—反馈控制系统方案，在大型火力发电机组上，一般采用由前馈控制+串级控制构成的前馈—反馈控制系统方案。

通常，过热汽温控制系统中的控制器均采用PID控制规律。

PID控制规律具有概念清晰、算法简捷、易于实现、稳态精度较高等优点，但也存在以下几方面不足：

（1）过热汽温对象的精确数学模型难以建立或较复杂，且具有一定的时变特性，这使得PID控制器参数的整定很难实现动态最优。

（2）理论和仿真研究都表明，过热汽温串级控制系统的结构与特点以及常规PID控制器自身的局限性使得其参数整定无法同时兼顾系统汽温响应特性、抗扰动特性以及对象参数摄动情况下的鲁棒稳定性。

（3）对于具有的大迟延和大惯性特性的过热汽温控制对象，单纯的PID线性控制律适应突发性干扰、设定值突变、对象特性时变性等的能力有限，常出现被控量较大的动态偏差，而这对于过热汽温控制来说，是不允许出现的。

正是由于存在以上的不足之处，才使得包括前馈控制在内的众多控制方案运用于过热汽温控制。

常用汽温控制的手段主要有两种：

一是在蒸汽管道上设置减温器，一是改变烟气侧传热量。

在利用减温器的汽温控制系统中，有喷水减温器和面式减温器两种。

由于面式减温器的换热环节惯性迟延较大，不可避免的使汽温控制对象的滞后增大，故现代锅炉中很少采用，喷水减温器的动态性能优于面式减温器，其控制范围大，设备结构简单，采用普遍。

用改变烟气传热量控制汽温其动态性能好，但控制机构在高温区工作易出现故障，且控制精度不高。

目前大型火电机组过热汽温控制多采用喷水减温手段。

2.4过热汽温的串级控制系统

2.4.1串级控制系统特点

串级控制是改善调节过程极为有效的方法，从图