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1、热工课程设计第一章 过热汽温控制系统特性分析1.1静态特性1.1.1 锅炉负荷与过热汽温的关系锅炉负荷（一把可用总分量代表）增加时，炉膛中燃烧的增加，但炉膛中的最高温度没有多大变动，炉膛辐射放热量相对变化不大，使得炉膛出口烟温增高。这说明负荷增加时，每千克燃料的辐射放热百分率减少；而在炉膛后的对流换热区中，由于烟温和烟速的提高，每千克燃料的对流放热百分率将增大。因此，对于对流式过热器来说，当锅炉的负荷增加时，出口气温的稳态值升高；辐射式过热器则具有相反的气温特性，即当锅炉负荷增加时，会使出口气问的稳态值降低。两种过热器的串联配合，可以取得较平的气温特性，但在一般采用这两种过热器串联的锅炉中，过

2、热器出口的蒸汽温度，在某个负荷范围内，随锅炉负荷的增加将有所升高。1.1.2 过剩空气系数与过热气温的静态关系 过剩空气量改变时燃烧生成的烟气量亦改变，然而所有对流受热面吸热改变，而且对离锅炉出口较远的受热面影响显著。目前大多数锅炉的过热器均以对流吸热为主，当增大过剩空气量时，将使过热气温上升。1.1.3 给水温度与汽温的关系提高给水温度将使过热汽温下降，这是因为产生每千克蒸汽所需的燃料量减少了，流经过热器的烟气量也减少了。因此，是否投入高压给水加热器会使给水温度相差很大，这对过热气温有明显影响。1.1.4 燃烧器的运行方式与过热气温的静态关系在炉膛内投入高度不同的燃烧器或改变燃烧器倾角(再热

3、器温调节的需要)会影响炉内温度分布和炉膛出口烟温，因而也会影响过热气温，火焰“中心”相对提高时，过热汽温将升高。1.1.5 进入过热器的蒸汽的热焓与过热汽温的静态关系一定压力下，过热器入口蒸汽焓值增加，将使出口汽温增加；采用喷水减温时，喷水量增加，进入过热器的蒸汽热焓降低，过热气温将下降。同一负荷下，当锅炉汽包压力较低时，进入过热器蒸汽的饱和蒸汽焓值比较高压力下的饱和蒸汽的焓值要高，但汽包产生的蒸汽量却减少了，所以出口主汽温将增加。1.1.6 其它因素与过热汽温的静态关系（1）受热面清洁程度。过热器之前的受热面发生积灰或结渣时，进入过热器的烟温升高，因而使过热器的汽温上升，而过热器本事发生积灰

4、或结渣将使过热汽温下降。（2）饱和蒸汽用量。当锅炉的吹灰器或其它辅机使用饱和蒸汽时，为了供应饱和蒸汽就需要增加燃料，其结果将使过热汽温升高。（3）排污量。排污对过热汽温的影响和使用保护蒸汽一样，但由于排污水的焓较低，故影响较小。（4）燃烧性质对过热汽温的影响。当由煤粉改燃油时，由于炉膛内的辐射吸热百分率增大，过热汽温将降低。（5）尾部烟道中再热汽温控制挡板位置对过热汽温的影响。例如，当关小再热器烟道挡板（一般相应增大过热器挡板）时，过热汽温会升高。1.2过热气温控制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

5、过热器的烟气温度和流速变化、锅炉受热面结垢等。但归纳起来，主要有三个方面：（1）蒸汽流量（负荷）扰动下过热汽无奈对象的动态特性。（2）烟气热量扰动下的过热汽温的动态特性。（3）减温水量扰动下的过热汽温动态特性。1.2.1蒸汽流量（负荷）扰动下过热气温对象的动态特性当锅炉负荷扰动时，蒸汽流量的变化使沿整个过热器管路长度上个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，是过热器各点的蒸汽温度几乎同时改变，因而气温反应较快。过热器出口气温的阶跃响应曲线有滞后、有惯性、有自平衡能力，且/Tc较小。当锅炉的负荷增加时，对流式过热器和辐射式过热器的车口气温随负荷变化的方向是相反的。负荷增加时，通

6、过对流式过热器的烟气温度升高。但是，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，因而当负荷增加时，辐射事故啊哦哦热气出口气温是下降的。现代大型过路的过热器，对流式过热器的受热面积大于辐射式过热器的受热面积，因而总的汽温将随负荷增加而升高。1.2.2烟气热量扰动下过热汽温的动态特性 烟汽热量扰动（烟气温度和流速产生变化）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，因而沿过热器整个长度使烟气传递热量也同时变化，所以气温反应较快，其时间常数Tc和延迟均比其他扰动小。1.2.3减温水量扰动下的过热气温动态特性当减温水量扰动时，改变了高温过

7、热器的入口汽温，从而影响了过热器出口汽温。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气管路很长，因而当减温水量扰动时，气温反应较慢 。对于一般高、中压锅炉，党建温水流量扰动时，气温的延迟时间1020s，Tc100s。可见，当负荷扰动或烟气量扰动时，汽温的反应较快；而减温水量扰动时，汽温的反应较慢。因而从过热气温控制对象动态特性的角度考虑，改变烟气侧参数（改变烟温或烟气流量）的控制手段是比较理想的（因为负荷信号由用户决定，不能作为控制量），但具体实现较困难，所以尽管对象的特性不太理想，但还是目前广泛被采用的过热蒸汽温度控制方法。采用喷水减温时，由于对象控制通道有较大的延

8、迟和惯性以及运行中要求有较小的汽温控制偏差，所以采用单回路控制系统往往不能获得较好的控制品质。针对过热气温控制对象控制通道惯性延迟大、被调量信号反馈慢的特点，应该从对象的控制通道中找出一个比被调量反应快的中间电信号作为调节器的补充反馈信号，以改善对象控制通道的动态特性，提高控制系统的质量。第二章 串级过热汽温控制系统的整定2.1控制系统的目的目前采用的过热蒸汽温度控制系统主要有串级控制系统和采用导前微分信号的双回路汽温控制系统。过热蒸汽温度自动控制的任务是维持过热器出口蒸汽温度在允许范围内，并且保护过热器，是使管壁温度不超过允许的工作温度。过热蒸汽温度是锅炉运行质量的重要指标之一，过热蒸汽温度

9、过高或过低都会显著地影响电厂的安全性和经济性。过热蒸汽温度过高，可能造成过热器、蒸汽管道和汽轮机的高压部分金属损坏，因而过热气温的上限一般不应超过额定值5。过热蒸汽温度过低，又会降低全厂的热效率并影响汽轮机的安全经济运行，因而过热气温的下限一般不低于额定值10。过热气温的额定值通常在500以上，例如高压锅炉一般为540，就是说要是过热气温保持在5405的范围内。2.2控制系统的整定一般讲，过热气温控制对象导前区的迟延和惯性比惰性区要小，而且副调节器又选用P或PD控制规律。在这种情况下，内回路的控制过程要比外回路的控制过程快的多。此时，串级汽温控制系统可以采取内、外回路分别整定的方法进行整定；

10、； 先判断内、外回路的惯性差别： 故知不满足的条件。这种情况内外回路的相互影响不能忽视，应采用补偿对象法进行整定。根据对象惯性区德特性来确定主控制器的参数，使实际等效对象近似成为希望等效对象。为此，要先求出惯性区的参数。2.2.1主调节器的整定图2-1 过热汽温控制系统的主回路等效方框图主回路系统等效方框图如图1-3，当内回路争顶好之后，可视为一个快速随动系统。则此时广义被控对象的传递函数为：可得其特征参数为 查表1-1得时，有 由此可得 而等效主调节器的传递函数为可得 下面用响应曲线法查表可求得主调节器的整定参数。据，查表可得等效主调节器的整定参数为从而得主调节器的整定参数为 2.2.2副调

11、节器的整定求到近似的希望等效对象后，副控制器仍采用比例作用规律，即，于是等效控制器为式中，、已求出。近似希望等效对象的传递函数为表2-1 时间常数tc、滞后时间t与阶数n、时间常数T的关系N12345678910t/TC00.1040.2180.3190.4100.4930.5700.6420.7100.773t/T00.2820.8051.4302.1002.8103.5604.3105.0825.860tc/T10.7123.6924.485.1205.7006.2506.7107.1607.580按查表1-1得，。若按近似计算法整定，由表1-6，时。 第三章 过热汽温控制系统设计3.1

12、过热蒸汽调节过程300MW单元机组过热蒸汽流程：汽包所产生的饱和蒸汽先流经低温对流过热器进行低温过热，然后依次流经前屏过热器、后屏过热器和高温过热器后送入汽轮机。屏式过热器和高温对流过热器均为左、右两侧对称布置。在前屏过热器、后屏过热器和高温对流过热器的入口分别装设了级、级和级喷水减温器，其中级和级喷水减温器均是左、右两侧对称布置。3.2 过热汽温控制系统方案的设计图3-1第一段过热气温控制系统该系统由3段相对独立的串级汽温控制系统构成。第1段设计成一般的串级控制系统，以前屏过热器入口汽温6作为导前汽温信号，通过控制级减温器的喷水量WB1 来维持前屏过热器出口汽温5为给定值；第2段设计成前馈-

13、串级控制系统，如图所示，以后屏过热器入口汽温4为导前汽温信号，通过控制级减温器的喷水量WB2维持后屏过热器出口汽温3为给定值，并采用了单副调控制左、右两侧汽温的方案，该段系统除了引入反映负荷扰的燃烧器倾角指令BTD作为前馈信号外，还引入第3段控制系统中主调的输出信号3CV作为前馈信号;第3段设计成双副调控制左、右两侧汽温的串级控制系统，以高温对流过热器入口汽温2为副参数，通过控制级减温器的喷水量WB3以保持高温对流过热器出口汽温(主汽温)1满足要求。3.3 系统原理分析3段汽温控制系统均采用串级控制, 结构相似, 该系统的主要特点体现在第2段控制系统上。第2段汽温控制系统该段控制系统是以后屏过

14、热器出口汽温3为被调量，以后屏过热器入口汽温4 为导前汽温信号的串级控制系统。因为后屏过热器为左、右两侧对称布置, 所以正常情况下切换开关T1、T2切向NC，3取左、右两侧后屏过热器出口汽温的平均值，当任何一侧变送器故障时，通过逻辑信号使该路T切向NO，3取正常一侧的汽温信号，同时发出声、光报警，系统切手动，待故障变送器切除后，系统才正常运行4。图3-2 第二段过热汽温控制系统3的给定值信号根据锅炉负荷大小来确定，代表锅炉负荷大小的汽机调速级压力信号P1经函数模块f(x)转换后和定值器A给出的定值信号相加作为3的给定值信号送入第2段系统的主调节器PI1，主调节器的输出和导前汽温信号4(亦取左、

15、右两侧平均值)送入第2段系统的副调节器PI2。同时，将来自再热汽温控制系统的燃烧器倾角指令BTD作为前馈信号也送到PI2的入口，这样可提前控制级减温水量，消除负荷侧扰动，提高控制质量。PI2的输出同时送入手/自动操作器1AM和2AM去分别控制左、右两侧级减温器的喷水调节阀A和B的开度,以维持左、右两侧后屏过热器出口汽温3为给定值。系统中将左、右两侧后屏过热器出口汽温温差经函数模块f(x)(相当于一个带死区的非线性环节)转换后,送入积分器进行积分,然后分别和副调节器PI2的输出进行相加和相后，分别送入1AM和2AM，这样当某一侧发生内扰时(例如减温水量的自发性扰动)，可加强该侧减温水调节阀的动作

16、，快速消除扰动，而另一侧减温水调节阀基本不动作，从而减少了左、右两侧后屏过热器出口汽温在调节过程中的相互影响，同时保证了左、右两侧后屏过热器出口汽温相差不大。当主燃料跳闸(MFT)、汽轮机跳闸或主蒸汽流量低于25%时，在逻辑信号作用下，1AM和2AM强迫切手动，T3切向NO，1AM和2AM输出均为0，喷水减温调节阀门A和B关闭，以防止3值偏低。为了防止阀门A和B漏流的影响，系统中专门设置了降温闭锁阀A和B,在逻辑信号控制下, 需要减温水时其将全部打开,不需要时其将全部关闭。当任一侧级减温水调节阀手动时,主调节器PI1的输出跟踪H4和前馈信号(BTD+ 3CV)之差,以防止主调节器的输出积分饱和

17、,同时,副调节器PI2的输出跟踪左、右两侧阀位信号的平均值。从而保证系统从手动切换到自动时是无扰动的。在整个过热汽温控制系统中,屏式过热器以辐射过热为主,而高温对流过热器为对流传热,对于这种传热方式不同的过热器,为防止负荷变化时级减温器和级减温器的喷水量相差很大(1个增加,1个减少),在系统中将第3 段汽温控制系统的主调节器的输出信号(3CV)经函数模块f(x)、f(t)转换后送到第2 段控制系统的副调节器PI2的入口,作为第2段控制系统的前馈信号。这样,当负荷增加时,主汽温1上升,第3段系统中主调节器的输出信号将使级减温器的喷水量增加以保持1值恒定,该信号经f(x)运算后送到第2 段系统中副

18、调节器的入口, 将使级减温器的喷水量也增加, 从而使级和级减温器的喷水量大体相当。同时,级减温器的多喷水量对高温段对流过热器出口汽温H1来说有超前的调节作用。这样,各段过热器喷水量接近均匀,保证了过热器的安全运行。第2、3段汽温控制系统的比较第3 段控制系统和第2段控制系统结构稍有不同。由于第3段系统对负荷扰动反应较第2 段灵敏,并且要求的控制精度比第2 段系统要高,故第3段系统如图3 所示,采用了1 个主调节器(PI3)、2个副调节器(PI4、PI5 ),主调节器的输出同时送入2 个副调节器, 2个副调节器还分别接受左、右两侧高温对流过热器的入口汽温2为导前汽温信号,它们的输出经手/自动操作

19、器(3AM、4AM )去分别控制左、右两侧级喷水减温阀A和B的开度,这样当任一侧发生内扰时,可以通过该侧副环快速消除, 防止另一侧发生不必要的操作,有效地避免了高温对流过热器出口汽温在调节过程中的相互影响。由于和第2 段系统中采取的方案不一样,所以第3 段系统比第2段系统更好地克服了左、右两侧气温在调节过程中的相互干扰。图3-3 第三段过热汽温控制系统原理图该系统结构如图3-2，其原理为：两段汽温控制系统均采用串级控制，结构相似，下面仅以第二段控制系统为例来介绍它的原理，该段汽温控制系统是以后屏过热器出口汽温3为被调量，以后屏过热器入口汽温4为导前汽温信号的串级控制系统。因为后屏过热器为左，右

20、两侧对称布置，所以正常情况下切换开关T1,T2切向NC，3取左，右两侧后屏过热器出口汽温的平均值，当任何一侧变送器故障时，通过逻辑信号使该路T切向NO，3取正常一侧的汽温信号，同时发出声，光报警，系统切手动，待故障变送器切除后，系统才正常运行。3的给定值信号根据锅炉负荷大小来确定，代表锅炉负荷大小的汽轮机调速级压力信号P1经函数模块f(x)转换后和定值器A给出的定值信号相加作为3的给定值信号送入第二段系统的主调节器PI1,主调节器的输出和导前汽温信号4（亦取左，右两侧平均值）送入第二段系统的副调节器的PI2。同时，将来自再热汽温控制系统的燃烧器倾角指令BTD作为前馈信号也送到PI2的人口，这样

21、可提前开展II级减温水量，消除负荷侧扰动，提高控制质量。PI2的输出同时送入手/自动操作器1AM和2AM去分别控制左、右两侧II级减温器的喷水调节阀A和B的开度。系统中将左、右两侧后屏过热器出口汽温温差经函数模块f(x)转换后，送入积分器进行积分，然后分别和副调节器PI2的输出进行相加和相减，分别深入1AM和2AM，这样当某一侧发生内扰时（例如减温水的自发性扰动），可加强该侧减温水调节阀的动作，快速消除扰动，而另一侧减温水调节阀基本不动作，从而减少了左、右两侧后屏过热器出口汽温在调节过程中的相互影响，同时保证了左、右两侧后屏过热器出口汽温基本相等。图3-2中的手/自动操作器除了依据运行条件自动

22、实现手动/自动切换、直接对阀门进行操作外，还可以显示被调量、给定值及阀位信号。当主燃料跳闸（MFT）或汽轮机跳闸或主蒸汽流量25%时，在逻辑信号作用下，1AM和2AM强迫切手动，T3切向NO，1AM和2AM输出均为0，喷水减温调节阀门A和B关闭，以防止3偏低。为了防止阀门A和B漏流的影响，系统中专门设置了降温闭锁阀A和B，在逻辑信号控制下，需要减温水时全部打开，不需要时 全部闭死。当任一侧II级减温水调节手动时，主调节器PI1的输出跟踪4和前馈信号(BTD+3CV)之差，以防止主调节器的输出积分饱和，同时，副调节器PI2的输出跟踪左、右两侧阀位信号的平均值，从而保证手动切换到自动时 是无平衡无

23、扰动的。在整个过热汽温控制系统中，屏式过热器以辐射为主，而高温对流过热器为对流传热。对于这种传热方式不同的过热器，为防止负荷变化时II级减温器和II级减温器的喷水量相差很大（一个增大，一个减小），系统中将第二段汽温控制系统中的主调节器的输出信号（3CV）经函数模块f（x）转换后送到第二段控制系统的副调节器PI2的人口。这样，当负荷增加时，主汽温1上升，第二段系统中主调节器的输出信号将使II级减温器喷水量增加一保持1恒定，该信号经f(x)运算后送到第二段系统中副调节器的入口将使II级减温器喷水量也增加，从而使II级和III级减温器喷水量大体相当，保证过热器的安全运行。 参考文献1罗万金.电厂热工过程自动调节. 中国电力出版社.1991.2王志祥、朱祖涛.热工控制设计简明手册.水利电力出版社.1995.3刘健等.城乡电网建设与改造指南.北京:中国电力出版社.2001.4方富淇.配电网自动化.北京:中国电力出版社.2000.5罗毅等.配电网自动化实用技术.北京:中国电力出版社.