3ooMW火力发电机组过热汽温仪表控制系统设计.docx
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1、3ooMW火力发电机组过热汽温仪表控制系统设计00MW火力发电机组过热气温仪表控制系统设计 摘 要 本文是针对锅炉过热蒸汽温度控制进行的分析和设计。而对炉温过热蒸汽的良好控制是保证系统输出蒸汽温度稳定的前提,所以本设计采用串级控制系统,能克服时滞和惯性较大的过程动态特性,可以极大的消除控制系统工作过程中的各种干扰因素,使系统能在一个较为良好,较为稳定的状态下工作,同时使锅炉过热器出口蒸汽温度在允许的范围内变化,并保护过热器管壁温度不超过允许的工作温度。 本设计用到的串级控制系统中,主对象为送入负荷设备的出口蒸汽温度,副对象为减温器和过热器之间的蒸汽温度。通过控制减温水的流量来达到实现控制过热蒸
2、汽温度的目的。仿真实实验证明,改系统适用于中压型锅炉,也适用于对现有自动化仪表系统进行改造,而且在及时性、可靠性、自动化程度方面均有常规控制系统无法比较的优点。 关键词:过热蒸汽 蒸汽温度 控制系统 串级控制 仿真 目 录 1 生产工艺概述1 1.1锅炉生产工艺介绍1 1.2过热器的介绍2 1.3过热器出口蒸汽温度的干扰因素3 1.4蒸汽过热系统的控制4 2 过热蒸汽温度控制原理简介5 2.1控制方案的选择5 2.1.1单回路控制方案5 2.2.2串级控制方案6 2.2串级控制方案论证7 3 过热蒸汽温度控制系统的设计8 3.1系统控制参数确定8 3.1.1主变量的选择8 3.1.2副变量的选
3、择9 3.1.3操纵变量的选择9 3.2执行器的选择9 3.3控制仪表的选择10 3.3.1温度变送器的选择10 3.3.2温度传感器的选择11 3.4主、副控制规律的选择11 3.5控制器正、反作用的选择12 4 控制系统的流程图13 5 总结19 参考文献20 教师批阅: 教师批阅: 1 生产工艺介绍 1.1锅炉设备介绍 锅炉是石油化工、发电等工业工厂必不可少的重要动力设备,它所产生的高压蒸汽既可作为驱动透平的动力源,又可作为精馏、干燥、反应、加热过程的热源。随着工业生产规模的不断扩大,作为动力和热源的过滤,也向着大容量、高参数、高效率的方向发展。 锅炉设备根据用途、燃料性质、压力高低等有
4、多种类型和称呼,工艺流程多种多样,常用的锅炉设备的蒸汽发生装置是由给水泵、给水控制阀、省煤器、汽包及循环管等组成。 燃料与空气按照一定比例送入锅炉燃烧室燃烧,生成的热量传递给蒸汽发生系统,产生饱和蒸汽,然后经过过热器形成一定气温的过热蒸汽,在汇集至蒸汽母管。经过负荷设备调节阀供给生产负荷使用。于此同时,燃烧过程中产生的烟气,将饱和蒸汽变成过热蒸汽后,经省煤器预热锅炉预热空气,最后经引风机送往烟筒排入大气。 常见锅炉设备的工业流程如图1.1所示: 锅炉设备的控制任务:根据生产负荷的要求,供应一定压力或温度的蒸汽,同时要使锅炉在安全、经济的条件下运行。按照这些控制要求,锅炉设备将有如下主要的控制系
5、统: 教师批阅: 1锅炉汽包水位的控制系统:主要是保持汽包内部的水位平衡,使积水量适应锅炉的蒸汽汽量,维持汽包中水位在工艺允许的范围内; 2锅炉燃料系统的控制:其控制方案要满足燃烧所产生的热量,适应蒸汽负荷的需要,是燃料与空气量保持一定的比值,保证燃烧的经济性和锅炉的安全运行,使引风量与送风量相适应,保持炉膛负压在一定范围内; 3过热蒸汽系统控制:主要使过热器出口温度保持在允许范围内,并保证管壁温度不超过工艺允许范围; 4锅炉水处理过程:主要使古老给水的水性能指标达到工艺要求。 1.2过热器的介绍 过热器定义:锅炉中将蒸汽从饱和温度进一步加热至过热温度的 部件。 过热器概述:过热蒸汽温度的高低
6、取决于锅炉的压力、蒸发量、钢材的耐高温性能以及燃料与钢材的比价等因素,对电站锅炉来说,低压锅炉的温度一般为350375,过热器前布置有大量蒸汽管束,进入过热器的烟温约在700上下。中压锅炉多为烧煤粉或重油的室燃炉,其过热汽温为450,这时的炉膛辐射传热的烟温可达1000左右。高压炉膛,尤其是超高压锅炉,加热水的热量和过热热量增大很多,而蒸发热减少,当中间有再过热时,情况更为突出,这时必须把一部分过热器受热布置在炉膛内,以吸收部分辐射热。 为了提高电厂热力循环的效率,蒸汽的初参数不断提高。蒸汽压力的提高要求相应的提高过热蒸汽温度,否则蒸汽在汽轮机膨胀后的湿度就会过高,影响汽轮机的安全。但蒸汽温度
7、的增高要受到过热器钢材高湿强度性能的限制,因而采用了中间再热,即高压高温蒸汽在汽轮机内膨胀至某一中间压力后,引到布置在锅炉烟道内的再热器,再一次加热升温,然后又回到汽轮机的中、低压缸,继续膨胀至凝汽器压力,这样蒸汽膨胀后的湿度可控制在允许范围内。超高压机组采用中间再热时,理论上可使循环经济性相对提高68%,但在实际设备中,由于有压降损失,热经济性的提高比理论值稍低。 教师批阅: 过热器可以根据它所采用的传热方式分为对流过热器、半辐射过热器、及辐射过热器三种。现代大容量高参数锅炉的过热器主要由对流过热器,屏式过热器,包覆过热器,顶棚过热器,联箱及减温器构成。 由于过热器管壁金属在锅炉受压部件中承
8、受的温度最高,因此必须采用耐高温的优质低碳钢和各种铬钼合金钢等,在最高的温度部分有时还要用奥氏体铬镍不锈钢。锅炉运行中如果管子承受的温度超购材料的持久强度、疲劳强度或表面氧化所容许的温度限值,则会发生爆管等事故。 1.3过热器出口蒸汽温度的干扰因素 1蒸汽流量扰动:汽轮机负荷变化会引起蒸汽量的变化。蒸汽量的变化将改变过热蒸汽和烟气之间的传热条件,导致汽温变化。图1.3a是蒸汽流量D扰动下过热蒸汽温度的影响曲线,可以看到温度影响具有自平衡性,而且惯性和延迟都比较小。这是因为蒸汽量变化时,沿过热器管道长度方向的个点温度几乎同时变化。 2烟气传热量扰动:燃料量增减,燃料种类的变化,送风量、吸风量的改
9、变都将引起烟气流速和烟气温度的变化,从而改变了传热的情况,导致过热器出口蒸汽温度的变化。由于气温变化的延迟很小, 教师批阅: 一般在1020s之间。烟气传热量扰动的汽温响应曲线如图所示a所示。它与蒸汽量扰动下的情况类似。 3喷水量扰动:应用喷水来控制蒸汽温度是目前广泛采用的一种控制方式,喷水量扰动就是基本扰动。过热器是具有分布参数的对象,可以把管内的蒸汽和金属管壁看做无穷多个单容对象串联组成的多容对象。当喷水量发生变化后,需要通过这些串联单容对象,最终引起过热器出口温度s变化。因此,s影响有很大的延迟。减温器离过热器出口越远,延迟越大。喷水量扰动下的动态特性曲线如图b所示。 1.4蒸汽过热系统
10、的控制 蒸汽过热系统是锅炉系统安全运行,确保蒸汽品质的重要部分。蒸汽过热系统包括一级过热器、减温器、二级过热器。控制任务是使过热器出口温度维持在允许范围内,并保护过热器管壁温度不超过允许的工作温度。 过热蒸汽温度过高或过低,对锅炉运行及蒸汽用户设备都是不利的,过热蒸汽温度过高,过热器容易损坏,汽轮机也会因内部过度的膨胀而严重影响安全运行;过热蒸汽温度过低,一方面是设备的效率降低,同时使汽轮机后几级的蒸汽湿度增加,引起叶片磨损,所以必须把过热器出口蒸汽的温度控制在规定范围内。 影响过热蒸汽温度的因素很多,其中主要的有:过热器是一个多容且延迟较大的惯性环节,设备结构设计与控制要求存在一些矛盾,各种
11、扰动因素之间相互影响,如蒸汽量、燃烧工况、锅炉给水温度、进入过热蒸汽的热焓、流经过热器的烟气温度及流速的变化等。而对各种不同的扰动,过热蒸汽温度的动态特性也各不相同。因此,过热蒸汽温度控制的主要任务就是: 克服各种干扰因素,将过热器出口蒸汽温度维持在规定允许的范围内,从而保证蒸汽品质合格;保护过热器管壁温度不超过允许的工作温度。 本设计主要以控制减温水流量的变化来阐述对过热蒸汽温度的自动调节。 教师批阅: 2 过热蒸汽温度控制原理简介 过热蒸汽温度控制系统采用两级喷水减温。这样做的目的有两个,一是为了使汽温调节更灵敏,减小热惯性,而是为了保护过热器。第一级喷水减温器布置在前屏过热器之后,调节量
12、较大且调节惰性大,用来调节因负荷、给水温度和燃料性质变化而引起的汽温变化,为粗调。另外,它还有保护屏式过热器受热面的作用。第二级喷水减温器布置在高温对流过热器之前,这一级热惯性小,可保证出口蒸汽汽温能得到迅速调节。减温器共有四只,每级安装两只,每只喷水量为每级水量的一半。减温水源自为自制冷凝水。 目前,过热汽温的控制方案很多,而且随着自动控制技术和计算机技术的不断发展,新的控制方法不断出现,汽温控制的质量也不断提高。传统的汽温控制系统有两种:单回路控制系统和串级汽温控制系统。 2.1控制方案的选择 2.1.1单回路控制方案 在运行过程中,改变减温水流量,实际上是改变过热器出口蒸汽的热焓,亦就是
13、改变进口蒸汽温度,如下图2.1所示。从动态特性上看,这种调节方法是最不理想的,但由于设备简单,因此,应用较为广泛。 减温器有表面式和喷水式两种。减温器应尽可能地安装在靠近蒸 教师批阅: 汽出口处,但一定要考虑过热器材料的安全问题,这样能够获得较好的动态特性。但作为控制对象的过热器,由于管壁金属的热容量比较大,使之有较大的热惯性。加上管道较长有一定的传递滞后,如果采用下图所示的控制系统,调节器接受过热器出口蒸汽温度t变化后,调节器才开始动作,去控制减温水流量W。减温水流量W的变化又要经过一段时间才能影响到蒸汽温度t。这样,即使整个系统采用PID算法,也既不能急躁发现扰动,又不能及时反映控制的效果
14、,将使蒸汽温度t发生不能允许的动态偏差。严重影响锅炉生产的安全和经济运行。 实际中过热蒸汽控制系统常采用减温水流量作为操纵变量,但由于控制通道的时间常数及纯滞后均较大,组成单回路控制系统往往不能满足生产的要求。因此,常采用串级控制系统,减温器出口温度为副参数,以提高对过热蒸汽温度的控制质量。 2.1.2串级控制方案 过热器出口蒸汽温度串级控制系统的方框图如下图2.2所示。 采用两级调节器,这两级调节器串在一起,各有其特殊任务,调节阀直接受调节器1的控制,而调节器1的给定值受到调节器2的控制形 教师批阅: 成了特有的双闭环系统,由副调节器和减温器出口温度形成的闭环称为副环。由主调节器和主信号出口
15、蒸汽温度,形成的闭环称为主环,可见副环是在主环之中。 内回路由导前汽温变送器、副调节器、执行器、减温水调节阀及减温器组成;外回路由主汽温对象、汽温变送器、主调节器及整个内回路组成。由图可知,主调节器的输出即副调节器的给定,而副调节器的输出直接送往调节阀。其中主调节器的给定值是一个定值,所以主回路是一个定值控制系统。而副回路的给定值是由主调节器的输出给定的,所以它随主调节器输出的变化而变化,为一个随动控制系统。 系统中以减温器的喷水作为控制手段,通过减温水的控制达到控制蒸汽温度的效果。由于汽温对象具有较大的延迟和惯性,主调节器多采用PID控制规律,副调节器采用PI或P控制规律。在主、付调节器均具
16、有PI控制规律的情况下,当系统达到稳定时,主、副调节器的输入偏差均为零。从而提高了整个系统的准确度和实用性。 再者,在串级控制系统中,两个调节器串联工作,但是以主调节为主导,保证主变量为目的,在整个控制过程两个调节器协调一致,相互配合,若干扰来自副回路,副调节器首先进行粗调,主调节器再进一步进行细调。相对于过于简单的单回路控制系统,串级控制系统的控制质量明显优越。具体体现在: 1由于副回路的存在,减少了控制对象的时间常数,缩短了控制通道,使控制作用更加明显; 2在一定程度上提高了系统的工作频率,是振荡周期明显缩短,调节时间也有一定程度上的缩短,系统的快速性相对增强了; 3整个控制系统对二次干扰
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