發(fā)電廠鍋爐過熱蒸汽溫度控制課程設(shè)計(jì)

1、遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué) 過程控制 課程設(shè)計(jì)（論文）題目： 發(fā)電廠鍋爐過熱蒸汽溫度控制課程設(shè)計(jì) 院（系）： 電氣工程學(xué)院 專業(yè)班級： 自動化093 學(xué) 號： 090302075 學(xué)生姓名： 王松 指導(dǎo)教師： （簽字）起止時間： 摘要本文是針對鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行的分析和設(shè)計(jì)，而對鍋爐過熱蒸汽的良好控制是保證系統(tǒng)輸出蒸汽溫度穩(wěn)定的前提。所以本設(shè)計(jì)采用串級控制系統(tǒng)，這樣可以極大地消除控制系統(tǒng)工作中的各種干擾因素，使系統(tǒng)能在一個較為良好的狀態(tài)下工作，同時鍋爐過熱器出口蒸汽溫度在允許的范圍內(nèi)變化，并保護(hù)過熱器管壁溫度不超過允許的工作溫度。在本設(shè)計(jì)用到串級控制系統(tǒng)中，主對象為送入負(fù)荷設(shè)備的出口溫度

2、，副對象為減溫器和過熱器之間的蒸汽溫度。通過控制減溫水的流量來實(shí)現(xiàn)控制過熱蒸汽溫度的目的 關(guān)鍵詞：串級控制系統(tǒng) ；過熱蒸汽溫度；溫度控制；目錄摘要······································

3、;··················································

4、;·············································引言····

5、83;·················································

6、83;·················································

7、83;·······························1第一章 生產(chǎn)工藝概述················

8、3;·················································

9、3;····························21.1 鍋爐生產(chǎn)工藝介紹···················

10、83;·················································

11、83;···············21.2 過熱器的介紹································

12、3;·················································

13、3;············31.3 過熱器出口蒸汽溫度的干擾因素··································

14、83;······················3第二章 過熱蒸汽溫度控制原理簡介························

15、3;·····································42.1 單回路控制系統(tǒng)··········

16、3;·················································

17、3;·····················52.2 串級控制系統(tǒng)···························

18、;··················································

19、;··········5第三章 過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)·····································

20、;·····················83.1系統(tǒng)控制參數(shù)的確定··························

21、3;·················································

22、3;······················83.1.1 主變量的選擇·························

23、83;·················································

24、83;······················83.1.2 副變量的選擇·························&#

25、183;·················································&#

26、183;······················83.1.3 操縱變量的選擇·························

27、··················································

28、···················83.2 執(zhí)行器的選擇·····························&

29、#183;·················································&

30、#183;·································83.3 控制儀表的選擇··············&

31、#183;·················································&

32、#183;···········································93.3.1 溫度變送器的選擇···

33、3;·················································

34、3;····································93.3.2 溫度傳感器的選擇···········&

35、#183;·················································&

36、#183;····························93.4主、副控制器控制規(guī)律的選擇··················&#

37、183;·················································&#

38、183;············93.5 控制器的正、反作用選擇··································

39、3;·················································

40、3;·····9總結(jié)············································&

41、#183;·················································&

42、#183;···············································10參考文獻(xiàn)·&

43、#183;·················································&

44、#183;·················································&

45、#183;·····························10引言蒸汽溫度是鍋爐安全 高效 經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的主要參數(shù)，因此對蒸汽溫度控制要求嚴(yán)格。過高的蒸汽溫度會造成過熱器，蒸汽管道及汽輪機(jī)因過大的熱應(yīng)力變形而毀壞；蒸汽溫度過低，又會引起熱效率降低，影響經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。鍋爐控制現(xiàn)場環(huán)境惡劣，采用傳統(tǒng)的基于模擬技

46、術(shù)的控制器、儀器儀表或單片機(jī)，不僅結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，效率比較低，而且可靠性也不高。 本次課設(shè)設(shè)計(jì)的主要考慮部分是鍋爐蒸汽溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。蒸汽過熱系統(tǒng)包括一級過熱器、減溫器、二級過熱器。鍋爐汽溫控制系統(tǒng)主要包括過熱汽和再熱蒸汽溫度的的調(diào)節(jié)。主要蒸汽溫度與再熱蒸汽溫度的穩(wěn)定對機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行時非常重要的。過熱蒸汽溫度控制的任務(wù)是維持過熱器出口溫度在允許的范圍之內(nèi)，并保護(hù)過熱器，使其管壁溫度不超允許的工作溫度。過熱蒸汽溫度是鍋爐汽水系統(tǒng)中的溫度的最高點(diǎn)，過熱蒸汽溫度過高或是過低，對鍋爐運(yùn)行及蒸汽設(shè)備是不利的。蒸汽溫度過高會使過熱器管壁金屬強(qiáng)度下降，以至燒壞過熱器的高溫段，嚴(yán)重影響安全。一般規(guī)定過熱

47、器的溫度與規(guī)定值的暫時偏差不超過+-10攝氏度，長期偏差不超過+-5攝氏度。如果過熱蒸汽溫度偏低，則會降低電廠的工作效率，同時使汽輪機(jī)后幾級的蒸汽濕度增加，引起葉片磨損。據(jù)估計(jì)，溫度每降低5攝氏度，熱經(jīng)濟(jì)性將下降約1%；且汽溫偏低會使汽輪機(jī)尾部蒸汽溫度升高，甚至使之帶水，嚴(yán)重影響汽輪機(jī)的安全運(yùn)行。一般規(guī)定過熱氣溫下限不低于其額定值10 攝氏度。通常，高參數(shù)電廠都要求保持過熱汽溫在540攝氏度的范圍內(nèi)。由于汽溫對象的復(fù)雜性，給汽溫控制帶來許多的困難，其主要難點(diǎn)表現(xiàn)在以下兩個方面：1 由于過熱器是一個多容且延遲較大的慣性環(huán)節(jié)，設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制要求存在很多矛盾，所以影響汽溫變化的因素很多，例如，蒸

48、汽量、減溫水給水量、煙氣側(cè)的過?？諝庀禂?shù)和溫度等都可能引起汽溫變化。2 隨著機(jī)組容量和參數(shù)的增加，蒸汽的過熱受熱面的比例加大，使其延遲和慣性更大，從而進(jìn)一步加大了汽溫控制的難度。1第一章 生產(chǎn)工藝概述1.1鍋爐生產(chǎn)工藝介紹鍋爐是過程工業(yè)中必不可少的動力設(shè)備。它所產(chǎn)生的蒸汽不僅可提供生產(chǎn)過程作為熱源，而且還可以作為蒸汽透平的動力源。在熱電廠中按鍋爐設(shè)備所使用的燃料的種類、燃燒設(shè)備、鍋體形式、鍋爐功能和運(yùn)行要求的不同，鍋爐生產(chǎn)有各種不同的流程。常見鍋爐設(shè)備的工業(yè)流程如圖1.1 所示蒸汽發(fā)生系統(tǒng)由給水泵、給水調(diào)節(jié)閥、省煤器、汽包及循環(huán)管組成。燃料和熱空氣按照一定的比例進(jìn)入燃燒室燃燒，產(chǎn)生的熱量傳遞給

49、蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，生產(chǎn)飽和蒸汽Ds，然后經(jīng)過過熱器成一定氣溫的過熱蒸汽D，匯集至蒸汽母管。壓力為Pm的過熱蒸汽，經(jīng)負(fù)荷設(shè)備調(diào)節(jié)閥供給生產(chǎn)負(fù)荷使用。與此同時，燃燒過程中產(chǎn)生煙氣，將飽和的蒸汽變成過熱蒸汽后，經(jīng)省煤器預(yù)熱鍋爐預(yù)熱空氣，最后經(jīng)引風(fēng)機(jī)送往煙筒排入大氣。鍋爐設(shè)備的控制任務(wù)：根據(jù)生產(chǎn)負(fù)荷的要求，供應(yīng)一定壓力或溫度的蒸汽，同時要使鍋爐在安全、經(jīng)濟(jì)的條件下運(yùn)行。按照這些控制要求，鍋爐設(shè)備將有如下主要的控制系統(tǒng)：a) 鍋爐氣包水位控制系統(tǒng)：主要是保持汽包內(nèi)部的水位平衡，使積水量適應(yīng)鍋爐的蒸汽汽量，維持汽包中水位在工藝允許的范圍內(nèi)；b) 鍋爐燃燒系統(tǒng)的控制：其控制方案要求滿足燃燒所產(chǎn)生的熱量，適應(yīng)蒸汽

50、負(fù)荷的需要，使燃燒與空氣量保持一定的比值，保證燃燒的經(jīng)濟(jì)性和鍋爐的安全運(yùn)行，使引風(fēng)量與送風(fēng)量相適應(yīng)，保持爐膛負(fù)壓在一定范圍；c) 過熱蒸汽系統(tǒng)控制：主要使過熱器出口溫度在保持在允許范圍內(nèi)，并保證管壁溫度不超過工藝允許范圍；d) 鍋爐水處理過程：主要使鍋爐給水的水性能指標(biāo)達(dá)到工藝要求。2 圖1.1鍋爐設(shè)備主要工藝流程1.2過熱器的介紹 過熱器定義：鍋爐中將蒸汽從飽和溫度進(jìn)一步加熱至過熱溫度的部件。 過熱器概述：過熱蒸汽溫度的高低取決于鍋爐的壓力，蒸發(fā)量、剛才的耐高溫性能及燃料與剛才的比價(jià)等因素，對電站鍋爐來說，低壓鍋爐的溫度一般為350375攝氏度，過熱器前布置有大量對蒸汽管束，進(jìn)入過熱器的煙溫

51、約在700攝氏度上下，中壓鍋爐多為燒煤粉或重油的室燃爐，其過熱汽溫為450攝氏度，這時的爐膛輻射傳熱的煙溫可達(dá)1000攝氏度左右。高壓鍋爐，尤其超高壓鍋爐，加熱水的熱量和過熱熱量增大很多，而蒸發(fā)熱減少，當(dāng)有中間再過熱時，情況更為突出，這時必須把一部分過熱器受熱布置在爐膛內(nèi)，是吸收部分輻射熱。為了提高電廠熱力循環(huán)的效率，蒸汽的初參數(shù)不斷提高。蒸汽壓力的提高要求相應(yīng)的提高過熱蒸汽溫度，否則蒸汽在汽輪機(jī)膨脹終了的濕度就會過高，影響汽輪機(jī)的安全。但蒸汽溫度的增高需受到過熱器剛才高濕強(qiáng)度性能的限制，因而采用了中間再熱，即高壓高溫蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)膨脹至某一中間壓力后，引到布置在鍋爐煙道內(nèi)的再熱器，再一次加熱

52、升溫，然后又回到汽輪機(jī)的中、低壓缸，繼續(xù)膨脹至凝汽器壓力，這樣蒸汽膨脹終了的濕度可控制在允許的范圍內(nèi)。超高壓機(jī)組采用中間再熱時，理論上可使循環(huán)經(jīng)濟(jì)性相對提高68%，在實(shí)際設(shè)備中，由于有壓降損失，熱經(jīng)濟(jì)性的提高比理論值稍低。由于過熱器管壁金屬在鍋爐受壓部件中承受的溫度最高，因此必須采用耐高溫的優(yōu)質(zhì)低碳鋼和各種鉻合金鋼等，在最高的溫度部分有時還要用奧氏體鉻鎳不銹鋼。鍋爐運(yùn)行中如果管子承受的溫度超過材料的持久強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度或表面氧化所容許的溫度限值，則會發(fā)生管子爆裂等事故。1.3過熱器出口蒸汽溫度的干擾因素1. 蒸汽流動干擾 汽輪機(jī)負(fù)荷變化會引起蒸汽量的變化。蒸汽量的變化將改變過熱蒸汽和煙氣之間的傳

53、熱條件，導(dǎo)致汽溫變化。圖1.2 （a）是蒸汽流量D擾動下過熱蒸汽溫度的影響曲線?？梢钥吹?，溫度影響具有自平衡特性，而且慣性和延遲都比較小。這是因?yàn)檎羝兓瘯r，沿過熱器管道長度方向的各點(diǎn)溫度幾乎同時變化。3 圖1.2 在擾動下溫度的變化曲線2. 煙氣傳熱量的擾動 燃料量增減，燃料種類的變化，送風(fēng)量、吸風(fēng)量的改變都將引起煙氣流速和煙氣溫度的變化，從而改變了傳熱情況，導(dǎo)致過熱器出口蒸汽溫度的變化。由于煙氣傳熱量的改變時沿整個過熱器長度的方向上發(fā)生的，因此汽溫變化的延遲很小，一般在1020s之間。煙氣傳熱量擾動的汽溫響應(yīng)曲線如圖a所示。它與蒸汽量擾動下的情況類似。3. 噴水量擾動 應(yīng)用噴水來控制蒸汽溫

54、度是目前廣泛采用的一種控制方式，噴水量擾動就是基本擾動。過熱器是具有分布參數(shù)的對象，可以把管內(nèi)的蒸汽和金屬管壁看做無窮多個單容對象串聯(lián)組成的多容對象。當(dāng)噴水量發(fā)生變化后，需要通過這些串聯(lián)單容對象，最終引起過熱器出口溫度 s變化。因此， s影響有很大的延遲。減溫器離過熱器出口越遠(yuǎn)，延遲越大。噴水量擾動下的動態(tài)特性曲線如圖b所示第二章 過熱蒸汽溫度控制原理簡介 過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)采用兩級噴水減溫，這樣做的目的有兩個，一是為了使汽溫調(diào)節(jié)更靈敏，減小熱慣性，二是為了保護(hù)過熱器。第一級噴水減溫器布置在前屏過熱器之后，調(diào)節(jié)量較大且調(diào)節(jié)惰性大，用來調(diào)節(jié)因負(fù)荷、給水溫度和燃料性質(zhì)變化而引起的氣溫變化，為粗調(diào)

55、。另外它還有保護(hù)屏式過熱器和對流過熱器受熱面的作用。第二級噴水減溫器布置在高溫對流過熱器（末級過熱器）之前，這一級熱慣性小，可保證出口汽溫能得到迅速調(diào)節(jié)。溫度器共有四只，每級安裝兩只，每只噴水量為每級噴水量的一半。減溫水源為自制冷凝水。目前，過熱汽溫的控制方案很多，而且隨著自動控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷4發(fā)展，新的控制方法不斷出現(xiàn)，汽溫控制的質(zhì)量也不斷提高。傳統(tǒng)的汽溫控制系統(tǒng)有兩種：單回路控制系統(tǒng)和串級氣溫控制系統(tǒng)。2.1單回路控制系統(tǒng) 單回路控制系統(tǒng)是各種復(fù)雜控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，由于其控制簡單而得到廣泛應(yīng)用。由圖2.1可知，這種調(diào)節(jié)方法是最不理想的。 理論上減溫器應(yīng)盡可能的安裝在靠近蒸汽出口處，

56、但需在過熱器材料安全的基礎(chǔ)上，這樣會得到較好的動態(tài)特性。但作為控制對象的過熱器由于管壁金屬的熱容量比較大，使其有加大的熱慣性，加上管道有一定較長時間的傳遞滯后，同時在單回路控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)器在接受過熱器出口蒸汽溫度的變化，調(diào)節(jié)器才會開始動過，去控制減溫水的水流量變化又要經(jīng)過一段時間才能影響到蒸汽溫度的變化，這樣既不能及早發(fā)現(xiàn)現(xiàn)擾動，又不能及時反映控制的效果，將使蒸汽溫度發(fā)生不能允許的動態(tài)偏差，即使整個系統(tǒng)采用PID算法。這樣的控制方案會影響到鍋爐生產(chǎn)的安全，而且還不夠經(jīng)濟(jì)。入口溫度減溫器減溫水 圖2.1 單回路控制系統(tǒng)原理圖2.2串級控制系統(tǒng)由圖2.2 可以看出，鍋爐蒸汽溫度串級控制系統(tǒng)采用兩級

57、調(diào)節(jié)器串在一起的；兩級調(diào)節(jié)器各有其特殊的任務(wù)，調(diào)節(jié)器1直接控制調(diào)節(jié)閥的動作，同時調(diào)節(jié)器2控制著調(diào)節(jié)器1的設(shè)定值，從而形成了特殊的雙閉環(huán)系統(tǒng)，其中副環(huán)由5調(diào)節(jié)器1和減溫水出口溫度組成，調(diào)節(jié)器2和出口蒸汽溫度形成的閉環(huán)為主環(huán)，主環(huán)和副環(huán)一起構(gòu)成了一個完整的串級控制系統(tǒng)。其中調(diào)節(jié)器1為副調(diào)節(jié)器，主調(diào)節(jié)器是調(diào)節(jié)器2入口溫度減溫水溫度變送器減溫器調(diào)節(jié)器1 圖2.2 過熱蒸汽溫度串級控制系統(tǒng)原理圖 串級控制系統(tǒng)的原理方框如圖2.3所示，具有內(nèi)外兩個回路。內(nèi)回路由導(dǎo)前汽溫變送器、副調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器、減溫水調(diào)節(jié)閥及減溫器組成；外回路由主汽溫對象，汽溫變送器，主調(diào)節(jié)器及整個內(nèi)回路組成。由圖可知，主調(diào)節(jié)器的輸出即副

58、調(diào)節(jié)器的給定，而副調(diào)節(jié)器的輸出直接送往調(diào)節(jié)閥。其中主調(diào)節(jié)器的給定值是一個定值，所以主回路是一個定值控制系統(tǒng)。副回路的給定值是由主調(diào)節(jié)器的輸出給定的，所以它隨主調(diào)節(jié)器輸出的變化而變化，為一個隨動控制系統(tǒng)。系統(tǒng)中以減溫器的噴水作為控制手段，通過減溫水的控制達(dá)到控制蒸汽溫度的效果。由于汽溫對象具有較大的延遲和慣性，主調(diào)節(jié)器多采用PID控制規(guī)律，副調(diào)節(jié)器采用PI或P控制規(guī)律，在主、副調(diào)節(jié)器均具有PI控制規(guī)律的情況下，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定時，主。副調(diào)節(jié)器的輸入偏差均為零。從而提高了整個系統(tǒng)的準(zhǔn)確度和實(shí)用性。6Gc1Gc2GvGp2Gp1Gm2Gm1副調(diào)節(jié)器 主調(diào)節(jié)器設(shè)定值 圖2.3 串級控制系統(tǒng)方框圖 再者，

59、在串級控制系統(tǒng)中，兩個調(diào)節(jié)器串聯(lián)工作，但是以主調(diào)節(jié)器為主導(dǎo)，保證主變量為目的，在整個控制過程兩個調(diào)節(jié)器協(xié)調(diào)一致，互相配合，若干擾來自副回路，副調(diào)節(jié)器首先進(jìn)行粗調(diào)，主調(diào)節(jié)器再進(jìn)一步進(jìn)行細(xì)調(diào)。相對于過于簡單的單回路控制系統(tǒng)，串級控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量明顯優(yōu)越。具體體現(xiàn)在：1 由于副回路的存在沒減少了控制對象的時間常數(shù)，縮短了控制通道，使控制作用更加明顯；2 在一定程度上提高了整個系統(tǒng)的工作頻率，使振蕩周期明顯縮短，調(diào)節(jié)時間也有一定程度上的縮短，系統(tǒng)的快速性相對增強(qiáng)了；3整個控制系統(tǒng)對二次干擾即包括在副回路范圍內(nèi)的擾動具有很強(qiáng)的克服能力，這是單回路控制系統(tǒng)所不能實(shí)現(xiàn)的；4 對負(fù)荷或操作條件的變化有一定的

60、適應(yīng)能力。綜上所述，串級控制系統(tǒng)更適應(yīng)鍋爐蒸汽溫度的控制。7第三章 過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)控制參數(shù)的確定3.1.1 主變量的選擇 根據(jù)串級控制系統(tǒng)選擇主變量的原則：在條件允許的情況下，首先應(yīng)盡量選擇能直接反應(yīng)控制目的的參數(shù)為主變量；其次，要選擇與控制目的有些單值對應(yīng)關(guān)系的間接單數(shù)作為主變量；最后，所選擇的主變量必須足夠的變化靈敏度。 所以，在本系統(tǒng)中需選擇送入負(fù)荷設(shè)備的出口溫度作為主變量。該參數(shù)可以直接反映本系統(tǒng)的控制目的。3.1.2 副變量的選擇 副回路應(yīng)該把生產(chǎn)系統(tǒng)的主要干擾包括在內(nèi)，應(yīng)力求把變化幅度最大，最強(qiáng)烈和最頻繁的干擾包括在副回路內(nèi)，以充分發(fā)揮副回路改善系統(tǒng)動態(tài)特性

61、的作用，保證主參數(shù)的穩(wěn)定，為發(fā)揮這一特殊作用，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，副參數(shù)的選擇應(yīng)使得副回路盡可能多的包括一些擾動。同時要求主、副對象的時間常數(shù)應(yīng)適當(dāng)匹配。且應(yīng)保證副變量的選擇能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工藝上的合理性，可能性和經(jīng)濟(jì)性。終上所述，應(yīng)該選擇減溫器和過熱器之間的蒸汽溫度作為副變量。3.1.3 操縱變量的選擇控制變量和擾動變量時工業(yè)過程的兩大輸入變量。其中，干擾時刻存在的，它是影響系統(tǒng)平穩(wěn)操作的主要因素，而操縱變量的主要作用是克服煩擾的影響，是系統(tǒng)能重新穩(wěn)定運(yùn)行的因素，選擇操縱變量的基本原則為：1 選擇對所選定的被控變量影響較大的舒服變量作為操縱變量；2 在1 的前提下，選擇變化范圍較大作為控制變量，以便于控制；3 在1的基礎(chǔ)上選擇被控制變量作用效應(yīng)較快的輸入變量作為控制變量，是控制系統(tǒng)響應(yīng)較快；4 綜上所述，應(yīng)選擇減溫水的輸入量作為操縱變量。3.2 執(zhí)行器的選擇 在本系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)閥是系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是按照調(diào)節(jié)器所給定的信號大小和方向，改變閥門的開度，來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)流體流量的裝置。 調(diào)節(jié)閥的口徑大小，直接決定著控制介質(zhì)流過他的能力。為了保