第10章電廠鍋爐的過程控制課件

第十章電廠鍋爐的過程控制自動化081－3、自升101－2§10電廠鍋爐的過程控制在火力發(fā)電廠，最基本的工藝過程是用鍋爐生產(chǎn)蒸汽，使汽輪機運轉(zhuǎn)，進而帶動發(fā)電機發(fā)電。鍋爐控制是火力發(fā)電生產(chǎn)過程自動化的重要組成部分。電廠中鍋爐的主要任務:根據(jù)負荷設備(汽輪機或蒸汽用戶)的需要，供應一定規(guī)格(壓力、溫度和純度)的蒸汽。一、常見鍋爐設備主要工藝流程圖

根據(jù)生產(chǎn)流程可以把鍋爐分成燃燒系統(tǒng)和汽水系統(tǒng)。燃料給水空氣過熱蒸汽

1、燃燒系統(tǒng)的任務:1）將燃料B由燃料控制機構(gòu)24經(jīng)噴燃器25送入爐膛燃燒。2）將助燃的空氣V由送風機26經(jīng)空氣預熱器27預熱后再經(jīng)調(diào)風門28按一定比例送入爐膛?？諝夂腿剂显跔t膛內(nèi)燃燒，產(chǎn)生大量熱量傳給蒸發(fā)受熱面（水冷壁）29中的水。燃燒后的高溫煙氣經(jīng)II型煙道，不斷將熱量傳給過熱器17、再熱器20、省煤器16和空氣預熱器27，每經(jīng)過一個設備煙氣溫度便會降低一次，最后低溫煙氣由引風機30吸出，經(jīng)煙囪排入大氣中。2、汽水系統(tǒng)：

鍋爐的給水w由給水泵13打出，先經(jīng)過高壓加熱器14，再經(jīng)過省煤器16吸收一部分煙氣中的余熱后進入汽包3。汽包中的水在水冷壁中進行自然或強制循環(huán)，不斷吸收爐膛輻射熱量，由此產(chǎn)生的飽和蒸汽由汽包頂部流出，再經(jīng)過多級（3～4級）過熱器17進一步加熱成過熱蒸汽D。這個具有一定壓力和溫度的過熱蒸汽就是鍋爐的產(chǎn)品。蒸汽的高溫和高壓是為了提高單元機組的熱效率。

汽輪機高壓缸1接受從鍋爐供給的過熱蒸汽，其轉(zhuǎn)子被蒸汽推動，帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生電能Pe(MW)。從高壓缸汽輪機1做功后的蒸汽，其溫度、壓力都降低了。

為了提高熱效率，需要把這部分蒸汽送回鍋爐，在再熱器20中再次加熱，然后再進入汽輪機中、低壓缸2做功，最后成為乏汽從汽輪機低壓缸尾部排入冷凝器7冷凝為凝結(jié)水。凝結(jié)水與補充水8一起經(jīng)凝結(jié)水泵9先打到低壓加熱器11，然后進入除氧器12，除氧后進入給水泵，從而形成汽水系統(tǒng)的循環(huán)。高壓加熱器14和低壓加熱器11是利用汽輪機的中間抽汽來加熱給水和凝結(jié)水，以提高電廠的熱效率的設備。在汽水系統(tǒng)中還有兩個噴水減溫器18和21，它們是用來保護過熱器管壁和控制蒸汽溫度的。二、鍋爐設備是一個多輸入、多輸出且相互關聯(lián)的控制對象。

目前工程處理上作了一些假設后，將鍋爐設備控制劃分為若干個控制系統(tǒng)，主要控制系統(tǒng)有：

1.鍋爐汽包水位的控制系統(tǒng)

給水燃料過熱蒸汽（1）汽包水位控制的重要性將鍋爐的汽包水位控制在一個允許范圍內(nèi)，是鍋爐運行的主要指標，也是鍋爐能提供符合質(zhì)量要求的蒸汽負荷的必要條件。如果汽包水位過低，則汽包內(nèi)的水量較少，當蒸汽負荷很大時，水的汽化速度和水量變化速度都很快，如不及時控制，可能會使汽包內(nèi)的水全部汽化，導致鍋爐燃燒或爆炸；相反，當水位過高則會影響汽包的汽水分離，產(chǎn)生蒸汽帶液現(xiàn)象，使過熱器管壁結(jié)垢而損壞，同時還會使過熱蒸汽溫度下降損壞汽輪機葉片，影響運行的安全性與經(jīng)濟性?？傊贿^高或過低所產(chǎn)生的后果極為嚴重，必須嚴格加以控制。

所謂“虛假水位”，即在燃料量不變的情況下，當蒸汽用量(即負荷)突然增加時，會使汽包內(nèi)的壓力突然降低，水的沸騰加劇，加速汽化，汽泡量也突然增加，由于汽泡的體積比水的體積大很多倍，結(jié)果形成了汽包內(nèi)水位升高的假象。反之，當蒸汽用量突然減少時，汽包內(nèi)蒸汽壓力急劇上升，水的沸騰暫時停止，結(jié)果造成水位瞬時下降的假象。

（2）汽包水位的控制方案

考慮到鍋爐汽包存在虛假水位現(xiàn)象(p194)。

一種可行的控制方案是以汽包水位為主被控參數(shù)、給水流量為副被控參數(shù)、蒸汽流量為前饋信號的三沖量前饋-串級控制系統(tǒng)。采用這種控制方案的理由分析如下。

1）單沖量水位控制方案

以汽包水位為被控參數(shù)、給水流量為控制參數(shù)構(gòu)成的單回路控制系統(tǒng)稱為單沖量控制系統(tǒng)（見右圖）。

系統(tǒng)優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、設計方便。

缺點：克服給水自發(fā)性干擾和負荷干擾的能力差。尤其是當大中型鍋爐存在負荷干擾時，嚴重的虛假水位將導致給水調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生誤動作，使汽包水位產(chǎn)生激烈波動，從而影響設備壽命和安全。

所以，單沖量的控制方案不宜采用。2）雙沖量水位控制方案

在汽包水位的控制中，最主要的干擾是蒸汽負荷的變化。如果根據(jù)蒸汽流量的變化來校正虛假水位的誤動作，就能使調(diào)節(jié)閥動作準確及時，減少水位的波動，改善控制質(zhì)量。也就是說，若將蒸汽流量作為前饋信號，就構(gòu)成了雙沖量控制系統(tǒng)。圖10-1是雙沖量控制系統(tǒng)的流程圖及框圖，這實際上是一個前饋-反饋復合控制系統(tǒng)。

顯而易見，該控制方案與單沖量水位控制相比，控制質(zhì)量已有明顯改善，但它對于給水系統(tǒng)的干擾仍不能有效克服，需要再引入給水流量信號構(gòu)成三沖量串級控制系統(tǒng)。圖10-1雙沖量控制系統(tǒng)流程圖及框圖a)流程圖b)框圖a)

3)三沖量串級控制方案

三沖量串級控制方案的結(jié)構(gòu)框圖如圖10-2所示。該控制系統(tǒng)由主、副兩個調(diào)節(jié)器和三個沖量(汽包水位、蒸汽流量、給水流量)構(gòu)成。其中：

主調(diào)節(jié)器：水位調(diào)節(jié)器；副調(diào)節(jié)器：給水流量調(diào)節(jié)器；

前饋信號：蒸汽流量。準確地說，該系統(tǒng)應稱為三沖量前饋-串級復合控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要優(yōu)點：當負荷（即蒸汽流量）變化時，它早于水位偏差進行前饋控制，能及時地調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥的給水流量，以跟蹤蒸汽流量的變化，維持進出汽包的物料平衡，從而有效地克服虛假水位的影響，抑制水位的動態(tài)偏差；當蒸汽流量不變時，由給水流量為副被控量構(gòu)成的副回路，可及時消除給水流量的自身干擾（主要由給水壓力的波動引起）。汽包水位是主被控量，主調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)規(guī)律。動態(tài)過程中，它根據(jù)水位偏差調(diào)節(jié)給水流量的設定值；穩(wěn)態(tài)時，它可使汽包水位等于設定值。鍋爐三沖量前饋-串級復合控制系統(tǒng)：

前饋信號：蒸汽流量主被控參數(shù)：汽包水位副被控參數(shù)：給水流量控制參數(shù)：給水流量如圖10—2所示。由此可見，三沖量前饋一串級復合控制系統(tǒng)在克服虛假水位的影響、維持水位穩(wěn)定、提高給水控制質(zhì)量等多方面都優(yōu)于前述兩種控制系統(tǒng)，是現(xiàn)場廣泛采用的汽包水位控制方案。2.過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)

（1）控制要求由工藝可知，過熱蒸汽溫度過高，則過熱器容易損壞，也會使汽輪機內(nèi)部引起過度的熱膨脹，嚴重影響運行的安全；過熱蒸汽溫度過低，則使汽輪機的效率降低，同時也使通過汽輪機的蒸汽濕度增加，引起葉片磨損。因此，過熱蒸汽溫度是影響安全和經(jīng)濟的重要參數(shù)，一般要求保持在±5℃的范圍內(nèi)。例如，30萬kw的機組鍋爐過熱蒸汽溫度為(565±5)℃。（2）蒸汽過熱系統(tǒng)組成：一級過熱器、減溫器、二級過熱器。（3）蒸汽過熱系統(tǒng)自動控制的任務：

使過熱器出口溫度維持在允許范圍內(nèi)，并且保護過熱器使管壁溫度不超過允許的工作溫度。（4）工藝簡介：

從鍋爐汽包出來的飽和蒸汽經(jīng)過過熱器繼續(xù)加熱成為過熱蒸汽。通常過熱蒸汽溫度達到460OC左右時再去推動汽輪機工作。如果過熱蒸汽溫度過高，則過熱器容易損壞，也會使汽輪機內(nèi)部引起過度的熱膨脹，嚴重影響運行的安全。如果過熱蒸汽溫度過低，當蒸汽帶動汽輪機做功時，會使部分蒸汽變成小水滴，沖擊汽輪機葉片，易造成生產(chǎn)事故。因此對過熱蒸汽溫度必須加以嚴格控制，使它不超出規(guī)定范圍。影響過熱汽溫的擾動因素很多，例如蒸汽流量、減溫水量、流經(jīng)過熱器的煙氣溫度和流速等的變化都會影響過熱蒸汽的溫度。

通常是在過熱器之前或中間部分串接一個減溫器，通過控制減溫水流量的大小來改變過熱蒸汽的溫度。

（5）控制變量的選擇與控制方案的確定由于蒸汽流量的變化是負荷干擾，因而不能作為控制變量；若采用煙氣側(cè)干擾作為控制變量，則會使鍋爐的結(jié)構(gòu)復雜，給設計制造帶來困難，也不宜作為控制變量；為了保護過熱器，保證機組安全運行，在鍋爐設計時，已經(jīng)設置了噴水減溫裝置，若采用減溫水流量作為控制變量則既簡單又易行。但存在的問題：①減溫水流量與過熱蒸汽溫度之間存在較大的時延和慣性；②在工藝上，鍋爐給水與減溫水常常合用一根總管，這樣會導致減溫水自身波動頻繁。針對上述存在的問題，如果設計簡單控制系統(tǒng)則無法滿足生產(chǎn)工藝的要求。為此，需要設計較為復雜的控制系統(tǒng)，以提高控制質(zhì)量。一種可行的控制方案是設計串級控制系統(tǒng)。目前廣泛采用減溫水流量作為控制變量。但由于該控制通道的時滯和時間常數(shù)都較大，單回路控制系統(tǒng)往往不能滿足生產(chǎn)上的要求。因此，通常設計成圖10－3所示的串級控制系統(tǒng)。將減溫器后的汽溫信號T2送至副調(diào)節(jié)器。因T2比主汽溫T1能提前發(fā)現(xiàn)減溫水的擾動，并使副調(diào)節(jié)器及時動作，在減溫水的擾動未及影響主汽溫時即被消除。將主汽溫信號T1送給主調(diào)節(jié)器，當主汽溫因受擾動而偏離給定值時，主調(diào)節(jié)器動作，改變副調(diào)節(jié)器的給定信號，使副調(diào)節(jié)器隨之動作，直接控制調(diào)節(jié)閥，最后使主汽溫控制在允許值范圍。主參數(shù)：出口過熱蒸汽溫度T1副參數(shù)：減溫器后的蒸汽溫度（減溫器出口溫度）T2控制參數(shù)：減溫水流量檢測過熱蒸汽溫度：熱電阻溫度計

采用DDZ-III單元組合儀表

3.鍋爐燃燒控制系統(tǒng)

（1）鍋爐燃燒系統(tǒng)的控制任務鍋爐燃燒系統(tǒng)的控制任務相當多。主要有三項任務：

1）使鍋爐出口蒸汽壓力穩(wěn)定。因此，當負荷擾動而使蒸汽壓力變化時，通過調(diào)節(jié)燃料量(或送風量)使之穩(wěn)定。

2）保證燃燒過程的經(jīng)濟性。在蒸汽壓力恒定的條件下，要使燃料量消耗最少，且燃燒盡量完全，使熱效率最高，為此燃料量與空氣量(送風量)應保持一個合適的比例。3）保持爐膛負壓恒定。通常用調(diào)節(jié)引風量使爐膛負壓保持在微負壓（－20～－80Pa）。一般情況下可以根據(jù)爐膛負壓來控制煙道的翻板閥，以達到爐膛負壓穩(wěn)定。也有以蒸汽壓力為前饋量，組成前饋-反饋控制系統(tǒng)，通過改變煙道翻板閥，維持爐膛負壓一定。如果爐膛負壓太小甚至為正，則爐膛內(nèi)熱煙氣甚至火焰將向外冒出，影響設備和操作人員的安全；反之，爐膛負壓太大，會使大量冷空氣進入爐內(nèi)，從而使熱量損失增加，降低熱效率。上述三項任務是有關聯(lián)的。為了完成這三項任務，有三個可供調(diào)節(jié)的手段：燃料量、送風量和引風量。（2）控制系統(tǒng)設計的總原則：

1）當生產(chǎn)負荷產(chǎn)生變化時，燃料量、送風量和引風量應同時協(xié)調(diào)動作。這樣，既適應負荷變化的需要，又使燃料量和送風量成一定比例，爐膛負壓為一定數(shù)值。而當生產(chǎn)負荷穩(wěn)定不變時，則應保持燃料量、送風量和引風量都穩(wěn)定不變，并迅速消除它們各自的擾動作用。

2）必須加強安全措施。例如，燒嘴背壓太高時，可能因燃料流速過高而脫火；燒嘴背壓過低時又可能回火，這些都應設法防止。

（3）燃燒過程的控制方案

1）蒸汽壓力控制系統(tǒng)

蒸汽壓力的主要擾動是蒸汽負荷的變化與燃料量的波動。

a）當蒸汽負荷及燃料量波動較小、對燃燒的經(jīng)濟性要求不高時，采用調(diào)節(jié)燃料量以控制蒸汽壓力的單回路控制系統(tǒng)。

b）當燃料量波動較大時，則需要采用燃料量對蒸汽壓力的串級控制方案。

2）燃料與空氣比值控制系統(tǒng)

由于燃料量是隨蒸汽負荷而變化的，所以是主流量，它與空氣流量(副流量)組成單閉環(huán)比值控制，以使燃料與空氣保持一定比例，使之能良好燃燒。圖10—5所示是燃燒過程的基本控制方案。

a）：將蒸汽壓力調(diào)節(jié)器的輸出同時作為燃料和空氣流量調(diào)節(jié)器的設定值。燃料流量調(diào)節(jié)器和空氣流量調(diào)節(jié)器則構(gòu)成各自的副回路，用以迅速克服它們自身的干擾。

優(yōu)點：可以克服蒸汽負荷的干擾而確保蒸汽壓力的恒定，同時燃料量和空氣量的比例是通過燃料流量調(diào)節(jié)器和送風流量調(diào)節(jié)器的正確動作而間接得到保證的。b）：蒸汽壓力對燃料流量的串級控制，而送風量隨燃料量變化而變化的比值控制，這樣可以確保燃料量與送風量的比例。

缺點：負荷發(fā)生變化時，送風量的變化必然落后于燃料量的變化，以致燃燒不完全。

因此要求做到燃料加大之前先加空氣量，減燃料時跟著減空氣量。為此可設計圖10-3所示的燃燒過程改進型控制方案。該方案在蒸汽負荷減少、壓力增大時，通過低值選擇器LS先減燃料量，后減空氣量；而當蒸汽負荷增加、壓力減小時，通過高值選擇器HS，先加