300MW机组汽温控制系统分析.pdf

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1、全国火电 300MWe 级机组能效对标及竞赛第三十九届年会论文集 热控 545 300MW 机组汽温控制系统分析 高 阳 张树郁 （唐山热电公司 设备工程部 河北 唐山 063029） 【摘 要】在现代火力发电厂热工控制中，锅炉出口过热蒸汽温度（主汽温）是锅炉的主要参数之一，对电 厂的安全经济运行有重大影响。如果过热蒸汽的温度过高，则过热器容易损坏，也会使汽轮机内部引起过度的热膨 胀，严重影响运行的安全。如果过热蒸汽的温度过低，则设备的效率降低，同时使通过汽轮机最后几级的蒸汽湿度 增加。因此必须将主蒸汽温度严格控制在给定值附近。本文主要就目前 300MW 机组流行的主汽温控制方案进行分析， 并

2、针对其特点提出一些改进。 【关键词】主汽温 动态特性 串级控制 0 前言 过热汽温是影响机组安全运行及经济运行的重要参数之一，过热汽温较高时，机组热效率则相 对较高，但过高的过热汽温是汽轮机金属材料所不允许的。由于过热器处于锅炉的高温区且承受着 高压，尽管它的材料采用的是昂贵的耐高温高压的合金钢，但主汽温的设计值已接近钢材允许的极 限温度；强度方面的安全系数也很小，所以过热器金属超温是不允许的。过热汽温控制的任务是维 持过热器出口汽温即主汽温度在允许的范围内，并对过热器实现保护，使管壁金属温度不超过允许 的工作范围。正常运行时，一般过热器温度与额定值偏差不超过5。 1 电厂主汽温对象特性分析

3、影响过热汽温的因素很多，有些是设计问题，也有许多是运行问题，因此要维持一定的过热汽 温，首先要分析一下影响过热汽温的因素。 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(一般可用总风量代表)增加时，炉膛中燃烧的燃料增加，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 的辅射放热百分率减少；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 放热百分字将增大。因此，对于对流式过热器来说，当锅炉的负荷增加时，出口汽温的稳态值升高； 辐射式过热器则具有相反的汽温特性，即当锅炉负荷增加时，如果采用两种过

4、热器的串联配合，可 以取得较平的汽温特性，但在一般采用这两种过热器串联的锅炉中，过热器出口的过热蒸汽温度， 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汽温的静态关系 过剩空气量改变时，燃烧生成的烟气量亦改变，因而所有对流受热面吸热改变，而且对离炉膛 全国火电 300MWe 级机组能效对标及竞赛第三十九届年会论文集 热控 546 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， 将使过热汽温上升。 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

5、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，这对过热汽温有明 显影响。 1.1.4 燃烧器的运行方式与过热汽温的静态关系 在炉膛内投入高度不同的燃烧器或改变燃烧器倾角会影响炉内温度分布和炉膛出口烟温，因而 也会影响过热汽温，火焰“中心”相对提高时，过热汽温将升高。 1.1.5 进人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，过热汽温将下降。同一负荷下，当锅炉锅筒压力较低时，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，但从锅筒产生的饱和蒸汽量却减少了，

6、所以出口主汽温将增加。 1.1.6 其他因素与过热汽温的静态关系 a.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 过热汽温上升，而过热器本身发生积灰或结渣将使过热汽温下降。 b.饱和蒸汽用量。当锅炉的吹灰器或其他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。 c.排污量。排污对过热汽温的影响和使用饱和蒸汽一样，但由于排污水的焓较低，故影响较小。 d.燃料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。 e.尾部烟道中再热汽温控制挡板位置对过热汽温有较大影响。例如，当关小再热器烟道挡板

7、(一 般相应开大过热器挡板)时，过热汽温会升高。 1.2 动态特性 如前所述，影响过热汽温的因素很多，其中主要的影响因素是蒸汽流量、烟气传热量和减温水 量是几种最主要的扰动。 1.2.1 烟气传热量变化时过热汽温的动态特性 引起烟气传热量扰动的因素很多，但总的说来不外是烟气流速和烟气温度对过热气温的影响。 在这种烟起气侧扰动作用下， 汽温对象的阶跃响应曲线有延迟、 有惯性和自平衡能力， 且延时较小 。 从动态特性决度考虑，利用烟气侧扰动作为过热 汽温控制手段较好，但这类控制方法均会导致锅炉 结构复杂化，从而实现起来较麻烦，所以一般较少使用。 1.2.2 过热蒸汽流量变化时过热汽温动态特性 蒸汽

8、流量变化是因锅炉负荷变化引起的，它会改变过热器和烟气之间的传热条件，从而导致过 热汽温的变化。由于蒸汽流量变化时，沿过热汽管道长度方向的各处温度几乎同时变化，故滞后和 惯性都比较小。虽然在蒸气负荷扰动下，汽温变化特性较好，但蒸气负荷是由用户决定的，不可能 全国火电 300MWe 级机组能效对标及竞赛第三十九届年会论文集 热控 547 考虑作为控制汽温的手段。只能看作汽温控制系统的外部扰动。 1.2.3 减温水量变化时过热蒸汽的动态特性 减温水流量变化是引起过热器入口蒸气温度变化的主要因素，从喷水减温的工艺过程可知，以 喷水量为输入，过热蒸汽温度为输出，对象具有分布参数的特性，即管内的蒸汽和管壁

9、可视为多个 单容对象串联组成的多容对象。喷水量的变化必须通过这些单容对象，才能最终影响到过热器出口 蒸汽温度。因此，与在蒸汽流量扰动和烟气传热量扰动的情况相比，对象具有大的多的滞后和惯性， 这也是此对象难以控制的原因。 综上所述，在各种扰动下汽温对象动态特性都有一定的迟延和惯性其典型的阶跃响应曲线如下 图所示。汽温对象在不同的扰动作用下，其动态特性参数的数值(对象延迟时间，对象时间常数 Tc)可能有很大差别。因此正确选择调节汽温的手段是非常重要的。 图 1 汽温控制对象的典型的阶跃响应曲线 2 过热汽温控制方案选择 全国火电 300MWe 级机组能效对标及竞赛第三十九届年会论文集 热控 548

10、 在主要的扰动（减温水量）作用下，过热汽温对象的动态特性对于蒸汽流量的扰动和烟气侧的 扰动，过热汽温对象的动态特性虽然较好，但两者之中或者不宜作为汽温的调节手段，或者会使锅 炉结构复杂，尽管减温水减温水扰动时对象的动态特性不够理想，但由于结构简单，且对过热器的 安全比较有利。因此，目前广泛采用喷水减温作为控制汽温的手段。对于维持汽温这一要求而言， 汽温对象在控制作用下动态特性的延迟和时间常数 Tc 还嫌太大， 如果只根据汽温偏差来改变减温 水量往往不能有效地控制汽温偏差，所以，在设计汽温控制系统时，应该充分考虑影响汽温的各种 因素及其影响，以便设计出合理且可行的具有良好控制品质的过热汽温控制系

11、统。 当减温水量发生扰动时，虽然减温器处汽温已产生变化，但要经过较长的过热器管道才能影响 到出口汽温的变化，使汽温反应的迟延很大。而且减温器离过热器出口较远，则对象调节通道的迟 延和惯性愈大。因此，调节汽温的最有效的方法是在过热器出口处直接进行喷水减温，但这又对过 热器和汽轮机的安全运行不利。为此喷水式减温器通常装在过热器高温段的前面，这样几保护了过 热器的高温段，又使对象的迟延能减小些。但是，迟延时间仍较大，一般约为 3060s。此外，对 于过热蒸汽管道较长的大型锅炉，其主汽温度若只采用一级减温水控制，在保护过热器和提高过热 汽温控制系统品质两方面要做到两全齐美是有一定难度的。为了兼顾两方面

12、的要求，一般 300MW 机 组在蒸汽温度控制系统中采用分段控制方案，即将整个过热器分成若干段，每段分别设置减温器， 分别控制各段的汽温，并维持主汽温为给定的值。 3 过热汽温分段控制系统分析 现代大型锅炉其过热蒸汽流程为汽包产生的饱和蒸汽首先流经低温过热器，然后依次流经一级 减温器、分隔屏过热器、后屏过热器、二级减温器和高温对流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。如前所述，对于过热蒸汽管道较长的大型锅炉，若只采 用一级减温水控制主汽温，在保护过热器和提高过热汽温控制系统品质两方面要做到两全齐美是有 一定难度的。为了兼顾两方面的要求，唐电一号机组过热汽温控制

13、系统采用分段控制系统方案，即 将整个过热器分成若干段，每段分别设置减温器，分别控制各段的汽温，并维持主汽温为给定的值。 3.1 分别设置独立的定值控制系统 图中所示过热汽温控制采用两段相对独立的控制系统： 全国火电 300MWe 级机组能效对标及竞赛第三十九届年会论文集 热控 549 过热汽温分段控制系统 每一段都是一个独立的串级控制系统。第一级减温水将后屏过热器出口汽温控制在某个定值； 第二级减温水将高温对流过热器出口汽温，即主汽温度控制在设定值。这种系统可称为分段定值控 制系统。现以第一段控制系统为例，说明其信号处理及控制过程。 3.1.1 信号处理：在一减控制系统中，正常情况下副调节器以

14、一减出口两温度测点的平均值作为导 前汽温信号，以后屏过热器出口两温度测点的平均值温度作为主调节器的输入，两者共同作用以维 持后屏过热器温为给定值。当主调或副调两平均温度中任何一个出现故障或异常情况时，逻辑会自 动切除故障温度取正常一侧的汽温信号作为主调器或副调器被调量，同时向操作员发出报警，系统 从自动切手动。 3.1.2 自动跟综：当一级减温系统自动时手动指令自动跟踪减温水调节阀的开度指令；当系统处于 手动状态时一级减温系统主调节器跟踪过热一减出口汽温，副调节器跟踪一减调节阀开度。自动状 态时主调节器取过热器二减入口汽温的微分信号作为前馈信号。 3.1.3 积分饱和信号处理：为了防止调节器积

15、分饱和系统还设置了积分饱和跟踪回路，当调节系统 处于自动状态时如果一减调节阀开度为 100%且调节器的设定值与测量值差值小于5或者当一减 调节阀开度为 0%且调节器的设定值与测量值差值大于 5时系统自动将调节器切为跟踪状态。 3.1.4 联锁保护：为保证锅炉 MFT 时能够将减温水调节阀全关，系统设置了一路超驰信号，即在调 节阀输入指令处设置一信号发生器 SG，当 MFT 信号为 1 时，调节阀输入指令切换到 SG 将减温水调 节阀全关。分成两级减温后，各级控制系统的对象特性的迟延和惯性都要比只采用一级减温水方案 时的对象特征的迟延和惯性小，因而可以改善控制品质。在这种系统中，两级减温水的控制

16、是独立 的，两个控制系统可分别整定，可独立地投入运行。 采用喷水减温的串级汽温控制系统方案。从被控对象动态特性看，减温水扰动下的汽温动态特 全国火电 300MWe 级机组能效对标及竞赛第三十九届年会论文集 热控 550 1 + _ 2 性具有一定的延时和较大的惯性，仅采用过热器出口汽温设计的过热汽温控制系统难以满足生产要 求，可采用减温器出口的蒸汽温度作为导前信号。在有关扰动下，尤其是减 温水扰动时，减温器出口处的汽温要比过热器出口处的汽温提前反映扰动作用，从而可及时地 调整减温水量。因此，采用导前汽温信号构成串级汽温控制系统可以改善汽温控制的品质。在该方 案中，只要导前汽温发生变化，副调节器

17、 PID 就去改变减温水调节阀的开度，改变减温水量，初步 维持后段过热器人口(减温器出口)处的汽温，对后段过热器出口主汽温起粗调作用。后段过热器出 口主汽温由主调节器 PID 控制。只要后段过热器出口汽温未达到设定值，主调节器 PID2 的输出就不 断地变化，使副调节器不断地去改变减温水量，直到主汽温恢复到主汽温设定值为止。稳态时，减 温器出口的汽温，即导前汽温可能与原来数值不同，而主汽温一定等于设定值。 由于导前汽温能比主汽温提前反映扰动对主汽温的影响，尤其是减温水扰动，显然串级控制系 统可以减小主汽温的动态偏差。在串级汽温控制系统中，两个回路的任务及对象的动态特性不同。 副调节器的任务是快

18、速消除落在内回路内的扰动影响，要求控制过程的持续时间较短，但不要求无 偏差，故可选用比例调节器，也可用比例、积分、微分调节器。主调节器的任务是维持主汽温为设 定值，一般可选用比例、积分、微分调节器。 3.2 过热汽温控制系统参数的整定 过热汽温控制系统是一个复杂的前馈反馈控制系统，可采用的控制策略有很多种，这里仅对以 串级控制为基础的控制方案，说明基本的整定原则。 3.2.1 前馈通道的整定 前馈通道各环节特性可根据锅炉设计说明书的有关数据和运行后获得的稳态数据，以静态补偿 为目的，确定有关参数。 3.2.2 反馈通道中控制器参数的整定 图 1-1 所示的串级控制框图如图 1-2 所示，它有两

19、个闭和的调节回路： （1）由对象调节通道的 导前区 W1（S） （含执行器、减温水调节阀的特性） 、导前汽温变送器1 和副调节器 WR1（S）组成 的副调节回路； （2）由对象调节通道的惰性区 W2（S） 、主汽温变送器2、主调节器 WR2（S）及副 调节回路组成的调节回路。 串级汽温调节系统框图 副调节器的作用主要是根据导前汽温的变化，快速消除落在副回路中的扰动，进而使主汽保持 WR2(S) WR1(S) W1(S) W2(S) 1 2 全国火电 300MWe 级机组能效对标及竞赛第三十九届年会论文集 热控 551 基本不变。副调节器的参数可按一般的单回路调节系统的整定方法，按快速随动系统的

20、要求整定。 根据对象特性 W1（s）和1 整定 WR1（s） ，当副回路成为一快速随动系统后，意味着导前汽温随主 调节器的输出快速变化。 在副调节器参数整定完成后，主调节器的参数可按照对象惰性区特性 W(s)以及两个变送器的特 性来整定。也可以在将副调节器投入后，用主调节器的输出作为扰动，作出主 汽温对该扰动的响应 曲线，求得等效传递函数 W2(s)(含变送器在内)，再据 W2 (s)整定出主调节器的参数。 4 存在的问题及改进方法 4.1 过热汽温控制不够精确 唐电一期 1300MW 机组自 168 以来机组运行情况一直比较平稳， 但其过热汽温控制系统方面仍 存在一些问题，当机组稳定运行时过

21、热系统能够很好的维持过热汽温在设定值。但当机组负荷变化 较大时，由于减温水调节系统时间常数过大，调节系统响应相对较慢，当主汽温偏差较大时调节门 才开始动作，由于此时主汽温已经偏离设定值，即使一减和二减两调节阀全开仍需要一段时间才能 将主器汽温降回设定值造成主汽温超温。为了使过热气温控制更加精确，可将分段控制系统进行改 进。下面简单介绍一下一、二级减温水综合控制方案。 4.2 一、二级减温水综合控制方案 在一般的主汽温控制系统中，每级减温水的控制是相对独立的。也可以采用另一种控制方案： 两级减温水的控制不是独立的，而是根据主汽温度这一个被控变量，由一个控制系统来统一控制一 级和二级减温水量，图

22、1-4 是这一策略的原理性框图。该策略的基本思想是： 稳态时，使得一级减温水量多于二级减温水量。如前所述，这样可使得整个过热器的温度分布 较为连续，特别是有利于保护处在炉膛高温中的屏式过热器。 在动态过程中，由二级减温器承担过热汽温的主要调节任务。因为主汽温对于二级减温水的响 应速度比对一级减温水的响应速度要快得多。当系统受到各种扰动而使主汽温偏离设定值时，通过 加大二级减温水调节的力度，能使主汽温的动态偏差较小，调节品质提高。 4.3 采用较精确的前馈来提高系统的调节品质 图 1 中有三个控制指令，它们的形成原理说明如下： （1)总减温水量指令。该系统的主汽温度设定值是由锅炉的负荷指令经函数

23、块 1 形成的，PID 调节器 2 对定值与主汽温测量值的偏差运算，其输出成为总减温水量指令的一部分，该 PID 调节器 使得稳态时主汽温度等于设定值：再根据影响主汽温的种种因素，引入前馈信号作为总减温水量指 令的另一部分，以进一步改善控制品质。如前所分析的那样，有影响的前馈参量较多，如可采用锅 炉送风量、锅筒压力微分信号等。 （2)一级减温水量指令。总减温水量指令分别通过函数块 3 和 4 去分配一级和二级减温水量指 令，通过这两个函数块，使得分配给一级减温水量指令的份额比分配给二级减温水量指令的份额大。 函数块 5 是一惯性环节，其输出经最大及最小一级减温水量限制后，形成一级减温水量指令。

24、PID 调节器 6 用于控制实际的一级减温水量并克服一级减温水扰动。 全国火电 300MWe 级机组能效对标及竞赛第三十九届年会论文集 热控 552 图 1 一、二级减温水综合控制方案 （3）二级减温水量指令。实际的二级减温水量指令由两部分合成：一部分是函数块 4 的输出， 这是从总减温水量指令分配的份额；另一部分是减法器 7 的输出。由于惯性环节（滞后）5 的存在， 在动态过程中。实际的一级减温水量指令与从总减温水量指令分配到的份额有一定的偏差，若最大 或最小减温水量限制起作用的话，也会形成偏差，因此，为使实际的级械温水量指令和实际的二 级减温水量指令之和与总减温水量指令相等，这一偏差在加法

25、器 8 中与从总减温水量指令中分配到 的二级减温水量指令的份额相加、形成实际的二级减温水量指令。PID 调节器 9 控制二级减温水量 并用于克服二级减温水的扰动。 在上述方案中，函数块 3 和 4 实现了“稳态时一级减温水量多于二级减温水量”的思想，而惯 性环节 5 则使得动态过程中二级减温水量指令的变化比一级减温水量指令快得多，从而实现“动态 过程中由二级减温水承担过热汽温的主要调节任务”的思想。图 1 表示了总减温水量指令与一级、 二级减温水量指令间的关系。图 1 中 PID 调节器 10 及 PID 调节器 11 分别实现屏式过热器的高温保 护和防带水保护。其原理与图 1-4 中的原理是

26、相似的。图 1 中用锅筒压力及 f(x)12。来确定屏式过 热器出口允许的最高温度；用锅筒压力及 f(x)13，来决定屏式过热器人口允许的最低温度。因此采 用一、二级减温水综合控制方案可以使控制更加精确减少过热器超温。 5 结论 由于目前大容量机组普遍采用 DCS 作为其控制手段，由于 DCS 控制系统采用软件组态来生成， 因此在控制系统的设计及参数整定方面更加灵活，所以我们可以将一些相对较为复杂，控制效果更 加理想的控制系统应用到实际中去。在微量喷水和事故喷水控制系统中采用串级控制系统就是很好 的例子。对于整套机组来说，由于各段温度的控制精度都得到了提高，使得整套机组的控制精度得 以提高，从而提高了机组运行的稳定性。 全国火电 300MWe 级机组能效对标及竞赛第三十九届年会论文集 热控 553 参考文献： 1 热工过程自动控制 中国电力出版社，郎泉江 2 微型机控制技术 清华大学出版社， 于海生 3 燃煤锅炉机组 中国电力出版社 容銮恩 4 火力发电设备技术手册 机械工业出版社 中国动力工程学会主编