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1、660MW超超临界直流机组主汽温控制系统研究摘 要主汽温度是否稳定是衡量锅炉运行质量的重要技术指标之一，它的高低直接影响锅炉安全稳定运行。汽温太高容易烧坏过热器及损坏汽机的进汽部件，过低则不仅会影响机组的经济性，而且也会造成汽机末级蒸汽湿度过大而损坏叶片。因此，主汽温调节对于电厂的安全和经济运行十分重要。然而，影响主汽温度的因素很多，例如蒸汽负荷、减温水量、烟气侧的过剩空气系数和火焰中心位置、燃料成分等都可能引起汽温变化。汽温对象通常都具有大延迟、大惯性的特点，尤其随着机组容量和参数的增加，蒸汽的过热受热面相对于蒸发受热面的比例加大，使其延迟和惯性更大，从而进一步加大了汽温控制的难度。主汽温控
2、制系统是提高机组热效率和保证机组安全运行的重要组成部分。主汽温度控制系统分燃水比控制系统和喷水减温控制系统。燃水比控制系统作为整个汽温调节的粗调节，将汽温调节到一个中间温度，然后再利用喷水减温控制对主汽温进行细调节，最终将主汽温调节到一个合适的范围内。燃水比控制系统通常采用单回路控制系统即可，而喷水减温控制系统则采用一般串级pid控制系统或者串级pid+smith控制系统以求达到更好的控制品质。通过仿真比较得出：串级pid+smith控制系统较常规串级pid控制系统在控制品质上优越了许多，能够用于660MW超超临界直流机组的主汽温控制。关键词：火电厂；主汽温；串级pid；smith控制 21目
3、 录摘 要I1 绪论11.1电力生产的重要性及意义11.2电力生产中主汽温的重要性及意义12 过热器的结构和动态特性32.1过热器的作用及结构32.2过热器的布置42.3过热器的动态特性42.3.1动态特性和结构参数的关系42.3.2几个重要的参数介绍62.3.3简化传递函数和受热面最宜长度计算公式72.4影响汽温变化的因素112.4.1蒸汽负荷变化对汽温的影响112.4.2烟气侧扰动对汽温的影响122.4.3工质侧的扰动对汽温的影响133 主汽温控制系统153.1过热汽温控制的任务与对象动态特性153.1.1过热蒸汽控制的重要与任务153.1.2过热蒸汽温控制对象的动态特性153.2超超临界
4、直流机组主汽温控制特点173.3过热汽温控制系统的基本方案173.3.1燃水比调节系统173.3.2喷水减温控制系统19结论21参考文献22致谢231 绪论1.1电力生产的重要性及意义电力发展是国民生产的重要基础，电力生产与人们的生活紧密不分，可以说现代工业是高度依赖于电力的，所以要使国民经济能健康发展，电力供给是相当重要的，更是是不可取代的。要保证电力质量则是电力生产基地电厂所必需具备的指标。由于社会需求的电量越来越大，因此只有电厂也随之加大其发电量，才能供应庞大的电力需求市场，所以越来越多的电厂开始应用大容量大机组，以此来提高电厂的发电量和发电效率。特别是现代电力，用户用电是从电网获得，而
5、电网有一系列的大机组组成，大机组有容量大、效益高、污染小等优点，但同时也给出了严格的要求，要求其发电质量，而且也不能无故停电，如果在某一时刻因为电网中的某一台大机组突然停止发电，那么会引起电网大幅波动，对电的质量严重破坏，甚至造成电网的崩溃，后果难以估量1。所以现代大型机组的安全运行显得非常重要。1.2电力生产中主汽温的重要性及意义从电厂的生产过程来看，火力发电厂是一个将燃料燃烧产生的热能转换为电能的一个基地。首先煤在锅炉中燃烧，燃烧释放的热能传递给水冷壁中的水，水水冷壁中的水吸热后变成高温高压的水蒸汽，水蒸汽推动汽轮机转动做功，然后汽轮机带动发电机同轴转动进行发电。所谓电力质量主要是指发电厂
6、发出的电的多少必须满足电网的负荷，而且频率要求特别严格，汽轮机正常运行时其转速3000r/min，如果波动量达到15%，则必须拉闸停运，一旦出现这样的情况就会像前面说过的一样发电机突然退出电网，直接威胁到电网的安全运行。因此要使汽轮机安全带动发电机转动，就需要推动汽轮机转动的工质水蒸汽要有严格的参数指标。进入汽轮机高压高的蒸汽叫过热蒸汽，这种蒸汽压力大、温度高，通常把这个温度叫主汽温度，简称主汽温。主蒸汽温度是否稳定是衡量锅炉运行质量的重要技术指标之一，它的高低直接影响锅炉安全稳定运行。汽温太高容易烧坏过热器及损坏汽机的进汽部件，过低则不仅会影响机组的经济性，而且也会造成汽机末级蒸汽湿度过大而
7、损坏叶片。因此，过热温度调节的主要任务是保证进入汽轮机高压缸做功的主蒸汽温度在允许值范围内变化，并且使整个过热器管路的金属不被高温损坏2。主汽温控制系统是提高机组热效率和保证机组安全运行的重要组成部分，但由于影响汽温的因素很多，造成主蒸汽温度动态特性具有延时长，惯性大的特点，（特别是大单元机组）从而增加了控制难度。因此，必须通过采用先进的控制策略来提高系统的控制品质。下面以许昌龙岗发电有限责任公司3号炉的主汽温控制策略为例：调节器的输入（过热汽温汽温设定值）（压力设定值主汽压力）-燃料量微分-导前汽温的微分。 燃料量的前馈通道（dH/dt）在稳态时输出应为0。 导前汽温通道（dTd/dt）在稳
8、态时输出应为0。 过热汽温的偏差（T-Td）在稳态时输出也应为0。3主汽温的温度及压力是汽轮机能正常工作的必要条件，例如主汽温度而言，如果主汽温过高，则汽轮机机械特性难以到达要求，长期如此将会影响汽轮机的正常工作，缩短其寿命；如果温度过低则在汽轮机中蒸汽的热循环效率降低，同时会在汽轮机末级及那个会出现少量的液态水，这样在汽轮机高速转动时水滴所受到的离心力将会使高速运动知道撞到汽轮机，可能导致汽轮机叶片受损，损坏其设备，使其不能正常工作，所以如何控制到主汽温是相当重要的。影响主汽温的因素很多，例如蒸汽负荷、减温水量、烟气侧的过剩空气系数和火焰中心位置、燃料成分等都可能引起汽温变化。汽温对象具有大
9、延迟、大惯性的特点，尤其随着机组容量和参数的增加，蒸汽的过热受热面相对于蒸发受热面的比例加大，使其延迟和惯性更大，从而进一步加大了汽温控制的难度。超超临界直流机组中，水是直接从液态变为汽态，中间不需要汽包，出过热器的蒸汽直接进入汽轮机的高压缸做功，这时蒸汽的温度应该严格要求，主要控制手段是将纯净的低温水喷到经过过热器的过热蒸汽中，使其降到要求的温度如560，主要控制该喷水调节阀的开度，使主汽温符合要求，如何控制该阀门就是主汽温调节系统。4主汽温对象在各种扰动作用下反映出非线性，时变等特性，使其控制难度增大。由于过热器的正常运行时的温度已接近钢材允许的极限温度，强度方面的安全系数也很小，因此，现
10、代大型机组对过热汽温参数要求很严格，通常中高压锅炉过热汽温的暂时偏差不允许超过正负10，长期偏差不允许超过正负5。4总之，过热汽温是火电机组热力过程的主要参数，由于过热器是在高温高压环境下工作，过热器出口汽温非常高，工艺上允许的汽温变化范围又小，汽温对象特性呈非线性，影响汽温变化的干扰因素多，这些都使得汽温控制系统复杂化，因此正确选择汽温控制策略是非常重要的。52 过热器的结构和动态特性2.1过热器的作用及结构过热器是锅炉中用于提高蒸汽温度的部件，过热器的作用是将饱和蒸汽加热成具有一定温度的过热蒸汽，增加蒸汽的焓值，以增加蒸汽做功能力，提高电厂热力循环。在锅炉负荷或其他工况变动时应保证过热蒸汽
11、温度正常，并处在允许的波动范围之内。从电厂热力循环看，蒸汽的初参数越高，则循环的效率越高。随着锅炉容量增大，蒸汽初参数提高，过热器的作用更显得重要，并在很大程度上影响锅炉的经济和安全运行。由于受到金属材料性能的限制，过热蒸汽温度不能随意提高。在过热器设计布置上，必须确保其受热面管子外壁温度低于抗氧化温度，并保证其高温持久强度。随着蒸汽压力的提高，要求相应提高蒸汽温度，否则在汽轮机尾部的蒸汽湿度会过高，影响汽轮机的安全运行。所以过热蒸汽的温度控制在现在大型机组中相当重要。过热器的设计应根据锅炉容量，参数及锅炉整体布置，综合考虑管壁温度、系统阻力、热偏差、调温方式和钢材消耗等诸方面因素。在进行过热
12、器设计时，要尽量避免平行受热面管之间的热偏差，减少吸热不均、流量不均积减少受热面积灰。为了减少热偏差，将过热器分成几级，并在各级之间用集箱进行充分混合。在热气与烟道的流动方向上，可以有顺流、逆流、双逆流或混流布置方式。顺流布置能得到最大的传热温差，节省金属，但工作条件差。一般在低温烟区采用逆流布置，在高温烟区采用混流布置。6在布置过热器时，要兼顾获得最合理的烟气流速和蒸汽流速。烟气流速是根据管子不受磨损和在受热面上不易积灰的条件来选择的。烟速过高，磨损量增大；过低，又会造成积灰。由于设计和运行等因素，在过热器管中并联的各根管子吸热量或介质流量存在差别，使各管子内介质的焓增不相同，这中现象叫做热
13、偏差。由于存在热偏差现象，因此过热器管组中各并联管出口的蒸汽温度不可能是相同的，必然存在偏差。减少热偏差的措施主要分以下几个方面：（1）在热负荷和结构数据基本均匀的条件下，应尽量使管组中的流量分配均匀。首要措施是对大容量锅炉考虑管道引进或引出集箱的简便，可采用大口径三通和大口径导气管作为管组之间的连通方式，这样除了可以使流量非分配均匀外，还可以起到中间多次混合的双重作用。对于中小型锅炉，可以采用多根导气管沿集箱长度方向作均匀引入或运出，以使流量分配均匀。如需要采用从集箱端部引入或引出连通方式，应以U型联结方式为好。（2）要选择适当大小的集箱内径，使集箱内轴向流速适中，沿集箱长度方向的静压偏差最
14、大值小于受热面管组中平均阻力降的10%。（3）在整个过热器系统中，选择适当的中间混合交叉系数，以减少各级的热偏差及最终的出口汽温偏差。（4）在各级管组进行流量不均匀性计算，对个别管子可以通过调整管径，改变局部阻力系数等增加其流量，反之，对个别流量偏大或吸热较小的管子，可通过设置节流圈或增大管接头壁厚的办法来限制其流量。（5）控制各级受热面的焓增量，防止产生过大的热偏差及不必要地选用高级管材。（6）选择足够的管内质量流速，增强对热偏差的抵抗能力，防止管次超温。（7）炉膛设计和燃烧器的设计要合理，尽量减小炉膛出口左右侧烟温偏差7。2.2过热器的布置本节以龙岗电厂3号炉660MW超超临界直流自然循环
15、锅炉为例说明过热器的布置及流程。过热器分四部分，分别是：一级过热器：布置在尾部分割烟道的后部，由水平管组和出口管组构成。屏式过热器：布置在炉膛上部，通常被设计成独特的发卡式结构，以减少同屏水力偏差。屏式过热器设有进口和出口联箱各一个。中间过热器：布置在折焰角上方，顺流顺列布置。末级过热器：布置在折焰角上方，顺列布置。8由于过热器受热面积大，所以将一部分布置在炉膛内及炉膛出口处，以吸收部分炉膛内的辐射热量，满足蒸汽吸热的需求。为了减少热偏差，改善管子的工作条件，应控制过热器管壁温度不超过所用材料的允许温度， 并使过热器具有良好的温度特性。该过热器系统采用了部分辐射式过热器和部分对流式过热器，系统
16、进行了七次混合，一次左右交叉，这有力于消除过热器热偏差，防止超温，确保过热器安全工作。660MW超超临界直流锅炉采用2-3级喷水减温，第一级喷水减温器一般布置在分隔式过热屏式过热器之前，第二级喷水减温器设在高温对流过热器进口。减温喷水引自进入锅炉的总给水量。2.3过热器的动态特性2.3.1动态特性和结构参数的关系元件的输入信号和输出信号都是时间的函数，这是一对输入信号和输出信号之间也存在着必然的关系，这个关系就是该元件的动态特性。对过热器而言，是指锅炉在受到内、外扰动时，不加任何操作的情况下，过热器通道各参数随时间变化的规律。研究动态特性的意义：过热蒸汽温度调节对机组的安全性和经济性具有十分重
17、要的意义，汽温过高会影响锅炉本身和汽轮机的安全性；汽温过低，会影响机组的安全性。有了过热器通道参数的变化规律，就可以掌握锅炉在运行中可能发生的扰动反应，可以确定在各种不同的扰动下操作的极限允许值，并用以认识锅炉变工矿时的调节规律。因此掌握动态特性，对提高锅炉运行水平，确保过热器的安全性和机组的经济性，更合理的选择过热器结构，使其具有良好的调节特性了，改善调节品质有十分重要的意义。9飞升特性曲线：就热工调节的观点而言，锅炉的过热器是调节对象。表征过热器运行工矿的参数（温度、压力、流量等），被称为被调量或者被调参数。锅炉过热器的动态特性可以用飞升特性曲线来表示。飞升特性曲线是指：在某一平衡工况下，
18、锅炉突然受到某种扰动后，其各被调量（温度、压力、流量等）的相应曲线。锅炉过热器的动态特性与炉型和结构有关，因此各种被调量的飞升特性曲线也是不同的。如图2-1。在阶跃扰动量v的作用下，被调量随时间变化的相应曲线上，表征飞升特性的指标有3个，即时间常数T，迟延时间和静态放大系数K。(1) 时间常数T飞升曲线的拐点b，是被调量变化速度的最大点，通过此点作斜率线，由于此点上升速度最大，所以这条斜率成为飞升切线。以此最大的速度，从起始水平图2-1 过热器飞升特性曲线到达被调量的最终值所需要的时间，称之为时间常数T。单位时间以min或s表示。T小，飞升曲线陡，即飞升速度大；T大，则飞升速度小；飞升时间是时
19、间常数的倒数。(2) 迟延时间延迟时间一般而言由两部分组成，即纯延迟与容积延迟，单位为min或s表示。纯延迟的物理意义为：由于对象受到扰动后，信号的传递需要一定的时间，即从扰动开始时刻信号传递需要一定的时间，即从扰动开始时刻信号传递到被调量测点，需要一定的传送时间。容积延迟的物理意义为：由于对象容积的阻力惯性（如热阻、流阻等）的影响，使被调参数反映出扰动后，并不立即以最大速度变化。延迟时间对调节是不利的，因为当过热器一旦受到扰动作用后，由于迟延时间的存在，被调量不能立即发生变化，从而使调节器不能及时对扰动进行调节，其结果增大被调量变化的幅度。另外如调节器动作后，由于迟延时间的存在，被调量不能立
20、即发生变化。因此应尽量设法减小。一般认为的值越小，越有利于调节；其值越大容易造成较大的动态偏差，以致系统不稳定。（3）静态放大系数K静态放大系数K为单位扰动作用下，被调量达到新的平衡工况时的变化量。K越大，表示过热器的子平衡能力小，反之，K小，表示自平衡能力强。2.3.2几个重要的参数介绍(1)动态参数 （21）式中0工质流动时间（s），0=l/； L 受热面长度； 20工质内壁的表面传热系数W/（m20C）； D0工质流量； Cp工质比定压热容J/（kg0C）； H2受热面内表面积（m2）； Tf工质蓄热时间常数（s）。(2)金属蓄热时间常数 （22）式中金属质量（kg）；金属比热容（J/（
21、kg0C）。同上。(3)传递函数阶数n （23）式中(4)金属蓄热时间常数 （24）式中金属质量（kg）；同上。(5)传递函数时间常数T （25） 式中（6） （26）考虑到工质可压缩，工质在流动过程中吸热，比体积变化10。2.3.3简化传递函数和受热面最宜长度计算公式对于不同特性的对象与不同的扰动，应选择不同的传递函数表达式，传递函数形式要按工质流动时间及动态参数来选择。当5、10 （28）其中 当10、510、10时。选用n=3。当2（如果蒸汽连接管导），因飞升曲线在处有显著阶跃， （29）当10、510、10时。选用n=3。对于蒸汽管道式中（2）流量扰动对于流量扰动可取下面简化的传递函数
22、 （213）当满足时，上式中可取式中当，且时，上式中（3） 吸热量扰动简化的传递函数去取下面的公式 （214）当满足，上式中式中过热器和再热器如果能满足，且则可取（4） 静态放大倍数K的计算式对于传递函数，中的放大倍数KJkg-1/(Jkg-1)Jkg-1/(th-1)Jkg-1/(Jkg-1)Jkg-1/(th-1)0C/0C （215）0C/th-10C/Jh-10C/th-10C/th-1式中D0的单位为kg/s。顺流逆流（5）热电偶的传递函数 （216）热电偶时间常数通常可取=30s。串联了热电偶环节后的对象传递函数为式中 2.4影响汽温变化的因素影响过热器出口汽温的因素很多，主要包括
23、以下烟气侧和蒸汽侧两个方面：烟气侧：包括燃料量、对流传热量、辐射传热、燃料种类或成分特性、送入炉内燃烧的空气量、燃烧器的运行方式及受热面的洁净程度等。蒸汽侧：包括蒸汽量、减温水量、减温水温度等1112。2.4.1蒸汽负荷变化对汽温的影响送入炉内的燃料取决于锅炉的出力，当锅炉出力需要变动时，燃料量必须作相应的改变。在锅炉效率及再热蒸汽吸热份额基本不变的条件下，可以认为燃料与锅炉出力近似成正比。但随着燃料量的改变，锅炉出口烟温及烟气流速都会发生变化，这势必引起炉膛内辐射传热Q及烟道内对流传热量Q的改变，从而引起过热器及再热器管带内蒸汽吸收热量的改变。对于辐射式过热器来说，由于增加的蒸汽量所要吸收的
24、热量比相应的辐射传热量要多，故当蒸汽量D增加时，辐射过热器出口汽温相应降低。而对于对流式过热器来说则正好相反，当蒸汽量D增加时，对流过热器出口汽温增加，这种特性成为过热器的汽温特性。如图2-2所示。13（a） 不同进口烟温下对流 (b) 过热器焓增量与锅炉负荷之间的关系 过热器的汽温变化特性 图中：1对流过热器焓增图中：1辐射过热器 2辐射过热器焓增2对流过热器进口烟温为1200 3过热器的总焓增3对流过热器进口烟温为10004对流过热器进口烟温为900图22 过热器的汽温特性由于高温过热器布置在靠近炉膛出口处的较高烟温区，辐射传热量的比例较大，故出力D的变化对汽温的影响程度较小，即特性曲线较
25、平坦。对于布置在炉膛上部的全大屏（即前屏）过热器，由于距火焰中心较近，其受热面的热负荷随锅炉出力变化较小。因此当锅炉出力变化时，对出口汽温或蒸汽焓增影响就更大。总体来看，当锅炉出力D自动增加时，出口汽温将增高。蒸汽量变化时。沿过热器整个管长各点的温度几乎同时变化，过热器出口汽温随蒸汽量D的阶跃响应曲线如图23所示，其特点是：有延迟、有惯性、有自平衡能力，且/T比减温水扰动的汽温特性小。但由于蒸汽量是由机组负荷决定的，不能用来作为调节汽温的手段12。2.4.2烟气侧扰动对汽温的影响14烟气侧的扰动包括以下几个方面：（1） 煤质的变化燃煤中的水分和灰分增加时，燃煤的发热量降低，为了保证锅炉蒸发量，
26、必须增加燃料量。因为水分蒸发和灰分本身提高温度均要吸收炉内的热量，故使炉内温度水平降低，炉内辐射穿热量减少；炉膛出口烟温升高，水分增加是烟气体积增大，烟气流速增加，是 图23 锅炉负荷干扰的响应曲线对流传热增加，故使汽温升高。当燃煤的挥发分降低，含碳量增加（例如有燃煤改成烧无烟煤或贫媒）或煤粉较粗时，煤粉在炉膛内燃尽时间较长， 火焰中心上移，炉膛出口烟温升高。从而使汽温上升。 （2）炉内过剩空气系数的变化 当送风量和漏风量增加是炉内过剩空气系数增加时，低温空气的吸热及烟气容量的增加将使炉膛温度降低，流经过热器的烟量增加，烟速增加，使对流过热器传热加强，汽温升高。（3）燃烧器运行方式的变化燃烧器
27、运行方式的改变，例如，燃烧器从上排切换到下排，或燃烧器的喷流角度改变时，火焰中心位置也会改变，从而引起汽温变化。（4）配风工况的改变在总风量不变的情况下，由于配风工况不同，也会造成火焰中心位置的变化而使汽温发生变化，当送风和引风配合不当而造成炉膛负压变化是火焰中心位置变化时，也会造成汽温变化。 从以上分析可知，烟气侧对流汽温的影响干扰因素较多。由于过热器是热交换器，其出口汽温反映了蒸汽带走的热量和烟气侧吸收的热量之间的热平衡关系。因此，凡是影响烟气和蒸汽之间换热的因素都是对汽温的扰动因素。在烟气侧扰动下汽温变化的阶跃响应曲线也可以用图24定性表示，所不同的是/T较小，其特点是具有延迟、有惯性、
28、有自平衡能力。其延迟时间与烟气侧的扰动原因以及锅炉的运行工况有关。由于烟气侧的扰动是沿过热器整个管段长度是烟气传热量同时变化的，所以汽温变化反应较快，因此可以利用烟气侧的扰动来作为调节汽温的手段，例如可以采用烟气再循环和改变喷燃器角度等。锅炉的再热汽温的主要控制手段就是改变尾部烟道出口处再热烟气挡板和过热烟气挡板的开度，来改变再热烟道的烟气流量，从而控制再热汽温。 最后只得注意的是：受热面的清洁程度也会使汽温变化。例如，水冷壁管外结渣、积灰或管内积垢，都会使受热面吸热量减少，从而引起炉膛出口及过热器和再热汽如口烟温升高而使汽温升高。但若过热器和再热汽本身积灰，则会使汽温降低12。2.4.3工质
29、侧的扰动对汽温的影响工质侧的扰动除蒸汽符合扰动外还包括以下几个反面：（1） 给水温度的变化在具有给水母管的系统中，给水温度一般不会变动很大。但对于单元机组来说，如果高压加热器不能投入运行，给水温度可能比额定值低50120左右，而给水温度的降低将增加给水进入锅炉后水加热阶段的吸热量。如果燃料量不变，则会降低蒸发量，因为过热器所吸收的热量基本不变，所以在过热器中每公斤蒸汽所吸收的热量增加，使汽温升高。如果要恢复蒸发量以满足汽机的需要，结果同样使汽温升高。对于单元机组，给水温度是随着机组的出力而变化的，当机组出力降低时，由于抽气压力随之降低，使用于加热器加热给水的蒸汽减少，因此它对过热汽温的变化起到
30、一定的自补偿作用，但由于管道系统很长，其延迟较大。（2） 饱和蒸汽含湿量的变化过热器入口蒸汽（即饱和蒸汽）的焓值决定于蒸汽压力及其含湿量，饱和蒸汽含湿量越大，蒸汽焓值越小。在正常情况下，进入过热器的饱和蒸汽含湿量一般变化很小，饱和蒸汽的适度一般保持不变。但在工况不稳定和运行不正常的条件下，例如，当锅炉负荷突增，汽包水位过高，以及炉水含盐浓度太大而发生汽水共腾时，将会使饱和蒸汽的含湿量大大增加，由于增加的水分在过热器中要吸收热量，在燃烧工况不变的情况下，用于使干饱和蒸汽过热的热量相应减少，因而将引起过热汽温的下降。（3） 减温水的变化利用减温水进行调温，是目前应用较广的一种调温方式。减温器有表面
31、式和喷水式两种。该锅炉的过热汽温调节手段采用的是喷水减温，即利用减温水直接喷入过热蒸汽中进行减温。减温器中减温水的温度和流量的变化都会引起过热器蒸汽侧吸热量的变化，从而使汽温发生变化。当减温水量减小则会使过热汽温上升。现代大型锅炉过热器汽温控制一般都采用喷水减温的方法。因此减温水的扰动对汽温的影响至关重要，其动态特性是系统控制参数征订的重要依据12。3 主汽温控制系统3.1过热汽温控制的任务与对象动态特性前面已经讨论过过热汽温控制的重要性及其动态特性，这里为了方便说明其控制系统，有必要再对其重要性及对象的动态特性进行简单的说明一下。3.1.1过热蒸汽控制的重要与任务锅炉过热蒸汽温度是影响机组生
32、产过程安全性和经济性的重要参数。现代锅炉的过热器是在高温、高压的条件下工作的，过热器出口的过热蒸汽温度是机组整个汽水行程中工质温度的最高点，也是金属壁温最高处。过热器采用的是耐高温高压的合金钢材料，过热汽正常运行时的温度已经接近材料所允许的最高温度。如果过热蒸汽温度过高，容易损坏过热器，也会使蒸汽管道、汽轮机内部某些零部件产生过大的热膨胀变形而损坏，影响机组的 安全运行。如果过热蒸汽温度过低，将会降低机组的热效率，一般蒸汽温度每降低510，热效率约降低1%，不仅增加燃料消耗量，浪费能源，而且还将使汽轮机最后几级的蒸汽湿度增加，加速汽轮机叶片的水蚀。另外，过热蒸汽降低还会导致汽轮机高压部分级的焓
33、降减小，引起各级反动度增大，轴向推力增大，也对汽轮机的安全运行带来不利影响。所以，过热蒸汽温度与额定值偏差不应超过正负5。143.1.2过热蒸汽温控制对象的动态特性 目前，火电机组场中广泛采用喷水减温方式来控制过热蒸汽温度。影响汽温变化的因素很多，但主要有蒸汽流量、烟气传热量和减温水量等。在各种扰动下，汽温控制是有延迟、惯性和自平衡能力的，其阶跃响应曲线如图42所示。下面分别介绍在上述三种主要扰动作用下，过热汽温对象的动态特性。蒸汽流量扰动下过热汽温对象的动态特性。大型锅炉都采用复合式过热器，当锅炉负荷增加时，锅炉燃烧率增加，通过对流式过热器的烟气量增加，而且烟汽温度也随负荷的增大而升高。这两
34、个因素都是对流式过热器得温升高。然而，当负荷增加时，炉膛温度升高的并不显著，由炉膛辐射传给过热气的热量比锅炉蒸汽量增加所需要的热量少，因此是辐射式过热器出口汽温下降。可见，这两种形式的过热器对蒸汽流量扰动的反应恰好相反，只要设计上配合得当，就能使过热器出口汽温随蒸汽流量变化的影响减小。通常，过热汽以对流方式吸热比辐射方式吸热多，因此过热器出口汽温仍随负荷的增加而入升高，随负荷的减少而降低。应当注意：如果蒸汽流量的增加是汽机侧扰动引起的，则在锅炉燃烧率调整之前，过热汽温室随蒸汽流量的上升而下降的。当蒸汽流量发生扰动时，由于过热器上各点的汽温几乎同时变化，因此过热器出口汽温变化的迟延较小，迟延时间
35、约为20s左右。尽管蒸汽流量扰动下汽温对象的动态特性较好，但由于蒸汽负荷决定与用户，所以不能用蒸汽流量的扰动作为控制汽温的手段。烟气传热量扰动下过热汽温对象的动态特性。当燃料量、送风量或者煤种等发生变化时，都会影响烟汽温度和流量的变化，使烟气传给过热气的热量发生变化，从而使过热汽温变化。因为沿着过热器的整个长度方向上，烟气的传热是同时发生的，所以过热汽温变化很快，迟延时间很小，一般为1525s。由于烟气侧扰动时，过热气文的动态特性较好，因此可利用烟气侧的扰动作为控制汽温的手段，例如，采用烟气再循环（改变流过过热器的烟气流量）和改变喷燃气的摆角等。但这些控制方法需要锅炉具有满足自动控制要求的结构
36、和性能，而锅炉设计、制造及实际使用都还有一定的困难。减温水量扰动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，但前者由机组负荷决定，不能作为汽温的控制手段，后者使用比较困难。因此，目前常采用喷水式减温来控制汽温。当减温水量发生变化扰动时，虽然减温器出口处汽温已产生变化，但要经过较长的过热器管道才能使出口汽温发生变化，使汽温反应的迟延时间很大，而且减温器离过热器出口愈远，则对象控制通道的迟延和惯性愈大。因此，控制汽温的最有效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，喷水减温器通常装在末级过热器前温段的前面，这殃
37、及保护了过热器的高温段，同时又减少了蒸汽带水的可能性。但是，迟延时间仍然大。因此，大型单元机组一般采用多级减温。在上述三种主要扰动下，过热汽温控制对象都表现为有迟延、惯性和自平衡能力，只是迟延时间和时间常数T有所不同。其中，减温水扰动作用下的迟延和惯性最大 ，烟气侧扰动作用下迟延和惯性次之，而锅炉负荷扰动作用下的迟延和惯性最小。然而，只有烟气侧的扰动和减温水侧的扰动可作为控制汽温的手段。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迟延和时间常数T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。所以，为了提高控制质量，一般选择减温
38、器后的汽温作为局部反馈图32 两级减温水的过热汽温控制系统信号。因为这个信号能比主汽温提前反应减温水的扰动，所以称为导前信号。对于现代大型锅炉，由于过热器管道加长，结构变得复杂，迟延和惯性更大，为了完成控制主汽温度和保护过热器两个任务，多采用分段控制系统，如图3212。3.2 660MW超超临界直流机组主汽温控制特点超超临界机组运行参数( 压力和温度) 高, 锅炉为直流炉形式, 需适应大范围调峰的要求, 这些都给超超临界机组汽温控制系统设计提出了更高要求。（1）超超临界机组的运行参数值与机组金属材料极限参数值间的余地很小, 同时由于机组的材料导热、壁厚等方面的特殊性, 热应力问题变得十分突出,
39、 维持汽温的持续稳定, 对超超临界机组安全运行和机组寿命尤为重要。（2）超超临界直流炉加热段、蒸发段和过热段的温度、湿度、长度都会因燃烧率、给水、汽轮机调门开度的扰动而发生变化, 从而使汽温与其他主要参数如功率、主汽压力关联性很强, 这些参数间构成三输入三输出多变量系统, 汽温过程复杂、控制系统设计难度大。（3）机组在大范围内调峰运行, 需要主要运行参数保持稳定或保持在设定范围内的配合, 其中汽温保持稳定重要性高、难度大。汽温保持在设计值上同时也是超超临界机组发挥效率高优势的需要, 汽温几度的偏差就占据偏差损失的主要份额。153.3过热汽温控制系统的基本方案660MW的超超临界直流机组，在稳态
40、时，必须使燃料量和给水量保持一定的比例，以此将温度调节到一个中间温度，即保持一定的燃水比是直流锅炉调节汽温的根本手段，动态时过热蒸汽温度调节都采用喷水减温控制。3.3.1燃水比调节系统在超超临界机组中, 通过燃水比才能长期维持过热汽温, 由于燃水比变化时过热汽温的响应延时很大, 几乎不能直接使用过热汽温作为燃水比的反馈信号。在寻求快速、准确反映燃水比变化的信号中,处于水冷壁出口的微过热汽温或微过热蒸汽焓值,因其对燃水比扰动的响应曲线斜率是单调的, 响应相对较快并近似为一阶惯性环节, 在直流炉控制中得到广泛应用。影响燃水比稳态和动态调节的因素很多, 对超超临界机组汽温控制系统的设计具有重要意义,
41、 现分析如下。（1） 燃烧率与给水量的配合燃水比不是恒定不变的, 它必须随负荷的改变而改变, 如下式:ist=ifw+FQnetW （1）式中: ist为主蒸汽焓值, kJ/kg; ifw为给水焓值, kJ/kg;F 为燃料量, t/h;W为给水量, t/h; Qnet为燃料低位发热量, kJ/kg; 为锅炉效率。锅炉给水温度随负荷的增加而升高, 因此ifw也随之升高; 机组定压运行时, 主蒸汽温度和压力为定值, 即ist为一定值; Qnet和可视为常数, 因此燃水比F/W是随负荷的升高而减小的。无论是定压还是滑压运行, 这一公式都是计算静态燃水比F/W与负荷关系的基本公式。另一方面, 燃料量
42、和给水量在负荷改变时按燃水比F/W并行进行调整, 但二者对汽温的动态影响是不同的。为减小负荷动态调整过程中的汽温波动,还必须对负荷调整产生的燃料量指令和给水量指令分别设置动态校正环节, 保证燃料量和给水量的动态匹配。（2） 燃烧器摆角当通过燃烧器摆角或其他手段改变锅炉内各吸热段热量分配比例时, 微过热汽温或焓值必然会发生改变, 但燃水比未改变, 过热汽温保持不变, 因此控制系统中对此引起的微过热汽温的变动应加以补偿。由于烟气的流动, 扰动引起的锅炉烟气侧各处温度变化的速度很快, 从炉膛火焰中心到炉膛出口, 经水平烟道、尾部烟道到烟道出口, 每部分烟气温度改变只经历12 s, 这个时间和锅内动态
43、过程时间( 各受热面的动态过程时间为几十秒至200 s) 相比非常短暂, 可以认为炉膛内烟气热量的变化是同时作用到锅炉各受热面的。所以, 补偿燃烧器摆角等热量分配手段引起的微过热汽温改变只需静态补偿即可。（3） 燃水比调整与减温喷水的协调燃水比调整是保持汽温的最终手段, 但对过热汽温影响的迟延大; 减温喷水能较快改变过热汽温,但最终不能维持汽温恒定。将二者协调起来, 才能获得整体汽温调整和响应性能的最优。将一级喷水减温器前后温差( TPDS) 与代表适量喷水的温差设定值相比较, 形成一级减温器温差偏差( TPDS error) ,用TPDS error 去修正燃水比, 通过这一设计可达到协调二者的目的。据此调整后的燃水比将使TPDS error稳定在预定的温差设定值上, 以保持一级减温喷水阀工作在适中位置, 可及时响应对汽温上下波动进行的调整。通过给水量调整燃水比对汽温的影响滞后较大, 且燃水比着重于保持汽温的长期稳定, 所