1、本科生过程控制课程设计说明书题目：热电厂锅炉过热蒸汽温度控制设计学生姓名：*-: *专 业：测控技术与仪器班 级 指导教师：*讲师热电厂锅炉过热蒸汽温度控制设计摘要本文是针对锅炉过热蒸汽温度控制系统进行的分析和设计，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，这样可以 极大地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的状态下工 作，同时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。在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
2、温水的流量来实现控制过热蒸汽温度的目 的。关键词：串级控制系统；过热蒸汽温度；温度控制;摘要1引言1第一章生产工艺概述21.1锅炉生产工艺介绍21.2过热器的介绍31.3过热器出口蒸汽温度的干扰因素4第二章过热蒸汽温度控制原理简介62.1单回路控制系统62.2串级控制系统7第三章 过热蒸汽温度控制系统的设计103.1系统控制参数的确定103.1.1主变量的选择103.1.2副变量的选择103.1.3操纵变量的选择103.2执行器的选择113.3控制仪表的选择113.3.1温度变送器的选择113.3.2温度传感器的选择113.4主、副控制器控制规律的选择123.5控制器正、反作用的选择12总结1
3、4参考文献15引言蒸汽温度是锅炉安全、高效、经济运行的主要参数，因此对蒸汽温度控制要求严格。 过高的蒸汽温度会造成过热器、蒸汽管道及汽轮机因过大的热应力变形而毁坏；蒸汽温 度过低，又会引起热效率降低，影响经济运行。锅炉控制现场环境恶劣，采用传统的基 于模拟技术的控制器、仪器仪表或单片机，不仅结构比较复杂，效率比较低，并且可靠 性也不高。本次课程设计的主要考虑部分是锅炉蒸汽温度控制系统的设计。蒸汽过热系统包括 一级过热器、减温器、二级过热器。锅炉汽温控制系统主要包括过热蒸汽和再热蒸汽温 度的调节。主蒸汽温度与再热蒸汽温度的稳定对机组的安全经济运行是非常重要的。过 热蒸汽温度控制的任务是维持过热器
4、出口蒸汽温度在允许的范围之内，并保护过热器， 使其管壁温度不超过允许的工作温度。过热蒸汽温度是锅炉汽水系统中的温度最高点，过热蒸汽温度过高或过低，对锅炉 运行及蒸汽设备是不利的。蒸汽温度过高会使过热器管壁金属强度下降，以至烧坏过热 器的高温段，严重影响安全。一般规定过热器的温度与规定值的暂时偏差不超过10C, 长期偏差不超过5 C。如果过热蒸汽温度偏低，则会降低电厂的工作效率，同时使汽轮机后几级的蒸汽湿 度增加，引起叶片磨损。据估计，温度每降低5C,热经济性将下降约1%；且汽温偏低 会使汽轮机尾部蒸汽温度升高，甚至使之带水，严重影响汽轮机的安全运行。一般规定 过热汽温下限不低于其额定值10Co
5、通常，高参数电厂都要求保持过热汽温在540C的 范围内。由于汽温对象的复杂性，给汽温控制带来许多的困难，其主要难点表现在以下两个 方面：（1）由于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 在很多矛盾，所以影响汽温变化的因素很多，例如，蒸汽量、减温水给水量、烟气侧的 过剩空气系数和温度等都可能引起汽温变化。（2）随着机组容量和参数的增加，蒸汽的过热受热面的比例加大，使其延迟和惯 性更大，从而进一步加大了汽温控制的难度。第一章生产工艺概述1.1锅炉生产工艺介绍锅炉是过程工业中必不可少的动力设备。它所产生的蒸汽不仅可供生产过程作为热 源，而且还可作为蒸汽透平的动力源。在热电厂中
6、按锅炉设备所使用燃料的种类、燃烧 设备、炉体形式、锅炉功能和运行要求的不同，锅炉生产有各种不同的流程。常见锅炉设备的工业流程如图1.1所示：蒸汽发生系统由给水泵、给水调节阀、省煤器、汽包及循环管组成。燃料和热空气 按照一定的比例进入燃烧室燃烧，产生的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽Ds , 然后经过热器成一定汽温的过热蒸汽D,汇集至蒸汽母管。压力为Pm的过热蒸汽，经 负荷设备调节阀供给生产负荷使用。与此同时，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。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
7、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 系统：锅炉汽包水位控制系统：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；锅炉燃烧系统的控制：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，使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；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；锅炉水处理过程：主要使锅炉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
8、过热温度的部件。过热器概述：过热蒸汽温度的高低取决于锅炉的压力、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 350375C,过热器前布置有大量对蒸汽管束，进入过热器的烟温约在700C上下。中压 锅炉多为烧煤粉或重油的室燃炉，其过热气温为450C,这时的炉膛辐射传热的烟温可 达1000C左右。高压锅炉，尤其超高压锅炉，加热水的热量和过热热量增大很多，而蒸 发热减少，当有中间再过热时，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，是吸收部分辐射热。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，
9、否则蒸汽在汽轮机膨胀终了的湿度就会过高，影响汽轮机的安全。 但蒸汽温度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 终了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%,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。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
10、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受的温度最高，因此必须采用耐高 温的优质低碳钢和各种铭钥合金钢等，在最高的温度部分有时还要用奥氏体铭镣 不锈钢。锅炉运行中如果管子承受的温度超过材料的持久强度、疲劳强度或表面 氧化所容许的温度限值，则会发生管子爆裂等事故。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1.2 (a)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特性，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各点
11、温度几乎同时变化。图1.2在扰动下温度的变化曲线2、烟气传热量的扰动燃料量增减，燃料种类的变化，送风量、吸风量的改变都将引起烟气流速和烟气温 度的变化，从而改变了传热情况，导致过热器出口蒸汽温度的变化。由于烟气传热量的 改变是沿着整个过热器长度的方向上发生的，因此汽温变化的延迟很小，一般在1020s 之间。烟气传热量扰动的汽温响应曲线如图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。过热器是具体有分布参数的对象，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
12、联单容对象，最终引 起过热器出口温度9 s变化。因此，0 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。第二章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，二是为了保护过热器。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和对流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（末级过热器）之前，这一级热惯性小，可保证出口汽 温能得到迅速调节。减温器共有四只
13、，每级安装两只，每只喷水量为每级喷水量的一半。 减温水源为自制冷凝水。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单回路控制系统单回路控制系统是各种复杂控制系统的基础，由于其控制简单而得到广泛应用。由 图2.1可知，这种调节方法是最不理想的。理论上减温器应尽可能地安装在靠近蒸汽出口处，但需在过热器材料安全的基础 上，这样会得到较好的动态特性。但作为控制对象的过热器由于管壁金属的热容量比较 大，使其有较大的热惯性，加上管道有一定较长时间的传递滞后，同
14、时在单回路控制系 统，调节器在接受过热器出口蒸汽温度的变化后，调节器才会开始动作，去控制减温水 的水流量变化又要经过一段时间才能影响到蒸汽温度的变化，这样既不能及早发现扰 动，又不能及时反映控制的效果，将使蒸汽温度发生不能允许的动态偏差，即使整个系 统采用PID算法。这样的控制方案会影响到锅炉生产的安全，而且还不够经济。图2. 1单回路控制系统原理图2.2串级控制系统由图2. 2可以看出，锅炉蒸汽温度串级控制系统采用两级调节器串在一起的；两级 调节器各有其特殊的任务，调节器1直接控制调节阀的动作，同时调节器2控制着调节 器1的设定值，从而形成了特殊的双闭环系统，其中副环由调节器1和减温水出口温
15、度 组成，调节器2和出口蒸汽温度形成的闭环为主环。主环和副减起构成了一个完整的 串级控制系统。其中调节器1为副调节器，主调节器是调节器汨图2. 2过热蒸汽温度串级控制系统原理图串级控制系统的原理方框图如图2. 3所示，具有内外两个回路。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。其中主调节器的的给定值使是一个定值，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
16、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、副调节器均具有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翅哄用性。图2. 3串级控制系统方框图再者，在串级控制系统中，两个调节器串联工作，但是以主调节器为主导，保证主 变量为目的，在整个控制过程两个调节器协调一致，互相配合，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
17、体体现在：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；在一定程度上提高了系统的工作频率，使震荡周期明显缩短，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；整个控制系统对二次干扰即包括在副回路范围内的扰动具有很强的克服能力， 这是单回路控制系统所不能实现的；对负荷或操作条件的变化有一定的自适应能力。综上所述，串级控制系统更适应锅炉蒸汽温度的控制。第三章过热蒸汽温度控制系统的设计3.1系统控制参数的确定3.1.1主变量的选择根据串级控制系统选择主变量的原则：在条件允许的情况下，首先应尽量选择能直 接反映控制目的的参数为主变量；其次，要选择与控制目的有
18、某些单值对应关系的间接 单数作为主变量：最后，所选的主变量必须要足够的变化灵敏度。所以，在本系统中需选择送入负荷设备的出口温度作为主变量。该参数可以直接反 映本系统的控制目的。3.1.2副变量的选择副回路应该把生产系统的主要干扰包括在内，应力求把变化幅度最大、最剧烈和最 频繁的干扰包括在副回路内，以充分发挥副回路改善系统动态特性的作用，保证主参数 的稳定，为发挥这一特殊作用，在系统设计时，副参数的选择应使得副回路尽可能多的 包括一些扰动。同时要求主、副对象的时间常数应适当匹配。并且应保证副变量的选择 能实现生产工艺上的合理性、可能性和经济性。综上所述，应选择减温器和过热器之间的蒸汽温度作为副变
19、量。3.1.3操纵变量的选择控制变量和扰动变量是工业过程的两大输入变量。其中，干扰时刻存在的，它是影 响系统平稳操作的主要因素，而操纵变量的主要作用是克服干扰的影响，是系统能重新 稳定运行的因素。选择操纵变量的基本原则为：选择对所选定的被控变量影响较大的输入量作为操纵变量；在的前提下，选择变化范围较大的输入量作为控制变量，以便于控制；在的基础上选择对被控变量作用效应较快的输入变量作为控制变量，使控制系 统响应较快；综上所述，应选择减温水的输入量作为操纵变量。3.2执行器的选择在本系统中，调节阀是系统的执行机构，是按照调节器所给定的信号大小和方向， 改变阀门的开度，来实现调节流体流量的装置。调节
20、阀的口径大小，直接决定着控制介质流过它的能力。为了保证系统有较好的流 通能力，需要使控制阀两端的压降在整个管线的总压降中占有较大的比例。在正常工况 下一般要求调节阀开度应处于15%-85%之间，具体应根据实际需要的流通能力的大小 进行选择。调节阀按驱动方式可分为：气动调节阀、电动调节阀和液动调节阀，即以压 缩空气为动力源的气动调节阀，以电为动力源的电动调节阀，以液体介质（如油等） 压力为动力的电液动调节阀；由于生产现场有防爆要求，所以应选择气动执行器。此设计中的串级控制系统主要是通过换热来达到控制的目的，过热蒸汽在过 热器内与减温水进行热交换被冷却，调节阀安装在减温水的管道上，用换热后的 蒸汽
21、温度来控制减温水的水量，在气源中断时，调节阀应处于开启位置更安全些， 宜选用气关式调节阀。3.3控制仪表的选择3.3.1温度变送器的选择温度变送器可分为电动和气动，常用的控制仪表有电动II型、田型。再串级系统中， 选用的仪表不同，具体的实施方案也不同。电动II型和电动田型仪表就其功能而言是基本上相同的，但是就其控制信号而言是 存在差异的。具体表现在：电动II型的典型控制信号为010mADC,电动III型的典型控 制信号时420mADCo另外，与II型仪表相比III型仪表操作、维护更为方便、简捷，同 时田型仪表还有较完善的跟踪、保持电路，使得手动切换更为方便，随时都可以进行转 换，而且保证无干扰
22、。综上所述，在本设计中需选用电动田型仪表。3.3.2温度传感器的选择温度传感器有热电偶和热电阻两种。在本设计中，最好选用热电偶温度传感器。 原因在于热电偶的测温范围广（一200。1300。,特殊情况下一270C2800C ）, 耐高温，精度高，结构简单，更换方便，压簧式感温元件，抗震性能好，可以将热 能转换为电能，用所产生的热电势测量温度。具有采用K型热电偶。原因在于：K型热电偶可以直接测量各种生产中从0C到1300C范围的液体蒸汽和气体 介质以及固体的表面温度。K型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度高，稳定性和均匀性较好， 抗氧化性能强，价格便宜等优点，能用于氧化性惰性气氛中。3.4主
23、、副控制器控制规律的选择由于在控制系统中，主、副调节器的任务不同，对它们各自的选择也应有不同的考 虑。主调节器的任务是准确保持被调量符合生产要求。凡是需采用串级控制的生产过 程，对控制的品质都是很高的，不允许被调量存在静差。因此主调节器必须具有积分作 用，一般都采用PI调节器。如果控制对象惰性区的容积数目较多，同时又有主要扰动 落在副回路以外的话，就可以考虑采用PID调节器。副调节器的任务是要快速动作以迅速消除进入副回路内的扰动，而且副参数并不要 求无差，所以一般都选P调节器，也可采用PD调节器，但这增加了系统的复杂性，在 一般情况下，采用P调节器就足够了，如果主、副回路频率相差很大，也可以考
24、虑采用 PI调节器。3.5控制器正、反作用的选择对于一个完整的串级控制系统，主、副控制器的正、反作用的判断应该是先副后主。副回路的正、反作用的选择：副回路的具体情况决定了副控制器的正、反作用，而 与主回路无关。为了使副回路能构成一个稳定的系统，所以副回路的开环放大系数符号 必须是“正”。即副回路中所有环节的放大倍数符号的乘积为“正”。在本串级控制系统 中随着调节阀的开度增加，减温水的流量会随之增加，副对象即减温器后端蒸汽会有一 定幅度的降低，所以调节阀对副对象的作用为负；而调节阀是气关阀，其控制作用为负； 变送器的控制作用均为正，为了保证开环放大系数乘积的符号为“负”，所以副调节器 的控制作用
25、符号需为“正”，即副调节器的控制作用为反作用。主回路的正、反作用的选择：与副回路相同，主回路中主控制器的正、反作用要根 据主回路所包括的各个环节的情况来确定，同时由于副回路是一随动系统，所以可将整 个副回路视为一放大系数为负的环节来对待。在本系统中，随着调节阀的开度增加，主 对象即过热器出口的蒸汽温度会降低，所以主对象的放大倍数的符号为负，为了保证开 环放大系数乘积的符号为“正”，所以主控制器的控制作用符号“正”，即控制器的控 制作用为反作用。总结我的课程设计题目是“热电厂锅炉过热蒸汽温度控制系统的设计“，刚开始选的时 候，自己感觉特别迷茫，都不知道该怎么去弄。在设计的头几天，自己一点头绪都没
26、有, 虽然每天都会上网或者看书来找相关的资料，但是觉得能用到的少之又少。特别是在答 疑的时候，老师还要求用Visio画图，自己的感觉就更加没自信了。但当自己真的安下 心来整理时，才发现其实这真的不算什么。本次的设计运用到了很多上学期学到的知识，有一些都记不清楚了或者有些东西是 更本就不知道的。其实在设计的时候，基础是根本。再者，设计过程中难免会遇到这样那样的自己无法解决的问题，这是周围的老师、 同学就成了最完美的求助对象。在他们的建议下，一切的问题都变成了不是问题。虽然这次的设计只属于课程设计，但它的基本思路将会适用于以后的各种设计。还 有最重要的一点，就是不论你做什么事，态度是决定一切的关键
27、，如果只是敷衍了事那 是万万不可的，对待任何一件事都要认真的去思考，用思想来完成每一件事。参考文献1胡寿松.自动控制原理M.北京：科学出版社，2001： 40-802俊华.锅炉再热汽温控制系统的优化J.江苏电机工程，2004, (7)： 43-59 石成江.锅炉控制系统总体实施方案J.沈阳化工学院院报,2002, 3(1) : 76-774吴勤勤，张雪申等.控制仪表与装置M.北京:化学工业出版社，1997： 24-395张宝芬等.自动检测技术及仪表控制系统M.北京:化学工业出版社,1999： 10-156甘晖.锅炉温度控制策略的应用研究J.工业仪表与自动化装置，2009, (6):45-467金以慧.过程控制国.北京:清华大学出版社,1993： 45-508张玉铎，王满稼等.热工自动控制系统M.北京:水利电力出版社，1985： 15-259林文孚，胡燕.单元机组自动控制技术M.北京：中国电力出版社，2004： 69-82
