1、遼 寧 工 業 大 學 過程控制 課程設計（論文）題目： 發電廠鍋爐過熱蒸汽溫度控制課程設計 院（系）： 電氣工程學院 專業班級： 自動化093 學 號： 090302075 學生姓名： 王松 指導教師： （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進行的分析和設計，而對鍋爐過熱蒸汽的良好控制是保證系統輸出蒸汽溫度穩定的前提。所以本設計采用串級控制系統，這樣可以極大地消除控制系統工作中的各種干擾因素，使系統能在一個較為良好的狀態下工作，同時鍋爐過熱器出口蒸汽溫度在允許的范圍內變化，并保護過熱器管壁溫度不超過允許的工作溫度。在本設計用到串級控制系統中，主對象為送入負荷設備的出口溫度

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現控制過熱蒸汽溫度的目的 關鍵詞：串級控制系統 ；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 生產工藝概述················

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

9、3;····························21.1 鍋爐生產工藝介紹···················

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··········

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

17、3;·····················52.2 串級控制系統···························

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

19、;··········5第三章 過熱蒸汽溫度控制系統的設計·····································

20、;·····················83.1系統控制參數的確定··························

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············································&

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

42、#183;···············································10參考文獻·&

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

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

45、#183;·····························10引言蒸汽溫度是鍋爐安全 高效 經濟運行的主要參數，因此對蒸汽溫度控制要求嚴格。過高的蒸汽溫度會造成過熱器，蒸汽管道及汽輪機因過大的熱應力變形而毀壞；蒸汽溫度過低，又會引起熱效率降低，影響經濟運行。鍋爐控制現場環境惡劣，采用傳統的基于模擬技

46、術的控制器、儀器儀表或單片機，不僅結構比較復雜，效率比較低，而且可靠性也不高。 本次課設設計的主要考慮部分是鍋爐蒸汽溫度控制系統的設計。蒸汽過熱系統包括一級過熱器、減溫器、二級過熱器。鍋爐汽溫控制系統主要包括過熱汽和再熱蒸汽溫度的的調節。主要蒸汽溫度與再熱蒸汽溫度的穩定對機組的安全經濟運行時非常重要的。過熱蒸汽溫度控制的任務是維持過熱器出口溫度在允許的范圍之內，并保護過熱器，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中的溫度的最高點，過熱蒸汽溫度過高或是過低，對鍋爐運行及蒸汽設備是不利的。蒸汽溫度過高會使過熱器管壁金屬強度下降，以至燒壞過熱器的高溫段，嚴重影響安全。一般規定過熱

47、器的溫度與規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，同時使汽輪機后幾級的蒸汽濕度增加，引起葉片磨損。據估計，溫度每降低5攝氏度，熱經濟性將下降約1%；且汽溫偏低會使汽輪機尾部蒸汽溫度升高，甚至使之帶水，嚴重影響汽輪機的安全運行。一般規定過熱氣溫下限不低于其額定值10 攝氏度。通常，高參數電廠都要求保持過熱汽溫在540攝氏度的范圍內。由于汽溫對象的復雜性，給汽溫控制帶來許多的困難，其主要難點表現在以下兩個方面：1 由于過熱器是一個多容且延遲較大的慣性環節，設備結構設計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、煙氣側的過剩空氣系數和溫度等都可能引起汽溫變化。2 隨著機組容量和參數的增加，蒸汽的過熱受熱面的比例加大，使其延遲和慣性更大，從而進一步加大了汽溫控制的難度。1第一章 生產工藝概述1.1鍋爐生產工藝介紹鍋爐是過程工業中必不可少的動力設備。它所產生的蒸汽不僅可提供生產過程作為熱源，而且還可以作為蒸汽透平的動力源。在熱電廠中按鍋爐設備所使用的燃料的種類、燃燒設備、鍋體形式、鍋爐功能和運行要求的不同，鍋爐生產有各種不同的流程。常見鍋爐設備的工業流程如圖1.1 所示蒸汽發生系統由給水泵、給水調節閥、省煤器、汽包及循環管組成。燃料和熱空氣按照一定的比例進入燃燒室燃燒，產生的熱量傳遞給

49、蒸汽發生系統，生產飽和蒸汽Ds，然后經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，經負荷設備調節閥供給生產負荷使用。與此同時，燃燒過程中產生煙氣，將飽和的蒸汽變成過熱蒸汽后，經省煤器預熱鍋爐預熱空氣，最后經引風機送往煙筒排入大氣。鍋爐設備的控制任務：根據生產負荷的要求，供應一定壓力或溫度的蒸汽，同時要使鍋爐在安全、經濟的條件下運行。按照這些控制要求，鍋爐設備將有如下主要的控制系統：a) 鍋爐氣包水位控制系統：主要是保持汽包內部的水位平衡，使積水量適應鍋爐的蒸汽汽量，維持汽包中水位在工藝允許的范圍內；b) 鍋爐燃燒系統的控制：其控制方案要求滿足燃燒所產生的熱量，適應蒸汽

50、負荷的需要，使燃燒與空氣量保持一定的比值，保證燃燒的經濟性和鍋爐的安全運行，使引風量與送風量相適應，保持爐膛負壓在一定范圍；c) 過熱蒸汽系統控制：主要使過熱器出口溫度在保持在允許范圍內，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達到工藝要求。2 圖1.1鍋爐設備主要工藝流程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，蒸發量、剛才的耐高溫性能及燃料與剛才的比價等因素，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，而蒸發熱減少，當有中間再過熱時，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，是吸收部分輻射熱。為了提高電廠熱力循環的效率，蒸汽的初參數不斷提高。蒸汽壓力的提高要求相應的提高過熱蒸汽溫度，否則蒸汽在汽輪機膨脹終了的濕度就會過高，影響汽輪機的安全。但蒸汽溫度的增高需受到過熱器剛才高濕強度性能的限制，因而采用了中間再熱，即高壓高溫蒸汽在汽輪機內膨脹至某一中間壓力后，引到布置在鍋爐煙道內的再熱器，再一次加熱

52、升溫，然后又回到汽輪機的中、低壓缸，繼續膨脹至凝汽器壓力，這樣蒸汽膨脹終了的濕度可控制在允許的范圍內。超高壓機組采用中間再熱時，理論上可使循環經濟性相對提高68%，在實際設備中，由于有壓降損失，熱經濟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質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。鍋爐運行中如果管子承受的溫度超過材料的持久強度、疲勞強度或表面氧化所容許的溫度限值，則會發生管子爆裂等事故。1.3過熱器出口蒸汽溫度的干擾因素1. 蒸汽流動干擾 汽輪機負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。可以看到，溫度影響具有自平衡特性，而且慣性和延遲都比較小。這是因為蒸汽變化時，沿過熱器管道長度方向的各點溫度幾乎同時變化。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，送風量、吸風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的對象，可以把管內的蒸汽和金屬管壁看做無窮多個單容對象串聯組成的多容對象。當噴水量發生變化后，需要通過這些串聯單容對象，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，延遲越大。噴水量擾動下的動態特性曲線如圖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，一是為了使汽溫調節更靈敏，減小熱慣性，二是為了保護過熱器。第一級噴水減溫器布置在前屏過熱器之后，調節量較大且調節惰性大，用來調節因負荷、給水溫度和燃料性質變化而引起的氣溫變化，為粗調

55、。另外它還有保護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節。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和計算機技術的不斷4發展，新的控制方法不斷出現，汽溫控制的質量也不斷提高。傳統的汽溫控制系統有兩種：單回路控制系統和串級氣溫控制系統。2.1單回路控制系統 單回路控制系統是各種復雜控制系統的基礎，由于其控制簡單而得到廣泛應用。由圖2.1可知，這種調節方法是最不理想的。 理論上減溫器應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上，這樣會得到較好的動態特性。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，調節器在接受過熱器出口蒸汽溫度的變化，調節器才會開始動過，去控制減溫水的水流量變化又要經過一段時間才能影響到蒸汽溫度的變化，這樣既不能及早發現現擾動，又不能及時反映控制的效果，將使蒸汽溫度發生不能允許的動態偏差，即使整個系統采用PID算法。這樣的控制方案會影響到鍋爐生產的安全，而且還不夠經濟。入口溫度減溫器減溫水 圖2.1 單回路控制系統原理圖2.2串級控制系統由圖2.2 可以看出，鍋爐蒸汽溫度串級控制系統采用兩級

57、調節器串在一起的；兩級調節器各有其特殊的任務，調節器1直接控制調節閥的動作，同時調節器2控制著調節器1的設定值，從而形成了特殊的雙閉環系統，其中副環由5調節器1和減溫水出口溫度組成，調節器2和出口蒸汽溫度形成的閉環為主環，主環和副環一起構成了一個完整的串級控制系統。其中調節器1為副調節器，主調節器是調節器2入口溫度減溫水溫度變送器減溫器調節器1 圖2.2 過熱蒸汽溫度串級控制系統原理圖 串級控制系統的原理方框如圖2.3所示，具有內外兩個回路。內回路由導前汽溫變送器、副調節器、執行器、減溫水調節閥及減溫器組成；外回路由主汽溫對象，汽溫變送器，主調節器及整個內回路組成。由圖可知，主調節器的輸出即副

58、調節器的給定，而副調節器的輸出直接送往調節閥。其中主調節器的給定值是一個定值，所以主回路是一個定值控制系統。副回路的給定值是由主調節器的輸出給定的，所以它隨主調節器輸出的變化而變化，為一個隨動控制系統。系統中以減溫器的噴水作為控制手段，通過減溫水的控制達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，主調節器多采用PID控制規律，副調節器采用PI或P控制規律，在主、副調節器均具有PI控制規律的情況下，當系統達到穩定時，主。副調節器的輸入偏差均為零。從而提高了整個系統的準確度和實用性。6Gc1Gc2GvGp2Gp1Gm2Gm1副調節器 主調節器設定值 圖2.3 串級控制系統方框圖 再者，

59、在串級控制系統中，兩個調節器串聯工作，但是以主調節器為主導，保證主變量為目的，在整個控制過程兩個調節器協調一致，互相配合，若干擾來自副回路，副調節器首先進行粗調，主調節器再進一步進行細調。相對于過于簡單的單回路控制系統，串級控制系統的控制質量明顯優越。具體體現在：1 由于副回路的存在沒減少了控制對象的時間常數，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的工作頻率，使振蕩周期明顯縮短，調節時間也有一定程度上的縮短，系統的快速性相對增強了；3整個控制系統對二次干擾即包括在副回路范圍內的擾動具有很強的克服能力，這是單回路控制系統所不能實現的；4 對負荷或操作條件的變化有一定的

60、適應能力。綜上所述，串級控制系統更適應鍋爐蒸汽溫度的控制。7第三章 過熱蒸汽溫度控制系統的設計3.1 系統控制參數的確定3.1.1 主變量的選擇 根據串級控制系統選擇主變量的原則：在條件允許的情況下，首先應盡量選擇能直接反應控制目的的參數為主變量；其次，要選擇與控制目的有些單值對應關系的間接單數作為主變量；最后，所選擇的主變量必須足夠的變化靈敏度。 所以，在本系統中需選擇送入負荷設備的出口溫度作為主變量。該參數可以直接反映本系統的控制目的。3.1.2 副變量的選擇 副回路應該把生產系統的主要干擾包括在內，應力求把變化幅度最大，最強烈和最頻繁的干擾包括在副回路內，以充分發揮副回路改善系統動態特性

61、的作用，保證主參數的穩定，為發揮這一特殊作用，在系統設計時，副參數的選擇應使得副回路盡可能多的包括一些擾動。同時要求主、副對象的時間常數應適當匹配。且應保證副變量的選擇能實現生產工藝上的合理性，可能性和經濟性。終上所述，應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過程的兩大輸入變量。其中，干擾時刻存在的，它是影響系統平穩操作的主要因素，而操縱變量的主要作用是克服煩擾的影響，是系統能重新穩定運行的因素，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的基礎上選擇被控制變量作用效應較快的輸入變量作為控制變量，是控制系統響應較快；4 綜上所述，應選擇減溫水的輸入量作為操縱變量。3.2 執行器的選擇 在本系統中，調節閥是系統的執行機構，是按照調節器所給定的信號大小和方向，改變閥門的開度，來實現調節流體流量的裝置。 調節閥的口徑大小，直接決定著控制介質流過他的能力。為了保