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主汽温控制系统

  • 来源: 大发彩票华东电力试验研究院
  • 作者: 李达
  • 发布时间: 2018-06-25

一、热力系统介绍

锅炉过热器是由辐射式过热器,对流过热器和减温器等所组成。其任务是将由汽包出来的饱和蒸汽加热到一定数值,然后送往汽机去作功。由于过热器承受高温高压,过热器正常运行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,必须相当严格地将过热汽温控制在给定值附近。中、高压锅炉过热汽温的暂态偏差不允许超过±10℃,长期偏差不允许超过±5℃,这个要求对于汽温控制系统来说是非常高的。汽温过高会使过热器和汽机高压缸承受过高的热应力而损坏,汽温偏低会降低机组热效率,影响经济运行。

二、控制原理

(1)影响主蒸汽汽温变化的因素
1)锅炉负荷:对于对流式过热器,随着负荷增加,燃料消耗量增大,使烟气流速增加,同时烟温升高,使对流传热量增大,则相对每千克蒸汽吸热量增加,从而造成出口蒸汽温度升高。并且过热器离炉膛出口越远,这种特性表现越明显。但辐射式过热器具有相反的汽温特性。这是由于,随着负荷增加,炉膛的平均温度变化不大,辐射传热量增加不多,相对1kg蒸汽的辐射吸热量反而减小,因而造成出口汽温下降。所以把对流过热器与辐射过热器适当地串联配合,可取得较平稳的汽温特性。
2)过量空气系数:炉膛出口过量空气系数增大,送入炉膛的风量增加,炉膛内温度水平降低,辐射传热量减少。而对流传热因烟气流速的提高而加大。因此辐射式过热器汽温降低,对流过热器汽温增高。目前大多数过热器系统,虽有一部分辐射式或半辐射式过热器受热面,但过量空气系数对整个系统汽温的影响呈对流传热特性。即过量空气系数增大,对流传热增强,汽温升高。
3)给水温度:给水温度降低,过热汽温增高。这是由于给水温度降低,工质在锅炉中所吸收的总热量增大,燃料量要加大,从而使炉膛温度水平提高,辐射传热量有所增高。而对传热量也因烟温和烟速增加而升高。
4)燃料性质:当煤粉变粗或煤的挥发分降低,使煤粉在炉内燃尽时间延长,火焰中心位置上移,过热汽温升高。燃煤水分增加,炉膛温度水平降低,炉膛辐射传热量减少。水分增加、烟气流速增加,对流烟道的烟温略升,则对流传热量增大。因此辐射式过热器汽温降低,对流过热器汽温增高。
5)火焰中心位置:不同的燃烧器运行方式,不同的三次风量,都可能影响炉膛火焰中心位置改变。火焰中心位置上升,过热汽温将增高。
6)饱和蒸汽湿度:当汽包水位过高,蒸汽温度加大,过热汽温下降。由于影响过热汽温的因素很多,在运行中,过热汽温经常发生变化。为了保持额定温度,电厂锅炉必需装有调节汽温的设备。对过热汽温的调节方法主要有:表面式减温器、喷水式减温器、摆式燃烧器等。现代大型锅炉,调节过热汽温的主要手段是利用喷水式减温器。
(2)汽温控制系统的几个设计原则
1)影响汽温变化的因素很多,选择改变烟气流量或烟气温度作为汽温调节手段时过热汽温的动态特性较好,但实现起来较麻烦,并造成与燃烧控制系统的相互干扰。
2)目前广泛采用喷水减温作为控制汽温的手段。对于维持汽温的要求而言,此时被控对象根据汽温来调节,往往不能满足生产上的要求,因此在设计自动控制系统时,应该加入比过热汽温能提前反映变化的前馈补偿信号,如负荷前馈信号,导前汽温信号等。当扰动产生后,过热汽温还未发生明显变化的时候就进行调节,能及早地消除扰动对汽温造成的影响,以便有效地控制汽温的变化。
3)尽量采用快速测量元件,选择正确的安装位置,以减小控制通道的滞后和惯性,不能及时地反映温度的突然变化,因此也就不能及时发出控制信号,造成控制系统稳定性差和控制质量不好。
4)对于现代大型锅炉,由于过热器管道长,结构变得复杂,其滞后和惯性大大增加,这时汽温控制应采用分段控制系统。
由于各种锅炉过热器的构造不一样,它们的动态特性和静态特性也有差异,因而过热汽温的自动控制系统大致可分为:串级汽温控制系统,采用导前汽温微分信号的双冲量汽温控制系统,相位补偿汽温控制系统和分段汽温控制系统。还有一些新的控制策略如自适应、模糊、现代控制等方式。
(3)串级汽温控制系统
采用喷水减温的串级汽温控制系统如图1所示。从被控对象的动态特性来看,喷水扰动下的汽温动态特性不如其他扰动下的动态特性,为了克服控制通道的滞后和惯性采用了导前汽温信号θ2,在喷水量扰动下θ2肯定比主汽温θ1能提前反映控制作用。因此,采用导前汽温信号θ2构成串级控制系统,以改善汽温的控制质量。

图2 采用导前汽温微分信号的双回路汽温控制系统

2)解决系统滞后与惯性大的问题还可采用相位补偿的汽温控制系统。原理图如图3所示。它是在主回路上串入一个相位补偿器进行相位超前和幅值校正。其实质是过热器惰性区的惯性特大,其相位滞后采用一阶超前校正往往不能得到满意的效果,可采用二阶超前校正进行补偿。它提高了系统的稳定裕量和改善了输入信号的快速性,同时也在一定程度上改善了系统的稳定性。串联超前校正的优劣取决于微分作用的强弱。一般说来,微分作用不宜过强,否则不会降低系统的抗干扰能力,且使校正环节的稳态衰减过大,从而要求调节器具有较小的比例带给予补偿,这在系统的具体实现上将会产生一定困难。

图3采用相位补偿的过热汽温控制系统

3)负荷分配不平衡可采用分段控制系统。对于分段控制系统,由于过热器受热面传热形式和结构的不同,可以采用不同的控制方法。如果整个过热器的受热面的传热形式属于纯对流形式,则应采用分段控制法将各段汽温维持在一定值,每段设置独立的控制系统。如果过热器的受热面传热形式既有对流也有辐射,则必须采用温差控制系统,即前级喷水用以维持后级减温器前后的温差,即按温差控制的分段控制系统。
a)过热器温分段控制系统:如图4所示。Ⅰ级喷水调节保持第Ⅱ段过热器出口汽温不变。Ⅱ级喷水调节保持第Ⅲ段过热器出口汽温不变。各段的控制方案都采用具有导前微分信号的双回路系统。各段被控对象的滞后和惯性都小于只采用一段喷水的控制方案,因而大大改善了控制质量。

图4 过热汽温分段控制系统

b)按温差控制的分段控制系统:如图5所示。Ⅰ段过热器为辐射传热,Ⅱ段为对流传热,对于这种传热方式不同的过热器,仍采用分段控制法控制各点温度,则会造成Ⅰ级减温器与Ⅱ级减温器的喷水量随负荷变化且相差很大。因为负荷增加时,Ⅰ段辐射式过热器出口汽温将降低,为了保持汽温不变,则必须减少Ⅰ段喷水。Ⅱ段过热器为对流传热,负荷增加时,出口汽温将增加,为了保持出口汽温为给定值,Ⅱ级减温器必须加大喷水量。这样,两个减温器喷水量是一个减少加一个增加,造成负荷变化时两级减温器喷水量相差很大,使整个过热器喷水不均匀,所以必须改用按温差控制喷水。工作原理如下:PI1调节器的输入是由加法器来的Ⅱ级减温器前后的温差信号,PI1的输出作为副调节器PI2的给定值,去控制Ⅰ级减温器的喷水量,维持Ⅱ级减温器的温差随负荷而变化。可列出加法器和PI1入口信号的综合平衡方程式:
θ2-θ2’=G-f(D)
当负荷增加时,θ2-θ2’将要减小,这意味着Ⅰ级喷水必须喷得更多一些才能将Ⅰ段过热器出口汽温维持在较低值。这样就可防止负荷增加时Ⅰ级喷水量减少,达到Ⅰ级喷水和Ⅱ级喷水量相差不大的目的。同时Ⅰ级的多喷进水量对Ⅱ段过热器汽温来说有超前的作用,因为负荷增加时,Ⅱ段过热器出口汽温肯定是升高的。这样,各段过热器喷水量接近均匀,保证了过热器的安全运行。Ⅱ级减温器温度控制系统和一般串级汽温控制系统,主调节器PI3主要维持出口汽温为定值。PI4为副调节器,接受PI3输出信号。另外,为了克服烟气扰动下的过热器喷水调节过程的滞后和惯性,系统采取了一个负荷扰动前馈信号。负荷信号采用比例和微分的特性,同时送入PI2和PI4调节器,以提前调节减温水流量,消除负荷侧扰动,提高了控制质量。

 

图5 温差控制系统

(5)现代控制技术
PID控制以其简单有效的特点,在工业控制领域得到了相当广泛的应用,但是PID控制存在着精度不高,对复杂系统调节效果不好等一些缺点。现在又发展出各种新的控制策略。线性系统控制理论是现代控制理论的一个基础,可以对线形模型进行定量分析。最优控制是利用变分法得到最好的期望值。鲁棒控制通过在范数空间对能量的镇定,满足系统对稳定性的要求,广泛地应用在航空、航天等部门。变结构控制在不同的阶段,利用不同的控制手段,来达到更好的控制结果。
但是工业现场的参数甚至结构经常变化,针对这种情况,自适应控制应运而生,其策略就是不断对现场系统进行辩识,并不断修改控制系统的参数以确保控制效果。其主要辩识方法有最小二乘法,极大似然法等。
工业现场的数学模型有时很难建立,而且对于非线性时变系统,现代控制理论的应用也相当困难。神经网络等相对“柔性”的控制算法在这种情况下有比较好的表现。神经网络具有自学习性,可以根据现场的变化来调节参数,也具有相对好的鲁棒性。但其需要一定的规模来避免陷入局部极值点。

 


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