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锅炉过热蒸汽温度控制系统

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2020年4月19日
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锅炉过热蒸汽温度控制系统
在燃煤锅炉运行中，过热蒸汽温度是一个很重要的控制参数。过热蒸汽温度是锅炉运行质量的重要指标之一，过热蒸汽温度较高，可能造成过热器蒸汽管道损坏；过热蒸汽温度过低，会降低内功率。因此在锅炉运行中，必须保持过热蒸汽温度稳定在规定值附近。

本文介绍模糊控制在中小型燃煤锅炉过热蒸汽温度中的应用，采用模糊控制系统的思路，并用此方法控制燃煤锅炉的过热蒸汽温度，使得锅炉过热蒸汽温度即使在扰动幅度较大的情况下仍能保持平稳。模糊控制的控制算法不依赖于对象的数学模型,算法简单,易于实现,且对干扰和对象模型时变具有较强的适应性，它能根据输出偏差的大小进行自动调节，使输出达到给定值。能提高国内锅炉的燃烧效率、燃料适应性、负荷调节性能、污染、灰渣等众多独特优点而受到越来越广泛的重视，在电力、供热、工厂蒸汽生产中得到越来越广泛的应用。

以某600MW汽轮发电机组的汽包锅炉为例，其过热蒸汽生产流程简图和流程图如下图所示：

过热蒸汽流程图

1． 1 过热蒸汽温度控制的任务
过热蒸汽温度控制的主要任务是维持过热器出口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， 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；过热蒸汽温度偏低，则会降低发电机组能量转换效率。据分析，气温每降低5℃，热经济性将 下降 1 ％；且汽温偏低会使汽轮机尾部蒸汽湿度增大,甚至使之带水，严重影响汽轮机的安全运行。该机组要求控制过热蒸汽温在5 3 8～ 5 4 8℃ 的范围内。

2 ．2 影响过热蒸汽温度的主要因素
2 ． 2． 1 燃料、给水比(煤水比)
只要燃料、给水比的值不变，过热汽温就不变。只要保持适当的煤水比，在任何负荷和工况下，直流锅炉都能维持一定的过热汽温。
2． 2． 2 给水温度
正常情况下，给水温度一般不会有大的变动；但当高压加热器因故障退出运行时，给水 温度就会降低。对于直流锅炉，若燃料不变，由于给水温度降低时，加热段会加长、过热段缩短，因而过热汽温会随之降低，负荷也会降低 。
2． 2． 3 过剩空气系数
过剩空气系数的变化直接影响锅炉的排烟损失。影响对流受热面与辐射受热面的吸热 比例。当过剩空气系数增大时，除排烟损失增加、锅炉效率降低外炉膛水冷壁吸热减少，造成过热器进口温度降低、屏式过热器出口温度降低；虽然对流过热器吸热量有所增加，但在煤水比不变的情况下，末级过热器出口汽温会有所下降。过剩空气系数减小时的结果与增加时的相反。若要保持过热汽温不变，则需重新调整煤水比。

2． 2． 4 火焰中心 高度
火焰中心高度变化造成的影响与过剩空气系数变化的影响相似。在煤水比不变的情况 下，火焰中心上移类似于过剩空气系数增加，过热汽温略有下降；反之，过热汽温略有上升。若要保持过热温不变，亦需重新调整煤水比。

2． 2． 5 受热面结渣
煤水比不变的调节下，炉膛水冷壁结渣时，过热汽温会有所降低；过热器结渣或积灰时， 过热汽温下降较明显。前者情况发生时，调整煤水比就可；后者情况发生时，不可随便调整煤水比，必须在保证水冷壁温度不超限的前提下调整煤水比。对于直流锅炉，在水冷 壁温度不超限的条件下，后四种影响过热汽温因素都能够经过调整煤水比来消除；因此，只要控制、调节好煤水比，在相当大的负荷范围内，直流锅炉的过热汽温可保持在额定值。此 优点是汽包锅炉无法比拟的；但煤水比的调整，只有自动控制才能可靠完成 。

3． 3 过热蒸汽温度控制策略
6 0 0 Mw超临界发电机组锅炉过热汽温的调节是以调节煤水比为主，用一二级减温水作细调。
3． 3． 1过热汽温粗调(煤水比的调节)
煤水比的调节的主要温度参照点是中间点(即内置式分离器出口处)焓值(或温度)。锅 炉负荷大于4 o ％MCR时，分离器呈干态，中间点温度为过热温度。具体控制思路见锅炉给水控制系统部分。

3． 3． 2过热汽温细调
由于锅 炉调节中受影响的因素很多，只靠煤水比的粗调是不够的；而且，可能出现过热器出口左、右侧温度偏差。因此，在后屏过热器的入口处和高温过热器(末级过热器)的入口处分别布置了一级和二级减温水(每级左、右各一)。喷水减温器调温惰性小、反应快，开始喷水到喷水点后汽温开始变化只需几秒钟，能够实现精确的细调。必须注意的是，要严格控制 减温水总量， 以保证有足够的水量冷却水冷壁；投用时，尽可能多投一级减温水，少投二级减温水，以保护屏式过热器。

3． 3． 2． 1屏式过热器出口温度控制系统
该机组的屏式过热器出口温度控制系统(叉称一级减温控制系统)如图2所示。该系统由 A(左)侧和B(右)侧2套系统构成2套系统的结构相似，都采用温差串级控制策略。例如，A(左)二级减温器入口温度与A(左)二级减温器出口温度的温差信号作为主调节器的过程被控量，主调的输出作为副调节器的给定值，过热器A(左)一级减温器出口温度为副调节器的被调量， 形成串级调节系统，产生一级喷水减温器的喷水最指令去控制过热器A(左)一级减温器入口水调节门，使进、出二级减温器的温差随负荷(蒸汽流量)而变化。这可防止负荷增加时一级喷水量的减少和二级喷水最的大幅度增加，从而使一级和二级喷水量相差不大，各段过热器 温度相对比较均匀。设定值可由运行人员手动设定或由正后的蒸汽流量经(fx)形成蒸汽流量、总风量、燃器倾角(燃料指令) 经动态滤波处理后，加到主调节器的输出，作为前馈量，其目的是当负荷变化引起烟气侧扰动时，及时调整喷水最，消除负荷扰动，减小过热汽温波动。为了保证机组的经济性，防止过多喷水，由汽水分离器出口压力经(fx)形成饱和温度，再加上l 0℃的过热度后作为喷水的最低温度限。当发生锅炉主燃料跳闸(MFT)或汽机跳闸或 负荷小于等于y ％时，优先降一级过热汽温度；当A侧二级减温器出口温度变送器发生故 障， 或A侧一 级减温出口温度偏差超过低限，或A侧一级减温器阀位偏差超过低限，或A侧一级减温出口温度变送器发生故障，或A侧二级减温器入口温度变送器发生故障或优先降温时，A侧一级喷控制阀应强制手动；当B侧二级减温器出口温度变送器发生故障、或B侧一级减温出口温度偏差超过低限,或B侧一级喷水阀位偏差超过低限，或B侧一级减温出口温度变送器发生 故 障，或B侧二级减温器入口温度变送器发生故障，或优先降时，B侧一级喷水控制阀应强制手动。

3． 3． 2． 2 末级过热蒸汽温度控制系统
该厂的末级过热蒸汽温度控制系统(又称二级减温控制系统)如图3所示。该系统也由结构相似的A(左)侧和B(右)侧2套系统构成，采用典型的串级汽温控制方案，左末级过热器 出口温度为被控最，主调节器的输出作为副调节器的给定值，过热器左二级减温器出口温度 为副调节器的被调节量， 形成串级调节系统。副调节器产生的指令去调节左二级减温器入 口水调节门，改变左二级喷水减温器的喷水量。
系统的设定值可由运行人员手动设定或由修正后的蒸汽流最经(fx)形成。蒸汽流量、总风量、燃烧器倾角(燃料指令)经动态滤波补偿处理后，加到主调节器的输出作为前馈量，其 目的是当负荷变化引起烟气侧扰动时能及时调整喷水量，消除负荷扰动，减小过热汽温波动 。同时，为了保证机组的经济性，防止过多喷水，系统还设置了最低喷水温度限制，即由汽水分离器出口压力经(fx)形成饱和温度，再加上 l 0 ℃的过热度后作为喷水的最低温度限。当发生锅炉主燃料跳闸(MFT)或汽机跳闸或负荷小于y ％时 ，优先降二级减温系统出口温度； 当左末级过热器出口温度变送器发生故障，或左二级减温出口温度偏差超过低限，或左二级 喷水调节阀位偏差超过低限，或左二级减温系统末级过热器出口温度与设定值偏差超过低 限时，左二级喷水控制阀应强制手动：当有末级过热器出口温度变送器发生故障，或右二级减温出口温度偏差超过低限，或右二级喷水调节阀位偏差超过低限，或右二级减温系统末级过热器出u温度与设定值偏差超过低限时，右二级喷水控制阀应强制手动。

3． 3. 2. 3 过热汽温控制框图
如图4所示，模糊控制的性能相当于PD控制，其稳态精度较低，故将PID控制器加入系统中，当系统在大偏差范围内采用模糊控制，在小偏差范围内采用PID控制。

图4 过热蒸汽模糊控制系统方框图

在图3.1中，Tr为过热蒸汽输入温度给定变量，Tc为输出量，U为控制量，e为模糊控制器输入给定变量与输出量的偏差，其中 e(k)= Tr (k)- Tc(k)
Fuzzy为模糊控制，PID为PID控制。当控制系统的输入给定变量时：若e＞k，则系统选择模糊控制方式进行控制；若e＜k，则系统选择PID控制方式进行控制。经控制系统调节后，得到最优的输出量U，进而输出变量Tc。上面所讲述的控制系统方框图可转化为如图5所示系统流程图。

Tr
e

e>k?

Y N

PID
Fuzzy

u
图5过热蒸汽模糊控制系统流程图