CN1016457B - 热交换器的控制系统 - Google Patents

Abstract

用于汽包型或分离器型矿物燃料锅炉中过热器的一种温度控制装置，其中一个正向馈送信号不断地自行适应于系统变量的变化，对进入过热器的蒸汽热焓进行调整，根据系统变量的变化改变过热器中的吸热量，由此使过热器出口蒸汽的热焓基本保护恒定。在该温度控制中，响应于过热器出口蒸汽的温度变化的一个反馈信号对过热器入口蒸汽的热焓按要求进行再调整使过热器出口蒸汽的温度保持在一个预定的整定值。

Description

本发明涉及到使热交换器出口的液体温度维持在设定值，对热交换器中吸热进行控制的装置。本发明具体涉及到对大容量矿物燃料的汽包型或分离器型锅炉（steam generator）（该锅炉向具有高压和低压部分的汽轮机供给蒸汽）的第二级过热器或再热器出口蒸汽温度控制的装置。锅炉额定容量的等级，其蒸汽可以达到2500磅/平方英寸和华氏1000度，每小时6×10⁶磅以上。下文中，通用术语“过热器”应理解为包括第二级过热器、再热器或第一级过热器，因为本发明的控制系统对控制这些型式的热交换中的每一种都是适用的。

从拜柏考克（Babcock）一威尔科克斯（Wilcox）公司出版的国会图书馆目录卡号为75-7696的“蒸汽的产生和应用”一书对技术和实例的叙述中，对这种锅炉的蒸汽一水和空气-烟气循环系统可有清楚的了解。这种锅炉典型的系统是，饱和蒸汽从汽包或分离器出来，流经第一级对流过热器、第二级对流或辐射过热器，然后流经汽轮机高压部分、对流或辐射再热器，到汽轮机低压部分。烟气从炉膛出来，反方向地流过第二级过热器、再热器和第一级过热器。为了防止锅炉和汽轮机结构损坏并保持最高循环效率，最根本的是使离开第二级过热器和再热器的蒸汽温度维持在设定值。

在热交换器（诸如过热器或再热器）中的吸热率（heat     absorption）是流过传热表面的烟气质量流量和烟气温度的函数，这是已知的技术。因此，如果不加控制，从对流过热器或再热器出来的蒸汽温度将随锅炉负荷和过剩空气一起增高，反之，从辐射过热器或再热器出来的蒸汽温度将随锅炉负荷一起降低。

在标准工况或设计工况下，锅炉负荷和不加以控制的最终蒸汽温度之间的函数关系一般可从经验数据中得到，或由试验数据计算出来，从这样的函数关系中，可以计算出锅炉负荷和使过热器排出的蒸汽温度保持在设定值所需要的对流介质流量（诸如喷水减温器的水流量）之间的关系。当锅炉处于标准或设计工况运行，即便在极少有的情况下，锅炉负荷和从过热器排出的蒸汽温度之间的特性保持恒定时，过热器或再热器中的吸热量及从过热器排出的蒸汽温度，在负荷恒定时，仍将随系统变量的变化而变化，诸如（但并不限于）过剩空气、给水温度和传热表面的清洁度的变化。

现在正在使用中的控制系统，正拜柏考克和威尔科克斯公司的出版物中叙述的，是一元或二元型的系统。在一元型系统中，反馈信号反应于从过热器排出的蒸汽温度，并对对流介质（诸如进入喷水减温器的水流量和蒸汽流量）进行调整。在二元型系统中，响应于蒸汽流量和空气流量变化的正向馈送信号，对对流介质进行调整，然后根据过热器排出的蒸汽温度对对流介质进行再调整。显然，这两个控制系统都不可能对由于系统变量变化而引起的过热器中吸热量变化进行修正。

本发明的目的是提供一种在两种热载体之间进行热交换的热交换器控制系统。

因此，本发明提供一种热交换器的控制系统，其特征在于在两种热载体之间进行热交换，该控制系统包括：

一个回归器，用于由于系统变量的变化对多变量非线性回归等式的系数进行修正，以及提供指示上述被修正系数的信号;根据上述被修正系数产生正向馈送冷却介质流量设定值信号F_2C的装置，该信号F_2C对应于一种热载体中从另一种热载体吸收的热量计算值△Hc，要求所吸热量维持热交换器出口的热载体中之一种热载体的焓在一个预定值;且

由上述正向馈送冷却介质流量设定值信号F_2C控制的装置，用于调整上述之一处热载体的吸热量;

还包括产生一个与上述载热体之一流出热交换器的温度和一个预定整定点温度之间差值相应的反馈控制信号的装置;以及由上述反馈控制信号控制按要求修正上述正向馈送冷却介质流量设定值信号F_2C，以使热交换器出口的上述一种载热体的温度保持在上述预定的设定温度的装置。

此外，根据本发明可导出一个正向馈送信号，该信号包括为使过热器排出的蒸汽热焓保持在设定值所需要的过热器中吸热量的计算值。

再有，根据本发明，过热器中吸热量的计算值，按一个正常基准修正，计算系统中变量（诸如过剩空气、给水温度，烟气成分和加热表面的清洁度）的变化。

再有，根据本发明，过热器中吸热量的计算值在稳态工况下在整个负荷范围内所选择的各点都被修正。

本发明的这些目的和其他目的，结合附图叙述，是很明显的，附图中：

图1是一个锅炉和过热器的局部示意图。

图2是一个体现本发明原理的控制系统的逻辑图。

现在叙述的本发明实施例是一个两元型系统，该系统保持被流过传热表面烟气的对流加热的过热器排出的蒸汽的温度。在该控制系统中，把正向馈送信号F_2C扩展到预测系统中变量变化的要求，对过热器1中吸热量△H进行调整，诸如负荷变化，过剩空气变化，或给水温度的变化。

图1中示出由炉膛排出的烟气加热的过热器，燃料和空气分别通过管道5和7供给炉膛。来自任何来源（诸如第一级过热器（未示出））的蒸汽通过管道9引进过热器1，然后通过管道11排出。管道12上的阀门8，对冷却介质（诸如到减温器10用于调节过热器中吸热量的水或蒸汽）流量进行调整，图1中示出实施本发明所需要测量的物理量，且这些量都用一个叙述字母标志并用一个脚注表示它的位置。将这些测量量转换成模拟或数字信号的转换器在现有技术中已熟 知，为了简便起见，下面进行说明。

设定值就是使过热器排出的蒸汽焓值H₄保持在预定值所需要的到过热器的冷却介质流量，它与系统变量变化无关，叙述如下：

H₁+H₂+△H＝H₄（1）

F₁h₁+F₂h₂+△H＝h₄（F₁+F₂） （2）

F₂C=F₁((h₁-h₄))/((h₄-h₂)) + (△H_c)/((h₄-h₂)) （3）

式中：

F₂C＝计算的正向馈送冷却介质流量设定值

H＝英热量单位（BTU）/小时，热流量

h＝焓

h＝f（T，P）

△Hc＝过热器中吸热量计算值

焓和压力、温度之间的函数关系（h＝f（T、P））由存储在计算机15中的蒸汽表或由美国第4，244，216号，名称为“热流表”的专利中所讨论和阐述的技术来确定。

根据本发明，▲_△H_c是用经验数据计算，用多变量回归法计算按正常基准校正。重要的是，这种计算采用在整个负荷范围内负荷点均匀分配。这种均匀分配能在不正常运行负荷时保持与负荷有关的数据，于是，在所有运行工况下，△H_c将接近于使过热器排出的蒸汽焓值 保持在设定值的需要的数值。

正如图2所示，一个比例于F₄的信号被引进逻辑单元14，如果在预定的稳态工况下，则此信号能通过一个负荷点检测单元17，然后到计算机15中的回归器（regressor）13。作为图示说明，所示的负荷点检测单元17将负荷范围分成了十段。根据系统要求，可以采用更少或较多段数。

对于本应用例，选择的自变量为蒸汽流量和过剩空气流量或烟气流量。根据经验数据已知：如果不加控制，对流过热器中的吸热量就与（F₄）²成比例变化并与过剩空气（X_A）流量或烟气流量成线性关系变化。

△H_A＝a（F₄）²+b（F₄）+c（X_A）+d （4）

式中：

X_A＝（F₅-F₄）

系数a、b、c和d在回归器13中按最小二乘方拟合计算得出。

△H_A＝F₄（h₄-h₃） （5）

由等式4可知，吸热量、蒸汽流量和过剩空气流量之间的基本关系保持恒定，而与系统中变量变化无关，但常数a、b、c将随系统中变量变化而变化。在稳定工况下，重新计算这些常数，这样，▲H_c将是使过热器出口的蒸汽焓值也就是温度保持在预定的接近极限以内的设定值时所要求的值。

一旦这些系数被确定，即可由如图示装在计算机15中的运算单元21计算出吸热量△H_c，有了△H_c，在运算单元21中计算的正向馈送流量信号被传送到一个总加单元23。总加单元的输出信号被引入差分单元25，它起到局部反馈控制的设定值作用，调整阀门8，保持F₂A等于F₂C

控制系统包括一个常规的反馈控制环路，该控制环路，根据要求对计算出的F_2C信号加以修正，使T₄保持在设定值。一个比例于T₄的信号输入到差分单元27，差分单元27输出一个信号，该信号比例于T₄信号和可调信号发生器29中产生的与T₄设定值成比例的设定信号之间的差值。由差分单元27的输出信号输入到一个PID（比例、积分、微分）控制单元31，该单元产生一个信号，此信号按要求变化，将T₄保持在设定值，单元31的输出信号输入到总加单元23，并起着修改正向馈送信号F_2C的作用。

所示的控制系统仅作为举例。实施例中的控制原理可以被用到其他型式的热交换器，其他型式的过热器和其他型式的校正设备，诸如摆动燃烧器、过剩空气和烟气再循环。熟悉专业技术的人将十分清楚，可以提出信号（T₃C）取代信号F₂C按照要求调整至减温器10的冷却介质流量，以使离开过热器的蒸汽焓值基本上保持在设定值。尽管较佳实施例被述为适用于大容量矿物燃料汽包型或分离器型锅炉，但所述的原则，同样可以应用于包括核燃料机组的锅炉和较小的热交换器。

Claims (10)

1、一种热交换器的控制系统，其特征在于在两种热载体之间进行热交换，该控制系统包括：

一个回归器，用于由于系统变量的变化对多变量非线性回归等式的系数值进行修正，以及提供指示上述被修正系数的信号；根据上述被修正系数产生正向馈送冷却介质流量设定值信号F_2c的装置，该信号F_2C对应于一种热载体中从另一种热载体吸收的热量计算值△H_c，要求所吸热量维持热交换器出口的热载体中之一种热载体的焓在一个预定值；且

由上述正向馈送冷却介质流量设定值信号F_2c控制的装置，用于调整上述之一种热载体的吸热量；

还包括产生一个与上述载热体之一流出热交换器的温度和一个预定的整定点温度之间差值相应的反馈控制信号的装置；以及由上述反馈控制信号控制按要求修正上述正向馈送冷却介质流量设定值信号F₂C，以使热交换器出口的上述一种载热体的温度保持在上述预定的设定温度的装置。

2、权利要求1所述的控制，其特征在于：所述热交换器是一个靠矿物燃料锅炉的烟气加热的对流过热器，且由上述正向馈送冷却介质流量设定值信号F_2C控制的装置是一种调整冷却介质流量，对上述过热器入口的蒸汽焓值进行修正的装置。

3、权利要求1所述的控制系统，其特征在于：上述热交换器是一个靠矿物燃料锅炉的烟气加热的对流过热器，而由上述正向馈送冷却介质流量设定值信号F_2C控制的装置是一种调整注入到过热器入口的蒸汽的水流量，以修正过热器入口蒸汽的热焓和流量的装置。

4、权利要求1所述的控制系统，其特征在于：上述产生正向馈送冷却介质流量设定值信号F_2C的装置接收上述指示被修正系数的信号，且响应于通过上述热交换器的上述热载体之一的流量，以产生以与上述流量按非线性关系变化的输出信号。

5、权利要求4所述的控制系统，还包括在静态条件下根据两种热载体之间传热率的变化修正上述多变量非线性回归等式的装置。

6、权利要求1所述的控制系统，其特征在于：上述热交换器是一种由供有燃烧用的燃料和空气的锅炉的烟气加热的对流过热器，并且产生一个正向馈送冷却介质流量设定值信号F_2C的上述装置接收指示上述被修正系数的上述信号，且响应于通过上述过热器的蒸汽和烟气的流量。

7、权利要求6所述的控制系统，其特征在于：通过上述过热器的上述烟气流量由响应于供燃烧用的空气流量和发生蒸汽流量之间的差值的装置确定。

8、一种热交换器的控制系统，其特征在于该控制系统包括：

确定上述锅炉是否在预选的静态工况内的装置;

一个回归器，它连接到上述静态工况确定装置，用于由于系统变量的变化对多变量非线性回归等式中系数的值进行修正，并提供指示上述被修正系数的信号;

根据上述被修正系数，产生正向馈送冷却介质流量设定值信号F_2C的装置，该信号F_2C相应于由烟气从蒸汽吸收的热量的计算值△Hc，要求所吸收的热量将蒸汽的焓值维持在一个预定值;

产生反馈控制信号的装置，该信号相应于过热器出口蒸汽温度和一个预置的设定值温度之间差值;以及受该反馈控制信号控制的装置，用于按需要改变上述正向馈送冷却介质流量设定值信号F_2C，该信号F_2C将蒸汽温度维持在上述预置设定值温度。

9、权利要求8所述的控制系统，其特征在于：上述系统变量包括通过上述过热器的蒸汽流量，及供至上述锅炉用于上述矿物燃料燃烧的过剩空气量。

10、权利要求9所述的控制系统，还包括一具负荷点检测器，它连接在上述静态工况确定装置和上述回归器之间，用来在锅炉非正常运行负荷时向上述回归器提供均匀的负荷点数据分配。

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