CN105180139A - 锅炉主蒸汽温度控制系统以及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锅炉主蒸汽温度控制系统，包括依次相连的减温器以及过热器，减温器进汽管与锅炉蒸汽出口相连，过热器出汽管上连接有第一温度变送器，第一温度变送器与第一调节器相连，过热器进汽管上连接有第二温度变送器，第二温度变送器与第二调节器相连，第一调节器与第二调节器相连，减温器上连接有减温水管，减温水管上设置有电控阀，电控阀的执行器与第二调节器相连；锅炉主汽温度控制系统为PID串级控制，采用两级调节器，调节阀直接受第二调节器的控制，第二调节器的给定值受到第一调节器的控制，过热器出口蒸汽温度调节器的输出信号用来改变第一调节器的给定值，起校正作用，以保持输出的锅炉主汽温度在一定范围内。

Description

锅炉主蒸汽温度控制系统以及方法

技术领域

本发明涉及控制系统领域，尤其涉及一种锅炉主蒸汽温度优化控制系统以及方法。

背景技术

大型电站锅炉主蒸汽温度控制是提高经济效益、保证机组安全运行的不可缺少的环节。对锅炉主蒸汽温度的控制要求是十分严格的，汽温过高或者过低，以及大幅度的波动都将影响锅炉、汽轮机的安全和经济性。因此维持锅炉主蒸汽温度的稳定运行是非常必要的。过热器一般由若干级组成，各级管子常使用不同的材料，分别对应一定的最高允许温度。因此为保证金属安全，还应当对各级受热面出口的汽温加以限制，此外，还应防止局部管子的超温爆漏和汽轮机汽缸两侧的受热不均。蒸汽温度过高，若超过了设备部件(如过热器管、蒸汽管道、汽轮机喷嘴、叶片等)的允许工作温度，将使钢材加速蠕变，降低使用寿命。严重的超温甚至会使管子过热而爆破。蒸汽温度过低，将会降低热力设备经济性，增加发电煤耗。汽温过低，还会使汽轮机最后几级的蒸汽湿度增加，对叶片的侵蚀作用加剧，严重时将会发生水冲击，威胁汽轮机的安全。而且汽温突升突降还会使锅炉各受热面焊口及连接部分产生较大的热应力，造成胀差增加。严重时甚至可能发生叶轮与隔板间的动静摩擦，汽轮机剧烈振动等。

电力企业生产中，锅炉主蒸汽温度是一个重要的监控参数，锅炉主蒸汽的生产是一个系统工程。一般来说，锅炉过热蒸汽系统主要由一级过热器、减温器和二级过热器组成，在锅炉生产过程中，二级过热器蒸汽温度是整个汽水通道中最高的温度。过热器温度过高将导至过热器损坏，同时还会危及汽轮机的安全运行；过热器温度过低则将使设备效率降低，影响经济指标。因此，在生产中控制过热蒸汽温度使之在合理范围内波动，是保证机组安全、经济运行的一个主要任务。我们知道，影响过热蒸汽温度的因素很多，其中主要的有：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若矛盾，各种扰动因素之闻相互影响，如蒸汽量、燃烧工况、锅炉给水温度、进入过热蒸汽的热焓，流经过热器的烟气温度及流速的变化等。而对各种不同的扰动，过热蒸汽温度的动态特性也各不相同。因此，过热蒸汽温度控制的主要任务就是(1)克服各种干扰因素，将过热器出口蒸汽温度维持在规定允许的范围内，从而保持蒸气品质合格；(2)保护过热器管壁温度不超过允许的工作温度。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种有效控制锅炉主蒸汽温度的锅炉主蒸汽温度优化控制系统以及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括依次相连的减温器以及过热器，减温器进汽管与锅炉蒸汽出口相连，过热器出汽管上连接有第一温度变送器，第一温度变送器与第一调节器相连，过热器进汽管上连接有第二温度变送器，第二温度变送器与第二调节器相连，第一调节器与第二调节器相连，减温器上连接有减温水管，减温水管上设置有电控阀，电控阀的执行器与第二调节器相连。

锅炉主汽温度控制系统为PID串级控制，即比例-积分-微分控制系统，采用两级调节器，即将第一调节器与第二调节器串在一起，调节阀直接受第二调节器的控制，第二调节器的给定值受到第一调节器的控制，形成了特有的双闭环系统，过热器出口蒸汽温度调节器的输出信号用来改变第一调节器的给定值，起校正作用，以保持输出的锅炉主汽温度在一定范围内。

进一步的是：所述过热器为蛇形管对流式过热器。

本发明还提供了锅炉主蒸汽温度控制方法，包括锅炉主蒸汽温度控制装置，锅炉主蒸汽温度控制装置包括依次相连的减温器以及过热器，减温器进汽管与锅炉蒸汽出口相连，过热器出汽管上连接有第一温度变送器，第一温度变送器与第一调节器相连，过热器进汽管上连接有第二温度变送器，第二温度变送器与第二调节器相连，第一调节器与第二调节器相连，减温器上连接有减温水管，减温水管上设置有电控阀，电控阀的执行器与第二调节器相连，形成PID串级控制回路，包括内回路以及外回路，内回路由第二温度变送器、第二控制器、电控阀以及减温器组成，外回路由主汽温度、第一温度变送器、第一控制器以及内回路组成；所述方法包括以下步骤：当锅炉主汽阀门的开度小于4％时，将PID控制的作用减小，采用间断给水的方式控制锅炉主汽温度；当锅炉主汽阀门的开度大于等于4％时，第二调节器接收第一调节器的输出作为设定值，第一调节器从分散控制系统中采集锅炉主蒸汽温度控制系统的燃料流量、一次风流量、二次风流量以及蒸汽流量，这些测点数据对应主蒸汽温度的阶跃响应曲线在第一调节器中构成动态矩阵预测模型，通过求解动态矩阵，解析出在这些测点数据下的主蒸汽温度的预测值，并对主蒸汽温度预测值进行反馈校正，经反馈校正后的主蒸汽温度预测值，作为主蒸汽温度串级控制回路减温器出口蒸汽温度的设定值，第二调节器的输出直接作用于电控阀的执行器控制电控阀的阀门开度，实现减温水流量的调节，使得锅炉主蒸汽温度保持在设定范围内。

进一步的是：所述过热器为蛇形管对流式过热器。

本发明有益效果是：在PID串级控制系统中，引入模糊控制理论，来改善和提高控制系统的控制效果；当锅炉主汽阀门的开度小于4％时，将PID控制的作用减小，采用间断给水方式控制锅炉主汽温度；当锅炉主汽阀门的开度大于等于4％时，采用PID串级控制，PID串级控制系统具有内外回路，内回路以主控制器输出为给定值、以导前汽温为被调量、以减温器为控制对象组成的一个单回路控制系统，这一系统的控制对象迟延和惯性较小，所以控制过程稳定；相对于内回路，外回路是一个低速回路，用于维持主汽温等于给定值。

附图说明

图1为锅炉主汽温度控制系统示意图；

图2为锅炉主汽温度控制过程示意图；

图中标记为：减温器1，减温器进汽管11，电控阀12，执行器13，过热器2，过热器进汽管21，过热器出汽管22，第一温度变送器31，第一调节器32，第二温度变送器41，第二调节器相连42，。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步加以说明。

如图1所示，锅炉主蒸汽温度控制系统，包括依次相连的减温器1以及过热器2，减温器进汽管11与锅炉蒸汽出口相连，过热器出汽管22上连接有第一温度变送器31，第一温度变送器31与第一调节器32相连，过热器进汽管21上连接有第二温度变送器41，第二温度变送器41与第二调节器42相连，第一调节器32与第二调节器相连42，减温器1上连接有减温水管11，减温水管11上设置有电控阀12，电控阀12的执行器13与第二调节器42相连；形成PID串级控制回路，包括内回路以及外回路，内回路由第二温度变送器41、第二控制器42、电控阀12以及减温器1组成，外回路由主汽温度、第一温度变送器31、第一控制器32以及内回路组成。

所述过热器2为蛇形管对流式过热器，蛇形管对流式过热器具有比较密集的管组，过热水蒸气的受热面更大，加热效果更好。

锅炉主蒸汽温度控制方法，包括依次相连的减温器1以及过热器2，减温器进汽管11与锅炉蒸汽出口相连，过热器出汽管22上连接有第一温度变送器31，第一温度变送器31与第一调节器32相连，过热器进汽管21上连接有第二温度变送器41，第二温度变送器41与第二调节器42相连，第一调节器32与第二调节器相连42，减温器1上连接有减温水管11，减温水管11上设置有电控阀12，电控阀12的执行器13与第二调节器42相连，形成PID串级控制回路，包括内回路以及外回路，内回路由第二温度变送器41、第二控制器42、电控阀12以及减温器1组成，外回路由主汽温度、第一温度变送器31、第一控制器32以及内回路组成；所述方法包括以下步骤：当锅炉主汽阀门的开度小于4％时，将PID控制的作用减小，采用间断给水的方式控制锅炉主汽温度；当锅炉主汽阀门的开度大于等于4％时，第二调节器42接收第一调节器32的输出作为设定值，第一调节器32从分散控制系统中采集锅炉主蒸汽温度控制系统的燃料流量、一次风流量、二次风流量以及蒸汽流量，这些测点数据对应主蒸汽温度的阶跃响应曲线在第一调节器32中构成动态矩阵预测模型，通过求解动态矩阵，解析出在这些测点数据下的主蒸汽温度的预测值，并对主蒸汽温度预测值进行反馈校正，经反馈校正后的主蒸汽温度预测值，作为主蒸汽温度串级控制回路减温器1出口蒸汽温度的设定值，第二调节器42的输出直接作用于电控阀12的执行器13控制电控阀12的阀门开度，实现减温水流量的调节，使得锅炉主蒸汽温度保持在设定范围内。

PID串级控制系统内回路的对象惯性小、工作频率高，而外回路惯性大，工作频率低。为了提高系统的控制性能，内回路以及外回路的工作频率相差三倍以上，以免频率相近时发生共振现象面破坏正常工作。PID串级控制系统可以看作一个闭合的内回路代替了原来的一部分对象，起了改善对象特征的作用；除了克服落在内回路的扰动外，还提高了系统的工作频率，加快了过渡过程。PID串级控制系统由于内回路的存在，改善了对象的特性，使等效的副对象的时间常数减小，系统的工作频率提高。同时，由于串级系统具有第一控制器以及第二控制器，使控制器的总放大倍数增大，系统的抗干扰能力增强。

本发明的优化设计方案是仍采用串级控制模式，引入模糊控制理论，来改善和提高控制系统的控制品质，从引起过热蒸汽温度波动的源头入手，找到不同工况负荷下引起温度波动的主要因素，加以控制，从而达到温度控制平稳的目的。

锅炉使用的减温水调节阀是直立套筒阀，阀门控制减温水流量范围按设计工况下是0-16t/h，在实际使用中，因阀门工作压力经常偏离设计压力，造成阀门在低阀门开度是流量偏大，高阀门开度时流量变化不明显。如在阀门开度在0-4％时，流量变化在0-4t/h；阀门开度在4％-20％时，流量变化在4-10t/h；阀门开度在20％-100％时，流量变化在10-16t/h。锅炉负荷低时，需要的减温水量小，仅为0-3t/h，阀门开度小，在4％以下，这样减温水量控制就非常困难，针对这一现象，我们采取的措施是，判断锅炉在负荷运行时，根据阀门特性，如低于4％以下开度，调节时，将PID控制系统的比例、积分作用调小，如仍不能满足，将根据温度变化趋势，采用间断给水方式控制，与人为干预模式相似，通过不断的调整，温度控制可以达到满意效果。

减温器出口温度变化迟缓。一般过热蒸汽温度在烟气扰动下延迟较小，而在减温水量扰动下延迟较大，这种特性将使过热蒸汽温度的控制滞后，因此在控制时，我们取减温器出口温度作为一个参考量，因为减温水出口温度变化，较好的反映喷入的减温水量变化。而经过减温器降过温的过热蒸汽虽然需经过过热器加热才能达到最终想要的温度，其中温度变化还存在一定时间的滞后，但最终影响过热蒸汽温度的主要因素还是减温水量变化的扰动，而不是烟气扰动的变化，所以选取减温器出口温度作为一个控制量。但是我们发现在锅炉正常运行中，基本接近满负荷时，因减温水需要量大，喷入减温器的水量多，经常将过热蒸汽降温进入饱和蒸汽区，这样减温器的出口温度维持在饱和蒸汽温度区，对减温水量的变化就不敏感，过热蒸汽温度控制效果较差。针对这一问题，我们采取的措施是，增加能反应减温水量变化的温度测点，而且还增加一些辅助判断措施，另外针对较大减温水流量时阀门特性曲线，增加了一下分段控制措施。

针对锅炉负荷扰动引起温度波动大的问题，通过引入锅炉给煤量、氧量等参数进入控制系统，作为一个前馈判断条件，这样在扰动来时，可以提前一定时间调整减温水量变化，达到温度平稳控制的目的。

在PID串级控制系统中，引入模糊控制理论，来改善和提高控制系统的控制效果；当锅炉主汽阀门的开度小于4％时，将PID控制的作用减小，采用间断给水方式控制锅炉主汽温度；当锅炉主汽阀门的开度大于等于4％时，采用PID串级控制，PID串级控制系统具有内外回路，内回路以主控制器输出为给定值、以导前汽温为被调量、以减温器为控制对象组成的一个单回路控制系统，这一系统的控制对象迟延和惯性较小，所以控制过程稳定；相对于内回路，外回路是一个低速回路，用于维持主汽温等于给定值。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.锅炉主蒸汽温度控制系统，其特征在于：包括依次相连的减温器以及过热器，减温器进汽管与锅炉蒸汽出口相连，过热器出汽管上连接有第一温度变送器，第一温度变送器与第一调节器相连，过热器进汽管上连接有第二温度变送器，第二温度变送器与第二调节器相连，第一调节器与第二调节器相连，减温器上连接有减温水管，减温水管上设置有电控阀，电控阀的执行器与第二调节器相连。

2.如权利要求1所述的锅炉主蒸汽温度控制系统，其特征在于：所述过热器为蛇形管对流式过热器。

3.锅炉主蒸汽温度控制方法，其特征在于：包括依次相连的减温器以及过热器，减温器进汽管与锅炉蒸汽出口相连，过热器出汽管上连接有第一温度变送器，第一温度变送器与第一调节器相连，过热器进汽管上连接有第二温度变送器，第二温度变送器与第二调节器相连，第一调节器与第二调节器相连，减温器上连接有减温水管，减温水管上设置有电控阀，电控阀的执行器与第二调节器相连，形成PID串级控制回路，包括内回路以及外回路，内回路由第二温度变送器、第二控制器、电控阀以及减温器组成，外回路由主汽温度、第一温度变送器、第一控制器以及内回路组成；所述方法包括以下步骤：当锅炉主汽阀门的开度小于4％时，将PID控制的作用减小，采用间断给水的方式控制锅炉主汽温度；当锅炉主汽阀门的开度大于等于4％时，第二调节器接收第一调节器的输出作为设定值，第一调节器从分散控制系统中采集锅炉主蒸汽温度控制系统的燃料流量、一次风流量、二次风流量以及蒸汽流量，这些测点数据对应主蒸汽温度的阶跃响应曲线在第一调节器中构成动态矩阵预测模型，通过求解动态矩阵，解析出在这些测点数据下的主蒸汽温度的预测值，并对主蒸汽温度预测值进行反馈校正，经反馈校正后的主蒸汽温度预测值，作为主蒸汽温度串级控制回路减温器出口蒸汽温度的设定值，第二调节器的输出直接作用于电控阀的执行器控制电控阀的阀门开度，实现减温水流量的调节，使得锅炉主蒸汽温度保持在设定范围内。

4.如权利要求3所述的锅炉主蒸汽温度控制方法，其特征在于：所述过热器为蛇形管对流式过热器。