鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統

2023年12月27日發(作者：少年張揚)

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鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統

在燃煤鍋爐運行中，過熱蒸汽溫度是一個很重要的控制參數。過熱蒸汽溫度是鍋爐運行質量的重要指標之一，過熱蒸汽溫度較高，可能造成過熱器蒸汽管道損壞；過熱蒸汽溫度過低，會降低內功率。所以在鍋爐運行中，必須保持過熱蒸汽溫度穩定在規定值附近。

本文介紹模糊控制在中小型燃煤鍋爐過熱蒸汽溫度中的應用，采用模糊控制系統的思路，并用此方法控制燃煤鍋爐的過熱蒸汽溫度，使得鍋爐過熱蒸汽溫度即使在擾動幅度較大的情況下仍能保持平穩。模糊控制的控制算法不依賴于對象的數學模型,算法簡單,易于實現,且對干擾和對象模型時變具有較強的適應性，它能根據輸出偏差的大小進行自動調節，使輸出達到給定值。能提高國內鍋爐的燃燒效率、燃料適應性、負荷調節性能、污染、灰渣等眾多獨特優點而受到越來越廣泛的重視，在電力、供熱、工廠蒸汽生產中得到越來越廣泛的應用。

以某600MW汽輪發電機組的汽包鍋爐為例，其過熱蒸汽生產流程簡圖和流程圖如下圖所示：

減溫水調節閥汽包主蒸汽溫度給水調節機構低溫過熱器省煤器噴水減溫器高溫過熱器

Ⅱ級減溫器

Ⅰ級減溫器θ6θ5θ4θ3

主蒸汽

θ6θ5θ4θ3低溫對流

過熱器

前屏過后屏過

熱器熱器

Ⅰ級噴水WB1Ⅱ級噴水WB2

Ⅲ級減溫器θ2θ2高溫對流過熱器θ1至汽輪機Ⅲ級噴水WB3過熱蒸汽流程圖

1． 1 過熱蒸汽溫度控制的任務

過熱蒸汽溫度控制的主要任務是維持過熱器出口溫度在允許的范圍之內，并保護

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過熱 器 ，使其管壁溫度不超過允許的工作溫度。過熱蒸汽溫度是鍋爐汽水系統中的溫度最高點， 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；過熱蒸汽溫度偏低，則會降低發電機組能量轉換效率。據分析，氣溫每降低5℃，熱經濟性將 下降 1 ％；且汽溫偏低會使汽輪機尾部蒸汽濕度增大,甚至使之帶水，嚴重影響汽輪機的安全運行。該機組要求控制過熱蒸汽溫在5 3 8～ 5 4 8℃ 的范圍內。

2 ．2 影響過熱蒸汽溫度的主要因素

2 ． 2． 1 燃料、給水比(煤水比)

只要燃料、給水比的值不變，過熱汽溫就不變。只要保持適當的煤水比，在任何負荷和工況下，直流鍋爐都能維持一定的過熱汽溫。

2． 2． 2 給水溫度

正常情況下，給水溫度一般不會有大的變動；但當高壓加熱器因故障退出運行時，給水 溫度就會降低。對于直流鍋爐，若燃料不變，由于給水溫度降低時，加熱段會加長、過熱段縮短，因而過熱汽溫會隨之降低，負荷也會降低 。

2． 2． 3 過剩空氣系數

過剩空氣系數的變化直接影響鍋爐的排煙損失。影響對流受熱面與輻射受熱面的吸熱 比例。當過剩空氣系數增大時，除排煙損失增加、鍋爐效率降低外爐膛水冷壁吸熱減少，造成過熱器進口溫度降低、屏式過熱器出口溫度降低；雖然對流過熱器吸熱量有所增加，但在煤水比不變的情況下，末級過熱器出口汽溫會有所下降。過剩空氣系數減小時的結果與增加時的相反。若要保持過熱汽溫不變，則需重新調整煤水比。

2． 2． 4 火焰中心 高度

火焰中心高度變化造成的影響與過剩空氣系數變化的影響相似。在煤水比不變的情況 下，火焰中心上移類似于過剩空氣系數增加，過熱汽溫略有下降；反之，過熱汽溫略有上升。若要保持過熱溫不變，亦需重新調整煤水比。

2． 2． 5 受熱面結渣

煤水比不變的調節下，爐膛水冷壁結渣時，過熱汽溫會有所降低；過熱器結渣或積灰時， 過熱汽溫下降較明顯。前者情況發生時，調整煤水比就可；后者情況發生時，不可隨便調整煤水比，必須在保證水冷壁溫度不超限的前提下調整煤水比。對于直流鍋爐，在水冷 壁溫度不超限的條件下，后四種影響過熱汽溫因素都可以通過調整煤水比來消除；所以，只要控制、調節好煤水比，在相當大的負荷范圍內，直流鍋爐的過熱汽溫可保持在額定值。此 優點是汽包鍋爐無法比擬的；但煤水比的調整，只有自動控制才能可靠完成 。

3． 3 過熱蒸汽溫度控制策略

6 0 0 Mw超臨界發電機組鍋爐過熱汽溫的調節是以調節煤水比為主，用一二級減溫水作細調。

3． 3． 1過熱汽溫粗調(煤水比的調節)

煤水比的調節的主要溫度參照點是中間點(即內置式分離器出口處)焓值(或溫度)。鍋 爐負荷大于4 o ％MCR時，分離器呈干態，中間點溫度為過熱溫度。具體控制思路見鍋爐給水控制系統部分。

3． 3． 2過熱汽溫細調

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由于鍋 爐調節中受影響的因素很多，只靠煤水比的粗調是不夠的；而且，可能出現過熱器出口左、右側溫度偏差。因此，在后屏過熱器的入口處和高溫過熱器(末級過熱器)的入口處分別布置了一級和二級減溫水(每級左、右各一)。噴水減溫器調溫惰性小、反應快，開始噴水到噴水點后汽溫開始變化只需幾秒鐘，可以實現精確的細調。必須注意的是，要嚴格控制 減溫水總量， 以保證有足夠的水量冷卻水冷壁；投用時，盡可能多投一級減溫水，少投二級減溫水，以保護屏式過熱器。

3． 3． 2． 1屏式過熱器出口溫度控制系統

該機組的屏式過熱器出口溫度控制系統(叉稱一級減溫控制系統)如圖2所示。該系統由 A(左)側和B(右)側2套系統構成2套系統的結構相似，都采用溫差串級控制策略。例如，A(左)二級減溫器入口溫度與A(左)二級減溫器出口溫度的溫差信號作為主調節器的過程被控量，主調的輸出作為副調節器的給定值，過熱器A(左)一級減溫器出口溫度為副調節器的被調量， 形成串級調節系統，產生一級噴水減溫器的噴水最指令去控制過熱器A(左)一級減溫器入口水調節門，使進、出二級減溫器的溫差隨負荷(蒸汽流量)而變化。這可防止負荷增加時一級噴水量的減少和二級噴水最的大幅度增加，從而使一級和二級噴水量相差不大，各段過熱器 溫度相對比較均勻。設定值可由運行人員手動設定或由正后的蒸汽流量經(fx)形成蒸汽流量、總風量、燃器傾角(燃料指令) 經動態濾波處理后，加到主調節器的輸出，作為前饋量，其目的是當負荷變化引起煙氣側擾動時，及時調整噴水最，消除負荷擾動，減小過熱汽溫波動。為了保證機組的經濟性，防止過多噴水，由汽水分離器出口壓力經(fx)形成飽和溫度，再加上l 0℃的過熱度后作為噴水的最低溫度限。當發生鍋爐主燃料跳閘(MFT)或汽機跳閘或 負荷小于等于y ％時，優先降一級過熱汽溫度；當A側二級減溫器出口溫度變送器發生故 障， 或A側一 級減溫出口溫度偏差超過低限，或A側一級減溫器閥位偏差超過低限，或A側一級減溫出口溫度變送器發生故障，或A側二級減溫器入口溫度變送器發生故障或優先降溫時，A側一級噴控制閥應強制手動；當B側二級減溫器出口溫度變送器發生故障、或B側一級減溫出口溫度偏差超過低限,或B側一級噴水閥位偏差超過低限，或B側一級減溫出口溫度變送器發生 故 障，或B側二級減溫器入口溫度變送器發生故障，或優先降時，B側一級噴水控制閥應強制手動。

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3． 3． 2． 2 末級過熱蒸汽溫度控制系統

該廠的末級過熱蒸汽溫度控制系統(又稱二級減溫控制系統)如圖3所示。該系統也由結構相似的A(左)側和B(右)側2套系統構成，采用典型的串級汽溫控制方案，左末級過熱器 出口溫度為被控最，主調節器的輸出作為副調節器的給定值，過熱器左二級減溫器出口溫度 為副調節器的被調節量， 形成串級調節系統。副調節器產生的指令去調節左二級減溫器入 口水調節門，改變左二級噴水減溫器的噴水量。

系統的設定值可由運行人員手動設定或由修正后的蒸汽流最經(fx)形成。蒸汽流量、總風量、燃燒器傾角(燃料指令)經動態濾波補償處理后，加到主調節器的輸出作為前饋量，其 目的是當負荷變化引起煙氣側擾動時能及時調整噴水量，消除負荷擾動，減小過熱汽溫波動 。同時，為了保證機組的經濟性，防止過多噴水，系統還設置了最低噴水溫度限制，即由汽水分離器出口壓力經(fx)形成飽和溫度，再加上 l 0 ℃的過熱度后作為噴水的最低溫度限。當發生鍋爐主燃料跳閘(MFT)或汽機跳閘或負荷小于y ％時 ，優先降二級減溫系統出口溫度； 當左末級過熱器出口溫度變送器發生故障，或左二級減溫出口溫度偏差超過低限，或左二級 噴水調節閥位偏差超過低限，或左二級減溫系統末級過熱器出口溫度與設定值偏差超過低 限時，左二級噴水控制閥應強制手動：當有末級過熱器出口溫度變送器發生故障，或右二級減溫出口溫度偏差超過低限，或右二級噴水調節閥位偏差超過低限，或右二級減溫系統末級過熱器出u溫度與設定值偏差超過低限時，右二級噴水控制閥應強制手動。

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3． 3. 2. 3 過熱汽溫控制框圖

如圖4所示，模糊控制的性能相當于PD控制，其穩態精度較低，故將PID控制器加入系統中，當系統在大偏差范圍內采用模糊控制，在小偏差范圍內采用PID控制。

圖4 過熱蒸汽模糊控制系統方框圖

在圖3.1中，Tr為過熱蒸汽輸入溫度給定變量，Tc為輸出量，U為控制量，e為模糊控制器輸入給定變量與輸出量的偏差，其中 e(k)= Tr (k)- Tc(k)

Fuzzy為模糊控制，PID為PID控制。當控制系統的輸入給定變量時：若e＞k，則系統選擇模糊控制方式進行控制；若e＜k，則系統選擇PID控制方式進行控制。經控制系統調節后，得到最優的輸出量U，進而輸出變量Tc。上面所講述的控制系統方框圖可轉化為如圖5所示系統流程圖。

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圖5過熱蒸汽模糊控制系統流程圖

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