鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)

2023年12月27日發(fā)(作者：阿爾多羅西)

鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)

鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)

在燃煤鍋爐運(yùn)行中，過熱蒸汽溫度是一個(gè)很重要的控制參數(shù)。過熱蒸汽溫度是鍋爐運(yùn)行質(zhì)量的重要指標(biāo)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(huì)降低內(nèi)功率。所以在鍋爐運(yùn)行中，必須保持過熱蒸汽溫度穩(wěn)定在規(guī)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(yīng)用，采用模糊控制系統(tǒng)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(dòng)幅度較大的情況下仍能保持平穩(wěn)。模糊控制的控制算法不依賴于對(duì)象的數(shù)學(xué)模型,算法簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn),且對(duì)干擾和對(duì)象模型時(shí)變具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，它能根據(jù)輸出偏差的大小進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，使輸出達(dá)到給定值。能提高國(guó)內(nèi)鍋爐的燃燒效率、燃料適應(yīng)性、負(fù)荷調(diào)節(jié)性能、污染、灰渣等眾多獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)而受到越來越廣泛的重視，在電力、供熱、工廠蒸汽生產(chǎn)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

以某600MW汽輪發(fā)電機(jī)組的汽包鍋爐為例，其過熱蒸汽生產(chǎn)流程簡(jiǎn)圖和流程圖如下圖所示：

減溫水調(diào)節(jié)閥汽包主蒸汽溫度給水調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)低溫過熱器省煤器噴水減溫器高溫過熱器

Ⅰ級(jí)噴水WB1Ⅱ級(jí)噴水WB2Ⅲ級(jí)噴水WB3主蒸汽Ⅰ級(jí)減溫器θ6低溫對(duì)流過熱器Ⅱ級(jí)減溫器Ⅲ級(jí)減溫器θ5θ5前屏過熱器θ4θ4后屏過熱器θ3θ3θ2θ2高溫對(duì)流過熱器θ1至汽輪機(jī)θ6

過熱蒸汽流程圖

1． 1 過熱蒸汽溫度控制的任務(wù)

過熱蒸汽溫度控制的主要任務(wù)是維持過熱器出口溫度在允許的范圍之內(nèi)，并保護(hù)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(tǒng)中的溫度最高點(diǎn)， 蒸汽溫度過高會(huì)使過熱器管壁金屬強(qiáng)度下降，以至燒壞過熱器的高溫段，嚴(yán)重影響安全；過熱蒸汽溫度偏低，則會(huì)降低發(fā)電機(jī)組能量轉(zhuǎn)換效率。據(jù)分析，氣溫每降低5℃，熱經(jīng)濟(jì)性將 下降 1 ％；且汽溫偏低會(huì)使汽輪機(jī)尾部蒸汽濕度增大,甚至使之帶水，嚴(yán)重影響汽輪機(jī)的安全運(yùn)行。該機(jī)組要求控制過熱蒸汽溫在5 3 8～ 5 4 8℃

的范圍內(nèi)。

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(dāng)?shù)拿核?，在任何?fù)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(huì)有大的變動(dòng)；但當(dāng)高壓加熱器因故障退出運(yùn)行時(shí)，給水 溫度就會(huì)降低。對(duì)于直流鍋爐，若燃料不變，由于給水溫度降低時(shí)，加熱段會(huì)加長(zhǎng)、過熱段縮短，因而過熱汽溫會(huì)隨之降低，負(fù)荷也會(huì)降低 。

2． 2． 3 過?？諝庀禂?shù)

過剩空氣系數(shù)的變化直接影響鍋爐的排煙損失。影響對(duì)流受熱面與輻射受熱面的吸熱 比例。當(dāng)過?？諝庀禂?shù)增大時(shí)，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(jìn)口溫度降低、屏式過熱器出口溫度降低；雖然對(duì)流過熱器吸熱量有所增加，但在煤水比不變的情況下，末級(jí)過熱器出口汽溫會(huì)有所下降。過剩空氣系數(shù)

減小時(shí)的結(jié)果與增加時(shí)的相反。若要保持過熱汽溫不變，則需重新調(diào)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?？諝庀禂?shù)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?？諝庀禂?shù)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(diào)整煤水比。

2． 2． 5 受熱面結(jié)渣

煤水比不變的調(diào)節(jié)下，爐膛水冷壁結(jié)渣時(shí)，過熱汽溫會(huì)有所降低；過熱器結(jié)渣或積灰時(shí)， 過熱汽溫下降較明顯。前者情況發(fā)生時(shí)，調(diào)整煤水比就可；后者情況發(fā)生時(shí)，不可隨便調(diào)整煤水比，必須在保證水冷壁溫度不超限的前提下調(diào)整煤水比。對(duì)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(diào)整煤水比來消除；所以，只要控制、調(diào)節(jié)好煤水比，在相當(dāng)大的負(fù)荷范圍內(nèi)，直流鍋爐的過熱汽

溫可保持在額定值。此 優(yōu)點(diǎn)是汽包鍋爐無法比擬的；但煤水比的調(diào)整，只有自動(dòng)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(fā)電機(jī)組鍋爐過熱汽溫的調(diào)節(jié)是以調(diào)節(jié)煤水比為主，用一二級(jí)減溫水作細(xì)調(diào)。

3． 3． 1過熱汽溫粗調(diào)(煤水比的調(diào)節(jié))

煤水比的調(diào)節(jié)的主要溫度參照點(diǎn)是中間點(diǎn)(即內(nèi)置式分離器出口處)焓值(或溫度)。鍋 爐負(fù)荷大于4 o ％MCR時(shí)，分離器呈干態(tài)，中間點(diǎn)溫度為過熱溫度。具體控制思路見鍋爐給水控制系統(tǒng)部分。

3． 3． 2過熱汽溫細(xì)調(diào)

由于鍋 爐調(diào)節(jié)中受影響的因素很多，只靠煤水比的粗調(diào)是不夠的；而且，可能出現(xiàn)過熱器出口左、右側(cè)溫度偏差。因此，在后屏過熱器的入口處和高溫過熱器(末級(jí)過熱器)的入口處分別布置了一級(jí)和二級(jí)減溫水(每

級(jí)左、右各一)。噴水減溫器調(diào)溫惰性小、反應(yīng)快，開始噴水到噴水點(diǎn)后汽溫開始變化只需幾秒鐘，可以實(shí)現(xiàn)精確的細(xì)調(diào)。必須注意的是，要嚴(yán)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(shí)，盡可能多投一級(jí)減溫水，少投二級(jí)減溫水，以保護(hù)屏式過熱器。

3． 3． 2． 1屏式過熱器出口溫度控制系統(tǒng)

該機(jī)組的屏式過熱器出口溫度控制系統(tǒng)(叉稱一級(jí)減溫控制系統(tǒng))如圖2所示。該系統(tǒng)由 A(左)側(cè)和B(右)側(cè)2套系統(tǒng)構(gòu)成2套系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相似，都采用溫差串級(jí)控制策略。例如，A(左)二級(jí)減溫器入口溫度與A(左)二級(jí)減溫器出口溫度的溫差信號(hào)作為主調(diào)節(jié)器的過程被控量，主調(diào)的輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定值，過熱器A(左)一級(jí)減溫器出口溫度為副調(diào)節(jié)器的被調(diào)量， 形成串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，產(chǎn)生一級(jí)噴水減溫器的噴水最指令去控制過熱器A(左)一級(jí)減溫器入口水調(diào)節(jié)門，使進(jìn)、出二級(jí)減溫器的溫差隨負(fù)荷(蒸

汽流量)而變化。這可防止負(fù)荷增加時(shí)一級(jí)噴水量的減少和二級(jí)噴水最的大幅度增加，從而使一級(jí)和二級(jí)噴水量相差不大，各段過熱器 溫度相對(duì)比較均勻。設(shè)定值可由運(yùn)行人員手動(dòng)設(shè)定或由正后的蒸汽流量經(jīng)(fx)形成蒸汽流量、總風(fēng)量、燃器傾角(燃料指令) 經(jīng)動(dòng)態(tài)濾波處理后，加到主調(diào)節(jié)器的輸出，作為前饋量，其目的是當(dāng)負(fù)荷變化引起煙氣側(cè)擾動(dòng)時(shí)，及時(shí)調(diào)整噴水最，消除負(fù)荷擾動(dòng)，減小過熱汽溫波動(dòng)。為了保證機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，防止過多噴水，由汽水分離器出口壓力經(jīng)(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(dāng)發(fā)生鍋爐主燃料跳閘(MFT)或汽機(jī)跳閘或 負(fù)荷小于等于y ％時(shí)，優(yōu)先降一級(jí)過熱汽溫度；當(dāng)A側(cè)二級(jí)減溫器出口溫度變送器發(fā)生故 障，

或A側(cè)一 級(jí)減溫出口溫度偏差超過低限，或A側(cè)一級(jí)減溫器閥位偏差超過低限，或A側(cè)一級(jí)減溫出口溫度變送器發(fā)生故障，或A側(cè)二級(jí)減溫器入口溫度變送器發(fā)生故障或優(yōu)先降溫時(shí)，A側(cè)一級(jí)噴控制閥應(yīng)強(qiáng)制手動(dòng)；當(dāng)B側(cè)二級(jí)減溫器出口溫度變送器發(fā)生故

障、或B側(cè)一級(jí)減溫出口溫度偏差超過低限,或B側(cè)一級(jí)噴水閥位偏差超過低限，或B側(cè)一級(jí)減溫出口溫度變送器發(fā)生 故 障，或B側(cè)二級(jí)減溫器入口溫度變送器發(fā)生故障，或優(yōu)先降時(shí)，B側(cè)一級(jí)噴水控制閥應(yīng)強(qiáng)制手動(dòng)。

3． 3． 2． 2 末級(jí)過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)

該廠的末級(jí)過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)(又稱二級(jí)減溫控制系統(tǒng))如圖3所示。該系統(tǒng)也由結(jié)構(gòu)相似的A(左)側(cè)和B(右)側(cè)2套系統(tǒng)構(gòu)成，采用典型的串級(jí)汽溫控制方案，左末級(jí)過熱器 出口溫度為被控最，主調(diào)節(jié)

器的輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定值，過熱器左二級(jí)減溫器出口溫度 為副調(diào)節(jié)器的被調(diào)節(jié)量， 形成串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。副調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的指令去調(diào)節(jié)左二級(jí)減溫器入 口水調(diào)節(jié)門，改變左二級(jí)噴水減溫器的噴水量。

系統(tǒng)的設(shè)定值可由運(yùn)行人員手動(dòng)設(shè)定或由修正后的蒸汽流最經(jīng)(fx)形成。蒸汽流量、總風(fēng)量、燃燒器傾角(燃料指令)經(jīng)動(dòng)態(tài)濾波補(bǔ)償處理后，加到主調(diào)節(jié)器的輸出作為前饋量，其 目的是當(dāng)負(fù)荷變化引起煙氣側(cè)擾動(dòng)時(shí)能及時(shí)調(diào)整噴水量，消除負(fù)荷擾動(dòng)，減小過熱汽溫波動(dòng) 。同時(shí)，為了保證機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，防止過多噴水，系統(tǒng)還設(shè)置了最低噴水溫度限制，即由汽水分離器出口壓力經(jīng)(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(dāng)發(fā)生鍋爐主燃料跳閘(MFT)或汽機(jī)跳閘或負(fù)荷小于y ％時(shí) ，優(yōu)先降二級(jí)減溫系統(tǒng)出口溫度；

當(dāng)左末級(jí)過熱器出口溫度變送器發(fā)生故障，或左二級(jí)減溫出口溫度偏差超過低限，或左二級(jí) 噴水調(diào)節(jié)閥位偏差超過低限，或左二級(jí)減溫系統(tǒng)末級(jí)過熱器出口溫度與設(shè)定值

偏差超過低 限時(shí)，左二級(jí)噴水控制閥應(yīng)強(qiáng)制手動(dòng)：當(dāng)有末級(jí)過熱器出口溫度變送器發(fā)生故障，或右二級(jí)減溫出口溫度偏差超過低限，或右二級(jí)噴水調(diào)節(jié)閥位偏差超過低限，或右二級(jí)減溫系統(tǒng)末級(jí)過熱器出u溫度與設(shè)定值偏差超過低限時(shí)，右二級(jí)噴水控制閥應(yīng)強(qiáng)制手動(dòng)。

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(dāng)于PD控制，其穩(wěn)態(tài)精度較低，故將PID控制器加

入系統(tǒng)中，當(dāng)系統(tǒng)在大偏差范圍內(nèi)采用模糊控制，在小偏差范圍內(nèi)采用PID控制。

圖4 過熱蒸汽模糊控制系統(tǒng)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Fuzzy為模糊控制，PID為PID控制。當(dāng)控制系統(tǒng)的輸入給定變量時(shí)：若e＞k，則系統(tǒng)選擇模糊控制方式進(jìn)行控制；若e＜k，則系統(tǒng)選擇PID控制方式進(jìn)行控制。經(jīng)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)后，得到最優(yōu)的輸出量U，進(jìn)而輸出變量Tc。上面所講述的控制系統(tǒng)方框圖可轉(zhuǎn)化為如圖5所示系統(tǒng)流程圖。

中 e(k)= Tr (k)- Tc(k)

Tr

Y N

e>k?

u

e

Fuzzy PID

圖5過熱蒸汽模糊控制系統(tǒng)流程圖