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1、第八章 锅炉与汽轮机控制,包括三部分：锅炉控制；汽轮机控制；两者的协调控制。,第一节 锅炉控制,要求：供给合格的蒸汽，使锅炉发汽量适应负荷的需要。,主要输入变量：负荷、锅炉给水、燃料量、减温水、送风、引风。 主要输出变量：汽包水位、蒸汽压力、过热蒸汽温度、炉膛负压、过剩空气（烟气含氧量）,一个复杂的被控对象,注意：输入变量与输出变量之间相互关联！ 如燃料量变化不仅影响蒸汽压力，还会影响汽包水位、过热蒸汽温度、过剩空气和炉膛负压。,锅炉汽包水位的控制,锅炉燃烧系统的控制,过热蒸汽系统的控制,主要控制系统：,操纵变量：给水流量。主要考虑汽包内部的物料平衡，使给水量适应锅炉的蒸汽量，维持汽包中水位在
2、工艺允许范围内 。,1）使燃料燃烧所产生的热量适应蒸汽负荷的需要（常以蒸汽压力为被控变量）；操纵变量是燃料量。2）使燃料与空气量之间保持一定的比值，以保证最经济燃烧（常以烟气成分为被控变量,操纵变量是送风量。），提高锅炉的燃烧效率；3）使引风量与送风量相适应，以保持炉膛负压在一定的范围内。操纵变量是引风量。,被控变量是过热器出口温度； 操纵变量是减温器的喷水量。,一、汽包水位的控制,水位过高：影响汽包内汽水分离，饱和水蒸气带水过多，使过热器管壁结垢导致损坏，同时过热蒸汽温度急剧下降，若该过热蒸汽作为气轮机动力，则会损坏气轮机叶片，影响运行的安全与经济性；水位过低：汽包内的水量较少，当负荷很大时
3、，水的汽化速度加快，因而汽包内的水量变化很快，如不及时控制，就会使汽包内的水全部汽化，导致水冷壁烧坏，甚至引起爆炸。,1、汽包水位的动态特性,图8.1-3 蒸汽流量扰动下水位的阶跃响应曲线,蒸汽负荷（蒸汽流量突然增加时 ）对水位的影响,气泡容积变化所引起水位变化,图8.1-4 给水流量作用下水位的跃响应曲线,给水流量对水位的影响,当突然加大给水量后,使汽包中气泡含量减少，导致水位下降。因此实际水位响应曲线如图中H线，即，汽包水位一开始不立即增加 。,锅炉排污、吹灰等对水位的影响 锅炉排污直接从汽包里放水，吹灰时使用锅炉自身的蒸汽，这些都是短时间负荷的扰动。,锅炉排污：为了控制锅炉锅水的水质符合
4、规定的标准，使炉水中杂质保持在一定限度以内，需要从锅炉中不断地排除含盐、碱量较大的炉水和沉积的水渣、污泥、松散状的沉淀物，这个过程就是锅炉排污。,锅炉吹灰对参数的影响：,2、单冲量控制系统,图 8.1-5单冲量控制系统,适用场合：汽包内水的停留时间较长，负荷又比较稳定。但是，当汽包内水的停留时间较短，负荷变化较大时，采用单冲量水位控制系统就不适用。原因为：a. 负荷变化时产生的“虚假水位”将导致控制器反向错误动作。负荷增加时反向关小给水控制阀，一到闪急汽化平息下来，将使水位严重下降，波动很厉害，动态品质很差；b. 对负荷不灵敏。负荷变化时，控制作用缓慢，即使“虚假水位”现象不严重，从负荷变化到
5、水位下降要有一个过程，再由水位变化到阀动作已滞后一段时间，使控制作用缓慢，控制质量下降；c. 对给水扰动不能及时克服。当给水系统出现扰动时，动作作用缓慢。,3、双冲量控制系统,优点：减少水位的波动，改善控制品质,前馈,D,4、三冲量控制系统,前馈与串级控制组成的复合控制系统。,再引入给水流量信号,控制方案原理,三冲量控制系统的连接图和方块图,P133图8.1-9的控制系统原理图？,二、燃烧控制系统,控制任务：第一，使锅炉出口蒸汽压力稳定；第二，保证燃烧过程的经济性。在蒸汽压力恒定的条件下，要使燃料量消耗最少，且燃烧尽量完全，使热效率最高，为此，燃料量与空气量（送风量）应保持一个合适的比例；,第
6、三，保持炉膛负压恒定。炉膛负压保持在（-20 -80Pa），如果炉膛负压太小甚至为正，则炉膛内热烟气甚至火焰将向外冒出，影响设备和操作人员的安全，若炉膛负压太大，则会使大量冷空气漏进炉内，从而使热量损失增加，降低燃烧效率。,燃烧系统的控制方案:1）蒸汽压力控制系统影响蒸汽压力波动的主要扰动是蒸汽负荷的变化和燃料量的波动。当燃料流量及蒸汽负荷波动较小时，可以采用蒸汽压力控制燃料量的简单控制系统；而当燃料流量波动较大时，可采用蒸汽压力对燃料流量的串级控制系统。2）燃料与空气比值控制系统以燃料流量作为主流量，空气流量为副流量，组成单闭环比值控制系统。,3）炉膛负压控制系统 炉膛负压可以通过控制引风量
7、来维持在一定范围内。,1、气压对象的动态特性,Ub- 给煤机开度；B -燃料量；UV-进风阀开度；Vi-进风量；Q-炉膛发热量；W-进水量；Pb-汽包压力；Pt-过热蒸汽压力；Ug-汽轮机进气阀开度；Dt-汽轮机进气量；Ne-机组实发功率,图8.1-11 气压对象方块图 （ Dq-锅炉蒸发量； D-锅炉输出蒸汽量）,燃料扰动时气压对象方块图,A.汽轮机负荷不变（即耗汽量 D t不变）时的汽压对燃料量变化的响应特性,图8.1-13 蒸汽压力对燃料量变化的响应曲线,B.负荷扰动下气压对象的动态特性当电网要求机组功率变化时，工频电液控制器相应改变气门开度Ug，以维持汽机耗汽量不变。气压对象的方块图如
8、下。,2、炉膛压力对象特性,3、关于经济燃烧,为了保证炉膛安全，一般要求炉膛压力略低于大气压力。炉膛压力反映了引风量与送风量之间的平衡关系。当送风量或引风量单独改变时，炉膛负压变化的惯性很小，故可将炉膛负压对象近似看成是一个时间常数很小的一阶惯性环节。,燃料量与空气量的固定比值控制系统不能保证生产过程中始终保持最经济燃烧，原因：1）不同的负荷下，两流量的最优化比值是不同的；2）燃料成分（如含水分、灰分的量）有可能变化；3）流量的测量不准确。,解决办法？,实际空气量,理论空气量,烟气中各种成分和未燃烧的烃的含量基本可以反映燃料燃烧的情况。如烟气中的含氧量A0 。根据燃烧反应方程式可计算出使燃料完
9、全燃烧时所需的氧量，从而得到所需的空气量，称为理想空气量。实际所需的空气量要超过理论计算的量，即要有一定的过剩空气量。过剩空气量增多，使炉膛温度降低，同时使烟气热损失增加。最优值过剩空气系数：,图8.1-15 燃烧控制系统基本方案,4、燃烧系统控制方案,适用场合：燃料量和进风量都比较好检测的情况。,图8.1-16 热量信号Qb作为燃料量间接度量时的燃烧控制系统,很多燃煤锅炉燃料量测量的准确性较低。这时，宜采用热量信号作为燃料量的间接度量.,现代大型燃油锅炉，多采用微正压燃烧，以减少漏风，实现低氧燃烧，从而防止锅炉受热面的腐蚀和污染等。由于低氧燃烧时过剩空气系数很小，在负荷变动时更应注意燃料量与
10、空气量的配合恰当，否则会产生不完全燃烧，引起炉膛爆炸、受热面污染、尾部再燃等事故。因此，在锅炉增减负荷时提出逻辑要求：增负荷时先增风再增油；减负荷时先减油再减风。,四个控制系统：1）正常工况下，保证蒸汽压力变化时，自动加、减燃料量，维持蒸汽压力稳定。2）正常工况下，以燃料量为主流量，空气量为副流量的单闭环比值控制系统，保证燃料燃烧完全。3）当负荷减少时，自动减少燃料量的选择性控制系统，先减燃料，后减空气量。保证燃烧完全。4）当负荷增加时，自动加大空气量的前馈选择性控制系统。在增加燃料量之前先加大空气量，以使燃烧完全。,如果过热蒸汽温度过高，容易烧坏过热器，也会引起汽轮机内部零件过热，影响安全运
11、行；温度过低则会降低全厂热效率，所以电厂锅炉一般要求过热蒸汽温度偏差保持在士5以内。,三、过热蒸汽温度控制,目前，很多实际系统并没有达到控制指标的要求。,控制过热蒸汽温度的手段：调节减温水量,原因: 扰动因素多、变化大.控制通道滞后大 .,图8.1-18 过热蒸汽温度控制方案（一）,方案一：两个温度的串级控制,图8.1-19 过热蒸汽温度控制方案（二）,方案二：用减温水流量作副回路,烟道气温度,往往是该温度系统的重要扰动，在这里通过设置前馈控制减少它的影响。,第二节 汽轮机控制,一、汽轮机的监控任务,1、自动检测,2、自动保护,包括：发电机功率、蒸汽的压力与温度、真空度、监视段抽气压力、润滑油
12、压、转速、油动机行程。转子轴向位移、定子和转子内温度、转子与汽缸的相对膨胀、汽缸的热膨胀、汽缸与转子的热应力、汽轮机振动、主轴挠度、轴承温度与润滑油温度、推力瓦温度、推力轴承油膜压力、油箱油压、上下汽缸温差等.,内容主要有：超速保护、低油压保护、轴向位移保护、差胀保护、低真空保护、振动保护等。为了能够可靠地对汽轮机进行保护，对某些参数还采取了双重甚至多重保护。,3、自动控制,主要是指汽轮机的自动启动和停机。采用自动起停不但可以节约劳动力和减轻工人的劳动强度，而且还可以缩短启动时间，避免误操作，提高汽轮机运行的经济性和可靠性。,4、程序控制,1）供电频率维持在一定的精度范围之内，要求汽轮机具备高
13、性能的转速自动控制系统。对汽轮机本体的安全也是重要的保障。2）保证供给用户足够数量和一定质量（压力）的蒸汽（供热），这些机组必须有压力自动控制系统。3）大功率汽轮机一般还具有汽封气压、旁路系统、凝汽器水位等辅助自动控制系统。,二、转速自动控制,图8.2-2转速电液控制系统原理图,结果：保持汽轮机转速不变,具有一级放大的机械液压系统,在电负荷变化时，汽轮机的转速应保持不变 .,三、中间再热式汽轮机的控制,图8.2-3 中间再热式汽轮机1-锅炉；2-高压缸；3-中间缸；4-低压缸；5-中间再热器；6-控制阀,目前世界上功率较大的电站汽轮机几乎都采用中间再热式汽轮机。与一般凝汽式汽轮机相比，采用中间
14、再热可以 提高循环效率，降低煤耗。,特点 : 甩负荷后的转速飞升,机炉的相互配合问题,参加电网调频能力的问题,再热管路总长达200300m足以使汽轮机产生严重超速。,一般机炉一对一汽轮机启动、低负荷以及短时间的空负荷运行时，需要设法处理锅炉的多余蒸汽 ,中间再热器的冷却问题.,当电网负荷增加，频率降低时，要求汽轮机控制阀及时开大，增大汽轮机功率以调整电网频率。由于中间再热汽轮机功率变化缓慢，因此调频作用不如一般凝汽式汽轮机。,一种是主动甩负荷：当电网提供的有功大大小于系统需要的有功，主动甩掉部分不重要的负荷，提高电网供电质量。一种是故障甩负荷，发生这种事故的原因除了电网不正常之外，发电机的主开
15、关跳闸、汽机主汽门脱扣等都是引起该事故的原因。,图8.3-1单元机组的原理系统,越来越多地采用一机一炉单元机组。,汽轮机是个快速对象，在外部负荷变化时，只要变动进汽阀饿开度，蒸汽流量会迅速变化。即汽轮机能很快适应负荷变化的需要。锅炉过程动态滞后很大 。当外部负荷增加时，即使立即增加燃料量，锅炉不能立即增加蒸发量。,单元机组中有几种不同的负荷控制方式 ：,第三节 机-炉协调控制,炉跟机运行方式 机跟炉运行方式 机炉协调运行方式,一、炉跟机运行方式,图8.3-2 炉跟机运行方式,当主蒸汽压力下降时，要求增加燃料，使主蒸汽压力维持不变 .,按照出力指令增加出力时开大蒸汽控制阀。增加汽轮机的进气量。,
16、在负荷变化比较小时，锅炉有蓄热,其快速反应是可能的 .,在负荷变化大时由于受锅炉蓄热能力和锅炉燃烧延迟大的限制，锅炉跟不上汽轮机，所以对负荷变化率应加以限制。,二、机跟炉运行方式,当出力指令增加时，主信号首先送给锅炉控制器，增加燃料量，锅炉输出的热量增加，使主蒸汽压力上升。然后以主蒸汽压力为信号，控制蒸汽控制阀。,这种控制方式主蒸汽压力变化比较小，但是由于燃烧延迟和没有充分利用锅炉的蓄热量，所以控制过程延迟较大，负荷适应性不好，一般只用在带基本负荷的机组上。,三、机炉协调控制（P143,图8.3-3）,第九章 计算机综合集成控制,第一节 计算机集成控制概述,企业运作过程,过程工业要求:,满足各种安全规程； 2.提高设备的利用率； 3.尽量减少如废气、废水，满足环境污染法规的要求； 4.保证产品的规格质 量，加速对客户需求的响应能力； 5.保持和提高产品的生产速率； 6.降低原料和公用工程的消耗； 7.尽力节省人力资源，减少原料和产品的库存量 .,一、流程工业生产过程运作特点,1.物料流和能量流是连续的，生产过程管理运作的重点是保证生产期间稳定地运行。任何一个单元、装置或设备运行过程中的故障都会影响整个生产过程的运行。,
