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1、660MW超超临界直流机组主汽温控制系统研究摘 要主汽温度是否稳定是衡量锅炉运行质量的重要技术指标之一，它的高低直接影响锅炉安全稳定运行。汽温太高容易烧坏过热器及损坏汽机的进汽部件，过低则不仅会影响机组的经济性，而且也会造成汽机末级蒸汽湿度过大而损坏叶片。因此，主汽温调节对于电厂的安全和经济运行十分重要。然而，影响主汽温度的因素很多，例如蒸汽负荷、减温水量、烟气侧的过剩空气系数和火焰中心位置、燃料成分等都可能引起汽温变化。汽温对象通常都具有大延迟、大惯性的特点，尤其随着机组容量和参数的增加，蒸汽的过热受热面相对于蒸发受热面的比例加大，使其延迟和惯性更大，从而进一步加大了汽温控制的难度。主汽温控
2、制系统是提高机组热效率和保证机组安全运行的重要组成部分。主汽温度控制系统分燃水比控制系统和喷水减温控制系统。燃水比控制系统作为整个汽温调节的粗调节，将汽温调节到一个中间温度，然后再利用喷水减温控制对主汽温进行细调节，最终将主汽温调节到一个合适的范围内。燃水比控制系统通常采用单回路控制系统即可，而喷水减温控制系统则采用一般串级pid控制系统或者串级pid+smith控制系统以求达到更好的控制品质。通过仿真比较得出：串级pid+smith控制系统较常规串级pid控制系统在控制品质上优越了许多，能够用于660MW超超临界直流机组的主汽温控制。关键词：火电厂；主汽温；串级pid；smith控制 I目
3、录摘 要I1 绪论11.1电力生产的重要性及意义11.2电力生产中主汽温的重要性及意义12 过热器的结构和动态特性32.1过热器的作用及结构32.2过热器的布置42.3过热器的动态特性42.3.1动态特性和结构参数的关系42.3.2几个重要的参数介绍62.3.3简化传递函数和受热面最宜长度计算公式72.4影响汽温变化的因素112.4.1蒸汽负荷变化对汽温的影响112.4.2烟气侧扰动对汽温的影响122.4.3工质侧的扰动对汽温的影响133 主汽温控制系统153.1过热汽温控制的任务与对象动态特性153.1.1过热蒸汽控制的重要与任务153.1.2过热蒸汽温控制对象的动态特性153.2超超临界直
4、流机组主汽温控制特点173.3过热汽温控制系统的基本方案173.3.1燃水比调节系统173.3.2喷水减温控制系统19结论21参考文献22致谢231 绪论1.1电力生产的重要性及意义电力发展是国民生产的重要基础，电力生产与人们的生活紧密不分，可以说现代工业是高度依赖于电力的，所以要使国民经济能健康发展，电力供给是相当重要的，更是是不可取代的。要保证电力质量则是电力生产基地电厂所必需具备的指标。由于社会需求的电量越来越大，因此只有电厂也随之加大其发电量，才能供应庞大的电力需求市场，所以越来越多的电厂开始应用大容量大机组，以此来提高电厂的发电量和发电效率。特别是现代电力，用户用电是从电网获得，而电
5、网有一系列的大机组组成，大机组有容量大、效益高、污染小等优点，但同时也给出了严格的要求，要求其发电质量，而且也不能无故停电，如果在某一时刻因为电网中的某一台大机组突然停止发电，那么会引起电网大幅波动，对电的质量严重破坏，甚至造成电网的崩溃，后果难以估量1。所以现代大型机组的安全运行显得非常重要。1.2电力生产中主汽温的重要性及意义从电厂的生产过程来看，火力发电厂是一个将燃料燃烧产生的热能转换为电能的一个基地。首先煤在锅炉中燃烧，燃烧释放的热能传递给水冷壁中的水，水水冷壁中的水吸热后变成高温高压的水蒸汽，水蒸汽推动汽轮机转动做功，然后汽轮机带动发电机同轴转动进行发电。所谓电力质量主要是指发电厂发
6、出的电的多少必须满足电网的负荷，而且频率要求特别严格，汽轮机正常运行时其转速3000r/min，如果波动量达到15%，则必须拉闸停运，一旦出现这样的情况就会像前面说过的一样发电机突然退出电网，直接威胁到电网的安全运行。因此要使汽轮机安全带动发电机转动，就需要推动汽轮机转动的工质水蒸汽要有严格的参数指标。进入汽轮机高压高的蒸汽叫过热蒸汽，这种蒸汽压力大、温度高，通常把这个温度叫主汽温度，简称主汽温。主蒸汽温度是否稳定是衡量锅炉运行质量的重要技术指标之一，它的高低直接影响锅炉安全稳定运行。汽温太高容易烧坏过热器及损坏汽机的进汽部件，过低则不仅会影响机组的经济性，而且也会造成汽机末级蒸汽湿度过大而损
7、坏叶片。因此，过热温度调节的主要任务是保证进入汽轮机高压缸做功的主蒸汽温度在允许值范围内变化，并且使整个过热器管路的金属不被高温损坏2。主汽温控制系统是提高机组热效率和保证机组安全运行的重要组成部分，但由于影响汽温的因素很多，造成主蒸汽温度动态特性具有延时长，惯性大的特点，（特别是大单元机组）从而增加了控制难度。因此，必须通过采用先进的控制策略来提高系统的控制品质。下面以许昌龙岗发电有限责任公司3号炉的主汽温控制策略为例：调节器的输入（过热汽温汽温设定值）（压力设定值主汽压力）-燃料量微分-导前汽温的微分。 燃料量的前馈通道（dH/dt）在稳态时输出应为0。 导前汽温通道（dTd/dt）在稳态
8、时输出应为0。 过热汽温的偏差（T-Td）在稳态时输出也应为0。3主汽温的温度及压力是汽轮机能正常工作的必要条件，例如主汽温度而言，如果主汽温过高，则汽轮机机械特性难以到达要求，长期如此将会影响汽轮机的正常工作，缩短其寿命；如果温度过低则在汽轮机中蒸汽的热循环效率降低，同时会在汽轮机末级及那个会出现少量的液态水，这样在汽轮机高速转动时水滴所受到的离心力将会使高速运动知道撞到汽轮机，可能导致汽轮机叶片受损，损坏其设备，使其不能正常工作，所以如何控制到主汽温是相当重要的。影响主汽温的因素很多，例如蒸汽负荷、减温水量、烟气侧的过剩空气系数和火焰中心位置、燃料成分等都可能引起汽温变化。汽温对象具有大延
9、迟、大惯性的特点，尤其随着机组容量和参数的增加，蒸汽的过热受热面相对于蒸发受热面的比例加大，使其延迟和惯性更大，从而进一步加大了汽温控制的难度。超超临界直流机组中，水是直接从液态变为汽态，中间不需要汽包，出过热器的蒸汽直接进入汽轮机的高压缸做功，这时蒸汽的温度应该严格要求，主要控制手段是将纯净的低温水喷到经过过热器的过热蒸汽中，使其降到要求的温度如560，主要控制该喷水调节阀的开度，使主汽温符合要求，如何控制该阀门就是主汽温调节系统。4主汽温对象在各种扰动作用下反映出非线性，时变等特性，使其控制难度增大。由于过热器的正常运行时的温度已接近钢材允许的极限温度，强度方面的安全系数也很小，因此，现代
10、大型机组对过热汽温参数要求很严格，通常中高压锅炉过热汽温的暂时偏差不允许超过正负10，长期偏差不允许超过正负5。4总之，过热汽温是火电机组热力过程的主要参数，由于过热器是在高温高压环境下工作，过热器出口汽温非常高，工艺上允许的汽温变化范围又小，汽温对象特性呈非线性，影响汽温变化的干扰因素多，这些都使得汽温控制系统复杂化，因此正确选择汽温控制策略是非常重要的。52 过热器的结构和动态特性2.1过热器的作用及结构过热器是锅炉中用于提高蒸汽温度的部件，过热器的作用是将饱和蒸汽加热成具有一定温度的过热蒸汽，增加蒸汽的焓值，以增加蒸汽做功能力，提高电厂热力循环。在锅炉负荷或其他工况变动时应保证过热蒸汽温
11、度正常，并处在允许的波动范围之内。从电厂热力循环看，蒸汽的初参数越高，则循环的效率越高。随着锅炉容量增大，蒸汽初参数提高，过热器的作用更显得重要，并在很大程度上影响锅炉的经济和安全运行。由于受到金属材料性能的限制，过热蒸汽温度不能随意提高。在过热器设计布置上，必须确保其受热面管子外壁温度低于抗氧化温度，并保证其高温持久强度。随着蒸汽压力的提高，要求相应提高蒸汽温度，否则在汽轮机尾部的蒸汽湿度会过高，影响汽轮机的安全运行。所以过热蒸汽的温度控制在现在大型机组中相当重要。过热器的设计应根据锅炉容量，参数及锅炉整体布置，综合考虑管壁温度、系统阻力、热偏差、调温方式和钢材消耗等诸方面因素。在进行过热器
12、设计时，要尽量避免平行受热面管之间的热偏差，减少吸热不均、流量不均积减少受热面积灰。为了减少热偏差，将过热器分成几级，并在各级之间用集箱进行充分混合。在热气与烟道的流动方向上，可以有顺流、逆流、双逆流或混流布置方式。顺流布置能得到最大的传热温差，节省金属，但工作条件差。一般在低温烟区采用逆流布置，在高温烟区采用混流布置。6在布置过热器时，要兼顾获得最合理的烟气流速和蒸汽流速。烟气流速是根据管子不受磨损和在受热面上不易积灰的条件来选择的。烟速过高，磨损量增大；过低，又会造成积灰。由于设计和运行等因素，在过热器管中并联的各根管子吸热量或介质流量存在差别，使各管子内介质的焓增不相同，这中现象叫做热偏
13、差。由于存在热偏差现象，因此过热器管组中各并联管出口的蒸汽温度不可能是相同的，必然存在偏差。减少热偏差的措施主要分以下几个方面：（1）在热负荷和结构数据基本均匀的条件下，应尽量使管组中的流量分配均匀。首要措施是对大容量锅炉考虑管道引进或引出集箱的简便，可采用大口径三通和大口径导气管作为管组之间的连通方式，这样除了可以使流量非分配均匀外，还可以起到中间多次混合的双重作用。对于中小型锅炉，可以采用多根导气管沿集箱长度方向作均匀引入或运出，以使流量分配均匀。如需要采用从集箱端部引入或引出连通方式，应以U型联结方式为好。（2）要选择适当大小的集箱内径，使集箱内轴向流速适中，沿集箱长度方向的静压偏差最大
14、值小于受热面管组中平均阻力降的10%。（3）在整个过热器系统中，选择适当的中间混合交叉系数，以减少各级的热偏差及最终的出口汽温偏差。（4）在各级管组进行流量不均匀性计算，对个别管子可以通过调整管径，改变局部阻力系数等增加其流量，反之，对个别流量偏大或吸热较小的管子，可通过设置节流圈或增大管接头壁厚的办法来限制其流量。（5）控制各级受热面的焓增量，防止产生过大的热偏差及不必要地选用高级管材。（6）选择足够的管内质量流速，增强对热偏差的抵抗能力，防止管次超温。（7）炉膛设计和燃烧器的设计要合理，尽量减小炉膛出口左右侧烟温偏差7。2.2过热器的布置本节以龙岗电厂3号炉660MW超超临界直流自然循环锅
15、炉为例说明过热器的布置及流程。过热器分四部分，分别是：一级过热器：布置在尾部分割烟道的后部，由水平管组和出口管组构成。屏式过热器：布置在炉膛上部，通常被设计成独特的发卡式结构，以减少同屏水力偏差。屏式过热器设有进口和出口联箱各一个。中间过热器：布置在折焰角上方，顺流顺列布置。末级过热器：布置在折焰角上方，顺列布置。8由于过热器受热面积大，所以将一部分布置在炉膛内及炉膛出口处，以吸收部分炉膛内的辐射热量，满足蒸汽吸热的需求。为了减少热偏差，改善管子的工作条件，应控制过热器管壁温度不超过所用材料的允许温度， 并使过热器具有良好的温度特性。该过热器系统采用了部分辐射式过热器和部分对流式过热器，系统进行了七次混合，一次左右交叉，这有力于消除过热器热偏差，防止超温，确保过热器安全工作。660MW超超临界直流锅炉采用2-3级喷水减温，第一级喷水减温器一般布置在分隔式过热屏式过热器之前，第二级喷水减温器设在高温对流过热器进口。减温喷水引自进入锅炉的总给水量。2.3过热器的动态特性2.3.1动态特性和结构参数的关系元件的输入信号和输出信号都是时间的函数，这是一对输入信号和输出
