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1、 过程控制课程设计说明书 锅炉过热蒸汽温度控制系统 院系：化工学院化工机械系 班级：10自动化（1） 姓名：李 正 智 学号：1 0 2 0 3 0 1 0 1 6 日期：2013/12/2-2013/12/15 指导老师：王淑钦老师 引言蒸汽温度是锅炉安全、高效、经济运行的主要参数，因此对蒸汽温度控制要求严格。过高的蒸汽温度会造成过热器、蒸汽管道及汽轮机因过大的热应力变形而毁坏；蒸汽温度过低，又会引起热效率降低，影响经济运行。锅炉控制现场环境恶劣，采用传统的基于模拟技术的控制器、仪器仪表或单片机，不仅结构比较复杂，效率比较低，并且可靠性也不高。本次课程设计的主要目的是锅炉蒸汽温度控制系统的设
2、计。蒸汽过热系统包括一级过热器、减温器、二级过热器。锅炉汽温控制系统主要包括过热蒸汽和再热蒸汽温度的调节。主蒸汽温度与再热蒸汽温度的稳定对机组的安全经济运行是非常重要的。过热蒸汽温度控制的任务是维持过热器出口蒸汽温度在允许的范围之内，并保护过热器，使其管壁温度不超过允许的工作温度。过热蒸汽温度是锅炉汽水系统中的温度最高点，过热蒸汽温度过高或过低，对锅炉运行及蒸汽设备是不利的。蒸汽温度过高会使过热器管壁金属强度下降，以至烧坏过热器的高温段，严重影响安全。一般规定过热器的温度与规定值的暂时偏差不超过10，长期偏差不超过5【1】。如果过热蒸汽温度偏低，则会降低电厂的工作效率，同时使汽轮机后几级的蒸汽
3、湿度增加，引起叶片磨损。据估计，温度每降低5，热经济性将下降约1%；且汽温偏低会使汽轮机尾部蒸汽温度升高，甚至使之带水，严重影响汽轮机的安全运行。一般规定过热汽温下限不低于其额定值10。通常，高参数电厂都要求保持过热汽温在540的范围内。由于汽温对象的复杂性，给汽温控制带来许多的困难，其主要难点表现在以下三个方面： （1）影响汽温变化的因素很多，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。 （2）汽温对象具有大延迟、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。 （3）
4、汽温对象在各种扰动作用下（如负荷、工况变化等）反映出非线性、时变等特性，使其控制的难度加大。一生产工艺概述 1.1.锅炉生产工艺介绍锅炉是过程工业中必不可少的动力设备。它所产生的蒸汽不仅可供生产过程作为热源，而且还可作为蒸汽透平的动力源。在热电厂中按锅炉设备所使用燃料的种类、燃烧设备、炉体形式、锅炉功能和运行要求的不同，锅炉生产有各种不同的流程。常见锅炉设备的工业流程如图1.1所示2： 图1.1 锅炉设备主要工艺流程蒸汽发生系统由给水泵、给水调节阀、省煤器、汽包及循环管组成。燃料和热空气按照一定的比例进入燃烧室燃烧，产生的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽Ds ，然后经过热器成一定汽温的过热
5、蒸汽D，汇集至蒸汽母管。压力为Pm的过热蒸汽，经负荷设备调节阀供给生产负荷使用。与此同时，燃烧过程中产生的烟气，将饱和蒸汽变成过热蒸汽后，经省煤器预热锅炉预热空气，最后经引风机送往烟筒排入大气。 锅炉设备的控制任务：根据生产负荷的要求，供应一定压力或温度的蒸汽，同时要使锅炉在安全、经济的条件下运行。按照这些控制要求，锅炉设备将有如下主要的控制系统：锅炉汽包水位控制系统：主要是保持汽包内部的水位平衡，使积水量适应锅炉的蒸汽汽量，维持汽包中水位在工艺允许的范围内；锅炉燃烧系统的控制：其控制方案要满足燃烧所产生的热量，适应蒸汽负荷的需要，使燃料与空气量保持一定的比值，保证燃烧的经济性和锅炉的安全运行
6、，使引风量与送风量相适应，保持炉膛负压在一定范围内；过热蒸汽系统控制：主要使过热器出口温度保持在允许范围内，并保证管壁温度不超过工艺允许范围；锅炉水处理过程：主要使锅炉给水的水性能指标达到工艺要求。 1.2过热器的介绍过热器定义：锅炉中将蒸汽从饱和温度进一步加热至过热温度的部件。过热器概述：过热蒸汽温度的高低取决于锅炉的压力、蒸发量、钢材的耐高温性能以及燃料与钢材的比价等因素，对电站锅炉来说,低压锅炉的温度一般为350375，过热器前布置有大量对蒸汽管束，进入过热器的烟温约在700上下。中压锅炉多为烧煤粉或重油的室燃炉，其过热气温为450，这时的炉膛辐射传热的烟温可达1000左右3。高压锅炉，
7、尤其超高压锅炉，加热水的热量和过热热量增大很多，而蒸发热减少，当有中间再过热时，情况更为突出，这时必须把一部分过热器受热布置在炉膛内，是吸收部分辐射热。为了提高电厂热力循环的效率，蒸汽的初参数不断提高。蒸汽压力的提高要求相应的提高过热蒸汽温度，否则蒸汽在汽轮机膨胀终了的湿度就会过高，影响汽轮机的安全。但蒸汽温度的增高要受到过热器钢材高湿强度性能的限制，因而采用了中间再热，即高压高温蒸汽在汽轮机内膨胀至某一中间压力后，引到布置在锅炉烟道内的再热器，再一次加热升温，然后又回到汽轮机的中、低压缸，继续膨胀至凝汽器压力，这样蒸汽膨胀终了的湿度可控制在允许范围内。超高压机组采用中间再热时，理论上可使循环
8、经济性相对提高6%8%，在实际设备中，由于有压降损失，热经济性的提高比理论值稍低。过热器可以根据它所采用的传热方式分为对流过热器、半辐射过热器及辐射过热器三种。现代大容量高参数锅炉的过热器主要由对流过热器，屏式过热器，包覆过热器，顶棚过热器，联箱及减温器构成。由于过热器管壁金属在锅炉受压部件中承受的温度最高，因此必须采用耐高温的优质低碳钢和各种铬钼合金钢等，在最高的温度部分有时还要用奥氏体铬镍不锈钢。锅炉运行中如果管子承受的温度超过材料的持久强度、疲劳强度或表面氧化所容许的温度限值，则会发生管子爆裂等事故。二蒸汽温度控制系统的组成与对象静动态特性 2.1.过热蒸汽温度控制的意义与任务锅炉过热蒸
9、汽温度是影响机组生产过程安全性和经济性的重要参数。现代锅炉的过热器是在高温、高压的条件下工作的，过热器出口的过热蒸汽温度是机组整个汽水行程中工质温度的最高点，也是金属壁温的最高处。过热器采用的是耐高温高压的合金刚材料，过热器正常运行的温度已接近材料所允许的最高温度。如果过热蒸汽温度过高，容易损坏过热器，也会使蒸汽管道、汽轮机内某些零部件产生过大的热膨胀而毁坏，影响机组的安全运行。如果过热蒸汽温度过低，将会降低机组的热效率，一般蒸汽温度降低5-10，热效率约降低1%，不仅增加燃料的消耗量，浪费能源，而且还将使汽轮机最后几级的蒸汽湿度增加，加速汽轮机叶片的水蚀。另外，过热汽温的降低还会导致汽轮机高
10、压级部分蒸汽的焓值减小，引起反动度增大，轴向推力增大，也对汽轮机安全运行带来不利的影响。所以，过热蒸汽温度过高或过低都是生产过程所不允许的。 2.2过热蒸汽温度控制对象的静动态特性2.2.1 静态特性2.2.1.1锅炉负荷与过热汽温的关系4锅炉负荷增加时，炉膛燃烧的燃料增加，但是，炉膛中的最高的温度没有多大的变化，炉膛辐射放热量相对变化不大，因此炉膛温度增高不大。这就是说负荷增加时每千克燃料的辐射放热百分率减少，而在炉膛后的对流热区中，由于烟温和烟速的提高，每千克燃料的对流放热百分率将增大。因此，对于对流式过热器来说，当锅炉的负荷增加时，会使出口汽温的稳态值升高；辐射式过热器则具有相反的汽温特
11、性，即当锅炉的负荷增加时，会使出口汽温的稳态值降低。如果两种过热器串联配合，可以取得较平坦的汽温特性，但一般在采用这两种过热器串联的锅炉中，过热器出口蒸汽温度在某个负荷范围内，仍随锅炉负荷的增加有所升高。2.2.1.2过剩空气系数与过热汽温的静态关系过剩空气量改变时，燃烧生成的烟气量改变，因而所有对流受热面吸热随之改变，而且对离炉膛出口较远的受热面影响显著。因此，当增大过剩空气量时将使过热汽温上升。2.2.1.3给水温度与汽温关系提高给水的温度，将使过热汽温下降，这是因为产生每千克蒸汽所需的燃料量减少了，流过过热器烟气也就减少了。也可以认为：提高给水温度后，在相同燃料下，锅炉的蒸发量增加了，因
12、此过热汽温将下降。则是否投入高压给水加热器将使给水温度相差很大，这对过热汽温有显著的影响。2.2.1.4燃烧器的运行方式与过热汽温的静态关系在炉膛内投入高度不同的燃烧器或改变燃烧器的摆角会影响炉内温度分布和炉膛出口烟温，因而也会影响过热汽温，火焰中心相对提高时，过热汽温将升高。 2.2.2 动态特性目前，火电机组厂广泛采用喷水减温方式来控制过热蒸汽温度。影响汽温变化的因素很多，但主要有蒸汽流量、烟气传热量和减温水量等。在各种扰动下，汽温控制对象是有烟池、惯性和自平衡能力的。2.2.2.1蒸汽流量扰动下的蒸汽温度对象的动态特性大型锅炉都采用复合式过热器，当锅炉负荷增加时，锅炉燃烧率增加，通过对流
13、式过热器的烟气量增加，而且烟气温度也随负荷的增大而升高。这两个因素都使对流式过热器的气温升高。然而，当负荷增加时，炉膛温度升高的并不明显，由炉膛辐射传给过热器的热量比锅炉蒸汽量增加所需热量少，因此使辐射式过热器出口温度下降。可见，这两种型式的过热器对蒸汽流量的扰动的反映恰好相反，只要设计上配合得当，就能使过热其出口汽温随蒸汽流量变化的影响减小。因此在生产实践中，通常把对流式过热器与辐射式过热器结合使用，还增设屏式过热器，且对流方式下吸收的热量比辐射方式下吸收的热量多，综合而言，过热器出口汽温是随流量D的增加而升高的。动态特性曲线如图2-1（a）所示。蒸汽流量扰动时，沿过热器长度上各点的温度几乎
14、是同时变化的，延迟时间较小，约为15s左右。图2-1 在扰动下温度的变化曲线2.2.2.2烟气侧热量扰动下蒸汽温度对象的动态特性当燃料量、送风量或煤种等发生变化时，都会引起烟气流速和烟气温度的变化，从而改变了传热情况，导致过热器出口温度的变化。由于烟气传热量的改变是沿着整个过热器长度方向上同时发生的，因此汽温变化的迟延很小，一般在15-25s之间。烟气侧扰动的汽温响应曲线如图2-1（a）所示。它与蒸汽量扰动下的情况类似。2.2.2.3蒸汽温度在减温水量扰动下的动态特性当减温水量发生扰动时，虽然减温器出口处汽温已发生变化，但要经过较长的过热器管道才能使出口汽温发生变化，其扰动地点（过热器入口）与
15、测量蒸汽温度的地点（过热器出口）之间有着较大的距离，此时过热器是一个有纯滞后的多容对象。.动态曲线图如图2-1（b）所示。当扰动发生后，要隔较长时间才能是蒸汽温度发生变化，滞后时间比较大，滞后时间约为30-60s。综上所述，可归纳出以下几点：（1）过热器出口蒸汽温度对象不管在哪一种扰动下都有延迟和惯性，有自平衡能力。而且改变任何一个输入参数（扰动），其他的输入参数都可能直接或间接的影响出口蒸汽温度，这使得控制对象的动态过程十分复杂。（2）在减温水流量扰动下，过热器出口蒸汽温度对象具有较大的传递滞后和容量滞后，缩减减温器与蒸汽温度控制点之间的距离，可以改善其动态特性。（3）在烟气侧热量和蒸汽流量扰动下，蒸汽温度控制对象的动态特性比较好。三过热蒸汽温度控制原理简介过热蒸汽温度控制系统采用两级喷水减温，这样做的目的有两个，一是为了使汽温调节更灵敏，减小热惯性，二是为了保护过热器。第一级喷水减温器布置在前屏过热器之后，调节量较大且调节惰性大，用来调节因负荷、给水温度和燃料性
