亞臨界鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)的研究

王馨杉

一. 基本任務(wù)及要求

過熱蒸汽溫度控制的任務(wù)是維持過熱器出口蒸汽溫度在允許的范圍之內(nèi)，并保護過熱器，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，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(yán)重影響安全。一般規(guī)定過熱蒸汽的溫度上限不能高于其額定值 +5℃。

如果過熱蒸汽溫度偏低，則會降低電廠的工作效率，據(jù)估計，汽溫每降低5℃ ，熱經(jīng)濟性將下降約1%; 且汽溫偏低會使汽輪機尾部蒸汽濕度升高，甚至使之帶水，嚴(yán)重影響汽輪機的安全運行。一般規(guī)定過熱汽溫下限不低于其額定值10℃。通常，高參數(shù)電廠都要求保持過熱汽溫在540+5-10℃的范圍內(nèi)。

二. 控制系統(tǒng)方案設(shè)計及參數(shù)整定

（一）設(shè)計相應(yīng)的過熱蒸汽自動控制系統(tǒng)，保證過熱蒸汽溫度為給定值工藝流程：如圖為溫度串級控制系統(tǒng)。影響過熱器出口溫度的主要擾動蒸汽流量、煙氣側(cè)傳熱量、噴水量的擾動，具有大慣性大遲延的特點。在這些擾動下，主蒸汽溫度具有較大的容積遲延，而減溫器出口處蒸汽溫度卻有明顯的導(dǎo)前作用，因此構(gòu)成了以 T2為副參數(shù)，T1為主參數(shù)的串級控制系統(tǒng)。汽溫對象導(dǎo)前區(qū)的遲延和慣性比慣性區(qū)小，而副調(diào)節(jié)器又選用PI 調(diào)節(jié)規(guī)律，二者使得內(nèi)回路的調(diào)節(jié)過程比外回路快得多，當(dāng)發(fā)生擾動時內(nèi)回路可以快速消除擾動而使主蒸汽溫度基本不受影響。

工作過程：發(fā)生外部擾動使 T2變化時，內(nèi)回路立刻作用，由主調(diào)輸出值為 T2sp，與 T2反饋值偏差作為副調(diào)的輸入信號，經(jīng)副調(diào)作用控制減溫水量 Gj，使得 T2在一定范圍內(nèi)，初步穩(wěn)定出口溫度 T1，完成粗調(diào)。之后再將 T1sp與 T1的反饋值的偏差作輸入信號，經(jīng)主調(diào) 作用進行細(xì)調(diào)，調(diào)節(jié)過程結(jié)束后使T1等于設(shè)定值。

（二）控制系統(tǒng)參數(shù)整定

已知該系統(tǒng)減溫水流量 Gj 可通過加裝流量計進行檢測，電動調(diào)節(jié)閥的開度可根據(jù)控制器輸出值自動調(diào)整。

一>. 整定副環(huán)。主環(huán)、副環(huán)都閉合，主副調(diào)都為P 調(diào)節(jié)器，主調(diào)δ=100%，整定副調(diào)得到δ2s 和T2s（ =0.75）

副調(diào)整定方法采用衰減曲線法：

（1）將調(diào)節(jié)器的Ti 置于最大;置微分Td 時間為零;置比例帶δ 于一個較大的值;

（2）系統(tǒng)投閉環(huán)穩(wěn)定后做階躍擾動試驗，觀察控制過程。若過渡過程衰減率大于0.75，應(yīng)逐步減小δ，再次試驗直到出現(xiàn)4：1 的衰減過程。由于存在反饋系數(shù)，所以得不到4：1 的衰減震蕩曲線，選擇誤差小并且使穩(wěn)態(tài)誤差為1 的δ

（3）在圖所示曲線上求取ψ=0.75 的振蕩周期Ts，結(jié)合此過程的δs ，

按表計算調(diào)節(jié)器的各個參數(shù)。

由圖可得，δs=35.088.副調(diào)為P，由表可得，δ=35.088，

二> 整定主環(huán)。主環(huán)、副環(huán)都閉合，主副調(diào)都為P 調(diào)節(jié)器， 副調(diào)δ2=δ2s，整定主調(diào)得到δ1 和T1。

使用PID-TUNER，打開主環(huán)，選擇PI 調(diào)節(jié)，點擊TUNER

計算可知，遲延時間：47.8s，最大動態(tài)偏差13.3-12.5=0.8，調(diào)節(jié)時間703s，穩(wěn)態(tài)誤差幾乎為0。

所以，串級控制系統(tǒng)可以快速準(zhǔn)確的維持過熱汽溫在540℃左右。

三.控制器、變送器、執(zhí)行器設(shè)備選型及參數(shù)組態(tài)設(shè)置。

一> 執(zhí)行器

執(zhí)行機構(gòu)使用液體、氣體、電力或其他能源并通過電機、氣缸或其他設(shè)備將其轉(zhuǎn)化成驅(qū)動作用，基本的執(zhí)行機構(gòu)用于把閥門驅(qū)動至全開或全關(guān)的位置，并且能觀精確的控制閥門走到任何位置。

ZKZ-310C 型電動執(zhí)行器參數(shù)：

1）? 輸入信號：4-20MmADC

2）? 輸入電阻：250Ω

3）? 輸入通道：3個隔離通道

4）? 電源電壓：220VC，50Hz

5）環(huán)境溫度：0-50℃

6）? 相對濕度≤85%

7）? 防爆等級dⅡBT4調(diào)節(jié)閥

調(diào)節(jié)閥按驅(qū)動方式可以分為氣動、電動和液動，由于生產(chǎn)現(xiàn)場有防爆要求，所以應(yīng)選擇氣動調(diào)節(jié)閥。此設(shè)計中的串級控制系統(tǒng)通過換熱來達到控制目的。綜上選擇 ZMAS 型氣動薄膜角形單座調(diào)節(jié)閥，阻力小，適用于高溫高壓管路，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，性能穩(wěn)定，工作可靠，允許壓差大。由型號編制說明知，選擇 ZMAS-320B 型調(diào)節(jié)閥。

電氣轉(zhuǎn)換器

執(zhí)行器輸出信號為電信號，而調(diào)節(jié)閥輸入信號為氣動信號，本設(shè)計中選擇型號為EPC110-OG-Ⅰ型電氣轉(zhuǎn)換器。

參數(shù)為：

1）??? 輸入信號：4-20mA

2）??? 輸出信號：20-100KPa

3）??? 本安型

4）??? 氣源壓力范圍：最小值：高于輸出壓力上限值20KPa， 最大值700KPa;

5）??? 線性度：≤跨度的±1%

6）重復(fù)性：≤跨度的±0.5%

7）回查：≤跨度的±1%

二 > 控制器

DDZ-Ⅲ型控制器可以實現(xiàn) PID 運算，本設(shè)計中采用 DTL-310A 型控制器。該控制器以來自變送器或轉(zhuǎn)換器的1-5V 直流測量信號作為輸入信號，與1-5V 直流設(shè)定信號相比得到偏差信號，然后對信號進行PID 運算后，輸出1-5V 或4-20mA 直流控制信號，以實現(xiàn)對工藝變量的控制。

整套儀表可以構(gòu)成安全火花型防爆系統(tǒng)，而且增加了安全柵，實現(xiàn)控制室與危險場所之間的能量限制與隔離，并且可以實現(xiàn)手自動無擾切換?，F(xiàn)場傳輸信號為4-20mA 直流電流，控制室聯(lián)絡(luò)信號為1-5V 直流電壓， 信號電流和電壓轉(zhuǎn)化電阻為250Ω。信號傳輸采用電流傳送 - 電壓接受的并聯(lián)方式，即進出控制室的傳輸信號為直流電流信號（4-20mA），將此電流信號轉(zhuǎn)化成電壓信號后，以并聯(lián)形式傳輸給控制室各儀表。

參數(shù)設(shè)置如下：

1）輸入信號：1-5VDC

2）輸出信號：4-20mADC

3）??? 轉(zhuǎn)化電阻：250Ω

4）環(huán)境溫度：0-45℃

5）相對濕度≤85%

三 > 變送器

1.? 熱電偶選擇

減溫器出口溫度為700℃左右，末級過熱器出口溫度由題得為540℃ 左右。

所以，減溫器出口處選擇 WRN 型分度號為K 的熱電偶， 過熱器出口處選擇 WRE 型分度號為E 的熱電偶。

2.? 變送器選型

SBWR、SBWZ 系列熱電偶、熱電阻溫度變送器是 DDZ 系列儀表中的現(xiàn)場安裝式溫度變送器單元，與工業(yè)熱電偶、熱電阻配套使用，它采用二線制傳輸方式，而且增加了安全柵，實現(xiàn)了控制室與危險場所之間的能量限制隔離，使儀表可以在危險的場所中使用，將熱電偶、熱電阻信號轉(zhuǎn)換成與輸入信號或與溫度信號成線性的4-20mA、0-10mA 的輸出信號。

技術(shù)指標(biāo)為：

1）??? 輸入信號：K 型熱電偶、E 型熱電偶等熱電偶信號輸入

2）??? 供電電壓：10-30VDC

3）??? 負(fù)載電阻：0-500Ω，允許負(fù)載變化范圍小于100Ω

4）??? 輸出信號：二線制4-20mADC

5）環(huán)境溫度：0-50℃

6）??? 相對濕度<90%

7）??? 防爆等級ⅡCT6

查閱相關(guān)數(shù)據(jù)可知：減溫器出口處選擇 SBW-R-10型變送器，過熱器出口處選擇SBW-R-20型變送器.