亞臨界鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統的研究

王馨杉

一. 基本任務及要求

過熱蒸汽溫度控制的任務是維持過熱器出口蒸汽溫度在允許的范圍之內，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，嚴重影響安全。一般規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，據估計，汽溫每降低5℃ ，熱經濟性將下降約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，嚴重影響汽輪機的安全運行。一般規定過熱汽溫下限不低于其額定值10℃。通常，高參數電廠都要求保持過熱汽溫在540+5-10℃的范圍內。

二. 控制系統方案設計及參數整定

（一）設計相應的過熱蒸汽自動控制系統，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。影響過熱器出口溫度的主要擾動蒸汽流量、煙氣側傳熱量、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前作用，因此構成了以 T2為副參數，T1為主參數的串級控制系統。汽溫對象導前區的遲延和慣性比慣性區小，而副調節器又選用PI 調節規律，二者使得內回路的調節過程比外回路快得多，當發生擾動時內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：發生外部擾動使 T2變化時，內回路立刻作用，由主調輸出值為 T2sp，與 T2反饋值偏差作為副調的輸入信號，經副調作用控制減溫水量 Gj，使得 T2在一定范圍內，初步穩定出口溫度 T1，完成粗調。之后再將 T1sp與 T1的反饋值的偏差作輸入信號，經主調 作用進行細調，調節過程結束后使T1等于設定值。

（二）控制系統參數整定

已知該系統減溫水流量 Gj 可通過加裝流量計進行檢測，電動調節閥的開度可根據控制器輸出值自動調整。

一>. 整定副環。主環、副環都閉合，主副調都為P 調節器，主調δ=100%，整定副調得到δ2s 和T2s（ =0.75）

副調整定方法采用衰減曲線法：

（1）將調節器的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）系統投閉環穩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，應逐步減小δ，再次試驗直到出現4：1 的衰減過程。由于存在反饋系數，所以得不到4：1 的衰減震蕩曲線，選擇誤差小并且使穩態誤差為1 的δ

（3）在圖所示曲線上求取ψ=0.75 的振蕩周期Ts，結合此過程的δs ，

按表計算調節器的各個參數。

由圖可得，δs=35.088.副調為P，由表可得，δ=35.088，

二> 整定主環。主環、副環都閉合，主副調都為P 調節器， 副調δ2=δ2s，整定主調得到δ1 和T1。

使用PID-TUNER，打開主環，選擇PI 調節，點擊TUNER

計算可知，遲延時間：47.8s，最大動態偏差13.3-12.5=0.8，調節時間703s，穩態誤差幾乎為0。

所以，串級控制系統可以快速準確的維持過熱汽溫在540℃左右。

三.控制器、變送器、執行器設備選型及參數組態設置。

一> 執行器

執行機構使用液體、氣體、電力或其他能源并通過電機、氣缸或其他設備將其轉化成驅動作用，基本的執行機構用于把閥門驅動至全開或全關的位置，并且能觀精確的控制閥門走到任何位置。

ZKZ-310C 型電動執行器參數：

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）環境溫度：0-50℃

6）? 相對濕度≤85%

7）? 防爆等級dⅡBT4調節閥

調節閥按驅動方式可以分為氣動、電動和液動，由于生產現場有防爆要求，所以應選擇氣動調節閥。此設計中的串級控制系統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節閥，阻力小，適用于高溫高壓管路，結構復雜，性能穩定，工作可靠，允許壓差大。由型號編制說明知，選擇 ZMAS-320B 型調節閥。

電氣轉換器

執行器輸出信號為電信號，而調節閥輸入信號為氣動信號，本設計中選擇型號為EPC110-OG-Ⅰ型電氣轉換器。

參數為：

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 PID 運算，本設計中采用 DTL-310A 型控制器。該控制器以來自變送器或轉換器的1-5V 直流測量信號作為輸入信號，與1-5V 直流設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，以實現對工藝變量的控制。

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

參數設置如下：

1）輸入信號：1-5VDC

2）輸出信號：4-20mADC

3）??? 轉化電阻：250Ω

4）環境溫度：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 系列儀表中的現場安裝式溫度變送器單元，與工業熱電偶、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。

技術指標為：

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）??? 負載電阻：0-500Ω，允許負載變化范圍小于100Ω

4）??? 輸出信號：二線制4-20mADC

5）環境溫度：0-50℃

6）??? 相對濕度<90%

7）??? 防爆等級ⅡCT6

查閱相關數據可知：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.