亚临界锅炉过热蒸汽温度控制系统的研究

王馨杉

一. 基本任务及要求

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，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。一般规定过热蒸汽的温度上限不能高于其额定值 +5℃。

如果过热蒸汽温度偏低，则会降低电厂的工作效率，据估计，汽温每降低5℃ ，热经济性将下降约1%; 且汽温偏低会使汽轮机尾部蒸汽湿度升高，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+5-10℃的范围内。

二. 控制系统方案设计及参数整定

（一）设计相应的过热蒸汽自动控制系统，保证过热蒸汽温度为给定值工艺流程：如图为温度串级控制系统。影响过热器出口温度的主要扰动蒸汽流量、烟气侧传热量、喷水量的扰动，具有大惯性大迟延的特点。在这些扰动下，主蒸汽温度具有较大的容积迟延，而减温器出口处蒸汽温度却有明显的导前作用，因此构成了以 T2为副参数，T1为主参数的串级控制系统。汽温对象导前区的迟延和惯性比惯性区小，而副调节器又选用PI 调节规律，二者使得内回路的调节过程比外回路快得多，当发生扰动时内回路可以快速消除扰动而使主蒸汽温度基本不受影响。

工作过程：发生外部扰动使 T2变化时，内回路立刻作用，由主调输出值为 T2sp，与 T2反馈值偏差作为副调的输入信号，经副调作用控制减温水量 Gj，使得 T2在一定范围内，初步稳定出口温度 T1，完成粗调。之后再将 T1sp与 T1的反馈值的偏差作输入信号，经主调 作用进行细调，调节过程结束后使T1等于设定值。

（二）控制系统参数整定

已知该系统减温水流量 Gj 可通过加装流量计进行检测，电动调节阀的开度可根据控制器输出值自动调整。

一>. 整定副环。主环、副环都闭合，主副调都为P 调节器，主调δ=100%，整定副调得到δ2s 和T2s（ =0.75）

副调整定方法采用衰减曲线法：

（1）将调节器的Ti 置于最大;置微分Td 时间为零;置比例带δ 于一个较大的值;

（2）系统投闭环稳定后做阶跃扰动试验，观察控制过程。若过渡过程衰减率大于0.75，应逐步减小δ，再次试验直到出现4：1 的衰减过程。由于存在反馈系数，所以得不到4：1 的衰减震荡曲线，选择误差小并且使稳态误差为1 的δ

（3）在图所示曲线上求取ψ=0.75 的振荡周期Ts，结合此过程的δs ，

按表计算调节器的各个参数。

由图可得，δs=35.088.副调为P，由表可得，δ=35.088，

二> 整定主环。主环、副环都闭合，主副调都为P 调节器， 副调δ2=δ2s，整定主调得到δ1 和T1。

使用PID-TUNER，打开主环，选择PI 调节，点击TUNER

计算可知，迟延时间：47.8s，最大动态偏差13.3-12.5=0.8，调节时间703s，稳态误差几乎为0。

所以，串级控制系统可以快速准确的维持过热汽温在540℃左右。

三.控制器、变送器、执行器设备选型及参数组态设置。

一> 执行器

执行机构使用液体、气体、电力或其他能源并通过电机、气缸或其他设备将其转化成驱动作用，基本的执行机构用于把阀门驱动至全开或全关的位置，并且能观精确的控制阀门走到任何位置。

ZKZ-310C 型电动执行器参数：

1）  输入信号：4-20MmADC

2）  输入电阻：250Ω

3）  输入通道：3个隔离通道

4）  电源电压：220VC，50Hz

5）环境温度：0-50℃

6）  相对湿度≤85%

7）  防爆等级dⅡBT4调节阀

调节阀按驱动方式可以分为气动、电动和液动，由于生产现场有防爆要求，所以应选择气动调节阀。此设计中的串级控制系统通过换热来达到控制目的。综上选择 ZMAS 型气动薄膜角形单座调节阀，阻力小，适用于高温高压管路，结构复杂，性能稳定，工作可靠，允许压差大。由型号编制说明知，选择 ZMAS-320B 型调节阀。

电气转换器

执行器输出信号为电信号，而调节阀输入信号为气动信号，本设计中选择型号为EPC110-OG-Ⅰ型电气转换器。

参数为：

1）    输入信号：4-20mA

2）    输出信号：20-100KPa

3）    本安型

4）    气源压力范围：最小值：高于输出压力上限值20KPa， 最大值700KPa;

5）    线性度：≤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型控制器可以实现 PID 运算，本设计中采用 DTL-310A 型控制器。该控制器以来自变送器或转换器的1-5V 直流测量信号作为输入信号，与1-5V 直流设定信号相比得到偏差信号，然后对信号进行PID 运算后，输出1-5V 或4-20mA 直流控制信号，以实现对工艺变量的控制。

整套仪表可以构成安全火花型防爆系统，而且增加了安全栅，实现控制室与危险场所之间的能量限制与隔离，并且可以实现手自动无扰切换。现场传输信号为4-20mA 直流电流，控制室联络信号为1-5V 直流电压， 信号电流和电压转化电阻为250Ω。信号传输采用电流传送 - 电压接受的并联方式，即进出控制室的传输信号为直流电流信号（4-20mA），将此电流信号转化成电压信号后，以并联形式传输给控制室各仪表。

参数设置如下：

1）输入信号：1-5VDC

2）输出信号：4-20mADC

3）    转化电阻：250Ω

4）环境温度：0-45℃

5）相对湿度≤85%

三 > 变送器

1.  热电偶选择

减温器出口温度为700℃左右，末级过热器出口温度由题得为540℃ 左右。

所以，减温器出口处选择 WRN 型分度号为K 的热电偶， 过热器出口处选择 WRE 型分度号为E 的热电偶。

2.  变送器选型

SBWR、SBWZ 系列热电偶、热电阻温度变送器是 DDZ 系列仪表中的现场安装式温度变送器单元，与工业热电偶、热电阻配套使用，它采用二线制传输方式，而且增加了安全栅，实现了控制室与危险场所之间的能量限制隔离，使仪表可以在危险的场所中使用，将热电偶、热电阻信号转换成与输入信号或与温度信号成线性的4-20mA、0-10mA 的输出信号。

技术指标为：

1）    输入信号：K 型热电偶、E 型热电偶等热电偶信号输入

2）    供电电压：10-30VDC

3）    负载电阻：0-500Ω，允许负载变化范围小于100Ω

4）    输出信号：二线制4-20mADC

5）环境温度：0-50℃

6）    相对湿度<90%

7）    防爆等级ⅡCT6

查阅相关数据可知：减温器出口处选择 SBW-R-10型变送器，过热器出口处选择SBW-R-20型变送器.