过热蒸汽温度控制新版专业系统设计.doc
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1、毕 业 设 计 论 文题目:过热蒸汽温度控制系统设计系 别:电气与电子工程系专 业:自动化姓 名:龚宏奎学 号:指引教师:任琦梅河南城建学院05月20日摘要 过热蒸汽温度控制系统是单元机组不可缺少重要构成某些,其性能和可靠性已成为保证单元机组安全性和经济性重要因素。过热蒸汽温度较高时,机组热效率则相对较高,但过高时,汽机金属材料又无法承受,气温过低则影响机组效率。过热蒸汽温度稳定对机组安全经济运营非常重要,因此对其控制有较高规定。但是由于过热蒸汽温度是一种典型大迟延、大惯性、非线性和时变性复杂系统,本次设计采用串级控制以提高系统控制性能,在系统中采用了主控-串级控制切换装置,使系统可以合用于不
2、同工作环境。通过使用该系统,可以使得锅炉过热器出口蒸汽温度在容许范畴内变化,并保护过热器营壁温度不超过容许工作温度。核心词:过热蒸汽温度,减温水,串级控制系统,PID ABSTRACT The superheated steam temperature control system is an important and indispensable unit aircrew part,its performance and reliability has become ensure safety and economic behavior of the unit aircrew importa
3、nt factors. The superheated steam temperature is higher,the thermal efficiency is relatively high,but is high,the metal materials and the turbine unable to bear,the temperature is too low will influence the unit efficiency. The superheated steam temperature stability of the unit safe and economic op
4、eration is very important,so for the control have higher requirements. But because the superheated steam temperature is a typical time-delayed,large inertia,nonlinear and changeable complex system,this design USES the cascade control in order to improve the control performance of the system,in the s
5、ystem by the master-cascade control of switching device,make the system can be used in different working environment. By using this system,can make the boiler overheating export steam temperature in allowed within the scope of the change,and the protection of superheater wall temperature not more th
6、an allow the camp of working temperature.Key words:the superheated steam temperature,reduce warm water,cascade control system,PID目录摘要IABSTRACTII1绪论11.1选题背景及其意义11.2国内外研究现状11.3本次设计目21.4本次设计所做工作22汽温控制系统构成与对象动态特性42.1汽温调节概念和办法42.1.1从蒸汽侧调节汽温42.1.2从烟气侧调节汽温52.2过热器分类及基本构造72.2.1过热器分类72.2.2过热器基本构造92.3过热蒸汽温度控制系
7、统基本构造与工作原理112.3.1过热器一级减温控制系统112.3.2二级减温控制系统122.4过热蒸汽温度控制对象动静态特性142.4.1静态特性142.4.2动态特性143过热汽温控制系统基本方案183.1串级汽温控制系统183.2串级汽温控制系统基本构造及原理183.3串级汽温控制系统设计203.4串级汽温控制系统整定214有关器件选型254.1温度检测变送器选取254.2控制器选型264.3执行器选型284.4阀门定位器选型305主蒸汽温度控制系统改进与仿真335.1Smith预估补偿器335.2改进型Smith预估器375.3带有改进型Smith预估器主蒸汽温度控制系统设计与仿真40
8、6结 论43参照文献44致 谢45附 录461绪论1.1选题背景及其意义 过热汽温(过热蒸汽温度)控制就是维持过热出口蒸汽温度在容许范畴内,并且保护过热器,使管壁温度不超过容许工作温度。过热蒸汽温度是影响大型锅炉生产过程安全性和经济性重要参数,由于过热器是在高温、高压条件下工作,过热器出口过热蒸汽温度是全厂整个汽水流程中工况温度最高点,也是金属管壁温度最高处。过热蒸汽温度过高话,则容易烧坏过热器,也会使蒸汽管道、汽轮机内某些零部件产生过大热膨胀变形而损坏,影响机组安全运营,因而过热汽温上限不应超过额定值5。相反过热蒸汽温度过低话,又会减少全厂热效率,增长燃料消耗量,挥霍能源,同步会使汽轮机最后
9、几级蒸汽湿度增长,加速汽轮机叶片水蚀,从而缩短汽轮机叶片使用寿命,因此过热蒸汽温度过高或过低都是生产过程不容许。此外,如果过热蒸汽温度变化过大,还会引起汽轮机转子和汽缸涨差变化,甚至会产生激烈振动,危及到机组运营安全。因而,必要相称严格地将过热汽温控制在给定值附近。普通中、高压锅炉过热蒸汽温度暂时偏差不容许超过10,长期偏差不容许超过5,这个规定对过热蒸汽温度控制系统来说是非常高。 过热蒸汽温度普通可以看作是多容分布参数受控对象,其动态特性描述可用多容惯性环节表达,该对象具备明显滞后特性。在锅炉运营中,影响过热器出口蒸汽温度因素诸多,有蒸汽流量、燃烧状况、锅炉给水温度、流通过热器烟气温度、流量
10、、流速等等。在这些因素共同作用下,过热汽温对象除了具备多容、大惯性、大延迟特性之外,往往还体现出一定非线性和时变特性,因而,过热蒸汽温度控制系统是锅炉各项控制系统中较为复杂控制系统之一。因此针对上述状况设计控制系统,既规定对烟气侧扰动及负荷扰动等较大外扰具备足够快校正速度,同步又规定可以对减温水内扰有较强抑制能力,从而使系统具备足够稳定性和良好控制品质,并能保证系统运营安全性。1.2国内外研究现状 国内外广大专家学者和现场工作人员重要关注热点问题是:面对具备大延迟、工况参数对模型参数有较大影响过热汽温,如何稳定、精确、迅速地对其进行有效控制。在火电厂中,各种类型PID控制器因其参数物理意义明确
11、、易于调节,依然在热工过程控制系统中占据着一定地位,但这种采用常规PID控制器较难保证控制系统品质,由于它自身存在某些缺陷使得它在实际应用中控制效果不是很抱负。分析常规PID控制可以发现,这种控制无法解决稳定性与精确性之间矛盾。加大控制作用可使误差减少,精确性可以提高,但是减少了稳定性。反之,为保证稳定性,限制控制作用,这样又减少了控制精确性。虽然对被控对象整定了一组满意PID参数,当对象特性发生变化时,也难以保持良好控制性能。 过热汽温对象具备时变性、不拟定性、非线性等特点,并且会有某些随机扰动产生,工艺流程复杂,使其难以建立精准数学模型。同步,其还具备延迟和惯性较大等特性,由于模型参数不拟
12、定性以及在控制系统运营过程中浮现环境变化、元件老化等问题,因此常规PID控制办法更难以获得满意控制效果。 因而,许多火电厂都迫切但愿能有一种抱负控制方略实现对过热汽温有效控制。随着控制理论不断发展,控制领域浮现了许多新控制办法,如预测控制办法、自适应控制办法、各种智能控制办法(涉及模糊控制、神经网络控制、遗传算法优化控制等等)。 始终以来,国内外许多专家学者都在积极研究将这些新控制算法应用到过热蒸汽温度控制上。模糊控制作为一种智能控制办法,它是根据人对被控对象控制经验而设计,其模仿人思维模式,不依赖被控对象数学模型,对于解决过热汽温这种具备大延迟、非线性和对象模型不拟定被控制对象有较好控制效果
13、,为解决此类复杂对象控制问题开辟了新途径,被某些专家学者引入到了对过热汽温控制系统中。但是,模糊控制实质上是具备PD控制规律一种控制器,考虑到语言变量基本论域量化特点以及模糊控制器具备模糊比例一微分作用,缺少积分环节,使得该系统不具备消除稳态误差能力,且由于在“O”档处量化死区影响,还也许浮现稳态等幅振荡。因而单独采用基本模糊控制不能获得好控制品质。因而当前构成一种新型模糊-PID复合串级控制系统,实现对过热蒸汽温度控制。1.3本次设计目 本文设计目,就是针对过热蒸汽温度特点,在进一步分析过热蒸汽温度调节过程,过热蒸汽温度调节对象静态特性、动态特性以及过热蒸汽温度控制设计难基本上,拟定在过热蒸
14、汽温度控制系统中应用串级控制可行性,并考虑依照蒸汽温度偏差和偏差变化状况调节控制器各个参数,以实现最优控制。并且由控制系统输出信号来控制执行器,通过调节执行器去控制减温水阀门开度,从而实现控制过热蒸汽温度。并且通过仿真验证来控制效果。1.4 本次设计所做工作 1分析了过热蒸汽温度调节任务,静态特性,在蒸汽流量(负荷)扰动、烟气流量扰动、减温水流量扰动三种重要扰动下过热汽温动态特性,过热汽温控制难点和设计原则,并对过热蒸汽温度控制系统现状进行了大体介绍。 2.由于汽温对象具备大延迟、大惯性特点,特别随着机组容量和参数增长,蒸汽过热受热面比例加大,使其延迟和惯性更大,使其控制难度加大。在各种扰动作
15、用下(如负荷、工况变化等)反映出非线性、时变等特性,从而进一步加大了汽温控制难度。依照依照串级控制对对象模型难以拟定、非线性、大滞后状况有良好控制品质,将串级控制引入到过热蒸汽温度控制系统中,设计了一种串级控制系统对过热蒸汽温度控制对象进行调节控制。并对该系统参数进行整定。 3.通过对控制系统改进与仿真,拟定了一种引入改进型Smith预估器串级控制系统,该系统依照蒸汽温度偏差和偏差变化状况调节控制器PID因子,进而调节了控制系统控制方略,解决具备纯迟延过程控制,提高控制品质。同步,通过相应控制器去控制减温水调节阀阀位开度,依照调节减温水流量大小来控制过热蒸汽温度变化,从而实现对过热蒸汽温度控制
16、。仿真成果表白,基于改进型Smith预估器对大惯性、纯延迟系统具备较好控制效果,提高了系统鲁棒性得以提高,使控制品质变好。2汽温控制系统构成与对象动态特性 本论文设计重要是针对300MW单元机组锅炉,通过理解其高温、亚临界压力、中间再热、自然循环、单炉膛先后对冲燃烧、燃煤粉汽包炉,且汽轮机为单轴、三缸、两排汽、再热、凝汽冲动式,阐明过热器与再热器在锅炉中位置及布置状况,从而全面掌握研究对象生产过程,并熟悉其动态特性及分析影响汽温变化各种因素。2.1 汽温调节概念和办法 维持稳定汽温是保证机组安全和经济运营所必要。汽温过高会使金属应力下降,将影响机组安全运营;汽温减少则会机组循环效率。据计算,过
17、热器在超温10到20下长期运营,其寿命会缩短一半;而汽温减少10会使循环若效应减少0.5,运营中普通规定汽温额定值波动不能超过10+5。因而,规定锅炉设立恰当调温手段,以修正运营因素对汽温波动影响。 对汽温调节办法基本规定是:调节惯性或延迟时间小,调节范畴大,对热循环热效率影响小,构造简朴可靠及附加设备消耗少。 汽温调节可归结为两大类:蒸汽侧调节和烟气侧调节。所谓蒸汽侧调节,是指通过变化蒸汽热焓来调节温度。例如喷水式减温器向过热器中喷水,喷入水加热和蒸发要消耗过热蒸汽一某些热量,从而使汽温下降,调节喷入水量,可以达到调节汽温目。烟气侧调节,使通过变化锅炉内辐射受热面和对流受热面吸热量分派比例办
18、法(例如调节燃烧器倾角,采用烟气再循环等)或变化流通过热器烟气量办法(如调节烟气挡板)来调节过热蒸汽温度。2.1.1 从蒸汽侧调节汽温 汽温调节普通采用喷水减温作为重要调节手段。由于锅炉给水品质较高,因此减温器普通采用给水作为冷却工质。喷水减温办法是将水呈雾状直接喷射到被调过热蒸汽中去与之混合,吸取过热蒸汽热量使自身加热,蒸发,过热,最后也成为过热蒸汽一某些。被调温过热蒸汽由于放热,因此汽温减少,达到了调温目。 喷水减温调节操作简朴,只要依照汽温变化恰当变更相应减温水调节阀门开度,变化进入减温器减温水量即可达到调节过热汽温目。当汽温偏高时,开大调节门增长减温水量;当汽温偏低时,关小调节阀门减少
19、减温水量,或者依照需要将减温器撤出运营。 单元机组锅炉对汽温规定较高,故普通装置两级以上喷水减温器,在进行汽温调节时必要明确每级减温器所肩负任务。第一级布置在分隔屏过热器之前,被调参数是屏式过热器出口汽温,其重要任务是保护屏式过热器,防止壁管超温。由于该减温器距末级过热器出口尚有较长距离,相对来说,它对出口汽温调节时滞较大,并且由于蒸汽流经后几级过热器后,汽温变化幅度较大,误差也大,因此很难保证出口蒸汽温度在规定范畴内。因而,这级减温器只能作为主蒸汽温度粗调节。该锅炉第二级喷水减温器设在末级对流过热器进口,被调参数是主蒸汽出口温度,由于此处距主蒸汽出口距离近,且此后蒸汽温度变化幅度也不大,因此
20、第二级喷水减温敏捷度高,调节时滞也小,能有效保证主蒸汽出口温度符合规定,因而该级喷水调节是主蒸汽细调节。第二级喷水减温器往往分两侧布置,以减小过热汽温热偏差。正常工况时,一、二级喷水量比例为总喷水量75和25,在高加所有切除时,其比例为95和5。 喷水减温器调节汽温特点是,只能使蒸汽减温而不能升温。因而,锅炉按锅炉额定负荷设计时,过热器受热面面积是超过需要,也就是说,锅炉在额定负荷下运营时过热器吸取热量将不不大于蒸汽所需要过热热量,这时就必要用减温水来减少蒸汽温度使之保持额定值。由于普通组合过热器汽温特性都呈对流特性,因此当锅炉负荷减少时,汽温也下降,这时减温水就应减小,对于定压运营单元机组,
21、由于蒸汽失去汽温调节手段,因而主汽温就不能保持规定值,故锅炉不适当在此状况下做定压运营,而应采用滑压运营,以保证过热蒸汽有足够过热度。喷水减温调节主蒸汽温度在经济上是有一定损失。一方面由于在额定负荷时过热器受热面积比实际需要值大,增长了投资成本;另一方面因一某些给水用作减温水,使进入生煤器水流量减少,因而锅炉排烟温度升高。增长了排烟损失。同步喷水减温过程,也是一种熵增过程。故而有可用能损失。但是,由于喷水减温设备简朴,操作以便,调节又敏捷,因此仍得到广泛应用。 再热器不适当采用喷水减温调节汽温。由于喷水减温器将增长再热蒸汽数量,从而增长了汽轮机中,低压缸蒸汽流量,即增长了中低压缸出力。如果机组
22、负荷一定,将使高压缸出力减小,减少高压缸蒸汽流量。这就等于某些用低压蒸汽循环代替高压蒸汽循环做功,因而必然导致整个机组热经济性减少。再热器喷水减温器重要目是当浮现事故工况,再热器入口汽温超过容许值,也许浮现超温损坏时,喷水减温器投入运营,借以保护再热器。在正常运营状况下,只有当采用其她温度调节办法尚不能完全满足规定期,再热器喷水减温器才投入微量喷水,作为再热汽温辅助调节。2.1.2 从烟气侧调节汽温 1、变化火焰中心位置。变化火焰中心位置可以变化炉内辐射吸热量和进入过热器烟气速度,因而可以调节过热汽温。当火焰中心位置抬高时,火焰离过热器较近,炉内辐射吸热量减少,炉膛出口烟温升高,则过热汽温将升
23、高。火焰中心位置减少时,则过热汽温减少。变化火焰中心位置办法有: (1)调节喷燃器倾角。采用摆动式燃烧器时,可以用变化其倾角办法来变化火焰中心沿炉膛高度位置,从而达到调节汽温目。在高负荷时,将喷燃器向下倾斜某一角度,可以使火焰中心位置下移,使进入过热器区烟气温度下降,减小过热器传热温差,使汽温减少。而在低负荷时,将喷燃器向上倾斜恰当角度,则可以使火焰中心位置提高,使汽温升高。摆动式燃烧器调温幅度较大,调节敏捷,设备简朴,投资费用少,并且没有功率损耗。当前使用摆动式燃烧器上下摆动转角为20,普通用1020器倾角调节范畴不可过大,否则也许会增大不完全燃烧损失或导致结渣等。如果向下倾角过大时,也许会
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