过热蒸汽温度控制新版专业系统设计.doc

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 important 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 operation 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 system 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 than allow the camp of working temperature.
Key words：the superheated steam temperature，reduce warm water，cascade control system，PID

目录
摘要 I
ABSTRACT II
1绪论 1
1.1选题背景及其意义 1
1.2国内外研究现状 1
1.3本次设计目 2
1.4本次设计所做工作 2
2汽温控制系统构成与对象动态特性 4
2.1汽温调节概念和办法 4
2.1.1从蒸汽侧调节汽温 4
2.1.2从烟气侧调节汽温 5
2.2过热器分类及基本构造 7
2.2.1过热器分类 7
2.2.2过热器基本构造 9
2.3过热蒸汽温度控制系统基本构造与工作原理 11
2.3.1过热器一级减温控制系统 11
2.3.2二级减温控制系统 12
2.4过热蒸汽温度控制对象动静态特性 14
2.4.1静态特性 14
2.4.2动态特性 14
3过热汽温控制系统基本方案 18
3.1串级汽温控制系统 18
3.2串级汽温控制系统基本构造及原理 18
3.3串级汽温控制系统设计 20
3.4串级汽温控制系统整定 21
4有关器件选型 25
4.1温度检测变送器选取 25
4.2控制器选型 26
4.3执行器选型 28
4.4阀门定位器选型 30
5主蒸汽温度控制系统改进与仿真 33
5.1Smith预估补偿器 33
5.2改进型Smith预估器 37
5.3带有改进型Smith预估器主蒸汽温度控制系统设计与仿真 40
6结 论 43
参照文献 44
致 谢 45
附 录 46

1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、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、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，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。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，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10°～20°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，也许会导致水冷壁下部或冷灰斗结渣。若向上倾角过大时，会增长不完全燃烧损失并也许引起炉膛出口屏式过热器或凝渣管结渣。同步在低负荷时若向上倾角过大，还也许发生炉膛灭火。摆动式燃烧器可用于过热蒸汽调温，也可用于再热蒸汽调温。当摆动式燃烧器作为再热汽温主调方式时，它将以再热汽温为信号，变化燃烧器倾角。 为了保持炉膛火焰均匀分布，此时四组燃烧器倾角应一致并同步动作。当燃烧器倾角已达到最低极限值时，再热汽温依然高于额定值时，再热器事故喷水减温器将自动投入运营，以保持汽温和保护再热器。
（2）变化喷燃器运营方式。当沿炉膛高度布置有多排喷燃器时，可以将不同高度喷燃器组投入或停止工作，即通过上、下排喷燃器切换，来变化火焰中心位置。当汽温高时应尽量先投用下排燃烧器，汽温低时可切换成上排喷燃器运营，也可以采用对距过热器位置不同喷燃器进行切换办法，当投用接近炉膛后墙喷燃器时，由于这时火焰中心位置离过热器近火焰行程短，将使炉膛出口烟温相对高些。而切换成前墙或接近前墙喷燃器运营时，则火焰中心位置离过热器相对远些，炉膛出口烟温就相对低些。
（3）变化配风工况。对于四角布置切圆燃烧方式，在总风量不变状况下，可以用变化上、下排二次风分派比例办法来变化火焰中心位置。当汽温高时，普通可开大上排二次风，关小下排二次风，以压低火焰中心。当汽温低时，普通则关小上排二次风，开大下排二次风，以抬高火焰中心。进行调节时，应依照实际设备详细特性灵活掌握。
2、变化烟气量。若变化流通过热器烟气量，则烟气流速必然变化，使对流传热系数变化，从而变化了烟气对过热器放热量。烟气量增多时，烟气流速大，使汽温升高；烟气量减少时，烟气流速小，使汽温减少。变化烟气量即变化烟气流速办法有：
（1）采用烟气再循环。采用烟气再循环调节汽温原理是从尾部烟道（普通是从省煤器后）抽出一某些低温烟气，用再循环风机送回炉膛，并通过对再循环烟气量调节来变化流通过热器烟气流量，变化烟气流速。此外，当送入炉膛低温再循环烟气量变化时，还使炉膛温度发生变化，炉内辐射吸热与对流吸热比例将变化，从而使汽温发生变化。由此，变化再循环烟气量，可以同步变化流过过热器烟气流量和烟气含热量，因而可以调节汽温。
（2）烟气旁路调节。采用这种办法是将过热器处对流烟道分隔成主烟道和旁路烟道两某些。在旁路烟道中受热面之后装有烟气挡板，调节烟气挡板开度，即可变化通过主烟道烟气流速，从而变化主烟道中受热面吸热量。由于高温对流烟道中烟气温度很高，烟气挡板极易变形或烧坏，故这一办法只用于布置在锅炉尾部对流烟道中低温过热器或低温再热区段，而在国内当前超高压机组中，则仅用于低温再热器区段。采用烟气旁路来调节再热汽温时，还会影响到过热汽温。为了增长再热汽温调节幅度并减小对过热汽温影响，应使主烟道中再热器有较大受热面，而旁路烟道中过热器受热面则应小些。
（3）调节送风量。调节送风量可以变化流通过热器烟气量，即变化烟气流速，达到调节过热汽温目。调节送风量一方面必要满足燃烧工况规定，以保证锅炉机组运营安全性和经济性。而用以调节汽温，普通知识作为辅助手段。当汽温问题成为运营中重要矛盾时，才用燃烧调节来配合调节汽温。运用送风量调节汽温是有限度，超过了范畴将导致不良后果。由于过多送风量不但增长了送、吸风机是耗电量，减少了电厂经济性，并且增大了排烟热损失，减少锅炉热效率。特别是燃油锅炉对过剩空气量控制就更为重要。过剩空气量增长，不但加速空气预热器腐蚀，尚有也许引起可燃物在尾部受热面堆积，导致尾部受热面再燃烧。
由以上分析可知喷水减温调节操作简朴，调节又敏捷，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。并且对过热器安全运营比较抱负， 尽管对象调节特性不够抱负，但可以从对象调节通道中找出一种比被调量反映快中间点信号作为调节器补充反馈信号，以改进对象调节通道动态特性，提高调节系统质量。因此喷水减温还是当前被广泛使用过热蒸汽温度调节办法。本次设计就是采用喷水减温作为重要调节手段。
2.2 过热器分类及基本构造
2.2.1 过热器分类
过热器可以依照它所采用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。对流过热器是放在炉膛外面对流烟道里过热器，它重要以对流传热方式吸取流过它烟气热量。半辐射过热器也称屏式过热器，普通放在炉膛上部出口附近，它既吸取炉膛火焰辐射热，又以对流方式吸取流过它烟气热量。辐射过热器是放在炉顶或炉墙上过热器，它基本上只吸取炉膛内火焰和烟气辐射热。
当代大容量高参数锅炉过热器重要由对流过热器，屏式过热器，包覆过热器，顶棚过热器，联箱及减温器构成。制造它们材料普通都是合金钢，有还需用特种钢来制造。
（1）对流过热器：布置在烟道内，依托热烟气对流传热过热器，称为对流式过热器。对流过热器是由联箱和诸多细长蛇形管束所构成。蛇形管可作立式或卧式布置。过热器进出口联箱放在炉墙外部，起着分派和汇集蒸汽作用。蛇形管与联箱上管接头焊接在一起。
大容量锅炉对流过热器布置在烟温很高区域内，其蒸汽温度和管壁热负荷都很高。而蒸汽侧放热系数比省煤器中水或蒸发受热面中汽水混合物放热系数都低多，因而过热器受热面必要用品有良好高温强度特性优质碳素钢或具有铬、钼、钒耐热合金钢制造。过热器管子用什么材料制造，取决于它所处工作条件。当代锅炉对流过热器多采用立式布置，由于这样可以采用简朴可靠悬吊固定办法，而卧式过热器固定比较困难。立式布置重要缺陷，是停炉时积存在管内凝结水不易排出，容易引起蛇形管下部弯头腐蚀。
（2）辐射过热器：辐射过热器可布置在燃烧室四壁，也称墙式或壁式过热器，或布置在炉顶，称顶棚过热器，直接吸取辐射热。在做墙式布置时辐射过热器管子可以布置在燃烧室四壁任一面墙上，可以仅布置在燃烧室上部，也可以沿燃烧室高度所有布置；它可以集中布置在某一区域，也可以与蒸发受热面管子间隔布置。
在自然循环锅炉中，辐射过热器管子布置在燃烧室上部，能使管子避开热负荷最高火焰中心区域。但是这种布置会使水冷壁管吸热高度减少,也许影响水循环安全性。如果辐射过热器沿燃烧室所有高度布置，则处在火焰中心区管子容易过热烧坏。特别是升火过程中，为保证管子冷却必要采用从外界引进蒸汽等专门办法。在直流锅炉中，状况有所不同，水冷壁上部均有一定过热度，相称于辐射过热器，由于上部炉温较低，因此可保证安全。
在国产自然循环锅炉中，未采用墙式布置辐射过热器，而多采用布置在炉顶顶棚过热器，受热面为紧靠炉顶直管，称为顶棚管。这种过热器辐射传热作用较墙式过热器为弱，但因处在较低烟气温度场，工作比较安全可靠，与屏式过热器和包覆过热器配合使用，效果较好。
（3）屏式过热器和包覆过热器
除了上述两种过热器外，尚有一种介于两者之间半辐射过热器。最惯用半辐射过热器是布置在燃烧室上部或出口处高温烟区内屏式过热器。其构造特性为几排拉稀管屏。屏式过热器沿炉宽平行布置，管屏数目普通为8—16片，屏片间距为0.5—2米，各跟管子之间相对间距S2/d在1.1左右，屏中并联管子数目为15—30跟。管屏悬挂在炉顶钢梁上，受热后能自由向下膨胀。为了保持各屏间节距，可将相临两屏中若干对管子弯绕出来互相夹持在一起，而各屏自身管子也应夹持在同一平面上。屏式过热器布置在对流过热器前面，以减少对流过热器入口烟温，避免对流过热器结渣。屏式过热器汽温变化特性介于辐射与对流过热器之间，因此变化也比较平稳。
图2.1是布置在不同烟温区域内过热器汽温特性示意图。从图中可以看出，当锅炉负荷从33%增长到满负荷时，曲线1所示屏式过热器汽温变化非常平稳，仅上升了10℃；曲线2和3所示对流过热器汽温上升了42℃和50℃；而曲线4代表辐射过热器汽温却大幅下降了。由于屏式过热器具备过热汽温平稳特点，在当代大型锅炉上广泛地采用了这种过热器。
为了得到较好传热效果，最佳把屏式过热器布置在烟温为950—1050℃烟道中。屏式过热器进口烟温选取，应保证燃料进入屏式过热器前已燃尽，否则在屏区再燃烧会严重影响管屏工作安全。依照已采用屏式过热器许多锅炉运营实践证明，它可以在1000—1300℃烟温区内可靠工作，并具备良好汽温变化特性。

图2.1 布置在不同烟温区域内过热器气温特性
1-布置在烟温1200℃区域屏式过热器；2、3-布置在烟温为1000℃
和900℃区域内对流过热器；4-布置在燃烧室内辐射过热器
2.2.2 过热器基本构造
300MW单元机组是当前是国内火力发电机组主力型号，多采用亚临界参数及中间再热。300MW机组锅炉过热器，详细构造见图2.2所示。此过热器具备如下特点：由于过热蒸汽参数高，需要布置更多受热面，因而炉膛内布置大量屏式过热器。采用辐射式、半辐射式和对流过热器联合过热系统，以获得良好过热蒸汽温度变化特性。低温过热器采用逆流布置，以便获得较大传热温差，从而节约钢材。
采用两级喷水减温，这样做目有两个，一是为了使汽温调节更敏捷，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、给水温度和燃料性质变化而引起汽温变化，为粗调。此外它尚有保护屏式过热器和对流过热器受热面作用。第二级喷水减温器布置在高温对流过热器（末级过热器）之前，这一级热惯性小，可保证出口汽温能得到迅速调节。减温器共有四只，每级安装两只，每只喷水量为每级喷水量一半。减温水源为自制冷凝水。
蒸汽流程为：饱和蒸汽由汽包引出后经一某些顶棚过热器进入侧墙和后墙包覆过热器，流出后在联箱内混合，进入低温对流过热器，出来后再通过另一某些顶棚过热器进入前屏过热器，流出后通过第一级喷水减温器减温，再进入后屏过热器，流出后通过第二级减温器减温，进入高温对流过热器完毕最后一次过热后，送往汽轮机。

图2.2 300MW机组过热器系统图
1-汽包；2-前屏过热器；3-后屏过热器；4-顶棚过热器；
5-侧墙包覆过热器；6-后墙包覆过热器；7-低温对流过热器；
8-第一级减温器；9-第二级减温器；10-高温对流过热器
2.3 过热蒸汽温度控制系统基本构造与工作原理
这里针对300MW机组分散控制系统过热蒸汽温度控制系统为设计对象，对其系统构造和工作原理进行简介。
该300MW机组过热蒸汽温度控制采用二级喷水减温控制方式。过热器设计成两级喷水减温方式，除可以有效减小过热蒸汽温度在基本扰动下延迟，改进过热蒸汽温度调节品质外，第一级喷水减温还具备防止屏式过热器超温、保证机组安全运营作用。
本机组过热器一、二级喷水减温器控制目的就是在机组不同负荷下维持锅炉二级减温器入口和二级减温器出口蒸汽温度为设定值。
2.3.1 过热器一级减温控制系统
过热器一级减温控制系统原理简图如图2.3所示。该系统是在一种串级双回路控制系统基本上，引入前馈信号和防超温保护回路而形成喷水减温控制系统。主回路被控量为二级减温器入口蒸汽温度，其实测值送入主回路与其给定值进行比较，形成二级减温器入口蒸汽温度偏差信号。主回路给定值由代表机组负荷主蒸汽流量信号（代表机组负荷信号）经函数器f(x)产生，其含义为给定值是负荷函数。运营人员在操作员站上可对此给定值予以正负偏置。主回路控制由PID1来完毕。主回路控制器接受二级减温器入口蒸汽温度偏差信号，经控制运算后其输出送至副回路。
副回路被控量为一级减温器出口蒸汽温度。其温度测量值送入副回路与其给定值进行比较，形成一级减温器出口蒸汽温度偏差信号。副回路给定值是由主回路控制器输出与前馈信号叠加形成。副回路采用PID2调节器，它接受一级减温器出口蒸汽温度偏差信号。

图2.3 过热器一级减温控制系统
由于机组负荷会变化，控制对象动态特性也随之而变，为了在较大负荷变化范畴内都具备较高控制品质，在大型机组蒸汽温度控制中，可充分运用计算机分散控制长处，将主、副调节器设计成自动随着负荷变化不断地修改整定参数调节器，上述蒸汽温度控制系统就是如此。
2.3.2 二级减温控制系统
过热器二级减温控制系统原理简图如图2.4所示。该系统与一级减温控制系统构造基本相似，也是一种串级双回路控制系统，不同之处在于：主、副调节器输入偏差信号不同，采用前馈信号也不同。
二级减温控制系统主回路被控量为二级过热器出口蒸汽温度，该蒸汽温度与主回路给定值进行比较，形成二级过热器出口蒸汽温度偏差信号，主回路给定值由运营人员手动设定，对于300MW机组在正常负荷时，给定值普通为540℃。

图2.4 过热器二级减温控制系统
副回路被控量为二级减温器出口蒸汽温度，其温度测量值送入副回路与其给定值比较，形成二级减温器出口蒸汽温度偏差信号。副回路给定值是上主回路控制器输出与前馈信号叠加而形成。
二级过热器蒸汽温度控制是锅炉出口蒸汽温度最后一道控制手段，为了保证汽轮机安全运营，规定尽量提高锅炉出口蒸汽温度调节品质。因而，二级减温控制主回路前馈信号采用了基于焓值计算较为完善方案。其前馈信号有主蒸汽温度和压力给定值函数，尚有主蒸汽流量代表机组负荷以及送风量、燃烧器火嘴摆动倾角等。
除了以上内容外，二级减温控制系统其她某些以及工作原理与一级减温控制系统完全相似。由于二级过热器蒸汽温度控制是锅炉出口蒸汽温度最后一道控制手段，为了保证汽轮机安全运营，规定尽量提高锅炉出口蒸汽温度调节品质。因而本次设计重要是对二级减温控制系统设计，使机组在不同负荷下维持锅炉二级减温器入口和二级减温器出口蒸汽温度为设定值。

2.4 过热蒸汽温度控制对象动静态特性
2.4.1 静态特性
1、锅炉负荷与过热汽温关系
锅炉负荷增长时，炉膛燃烧燃料增长，但是，炉膛中最高温度没有多大变化，炉膛辐射放热量相对变化不大，因而炉膛温度增高不大。这就是说负荷增长时每公斤燃料辐射放热百分率减少，而在炉膛后对流热区中，由于烟温和烟速提高，每公斤燃料对流放热百分率将增大。因而，对于对流式过热器来说，当锅炉负荷增长时，会使出口汽温稳态值升高；辐射式过热器则具备相反汽温特性，即当锅炉负荷增长时，会使出口汽温稳态值减少。如果两种过热器串联配合，可以获得较平坦汽温特性，但普通在采用这两种过热器串联锅炉中，过热器出口蒸汽温度在某个负荷范畴内，仍随锅炉负荷增长有所升高。
2、过剩空气系数与过热汽温静态关系
过剩空气量变化时，燃烧生成烟气量变化，因而所有对流受热面吸热随之变化，并且对离炉膛出口较远受热面影响明显。因而，当增大过剩空气量时将使过热汽温上升。
3、给水温度与汽温关系
提高给水温度，将使过热汽温下降，这是由于产生每公斤蒸汽所需燃料量减少了，流过过热器烟气也就减少了。也可以以为：提高给水温度后，在相似燃料下，锅炉蒸发量增长了，因而过热汽温将下降。则与否投入高压给水加热器将使给水温度相差很大，这对过热汽温有明显影响。
4、燃烧器运营方式与过热汽温静态关系
在炉膛内投入高度不同燃烧器或变化燃烧器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。
2.4.2 动态特性
当前，单元机组厂广泛采用喷水减温方式来控制过热蒸汽温度。影响汽温变化因素诸多，但重要有蒸汽流量、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。
1、蒸汽流量扰动下蒸汽温度对象动态特性
引起蒸汽流量扰动因素有两个：一是蒸汽母管压力变化：二是汽轮机
调节阀开度变化。构造形式不同过热器，在相似蒸汽流量扰动下，汽温
变化特性是不同样。当锅炉负荷扰动时，蒸汽流量变化使沿整个过热器
管路长度上各点蒸汽流速几乎同步变化，从而变化过热器对流放热系数，
使沿整个过热器各点蒸汽温度几乎同步变化，因而汽温反映较快。
其传递函数可以表达为：

式中： —锅炉负荷扰动时被控对象放大系数；
一负荷扰动后对象滞后时间；
—对象时间常数。
从阶跃响应曲线可知，其特点是：有延迟、有惯性、有自平衡能力，但其延迟和惯性都比较小，即时间常数和滞后时间都比较小,且较小。动态特性曲线如图2.5（a）所示。

(a)蒸汽量D或烟气传热量Q扰动 （b）减温水WS扰动
图2.5 在扰动下温度变化曲线
2、烟气侧热量扰动下蒸汽温度对象动态特性
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变化，从而变化了传热状况，导致过热器出口温度变化。由于烟气传热量变化是沿着整个过热器长度方向上同步发生，因而汽温变化迟延很小，普通在15-25s之间。烟气侧扰动汽温响应曲线如图2.5（a）所示。它与蒸汽量扰动下状况类似。烟气热量扰动也几乎同步影响过热器管道长度方向各处蒸汽温度，故它是一种具备自平衡能力、滞后和惯性都不大对象，其传递函数可表达为一种二阶系统，即：

式中：
为烟气温度
但对象特性总特点是：有迟延，有惯性，有自平衡能力，其动态特性曲
线如图2.5（a）所示。
3、蒸汽温度在减温水量扰动下动态特性
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，但要通过较长过热器管道才干使出口汽温发生变化，其扰动地点（过热器入口）与测量蒸汽温度地点（过热器出口）之间有着较大距离，此时过热器是一种有纯滞后多容对象。.动态曲线图如图2.5（b）所示。当扰动发生后，要隔较长时间才干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，可归纳出如下几点：
（1）过热器出口蒸汽温度对象不论在哪一种扰动下均有延迟和惯性，有自平衡能力。并且变化任何一种输入参数（扰动），其她输入参数都也许直接或间接影响出口蒸汽温度，这使得控制对象动态过程十分复杂。
（2）在减温水流量扰动下，过热器出口蒸汽温度对象具备较大传递滞后和容量滞后，缩减减温器与蒸汽温度控制点之间距离，可以改进其动态特性。
（3）在烟气侧热量和蒸汽流量扰动下，蒸汽温度控制对象动态特性比较好。
由图可见，在减温水流量扰动下，减温器出口过热汽温响应比过热器出口汽温