主汽温控制系统中控制策略分析

谢晓明

[摘 要]本文就现在电厂中的中大型机组主蒸汽温度的控制方法作以分析。着重对串级控制控制效果进行分析。串级控制方式具有良好的抗内、外干扰能力对象时变适应能力。目前，电厂中广泛采用。

[关键词]过热汽温 串级控制

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）06-0109-01

1 概述

1.1 过热蒸汽温度控制的任务及意义

主蒸汽温度是电厂机组运行过程当中需要监视及控制的重要参数之一，它直接关系着机组能否安全稳定的运行。因此，及时、准确地反映主蒸汽温度的变化是热工过程控制领域一个长期研究的课题。

过热蒸汽温度控制的任务是维持高温过热器出口温度在允许范围之内，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层部蒸汽湿度升高，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±10℃到540±5℃ 的范围内。

1.2 过热器在实际电厂中的作用及其结构特性

1.2.1 过热器作用

过热器主要作用是将饱和蒸汽加热成具有一定温度的过热蒸汽。

1.2.2 汽温特性

蒸汽从汽包出来以后通过过热器的低温段，至减温器，然后再到过热器的高温段，最后至汽轮机。通常的大中型锅炉都采用减温器减温的方式控制过热蒸汽的温度。各种锅炉结构不同，过热器的结构布置也不同（辐射式、屏式、对流式等）。影响汽温变化的扰动因素很多，例如蒸汽负荷，烟气温度和流速，给水温度，炉膜热负荷，送风量，给水母管压力和减温水量。归纳起来主要为蒸汽流量，烟气传热量和减温水三个方面的扰动。

1.2.3 烟气扰动下过热汽温对象的动态特性

烟气传热量扰动引起的原因很多，如给粉机给粉不均匀，煤中水分的改变，蒸发受热面结渣，过剩空气系数改变，汽包给水温度变化，燃烧火焰中心位置的改变等。尽管引起烟气传热量扰动的原因很多，但对象特征总的特点是：有延迟、有惯性、有自平衡能力。

由于从烟气侧来的扰动量使沿整个长度过热器的传热量发生变化较快，延迟时间只有l0～20s。烟气传热量扰动可以用来作为调节量信号。这种过热器的安装方法与在饱和侧装设表面式减温器相比，延迟时间能减小1/4。

1.2.4 减温水量扰动下过热汽温对象的动态特性

常用的减温方法有两种：喷水式减温和表面式减温，前者的效果比后者好。喷水式减温器一般装在末级过热器高温段前面，一方面保护了过热器高温段，另一方面又改善了调节。

其特点是有延迟，有惯性和有白平衡能力延迟时间约为30～60s。

综上所示，汽温对象在各种扰动下都有延迟，有惯性，有白平衡能力。就τ/Tc值而言，减温水量扰动时其值最大，烟气扰动下次之、蒸汽流量扰动时为最小。

需要指出的是，在喷水减温控制系统中，减温水量的扰动强烈，对此段的温度要求比对高温段出口要求低，所以往往将它作为串级控制的副参数。在导前微分系统中也常将它作为导前微分信号。

1.3 汽温控制要求

1.3.1 要求

（1）维持稳定的过热蒸汽与再热蒸汽的温度。（2）汽温允许波动范围±5～10℃。

1.3.2 汽温调节装置

蒸汽温度调节方式

蒸汽侧调节：利用其它介质直接改变蒸汽的温度。（混合式减温器：喷水减温器）：

2 过热汽温串级控制系统

2.1 汽热汽温串级控制系统原理

2.1.1 串级控制系统的基本原理

串级控制系统的结构图见图1。串级控制系统共有2个控制回路.内部的反馈回路称为副回路。副回路包括副控制器（副调节器），调节阀，副对象和副变送器.发生在副回路内的扰动称为二次扰动。外部的控制回路称为主回路.主回路包括主控制器（主调节器），整个副回路，主对象和变送器。发生在主对象上的扰动称为一次扰动。如果把整个副回路当成一个等效环节，它串联在主回路的前向通道上。这就是串级控制名称的由来。串级控制在结构上有两个特点：一个特点是串级控制虽然有两个控制器，两个变送器和两个测量参数，但仍然是一个单输入单输出系统，系统只有一个需人为设定的给定值，只有一个控制变量（即副控制器输出），只有一个执行机构，因而也只能有一个被控变量，这一点和单回路控制系统极其相似；串级控制的另一个结构的特点是主控制器和副控制器串联在回路中.主控制器的输出是副控制器的给定值.主控制器接受设定的给定值，所以整个串级控制系统是一个定值调节系统.副控制器的给定值是主控制器的输出，因为这个输出要随着扰动而变化，所以副回路是一个随动系统.过程控制中还会经常遇到具有两个回路的控制系統，只要不符合以上两个特征，就不是串级控制系统.

串级控制系统使二次扰动对主参数的增益明显减小，与单回路相比，二次扰动的影响可以减小10-100倍。从作用原理上看，二次扰动首先影响副对象的输出，副控制器立即产生控制作用，由于副对象惯性较小，所以扰动的影响很快得到克服，不会对被控变量产生大的影响。串级控制的副回路对进入副回路的干扰有很强的克服能力。这是串级控制的一个显著的特点。在设计串级控制系统时，一定要把被控对象的主要扰动包括在副回路内。这是设计串级控制系统的根本原则。

2.1.2 串级控制克服扰动

对于一次扰动，是不经过副回路的。但副回路的存在却可以使副回路的等效传递函数的惯性大大减小，改善了系统的动态特性，加快了系统的响应速度。这是串级控制的另一个显著特点。

在串级控制中，副回路主要是为了抑制二次扰动，并不要将二次扰动完全消除，所以精度要求并不高，副控制器选比例控制就可以了。主回路的任务是保证系统输出与给定值一致，控制精度要求高，所以主控制器应选择比例积分（PI）或（PID）控制器。副回路起“粗调”作用，要求响应快，主回路起“细调”作用，要求精度高。这是选用主副控制器的原则。

2.2 过热汽温串级控制系统的整定方法

一般讲，过热汽温控制对象导前区的迟延和惯性比惰性区要小，而且副调节器又选用P或PD控制规律。在这种情况下，内回路的控制过程要比外回路的控制过程快得多。此时，串级汽温控制系统可以来取内、外回路分别整定的方法进行整定。

参考文献

[1] 张波，自编讲义《集散控制系统及其在火电厂的应用》.

[2] 边立秀，周俊霞，编著《热工控制系统》中国电力出版社.