余热锅炉蒸汽温度串级自动调节

陈 敏

(四川启明星铝业有限责任公司，四川 眉山 620041)

0 引言

过热蒸汽温度是保证火力发电厂安全、高效、经济运行的重要参数，在发电厂生产过程中，整个汽水通道中温度最高的是过热蒸汽温度。如果过热蒸汽温度过高，会使过热器、蒸汽管道和汽轮机高压缸承受过高的热应力，从而导致强度降低甚至损坏;而过热蒸汽温度偏低，则设备的热效率将会降低，同时使通过汽轮机最后几级的蒸汽湿度增加，引起叶片的磨损，严重时甚至会产生水冲击，造成叶片的损坏[1]。

锅炉过热蒸汽及减温系统的控制任务[1]，就是使过热器出口蒸汽温度维持在允许的范围内，并保护过热器管壁温度不超过允许的工作温度。

本文通过对影响余热锅炉温度变化的主要因素，以及余热锅炉使用的表面式减温器工作特性的研究，结合并借鉴部分电厂锅炉主蒸汽温度控制方式，选取合理的控制参数及控制模型，在以回转窑烟气余热为主进行发电的锅炉上实现了主蒸汽温度自动调节，并取得了较好的效果。

1 锅炉蒸汽系统对比分析

1.1 发电厂蒸汽系统特性

火力发电厂锅炉采用燃料燃烧进行加热，炉水通过省煤器、水冷壁、过热器、减温器等热交换设备后形成过热蒸汽输送到汽轮机。一般采用多级过热器以及两级喷水式减温器，并分成甲乙(或左右)侧。影响减温效果及主蒸汽温度的参数主要有[2]:蒸汽流量、燃烧工况、火焰中心位置、减温水流量等。常用的减温控制系统一般将一级过热器出口温度或主蒸汽流量、燃料信号等作为前馈信号实现减温水自动减温，技术相对成熟。电厂锅炉负荷及相关参数一般都相对稳定，锅炉主蒸汽温度控制具有较大的自主性，但减温系统较为复杂，甲、乙两侧及一、二级减温器存在不平衡及温度偏差，有一个环节出现问题都会影响主蒸汽温度调节的效果。

1.2 余热锅炉蒸汽系统特性

煅烧余热锅炉由回转窑煅烧石油焦产生的余热烟气进行加热[3]，其最大的特点是需要满足回转窑工艺生产需求，“燃烧”(即锅炉接受的热量)不受锅炉控制，锅炉进口烟气温度及烟气量受石油焦料量、石油焦挥发含量、煅烧带位置/温度、风机负压、旁通闸板开度等诸多因素影响，加上烟气余热利用系统增加了导热油加热后，导热油风机负压的变化也会对锅炉进口烟气温度及流量产生影响。其次，汽机负荷为手动调节，蒸汽流量及压力等参数较电厂锅炉参数波动幅度更大且更频繁。此外，余热锅炉采用一级表面式减温器，分甲、乙两侧，由一个减温水调节门控制减温水流量，在减温水控制及效果验证方面比电厂锅炉容易，但由于减温水占整个锅炉给水的比例较大(特殊情况下甚至可以关闭给水调节门)，减温水作用完后回流到汽包，而不是像电厂锅炉减温后进入蒸汽系统。因此，减温水和锅炉给水存在严重的耦合现象。

由于与燃料锅炉存在生产工艺上的不同，以及余热锅炉减温设备本身原因，导致余热锅炉减温控制存在大滞后、大惯性等不足，且余热锅炉减温系统的减温水与锅炉给水存在耦合现象，影响锅炉水位的调节。回转窑燃烧工况(锅炉进口烟温)的变化是主蒸汽温度扰动的主要因素[3]。和喷水减温方式的电厂锅炉相比，主蒸汽温度的惯性和滞后更大，对负荷的响应能力要差很多，而且锅炉完全处于被动状态，因此不能简单地将火力发电厂成熟的控制技术移植到余热锅炉，必须根据余热锅炉特性选择合适的控制系统。

2 单级调节系统分析

2.1 单级调节系统结构

原主蒸汽减温调节系统采用单级PID调节，调节对象及反馈信号采用主蒸汽温度信号。由于原主蒸汽温度调节系统没有考虑余热锅炉减温系统的大滞后、大惯性特性，以及烟气温度、负荷波动、减温水流量扰动等因素对主蒸汽温度的影响，导致自动调节效果欠佳，只能靠人工调整减温水流量来控制主汽温度。主蒸汽温度单级调节系统如图1所示。

图1 主蒸汽温度单级调节系统Fig.1 The single-stage control system for main steam temperature

2.2 单级调节效果

通过一段时间的试运行，统计了主汽温度单级调节系统使用的超温情况。由于没有充分研究余热锅炉蒸汽温度特性，导致过热蒸汽温度值波动幅度较大，甚至超出正常范围。从计算机统计数据中发现，过热器出口蒸汽温度超限多次，最高达410℃，最低达351℃，而余热锅炉主汽温度控制要求为(385±15)℃，明显不能满足工艺控制需求。

2.3 单级调节系统存在的问题

在响应迅速、惯性小、负荷相对平稳、调节范围大且精度要求不高的环节，单级温度调节系统能够达到不错的调节效果。但在余热锅炉主蒸汽温度调节时，由于只选用了过热器出口蒸汽温度作为控制参数及调节对象，而没有考虑烟气温度、蒸汽流量、减温水流量等影响因素，以及表面式减温器存在大惯性、大滞后性等不足，且没有充分研究被控对象的特性，没有严格按照PID调节参数的工程整定要求进行参数整定。因此，单级调节系统调节效果不佳，主蒸汽温度超过工艺控制要求。

3 蒸汽温度串级调节系统

3.1 串级调节系统结构

多数锅炉给水自动控制系统采用的都是串级三冲量调节，以此来稳定地控制汽包水位，同时抑制负荷变化造成的虚假水位引发的水位波动等情况。因此，借鉴部分燃料锅炉主汽温度控制系统特点，对余热锅炉主汽温度及减温系统特性进行了大量试验和研究。考虑到DCS系统引入了余热锅炉进口烟温，烟温较易掌控，因此，选取进口烟温和蒸汽流量作为前置信号引入主汽温度控制系统副调节器，余热锅炉主汽温度串级调节系统如图2所示。

图2 余热锅炉主汽温度串级调节系统Fig.2 The cascade control system for main steam temperature of heat recovery boiler

3.2 原理及调节作用分析

综合考虑运行人员手动调节主蒸汽温度的规律及余热锅炉蒸汽系统、减温系统特性，本文采用典型的串级调节系统，其系统框图如图3所示。

图3 串级蒸汽温度调节系统框图Fig.3 Block diagram of the cascade steam temperature control system

系统以过热蒸汽温度为主要调节信号，以锅炉进口烟温和主蒸汽流量作为前馈信号，提高了扰动响应能力。

增加的前置烟温信号作为正信号引入副调节器。当主蒸汽温度未发生变化时，一旦进口烟温发生较大变化，提前动作减温水调节门，即锅炉进口烟温变小时，关小调节门;反之，锅炉进口烟温变大时，开大调节门。增加的前置蒸汽流量信号作为负信号引入副调节器。当汽机负荷发生变化时，主蒸汽压力和温度会滞后发生变化，一旦负荷(蒸汽流量)发生较大变化，提前动作减温水调节门，即蒸汽流量变大时，关小调节门;蒸汽流量变小时，开大调节门。主调节器用于维持主蒸汽温度。主蒸汽温度给定信号与测量信号的偏差作为副调节器的给定值，即根据温度偏离给定值的情况，改变减温水调节阀的给定值，温度高则开大减温水，温度低则关小减温水。主调节器还起到微调的作用，使温度维持在给定值允许偏差范围内。同时，副调节器在切换为手动时，负责接收调节阀给定值，将减温水调节阀控制在需要的开度。

由于将锅炉进口烟温信号及蒸汽流量信号作为调节系统前置信号，能对扰动做出快速响应[1]，在烟温及负荷发生变化时即提前动作，一旦蒸汽流量或烟气发生波动，用副调节器的输出去控制减温水量，使主蒸汽温度基本不变，减少了因减温器、过热器设备本身特性造成的调节迟缓度。当主蒸汽温度偏离给定值时，则由调节器发出校正信号，通过其执行器来改变减温水量，使主汽温度最终恢复到给定值。

另外，为了避免各种信号模度不统一，本文通过试验确定了烟温变化、蒸汽温度变化以及减温水流量变化的基本关系(在其他参数基本不变的情况下)，并将此变化关系植入前置信号控制模块中。同时，在DCS模块中，各参数均以百分比的形式表示，这样就减小了参数幅度较大差异导致的调节偏差。

3.3 参数整定

系统所使用的DCS系统为罗克韦尔系统的AB ProcessLogix过程控制系统，硬件与Control Logix兼容，软件使用Control Builder和Display Builder进行控制模块组态和显示画面组态，组态非常方便、实用。为方便调试，工程师可以在PID参数设置界面对主调、副调P、I值等参数进行工程整定。

PID控制器的参数整定是自动控制系统设计的核心内容[4〛。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类。一是理论计算整定法，它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法[2]。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。

根据余热锅炉特性和运行实际情况，我们选择工程整定法进行参数整定，整定过程中主要采取衰减法[2]。根据一阶惯性加延迟对象的频率衰减特性及经验公式，结合多次试验、调试，最终确定主调参数Kp=0.95、Ki=0.7，副调参数 Kp=0.6、Ki=0.5。

根据前期试验和统一模度的需求，将主蒸汽温度给定值设定为73%，同时将烟气温度、蒸汽流量引入控制模块时也以百分比表示。

3.4 串级调节系统效果

将优化后的主蒸汽温度自动调节系统在四川启明星铝业煅烧车间3号余热锅炉投入运行后进行测试。测试结果表明，优化后的主蒸汽温度自动调节系统运行正常、安全，减温水响应速度快且平稳，使余热锅炉主蒸汽温度控制在380～390℃范围内，大大缩小了温度波动范围，温度曲线非常平缓，使用至今未出现异常超限现象。

4 结束语

本文通过深入研究余热锅炉蒸汽系统及减温系统特性，借鉴发电厂成熟的温度调节系统，在余热锅炉上采用进烟温度、蒸汽流量信号前置的串级温度调节系统。同时，通过优化，达到很好的控制效果，保证了锅炉、汽机设备的安全、经济运行，而且降低了操作人员的劳动强度。该系统对铝厂碳素系统及其他利用烟气余热进行发电的场合有很好的借鉴作用，能更好地实现节能减排的目标。

[1] 刘春胜，王劭伯.串级PID控制在锅炉主蒸汽温度控制中的应用[J].工业控制计算机，2006，19(9):29 －31.

[2] 文群英，陆继东.过热蒸汽特性试验分析及控制系统改造方案[J].湖北电力，2003，27(4):6 －8.

[3] 梁学明，张松江.现代铝电解生产技术与管理[M].长沙:中南大学出版社，2011:487－489.

[4] 王广雄，何朕.控制系统设计[M].北京:清华大学出版社，2008:169－187.