陈 仕
(湖南华菱湘潭钢铁有限公司 湖南 湘潭 411101)
钢铁企业锅炉过热蒸汽温度控制系统分析
陈仕
(湖南华菱湘潭钢铁有限公司湖南湘潭411101)
本文是针对湘钢某生产线锅炉过热蒸汽温度控制系统进行的分析,控制系统采用串级控制以提高系统的控制性能,在系统中采用了主控-串级控制的切换装置,使系统可以适用于不同的工作环境。通过使用该系统,可以使得钢铁企业锅炉过热器出口蒸汽温度在允许的范围内变化,并保护过热器营壁温度不超过允许的工作温度。
过热蒸汽控制;串级控制系统;自动控制
蒸汽过热系统则是钢铁企业锅炉系统安垒正常运行,确保蒸汽品质的重要部分。本文主要考虑的部分是钢铁企业锅炉过热蒸汽系统的控制。
蒸汽过热系统的组成如下:①一级过热器;②减温器;③二级过热器,其使用目的在于保证过热器的温度保持在一个允许范围中,在保护过热器时管壁温度的温度维持在允许工作温度内。
若是过热蒸汽的温度太高或是太低,对钢铁企业锅炉的运行和蒸汽用户的设备都是不利的。当过热蒸汽的温度太高时,极易导致过热器出现损坏,甚至是导致汽轮机由于内部热膨胀影响到运行安全性;过热温度过低,容易使设备的效率降低,同时使汽轮机后几级的蒸汽湿度增加,引起叶片磨损,所以必须把过热器出口的蒸汽的温度控制在规定范围内。
总的来看,影响过热蒸汽温度的因素很多,其中主要的有:过热器是一个多容且延迟较大的惯性环节,设备结构设计与控制要求存在若矛盾,各种扰动因素之闻相互影响,如蒸汽量、燃烧工况、钢铁企业锅炉给水温度、进入过热蒸汽的热焓,流经过热器的烟气温度及流速的变化等。而对各种不同的扰动,过热蒸汽温度的动态特性也各不相同。因此,过热蒸汽温度控制的主要任务就是:
(1)克服各种干扰因素,将过热器出口蒸汽温度维持在规定允许的范围内,从而保持蒸气品质合格。
(2)保护过热器管壁温度不超过允许的工作温度。
当前,随着我国控制理论的快速发展,智能控制技术逐渐完善,并被应用到各行各业中。其中,在锅炉过热蒸汽的控制中,模型预测控制、自适应控制、神经网络以及模糊控制的应用较为广泛。此类控制技术的应用主要是为了进一步提高、改善控制系统控制品质,但是并为能够从导致过热蒸汽温度出现波动的源头开始进行控制。一般情况下,烟气的温度高是导致过热蒸汽的温度高的重要原因,过热蒸汽的温度由于烟气的扰动所造成的延迟较小,由于减温水量的扰动所造成的延迟较大,此种特性会造成过热蒸汽的温度控制出现滞后的问题。
3.1单回路控制
在运行过程中,改变减温水流量,实际上是改变过热器的出口的蒸汽的热焙,亦改变进口的蒸汽的温度,如图1所示。从动态特性来看,此类的调节方法十分不理想,但是因为设备较为简单,所以得到了较为广泛的应用。
图1 改变减温水量控制蒸汽温度系统
减温器主要可以分为两种形式:①表面式的减温器;②喷水式的减温器。值得注意的是,减温器必须尽量地安装在蒸汽出口附近,必须充分保证过热器材料安全,从而获得良好动态特性。过热器作为核心的控制对象,因为管壁金属热容量过大,从而产生了较大热惯性。此外,因为管道的长度较长,从容导致存在一定的传递滞后现象,如果用图1中的控制系统,则调节器接受了过热器的出口的蒸汽温度t变化后,调节器方才动作,控制减温水的流量w,而w的变化必须在一段时间后方能够影响蒸汽温度t,该控制方式的应用无法及时发现扰动,也无法及时反映控制效果,最终导致蒸汽温度t出现超过允许范围的动态偏差。影响锅炉生产的安全和经济运行。
实际中过热蒸汽控制系统常采用减温水流量作为操纵变量,但由于控制通道的时间常数及纯滞后均较大,组成单回路控制系统往往不能满足生产的要求。因此常采用串级控制系统,减温器出口温度为副参数,以提高对过热蒸汽温度的控制质量。
3.2串级控制
如图2所示即为过热器的出口的蒸汽温度的串级控制示意图。如图2所示,使用了两级调节器,其串联在一起,且各有任务,调节阀受到调节器1控制,调节器1给定值则是受调节器2控制,构成双闭环系统,副调节器与减温器的出口的温度构成闭环,将其称之为副环,主调节器与主信号—出口蒸汽的温度构成的闭环,将其称之为主环,副环串在主环内。
调节器2称主调节器,调节器1称副调节器。过热器出口的蒸汽温度调节器所输出的信号,并不是用于对调节阀进行控制,而用于校正调节器2给定值。
串级系统属于双回路系统,其主要是通过两个调节器的串接,实现有效的协调,保证被控量控制在给定值。一般情况下,串级系统副环对象惯性较小,而工作频率较高;主环惯性较大,而工作频率较低。为了能够有效提高系统控制性能,主副环工作频率需相差超过三倍,防止因为频率相近,出现共振问题,无法正常开展工作。串级控制系统,实质上可以说是一个闭合副回路替代原来部分的对象,起了改善对象特征的作用。除了克服落在副环内的扰动外,还提高了系统的工作频率,加快过渡过程。
图2 过热蒸汽温度的串级调节系统图
串级控制由于副环的存在,改善了对象的特性,使等效副对象的时间常数减小,系统的工作频率提高。同时,由于串级系统具有主、副两只控制器,使控制器的总放大倍数增大,系统的抗干扰能力增强,因此,一般来说串级控制系统的控制质量要比单回路控制系统高。
在炉温过热蒸汽温度控制系统中,为了获得更好的控制精度,所以采用串级控制系统以得到良好的控制特性。
串级控制有以下优点:
(1)因为副回路的存在,导致对象时间常数减小,控制通道缩短,控制作用更为及时;
(2)有效提高系统工作频率,减小了振荡周期,缩短了调节时间,使得系统应用速度更快;
(3)克服了二次干扰,并提高了一次干扰的克服能力;
(4)提高了对负荷或是操作条件变化的自适应能力。
一般来说,一个设计合理的串级控制系统,当干扰从副回路进入时,其最大偏差将会较小到控制系统的1/10~1/100,即便是干扰从主回路进入,最大偏差也会缩小到单回路控制系统的1/3~ 1/5。但是,如果串级控制系统设计得不合理,其优越性就不能够充分体现。因此,串级控制系统的设计合理性十分重要。
对炉温过热蒸汽的良好控制是保证系统输出蒸汽温度稳定的前提,采用串级控制系统,可以极大地消除控制系统工作过程中的各种扰动,使系统工作在良好的状态下,在系统中控制仪表可进行主控、串级控制的切换,可满足系统在不同情况下的控制要求。
[1]翁维勤.过程控制系统及工程.北京:化学工业出版社,2005.
[2]何衍庆.工业生产过程控制.北京:化学工业出版社,2004.
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1673-0038(2015)39-0217-02
2015-9-11
陈仕(1984-),男,工程师,本科,从事火力发电工作。