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）

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

1　蒸汽过热系统的控制概述

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。

2　控制原理

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　控制方案

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。

4　结束语

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.

TK229

A

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。