1、ICS 2504040：27100N 18 圆亘中华人民共和国国家标准化指导性技术文件GBZ 2 1 1 933-2007IECTR 62 1 403：20022007-1 1-14发布矿物燃烧蒸汽发电站第3部分：蒸汽温度控制Fossilfired steam power stations-Part 3：Steam-temperature controls(IECTR 621403：2002，IDT)丰瞀徽紫瓣訾糌瞥星发布中国国家标准化管理委员会捉仲GBZ 21 1933-2007IECTR 62140-3：2002前言一引言1范围2被控系统21被控系统的描述22设计-23稳态特性-24瞬时特
2、性25时间响应的计算26时间响应的测量3控制任务的系统阐述31控制要求32控制性能4控制回路配置-41控制的概念-42控制回路5控制回路的实现51测量的概念和时间响应52执行器目 次图1过热器人口温度阶跃变化后过热器出口温度的时间响应曲线图2被控系统的方块图图3 PI(D)P(I)串级控制“图4带状态控制器和观测器的控制回路一表1被控系统的特征值Il11l2233334445777刖 昂GBZ 21 1933-2007IECTR 621403 12002GBZ 21193矿物燃烧蒸汽发电站分为如下几部分：第1部分：限幅控制；第2部分：汽包水位控制；第3部分：蒸汽温度控制。本部分为GBZ 211
3、93的第3部分。本部分等同采用IECTR 62140-3：2002矿物燃烧蒸汽发电站第3部分：蒸汽温度控制(英文版)。为便于使用，对IECTR 621403：2002做了下列编辑性修改：a) “技术报告”一词改为“指导性技术文件”；b)删除IECTR 621403：2002的前言；c)删除IECTR 621403：2002的引言。本部分由中国机械工业联合会提出。本部分由全国工业过程测量和控制标准化技术委员会第二分技术委员会归口。本部分负责起草单位：西南大学。本部分参加起草单位：机械工业仪器仪表综合技术经济研究所、中国四联仪器仪表集团、西安热工研究院有限公司、北京机械工业自动化研究所、上海工业自
4、动化仪表研究所。本部分主要起草人：黄伟、张建成、周雪莲。本部分参加起草人：冯晓升、刘进、周明、谢兵兵、陈诗恩。本部分是首次发布。cBz 211933-2007IEClR 621403：2002引 言本部分是GBZ 21193中的一部分，它包含了对矿物燃烧发电站在控制回路上的正确设计和运行方面的建议。它们是基于目前所采用的技术解决方案，同时为了正确地理解，本部分也提出了必要的背景信息。本部分提出或包含了特殊的技术解决方案，主要是针对满足相似的用户需求功能。形成一个公认的方法来表示矿物燃烧发电厂操作人员和供应商功能性需要。在给出的时间内，本部分被严格地视同为特定的技术解决方案例子，其目的是为了鼓励
5、在该专题上观点统一而促进讨论。GBZ 21193里有两种类型的指导性技术文件。第一种类型的指导性技术文件涉及到锅炉的特殊控制回路，如汽包水位控制或蒸汽温度控制，以及它们所处于的正常运行条件。第二种类型的指导性技术文件指出了在限制条件下确保正常运行的特殊方法，例如在上升和下降期间，或者在异常运行状况中，或者它们与机炉主控系统有关，如负荷控制系统或频率控制系统。这些指导性技术文件通常把发电站单元归为一个整体。GBZ 21193中的每个部分都是相互独立的，然而，它们的内容很大程度上是相互协调的。这个系列是可以补充的。GBZ 211933-2007IECTR 62140-3：2002矿物燃烧蒸汽发电站
6、第3部分：蒸汽温度控制1范围本部分的主题是自然循环或强制循环的矿物燃烧蒸汽发电站蒸汽温度控制。本部分的应用限定于发电站温度控制系统，在该温度控制系统中，采用蒸汽侧的控制如喷水减温器或热交换器，或者烟气侧的控制如烟气回流，控制过热蒸汽达到期望的目标温度。过热蒸汽减温站与本部分无关。在被控系统描述之后是控制任务的系统阐述，接下来的章条中包含了适合于控制回路配置的描述，最后部分侧重于对控制回路测量设备和执行器的检查。2被控系统为了在大范围负荷变化时能保持汽轮机效率并避免汽轮机金属温度波动，需要在整个预期的运行负荷范围内，保持过热蒸汽和再热蒸汽的温度恒定，要满足这样的要求，就必须要有一个蒸汽温度控制系
7、统。以下描述是基于喷水控制系统，供选择的配置方案在31中描述。21被控系统的描述一旦减温器被采用，该被控系统就从减温器的蒸汽人口处开始，直到加热表面出El蒸汽温度测量处为止。它包含了减温器和加热面的线性特性，包括未受热的连接管道、分流系统和汇流系统，下列输入量会影响到该控制系统。211热量的吸收加热面的热量吸收对于流体侧控制(减温器，热交换器)是一个扰动变量，而对于烟气侧控制(烟气回流，倾斜式燃烧器)是一个操作变量。经验表明，整个加热过程中的变化情况是难于测量的，因此，它们是由易于测量的被调量推导得到，如，加料器速度、燃料流量和烟气流量，并认为后续的过程具有线性特性(例如，热量的释放)。212
8、蒸汽流量蒸汽流量是另一个扰动变量。与热量吸收率相反，蒸汽流量是易于测量的，因此，它可作为一个扰动变量，用该信息作为前馈信号，提高控制性能。通常它不被用作操作变量。213入口温度进入控制系统的蒸汽温度是另一个扰动变量。22设计过热器设计是以锅炉结构设计和与被采用管道材料有关的热力设计为主要考虑因素。控制系统特性在一定范围内会受到设计的影响，如将传导热量的方式设计成热表面的辐射或者是对流，传导热量时选择同向顺流或者逆向对流。通过下述内容，很容易构成一个品质好的控制。221热量吸收流经被控的加热面时热量吸收越低越好。当控制性能要求(超调量范围)较严格，并且扰动又大又快时，热量吸收(如控制系统加热面的
9、蒸汽温度升高)应该较低。如果没有相反的设计理由，对于过热器蒸汽温度超过500C的大型锅炉，目标是最后一级过热器的最大热吸收量为50 K到70 K。一种方法是采用多级过热器和多级减温器。GBZ 21 1933-2007IECTR 62140-3：2002对于集成了线性模型的新型控制设备，例如，带观测器的状态控制器，计算了加热面的中间温度，并作为控制回路中的辅助控制值，结果，加热面在相当于上升了120 K温度的热量吸收情况下，还是可以按高等级控制品质要求来控制。在控制系统出口用减温器可以达到最佳的控制效果，那么，控制器可以进行极其快速的控制。然而，这种配置通常是不可能的，因为它将导致在受热管道和不
10、受热管道中蒸汽温度都升高。222温度分布存在小的温度分布扰动，如，各个并列过热器管末端温度之间都有小的差异。很大的不平衡性约束了所允许的控制偏差，以避免超过材料的限定温度。223材料量减少被控系统材料量，如，尽可能减少非加热管道路径和接头，降低加热面材料量，以保证被控系统中的延迟时间减小。不过，用于喷水雾化的适当混合区必须要得到保证。23稳态特性增益系数是稳态出口温度变化与入口温度变化之比，由于过热期间蒸汽定容比热降低，增益系数会略大于1。24瞬时特性最好采用阶跃变化的时间响应来表征被控系统的动态特性。下列两种情况之间需加以区别。241 被控变量的阶跃响应尽可能快地改变执行器的位置(如，尽可能
11、按单位阶跃)，获得出口温度的时间响应。试验期间应注意使可能的扰动变量(热获取量，质量流量和蒸汽人口温度)尽量保持为常量。过热器人口温度阶跃变化后的过热器出口温度时间响应(见图1)表现为高阶线性延迟的形式，并可通过多个一阶滞后的串联方法来近似。时间常数的表示和被控系统的阶次可以满足对控制系统的描述。作为选择，被测的时间响应也可用等效初始延迟时间Tu和惯性时间t来表征。惯性时间是由x轴与渐近线(最终稳态值)之间时间响应曲线的切线所切出的时间，初始延迟时间是调节的时间与曲线切线对x轴的交点之间的时间(见图1)。T。t之比对于被控系统的阶有固定的关系。魁稚赠捌田 ， 咒=初始延迟时间=惯性时间，： 毛
12、 t。一图1 过热器入口温度阶跃变化后过热器出口温度的时间响应曲线242前馈的超前作用尽可能快地变化执行器的位置(如，尽可能按单位阶跃)获得出口温度的时间响应。21中所列出的扰动都被考虑到，它们主要是由满负荷控制引起，前馈信号可超前作用来提高控制特性。可以不用关注关于扰动阶跃响应时间的延尽时间，除非当该扰动变量的前馈超前作用被提供，因此，通常适合于采2GBZ 211933-20071ECTR 62140-3：2002用其滞后时间T：来表征干扰特性。25时问响应的计算(见图2)受热管道传递函数的预先计算采用了偏微分方程的求解方法，这会导致超越传递函数，并且，对于阶跃响应，会导致带三角函数的参数的
13、无穷级数。这种相对复杂的解决方法被许多作者用更简单的近似法所替代。因此，特性参数L、L或者n、L可以相对容易地从设计数据和运行数据中计算得到。当等效初始延迟时间和惯性时间对应于蒸汽流量成反比地上升时，被控系统的数学阶次在常压和变化的压力运行中都保持为常量，基本上与负荷无关。在满负荷下，有很好控制特性的高压过热器具有典型的特征值，大致50 S的延迟时间，再热器有大致100 S的延迟时间、大致为03的T。L值。最重要的特征值都汇集到表1中。蒸汽流量 厂)加热量 旷+、氐减温器 伊+dz厂 dtl I控制干预 过热器图2被控系统的方块图26时间响应的测量控制传递函数的测量通常是通过尽可能快地调节执行
14、器来实现(尽可能按单位阶跃)。为了克服许多可能的扰动，241中描述的范围条件应被遵从。试验应在稳态条件下完成，并且一次只能通过操作一个输入变量。表1被控系统的特征值负荷范围参 数100 PLll PL28 40热量吸收 kIkg延迟时间 Tu惯性时间 L管道容积滞后时间 L进水焓值 b kJkga PL-部分负荷。3控制任务的系统阐述31控制要求蒸汽温度控制的任务包括按照参考变量(启动)或者按照设定值(负荷运行)控制蒸汽温度。允许的温度偏差和它们的瞬时值不能超过在过热器出口、主蒸汽管和汽轮机的受压厚壁压力组件的允许瞬3GBZ 21 1933-2007IECTR 62140-3：2002时值。通
15、常，由于热循环，土10 K的温度波动对组件损耗没有很大的影响。在高运行温度时，应注意材料的使用范围和蠕变应力。如果设定值处于材料的使用限制之内，正控制偏差也会促使蠕变时间轻度减小。由于过热器出口和汽轮机人口之间的蒸汽管道存储能力，锅炉出口的任何温度振荡在汽轮机人口将变为大约原来的一半。在高达500 K的大幅温度变化出现时，例如，发电站启动期间，应从注意温度变化改成关注允许的温度瞬时值。在旁路运行中，产蒸汽区的锅炉组件是最后的部分，当汽轮机运行时，汽轮机通常限制了允许的温度瞬时值，那些由于设定值调整而引起的快速且大幅度温度变化对汽轮机有害，因此，在负荷运行中，应尽量避免对过热器出口温度的设定值调
16、整。按照图1，T。和L用于控制传递函数，L用于由于热量吸收或质量流量扰动引起的扰动变量时间特性。32控制性能321超调量最重要的控制性能评价指标是在扰动情况下被控变量的超调量，它是从原始稳态条件过渡到新的稳态条件期间，被控变量的最大瞬时偏差。作为一个指标，对于现有的控制系统，它的优点在于它可在相当广的范围内进行单独优化(如，控制曲线的轨迹)。超调量依赖于下列值。3211扰动值加热波动和蒸汽流量变化都是要求被特别考虑的扰动。这些扰动(在小的变化区域内)都成比例地作用于热量吸收过程。作为相反方向的(士)作用结果，在稳定运行情况下，它们相互之间会更平衡或不平衡。3212扰动阶跃函数的纯滞后时间Tl时
17、间t表征了扰动上升的斜率(见242)。过热器存储能力防止了过热器出口扰动瞬间达到它的最大范围。另外，对于多数燃烧系统，热波动并不会在过热器上即刻发生，它可以通过展开计算滞后时间t来近似计算。3213扰动阶跃响应的等效死区在考虑扰动阶跃响应等效死区的情况下，超调幅度的大幅减少可以通过前馈一个具有相应时间关系的扰动变量来实现。此时，需要注意这样的情况，在发电运行中，热交换和质量流量变化都必须被考虑。3214控制传递函数的等效初始延迟时间T和惯性时间TI超调量受到等效延迟时间T。、TL比值的影响，并随这些值的升高而增加。3215控制器设置延迟时间和补偿时间是与负荷有关，这在对控制器设置时必须被考虑，
18、因此，控制器参数也必须依赖于负荷来设置。4控制回路配置41控制的概念各种蒸汽温度控制方法都在被使用，一些设计可能会用到下列多种方法，也可能在一个设备里将这些方法综合起来使用。411过热器前的喷淋水采用调节阀门开度，控制喷嘴流通截面的方法，可以改变喷淋水流量。或者靠改变特定泵的输出来调节喷淋水流量。412烟气旁路(被控烟气)由控制器来调节挡板使部分烟气流量旁路到过热器，所以，后者仅受分流流量的作用。这种类型的控制与冷却控制相比(对于相同钢材重量的加热面)，具有低延迟时间的优点，但是控制范围受到限制。GBZ 21 1933-2007IECTR 62140-3：2002这种低延迟时间仅适用于烟气旁路
19、所围绕的过热蒸汽出口温度。413烟气回流较冷的烟气从锅炉出口回流到过热器人口，或者进入较低温度的炉膛，循环烟气的流量由挡板开度或者风机速度的变化来调节。通常，控制同时作用在多个加热面上。该过程的延迟时间很低，但须要较多的额外能源消耗。烟气直接导人在过热器前，会引起温度下降；而导人到较低温度的炉膛时会引起温度升高。414倾斜式燃烧器燃烧控制必须被考虑。该控制提供了低延迟时间，但控制范围受限制。另外，由于受限制调节效果的重复性，这个方法不含在控制回路中，而仅仅是静态实现。415附加过热器加热该方法以前很少被用到。416热交换器热交换器被用作为能量分流系统，热蒸汽传递能量给低温流体。由控制器操作的执
20、行器使部分蒸汽流向热交换器。在再热器区域中，它被用于减小喷水流量，并因此去提高循环过程的效能，在高压范围内，负荷有关的热获取特性被提高。417给水调节在废热电厂，常常通过调节给水流量，控制正在使用的蒸汽温度。与此类似，它也适用于温度控制回路连接到给水流量调节的直流锅炉。42控制回路按照各种不同的控制观念，都主要采用带减温器的控制回路，因此，它被描述得更详细。过热器减温器注：减温器后的温度是辅助被控变量。图3 PI(D)P(I)串级控制GBZ 211933-2007IECTR 62140-3：2002421被控变量几乎在每个控制回路中，过热器出El蒸汽温度都是主要的被控变量。为了能够控制所有的扰
21、动，控制器必须综合地作用。在此，应考虑到喷水减温后的蒸汽温度(辅助控制变量)通常必须大于饱和蒸汽温度。PI或者PID控制器以及带观测器的状态控制器代表了可能的控制器。在某些情形中，必须按照负荷的函数调整蒸汽温度的设定值，那么负荷就变成一个参考变量。在21中，已经描述过配置了蒸汽温度控制器的被控系统。在用减温器控制的情况下，最好引入减温器后的蒸汽温度作为辅助被控变量，那么，直接控制减温器前出现的扰动就成为可能(见图3)。采用热电偶测量的减温器后温度必须尽可能是瞬时值，通过P(I)控制器，在操作变量上产生一个立即的变化，而该控制器的设定值是采用出口蒸汽温度的比例加积分形式来设定。该设定值的调节，除
22、了考虑残差控制之外，还必须需补偿燃烧状态的变化(组合炉膛)，以及考虑过热器与负荷的关系。如果后者较大，可以考虑增加扰动变量的前馈。状态控制器已经成功地在实践中试验，图4表示了该控制回路。缺失的状态变量和需要高昂代价才能测到的状态变量，可以通过观测器仿真得到。状态控制的优点是可以被用于控制大型过热器(更高阶次和更大热量吸收的收热器)，并具有与常规回路控制小型过热器(图3)相同的控制性能。图4带状态控制器和观测器的控制回路422前馈控制如果扰动被考虑成立即达到它的最大值，而不仅仅是按照它在过热器出口的渐进作用，那么采用前馈控制可以大幅改善控制特性。过热器热量获取主要受到两方面的影响，蒸汽流量和加热
23、程度，这两方面的影响通常是同时发生的，如，一方面加热程度的变化会导致蒸汽流量的变化，而另一方面，蒸汽流量6GBZ 211933-2007IECTR 621403：2002排放的变化又会影响到炉膛。因此，最好将这些扰动变量一起都作为前馈，在此的难点是对加热量的准确测量。5控制回路的实现51 测量的概念和时间响应测量技术未详细地描述。测量技术应该遵循于热电偶的国际标准。推荐的位置、控制范围和时间响应可在下面找到。511物理测量方法按照当前的最新技术水平，只有电子测量技术可以被考虑。512测量元件的时间响应虽然传递函数可以通过延迟时间和惯性时间来表征，一阶延迟的描述就能够满足，时间常数应小于20 s
24、。测量放大器产生的附加延迟，应低于一个数量级。这对于减温器后的温度控制特别重要，因为相对于该回路中存留的延迟，这里的测量装置存在着较大延迟。52执行器41中所描述的过程相关的执行器需要被考虑，但是更详细的内容主要参考喷水控制。521控制范围必须在稳态下量化控制范围。这种量化过程应考虑各种运行状况(负荷、燃料类型等)下，需要及能够达到的冷却效果；校正任何可能的计算的不确定性；并且，在稳态时，满足需要的附加控制范围可适用于瞬时变化。经验表明，附加控制范围应该在稳态设计基础值的50至100之间。在喷水控制回路作串级的情况下，要特别小心，以确保在未经过热器前最后一级喷水的控制范围，喷水质量流量的排水量
25、是由前一级控制回路的设定值来确保。为了兼顾小喷水流量下的良好雾化要求，部分喷嘴的截面可能必须关闭。522执行器组的配置过程和相关的执行器考虑参考41。523稳态特性在整个控制范围内，执行器的调节应以近似线性的形式进行，如，相同的执行器变化应导致相同的温度变化，另外，其他操作变量(例如，给水，燃烧)的特性也应是独立的。如果它们不能被达到，这些相关性、非线性的不利效应，必须通过相应的控制回路来避免(例如421)。524时间响应执行器的行程时间应该遵从于所有扰动变量的最大变化率。对于过热器温度控制，20 s到40 s通常是可以接受的。在执行器上不应产生可测量的滞环，否则，该滞环的不利影响必须通过定位控制的方法来消除。
