陳　仕

（湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司　湖南　湘潭　411101）

鋼鐵企業(yè)鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)分析

陳仕

（湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司湖南湘潭411101）

本文是針對(duì)湘鋼某生產(chǎn)線鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行的分析，控制系統(tǒng)采用串級(jí)控制以提高系統(tǒng)的控制性能，在系統(tǒng)中采用了主控-串級(jí)控制的切換裝置，使系統(tǒng)可以適用于不同的工作環(huán)境。通過使用該系統(tǒng)，可以使得鋼鐵企業(yè)鍋爐過熱器出口蒸汽溫度在允許的范圍內(nèi)變化，并保護(hù)過熱器營壁溫度不超過允許的工作溫度。

過熱蒸汽控制；串級(jí)控制系統(tǒng)；自動(dòng)控制

1　蒸汽過熱系統(tǒng)的控制概述

蒸汽過熱系統(tǒng)則是鋼鐵企業(yè)鍋爐系統(tǒng)安壘正常運(yùn)行，確保蒸汽品質(zhì)的重要部分。本文主要考慮的部分是鋼鐵企業(yè)鍋爐過熱蒸汽系統(tǒng)的控制。

蒸汽過熱系統(tǒng)的組成如下：①一級(jí)過熱器；②減溫器；③二級(jí)過熱器，其使用目的在于保證過熱器的溫度保持在一個(gè)允許范圍中，在保護(hù)過熱器時(shí)管壁溫度的溫度維持在允許工作溫度內(nèi)。

若是過熱蒸汽的溫度太高或是太低，對(duì)鋼鐵企業(yè)鍋爐的運(yùn)行和蒸汽用戶的設(shè)備都是不利的。當(dāng)過熱蒸汽的溫度太高時(shí)，極易導(dǎo)致過熱器出現(xiàn)損壞，甚至是導(dǎo)致汽輪機(jī)由于內(nèi)部熱膨脹影響到運(yùn)行安全性；過熱溫度過低，容易使設(shè)備的效率降低，同時(shí)使汽輪機(jī)后幾級(jí)的蒸汽濕度增加，引起葉片磨損，所以必須把過熱器出口的蒸汽的溫度控制在規(guī)定范圍內(nèi)。

總的來看，影響過熱蒸汽溫度的因素很多，其中主要的有：過熱器是一個(gè)多容且延遲較大的慣性環(huán)節(jié)，設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制要求存在若矛盾，各種擾動(dòng)因素之聞相互影響，如蒸汽量、燃燒工況、鋼鐵企業(yè)鍋爐給水溫度、進(jìn)入過熱蒸汽的熱焓，流經(jīng)過熱器的煙氣溫度及流速的變化等。而對(duì)各種不同的擾動(dòng)，過熱蒸汽溫度的動(dòng)態(tài)特性也各不相同。因此，過熱蒸汽溫度控制的主要任務(wù)就是：

（1）克服各種干擾因素，將過熱器出口蒸汽溫度維持在規(guī)定允許的范圍內(nèi)，從而保持蒸氣品質(zhì)合格。

（2）保護(hù)過熱器管壁溫度不超過允許的工作溫度。

2　控制原理

當(dāng)前，隨著我國控制理論的快速發(fā)展，智能控制技術(shù)逐漸完善，并被應(yīng)用到各行各業(yè)中。其中，在鍋爐過熱蒸汽的控制中，模型預(yù)測(cè)控制、自適應(yīng)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及模糊控制的應(yīng)用較為廣泛。此類控制技術(shù)的應(yīng)用主要是為了進(jìn)一步提高、改善控制系統(tǒng)控制品質(zhì)，但是并為能夠從導(dǎo)致過熱蒸汽溫度出現(xiàn)波動(dòng)的源頭開始進(jìn)行控制。一般情況下，煙氣的溫度高是導(dǎo)致過熱蒸汽的溫度高的重要原因，過熱蒸汽的溫度由于煙氣的擾動(dòng)所造成的延遲較小，由于減溫水量的擾動(dòng)所造成的延遲較大，此種特性會(huì)造成過熱蒸汽的溫度控制出現(xiàn)滯后的問題。

3　控制方案

3.1單回路控制

在運(yùn)行過程中，改變減溫水流量，實(shí)際上是改變過熱器的出口的蒸汽的熱焙，亦改變進(jìn)口的蒸汽的溫度，如圖1所示。從動(dòng)態(tài)特性來看，此類的調(diào)節(jié)方法十分不理想，但是因?yàn)樵O(shè)備較為簡單，所以得到了較為廣泛的應(yīng)用。

圖1　改變減溫水量控制蒸汽溫度系統(tǒng)

減溫器主要可以分為兩種形式：①表面式的減溫器；②噴水式的減溫器。值得注意的是，減溫器必須盡量地安裝在蒸汽出口附近，必須充分保證過熱器材料安全，從而獲得良好動(dòng)態(tài)特性。過熱器作為核心的控制對(duì)象，因?yàn)楣鼙诮饘贌崛萘窟^大，從而產(chǎn)生了較大熱慣性。此外，因?yàn)楣艿赖拈L度較長，從容導(dǎo)致存在一定的傳遞滯后現(xiàn)象，如果用圖1中的控制系統(tǒng)，則調(diào)節(jié)器接受了過熱器的出口的蒸汽溫度t變化后，調(diào)節(jié)器方才動(dòng)作，控制減溫水的流量w，而w的變化必須在一段時(shí)間后方能夠影響蒸汽溫度t，該控制方式的應(yīng)用無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)擾動(dòng)，也無法及時(shí)反映控制效果，最終導(dǎo)致蒸汽溫度t出現(xiàn)超過允許范圍的動(dòng)態(tài)偏差。影響鍋爐生產(chǎn)的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

實(shí)際中過熱蒸汽控制系統(tǒng)常采用減溫水流量作為操縱變量，但由于控制通道的時(shí)間常數(shù)及純滯后均較大，組成單回路控制系統(tǒng)往往不能滿足生產(chǎn)的要求。因此常采用串級(jí)控制系統(tǒng)，減溫器出口溫度為副參數(shù)，以提高對(duì)過熱蒸汽溫度的控制質(zhì)量。

3.2串級(jí)控制

如圖2所示即為過熱器的出口的蒸汽溫度的串級(jí)控制示意圖。如圖2所示，使用了兩級(jí)調(diào)節(jié)器，其串聯(lián)在一起，且各有任務(wù)，調(diào)節(jié)閥受到調(diào)節(jié)器1控制，調(diào)節(jié)器1給定值則是受調(diào)節(jié)器2控制，構(gòu)成雙閉環(huán)系統(tǒng)，副調(diào)節(jié)器與減溫器的出口的溫度構(gòu)成閉環(huán)，將其稱之為副環(huán)，主調(diào)節(jié)器與主信號(hào)—出口蒸汽的溫度構(gòu)成的閉環(huán)，將其稱之為主環(huán)，副環(huán)串在主環(huán)內(nèi)。

調(diào)節(jié)器2稱主調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器1稱副調(diào)節(jié)器。過熱器出口的蒸汽溫度調(diào)節(jié)器所輸出的信號(hào)，并不是用于對(duì)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制，而用于校正調(diào)節(jié)器2給定值。

串級(jí)系統(tǒng)屬于雙回路系統(tǒng)，其主要是通過兩個(gè)調(diào)節(jié)器的串接，實(shí)現(xiàn)有效的協(xié)調(diào)，保證被控量控制在給定值。一般情況下，串級(jí)系統(tǒng)副環(huán)對(duì)象慣性較小，而工作頻率較高；主環(huán)慣性較大，而工作頻率較低。為了能夠有效提高系統(tǒng)控制性能，主副環(huán)工作頻率需相差超過三倍，防止因?yàn)轭l率相近，出現(xiàn)共振問題，無法正常開展工作。串級(jí)控制系統(tǒng)，實(shí)質(zhì)上可以說是一個(gè)閉合副回路替代原來部分的對(duì)象，起了改善對(duì)象特征的作用。除了克服落在副環(huán)內(nèi)的擾動(dòng)外，還提高了系統(tǒng)的工作頻率，加快過渡過程。

圖2　過熱蒸汽溫度的串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)圖

串級(jí)控制由于副環(huán)的存在，改善了對(duì)象的特性，使等效副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)減小，系統(tǒng)的工作頻率提高。同時(shí)，由于串級(jí)系統(tǒng)具有主、副兩只控制器，使控制器的總放大倍數(shù)增大，系統(tǒng)的抗干擾能力增強(qiáng)，因此，一般來說串級(jí)控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量要比單回路控制系統(tǒng)高。

在爐溫過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)中，為了獲得更好的控制精度，所以采用串級(jí)控制系統(tǒng)以得到良好的控制特性。

串級(jí)控制有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）因?yàn)楦被芈返拇嬖冢瑢?dǎo)致對(duì)象時(shí)間常數(shù)減小，控制通道縮短，控制作用更為及時(shí)；

（2）有效提高系統(tǒng)工作頻率，減小了振蕩周期，縮短了調(diào)節(jié)時(shí)間，使得系統(tǒng)應(yīng)用速度更快；

（3）克服了二次干擾，并提高了一次干擾的克服能力；

（4）提高了對(duì)負(fù)荷或是操作條件變化的自適應(yīng)能力。

一般來說，一個(gè)設(shè)計(jì)合理的串級(jí)控制系統(tǒng)，當(dāng)干擾從副回路進(jìn)入時(shí)，其最大偏差將會(huì)較小到控制系統(tǒng)的1/10～1/100，即便是干擾從主回路進(jìn)入，最大偏差也會(huì)縮小到單回路控制系統(tǒng)的1/3～ 1/5。但是，如果串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)得不合理，其優(yōu)越性就不能夠充分體現(xiàn)。因此，串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)合理性十分重要。

4　結(jié)束語

對(duì)爐溫過熱蒸汽的良好控制是保證系統(tǒng)輸出蒸汽溫度穩(wěn)定的前提，采用串級(jí)控制系統(tǒng)，可以極大地消除控制系統(tǒng)工作過程中的各種擾動(dòng)，使系統(tǒng)工作在良好的狀態(tài)下，在系統(tǒng)中控制儀表可進(jìn)行主控、串級(jí)控制的切換，可滿足系統(tǒng)在不同情況下的控制要求。

[1]翁維勤.過程控制系統(tǒng)及工程.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[2]何衍慶.工業(yè)生產(chǎn)過程控制.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

TK229

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1673-0038（2015）39-0217-02

2015-9-11

陳仕（1984-），男，工程師，本科，從事火力發(fā)電工作。