余熱鍋爐蒸汽溫度串級自動調節

陳 敏

(四川啟明星鋁業有限責任公司，四川 眉山 620041)

0 引言

過熱蒸汽溫度是保證火力發電廠安全、高效、經濟運行的重要參數，在發電廠生產過程中，整個汽水通道中溫度最高的是過熱蒸汽溫度。如果過熱蒸汽溫度過高，會使過熱器、蒸汽管道和汽輪機高壓缸承受過高的熱應力，從而導致強度降低甚至損壞;而過熱蒸汽溫度偏低，則設備的熱效率將會降低，同時使通過汽輪機最后幾級的蒸汽濕度增加，引起葉片的磨損，嚴重時甚至會產生水沖擊，造成葉片的損壞[1]。

鍋爐過熱蒸汽及減溫系統的控制任務[1]，就是使過熱器出口蒸汽溫度維持在允許的范圍內，并保護過熱器管壁溫度不超過允許的工作溫度。

本文通過對影響余熱鍋爐溫度變化的主要因素，以及余熱鍋爐使用的表面式減溫器工作特性的研究，結合并借鑒部分電廠鍋爐主蒸汽溫度控制方式，選取合理的控制參數及控制模型，在以回轉窯煙氣余熱為主進行發電的鍋爐上實現了主蒸汽溫度自動調節，并取得了較好的效果。

1 鍋爐蒸汽系統對比分析

1.1 發電廠蒸汽系統特性

火力發電廠鍋爐采用燃料燃燒進行加熱，爐水通過省煤器、水冷壁、過熱器、減溫器等熱交換設備后形成過熱蒸汽輸送到汽輪機。一般采用多級過熱器以及兩級噴水式減溫器，并分成甲乙(或左右)側。影響減溫效果及主蒸汽溫度的參數主要有[2]:蒸汽流量、燃燒工況、火焰中心位置、減溫水流量等。常用的減溫控制系統一般將一級過熱器出口溫度或主蒸汽流量、燃料信號等作為前饋信號實現減溫水自動減溫，技術相對成熟。電廠鍋爐負荷及相關參數一般都相對穩定，鍋爐主蒸汽溫度控制具有較大的自主性，但減溫系統較為復雜，甲、乙兩側及一、二級減溫器存在不平衡及溫度偏差，有一個環節出現問題都會影響主蒸汽溫度調節的效果。

1.2 余熱鍋爐蒸汽系統特性

煅燒余熱鍋爐由回轉窯煅燒石油焦產生的余熱煙氣進行加熱[3]，其最大的特點是需要滿足回轉窯工藝生產需求，“燃燒”(即鍋爐接受的熱量)不受鍋爐控制，鍋爐進口煙氣溫度及煙氣量受石油焦料量、石油焦揮發含量、煅燒帶位置/溫度、風機負壓、旁通閘板開度等諸多因素影響，加上煙氣余熱利用系統增加了導熱油加熱后，導熱油風機負壓的變化也會對鍋爐進口煙氣溫度及流量產生影響。其次，汽機負荷為手動調節，蒸汽流量及壓力等參數較電廠鍋爐參數波動幅度更大且更頻繁。此外，余熱鍋爐采用一級表面式減溫器，分甲、乙兩側，由一個減溫水調節門控制減溫水流量，在減溫水控制及效果驗證方面比電廠鍋爐容易，但由于減溫水占整個鍋爐給水的比例較大(特殊情況下甚至可以關閉給水調節門)，減溫水作用完后回流到汽包，而不是像電廠鍋爐減溫后進入蒸汽系統。因此，減溫水和鍋爐給水存在嚴重的耦合現象。

由于與燃料鍋爐存在生產工藝上的不同，以及余熱鍋爐減溫設備本身原因，導致余熱鍋爐減溫控制存在大滯后、大慣性等不足，且余熱鍋爐減溫系統的減溫水與鍋爐給水存在耦合現象，影響鍋爐水位的調節。回轉窯燃燒工況(鍋爐進口煙溫)的變化是主蒸汽溫度擾動的主要因素[3]。和噴水減溫方式的電廠鍋爐相比，主蒸汽溫度的慣性和滯后更大，對負荷的響應能力要差很多，而且鍋爐完全處于被動狀態，因此不能簡單地將火力發電廠成熟的控制技術移植到余熱鍋爐，必須根據余熱鍋爐特性選擇合適的控制系統。

2 單級調節系統分析

2.1 單級調節系統結構

原主蒸汽減溫調節系統采用單級PID調節，調節對象及反饋信號采用主蒸汽溫度信號。由于原主蒸汽溫度調節系統沒有考慮余熱鍋爐減溫系統的大滯后、大慣性特性，以及煙氣溫度、負荷波動、減溫水流量擾動等因素對主蒸汽溫度的影響，導致自動調節效果欠佳，只能靠人工調整減溫水流量來控制主汽溫度。主蒸汽溫度單級調節系統如圖1所示。

圖1 主蒸汽溫度單級調節系統Fig.1 The single-stage control system for main steam temperature

2.2 單級調節效果

通過一段時間的試運行，統計了主汽溫度單級調節系統使用的超溫情況。由于沒有充分研究余熱鍋爐蒸汽溫度特性，導致過熱蒸汽溫度值波動幅度較大，甚至超出正常范圍。從計算機統計數據中發現，過熱器出口蒸汽溫度超限多次，最高達410℃，最低達351℃，而余熱鍋爐主汽溫度控制要求為(385±15)℃，明顯不能滿足工藝控制需求。

2.3 單級調節系統存在的問題

在響應迅速、慣性小、負荷相對平穩、調節范圍大且精度要求不高的環節，單級溫度調節系統能夠達到不錯的調節效果。但在余熱鍋爐主蒸汽溫度調節時，由于只選用了過熱器出口蒸汽溫度作為控制參數及調節對象，而沒有考慮煙氣溫度、蒸汽流量、減溫水流量等影響因素，以及表面式減溫器存在大慣性、大滯后性等不足，且沒有充分研究被控對象的特性，沒有嚴格按照PID調節參數的工程整定要求進行參數整定。因此，單級調節系統調節效果不佳，主蒸汽溫度超過工藝控制要求。

3 蒸汽溫度串級調節系統

3.1 串級調節系統結構

多數鍋爐給水自動控制系統采用的都是串級三沖量調節，以此來穩定地控制汽包水位，同時抑制負荷變化造成的虛假水位引發的水位波動等情況。因此，借鑒部分燃料鍋爐主汽溫度控制系統特點，對余熱鍋爐主汽溫度及減溫系統特性進行了大量試驗和研究。考慮到DCS系統引入了余熱鍋爐進口煙溫，煙溫較易掌控，因此，選取進口煙溫和蒸汽流量作為前置信號引入主汽溫度控制系統副調節器，余熱鍋爐主汽溫度串級調節系統如圖2所示。

圖2 余熱鍋爐主汽溫度串級調節系統Fig.2 The cascade control system for main steam temperature of heat recovery boiler

3.2 原理及調節作用分析

綜合考慮運行人員手動調節主蒸汽溫度的規律及余熱鍋爐蒸汽系統、減溫系統特性，本文采用典型的串級調節系統，其系統框圖如圖3所示。

圖3 串級蒸汽溫度調節系統框圖Fig.3 Block diagram of the cascade steam temperature control system

系統以過熱蒸汽溫度為主要調節信號，以鍋爐進口煙溫和主蒸汽流量作為前饋信號，提高了擾動響應能力。

增加的前置煙溫信號作為正信號引入副調節器。當主蒸汽溫度未發生變化時，一旦進口煙溫發生較大變化，提前動作減溫水調節門，即鍋爐進口煙溫變小時，關小調節門;反之，鍋爐進口煙溫變大時，開大調節門。增加的前置蒸汽流量信號作為負信號引入副調節器。當汽機負荷發生變化時，主蒸汽壓力和溫度會滯后發生變化，一旦負荷(蒸汽流量)發生較大變化，提前動作減溫水調節門，即蒸汽流量變大時，關小調節門;蒸汽流量變小時，開大調節門。主調節器用于維持主蒸汽溫度。主蒸汽溫度給定信號與測量信號的偏差作為副調節器的給定值，即根據溫度偏離給定值的情況，改變減溫水調節閥的給定值，溫度高則開大減溫水，溫度低則關小減溫水。主調節器還起到微調的作用，使溫度維持在給定值允許偏差范圍內。同時，副調節器在切換為手動時，負責接收調節閥給定值，將減溫水調節閥控制在需要的開度。

由于將鍋爐進口煙溫信號及蒸汽流量信號作為調節系統前置信號，能對擾動做出快速響應[1]，在煙溫及負荷發生變化時即提前動作，一旦蒸汽流量或煙氣發生波動，用副調節器的輸出去控制減溫水量，使主蒸汽溫度基本不變，減少了因減溫器、過熱器設備本身特性造成的調節遲緩度。當主蒸汽溫度偏離給定值時，則由調節器發出校正信號，通過其執行器來改變減溫水量，使主汽溫度最終恢復到給定值。

另外，為了避免各種信號模度不統一，本文通過試驗確定了煙溫變化、蒸汽溫度變化以及減溫水流量變化的基本關系(在其他參數基本不變的情況下)，并將此變化關系植入前置信號控制模塊中。同時，在DCS模塊中，各參數均以百分比的形式表示，這樣就減小了參數幅度較大差異導致的調節偏差。

3.3 參數整定

系統所使用的DCS系統為羅克韋爾系統的AB ProcessLogix過程控制系統，硬件與Control Logix兼容，軟件使用Control Builder和Display Builder進行控制模塊組態和顯示畫面組態，組態非常方便、實用。為方便調試，工程師可以在PID參數設置界面對主調、副調P、I值等參數進行工程整定。

PID控制器的參數整定是自動控制系統設計的核心內容[4?。它是根據被控過程的特性確定PID控制器的比例系數、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數整定的方法很多，概括起來有兩大類。一是理論計算整定法，它主要是依據系統的數學模型，經過理論計算確定控制器參數。二是工程整定方法，它主要依賴工程經驗，直接在控制系統的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。PID控制器參數的工程整定方法主要有臨界比例法、反應曲線法和衰減法[2]。三種方法各有其特點，其共同點都是通過試驗，按照工程經驗公式對控制器參數進行整定。但無論采用哪一種方法得到的控制器參數，都需要在實際運行中進行最后調整與完善。

根據余熱鍋爐特性和運行實際情況，我們選擇工程整定法進行參數整定，整定過程中主要采取衰減法[2]。根據一階慣性加延遲對象的頻率衰減特性及經驗公式，結合多次試驗、調試，最終確定主調參數Kp=0.95、Ki=0.7，副調參數 Kp=0.6、Ki=0.5。

根據前期試驗和統一模度的需求，將主蒸汽溫度給定值設定為73%，同時將煙氣溫度、蒸汽流量引入控制模塊時也以百分比表示。

3.4 串級調節系統效果

將優化后的主蒸汽溫度自動調節系統在四川啟明星鋁業煅燒車間3號余熱鍋爐投入運行后進行測試。測試結果表明，優化后的主蒸汽溫度自動調節系統運行正常、安全，減溫水響應速度快且平穩，使余熱鍋爐主蒸汽溫度控制在380～390℃范圍內，大大縮小了溫度波動范圍，溫度曲線非常平緩，使用至今未出現異常超限現象。

4 結束語

本文通過深入研究余熱鍋爐蒸汽系統及減溫系統特性，借鑒發電廠成熟的溫度調節系統，在余熱鍋爐上采用進煙溫度、蒸汽流量信號前置的串級溫度調節系統。同時，通過優化，達到很好的控制效果，保證了鍋爐、汽機設備的安全、經濟運行，而且降低了操作人員的勞動強度。該系統對鋁廠碳素系統及其他利用煙氣余熱進行發電的場合有很好的借鑒作用，能更好地實現節能減排的目標。

[1] 劉春勝，王劭伯.串級PID控制在鍋爐主蒸汽溫度控制中的應用[J].工業控制計算機，2006，19(9):29 －31.

[2] 文群英，陸繼東.過熱蒸汽特性試驗分析及控制系統改造方案[J].湖北電力，2003，27(4):6 －8.

[3] 梁學明，張松江.現代鋁電解生產技術與管理[M].長沙:中南大學出版社，2011:487－489.

[4] 王廣雄，何朕.控制系統設計[M].北京:清華大學出版社，2008:169－187.