鋼鐵企業鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統分析

陳　仕

（湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司　湖南　湘潭　411101）

鋼鐵企業鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統分析

陳仕

（湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司湖南湘潭411101）

本文是針對湘鋼某生產線鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統進行的分析，控制系統采用串級控制以提高系統的控制性能，在系統中采用了主控-串級控制的切換裝置，使系統可以適用于不同的工作環境。通過使用該系統，可以使得鋼鐵企業鍋爐過熱器出口蒸汽溫度在允許的范圍內變化，并保護過熱器營壁溫度不超過允許的工作溫度。

過熱蒸汽控制；串級控制系統；自動控制

1　蒸汽過熱系統的控制概述

蒸汽過熱系統則是鋼鐵企業鍋爐系統安壘正常運行，確保蒸汽品質的重要部分。本文主要考慮的部分是鋼鐵企業鍋爐過熱蒸汽系統的控制。

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

若是過熱蒸汽的溫度太高或是太低，對鋼鐵企業鍋爐的運行和蒸汽用戶的設備都是不利的。當過熱蒸汽的溫度太高時，極易導致過熱器出現損壞，甚至是導致汽輪機由于內部熱膨脹影響到運行安全性；過熱溫度過低，容易使設備的效率降低，同時使汽輪機后幾級的蒸汽濕度增加，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定范圍內。

總的來看，影響過熱蒸汽溫度的因素很多，其中主要的有：過熱器是一個多容且延遲較大的慣性環節，設備結構設計與控制要求存在若矛盾，各種擾動因素之聞相互影響，如蒸汽量、燃燒工況、鋼鐵企業鍋爐給水溫度、進入過熱蒸汽的熱焓，流經過熱器的煙氣溫度及流速的變化等。而對各種不同的擾動，過熱蒸汽溫度的動態特性也各不相同。因此，過熱蒸汽溫度控制的主要任務就是：

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

（2）保護過熱器管壁溫度不超過允許的工作溫度。

2　控制原理

當前，隨著我國控制理論的快速發展，智能控制技術逐漸完善，并被應用到各行各業中。其中，在鍋爐過熱蒸汽的控制中，模型預測控制、自適應控制、神經網絡以及模糊控制的應用較為廣泛。此類控制技術的應用主要是為了進一步提高、改善控制系統控制品質，但是并為能夠從導致過熱蒸汽溫度出現波動的源頭開始進行控制。一般情況下，煙氣的溫度高是導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所造成的延遲較小，由于減溫水量的擾動所造成的延遲較大，此種特性會造成過熱蒸汽的溫度控制出現滯后的問題。

3　控制方案

3.1單回路控制

在運行過程中，改變減溫水流量，實際上是改變過熱器的出口的蒸汽的熱焙，亦改變進口的蒸汽的溫度，如圖1所示。從動態特性來看，此類的調節方法十分不理想，但是因為設備較為簡單，所以得到了較為廣泛的應用。

圖1　改變減溫水量控制蒸汽溫度系統

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，從而獲得良好動態特性。過熱器作為核心的控制對象，因為管壁金屬熱容量過大，從而產生了較大熱慣性。此外，因為管道的長度較長，從容導致存在一定的傳遞滯后現象，如果用圖1中的控制系統，則調節器接受了過熱器的出口的蒸汽溫度t變化后，調節器方才動作，控制減溫水的流量w，而w的變化必須在一段時間后方能夠影響蒸汽溫度t，該控制方式的應用無法及時發現擾動，也無法及時反映控制效果，最終導致蒸汽溫度t出現超過允許范圍的動態偏差。影響鍋爐生產的安全和經濟運行。

實際中過熱蒸汽控制系統常采用減溫水流量作為操縱變量，但由于控制通道的時間常數及純滯后均較大，組成單回路控制系統往往不能滿足生產的要求。因此常采用串級控制系統，減溫器出口溫度為副參數，以提高對過熱蒸汽溫度的控制質量。

3.2串級控制

如圖2所示即為過熱器的出口的蒸汽溫度的串級控制示意圖。如圖2所示，使用了兩級調節器，其串聯在一起，且各有任務，調節閥受到調節器1控制，調節器1給定值則是受調節器2控制，構成雙閉環系統，副調節器與減溫器的出口的溫度構成閉環，將其稱之為副環，主調節器與主信號—出口蒸汽的溫度構成的閉環，將其稱之為主環，副環串在主環內。

調節器2稱主調節器，調節器1稱副調節器。過熱器出口的蒸汽溫度調節器所輸出的信號，并不是用于對調節閥進行控制，而用于校正調節器2給定值。

串級系統屬于雙回路系統，其主要是通過兩個調節器的串接，實現有效的協調，保證被控量控制在給定值。一般情況下，串級系統副環對象慣性較小，而工作頻率較高；主環慣性較大，而工作頻率較低。為了能夠有效提高系統控制性能，主副環工作頻率需相差超過三倍，防止因為頻率相近，出現共振問題，無法正常開展工作。串級控制系統，實質上可以說是一個閉合副回路替代原來部分的對象，起了改善對象特征的作用。除了克服落在副環內的擾動外，還提高了系統的工作頻率，加快過渡過程。

圖2　過熱蒸汽溫度的串級調節系統圖

串級控制由于副環的存在，改善了對象的特性，使等效副對象的時間常數減小，系統的工作頻率提高。同時，由于串級系統具有主、副兩只控制器，使控制器的總放大倍數增大，系統的抗干擾能力增強，因此，一般來說串級控制系統的控制質量要比單回路控制系統高。

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

串級控制有以下優點：

（1）因為副回路的存在，導致對象時間常數減小，控制通道縮短，控制作用更為及時；

（2）有效提高系統工作頻率，減小了振蕩周期，縮短了調節時間，使得系統應用速度更快；

（3）克服了二次干擾，并提高了一次干擾的克服能力；

（4）提高了對負荷或是操作條件變化的自適應能力。

一般來說，一個設計合理的串級控制系統，當干擾從副回路進入時，其最大偏差將會較小到控制系統的1/10～1/100，即便是干擾從主回路進入，最大偏差也會縮小到單回路控制系統的1/3～ 1/5。但是，如果串級控制系統設計得不合理，其優越性就不能夠充分體現。因此，串級控制系統的設計合理性十分重要。

4　結束語

對爐溫過熱蒸汽的良好控制是保證系統輸出蒸汽溫度穩定的前提，采用串級控制系統，可以極大地消除控制系統工作過程中的各種擾動，使系統工作在良好的狀態下，在系統中控制儀表可進行主控、串級控制的切換，可滿足系統在不同情況下的控制要求。

[1]翁維勤.過程控制系統及工程.北京：化學工業出版社，2005.

[2]何衍慶.工業生產過程控制.北京：化學工業出版社，2004.

TK229

A

1673-0038（2015）39-0217-02

2015-9-11

陳仕（1984-），男，工程師，本科，從事火力發電工作。