利用集成功能块的蒸汽温度控制制造技术

本公开关注一种饱和水喷洒系统，该饱和水喷洒系统被配置为利用单个集成ＤＣＳ控制块快速地响应快速负载变化。该集成ＤＣＳ控制块可包括多个控制该喷洒系统的运行所需要的过程控制例程。例如，上游和下游ＰＩＤ控制例程可确定和输出控制变量，而其它控制例程可被提供以便处理锅炉内影响出口和喷洒蒸汽温度的扰动，以及确定所述蒸汽温度在该锅炉运行期间不落入饱和区域。由于这些例程是同一控制块的组成部分，因而这些例程中的每个例程都可以访问所述控制块的公用存储器，而不必建立附加的通信链路来进行在使用级联功能块时所需的信息传送。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术总体上涉及锅炉内的蒸汽温度控制，更具体地说，涉及利用集成的DCS控制块的动力锅炉内蒸汽温度控制，以增加对快速负载变化的响应性。
技术介绍
发电厂利用各种类型的发电机进行发电，根据用来发电的能源类型，发 电机可分为热能、核能、风能、水力等发电机。这些不同类型的发电机中的 每种都在不同的限制条件下运行。例如，热能发电机的输出是锅炉内产生的 热量的函数，其中所述热量由每小时燃烧的燃料量等确定。另外，热能发电厂存在相似类型的限制条件。而且，对于大多数使用锅炉的发电厂而言，末 端过热器和再热器出口处的期望蒸汽温度设定点是恒定的，而且在所有负载 水平必须保持蒸汽温度在较窄范围内接近于所述设定点。烧燃料的发电机通过燃烧燃料将锅炉内穿过数个管道的水变成蒸汽来 工作。蒸汽用来在一个或更多涡轮机内产生电能。在动力锅炉运行过程中， 蒸汽温度的控制是至关重要的。从锅炉中排出并进入蒸汽涡轮机的蒸汽的温 度处于最佳的期望温度是很重要的。如果蒸汽温度太高，由于各种冶金学方 面原因，蒸汽会对蒸汽涡轮机的叶片造成损坏。如果蒸汽温度太低，蒸汽中 会包含可能对蒸汽涡轮机的部件造成损坏的水滴。通常，锅炉包含级联的热交换器区段，从一个热交换器区段排出的蒸汽 进入下一个热交换器区段，并且在每个热交换器区段提高蒸汽的温度，直到 理想情况下蒸汽以期望蒸汽温度输出到涡轮机。在这种布置中，蒸汽温度的控制经常通过在末端热交换器区段之前的位置将饱和水喷洒到蒸汽中来实 现，其中此末端热交换器区段紧邻涡轮机的上游。温度传感器沿着蒸汽流路 设置并位于热交换器区段之间，以测量沿所述流路的重要之处的蒸汽温度， 并且所测量的温度被用于调节为温度控制目的而被喷洒到所述蒸汽中的饱 和水的量。在传统的锅炉运行中，使用分布式控制系统(DCS),其中数个分离的 功能块布置成级联结构，执行蒸汽控制策略。图1显示饱和水喷洒系统10 的一个实例，该饱和水喷洒系统具有级联的功能块结构，用于控制由该喷洒系统10提供给动力锅炉涡轮机的蒸汽的出口蒸汽温度TEOUTLET。进入喷洒 系统10的流路的蒸汽穿过第一热交换器12和第二热交换器14，然后输出 到涡轮机。通过将饱和水喷洒到热交换器12和14之间一位置处流路中的蒸 汽中，可调节出口蒸汽温度TEoutlet。设置阀16来控制喷洒到流路蒸汽中 的饱和水的量。控制阀16由级联的功能块18-24控制，所述功能块利用由 温度传感器26测得的出口蒸汽温度TE0UTLET和由温度传感器28测得的喷洒 后蒸汽温度TESPRAY来确定实现期望出口蒸汽温度TE0UTLET所需的阀位置。由温度传感器26测得的出口蒸汽温度TEouixET被输入给第一比例积分 微分(PID)功能块18，作为所述控制策略的第一或上游过程变量PV!。这 里所使用的名词"上游"和"下游"是指与流路中到涡轮机的蒸汽流的方向 相反的控制回路中过程控制信息的流。表示出口蒸汽温度TE0UTLET的期望值 的第一设定点SP,也被输入PID功能块18。在许多应用中，出口蒸汽温度 TEouTLET的最佳值约为1000°F。 PID功能块18被配置为比较上游过程变量 PV,和第一设定点SP!的值，以确定是否应该提高(PVi〈SP!)或降低(PV^ SP!)喷洒后蒸汽温度TESPRAY。只要出口蒸汽温度TE0UTLET与第一设定点 SP,不同，就会调整喷洒后蒸汽温度TEspRAY，并且PID功能块18输出第一 控制变量CVp该第一控制变量具有与由PID功能块18确定的喷洒后蒸汽温度TEspRAY相等的值。在确定实现由PID功能块18确定的喷洒后蒸汽温度TEspray所需控制阀位置之前，所述控制策略补偿喷洒系统10和锅炉内的扰动，所述扰动影 响所述蒸汽温度并且无需等待PID功能块的反馈和估算即可立即校正。例 如，随着蒸汽流过热交换器12、 14,蒸汽流速的改变引起传递给蒸汽的热 量的改变，因而也引起蒸汽温度大小的改变。这些改变按可预测的方式进行。结果，可在级联中包含一个或更多求和功能块20,其被配置为调整第一控 制变量CV,以补偿这些类型的扰动。求和功能块20被配置为接收第一控制 变量CVi和前馈信号FF,该前馈信号FF表示影响喷洒系统10的参数值或 该参数值的改变，该前馈信号FF比如是表示蒸汽流速变化量的信号。求和 功能块20使用该前馈信号FF来确定喷洒后蒸汽温度TESPRAY必须被调整多 少以补偿所述扰动。例如，如果流速增大，则必须提高喷洒后蒸汽温度 TESPRAY,如果流速减小，则必须降低喷洒后蒸汽温度TEspRAY。求和功能块 20对第一控制变量CV!进行必要的调整(增加或减小)，并输出表示调整 后的温度TEspRAY的中间控制变量CV!。如前所述，可使用多个求和功能块 20来补偿可能存在的各种扰动。所述级联功能块结构可进一步包括高选(HISELECT)(>)功能块22， 以确保向蒸汽中喷洒饱和水的动作不会导致蒸汽从过热区域转移到饱和区 域，从而避免将水引入涡轮机的风险。基于锅炉内的运行状况尤其是热交换 器12、 14之间蒸汽流路内的运行状况，过热蒸汽变为饱和水的饱和温度可 由标准的蒸汽表确定。高选功能块22被配置为接收由上游功能块18、 20计 算的表示期望温度TEspRAY的中间控制变量CVp以及接收关于蒸汽流路内 当前状况的饱和超越温度TEsat，并输出上述两个输入温度中较大者作为第 二设定点SP2。因此，如果中间控制变量CV!大于饱和超越温度TESAT,则 计算得到的温度被输出作为第二设定点SP2。否则，饱和超越温度TESAT被输出作为第二设定点SP2,以防止喷洒后蒸汽温度TEspRAY落入饱和区域。根据上述实现过程，如果使蒸汽转变成饱和水的风险很小甚至没有，则可省 略高选功能块22。虽然所述控制策略的基本部件是PID功能块18、 24，但 实际上几乎所有的控制策略都包括附加的功能块，比如求和功能块20、高 选功能块22，以解决与特定锅炉结构有关的各种其它问题。在计算并且如果必要的话调整期望喷洒后蒸汽温度TEspRAY之后，由高选功能块22输出的第二设定点SP2被输入到第二或下游PID功能块24，以 确定升高或降低温度TEspRAY所需的控制阀16的位置。下游PID功能块24 被配置为从高选功能块22接收第二设定点SP2作为一个输入，以及接收由 温度传感器28测得的喷洒后蒸汽温度TEspRAY作为第二过程变量PV2。该下 游PID功能块24进一步被配置为估算第二设定点SP2和第二过程变量PV2 之间的差值，并输出表示期望阀位置的第二控制变量CV2至控制阀16,以 便喷洒到蒸汽流路中的饱和水量使得由温度传感器28测得的喷洒后蒸汽温 度TESPRAY等于由第二设定点SP2表示的期望温度TESPRAY。这种类型的控制策略和级联功能块结构在正常状况下工作良好。然而，在快速负载变化的状况下，喷洒后蒸汽温度TEsPRAY可能改变非常快，以致第二过程变量PV2和第二设定点SP2之间的差值会阻止下游PID功能块24输出作为第二控制变量C V 2的阀位置，而该第二控制变量会导致期望出口蒸 汽温度TEoutlet。在蒸汽流速快速降低期间会发生这种情况。相同量的热能出现在热交换器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于保持锅炉内蒸汽温度的饱和水喷洒系统，所述锅炉具有沿一流路流向涡轮机的过热蒸汽，该系统包括：　　　　热交换器，其具有沿蒸汽流路布置的入口和出口；　　　　控制阀，其用于调节在蒸汽进入所述热交换器之前的位置喷洒到蒸汽流路中的饱和水的量；　　　　第一温度传感器，其布置在所述热交换器的出口附近，并且被配置为测量所述热交换器出口处蒸汽的出口蒸汽温度；　　　　　第二温度传感器，其布置在所述饱和水被喷洒到蒸汽流路中的位置和所述热交换器的入口之间，并且被配置为测量在所述饱和水被喷洒到蒸汽流路中之后蒸汽的喷洒后蒸汽温度；以及　　　　集成ＤＣＳ控制块，其可操作地连接到所述第一温度传感器、第二温度传感器和控制阀，该集成ＤＣＳ控制块具有第一ＰＩＤ控制例程和第二ＰＩＤ控制例程，　　　　所述第一ＰＩＤ控制例程被配置为使用在所述集成ＤＣＳ控制块处从所述第一温度传感器接收的实际出口蒸汽温度作为第一过程变量，　　　　所述第一ＰＩＤ控制例程被配置为将所述第一过程变量与等于期望出口蒸汽温度的第一设定点进行比较，并确定等于下述喷洒后蒸汽温度的第一控制变量，该喷洒后蒸汽温度将导致所述实际出口蒸汽温度等于所述第一设定点；　　　　所述第二ＰＩＤ控制例程被配置为使用在所述集成ＤＣＳ控制块处从所述第二温度传感器接收的实际喷洒后蒸汽温度作为第二过程变量；　　　　所述第二ＰＩＤ控制例程被配置为将所述第二过程变量与从所述第一控制变量确定的、且等于期望喷洒后蒸汽温度的第二设定点进行比较，并确定等于下述控制阀位置的第二控制变量，该控制阀位置将导致一定量的饱和水被喷洒到所述流体流路中从而使所述实际喷洒后蒸汽温度等于所述第二设定点；以及　　　　所述第二ＰＩＤ控制例程被配置为将所述第二控制值输出至所述控制阀。...

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：理查德W凯普哈特，查尔斯曼顿，
申请(专利权)人：艾默生过程管理电力和水力解决方案有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]