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1、铁岭电厂#3机组汽包水位控制系统设计摘 要本文针对给水调节系统的被控对象动态特性、热工测量信号、调节机构特性，分析了三冲量给水控制系统的结构及工作原理，实现单元制给水全程控制系统应考虑的问题及控制方案。300MW机组汽包水位系统的构成原理和控制功能，系统的总体结构、工作原理、控制过程、系统切换方式、控制逻辑、调试及参数整定原则。300MW机组汽包水位控制系统，采用两台汽动给水泵和1台启动/备用电动给水泵供水。控制方案采用单/三冲量结合，在低负荷时采用单冲量控制，在高负荷时采用三冲量控制,实现了全程给水自动控制。该系统的结构设计合理、功能完善、使用可靠，实现了启动初期锅炉进水直至停机锅炉放水全工
2、况下汽包水位的控制，大大的减少了运行人员，达到了减员增效的目的，具有积极的推广应用价值。关键词 汽包水位控制，单冲量，三冲量，全程给水自动控制AbstractAccording to the water supply control system of the controlled object dynamic characteristic, thermal measurement signal, adjusting mechanism characteristics, analyzed three impulse feed-water control system structure and
3、 working principle, implementation unit feedwater control system should consider the problem and control scheme.300MW full-range feed-water control system of the composition principle and control function, system structure, working principle, process control, system switching mode, control logic, de
4、bugging and parameters setting principle. 300MW unit boiler feedwater control system, using two steam feed pump and 1startup / standby electric feedwater pump. Control scheme using single / three impulse combination, when the low load using a single impulse control, in the high load using three impu
5、lse control, to achieve the full automatic feed water control. The system design and reasonable structure, perfect function, reliable use, realize the startup stage of boiler water to stop water under all operating conditions of boiler drum water level control, greatly reducing the operating personn
6、el, achieved the goal of synergism of depletion of numbers, has positive popularization application value. Key Words Boiler feedwater control，Single impulse，Three impulse，All range feedwater automatic control 目 录摘要IAbstractII1 引言11.1 课题背景及选题意义11.1.1 自动控制技术在电厂的应用11.1.2 火电厂自动化的内容11.2 本设计研究的主要内容21.3 火电
7、厂基本生产过程31.4 汽包水位控制系统简介42 给水被控对象的动态特性62.1 汽包水位的动态特性62.2各种扰动下水位变化的动态特性72.2.1 给水流量扰动下对象的动态特性72.2.2 蒸汽流量扰动下对象的动态特性82.2.3 炉膛热负荷扰动下对象的动态特性93 铁岭电厂#3机组汽包水位控制系统设计103.1 给水控制系统总体方案的确定103.2 给水控制系统设计103.2.1 汽包水位控制系统基本任务103.2.2 给水控制系统原理图113.3 汽包水位控制系统控制策略设计113.3.1 汽包的工作原理123.3.2 影响汽包水位变化的因素123.3.3 汽包水位的测量133.4 测量
8、信号的自动校正143.4.1 水位信号的压力校正143.4.2 过热蒸汽流量信号的压力、温度校正153.4.3 给水流量信号的温度校正154 铁岭电厂#3机组汽包水位控制SAMA图分析164.1 给水全程控制的关键问题164.2 控制回路SAMA图分析164.2.1 热工信号的测量164.2.2 旁路给水控制194.2.3 电动泵的控制204.2.4 汽动泵的控制214.2.5 单冲量/三冲量转换225 铁岭电厂#3机组全程给水控制过程分析245.1 串级三冲量汽包水位控制系统265.1.1 汽包水位控制概况265.1.2 串级三冲量汽包水位控制系统的工作原理275.2 调节器的选择285.3
9、 串级三冲量汽包水位控制系统的参数整定295.3.2 主、副调节器的参数整定295.3.2 前馈通路的设计31总结33致谢34参考文献35附录36A1.1 给水系统SAMA图136A1.2 给水系统SAMA图237A1.3 给水系统SAMA图338A1.4 给水系统逻辑图139A1.5 给水系统逻辑图240A1.6 给水系统逻辑图341A1.7 给水系统逻辑图442- 43 -铁岭电厂#3机组汽包水位控制系统设计1 引 言1.1 课题背景及选题意义随着电力事业的飞速发展，火电厂机组容量的不断扩大，参数不断提高，如何保护单元机组的安全、经济运行，减少事故，提高设备的可靠性和运行的经济性，是十分重
10、要的问题。大量事实证明，采用先进的热工自动化技术是提高机组安全、经济运行水平行之有效的措施。目前生产过程自动化的程度已成为衡量工业企业现代化水平的一个重要标志，这在电力行业更为突出。因为现代化大型火力发电机组普遍为高参数，大容量单元机组是由锅炉、汽轮发电机组及辅机组成的庞大的设备群，如果不配备与之相适应的自动化系统，其生产过程无法正常运行。可以说，自动化系统已成为与机、炉、电等主设备不可分割，而且同等重要的组成部分。1.1.1自动控制技术在电厂的应用电能由于其固有的优点而成为国民经济各领域最广泛使用的能量，从而成为人类社会生产和生活中时刻不能离开的二次能源，电力已经深入到社会生产和生活的各个领
11、域，一个国家的电气化程度已成为国民经济现代化的一个重要标志。只有电力产业的迅速发展才有可能保证整个国民经济的迅速而稳步的发展1。热力发电厂是电力工业的重要组成部分。热力发电厂包括燃化石燃料（煤、油、气）的火力发电厂与使用核燃料的核动力电厂，迄今为止，热力发电厂在世界大多数国家中仍占着各种发电形式中的主导地位，我国的火力发电占70%左右，而且根据我国国情，火力发电厂基本是燃煤电厂。目前的大型燃煤电厂都已经有了非常先进的自动控制系统，自动控制水平的高低是衡量一个国家的生产技术和科学水平先进与否的一项重要标志。电力工业中电厂热工生产过程自动化技术相对于其它民用工业部门有较长的历史和较高的自动化水平，
12、电厂热工自动化水平的高低是衡量电厂生产技术的先进与否和企业现代化的重要标志2。早期的自动控制系统因热力发电机组单机容量小，对控制系统要求也不高，所以非常简单，只需对给水、汽温、汽压和汽机的转速作简单的控制。这些控制系统大多分散在锅炉和汽机车间就地安装，整个电厂的机、炉、电也是分散控制的。随着现代科学技术的发展，发电机组已由中温、中压、中小容量发展到今天的大容量、高参数的单元机组2。1.1.2 火电厂自动化的内容火电厂自动化的范围是极其广泛的，它包括主机、辅助设备、公用系统等的自动化，大致可以分为四个基本内容： (1)自动检测。自动检测是对生产过程及设备的参数、信号自动进行转换、加工处理、显示并
13、记录下来。它相当于人和自动化的“眼睛”。火电厂需要连续进行检测的信号有温度、压力、流量、液位、电流、电压、转速、频率、振动、气体成分、汽水品质等。检测所采用的装置有测量仪表、记录仪表、巡回检测装置、工业电视等。 (2)自动调节。自动调节一般是指正常运行时操作的自动化，即在一定范围内自动地适应外界负荷变化或其他条件变化，使生产过程正常进行。火电厂的自动调节主要有锅炉水位调节、汽温调节、燃烧调节、辅助设备调节等。将程序控制技术、逻辑功能和保护同自动调节结合起来，可以实现全程控制，即在机组启动、停止及正常运行的全过程中，实现自动控制，如水位全程控制。 (3)远方控制及程序控制。远方控制是通过开关或按
14、钮，对生产过程中重要的调节机构和截止机构实现远距离控制。程序控制主要是指机组（或局部系统、设备）在启动、停止、增减负荷、事故处理时的一系列操作的自动化。 (4)自动保护。自动保护是利用自动化装置对机组（或系统、设备）状态、参数和自动控制系统进行监视，当发生异常时，送出报警信号或切除某些系统和设备，避免发生事故，保证人身和设备的安全。火电厂的自动保护对象主要有锅炉、汽轮发电机本体、辅助设备、局部工艺过程等。上述的自动检测、自动调节、远方控制及程序控制、自动保护，一般用常规的模拟仪表来实现，也可以用微型计算机来实现。微型计算机可靠、价廉，还有很强的计算、逻辑判断、记忆功能，它能快速计算机组在正常运
15、行时以及启停过程中的重要数据，进行事故分析、处理。以前，微型计算机在火电厂主要由于数据处理及运行监视指导，随着电子技术的发展，微型计算机，特别是微处理机已经在火电厂中得到了广泛应用3。1.2 本设计研究的主要内容本文设计的题目是300MW机组汽包水位控制系统设计。现300MW机组的锅炉由哈尔滨锅炉厂制造，该锅炉为亚临界参数，中间再热自然循环汽包炉，额定发量为1021 t/h ,主蒸汽温度540摄氏度，主蒸汽压力18.2 MPa，再热蒸汽量825 t/h 。机组采用的分散控制系统是Ovation系统。Ovation控制器采用冗余配置，可靠性高，与连接方便，不需要专用门路和用户协议，可在企业范围内
16、实时多点通信。其主要内容：(1)针对300MW大型火力发电机组汽包水位控制的工艺过程，研究生产实际中常用的锅炉给水控制策略。(2)结合实际进行水位控制系统控制方案的设计。1.3 火电厂基本生产过程图1.1 凝汽式燃煤电厂的生产过程示意图在除氧器水箱内的水经过给水泵升压后通过高压加热器送入省煤器。在省煤器内，水受到热烟气的加热，然后进入锅炉顶部的汽包内。在锅炉炉膛四周密布着水管，称为水冷壁。水冷壁水管的上下两端均通过联箱与汽包连通，汽包内的水经由水冷壁不断循环，吸收着煤爱燃烧过程中放出的热量。部分水在冷壁中被加热沸腾后汽化成水蒸汽，这些饱和蒸汽由汽包上部流出进入过热器中。饱和蒸汽在过热器中继续吸
17、热，成为过热蒸汽。过热蒸汽有很高的压力和温度，因此有很大的热势能。具有热势能的过热蒸汽经管道引入汽轮机后，便将热势能转变成动能。高速流动的蒸汽推动汽轮机转子转动，形成机械能。释放出热势能的蒸汽从汽轮机下部的排汽口排出，称为乏汽。乏汽在凝汽器内被循环水泵送入凝汽器的冷却水冷却，从新凝结成水，此水成为凝结水。凝结水由凝结水泵送入低压加热器并最终回到除氧器内，完成一个循环。在循环过程中难免有汽水的泄露，即汽水损失，因此要适量地向循环系统内补给一些水，以保证循环的正常进行。高、底压加热器是为提高循环的热效率所采用的装置，除氧器是为了除去水含的氧气以减少对设备及管道的腐蚀。以上分析虽然较为繁杂，但从能量
18、转换的角度看却很简单，即燃料的化学能蒸汽的热势能机械能电能。在锅炉总燃料的化学能转变为蒸汽的热能；在汽轮机中，蒸汽的热能转变为轮子旋转的机械能；在发电机中机械能转变为电能。炉、机、电是火电厂中的主要设备，亦称三大主机。与三大主机相辅工作的设备成为辅助设备或称辅机。主机与辅机及其相连的管道、线路等称为系统。火电厂的主要系统有燃烧系统、汽水系统、电气系统等。除了上述的主要系统外，火电厂还有其它一些辅助生产系统，如燃煤的输送系统、水的化学处理系统、灰浆的排放系统等。这些系统与主系统协调工作，它们相互配合完成电能的生产任务。大型火电厂的保证这些设备的正常运转，火电厂装有大量的仪表，用来监视这些设备的运
19、行状况，同时还设置有自动控制装置，以便及时地对主辅设备进行调节。现代化的火电厂，已采用了先进的计算机分散控制系统。这些控制系统可以对整个生产过程进行控制和自动调节，根据不同情况协调各设备的工作状况，使整个电厂的自动化水平达到了新的高度。自动控制装置及系统已成为火电厂中不可缺少的部分4。1. 4 汽包水位控制系统简介目前大多数锅炉分为汽包锅炉和直流锅炉两种。他们的给水控制任务有些不同。汽包锅炉给水自动控制系统的任务是维持汽包水位在设定数值。直流锅炉给水自动控制系统的任务，是使用给水流量来控制锅炉负荷或控制过热器中间点温度。对于汽包水位控制系统来说，有三种基本结构如下图：(1)单冲量控制系统其基本
20、结构如图1.2（1）所示，该系统是一个只采用汽包水位信号和一个PI调节器的反馈控制系统。这种给水控制系统结构简单，整定方便，但使用它来调节水位，汽包水位波动较大，稳定性也较低。(2)单级三冲量控制系统 其基本结构如图1.2（2）所示，该系统采用一个PI调节器，并根据汽包水位、蒸汽流量和给水流量三个信号的变化去控制给水流量。与单冲量系统相比，该系统引入了蒸汽流量信号和给水流量信号，引入的蒸汽流量信号（前馈信号）可以克服汽包的虚假水位，引入给水流量信号可以抑制给水自发性扰动，保持了给水流量的稳定。事实上由于检测、变送设备的误差等因素的影响，蒸汽流量和给水流量这两个信号的测量值在稳态时难以做到完全相
21、等，且单级三冲量控制系统一个调节器参数整定需兼顾较多的因素，所以，现实中很少采用单级三冲量给水控制系统。(3)串级三冲量控制系统 其基本结构如图1.2（3）所示，该系统由主、副两个PI调节器和三个冲量（汽包水位、蒸汽流量、给水流量）构成。与单级三冲量系统相比，该系统多采用了一个PI调节器，两个调节器分工明确、串联工作，主调节器PI1为水位调节器，它根据水位偏差产生给水流量给定值，副调节器PI2为给水流量调节器，它根据给水流量偏差控制给水流量，并消除给水侧的扰动；蒸汽流量信号作为前馈信号用来维持负荷变动时的物质平衡，由此构成的是一个前馈反馈双回路控制系统。可见，串级三冲量控制系统比单级三冲量控制
22、系统的工作更合理，控制品质要好，是现场广泛采用的给水控制系统5。 H A D H W A D A H W(1)单冲量控制 (2)单级三冲量控制 (3)串级三冲量控制 图1.2 汽包水位控制系统的基本结构目前，大机火电机组，特别是300MW及以上的机组，其汽包水位控制系统大都采用给水全程控制系统。这种系统并不是某种单一的单冲量或三冲量控制系统，而是单冲量和三冲量控制系统有机结合所构成的给水控制系统，且具有完善的控制方式自动切换和连锁逻辑。 2 给水被控对象的动态特性在讨论汽包水位控制系统之前，必须先分析被控对象的动态特性，然后才能设计出一个合理的给水控制系统。给水调节对象的动态特性是指汽包水位的
23、变化与引起水位变化的各种因素之间的动态关系。汽包水位是汽包中储水量和水面下汽泡容积的综合反映。所以，水位不仅受汽包储水量变化的影响，而且还受到汽水混合物中汽泡容积变化的影响。从水位反映储水量来看，调节对象是一个无自平衡能力的对象，这是因为储水量的变化是由给水流量和蒸汽流量变化引起的，而水位变化后既不能影响给水流量，又不能影响蒸发量，所以说水位调节对象是没有自平衡能力的。影响汽包水位变化的因素主要有：蒸汽流量D,给水量W，炉膛热负荷（燃料量M）,汽包压力P等。2.1 汽包水位的动态特性工业锅炉的汽包水位是正常运行的重要指标之一，水位过高，产生蒸汽带水现象，影响用汽单位的正常生产。汽包水位过低，会
24、影响锅炉的汽水自然循环，如不及时调节，就会使汽包里的水全部汽化掉，可能导致锅炉烧塌和爆炸事故。因此，锅炉运行中，保持汽包水位在一定范围是十分重要的自动控制问题。影响汽包水位变化的因素很多，主要有燃煤量、给水量和蒸汽流量。燃煤量对水位变化的影响是非常缓慢的，比较容易克服。因此，我们主要考虑给水量和蒸汽流量对水位的影响。锅炉水位调节对象的原理结构如图2.1所示。图2.1 给水调节对象结构图1-给水母管；2-调节阀；3-省煤器；4-汽包；5-管路；6-过热器；7-蒸汽管给水调节对象的动态特性是指各种扰动下的汽包水位随时间变化的特性。当扰动为阶跃扰动时，对象的动态特性称为阶跃响应曲线。影响水位变化的原
25、因是很多的，其中锅炉的蒸发量和给水流量的变化是主要的，其它还有炉膛热负荷、汽包压力的变化等原因。2.2 各种扰动下水位变化的动态特性2.2.1 给水流量扰动下对象的动态特性图2.2为给水量扰动下水位阶跃响应曲线。图2.2中曲线1为沸腾式省煤器情形下水位的动态特性，曲线2为非沸腾式省煤器情形下水位的动态特性。图2.2 给水量扰动下水位阶跃响应曲线在给水流量突然增加的瞬间，锅炉的蒸发量还未改变，给水流量大于蒸发量，但水位一开始并不立即增加，这是因为温度较低的给水进入省煤器及水循环系统的流量增加了，从原有的饱和汽水混合物中吸取了一部分热量，使水面下的汽泡容积有所减少。事实上也就是因为给水温度远低于省
26、煤器的温度，即给水有一定的过冷度，水进入省煤器后，使一部分汽变成了水，特别是沸腾式省煤器，给水减轻了省煤器内的沸腾度，省煤器内汽泡总容积减少，因此，进入省煤器内的水首先用来填补省煤器中因汽泡破灭容积减少而降低的水位，经过一段迟延甚至水位下降后，才能因给水不断从省煤器进入汽包而使水位上升。在此过程中，负荷还未变化，汽包中水仍在蒸发，因此水位也有下降趋势。由H曲线可以清楚地看出给水被控对象内扰的特点是：给水扰动刚刚加入时，由于给水的过冷度影响，水位H的变化很慢，经过一段时间之后其变化速度才逐渐增加，最后变为按一定速度直线上升，这时就是物质不平衡在起主要作用了，如果给水量和蒸汽量不能平衡，水位就不能
27、确定。下面简单介绍一下水位在给水扰动下的传递函数。其扰动传递函数方框图如图2.3所示，可近似认为是一个积分环节和一个惯性环节的并联或串联的两种形式。图2.3 给水扰动传递函数方框图2.2.2 蒸汽流量扰动下对象的动态特性蒸汽流量扰动下水位的阶跃起反应曲线如图2.4所示。当蒸汽流量突然增加（假定供热量及时跟上）时，锅炉的蒸发量大于给水流量，汽包的贮水量应等速下降，又因为汽包是无自平衡对象，所以水位的变化曲线应如图中曲线H1所示：实际上当蒸发量突然增加时，在汽水循环系统中的蒸发强度也将成比例的增大，使汽水混合物中汽泡的容积增大；又因炉膛内的发热量并不能及时增加，从而使汽包压力不断下降，降低了饱和温
28、度，促使蒸发速度加快，汽泡膨胀，加大了汽水混合物的总体积，使水位变化过程如图中曲线H2所示。水位实际变化曲线是H1和H2 之和。 图2.4 蒸汽流量扰动下水位阶跃响应曲线H1-只考虑贮水量变化的水位反应曲线；H2-只考虑水面下汽泡容积变化的水位反应曲线；H-实际水位反应曲线（H=H1+H2）两曲线的叠加，即图中的曲线H，由图可知，负荷变化时汽包水位的动态特性具有特殊的形式：负荷增加时，蒸发量大于给水量，但水位不是下降反而迅速上升；负荷突然减小时，水位却先下降，然后迅速上升，这就是“虚假水位”现象。虚假水位的变化情况和锅炉的特性有关，燃料突然减小时（如锅炉灭火），“虚假水位”约在24分钟内即达到
29、最低值。在外部负荷突然减小时（如汽轮机甩负荷），“虚假水位”约在20秒内即达到最低值，并且，“虚假水位”达到最低值的时间和负荷达到的最低值的时间基本相同。汽轮机甩负荷扰动下的“虚假水位”现象是相当严重的，这给组成水位自动调节系统带来了困难。为了维持水位在允许的范围内，运行中应对负荷的一次变动量及负荷变化速度加以限制。2.2.3 炉膛热负荷扰动下对象的动态特性当燃料M增加时，炉膛热负荷随着增加，水循环系统内的汽水混合物的气泡比例增加，蒸发强度增加。如果负荷设备的进气阀不加调节，则汽包饱和压力升高，蒸汽流出量增加，蒸发量大于给水量，水位应该下降。随着汽包压力的升高，汽水混合物中汽泡的比例将减小，又
30、使得汽水总容积下降；其次，在汽压升高时，汽的比容变小，水的比容变大，总的效果是汽水混合物的比容变化不大。所以在燃料量扰动下，汽包水位也会因汽包容积的增加水位先上升，因此也会出现“虚假水位”现象，至蒸发量与燃料量相适应时，水位才开始下降，即经过了Tm时间后水位开始下降。由于热惯性的原因，这种“虚假水位”没有蒸汽流量扰动下的“虚假水位”那样严重。图2.5 燃料量扰动下水位阶跃响应曲线应当指出，蒸汽量、给水量和燃料量在运行中是经常变化的，为保持气压稳定，燃料量与蒸发量必须相互适应，因此这两种扰动总是相伴发生，只是有先后发生的差别。从各种扰动下水位的动态特性可估计到水位调节的一些缺点：由于存在延迟，等
31、到水位偏离规定值后再去进行调节，水位必然会有较大的变化（尤其是水位反应快的锅炉），水位的偏差也大；在负荷变化时，由于“虚假水位”现象，水位将迅速变化，这种变化幅度不可能用调节给水量来减小。为维持水位在允许的范围内，必须限制负荷的一次改变量和负荷变化速度；在负荷变化后的开始阶段，给水流量和负荷的变化方向相反，如果忽视“虚假水位”现象的存在，盲目根据“水位”来调节给水量，将会扩大锅炉进出流量的不平衡，使水位波动加剧，实际工作中应当防止和避免。3 铁岭电厂#3机组汽包水位控制系统设计3.1 汽包水位控制系统总体方案的确定为保证机组的安全运行，我们对给水控制系统提出了很高的要求：在控制设备正常的条件下
32、，不需要操作人员干涉，就能保证汽包水位在允许范围内，这是一个比较复杂的过程，因此对给水控制系统提出以下要求：(1)在给水控制系统中，不仅要满足给水调节的要求，同时还要保证给水泵工作在安全区内，这往往需要有两套控制系统来完成，及所谓的两段调节。(2)由于机组在不同的负荷下呈现不同的对象特性，要求控制系统能适应这样的特性。随着负荷的增长或降低，系统要能从单冲量过度到三冲量，或从三冲量过度到单冲量系统，由此产生了系统的切换问题，并且必须保证两套系统相互切换的控制线路。(3)由于给水自动控制范围较宽，对各个信号的准确测量提出了更高的，更严格的要求。(4)在多种调节机构的复杂切换过程中，给水控制系统都必
33、须保证无扰。另外，点火后升温升压过程中，由于锅炉没有输出蒸汽流量，给水量及其变化量都很小，此时单冲量调节系统也不十分理想，就需要开启阀门的方法（双位调节方式）进行水位调节。 (5)给水自动控制还必须适应机组的定压运行和滑压运行工况，必须适应冷态启动和热态启动的情况。随着锅炉容量和参数的提高，汽包的容积相对减少，锅炉蒸发受热面的热负荷显著提高。因此加快了负荷变化时水位的变化速度。企图用人工控制给水量来维持汽包水位不仅操作繁重，而且是非常困难的。所以，锅炉运行中迫切要求对给水实现自动控制。3.2 给水控制系统设计3.2.1 汽包水位控制系统的基本任务 汽包水位调节也叫给水自动调节，其主要任务是：(
34、1)维持锅炉水位在允许的范围内，使锅炉的给水量适应于蒸发量。锅炉的水位是影响安全运行的重要因素。水位过高会影响汽水分离装置的正常工作，严重时会导致蒸汽带水增加，使过热器管壁和气轮机叶片结垢，造成事故；对于工业锅炉，蒸汽带水量过多，也要影响用户的某些工艺过程。水位过低，则会破坏汽水正常循环，以致烧坏受热面。水位过高或过低，都是不允许的。所以，正常运行时汽包水位应在给定值的15mm上下范围波动。(2)保持给水量稳定。给水量稳定，有助于省煤器和给水管道的安全运行。上述两个任务中，第一个任务尤为重要。实践证明，无论是电站锅炉，或者是工业锅炉，用人工操作调节水位，既不安全，也不经济，其最有效的方法是实现
35、给水自动调节。 3.2.2 给水控制系统原理图300MW机组给水控制系统采用两台汽动给水泵和1台启动/备用电动给水泵供水。控制方案采用单/三冲量结合，在小负荷时采用单冲量控制，在高负荷时采用三冲量控制。其原理图如下： 图4-1 给水控制系统原理图图3.1给水控制系统原理图3.3 汽包水位控制系统控制策略设计在启停炉或低负荷时，由于蒸汽流量信号没有或者蒸汽流量不稳定，可以投入旁路给水自动，采用单冲量调节水位，水位高时减少给水流量，水位低时增加给水流量，此时电动给水泵保持在某一固定转速。水位与定值发生偏差时，经比例、积分运算后去控制旁路给水阀。当机组负荷大于40%系统切为三冲量控制。主调节器的输出
36、加上蒸汽流量信号，作为负调节器的设定值，与给水流量比较，经过比例、积分运算后，输出控制电动给水泵转速。此时单级调节器的输出跟踪副调节器的输出，如果负荷减小，三冲量系统可以自动切换到单冲量系统。3.3.1 汽包的工作原理汽包水位是锅炉运行中一个重要的监控参数。它间接反映了锅炉蒸汽负荷与给水量之间的平衡关系，维持汽包水位正常是保证锅炉和汽轮机安全运行的必要条件。汽包水位过高，会影响汽包内汽水分离装置的正常工作，造成出口蒸汽水分过多而使过热器管壁结垢，容易烧坏过热器。汽包出口蒸汽中水分过多，也会使过热汽温产生急剧变化，直接影响机组运行的安全性和经济性。汽包水位过低，则可能破坏锅炉水循环，造成水冷壁管
37、烧坏而破裂。这都是火力发电厂的重大事故，所以锅炉汽包水位自动控制是电厂十分重视的一套自动装置。如下图为300MW电厂给水热力系统示意简图：图3.2给水热力系统示意图3.3.2 影响汽包水位变化的因素锅炉在运行中，水位是经常变化的。运行中影响水位变化的主要因素是锅炉负荷、汽压变动速度、燃烧工况和给水压力的扰动等。(1)锅炉负荷汽包水位是否稳定首先取决于锅炉负荷的变化及其变化的速度，例如，锅炉的负荷突然升高，在给水和燃料量未及时调整之前，会使水位先升高，最终则降低。前者是由于水面下蒸汽容积增大（虚假水位），后者是由于给水量小于蒸发量所造成的物质不平衡。锅炉负荷变动速度越快，水位的波动也就越大。当负
38、荷控制采用炉跟机方式时，尤其如此。(2)汽包压力变化速度汽包压力发生扰动时，压力降低则水位上升，压力升高则水位下降，汽包压力变化速度越快，对水位的影响也就越大。(3)燃烧工况燃烧工况的扰动对水位的影响也很大。在外界负荷及给水量不变的情况下，当燃烧量突然增多时，水位暂时升高而后下降；当燃烧量突然减少时，情况则相反。这是因为，燃烧强化会使水位面下汽泡增多，水位胀起，但随着汽压和饱和温度的上升，炉水中汽泡又会随之减少，水位有所降低。因此，水位波动的大小，也与燃烧工况改变的强烈程度以及运行调节的及时性有关。(4)给水压力给水压力的波动将使送入锅炉的给水量发生变化，从而破坏了蒸发量与给水量的平衡，将引起
39、汽包水位的波动。在其他条件不变时其影响是：给水压力高时，给水量增大，水位升高；给水压力低时，给水量减小，水位下将。给水压力的波动大都是由给水泵流量控制机构不稳定工作或转速波动引起的。3.3.3 汽包水位的测量如下图所示，单式平衡容器的水位测量公式为 H=L(a-s)g-P/-s)g-H0， (3.1)式中H为水位仪的显示值；P为差压信号；L为正、负压取出管间的距离；H0为汽包零水位线到负压管的距离；为饱和水的密度，=f(P)，P为汽包压力；s为饱和蒸汽的密度，s=g(P)，P为汽包压力；a为正压侧导压管中水的密度，a=h(p,ta)，p为汽包压力，ta为Pt100铂电阻测量的温度值(Pt100
40、安装位置可上下移动，以消除偏差,A,B,C表示铂电阻是三线制接法)。图3.3单式平衡容器的水位测量但在现场实际运行中，仅仅只有精确的计算公式还不够，要定期对水位变送器进行排污，并应确保正压管中的水柱高度恒定，这样才能得到正确的差压值。另外，考虑到汽包水位的重要性，我们对汽包水位测量采取“三选一”的冗余方式，取中间值后再进行压力计算。3.4 测量信号的自动校正为了保证给水全程控制系统中水位、给水流量和蒸汽流量测量的准确性，需对这些测量信号自动进行校正。测量信号校正的基本方法是：先推导出被测参数随温度、压力变化的数学模型，然后利用各种元件构成运算电路进行运算，便可实现自动校正。-汽包压力；H-汽水
41、连通管之间垂直距离，即最大变化范围；h-汽包水位高度； ，-夹在差压变送器两侧的压力；-饱和蒸汽的密度；-饱和水的密度；-汽包外平衡容器内凝结水的密度图3.4 汽包水位测量系统3.4.1 水位信号的压力校正由于汽包中饱和水和饱和蒸汽的密度随压力变化，所以影响水位测量的准确性。此系统采用电气校正回路进行压力校正，即在水位差压变送器后引入校正回路。图3.3表示单室平衡容器的测量系统。从图3.3中可以看出 （3.1）当L一定时，水位H是差压和汽、水密度的函数。密度a与环境温度有关。在锅炉启动过程中，水温略有增加，但由于同时压力也升高，两种因素对a的影响基本上可抵消，即可近似地认为a是恒值。而饱和水和
42、饱和汽的密度G和S均为汽包压力Pd的函数即所以式（3.1）可改写为 （3.2）按照式（3.2），就可以利用函数器、乘法器和除法器等设计水位压力自动校正图。3.4.2 过热蒸汽流量信号的压力、温度校正图3-5 过热蒸汽流量信号的压力、温度自动校正线路图过热蒸汽流量测量通常采用标准喷嘴，这种喷嘴基本上是按定压运行额定工况参数设计，在该参数下运行时，测量精度是较高的。但在全程控制时，运行工况不能基本固定。当被测过热蒸汽的压力和温度偏离设计值时，蒸汽的密度变化很大，这就会给流量测量造成误差，所以进行压力和温度的校正。3.4.3 给水流量信号的温度校正计算和试验结果表明：当给水温度为100不变，压力在0
43、.196-19.6Mpa范围内变化时，给水流量的测量误差为0.47%；若给水压力为19.6Mpa不变，给水温度在100-290范围内变化时，给水流量的测量误差为13%。所以对给水流量测量信号可以只采用温度校正，若给水温度变化不大，则不必对给水流量测量信号进行校正。4 铁岭电厂#3机组给水控制过程分析4.1 给水全程控制的关键问题所谓给水全程自动控制是指锅炉自动启动到正常运行再到停火冷却全过程均为自动调节，其任务是：在从锅炉点火升温升压开始至灭火冷却降温降压的整个过程中，控制锅炉给水流量保证汽包水位维持在允许范围内。要实现水位全程自动,首先保证给水泵的工作点始终落在安全工作区内,才能使泵组安全可
44、靠工作,保证汽包水位稳定运行,而泵的工作安全区由上、下限特性，最大、小压力，四条线所包围的区域，如下图所示：图4.1泵组特性图4.2 控制回路SAMA图分析给水控制系统采用两台汽泵和一台电动泵供水。在启动和低负荷工况下电动泵运行，正常工况下汽动泵运行，两台电动泵的另一个功能是作为汽动泵的备用。每台泵都有再循环管路，当系统工作在低负荷时再循环管路的阀门能自动打开，保证泵出口有足够流量，防止汽蚀。4.2.1 热工信号的测量(1)水位信号图4.2为水位信号测量线路图。在图4.2中增加了压力补偿环节，根据汽、水密度与汽包压力的函数关系，得到水位校正系统的运算公式为： （4.1）图4.2水位信号测量线路
45、图小负荷给水控制，小负荷时单冲量控制给水调节门给水，汽包中取A、B、C三个水位测量点，测量值经过放大模块得到放大信号与汽包压力修正信号求得偏差经过除法器和放大器得到3路汽包水位信号，经过逻辑选择信号送到PID调节器的P端，与设定值通过运算得到给水旁路的输出量。即为单冲量给水量。压力补偿信号是汽包中的左、中、右三个测量点测量的信号经过选择逻辑通道作用后信号分别送到饱和水和饱和汽的函数发生器中，汽包压力信号分别进入到切换开关的N、Y两端，它的控制条件是汽包压力的高值监视信号，当发生高值报警是输出Y端的输入信号，反之输出N端的输入信号。(2)给水流量信号图4.3为给水流量线路图。由两个流量变送器的测量给水流量信号与测温元件测量到并且经过一系列变化后的给水温度信号一起经过乘法器，两路测量信号经过二选一选择器作用后得到给水流量平均值信号与过热器