毕业设计（论文）-300MW机组给水控制系统分析.doc

《毕业设计（论文）-300MW机组给水控制系统分析.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计（论文）-300MW机组给水控制系统分析.doc（34页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、华北电力大学本科毕业设计（论文） 目 录 摘要 I Abstract.II 1.绪论 1 1.1 课题研究意义.1 1.2 国内外研究现状综述.1 1.2.1 国内现状综述 1 1.2.2 国外现状综述 2 1.3 论文的主要工作.2 2 给水全程控制系统 4 2.1 给水调节对象的动态特性.4 2.1.1 给水扰动对水位的影响 4 2.1.2 负荷扰动对水位的影响 4 2.1.3 燃料量扰动对水位的影响 5 2.2 测量信号的自动校正.6 2.2.1 水位信号的压力校正 6 2.2.2 过热蒸汽流量信号压力、温度校正 8 2.2.3 给水流量测量信号的温度校正 9 2.3 给水泵安全运行特性

2、要求10 3 单元制给水全程自动控制系统 .12 3.1 单元制机组给水系统介绍12 3.1.1 汽水循环过程概述 .12 3.1.2 主给水系统流程 .12 3.2 锅炉给水全程控制的特点13 3.3 汽包水位三冲量给水控制系统.14 3.3.1 三冲量控制系统结构原理 .14 3.3.2 三冲量控制系统的工程整定 .15 3.3.3 汽包水位的串级控制系统 .18 3.4 控制中的跟踪与切换18 3.4.1 三冲量与单冲量之间的无扰切换 .19 3.4.2 阀门与泵的运行及切换 .19 3.4.3 电动泵与汽动泵间的切换 .19 3.4.4 执行机构的手、自动切换 .20 4 丰城电厂 3

3、00MW 机组给水控制系统分析 .21 华北电力大学本科毕业设计（论文） 4.1 300MW 机组给水系统简介 21 4.2 MAX1000 给水控制画面分析 22 4.2.1 MAX1000 中 CCS 画面基本功能介绍22 4.2.2 给水系统主要操作过程 .23 4.3 给水控制系统的逻辑分析24 4.3.1 给水控制系统逻辑简图 .24 4.3.2 给水控制系统逻辑分析 .25 结论 .27 参考文献 .28 致谢 .30 华北电力大学本科毕业设计（论文） I 300MW 机组给水控制系统分析 摘要 汽包水位是汽包锅炉非常重要的运行参数，是衡量汽水系统是否平衡的重要标志。 维持汽包水位

4、在允许范围内，是保证机组安全运行的必要条件。本文首先介绍给水调节 系统被控对象的动态特性、热工测量信号及其自动校正原理、调节机构特性等基本知识， 随后分析了单元制机组给水控制系统中三冲量、单冲量控制的结构及工作原理，以及其 之间的自动转换过程。丰城电厂 300MW 机组是典型的汽动泵和电动泵共同使用的混合型 给水系统。文章在深入理解给水系统结构及启动过程中给水系统相关操作的基础上，结 合 MAX1000 给水控制操作员站的相关画面，对给水控制的具体逻辑图进行了详细分析。 关键词：锅炉；给水全程控制；汽包水位；自动调节 华北电力大学本科毕业设计（论文） II FEEDWATER CONTROL

5、SYSTEM LOGIC ANALYSIS FOR A 300MW POWER GENERATING UNIT Abstract Drum water level is a very important variable to operate, and it is used to measure whether the steam and water circulation system has reached balance. Maintaining the drum water level within the allowed range is a necessary condition

6、to ensure the safe operation of the boiler unit. Based on discussion of the dynamic characteristic, thermodynamic measuring signals, principle of automatic correction and the characteristic of regulating mechanism of the feed water control system, the structure and the principles of the feed water t

7、hree-element and single-element control as well as the automatic conversion between them are discussed. The 300MW unit in Fengcheng power plant is a typical feedwater system with two turbine-driven feedwater pumps and a motor-driven feedwater pump. By combining the actual pictures of feedwater contr

8、ol station in the MAX1000 control system, the paper analyzes the control logic diagram of the feedwater system after deep understanding of the feedwater system structure and the related operation during units startup process. Key words: Boiler；The control of whole-course feed water；Water level of dr

9、um； Automatic regulating 华北电力大学本科毕业设计（论文） 1 1 绪论 1.1 课题研究意义 随着电力需求的增长，以及能源和环保的要求，我国的火电建设开始向大容量、高 参数的大型机组靠拢。但是，火电机组越大，其设备结构就越复杂，自动化程度要求也 越高。自动化装置已成为大型设备不可分割的重要组成部分，大型生产过程都是依赖于 这样的配置来运行的。我国最近几年新建的 3OOMW、600MW 火电机组基本上都采用国内外 最先进的分散控制系统(DCS)，对全厂各个生产过程进行集中监视和控制。 在单元机组若干重要参数控制系统的设计及整定中，汽包水位是锅炉安全运行的主 要参数之一，

10、同时它还是衡量锅炉汽水系统是否平衡的标志。维持汽包水位在一定允许 范围内，是保证锅炉和汽轮机安全运行的必要条件。水位过高会影响汽水分离器的正常 运行，蒸汽品质变坏，使过热器管壁和气轮机叶片结垢。严重时，会导致蒸汽带水，造 成汽轮机水冲击而损坏设备。水位过低则会破坏水循环，严重时将引起水冷壁管道破裂。 另一方面，随着锅炉参数的提高和容量的增大，汽包的相对容积减少，负荷变化和 其他扰动对水位的影响将相对增大。这必将加大水位控制的难度，从而对水位控制系统 提出了更高的要求。但是，由于给水系统的复杂性，真正能实现全程给水控制的火电机 组还很少。因此，对全程给水控制进行优化，增强给水系统的控制效果和适应

11、能力成为 迫切需要解决的问题。 1.2 国内外研究现状综述 1.2.1 国内现状综述 目前，随着单元机组容量的增大和参数的提高，机组在启停过程中需要监视和控制 的项目越来越多，因此，为了机组的安全和经济运行，必须实现锅炉给水从机组的启动 到正常运行，又到停炉冷却全部过程均能实现。 我国大型火电机组的给水控制基本上还是采用经典的 PID 控制算法。不同的控制公 司在给水控制策略的设计上虽然各有特点差异，但基本上还是遵循了单冲量和三冲量控 制相结合的控制模式，采用的也基本上是调阀和调泵相结合的控制方法。虽然从理论上 讲，现有的控制方法应该可以实现机组的全程给水自动。但是，实际上由于给水系统和 机组

12、运行的复杂性，机组在启动和低负荷时往往投不上自动。另外，机组在高负荷时， 虽然可以实现三冲量给水自动且正常情况时效果也不错。但其控制系统的鲁棒性较差， 适应异常工况的能力和出现设备故障的情况时的自调整能力也较差。因此，如何真正实 现全程给水控制是现今控制工程人员急于解决的一个课题。 锅炉全程给水控制系统通常采用以下两种控制方案： 一是两段式全程给水控制, 采用变速给水泵控制给水母管压力,采用给水调节阀控制 华北电力大学本科毕业设计（论文） 2 汽包水位,这一方案从热力系统上将给水控制系统和汽包水位控制系统分段,一定程度上 克服了两系统之间的相互影响,但不利于机组的经济运行和给水泵的安全运行,特

13、别是不 能适应较大的负荷变化。 二是一段式给水控制,采用变速给水泵控制汽包水位,采用给水调节阀控制给水母管 压力,这一方案将给水控制系统和汽包水位控制系统作为一个整体来考虑,这样更有利于 机组效率的提高和给水泵的安全、高效运行,但必须克服两系统之间的相互影响。 总的来说，国内机组实现全程给水控制考虑的方案一般是在低负荷时，用启动调节 阀控制汽包水位，调速给水泵维持给水母管压力，采用单冲量的控制方式；高负荷时， 使用调速给水泵控制汽包水位，大旁路调节阀维持给水压力，采用三冲量的控制方式。 它由单冲量和三冲量两个调节回路组成全程给水控制,当负荷大于 30%时为三冲量,当负荷 小于 30%或三冲量变

14、送器故障时为单冲量。 由于不同容量的机组其给水系统结构不一样，其控制方式及控制设备也有区别，因 而实现给水全程自动系统的方案也有不同，这就要求在考虑方案时，要结合具体的控制 对象进行合理的设计，同时参考其它同类型机组一些成功的设计、调试经验，重新完善 原汽包水位调节系统的设计及组态，最终选定一种合理且切实可行的设计方案，来实现 锅炉给水自动系统的全程控制。 1.2.2 国外现状综述 以西门子公司设计的某 350MW 机组全程给水控制系统为例，系统分为给水启动调节 阀控制系统和给水泵转速控制系统两部分。给水启动调节阀控制系统实际上就是给水压 力控制系统。这是一个前馈-反馈控制系统。其作用是当锅炉

15、启动及低负荷工况时，维持 给水泵出口母管压力在安全工作范围内，同时协助给水泵转速控制系统稳定汽包水位。 其控制特点是：在三冲量控制系统中引入了汽包压力的负微分前馈和蒸汽流量的微分前 馈。运行过程中，蒸汽流量变动(即机组负荷调整)和炉膛热负荷干扰都会引起汽包压力 的变化。若负荷增加，汽包压力就会下降，其负微分前馈信号要求加大给水流量，蒸汽 微分前馈也要求加大给水流量，以克服虚假水位对系统的影响。 总体来说，国外关于全程给水控制方案的设计及全程给水控制系统的投运在热工自 动控制领域内已比较成熟。能顺利实现全程给水控制，这一方面得益于其合理、完善的 设计，另一方面在于其 DCS 控制系统的先进性、可

16、靠性，为实现其控制策略提供了软、 硬件上的保证。 1.3 论文的主要工作 本文围绕单元机组给水全程控制系统这一主题，对火电厂给水系统构成、给水控制 系统的作用、现状和发展有一个基本的认识和了解后，针对丰城电厂 300MW 机组，结合 仿真实习，对给水控制系统逻辑进行深入分析。具体要求如下： 1)通过参考资料的查阅，对火电厂给水系统构成、给水控制系统的作用、现状和发展有 华北电力大学本科毕业设计（论文） 3 一个基本的认识和了解。 2)结合仿真实习，熟悉给水系统构成、启动过程中给水系统的主要操作、控制系统基本 原理和实现方法。 3)对给水系统的控制逻辑进行详细地分析。 4)通过整个研究毕业设计，

17、掌握从事工程技术工作时分析问题、解决问题的一般思路和 基本方法。 5)通过阅读相关文献资料和撰写毕业论文，了解科技论文的基本撰写模式。 华北电力大学本科毕业设计（论文） 4 2 给水全程控制系统 2.1 给水调节对象的动态特性 2.1.1 给水扰动对水位的影响 给水量的扰动是给水自动控制系统中影响汽包水位的主要扰动之一，因为它是来自 控制侧的扰动，又称内扰。在给水流量 W 的阶跃扰动下，水位 H 的响应曲线可以用图 2.1 来说明。若把汽包及水循环系统当做单容水槽，水位的响应曲线应该如图中的直线 1。但是在实际情况中，当给水流量突然增加的时候，因为给水温度低于汽包内的饱和水 温度，当它进入汽包

18、后吸收了原有的饱和水中的一部分热量，使锅炉的蒸汽产量下降， 水面以下的汽泡总体积也就相应减小，导致水位下降。对水位的影响可以用图中的 s V s V 曲线 2 表示。水位 H（即曲线 3）的实际响应曲线是曲线 1 和曲线 2 的总和。这种分析方 法是分别从两个角度进行分析的：1.仅从物质平衡角度来分析；2.仅从热平衡角度来分析 图 2.1 给水扰动下的水位响应曲线 2.1.2 负荷扰动对水位的影响 蒸汽流量扰动主要来自汽轮发电机组的负荷变化，属外部扰动。在汽机耗汽量 D 的 阶跃扰动下，水位 H 的响应过程可以用图 2.2 来说明。当汽机耗汽量 D 突然阶跃增加时， 华北电力大学本科毕业设计（

19、论文） 5 如果只从物质平衡的角度来讲，一方面改变了汽包内的物质平衡状态，使得水位下降， 如图 2.2 中的曲线 1。但当锅炉蒸发量突然增加时，迫使锅内汽泡的增多，燃料量维持不 变，汽包压力下降，使水面以下的蒸汽泡膨胀，总体积增大，从而使得汽包水位的 d p s V 上升，如图 2.2 的曲线 2 所示。因此汽包水位 H 的实际响应曲线（图 2.2 中图 3 所示）是 曲线 1 与曲线 2 叠加的结果。只有当汽包体积与负荷适应而不再变化时，水位的变化就 仅由物质平衡关系来决定，这时水位就随负荷增大而下降，而这种反常的现象，通常被 称为“虚假水位” 。 “虚假水位” 现象主要是来自于蒸汽量的变化

20、，显然蒸汽量是一个不 可调节的量（对调节系统而言） ，但它是一个可测量，所以在系统中引入这些扰动信息来 改善调节品质是非常必要的。 图 2.2 汽机耗汽量 D 阶跃扰动下的水位响应曲线 2.1.3 燃料量扰动对水位的影响 当燃料量 B 扰动时，必然会引起蒸汽量 D 的变化，燃料量增加会使炉膛热负荷增加， 锅炉吸收更多的热量蒸发强度增加，若此时，汽轮机所带负荷不变，那么随着炉膛热负 荷的增加，锅炉出口压力提高，蒸汽流量就会相应的增加上去，然后蒸汽量的变化就 d p 会造成“虚假水位”的现象，即水位先上升，随后再下降，响应曲线如图 2.3 所示。但 是燃料量 B 的增大只能使 D 缓慢增大，而且还

21、慢慢上升，它将使汽泡体积减小。因而， d p 华北电力大学本科毕业设计（论文） 6 燃料量扰动下的假水位比负荷扰动下要缓和得多。 由以上分析可知，给水量扰动下水位响应过程具有纯延迟；负荷扰动下水位响应过 程具有假水位现象；燃料量扰动也会出现假水位现象。所以在给水控制系统里常常引入 D、B 信号作为前馈信号，以改善外部扰动时的控制品质，而这也是目前大型锅炉给水控 制系统采用三冲量或多冲量的根本原因。 B t 图 2.3 燃料量扰动 B 下的水位响应曲线 2.2 测量信号的自动校正 锅炉从启动到正常运行或是从正常运行到停炉的过程中，蒸汽参数和负荷在很大的范 围内变化，这就使水位、给水流量和蒸汽流量

22、的准确性受到影响。为了实现全程自动控 制。要求这些测量信号能够自动的进行压力、温度校正。 测量信号自动校正的基本方法是：先推导出被测参数温度、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。而在实际应用时，这些补 偿公式中一些参数的确定要依据理论计算及现场调试综合求取，通过动态补偿回路确保 上述信号在负荷变化时的精度。 2.2.1 水位信号的压力校正 华北电力大学本科毕业设计（论文） 7 对汽包锅炉通常利用差压原理来测量其水位，锅炉从启、停到正常负荷的整个运行 范围内，汽包压力变化很大，汽包内饱和蒸汽和饱和水密度的变化也很大，这样就不能 直接用差压信号来代表水位，

23、而必须对其进行压力修正。根据很多大型机组运行的情况 反映，大容量机组汽包水位的测量不宜采用带中间抽头式（即双室平衡容器）的测量筒， 而要采用单室平衡容器取样装置。图 2.4 表示单容平衡容器的测量系统。 设： 汽包压力（） b P a P L汽水连通管之间的垂直距离，即最大的变化范围（M） h汽包水位高度 加在差压变送器两侧的压力（） 21,P P a P 饱和蒸汽的重度（） s 3 mN 饱和水的重度（） W 3 mN 汽包外平衡容器内水柱的重度（） C 3 mN 从图 2.4 中可看出： =*h+*(L-h) 1 P W s =*L 2 P C =-P 2 P 1 P =*L-*h-*(L

24、-h) C W s （2.1） SW sc PL h *)( 当 L 一定时,水位 h 时差压和汽、水密度的函数。密度与环境温度有关，一般可取 C 50时水位的密度。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 因素对的影响基本上可以抵消，即可近似地认为是恒值。而饱和水和饱和蒸汽的重 C C 度和均为汽包压力的函数，即： W s b P -= F() C s b P -= f() W s b P 所以式（2.1）可写成： 华北电力大学本科毕业设计（论文） 8 h= (2.2) )( )( b b Pf PPF 根据上式即可设计出水位压力的自动校正线路。 C - 变送器 L W b

25、 P s P1 P2 + h 图 2.4 汽包水位单容平衡容器的测量系统 2.2.2 过热蒸汽流量信号压力、温度校正 大容量高参数锅炉的过热蒸汽流量通常采用标准节流装置进行测量。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，当被测蒸汽压力和温度偏离设计值时，蒸汽度的密度变 化很大，这就会给测量造成误差，所以要进行压力和温度的校正。一般按下式进行校正： D=K (2.3)Pk 100 61 . 5 66 . 1 100 57.18 2 . 10 PT P P 式（2.3）中：D-过热蒸汽流量(Kg/H)；P-过热蒸汽压力

26、(MPa)；T-过热蒸汽温度()；C -节流件差压(MPa)；K-流量系数；：过热蒸汽重度()。p 3 mN 为了避免高温高压节流元件因磨损带来的误差，美国 Leeds&Northrup 公司提出了用 汽机调节级压力 P1 的温度补偿信号来代替蒸汽流量信号，如图 2.5。 华北电力大学本科毕业设计（论文） 9 TBW E 1 )(xf E 1 TBW TBY )(xf 蒸汽流量 主蒸汽温度 t 汽机调速级压力 P 图 2.5 用 P1 代替蒸汽量测量校正线路 2.2.3 给水流量测量信号的温度校正 计算结果表明：当给水温度为 100不变，压力在 0.19619.6MPa 范围内变化时， 给水流

27、量的测量误差为 0.47%；若给水压力位 19.6MPa 不变，给水温度在 100290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，其校正回路如图 2.6 所示。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。 华北电力大学本科毕业设计（论文） 10 TBW E 1 )(xf E 1 TBY 蒸汽流量 给水温度 t 给水流量信号P 图 2.6 给水流量信号温度校正线路 2.3 给水泵安全运行特性要求 为了提高大型火电厂机组的热效率，节约厂用电及提高经济效益，采用小型汽轮机 代替电动机驱动锅炉给水泵是有效的措施之一。汽动给水泵具有较高的经济

28、性。而电动 给水泵具有系统结构简单、启动迅速、可靠性高等优势，所以大容量机组的给水系统泵 组的设计是由电动给水泵和汽动给水泵共同构成，充分利用两种泵的优势，使在正常工 况下机组具有较高的经济性，又能在启停和异常事故工况下使机组具备良好的适应性和 快速响应功能。但是无论使用哪种方案，在给水系统全过程运行中，保证给水泵总是工 作在安全工作区内，始终是一个重要问题。 给水泵的安全工作区如图 2.7 所示，图中阴影区由泵的上、下限特性(、)、 min Q max Q 最高转速和最低转速、最高压力（泵出口）和最低压力所围成，给水泵 max n min n max P min P 不允许在安全工作区以外工

29、作。 为了满足上限特性要求，在锅炉负荷很低的时候，须打开再循环门，以增加通过泵 的流量，这样在所需的相同泵出口压力条件下，可使泵进入上限特性右边的安全区工作， 如图2.7 中，泵的工作点由 a1 点移到 b1 点。 由于给水泵有最低转速的要求，这样在给水泵已接近时就不能以继续降低转 min n max n 华北电力大学本科毕业设计（论文） 11 速方式来调节给水量，这就需要用改变上水通道阻力（即设置给水调节阀）的方式，使 泵工作在安全区内。由于兼用改变泵转速和上水通道阻力两种方式调节给水量，增加了 全程给水自动控制系统的复杂性。 在锅炉负荷开到一定程度的时候，即泵流量较大时，为了不使在下限特性

30、右边区域 工作，也须适当提高上水通道阻力，以使泵出口压力提高，这样给水调节门又起到保证 泵在下限特性左边安全工作的作用。如图中泵工作点由 a2 移至 b2 点。 图 2.7 给水泵安全工作示意图 为了防止泵的工作点落入上限特性之外，目前采取的办法是在泵出口至除氧器之间 安装再循环管道，当泵的流量低于设定的最小流量时，再循环门自动开启，增加泵体内 的流量，让一部分水回到除氧器中，从而使低负荷阶段的给水泵工作点也在上限特性曲 线之内，随着机组负荷的增加，给水流量也增大，当泵的流量高于设定的最大流量时， 再循环门将自动关闭。 华北电力大学本科毕业设计（论文） 12 3 单元制给水全程自动控制系统 目

31、前，大型火电单元机组都采用机、炉联合启动的方式，锅炉、汽轮机按照启动曲 线要求进行滑参数启动。具有中间再热的单元机组多采用定压法进行滑参数启动。随着 机组容量的增大、参数的提高，在启动和停机过程中需要监视和操作的项目增多，操作 的频率也增高，采用人工调节已不适应生产要求，而在启、停过程中也实现自动控制。 常规的串级三冲量给水控制系统往往只是在机组负荷达到 30%以上才能投入运行，而 机组的频繁的操作项目又几乎都集中在机组启动，停机，停炉过程中，特别是随着机组 容量的不断增大，运行参数的不断提高，运行人员在启动停止过程中的操作量越来越繁 重，为了保证机组安全经济运行，要求有更合理、更先进、调节范

32、围更宽的控制系统， 也就是所谓的全程控制系统。 所谓给水全程控制系统是指锅炉在启停过程和正常运行时均能实现自动操作的控制 系统,也是单元机组协调控制系统中的主要子系统之一,是由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。 给水全程自动控制的任务是：在上述过程中，控制锅炉的进水量，以保持汽包水位 在允许范围内变化。同时对锅炉的水循环和省煤器要有保护作用。一个常规三冲量给水 调节系统只适合于锅炉正常运行状态，远不能完成全程控制的任务。要完成这样的任务， 必须采用更加复杂的全程控制系统。 3.1 单元制机组给水系统介绍 3.1.1 汽水循环过程概述 根据生产流程，可以把锅炉分成燃烧系统和汽

33、水系统。在汽水系统中，锅炉的给水 由给水泵打出，先经过高压加热器，再经过省煤器回收一部分烟气中的余热后进入汽包。 汽包中的水在水冷壁中进行自然或强制循环，不断吸收炉膛辐射热量，由此产生的饱和 蒸汽由汽包顶部流出，再经过多级过热器进一步加热成过热蒸汽。这个具有一定压力和 温度的过热蒸汽就是锅炉的产品。蒸汽的高温和高压是为了提高单元机组的热效率。 高压汽轮机接受从锅炉供给的过热蒸汽，其转子被蒸汽推动，带动发电机转动而产 生电能。从高压汽轮机排出的蒸汽，其温度、压力都降低了，为了提高热效率，需要把 这部分蒸汽送回锅炉，在再热器中再次加热，然后再进入中、低压汽轮机做工，最后成 为乏汽从低压汽轮机尾部排

34、入冷凝器冷凝为凝结水。凝结水与补充水一起经过凝结水泵 先达到低压加热器，然后进入除氧器，除氧后进入给水泵，至此完成了汽水系统的一次 循环。 3.1.2 主给水系统流程 华北电力大学本科毕业设计（论文） 13 图 3.1 给水系统图 由 3.1 图可知，给水泵包括两台电动泵，一台汽泵。每台电动泵容量为 50%MCR(最 大额定流量)，汽动泵容量为 100%MCR。 经除氧器后的给水，先到一台汽动泵和两台电动泵，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

35、流量，防止汽蚀。给水泵排出的水，经高压加热器换热后到给水站。小负荷运行时 旁路阀工作，调节锅炉给水量，控制水位，同时电动泵维持在最低转速运行，保证泵的 安全特性 此时为两段调节；高负荷时，阀门开到最大，为减小阻力主给水电动门也打开， 通过调节给水转速直接控制给水流量，为一段调节。给水站出来的水经省煤器送入汽包。 3.2 锅炉给水全程控制的特点 锅炉给水全程控制系统可以不需要运行人员参与而自动完成锅炉启、停和正常运行 工况下对给水热力系统中全部设备的自动控制，以保持汽包水位在设定的允许范围以内， 其控制过程具有以下主要特点： 1)锅炉从启动到正常运行的过程中，汽水参数和负荷在很大范围内变化，因此

36、需要 对水位、流量等测量信号自动进行压力和温度的校正。 2)在给水全程控制系统中不仅要满足给水量控制的要求，同时还要保证变速给水泵 工作在安全工作区内。 3)由于锅炉给水调节对象的动态特性与负荷有关，在低负荷时可以采用以汽包水位 为反馈信号的单回路控制系统；在高负荷时为克服“虚假水位”需要采用三冲量 控制系统，因此在锅炉负荷变化时要保证两种控制系统之间的双向无扰切换。 4)在低负荷时采用改变阀门开度来保持水位，高负荷时用改变给水泵的转速保持水 位，因此产生了阀门与给水泵间的过渡切换问题。 华北电力大学本科毕业设计（论文） 14 5)给水全程控制系统要适应机组定压运行和滑压运行工况，以及机组的冷

37、态启动和 热态启动工况。 3.3 汽包水位三冲量给水控制系统 3.3.1 三冲量控制系统结构原理 如果从物质平衡的观点出发，理论上只要保证给水量永远等于蒸发量，就可以保证 汽包水位大致不变。因此采用比值控制系统，如图 3.2 所示，其中流量调节器是 PI 调节 器，并用汽机的耗汽量 D 作为调节系统的设定值，使给水量 W 跟踪蒸汽量 D。 变送器 蒸汽量 流量调 节器调节机构 变送器 给水量 图 3.2 比值控制系统方框图 从图中可看到，比值控制系统对于汽包水位来说只是开环控制。如果耗汽量和给水 量的测量不准或者由于有锅炉排污及管道泄漏等，蒸汽量与给水量之间并非总是确定的 比值，那整个系统就无

38、法达到汽水平衡，也就不能保持汽包的水位。从而引入汽包水位 的三冲量控制。 如图 3.3 所示为汽包水位三冲量控制的系统图。 WT(s)KZKW0W(s) W0D(s) DD H WW IH I0 ID IW- - + W W1 W2 D H 前馈通道 主回路 内回路 扰动 通道 I PI调节器 - - H1 H2 图 3.3 三冲量给水控制系统图 所谓三冲量，指的是引入了三个测量信号：汽包水位、给水流量、蒸汽流量。这个 系统对上述两种方案取长补短，极大地提高了水位控制质量。例如，当耗汽量 D 突然阶 跃增大时，一方面由于假水位现象水位会暂时升高，它使调节器错误地指挥调节机构减 小给水量；另一方

39、面，D 的增大又通过比值控制作用指挥调节机构增加给水量。实际给水 量是增大还是减小，取决于系统参数的整定。当假水位现象消失后，水位和蒸汽信号都 华北电力大学本科毕业设计（论文） 15 能正确地指挥调节机构动作。只要参数整定合适，当系统恢复平衡状态以后，给水流量 必然等于蒸汽流量，水位 H 也就会维持在设定值。给水控制是串级调节系统，主调节器 接受水位信号，对水位起校正作用，是细调；其输出作为副调节器的给定值，副调节器 的被调量是给水流量，目的是快速消除来自水侧的扰动。 但必须指出，引入蒸汽流量信号只是削弱了假水位期间调节机构的误动作，但并不 能消除假水位现象，并且由于水位 H 对负荷（蒸汽量）

40、扰动 D 的响应速度要比对基本扰 动 W 的响应速度快得多，因此，在外部扰动下被调量的变化幅度还是比较大，必须对负 荷变化的幅度加以限制。 3.3.2 三冲量控制系统的工程整定 1.整定参数的过程 1)内回路的整定 在内回路中，图 3.4 所示的内回路原理方框图中，可以把调节器以外的执行机构、调 节阀、变送器和分流器作为广义调节对象处理，则其动态特性近似为比例环节，因此 PI 调节器的比例带 和积分时间 Ti 可以取较小值，通过试验法进行整定。当给水流量分 流系数改变后，只需相应改变 PI 调节器的比例带 使保持不变，以保证内回路开 W w 环放大倍数不变。 图 3.4 内回路原理方框图 2)

41、主回路的整定 在主回路中可以把内回路看作快速随动系统处理，即输入信号 I 改变时调节器可 以迅速改变给水流量 W，使输入信号 I 与反馈信号保持平衡，即： w I =W 从而推导出 =I w I w w I W WW 1 因此内回路可以简化为： 华北电力大学本科毕业设计（论文） 16 1 WW IW 在此基础上可得主回路简化方框图： 1 WW IWI0 ID + W0W(s) H H IH- - H2 H1 根据主回路简化方框图，主回路的等效调节器可以看作比例调节器，其等效比例带 为：= * w w w 整定主回路时，以给水流量 W 作为输入信号，汽包水位反馈信号作为输出信号， H I 做阶跃

42、扰动试验，在阶跃响应曲线上求得调节对象(s)的迟延时间 和反应速度 ow W ，建议采用以下公式计算主回路参数： W WW W W 增大给水流量分流系数，相当于增加主回路等效比例调节器的比例带，使调节动 w 作减慢，稳定性提高；但对于内回路，相当于增加了内回路开环放大系数，使内回路稳 定性下降。因此当增大给水流量分流系数 以提高主回路稳定性时，必须相应增加内回 w 路 PI 调节器的比例带，以保持内回路的稳定。 3)前馈通道的分析整定 内回路和主回路的整定后，三冲量给水自动控制系统简化方框图如图 3.5: 1 WW IWI0 ID + W0W(s) H H IH- - H2 H1 W0D(s)

43、 D DD 前馈通道 图 3.5 三冲量给水自动控制系统结构简图 华北电力大学本科毕业设计（论文） 17 蒸汽流量前馈通道不在控制系统的闭环回路以内，因此不会影响控制系统的稳定性。 可以根据蒸汽流量 D 扰动时使汽包水位 H 不发生变化的原则确定蒸汽流量分流系数. D 根据以上原则可得到： 因此可得蒸汽流量分流系数： D 0 0 D WW D DW Ws Ws 此时蒸汽流量分流系数是一个复杂的动态环节，在工程中很难实现。实践证明 D 只要满足比例特性，就可以保证在蒸汽流量 D 变化时使汽包水位 H 稳定在允许的范 D 围内。通常采用蒸汽流量信号与给水流量信号静态配合的原则确定，即： D I W

44、 I D DDWW （3.1） 从而推导出： WW DW D （3.2） 3.3.3 汽包水位的串级控制系统 通过三冲量水位控制系统的整定可以看到，为了保证系统有良好的静特性，各输入 信号之间有严格的静态配合关系，并且动态整定过程也比较复杂，给系统的整定带来了 一定的困难。所以，采用水位串级控制系统。 1.整定参数的一般原则 1)两个调节器任务不同，主调节器的任务是校正水位。副调节器的任务是当给水流 量扰动时，迅速动作使给水量保持不变；当蒸汽流量扰动时，迅速改变给水量， 保持给水和蒸汽量的平衡。两个调节器参数整定可以相对独立，内环的调节速度 要快。可考虑副调节器为纯比例调节，比例系数 K2 应

45、取得较大些。 2)给水流量信号灵敏度会影响主、副调节器的比例系数。比如当保证内回路不 W 发生振荡而使减小时，应相应地减少主调节器的比例系数 K1，以保证主回路 W 的稳定性。 3)蒸汽流量信号不一定与给水流量信号进行严格的配合，可依据锅炉的“虚假水位” 情况而定，适当调整蒸汽流量信号的作用强度。比如蒸汽流量信号取 1，给水 D 华北电力大学本科毕业设计（论文） 18 流量信号可视情况取 0.51。 W 系统结构图如 3.6。主回路用于直接控制水位，主调节器一般都采用比例积分动作， 维持稳态水位不变。副回路是流量系统，副调节器可以用比例或比例积分动作。引入蒸 汽流量作为静态前馈信号，所以是一个

46、带有静态前馈的串级控制系统。为了保证给水系 统的汽水平衡，应有,而其它的部分的整定则与一般串级系统完全相同。 D W D K K n H D K D n p K w K )( 2s Gc H K )(sGp )( 1 SGC D H W 图 3.6 水位串级控制系统原理图 串级系统比三冲量系统多用了一个调节器，这是缺点，但是它却使得对信号的静态 配合要求不那么严格了，也不需要估计因蒸汽压力变化或锅炉排污量变化而引起配比关 系的改变，这是因为主调节器能自动校正信号配合不准所引起的误差。 3.4 控制中的跟踪与切换 华北电力大学本科毕业设计（论文） 19 图 3.7 给水全程控制系统原理图 3.4

47、.1 三冲量与单冲量之间的无扰切换 锅炉在不同负荷和参数时，其给水被控对象的动态特性是不同的。低负荷时由于蒸 汽参数低，负荷变化下，假水位现象不太严重，对维持水位恒定的要求又不高，所以允 许采用单冲量给水控制系统。在低负荷时如果采用各种自动校正措施，则会使系统结构 复杂，整定困难，同时仍然存在误差。于是出现了低负荷时采用单冲量，高负荷时采用 三冲量的给水全程控制系统。图 3.7 中 PI1 是低负荷时的单冲量给水调节器，它只接受经 过自动校正后的水位信号。高负荷时采用串级三冲量给水控制系统，其中 PI2 为主调节器， 接受水位信号；PI3 为副调节器，除接受主调节器校正信号外，还接受蒸汽流量信

48、号及给 水流量信号 G。两套控制系统的切换时根据锅炉负荷（蒸汽流量）大小进行的。 1)单冲量控制系统到三冲量控制系统的切换：此时三冲量主调节器 PI1 的输出跟踪 （D-W）信号，同时电动泵三冲量副调节器 PI3 的输出通过 f1(x)和 T2 跟踪单 冲量调节器 PI4 的输出。 2)三冲量控制系统到单冲量控制系统的切换：此时单冲量调节器 PI4 的输出通过 T1 跟踪电动泵三冲量副调节器 PI3 的输出。 3.4.2 阀门与泵的运行及切换 低负荷时采用旁路阀门控制给水流量，高负荷时采用改变泵的转速控制给水流量。 两者间的无扰切换通过 f1(x)、T2 和电动泵三冲量副调节器 PI3 的跟踪

49、而实现。 华北电力大学本科毕业设计（论文） 20 3.4.3 电动泵与汽动泵间的切换 以电动泵切换到汽动泵为例：把汽动泵调至最低转速时启动汽动泵，然后慢慢升速。 电动泵在控制系统的控制下自动降速，当两泵出口流量相同时，汽动泵投自动，电动泵 切手动，并逐渐把电动泵降至最低转速后停泵。三泵间设计有平衡回路，并具有各自的 软、硬手操器，在软手操器上可以进行偏置设定，在上级具有一个给水总操。 3.4.4 执行机构的手、自动切换 1)旁路阀门的手、自动切换：此时 T1 切换到 NO，单冲量调节器 PI4 通过 f4(x) 跟 踪小阀操作器 3AM 的输出。 2)汽动泵的手、自动切换：此时汽动泵三冲量副调节器 PI2 的输