自动化毕业论文大机组汽包锅炉给水控制系统.pdf

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1、华 北 电 力 大 学 科 技 学 院 本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ） I 大 机 组 汽 包 锅 炉 给 水 控 制 系 统的 设 计 与 研 究摘 要给 水 全 程 控 制 系 统 是 火 力 发 电 厂 单 元 机 组 协 调 控 制 中 的 主 要 子 系 统 之 一 ， 针 对 其 可 靠运 行 直 接 关 系 到 整 个 发 电 系 统 的 安 全 问 题 ， 采 用 单 冲 量 和 三 冲 量 控 制 系 统 有 机 结 合 的 控 制策 略 ， 应 用 自 动 控 制 理 论 对 单 元 机 组 给 水 的 要 求 和 特 点 进 行 了 全 面 的 分 析 ， 使 单

2、 元 机 组 给水 全 程 控 制 从 锅 炉 点 火 到 机 组 满 负 荷 运 行 ， 始 终 保 持 汽 包 水 位 在 允 许 的 范 围 内 ， 而 且 系 统 稳 态 误 差 小 ， 控 制 精 度 高 ， 超 调 量 小 。 此 外 还 提 出 了 在 系 统 设 计 时 应 注 意 的 几 个 关 键 问 题 ，这 对 单 元 机 组 给 水 全 程 控 制 系 统 的 设 计 和 调 试 均 具 有 一 定 的 参 考 价 值 。关 键 词 ： 三 冲 量 ； 串 级 ； 切 换 ； 跟 踪 华 北 电 力 大 学 科 技 学 院 本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ） II

3、 DESINGANDRESEARCHOFDRUMLEVELFULLCONTROLAbstractThe full-range feed-water control system is a main subsystem of thermo-electric generatingunit in coordinated control. Its reliability is most closely related to the safety of whole powernetwork. The feed-water features and requirements of thermo-elect

4、ric generating unit wereanalyzed comprehensively based on basic automatic control theories. and the control strategy was realized by combining three-impulse with single-impulse feed-water control system. Fromstartup to full load operation, The full-range feed-water control system always keeps the st

5、eamlevel withinan acceptable range.The system has the characteristics of higher water level controlaccuracy, smaller overshoot and lower error in steady state. In addition, several key designtechniques are presented, which can be applied to the design and debugging of The full-rangefeed-watercontrol

6、systemKeywords:threeelementcontrol； cascadeconfiguration； switch ； track 华 北 电 力 大 学 科 技 学 院 本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ）目 录摘 要 .IABSTRACT.II目 录 .I1绪 论 .11.1课 题 的 研 究 背 景 及 意 义 .11.2国 内 外 全 程 给 水 研 究 现 状 .11.3课 题 主 要 研 究 工 作 .2 2 给 水 被 控 对 象 的 动 态 特 性 .32.1 全 程 控 制 的 概 念 .32.2 给 水 控 制 对 象 的 动 态 特 性 .32.2.1 给

7、 水 流 量 扰 动 下 水 位 的 动 态 特 性 .32.2.2 蒸 汽 流 量 扰 动 下 水 位 的 动 态 特 性 .52.2.3 炉 膛 热 负 荷 扰 动 下 水 位 的 动 态 特 性 .63 全 程 给 水 控 制 系 统 需 解 决 的 关 键 问 题 .73.1 信 号 的 自 动 校 正 .73.1.1水 位 信 号 的 压 力 校 正 .73.1.2过 热 蒸 汽 流 量 信 号 的 压 力 、 温 度 校 正 .93.1.3 给 水 流 量 信 号 的 温 度 校 正 .10 3.2给 水 泵 安 全 特 性 要 求 .113.3切 换 问 题 .123.3.1 给

8、 水 流 量 的 测 量 装 置 的 切 换 问 题 .123.3.2 大 小 调 节 阀 门 的 切 换 问 题 .143.3.3 系 统 的 无 扰 切 换 问 题 .154 给 水 自 动 控 制 系 统 方 案 .175 给 水 全 程 控 制 系 统 设 计 .215.1全 程 给 水 系 统 说 明 .216 仿 真 及 整 定 .236.1 子 系 统 仿 真 .236.2 全 程 给 水 系 统 仿 真 .26 6.3 鲁 棒 性 测 试 .28全 文 总 结 .30参 考 文 献 .31致 谢 .32 华 北 电 力 大 学 科 技 学 院 本 科 毕 业 设 计 （ 论 文

9、 ） 1 1 绪 论1.1 课 题 的 研 究 背 景 及 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 。 。汽 包 水 位 是 汽 包 锅 炉 非 常 重 要 的 运 行 参 数 ， 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

10、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 。 因 此 ， 汽 包 水 位 控 制 一 直 受 到 很 高 的 重 视 。另 一 方 面 ， 随 着 锅 炉 参 数 的 提 高 和 容 量 的 增 大 ， 汽 包 的

11、 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 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 能 力 成 为 迫 切 需 要 的 问 题 。1.2 国 内 外 全 程 给 水 研 究 现 状目 前 ， 我 国 将

12、火 电 建 设 的 重 点 放 在 大 容 量 、 高 参 数 、 高 自 动 化 、 高 效 益 的 机 组 上 来 ，因 而 对 电 厂 控 制 设 备 可 靠 性 的 要 求 越 来 越 高 ， 控 制 策 略 也 向 高 精 度 、 高 效 率 、 高 稳 定 性 的方 向 发 展 。 同 时 ， 随 着 电 力 行 业 体 制 改 革 及 电 网 商 业 化 运 营 、 竞 价 上 网 的 需 要 ， 以 及 火 电机 组 要 适 应 电 网 自 动 发 电 控 制 (AGC)的 需 求 ， 这 必 然 要 求 机 组 各 控 制 系 统 实 现 自 动 调 节 ， 因 而 对 火

13、电 厂 热 工 自 动 化 系 统 进 行 技 术 改 造 已 成 为 必 然 。 汽 包 水 位 控 制 系 统 在 国 内 新 建 机组 中 基 本 都 实 现 了 水 位 全 程 调 节 ， 但 在 老 机 组 的 控 制 系 统 中 由 于 存 在 各 种 客 观 和 主 观 因素 ， 真 正 实 现 锅 炉 给 水 全 程 控 制 的 机 组 还 为 数 不 多 ， 大 多 数 只 实 现 了 高 负 荷 时 水 位 自 动 调节 系 统 的 投 入 。 这 主 要 是 因 为 老 机 组 的 控 制 仪 表 较 落 后 ， 而 当 时 技 术 条 件 又 不 够 成 熟 ， 用于

14、实 现 水 位 调 节 的 控 制 设 备 多 为 一 些 组 件 组 装 仪 表 ， 如 西 安 仪 表 厂 的 MZ- 系 列 组 装 仪表 、 上 海 FOXBORO 公 司 的 SPEC-200 微 机 组 件 组 装 式 仪 表 等 。 因 而 在 实 现 控 制 策 略 及控 制 逻 辑 等 方 面 受 到 了 限 制 。 同 时 ， 因 为 就 地 控 制 设 备 的 可 靠 性 不 高 ， 使 得 当 时 国 内 火 电厂 热 工 自 动 化 水 平 整 体 较 落 后 。在 最 近 几 年 ， 通 过 对 老 机 组 的 技 术 改 造 ， 特 别 是 分 散 控 制 系 统

15、 （ DCS） 的 改 造 成 功 ，已 经 使 机 组 的 自 动 化 水 平 上 了 一 个 台 阶 。 一 些 在 常 规 仪 表 中 无 法 实 现 的 功 能 ， 由 于 DCS 系统 的 灵 活 组 态 及 计 算 机 控 制 技 术 的 优 越 性 已 完 全 可 以 实 现 ， 因 而 实 现 对 机 组 各 控 制 系 统 的 全 程 调 节 已 完 全 成 为 可 能 。 锅 炉 给 水 全 程 控 制 ， 是 指 机 组 在 启 、 停 过 程 中 ， 正 常 运 行 和 负 华 北 电 力 大 学 科 技 学 院 本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 2 荷 变 化

16、时 均 能 实 现 锅 炉 给 水 的 自 动 控 制 。 在 大 型 火 力 发 电 机 组 锅 炉 给 水 全 程 控 制 中 ， 由 于机 组 在 高 、 低 负 荷 下 运 行 时 具 有 不 同 的 对 象 特 性 ， 一 般 控 制 系 统 采 用 单 冲 量 、 三 冲 量 控 制等 变 结 构 控 制 方 案 。 给 水 系 统 一 般 采 用 经 济 性 极 佳 的 变 速 给 水 泵 ， 除 采 用 液 力 偶 合 器 的 电动 给 水 泵 、 汽 动 给 水 泵 外 ， 还 需 要 采 用 一 套 调 节 系 统 ， 保 证 给 水 泵 工 作 在 安 全 区 域 内 。

17、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

18、冲量 变 送 器 故 障 时 为 单 冲 量 。1.3 课 题 主 要 研 究 工 作 本 文 围 绕 给 水 控 制 优 化 这 一 主 题 ， 立 足 于 低 负 荷 给 水 控 制 优 化 设 计 ， 同 时 对 高 负 荷 阶段 给 水 泵 协 调 控 制 方 法 进 行 了 研 究 ， 从 真 正 意 义 上 实 现 从 机 组 的 启 动 到 正 常 运 行 ， 又 到 停炉 冷 却 全 部 过 程 均 能 自 动 控 制 。本 论 文 主 要 作 了 以 下 几 方 面 的 研 究 工 作 :(I )深 入 分 析 给 水 对 象 的 动 态 特 性 ， 阐 述 了 现 今 给

19、水 全 程 控 制 中 存 在 的 缺 陷 和 不 足 。并 根 据 给 水 分 段 式 控 制 的 原 则 ， 分 别 从 低 负 荷 和 高 负 荷 两 个 方 面 入 手 研 究 其 改 进 方 法 ;(2 ) 针 对 低 负 荷 阶 段 给 水 对 象 复 杂 、 难 控 的 现 状 ， 分 析 了 问 题 的 形 成 机 理 。 在 充 分利 用 PID调 节 器 进 行 控 制 的 条 件 下 ， 提 出 了 以 多 变 量 解 耦 控 制 理 论 为 基 础 的 低 负 荷 给 水 控制 方 案 ， 并 且 对 单 冲 量 给 水 控 制 提 出 了 改 进 建 议 和 方 法

20、;(3 )对 给 水 控 制 的 经 济 性 进 行 的 分 析 ， 提 出 了 自 己 思 考 的 改 进 办 法 。 同 时 针 对 还 处 于手 动 控 制 的 给 水 调 节 阀 切 换 ， 设 计 了 自 动 无 扰 切 换 回 路 。 华 北 电 力 大 学 科 技 学 院 本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 3 2 给 水 被 控 对 象 的 动 态 特 性2.1 全 程 控 制 的 概 念目 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

21、 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 必 须 在 启 、 停 过 程 中 也 实 现 自 动 控 制 。 所 谓全 程 控 制 系 统 是 指 机 组 在 启 停 过 程 和 正 常 运 行 时 均 能 实 现 自 动 控 制 的 系 统 。 全 程 控 制 是 相对 常 规 控 制 系 统

22、 而 言 的 ， 全 程 控 制 包 括 启 停 控 制 和 正 常 运 行 工 况 下 控 制 两 方 面 的 内 容 。 常 规 控 制 系 统 一 般 只 适 用 于 机 组 带 大 负 荷 工 况 下 运 行 ， 在 启 停 过 程 或 低 负 荷 工 况 下 ， 一 般 要用 手 动 进 行 控 制 ， 而 全 程 控 制 系 统 能 使 机 组 在 启 动 、 停 机 、 不 同 负 荷 工 况 下 自 动 运 行 。 以给 水 控 制 系 统 为 例 ， 常 规 串 级 三 冲 量 给 水 系 统 只 能 在 负 荷 达 到 额 定 负 荷 70%时 ， 才 能 投 入自 动 ，

23、 在 此 以 前 全 部 为 手 动 操 作 ， 而 全 程 给 水 系 统 从 锅 炉 点 火 启 动 开 始 便 可 以 投 入 自 动 。2.2 给 水 控 制 对 象 的 动 态 特 性汽 包 水 位 是 由 汽 包 中 的 储 水 量 和 水 面 下 的 汽 泡 容 积 决 定 的 ， 因 此 凡 是 引 起 汽 包 中 储 水 量 变化 和 水 面 下 的 汽 泡 容 积 变 化 的 各 种 因 素 都 是 给 水 控 制 对 象 的 扰 动 。 其 中 主 要 的 扰 动 有 ： 给水 流 量 W、 锅 炉 蒸 发 量 D、 汽 包 压 力 Pb、 炉 膛 热 负 荷 等 。 给

24、 水 控 制 对 象 的 动 态 特 性 是 指 上述 引 起 水 位 变 化 的 各 种 扰 动 与 汽 包 水 位 间 的 动 态 关 系 。 汽 包 水 位 动 态 特 性 较 为 复 杂 ， 一 是 对 汽 包 水 位 扰 动 有 四 个 来 源 ， 二 是 “ 虚 假 水 位 ” 问 题 的 存 在 ， 特 别 是 后 一 个 问 题 使 得 人 们设 计 出 “ 三 冲 量 ” 给 水 控 制 系 统 。 了 解 、 掌 握 汽 包 水 位 动 态 特 性 是 保 证 给 水 自 动 控 制 系 统顺 利 投 入 的 基 本 要 求 。2.2.1 给 水 流 量 扰 动 下 水 位

25、 的 动 态 特 性给 水 流 量 是 调 节 机 构 所 改 变 的 控 制 量 ， 给 水 流 量 扰 动 是 来 自 控 制 侧 的 扰 动 ， 又 称 内 扰 。给 水 流 量 扰 动 下 水 位 的 阶 跃 响 应 曲 线 如 图 2.1 所 示 。 华 北 电 力 大 学 科 技 学 院 本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 4 图 2.1 给 水 流 量 阶 跃 扰 动 下 水 位 响 应 曲 线当 给 水 流 量 阶 跃 增 加 W后 ， 水 位 H的 变 化 如 图 中 曲 线 H所 示 。 水 位 控 制 对 象 的 动 态 特性 表 现 为 有 惯 性 的 无 自 平

26、衡 能 力 的 特 点 。 当 给 水 流 量 突 然 增 加 后 ， 给 水 流 量 虽 然 大 于 蒸 汽流 量 ， 但 由 于 给 水 温 度 低 于 汽 包 内 饱 和 水 的 温 度 ， 给 水 吸 收 了 原 有 饱 和 水 中 的 部 分 热 量 使水 面 下 汽 泡 容 积 减 少 ， 实 际 水 位 响 应 曲 线 可 视 为 由 H1和 H2两 条 曲 线 叠 加 而 成 ， 所 以 扰 动 初期 水 位 不 会 立 即 升 高 。 当 水 面 下 汽 泡 容 积 的 变 化 过 程 逐 渐 平 衡 ， 水 位 就 反 应 出 由 于 汽 包 中储 水 量 的 增 加 而

27、逐 渐 上 升 的 趋 势 ， 最 后 当 水 面 下 汽 泡 容 积 不 再 变 化 时 ， 由 于 进 、 出 工 质 流量 不 平 衡 ， 水 位 将 以 一 定 的 速 度 直 线 上 升 。 这 种 特 性 可 由 下 列 近 似 传 递 函 数 表 示 ：式 中 ： -水 位 响 应 速 度 ， 即 单 位 给 水 量 扰 动 时 ， 水 位 的 变 化 速 度 ， mm.s 1 .h.t 1 ； - 迟 延 时 间 ， s。 和 的 大 小 和 锅 炉 容 量 及 参 数 有 关 。 对 于 蒸 发 量 为 410t/h， 参 数 为 10MPa、 540 的 高压 炉 ， =1

28、0s， =0.015mm.s 1 .h.t 1 ； 对 于 容 量 为 670t/h， 参 数 为 14MPa、 540 的 超 高压 炉 ， =5 10s， =0.0095 0.0125mm.s 1 .h.t 1 。 由 此 可 见 ， 随 着 锅 炉 容 量 的 增 大 和 参数 的 提 高 ， 水 位 内 扰 特 性 的 迟 延 时 间 减 少 ， 响 应 速 度 也 略 有 下 降 ， 对 水 位 H的 控 制 是 有 利的 。 但 按 锅 炉 容 量 的 增 大 来 计 算 响 应 速 度 ， 则 得 到 的 相 对 响 应 速 度 逐 渐 增 大 ， 说 明 随 着 锅炉 容 量

29、和 参 数 的 提 高 ， 对 水 位 H控 制 的 要 求 也 越 高 。s)1( )( )( sSW SHww 华 北 电 力 大 学 科 技 学 院 本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 5 2.2.2 蒸 汽 流 量 扰 动 下 水 位 的 动 态 特 性蒸 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 蒸 汽 流 量 D扰 动 下水 位 变 化 的 阶 跃 响 应 曲 线 如 图 2.2 所 示 。 当 蒸 汽 流 量 突 然 阶 跃 增 大 时 ， 由 于 汽 包 水 位 对 象是 无 自 平 衡 能 力 的 ，

30、这 时 水 位 应 下 降 ， 如 图 2.2 中 H1曲 线 所 示 。 但 当 锅 炉 蒸 发 量 突 然 增 加时 ， 汽 包 水 下 面 的 汽 泡 容 积 也 迅 速 增 大 ， 即 锅 炉 的 蒸 发 强 度 增 加 ， 从 而 使 水 位 升 高 ， 因 蒸发 强 度 的 增 加 是 有 一 定 限 度 的 ， 故 汽 泡 容 积 增 大 而 引 起 的 水 位 变 化 可 用 惯 性 环 节 特 性 来 描述 ， 如 图 2.2 中 H2 曲 线 所 示 。 实 际 的 水 位 变 化 曲 线 H则 为 H1和 H2的 合 成 。 由 图 2.2可 以看 出 ， 当 锅 炉 蒸

31、 汽 负 荷 变 化 时 ， 汽 包 水 位 的 变 化 具 有 特 殊 的 形 式 ： 在 负 荷 突 然 增 加 时 ， 虽然 锅 炉 的 给 水 流 量 小 于 蒸 发 量 ， 但 开 始 阶 段 的 水 位 不 仅 不 下 降 ， 反 而 迅 速 上 升 （ 反 之 ， 在负 荷 突 然 减 少 时 ， 水 位 反 而 先 下 降 ） ， 这 种 现 象 称 为 “ 虚 假 水 位 ” 现 象 。 这 是 因 为 在 负 荷 变 化 的 初 期 阶 段 ， 水 面 下 汽 泡 的 体 积 变 化 很 快 ， 它 对 水 位 的 变 化 起 主 要 影 响 作 用 的 缘 故 ，因 此

32、水 位 随 汽 泡 体 积 增 大 而 上 升 。 只 有 当 汽 泡 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 ， 呈 无 自 平 衡 特 性 。蒸 汽 流 量 扰 动 下 的 水 位 响 应 特 性 可 用 下 述 近 似 传 递 函 数 表 示 ：式 中 ： T2 -H2曲 线 的 时 间 常 数 ； K2-H2曲 线 的 放 大 系 数 ； -H1曲 线 的 响 应 速 度 。 虚 假 水位 现 象 与 锅 炉 参 数 及 蒸 汽 负 荷 变 化 大

33、小 有 关 ， 对 于 100 670t/h 中 、 高 压 锅 炉 ， 当 负 荷 阶跃 变 化 10%时 ， 虚 假 水 位 可 达 30 40mm。 图 2.2 蒸 汽 流 量 阶 跃 扰 动 下 水 位 响 应 曲 线 ssTKSD SHSWD 1)( )()( 22 华 北 电 力 大 学 科 技 学 院 本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 6 2.2.3 炉 膛 热 负 荷 扰 动 下 水 位 的 动 态 特 性当 燃 料 量 扰 动 时 ， 例 如 燃 料 量 增 加 使 炉 膛 热 负 荷 增 强 ， 从 而 使 锅 炉 蒸 发 强 度 增 大 。 若 此 时汽 轮 机 负

34、 荷 未 增 加 ， 则 汽 轮 机 侧 调 节 阀 开 度 不 变 。 随 着 炉 膛 热 负 荷 的 增 大 ， 锅 炉 出 口 压 力提 高 ， 蒸 汽 流 量 也 相 应 增 加 ， 这 样 蒸 汽 流 量 大 于 给 水 流 量 ， 水 位 应 该 下 降 。 但 是 蒸 发 强 度增 大 同 样 也 使 水 面 下 汽 泡 容 积 增 大 ， 因 此 也 会 出 现 虚 假 水 位 现 象 。 燃 料 量 扰 动 下 的 水 位 阶跃 响 应 曲 线 如 图 2.3 所 示 ， 由 图 可 以 看 出 ， 这 种 扰 动 下 的 “ 虚 假 水 位 ” 现 象 不 太 严 重 ，

35、这是 因 为 蒸 汽 流 量 增 加 的 同 时 汽 压 也 增 大 了 ， 因 而 使 汽 泡 体 积 的 增 加 比 蒸 汽 流 量 扰 动 时 要小 ， 从 而 使 水 位 上 升 幅 度 较 小 。 另 外 ， 由 于 蒸 发 量 随 燃 料 量 的 增 加 有 惯 性 和 时 滞 ， 如 图 2.3虚 线 所 示 ， 这 就 导 致 迟 延 时 间 较 长 。 图 2.3 燃 烧 量 扰 动 下 的 水 位 特 性对 汽 包 水 位 的 第 四 种 扰 动 是 汽 包 压 力 的 变 化 ， 汽 包 压 力 对 汽 包 水 位 的 影 响 是 通 过 汽 包 内 部汽 水 系 统 在

36、 压 力 升 高 时 “ 自 凝 结 过 程 ” 和 压 力 降 低 时 的 “ 自 蒸 发 ” 过 程 起 作 用 的 。上 述 四 种 扰 动 在 锅 炉 运 行 中 都 可 能 经 常 发 生 ， 给 水 流 量 扰 动 作 为 内 部 扰 动 ， 汽 包 水 位 对 其响 应 的 动 态 参 数 （ 、 ） 是 给 水 控 制 系 统 调 节 器 参 数 整 定 的 依 据 。 蒸 汽 流 量 D、 燃 料 量 B和 汽 包 压 力 Pb扰 动 作 为 外 部 扰 动 ， 会 造 成 水 位 波 动 。 蒸 汽 流 量 D和 燃 料 量 B的 变 化 是 产 生 “ 虚假 水 位 ”

37、的 根 源 。 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 。 华 北 电 力 大 学 科 技 学 院 本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 7 3 全 程 给 水 控 制 系 统 需 解 决 的 关 键 问 题3.1 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

38、 荷 在 很 大 的 范围 内 变 化 ， 这 就 使 水 位 、 给 水 流 量 和 蒸 汽 流 量 测 量 信 号 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 地 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 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 。 按 参 数 变 化 范 围 和 要 求 的 校 正 精

39、 度 不 同 ， 可 建 立 不 同 的数 学 模 型 ， 因 而 可 设 计 出 不 同 的 自 动 校 正 方 案 。3.1.1 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 。 通 常可 以 采 用 以 下 两 种 压 力 校 正 的 方 法 。采 用 电 气 校 正 回 路 进 行 压 力 校 正 。 就 是 在 水 位 差 压 变 送 器 后 引 入 校 正 回 路 ， 图 3.1 表示 单 容 平 衡 容 器 的 测 量 系 统 。 从 图 3.1中 可 以

40、 看 出 ： 1P= G h + s a acbbhH 2 4)( 2 2P = a H图 3.1 汽 包 水 位 测 量 系 统Pb汽 包 压 力 ； H汽 水 连 通 管 之 间 的 垂 直 距 离 ， 即 最 大 变 化 范 围 ；h汽 包 水 位 高 度 ； P1、 P2加 在 差 压 变 送 器 两 侧 的 压 力 ；sg 饱 和 蒸 汽 的 密 度 ； Gg 饱 和 水 的 密 度 ； ag 汽 包 外 平 衡 容 器 内 凝 结水 的 密 度 。 华 北 电 力 大 学 科 技 学 院 本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 8 hHhHPPP ssGa 12= hH sGsa

41、)()( sGsa PHh )( (3-1)当 H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 ， 一 般 可 取50 时 水 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 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 饱 和 汽 的 密 度 G 和 s 均为 为 汽 包 压 力 P b的 函 数 ， 即 )( basa Pf )( bbsG Pf所 以 式 （

42、3-1） 可 以 改 写 为 )()( bbba Pf PHPfh （ 3-2）按 照 式 （ 3-2） ， 可 以 设 计 出 水 位 压 力 自 动 校 正 线 路 ， 如 图 3.2所 示 。 图 3.2中 函 数 组件 f1（ x） 、 f2（ x） 分 别 模 拟 式 （ 3-2） 中 的 f a（ Pb） 和 fb（ Pb） 。 计 算 和 试 验 表 明 ， 密 度 与汽 包 压 力 之 间 的 函 数 曲 线 如 图 3.3所 示 。 从 图 3.3中 曲 线 可 以 看 出 ， a s 与 Pb的 关 系 在 较 大 范 围 内 可 近 似 地 认 为 是 线 性 关系 即

43、bsa Pkk 21)( )()( 21 bsa PkkHH bsa PkkH 21)( 图 3.2 水 位 压 力 自 动 校 正 线 路 之 一 图 3.3 密 度 与 汽 包 压 力 的 关 系 曲 线 华 北 电 力 大 学 科 技 学 院 本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 9 则 式 （ 3-l） 可 改 写 为 )(21 bb bPf PPkkh (3-3)按 式 （ 3-3） 可 设 计 出 较 为 简 便 的 水 位 自 动 校 正 线 路 ， 如 图 3.4所 示 。（ 2） 采 用 具 有 双 室 平 衡 容 器 的 水 位 取 样 装 置 进 行 水 位 校 正 ，

44、 这 种 装 置 本 身 基 本 上 可以 补 偿 启 动 或 停 止 过 程 中 的 水 位 测 量 误 差 ， 校 正 原 理 如 图 3.5所 示 。 这 种 测 量 装 置 中 ， 水 位 表 达 式 为 sG Ph (3-4)H为 正 压 取 压 管 管 口 水 位 到 负 压 管 水 平 的 中 心 线 之 间 的 距 离 ， 式 （ 3-4） 中 没 有 式 （ 3-1）中 的 a s项 ， 故 a随 温 度 变 化 的 影 响 消 除 了 。3.1.2 过 热 蒸 汽 流 量 信 号 的 压 力 、 温 度 校 正过 热 蒸 汽 流 量 测 量 通 常 采 用 标 准 喷 嘴

45、。 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 要 进 行 压 力 和 温 度 的 校 正 。 可 以 按 下 列 公 式 进 行 校 正10061.566.1100 57.182.10 PT PPkPkD (3-5)式 中 D 热

46、蒸 汽 流 量 ；P 过 热 蒸 汽 压 力 ；T 过 热 蒸 汽 温 度 ； 图 3.4 水 位 压 力 自 动 校 正 线 路 之 二 图 3.5 采 用 双 室 平 衡 容 器 的 水 位 测 量 系 统和 压 力 自 动 校 正 回 路 华 北 电 力 大 学 科 技 学 院 本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 10 P 节 流 件 差 压 ； 过 热 蒸 汽 密 度 ；k 流 量 系 数 。按 （ 3 5） 式 可 设 计 出 过 热 蒸 汽 流 量 信 号 的 压 力 ， 温 度 自 动 校 正 线 路 如 图 3.6所 示 。 为 了 避 免 高 温 高 压 节 流 元 件

47、因 磨 损 带 来 的 误 差 ， 可 用 汽 机 调 速 级 压 力 P1代 替 蒸 汽 流 量信 号 。 实 验 证 明 ， 这 种 方 法 是 准 确 和 行 之 有 效 的 ， 线 路 结 构 如 图 4.7所 示 。3.1.3 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 0.196 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

48、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 3.8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 。 图 3.6 过 热 蒸 汽 流 量 信 号 的 压 力 、 温 度 自 动 校 正 线 路 图 图 3.7 用 P1代 替 蒸 汽 流 量 测 量 校 正 线 路 图 3.8 给 水 流 量 信 号 温 度 校 正 线 路 华 北 电 力 大 学 科 技 学 院 本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 11 3.2 给

49、 水 泵 安 全 特 性 要 求在 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 ， 是 一 个 重 要 问 题 。 现 代 大 型 单 元 机 组 都 采 用变 速 泵 来 控 制 给 水 流 量 。 300MW 以 下 的 单 元 机 组 多 用 电动 变 速 泵 做 主 给 水 泵 ， 通 过 调 整 液 力 连 轴 器 的 勺 管 位 置 来调 节 泵 的 转 速 。 大 于 300MW的 单 元 机 组 多 采 用 汽 动 变 速泵 做 主 给 水 泵 ， 再 设 置 多 台 电 动 变 速 泵 做 启 动 给 水 泵 并

50、作为 系 统 的 备 用 泵 使 用 。 无 论 哪 种 类 型 的 变 速 泵 ， 保 证 泵 的安 全 工 作 区 是 首 先 要 考 虑 的 问 题 。 图 3.9给 水 泵 安 全 工 作 特 性 示 意 图 变 速 给 水 泵 的 安 全 工 作 区 可 在 泵 的 安 全 工 作 特 性 示 意 图 中 看 到 ， 如 图 3.9所 示 。 变速 泵 的 安 全 工 作 区 由 六 条 曲 线 构 成 ： 泵 的 上 、 下 限 特 性 、 最 高 转 速 nmax和 最 低 转 速 nmin，泵 出 口 最 高 压 力 Pmax和 最 低 压 力 Pmin。若 泵 的 工 作 点

51、 在 上 限 特 性 之 外 ， 则 给 水 流 量 太 小 ， 将 使 泵 的 冷 却 水 量 不 够 而 引 起 泵 的汽 蚀 ， 甚 至 震 动 ； 若 泵 工 作 在 下 限 特 性 之 外 ， 则 泵 的 流 量 太 大 ， 将 使 泵 的 工 作 效 率 变 低 。此 外 ， 变 速 泵 的 运 行 还 必 须 满 足 锅 炉 安 全 运 行 的 要 求 ， 即 泵 出 口 压 力 （ 给 水 压 力 ） 不 得 高于 锅 炉 运 行 的 最 高 给 水 压 力 Pmax且 不 得 低 于 最 低 给 水 压 力 Pmin。 因 此 ， 采 用 变 速 泵 的 给 水全 程 控 制

52、 系 统 ， 在 控 制 给 水 流 量 过 程 中 ， 必 须 保 证 泵 的 工 作 点 落 在 安 全 区 域 内 。在 锅 炉 启 动 、 停 炉 或 低 负 荷 运 行 时 ， 泵 的 工 作 点 有 可 能 落 入 上 限 特 性 之 外 。 为 防 止 出现 这 种 情 况 ， 最 有 效 的 措 施 是 增 加 低 负 荷 时 给 水 泵 的 流 量 。 目 前 采 用 的 方 法 是 在 泵 出 口 至除 氧 器 水 箱 之 间 安 装 再 循 环 管 道 ， 当 泵 的 流 量 低 于 某 一 设 定 的 最 小 流量 时 ， 再 循 环 门 自 动 开 启 ， 增 加 泵

53、体 内 的 流 量 ， 从 而 使 低 负 荷 阶 段 给水 泵 的 工 作 点 也 在 上 限 特 性 曲 线 之内 。 随 着 机 组 负 荷 的 逐 渐 增 大 ， 给水 流 量 也 会 逐 渐 增 大 ， 当 流 量 高 于某 一 值 时 ， 再 循 环 门 将 自 动 关 闭 。变 速 泵 下 限 特 性 决 定 了 不 同 压力 下 水 泵 的 最 大 负 荷 能 力 。 当 锅 炉负 荷 升 到 某 一 程 度 ， 即 给 水 流 量 较大 时 ， 如 果 安 全 工 作 区 较 窄 ， 则 工 作 点 可 能 会 移 到 下 限 特 性 曲 线 之 外 ， 因 此 ， 需 要 采 取 措 施 加 以 防 止 。 目 前 采 用 的 方 法 是 提 高 上 水 管 道 的 阻 力 ， 即 关 小 泵 出 口 流 量 调 节 阀 门 ， 以 提图 3.10 给 水 泵 出 口 压 力 调 整 时 的 工 况 华 北 电 力 大 学 科 技 学 院 本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 12 高 泵 的 出 口 压 力 ， 使 工 作 点 重 新 移 入 安 全 区 内 。 如 图 3.10所 示 。 滑 压 运 行 时 ， 设 给 水 泵 工作 点 在 a点 外 ， 甭 转 速 为 n1,甭 出 口 压 力