大型电站锅炉给水控制系统分析

大型电站锅炉给水控制系统分析摘要锅炉是典型的复杂控制系统,汽包水位是锅炉安全、稳定运行的重要指标,是一个非常重要的被控变量。影响汽包水位的因素主要有锅炉蒸发量、给水量、炉膛负荷、汽包压力。给水调节的任务是使给水量适应锅炉蒸发量,维持汽包水位在允许的围。本文分析了汽包锅炉给水控制对象的动态系统分析和三冲量给水控制系统的整定分析,以300MW单元机组全程给水系统为例,全面系统的介绍了全程给水控制系统的原理,控制过程分析以及各种信号的测量,还有各种阀之间的相互切换。关键词：给水控制系统 虚假水位 汽包水位 三冲量给水控制27 / 29目 录摘要Abstract1 绪论11.1课题背景11.2 电站锅炉给水控制发展状况11.3 本文研究的主要容21.3.1 给水系统的概况21.3.2 汽包锅炉水的动态特性 21.3.3 汽包锅炉给水控制系统32 汽包锅炉水位的动态特性42.1 给水热力系统简介42.2 给水控制的任务52.3 给水控制对象的动态特性52.3.1 给水量扰动下水位变化的动态特性52.3.2 蒸汽流量D扰动下水位的动态特性62.3.3 炉膛热负荷扰动下水位控制对象的动态特性73 给水自动控制系统的介绍与分析93.1 给水控制系统的基本要求93.2 给水自动控制系统的基本结构及分析93.2.1 单级三冲量给水控制系统93.2.2 串级三冲量给水控制系统分析134 300MW单元机组给水全程控制系统分析174.1 给水全程控制系统原理174.1.1 热工信号的测量174.1.2 控制过程分析204.2 控制过程中的跟踪与切换224.2.1 系统间的无扰切换224.2.2 阀门和泵的运行及切换224.2.3 电动泵与汽动泵的切换224.2.4 执行机构的手自动切换23结论24参考文献25致271绪论1.1课题背景锅炉朝大容量、高参数发展,给水系统采用自动控制系统是必不可少的,它可以减轻运行人员的劳动强度,保证锅炉的安全运行。对于大容量高参数锅炉,其给水系统是非常复杂和比较完善的。大型电站锅炉将是国家未来的发展方向,给水系统是其中的重要环节。随着火电机组容量的提高及参数的增加,机组在启停过程中需要监视的参数及控制的项目越来越多,大型电站锅炉给水控制系统是机组控制系统中的重点和难点。近些年来,研究大型电站锅炉给水的文献相应增多,火电机组越大,其设备结构就越复杂,自动化程度也要求越高1。在现代科学技术的众多领域中,自动控制技术起着越来越重要的作用。所谓自动控制,是指在没有人直接参与的情况下,利用外加的设备或装置称控制装置或控制器,使机器、设备或生产过程统称被控对象的某个工作状态或参数即被控量自动地按照预定的规律运行。目前已广泛应用于工农业生产、交通运输和国防建设。生产过程自动化是保证生产稳定、降低成本、改善劳动条件、促进文明生产、保证生产安全和提高劳动生产率的重要手段,是21世纪科学与技术进步的特征,是工业现代化的标志之一。可以说,自动化水平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。1.2电站锅炉给水控制发展状况随着科学技术的进步和电力工业的飞速发展,在燃用矿物燃料的大型发电厂中,普遍采用大容量、高参数、单元制机组。单元制机组是指由一台锅炉和一台汽轮发电机组构成的电力生产设备整体。在电网中作为相对独立的单元,具有运行调度灵活,热效率高,又便于电站设计和扩建等优点。一台大容量单元机组的主辅机设备是十分复杂的。机组运行过程中需要监视和控制的项目和参数很多。特别是在机组启停以及故障处理中,需要监视和控制的项目,需要进行的操作步骤就更为繁多。稍有不慎,就可能造成严重的事故,带来巨大的损失。在正常运行过程中,对运行参数控制的好坏,也直接影响到机组的经济指标以及设备寿命。因而,现代大容量单元机组的安全经济运行,必须要有与之相适应的自动控制系统来保证2。目前,单元机组的自动化系统与设备已成为与机、炉、电气主设备不可分割、同等重要的组成部分随着我国电力市场的实际情况和国民经济发展的需要,电站项目朝着高参数、大容量的方向发展已成为大势所趋,近年来大型电站发电机组在国得到迅速发展和应用。我国在已掌握制造亚临界300600MW机组的基础上,正在加快开发、研制大型电站机组的步伐,通过引进技术或合作制造,逐步实现国产化和批量化,逐渐提高大型电站机组在火电装机中的比重。目前,国产大型电站机组已完成试制并投入运行,即将具有商品化生产能力。由于大型电站机组各子系统间的耦合性强,机组的蓄热能力差,常规的控制方案往往难以取得满意的控制品质,为使大型电站机组具有良好的调节品质并能确保长期稳定及经济的运行,必须采用先进的自动控制策略。1.3 本文研究的主要容大型电站汽包锅炉给水控制系统的任务是通过调节进入汽包的给水流量,在保证汽包水位在一定围相对稳定的同时,产生汽轮发电机组所需的蒸汽流量,使机组输出的电功率与电网负荷变化相适应。给水控制系统对保证汽包锅炉运行过程的安全性和稳定性具有重要意义。论文研究的主要容如下：1.3.1给水系统的概况汽包锅炉给水控制系统的作用是产生用户所要求的蒸汽流量,同时保证汽包水位在一定围变化。由于设计有汽包,使锅炉的蒸发段与过热段明确分开,锅炉的蒸发量主要取决于燃烧率燃料量与相应的空气量。所以汽包锅炉由燃烧率调节负荷,实现燃料热量与蒸汽热量之间的能量平衡。汽包锅炉的给水控制系统、汽温控制系统及燃烧控制系统相对独立。直流锅炉没有汽包,给水变成过热蒸汽是一次完成的,加热段、蒸发段与过热段之间没有明确的界限3。1.3.2汽包锅炉水的动态特性 影响水位变化的原因很多,主要有四个方面的扰动：给水流量 W的扰动 包括给水压力变化和调节阀开度变化引起的给水流量变化；蒸汽负荷 D 的扰动包括蒸汽管道阻力变化和主蒸汽调节阀开度变化引起的蒸汽负荷变化；燃料量B的扰动 包括引起燃料发热量变化的各种因素；汽包压力P 的变化对汽包水位的影响是通过汽包部汽水系统在压力增高时 "自凝结"过程和压力降低时的"自蒸发"过程起作用的。其中：给水流量扰动、蒸汽负荷扰动、锅炉热负荷扰动即燃料量对汽包水位的影响较为严重。下面分析汽包水位在不同扰动作用下的动态特性。< 1给水流量 W扰动下汽包水位的动态特性给水流量W扰动是给水 自动调节系统中影响汽包水位的主要扰动之一。< 2蒸汽流量 D扰动下汽包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,这是一种经常发生的扰动。从图2 中可以看出,当锅炉负荷变化时,汽包水位的动态特性具有特殊的形式: 即当负荷增加时,虽然锅炉的给水流量小于蒸汽流量,但在扰动一开始汽包水位不仅不下降反而迅速上升,反之,汽包水位下降。这种现象称之为 "虚假水位"现象4。虽然虚假水位持续时间不长,但对调节效果的影响很大。 3炉膛热负荷扰动下水位控制对象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,蒸汽量也相应增加,这样蒸汽量大于给水流量,水位应该下降。但是蒸汽强度增样也使水面下汽泡容积增大,而且这种现象必然先于蒸发量增加之前发生,从而使汽包水位先上升,因此也会出现虚假水位现象。1.3.3汽包锅炉给水控制系统以300MW汽包锅炉给水控制系统为例,对给水全程控制的组成功能、控制方案、控制工程以及各测量、控制单元的工作原理进行分析。给水全程自动调节系统设计两套控制系统：单冲量给水控制和三冲量给水控制。机组正常运行时,锅炉给水控制一般采用三冲量给水调节系统；在启停炉过程中,当负荷低于满负荷的30%时,蒸汽流量信号很小,测量误差相对增大,此时由三冲量给水调节系统改为单冲量给水调节系统5。2 汽包锅炉水位的动态特性汽包水位是锅炉安全、稳定运行的重要指标, 是锅炉蒸汽负荷与给水间物质是否平衡的重要标志,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。汽包锅炉给水控制系统的作用是使锅炉的给水量自动适应锅炉的蒸发量,维持汽包水位在规定围波动6。其中给水流量和蒸汽流量是影响汽包水位的两种主要扰动,前者来自调节器,称为扰,后者来自负荷侧,称为外扰。2.1 给水热力系统简介图2-1为给水热力系统示意图。 从除氧器出来的给水,由给水泵送入高压加热器,在高压加热器加热后到给水站,给水站出来的水经省煤器送入汽包。给水泵包括两台电动泵和一台汽动泵,每台电动泵容量为50%MCR<最大额定流量>,汽动泵容量为100%MCR.在启动和低压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道,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。低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,为减小阻力主水电动门也打开,通过调节给水泵转速控制给水流量,为一段调节。图2-1 给水热力系统示意图2.2 给水控制的任务汽包锅炉给水控制的任务是使给水量适应锅炉蒸发量,并使汽包的水位保持在一定的围,具体要求有以下两个方面：<1> 维持汽包水位在一定围。汽包水位是影响锅炉安全运行的重要因素。水位过高,会破坏汽水分离装置的正常工作,严重时会导致蒸汽带水增多,从而增加在过热器管壁上和汽轮机叶片上的结垢,甚至使汽轮机发生水冲击而损坏叶片；水位过低,则会破坏水循环,引起水冷壁的破裂。正常运行时的水位波动围：±3050mm异常情况：±200mm事故情况：>±350mm<2> 保持稳定的给水量。稳定工况下,给水量不应该时大时小地剧烈波动,否则,将对省煤器和给水管道的安全运行不利。2.3 给水控制对象的动态特性2.3.1 给水量扰动下水位变化的动态特性图2-2给水量扰动时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。从物质平衡的观点来看, 加大了给水量G,水位应立即上升,但实际上并不是这样,而是经过一段迟延,甚至先下降后升这是因为给水温度远低于省煤器的温度,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,特别是沸腾式器给水减轻了省煤器的沸腾度,省煤器的汽泡总容积减少,因此,进入省煤器的水首先用来填补省煤器中因汽泡破减少而降低的水位, 经过一段迟延甚至水位下降后, 才能因给水量不断从省煤器进入汽包而使水位上升7。在此过程中,负荷还未发生变化,汽包中水仍然在蒸发,因此水位也有下降趋势。沸腾式省煤器的延迟时间T 为100200s。非沸腾式省煤器的延迟时间T 为30100s。水位在给水扰动下的传递函数可表示为: 2-1当时,上式可变为： 2-2水位对象可近似认为是一个积分环节和一个惯性环节并联形式。用一阶近似表示时： 2-32.3.2 蒸汽流量D扰动下水位的动态特性图2-3蒸汽量D 扰动下的水位阶跃响应曲线如果只从物质平衡的角度来看, 蒸发量突然增加D时,蒸发量高于给水量,汽包水位是无自平衡能力的, 所以水位应该直线下降,如图2-3中H1<t>所示那样,但实际水位是先上升,后下降,这种现象称为"虚假水位"现象,如图2-3中Ht所示。其原因是由于负荷增加时,在汽水循环回路中的蒸发强度也将成比例增加, 水面下汽泡的容积增加得也很快,此时燃料量M 还来不及增加,汽包中汽压Pb下降,汽包膨胀,使汽泡体积增大而水位上升。如图2-3中H<t>所示。在开始的一段时间H<t>的作用大与H1<t>。当过了一段时间后,当汽泡容积和负荷相适应而达到稳定后,水位就要反映出物质平衡关系而下降。因此, 水位的变化应是上述两者之和, 即 <2-4>传递函数也为两者的代数和： 2-5式中 的时间常数,约为1020s；的放大系数；飞升速度。一般100230t/h的中高压炉,负荷突然变化10%时,虚假水位化现象可使水位变化达3040mm。2.3.3 炉膛热负荷扰动下水位控制对象的动态特性图2-4燃料量扰动下水位的阶跃反应曲线当燃料量扰动时,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,蒸汽量也相应增加,这样蒸汽量大于给水流量,水位应该下降。但是蒸汽强度增样也使水面下汽泡容积增大,而且这种现象必然先于蒸发量增加之前发生,从而使汽包水位先上升,因此也会出现虚假水位现象。当蒸发量与燃烧量相适应时,水位便会迅速下降,这种"虚假水位"现象比蒸汽量扰动时要小一些,但其持续时间长。燃料量扰动下的水位阶跃响应曲线如图2-4所示,它和图2-3有些相似。只是在这种情况下,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,从而使水位上升较少。但锅炉负荷变化受到检测反馈时间长、燃料的不稳定的局限和反应时间较慢,不便参与自动控制的调整。以上三种扰动在锅炉运行中都可能经常发生。但是由于控制通道在给水侧,因此蒸汽流量D和燃料量M习惯上称为外部扰动,它们只影响水位波动的幅度。而给水量G扰动在控制系统的闭合回路里产生,一般称为部扰动。因此,汽包水位对于给水扰动的动态参数是给水控制系统调节器参数整定的依据,此外,由于蒸汽流量D和燃料量M的变化也是经常发生的外部扰动8。所以常引入D、M信号作为给水控制系统里的前馈信号,以改善外部扰动时的控制品质。影响水位的因素除上述之外,还有给水压力、汽包压力、汽轮机调节汽门开度、二次风分配等。不过这些因素几乎都可以有D、M、W的变化体现出来。为了保证汽压的稳定,燃料量和蒸发量必须保持平衡,所以这两者往往是一起变化的,只是先后的差别。给水扰动是扰,其它事外扰。3 给水自动控制系统的介绍与分析实现给水全程控制可以采用改变调节门开度,即改变给水管路阻力的方法来改变给水量,也可以采用改变给水泵转速,即改变给水压力的方法来改变给水量。前一种方法节流损失大,给水泵的消耗功率多,不经济,故在一般单元机组的大型锅炉中都采用改变给水泵转速来实现给水控制,在给水控制系统中不仅要满足给水量调节的要求,同时还要保证给水泵工作在安全工作区。3.1 给水控制系统的基本要求根据我们对给水控制系统对象动态特性的分析,给水控制系统应符合以下基本要求：首先,由于被控对象在给水量G扰动下的水位阶跃反应曲线表现为无自平衡能力,且有较大的迟延,因此必须采用带比例作用的调节器以保证系统的稳定性。其次,由于对象在蒸发量D的扰动下,水位阶跃反应曲线表现有"虚假水位"现象,这种现象的反应速度比扰快,为了克服"虚假水位"现象对控制的不利影响,应考虑引入蒸汽流量的补偿信号。第三,给水压力是有波动的,为了稳定给水量,应考虑将给水量信号作为反馈信号,用于及时消除扰。总之,由于电厂锅炉水位控制对象的特点,决定了采用单回路反馈控制系统不能满足生产对控制品质的要求,所以电站汽包锅炉的给水自动控制普遍采用三冲量给水自动控制系统方案。3.2 给水自动控制系统的基本结构及分析3.2.1 单级三冲量给水控制系统3.2.1.1 系统结构与工作原理图3-1为常用的单级三冲量给水控制系统图。给水调节器接受汽包水位H、蒸汽流量D和给水流量W三个信号所以称三冲量控制系统。其输出信号去控制给水流量,其中汽包水位是被调量,所以水位信号称主信号。为了改善控制品质,系统中引人了蒸汽流量是前馈控制和给水流量的反馈控制,这样组成的三冲量给水控制系统是一个前馈-反馈控制系统,当蒸汽流量增加时,调节器立即动作,相应地增加给水流量,能有效地克服或减小虚假水位所引起的调节器误动作。因为调节器输出的控制信号与蒸汽流量信号的变化方向相同,所以调节器入口处,主蒸汽流量信号VD为正极性的。当给水流量发生自发性扰动时例如给水压力波动引起给水流量的波动,调节器也能立即动作,控制给水流量使给水流量迅速恢复到原来的数值,从而使汽包水位基本不变。可见给水流量信号作为反馈信号,其主要作用是快速消除来自给水侧的部扰动,因此在调节器入口处,给水流量信号VW为负极性的。当汽包水位H增加时,为了维持水位,调节器的正确操作应使给水流量减小,反之亦然,即调节器操作给水流量的方向与水位信号的变化的方向相反,因此调节器入口处水位信号VH应定义为负极性。但由于汽包锅炉的水位测量装置平衡容器本身已具有反号的静态性,所以进入调节器的水位变送器信号VH应为正极性,如图4-1所示。图3-1 单级三冲量给水控制系统分析在图3-1可以看出,在单级三冲量给水控制系统中,水位、蒸汽量和给水流量对应的三个信号VH、VD、VW都送到PI调节器,静态时,这三个输入信号与代表水位给定值的信号VO相平衡,即VD-VW+VH=VO 或 VO-VH=VD-VW如果在静态时使送入调节器的蒸汽流量信号VD与给定水流量信号VW相等,则水位信号VH就等于给定值信号VO,即汽包中的水位将稳定在某以给定值。如果在静态时VD不等于VW,即汽包中水位稳定值将不等于给定值。一般情况下选择静态时VD=VW,因而使控制过程结束后汽包水位保持给定的数值。3.2.1.2 单级三冲量给水控制系统的分析单级三冲量给水控制系统的原理框图如图3-2所示,从方框图的结构中可以看出,这个系统由两个闭合的反馈回来及前馈部分组成：图3-2 单级三冲量给水控制系统原理方框图1.由调节器WTs、执行机构Kz、调节阀K、给水流量变送器W和给水流量反馈装置W组成的回路或称副回路。2.由水位控制对象WOW<S>、水位变送器和回路组成的外回路或称主回路。3.由蒸汽流量信号D及蒸汽流量测量装置D、蒸汽流量前馈装置D构成的前馈控制部分。3.2.1.3 对两个闭合回路进行分析<1>回路<副回路>分析图3-3 回路等效图可以把回路作为一般的单回路系统进行分析。如果把调节器以外的环节等效地看作被控对象,那么被控对象动态特性近似为比例环节<因为执行器、调节阀、变送设备和给水流量反馈装置都可以近似认为是比例环节>。以给定值-Vg为基值,考虑增量情况,这时可把它当作一单回路来分析。如果把调节器、分压系数以外的环节看作是调节对象,那么广义调节对象是一个近似比例环节,因此调节器的比例带和积分时间都可以取得很小,它们的具体值可以通过试探法来决定,以保证回路不振荡为目的。一般取积分时间,试探过程中,可以任意设置值,得到一个满意的比例带值后,再次改变值,改变时须使保持不变,即保证回路的开环放大倍数不变。在试探时可将外回路开路,切除水位信号,使Vg=0,设置Ti和的值,手动操作给水阀门,使给水量产生一个阶跃变化后立即投入自动,观察给水量过渡过程曲线形状,能快速稳定即可。2主回路分析在回路经过正确整定以后,其控制过程是非常快的.这是因为调节器为比例积分特性,和Ti又设置的较小,故它能快速动作.当外来控制信号V改变时,调节器几乎立即成比例地改变给水流量W,使V=Vw,即V=WWW图中为快速副回路的等效环节,把WD1<s>和看作一个等效调节器所控制的对象,则：而则是一个常数,这是一个等效比例调节器,其比例带外图3-4 主回路等效图另外,WD1<s> 的对象特性可用试验方法测得,它实际上就是在水位G扰动下,VH的变化曲线,从曲线上可求出飞升速度,迟延时间。在迟延时间较大的情况下,可按下列近似公式整定：外3-1又因为外=外,故有：3-2从、外回路的比例带来看,给水流量的分压系数对外回路影响正好是相反的,若增大,主回路稳定性增强,副回路则减弱,反之则情况相反。因此在整定外回路时若要改变,应相应改变PI调节器的比例带,使两者的比值不变,以保证回路稳定性。3.2.2 串级三冲量给水控制系统分析对于给水控制通道延迟和惯性较大的锅炉,采取用串级控制系统将具有较好的控制质量,调试整定也比较方便,因此,在大型汽包锅炉上可采用串级三冲量给水控制系统。另外,控制对象在蒸汽负荷扰动<外扰>时存在"虚假水位"现象,因此在扰动的初始阶段调节器将使给水流量向与负荷变化相反的方向变化,加剧了锅炉进、出流量的不平衡。因此应采用以蒸汽流量D为前馈信号的前馈控制,从而能够根据对象在外扰下虚假水位的严重程度来适当加强蒸汽流量信号的作用强度,以改善蒸汽负荷扰动下的水位控制品质。3.2.2.1系统结构和工作原理串级三冲量给水控制系统图如图3-5所示。与单级三冲量给水控制系统相比,其给水控制的任务由两个调节器来完成,主调节器PI1采用比例积分控制规律,以保证水位无静态偏差。主调节器的输出信号和给水流量、蒸汽流量信号都作用到副调节器PI2。一般串级控制系统的副调节器可采用比例调节器,以保证副回路的快速性。三冲量汽包水位控制以串级方式为基础。水位调节器接收实测水位和水位给定值的差值,经过PI作用之后,其输出作为给水流量调节器的流量给定值分量,该值和蒸汽流量之和相加作为总的给水流量的给定值。给水流量调节器接受实测流量和给水流量给定值之和相减,经过PI作用之后,其输出控制100%给水调节阀。串级系统主、副调节器的任务不同,副调节器的任务是用以消除给水压力波动等因素引起的给水流量的自发性扰动以及当蒸发负荷改变时迅速调节给水流量,以保证给水流量和蒸汽流量平衡；主调节器的任务是校正水位偏差。这样,当负荷变化时,水位稳定值是靠主调节器PI1来维持的,并不要求进入副调节器的蒸汽流量信号的作用强度按所谓"静态配比"来进行整定。恰恰相反,在这里可以根据对象在外扰下虚假水位的严重程度来适当加强蒸汽流量信号的作用强度,从而改变负荷扰动下的水位控制品质。串级三冲量系统比单级三冲量系统的工作更合理,控制品质要好一些。图3-5 串级三冲量给水控制系统3.2.2.2 串级三冲量给水控制系统的分析图3-6是串级三冲量给水系统的方框图。这个系统也是由两个闭合回路和前馈部分组成的。系统组成如下：图3-6 串极三冲量给水控制系统原理方框1. 由给水流量W、给水流量变送器W和给水流量反馈装置W、副调节器PI2、执行器Kz和调节阀K组成副回路。2. 由被控对象W01<s>、水位测量变送器、主调节器PI1和副回路组成主回路。3. 由蒸汽流量信号D,以及蒸汽流量测量变送器D及蒸汽流量前馈装置D构成前馈控制部分。3.2.2.3 对两个闭合回路进行分析1副回路分析根据串级控制系统的分析方法,应将副回路处理为具有近似比例特性的快速随动系统,以使副回路具有快速消除扰及快速跟踪蒸汽流量的能力。即用试探的方法选择副调节器的比例带2,以保证回路不振荡原则,在试探时,给水流量反馈装置的传递函数W可任意设置一个数值,得到满意的2值,如果W以后有必要改变,则相应地改变2值,使W/2保持试探时的值,以保证回路的稳定性。图3-7 副回路等效图2 主回路分析在主回路中,如果把副回路近似看作比例环节,则主回路的等效方框图如4-8所示。这是,主回路等效为一个单回路控制系统。如果以给水流量W作为被控对象的输入信号,水位变送单元的输出VH为输出信号,则可以把PI1调节器与副回路两者看作为等效主调节器,它的传递函数为 3-3若： 3-4 3-5可见,等效主调节器仍然是比例积分调节器,但等效的比例带为*1=1WW 3-6式中1主调节器PI1的比例带图3-8 主回路等效图4 300MW单元机组给水全程控制系统分析目前,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。随着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也就越来多,因此人工操作、监视的方式已远远不能满足运行的要求,而必须在启停过程中实现自动控制。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。全程控制包括启停控制和正常运行工况下控制两方面的容。常规控制系统一般只适用于机组带大负荷工况下运行,在启停过程中和低负荷工况下,一般要由手动进行控制,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。单元机组全程控制系统由机炉全程控制子系统组成。主要包括锅炉给水全程控制系统、主蒸汽温度全程控制系统、机炉全程协调控制系统等。其中给水全程控制系统的应用最为广泛。下面就300MW单元机组给水全程控制系统为实例,介绍一下全程给水控制系统。4.1 给水全程控制系统原理4.1.1热工信号的测量4.1.1.1 水位信号水位测量的原理是利用简单平衡容器水柱重量产生的压力与汽包高度产生的液柱压力相比较,从而获得一个与汽包水位有一定关系的差压值,以此来间接测量汽包水位。影响汽包水位测量精度的主要原因是汽包压力的变化,实际使用中采用对差压信号进行压力校正来补偿汽包压力变化的影响。图4-1为水位信号测量线路图。在图4-1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 <4-1>式中 Pb 汽包压力,Pa P-汽包水位差压变送器两侧压差, Pa汽包水位测取了左、中、右三个测点。正常情况下通过切换开关T的NC点,对三个信号<Hi,i=1,2,3>求平均值作为汽包水位的测量信号H。当任一差压变送器故障时Hi与H相差很大,可发出声光报警。同时在逻辑信号作用下T切换至NO,将故障前的H作为本路测量值Hi,暂时维持H变化不大,控制系统切手动,待值班人员切除故障变送器后,系统再正常运行图4-1 水位压力自动校正线路图4.1.1.2 给水流量信号给水流量的测量方法为测量给水管道流量孔板差压,经过开平方运算后变换为给水流量信号。图4-2为给水流量测量线路。给水流量的测量采用双变送器,正常情况下切换开关T的NC点通,选A、B两个测量信号中较大的一个<以便使实际给水流量不会过大>经过给水温度的补偿和惯性阻尼环节,作为给水流量信号。当任一变送器故障时,通过逻辑线路使T切向NO,将该路变送器输出置0,同时发出声、光报警,系统切手动,待切除故障变送器后系统才正常运行。总的给水流量中还包括了一、二、三级减温水量。图4-2给水流量测量线路图4.1.1.3 主蒸汽流量信号蒸汽流量的测量方法为高压环管压力,经过FX发生器后变换为蒸汽流量信号。图4-3为主蒸汽流量测量线路。主蒸汽流量D的测量可采用两种方法:<1> 测得汽轮机速级压力P1,一级抽汽压力P2和一级抽汽温度 ,采用下述公式求取: <4-2>式中a、b为设定值,当高压加热器关闭时,b值要重新设定。<2> 用汽轮机调速级压力P1,经主蒸汽温度校正来代替D。当高压旁路阀开启时所测的D还要加上旁路蒸汽流量。在温度、压力的测量中均采用了双变送器冗余设置,可靠性高。图4-3 主蒸汽流量测量线路图4.1.2控制过程分析表4-1 控制过程给水控制系统单冲量三冲量单冲量控制手段启动给水旁路阀 电动泵电动泵 电汽并列 汽动泵 电汽并列 电动泵电动泵 旁路阀图5-4 全程给水控制原理图4.1.2.1 启动冲转及带25%负荷此阶段采用单冲量系统通过控制给水旁路阀门开度来维持汽包水位在给定围,电动给水泵维持在最低转速,汽动给水泵手自动操作器1AM强迫为手动状态,T5切换至NO使汽动泵超驰全关,主给水电动门也关闭,给水旁路阀从0-100%控制。单冲量调节器PI4的输入为水位测量值H和给定值H0的偏差,其输出经3AM手自动操作器去控制给水旁路阀,同时可进行阀位显示.三冲量电动泵的副调节器也处于自动跟踪状态,通过切换开关T2的NC点式PI3的输出跟踪函数发生器f1<x>的输出,再通过2AM手自动操作器使电动泵维持在最低转速运行。4.1.2.2 升负荷25%-30%此阶段采用单冲量系统控制电动给水泵转速。此时三冲量系统尚不能使用,给水旁路们已全开,只能提高给水泵转速来满足给水量的增加,T2仍接NC点, f1<x>的输出值随控制信号<PI4的输出>变化。通过PI3的自动跟踪去控制电动泵转速,实现由阀门控制到电动泵转速控制给水量的无扰过渡。由于单冲量调阀系统与单冲量调泵系统对像特性不同,且调节器整定参数不同,所以PI4为变参数调节器。4.1.2.3 30%-100%负荷阶段此阶段采用三冲量系统控制给水泵转速方案,这是控制系统的正常工况。给水旁路阀锁定在全开位置不再关闭,以减少系统不必要的扰动。<1> 负荷达%, 电动泵转速为nx 时打开主给水电动门。此时泵的转速已提高,当主给水电动门打开以后,管道阻力突然减少,控制系统使泵转速自动下降一些时,泵转速已有可能下降。另外,在三冲量系统投运情况下开给水电动门,由于三冲量系统抗扰的能力比单冲量系统强得多,所以控制质量能得到保证。<2> 30%-A%负荷阶段采用电动泵控制给水量。T3切至NO<100%>,3AM跟踪T3的输出从而使给水旁路阀超驰全开。此时系统为三冲量电动泵控制,PI3<电动泵副调节器>不再跟踪PI4的输出,而是处于自动控制状态,通过2AM手自动操作器控制电动泵转速。三冲量主调节器PI1接受水位及其给定值的偏差,其输出和蒸汽流量D的前馈信号求和作为副调节器PI3的给定信号,同时PI3还接受给水流量W的反馈信号。<3> D>A%负荷时,开始启动汽动泵,完成汽动泵和电动泵的转换之后,汽动泵取代电动泵运行,电动泵处于超驰全关状态,直到满负荷运行。此时,PI2<汽动泵副调节器>处于自动控制系统,通过1AM手自动操作器控制汽动泵转速,同时可进行转速显示。若执行机构发生故障可发出逻辑信号使泵切手动。4.1.3 减负荷过程在减负荷过程中控制顺序与上述相反,同时各负荷的切换点考虑了2%的不灵敏区,避免由于负荷波动系统在切换点处来回切换。4.2 控制过程中的跟踪与切换4.2.1 系统间的无扰切换当负荷低于30%MCR时采用单冲量控制系统。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的输出通过函数组件f1<x> 以及切换开关T2一直跟踪单冲量调节器PI4的输出,所以系统由单冲量切换到三冲量是无扰动的。D>30%时采用三冲量系统。单冲量调节器PI4通过T1的常闭点NC跟踪三冲量电动泵副调节器PI3的输出,所以由三冲量切换到单冲量也是无扰动。4.2.2 阀门和泵的运行及切换低负荷时采用旁路阀控制给水流量,高负荷时采用改变泵的转速来控制,两者的无扰切换时通过函数组件f1<x>切换开关T2及PI3的跟踪实现的。因为f1<x>产生连续函数,而PI3通过T2的NC点跟踪f1<x>的输出,且当阀门开足时才开始调泵的转速,所以从调阀到调泵的切换是无扰的.4.2.3 电动泵与汽动泵的切换以电动泵运行,汽动泵取代电动泵为例。<1> 正常切换,即电动泵操作器处在自动位置,汽动泵操作器在手动位置时进行泵的切换。把汽动泵的操作器最低转速时启动汽动泵,然后再慢慢升速。电动泵会由于控制系统的控制作用而自动降速,待两泵出口流量相同时,把汽动泵操作器投自动,电动泵操作器切手动,并慢慢把电动泵降至最低转速后停泵.这样切换扰动量最小。2 两泵操作器均处于手动状态进行泵的切换时,两泵转速及给水量完全由运行人员控制。4.2.4 执行机构的手自动切换旁路阀门手动是T1切至NO,单冲量调节器PI4通过f4<x>跟踪小阀操作器3AM的输出,保证切回自动时无扰的。汽动泵手动时,汽动泵三冲量副调节器PI2的输出跟踪汽动泵操作器1AM的输出。如果此时电动泵也手动,则三冲量主调PI1的输出跟踪<D-W>信号,所以汽动泵控制切回自动时是无扰的。电动泵手动时分两种情况:<1> D<30%时电动泵手动状态,T2切至NO,电动泵副调节器PI3的输出跟踪电动泵操作器2AM的输出,同时T1的NC点接通,单冲量调节器PI4通过f3<x>跟踪PI3的输出,而切回自动时PI3继续通过f1<x>和T2的NC点跟踪PI4的输出,所以是无扰的。<2> D>30%时,采用三冲量系统,电动泵手动时T2切至NO点,电动泵副调节器PI3的输出跟踪2AM的输出,如果此时汽泵也手动,则PI1跟踪D-W信号,保证电动泵由手动切回自动时是无扰动的。由以上分析可以看出,此300MW单元机组给水全程控制系统能满足从启动到额定负荷和从额定负荷到停炉全过程的给水控制。系统的总体方案是低负荷时控制阀门开度改变给水流量,同时保证泵的最低转速,此时为两段调节。高负荷时通过改变泵的转速来改变给水量,控制水位,是一段调节的方案,能减少节流损失,充分发挥给水调节泵的经济效益。同时该系统测量信号补偿,系统无扰动切换及逻辑报警线路设计合理全面,并用N-90网络实现,具有较高的可靠性。结论本文通过对汽包锅炉给水控制系统的结构和动态特性的分析,提出采用三冲量给水控制系统,三冲量给水控制系统结构较复杂,但调节质量比较高。通过无扰切换可以实现给水水位自动控制的要求,在高负荷时采用串级三冲量给水控制系统控制汽包水位。通过对系统结构的分析,我们知道了给水水位控制在汽包锅炉中的重要性,实现给水水位自动控制,对电厂具有十分重要的意义。在对系统进行整定的时候,重点是在于对调节器的选取,比例积分调节作用具有比例作用及时、迅速和积分作用能够消除稳态偏差的优点。在系统的无扰切换过程中,低负荷时,蒸汽参数低,负荷变化小,虚假水位现象不严重,采用单冲量给水控制系统,高负荷时则采用串级三冲量给水控制系统。参考文献1 边立秀,周俊霞,劲松,建蒙热工控制系统M.：中国电力,20022 维加,鲁峰大容量汽包锅炉给氺全程分层递阶控制系统设计与分析J电力,2007.3 栾英.国产300MW机组给水全程控制系统J.华北电力学院报.1994：4 容銮恩,袁镇福等合编电站锅炉原理M.：中国电力,19975 牛培峰,褚东升带冲击负荷的锅炉汽包给氺过程的智能控制J动力工程,2000.6 胡菊芳.锅炉给水自动控制系统分析J自动化与仪器仪表,2008.7吉臻.协调控制与给水全程控制M.中国电力.1998：108-2138伟600MW 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