过程控制课程设计.docx

过程控制课程设计.docx

《过程控制课程设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《过程控制课程设计.docx（16页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

过程控制课程设计

课程设计说明书

学生姓名:

学号：

学院:

班级:

题目:

300MW火电机组给水控制系统的设计

指导教师：

张利辉王秋平职称:

教授

2011年12月20日

目录

1选题背景3

2方案论证4

2．1设计原理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5

2.1.3燃料量扰动对水位的影响6

2.2方案的选择6

3过程论述7

3.1系统设计7

3.1.1前馈-反馈三冲量给水控制系统7

3.1.2给水流量的调节的实现方法8

3.1.3系统的组成9

3.2信号分析9

3.2.1汽包水位信号9

3.2.2给水流量信号10

3.2.3主蒸汽流量信号10

3.3各种工况之间的互相切换与跟踪11

3.3.1工况之间的切换11

3.3.2工况之间的跟踪12

4、结论12

5、课程设计心得体会12

参考文献13

1选题背景

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。

目前，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。

本次课程设计主要研究发电厂给水全程控制系统，即锅炉汽包水位控制。

其要求是提供合格的蒸汽，使锅炉发汽量适应符合的需要。

为此，生产过程的各个主要工艺参数必须加以严格控制。

锅炉设备是一个复杂的控制对象，主要输入变量是汽包水位、汽包压力、给水流量、给水温度、汽机第一级压力、主汽温度、过热减温水流量等信号。

主要输出变量是A、B汽动泵转速、电动给水泵转速、给水旁路调节阀开度。

2方案论证

2．1设计原理

汽包水位是工业蒸汽锅炉安全、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范围内波动。

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，称为内扰，后者来自负荷侧，称为外扰。

影响水位的因素主要有：

锅炉蒸发量（负荷D），给水量G，炉膛热负荷（燃烧率M），汽包压力P。

控制系统的物质平衡方程为：

（1）

将式

（1）进一步变换得：

（2）

令

，则上式变为：

（3）

式中

——汽包水位，

或

；

——汽水分离面积，

或

；

——水的密度，

/

或

/

；

——蒸汽密度，

/

或

/

；

——蒸发量，

或

；

——给水量，

或

；

——容量系数。

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，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，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

还慢慢上升，它将使汽泡体积减小。

因而，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。

图2-3燃料量扰动B下的水位响应曲线

2.2方案的选择

从反馈控制的思想出发，自然想到一水位信号为被调量，构成单回路控制系统。

对于小容量锅炉来说，它的蓄水量较大，水面以下气泡的体积不占很大比重，因此给水容积迟延和假水位现象不明显，可以采用单冲量控制系统。

单冲量控制系统即为汽包水位的单回路反馈液位控制系统。

单冲量水位控制系统以汽包水位作为唯一的控制信号。

单冲量水位控制系统由汽包、变送器、调节器、执行器及调节阀等组成，水位测量信号经变送送到水位调节器，水位调节器根据水位测量值与给定值的偏差去控制给水阀门，改变给水量来保持汽包水位在允许的操作范围内。

这种控制系统是典型的单回路定值控制系统。

对于水在汽包内的停留时间较长，且负荷又比较稳定的情况，“虚假水位”现象不严重．采用单冲量控制系统，进行PID调节一般就能满足生产要求。

单冲量汽包水位调节存在着一些缺点，主要是这种调节方案只根据水位调节给水量，在负荷变化时，由于“虚假水位”现象，在调节过程一开始，给水量的变化将与负荷变化的方向相反，扩大了进出流量的不平衡，而且从给水扰动下水位变化的动态特性可以估计到。

从物质平衡的观点来看，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，因此可以采用比值控制系统，用汽机耗汽量D作为调节系统的设定值，使给水量W跟踪耗汽量D。

然而，它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，蒸汽量和给水量并非总是确定的比值，此系统不能达到水汽平衡，因为汽包水位H对于（D-W）是一个积分关系，微小的D和W之差可以在长时间的积累中形成很大的水位偏差。

所以不能单独使用比值控制系统。

所以将两种方案结合构成三冲量控制系统。

“冲量”即为变量，三冲量锅炉汽包给水自动控制系统是以汽包水位为主控制信号，蒸汽流量为前馈控制信号，给水流量为反馈控制信号组成的控制系统。

三冲量水位控制系统有两个闭合回路：

一个是由给水流量、给水变送器、调节器和调节阀组成的内回路；另一个是由汽包水位对象和内回路构成的主回路。

所以三冲量控制的实质是前馈加反馈的控制系统。

3过程论述

3.1系统设计

3.1.1前馈-反馈三冲量给水控制系统

三冲量控制系统的方框图如图所示：

当负荷（蒸汽流量）突然发生变化，蒸汽流量信号能使给水调节阀一开始就向正确方向移动，即当蒸汽流量增加时，给水调节阀开大，抵消了由于“虚假水位”引起的反向误动作。

当水压变化使给水流量改变时，调节器能迅速消除干扰。

如给水流量减少，调节器立即根据给水流量减少的信号开大给水阀，从而使给水量保持不变。

另外．给水流量信号也是调节器动作后的反馈信号，能使调节器及早知道控制的效果，所以使用三冲量控制系统能使调节器动作加快，还可以避免调节过量，减少水位波动，防止失控。

其系统框图如图所示

图3-2三冲量水位调节系统方框图

（1）由调节器WT（s）、执行机构KZ、调节阀Kμ、给水流量变送器ΥW和给水流量反馈装置αW组成的内回路

（2）由水位控制对象WO1（s）、水位变送器ΥH和内回路组成的外回路。

（3）由蒸汽流量信号D及蒸汽流量测量装置ΥD、蒸汽流量前馈装置αD构成的前馈控制部分。

3.1.2给水流量的调节的实现方法

其一是通过改变调节阀门的开度来改变给水流量（即改变给水管道阻力的方法），特点：

节流损失大，给水泵消耗功率多，不经济。

其二是通过改变给水泵转速来改变给水流量（即改变给水压力的方法），特点：

经济，节流损失小，但要保证给水泵工作在安全工作区内。

现场中，单元机组的大型锅炉一般均采用第二种方法。

3.1.3系统的组成

给水全程控制系统是由单冲量给水控制系统和串级三冲量给水自动控制系统组成的，两个系统之间随着机组负荷的变化通过无扰切换实现全程控制（一般在额定负荷的30％时进行切换）。

在整个控制过程中，所采用控制手段依次为

3.2信号分析

3.2.1汽包水位信号

采用差压的原理测量水位，由于锅炉从启动至正常负荷整个运行范围内汽包压力变化很大，致使汽包内的饱和蒸汽和饱和水的密度变化很大，这样就不能直接用整压信号代表水位，必须对差压信号根据汽包压力进行补偿。

图3-3汽包水位测量信号

3.2.2给水流量信号

如图所示，省煤器前给水流量的测量值经过给水温度修正后，汇总过热器一、二级减温器的喷水量和锅炉连续排污流量后，形成控制使用的给水流量测量信号W。

图3-4给水流量测量信号

3.2.3主蒸汽流量信号

如图所示，主蒸汽流量信号的获取可采用两种方法：

一种是采用汽轮机调节级压力经主汽温修正后形成主蒸汽流量D，其原理为：

（4）

式中,K为当量比例系数，由汽机类型和设计工况确定；

、

为调节级后汽压与汽温。

另一种方法是采用调节级压力和一级抽汽压力经一级抽汽温度修正后形成主蒸汽流量D，其原理为：

（5）

当高压旁路投入时，主蒸汽流量信号还要加上旁路蒸汽流量。

图3-5主蒸汽流量测量信号

3.3各种工况之间的互相切换与跟踪

3.3.1工况之间的切换

在各工况之间切换时都设计有回差，以避免过于频繁的切换工况。

这个回差一般设定为2%～5%MCR。

用负荷的高低划分，可分为以下四种工况：

工况一：

0到12%～15%额定负荷（MCR），由旁路给水调节阀控制水位（单冲量水位控制系统工作），电泵定速运行。

电泵最小流量控制系统负责保证电泵的流量大于其允许最小流量。

泵出口压力控制系统和汽泵不工作。

工况二：

12%～15%到25%～30%MCR，由电泵调速控制水位（单冲量系统工作），旁路给水调节阀控制电泵出口压力。

因流量大于电泵额定流量的30%，电泵最小流量控制系统自动关闭。

汽泵不工作。

工况三：

25%～30%到45%～50%MCR，由电泵调速控制水位（三冲量系统工作），主给水调节阀控制电泵出口压力。

因流量大于电泵额定流量的30%，电泵最小流量控制系统自动关闭。

汽泵不工作。

工况四：

45%～50%到100%MCR，汽动泵调速控制水位（三冲量系统工作），主给水阀控制汽泵出口压力。

电泵不工作。

3.3.2工况之间的跟踪

电动泵单级单冲量工作时，电动泵三冲量副调跟踪单冲量调节器输出；

电动泵三冲量工作时，单冲量调节器跟踪阀位信号（电动泵手动）；

电动泵手动时，单冲量调节器跟踪副调输出（电动泵自动）；

汽动泵手动工作时，三冲量主调跟踪给水流量信号，副调跟踪阀位信号。

4、结论

本次课程设计主要是了解全程给水控制系统的基本概念以及涉及的一些知识，结合给水控制系统的SAMA图对其控制逻辑进行详细分析，从而更为熟悉国产300MW机组给水全程控制的运行流程及控制特点。

虽然给水系统已能实现全程控制，但是还是存在很多问题。

例如：

在机组由低负荷向高负荷的过渡阶段，控制系统自动从单冲量调节方式切换为串级三冲量控制方式，与此同时还要进行给水调节阀的切换。

给水调节阀的切换现在大多还由手动操作完成，其操作效果直接来源于人的操作水平，这也是全程给水实现自动的一个盲点。

5、课程设计心得体会

通过本次课程设计更加让我认识到过程控制在实际生产生活中的广泛应用和重要作用，它是一门十分重要的课程。

这次的课程设计，不仅巩固了我以前所学习的理论知识，更加深了理解，我们学习的目的是要学以致用，学习理论知识用于实践，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

在设计过程中通过查找资料，同学间的讨论让我学到了很多知识。

这学期由于之前面临就业，考研，所以做这次课设的时间有点紧张，在设计方面有些不足的地方。

经过努力实现了设计要求，达到了预期目标。

这次课程设计让我在对书本上纯理论的知识有了更深层的认识，使我收获颇多。

参考文献

[1]王建国等编.电厂热工过程自动控制.北京：

中国电力出版社，2009

[2]F.G.Shinskey著.过程控制系统——应用、设计与整定.北京：

清华大学出版社，2004

[3]D.E.Seborg等著.过程的动态特性与控制.北京：

电子工业出版社，2006

[4]边立秀等编著.热工控制系统.北京:

中国电力出版社，2002

[5]林文孚等编著.单元机组自动控制技术.北京:

中国电力出版社，2008

[6]张磊编.超超临界火电机组集控运行.北京:

中国电力出版社，2008.9

.