给水全程2.docx

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给水全程2

目录

1、选题背景1

2、给水自动控制系统1

2.1给水流量阶跃扰动2

2.2蒸汽流量扰动2

2.3燃料量扰动3

2.4控制方案的选择4

2.4.1前馈-反馈三冲量给水控制系统5

2.4.2变速泵给水控制系统6

2.4.3给水泵安全运行特性要求7

3、给水全程自动控制系统8

3.1测量信号的校正9

3.1.1汽包水位信号的校正9

3.1.2过热蒸汽流量信号的校正11

3.2给水全程控制系统实例11

3.2.1信号的测量部分12

3.2.2单冲量控制方式12

3.2.3三冲量控制方式13

3.2.4控制逻辑14

4、结论15

5、课程设计心得体会15

6、参考文献15

300MW火电机组给水控制系统的设计

1、选题背景

随着电力需求的增长，我国的火力发电开始向建设大容量、高参数的大型机组方向发展。

扩大单机容量可使发电容量迅速增长以适应生产发展的需要，同时可使基建投资下降、设备费用降低、减少运行费用以及节约金属材料消耗。

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。

我国最近几年新建的300MW，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分散控制。

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。

汽包水位维持在一定允许范围内，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，使过热器管壁和汽轮机叶片结垢。

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变形爆裂。

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，汽包的相对容积减小，负荷变化和其它扰动对水位的影响将相对增大。

这必将加大水位控制难度，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，对全程给水控制系统进行全面的学习和掌握，是本课设的重点内容。

2、给水自动控制系统

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：

给水量W、蒸汽负荷D、炉膛热负荷Q

2.1给水流量阶跃扰动

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1给水扰动下的水位响应曲线

2.2蒸汽流量扰动

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的曲线2所示。

因此汽包水位H的实际响应曲线（图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汽机耗汽量D阶跃扰动下的水位响应曲线

2.3燃料量扰动

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3燃料量扰动B下的水位响应曲线

2.4控制方案的选择

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，当水位已经偏离给定值后再调节给水量，因给水量改变后要经过一定迟延时间才能影响到水位，因此必将导致水位波动幅度大、调节时间长。

对于大型超高压锅炉也可以采用这种控制对象，因为在超高压下，汽和水的密度相差不大，假水位并不显著。

但是，对于大中型锅炉来说，这种系统不能满足要求。

因为汽机耗汽量改变所产生的假水位将引起给水调节机构的误动作，致使汽包水位激烈地上下波动，严重影响设备的寿命和安全。

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，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。

2.4.1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5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6所示

图5三冲量水位调节系统方框图

1、副回路。

可以将副回路近似看作一个快速随动系统，当给水量发生扰动时，副回路能及时消除其扰动，对水位影响极小。

2、主回路。

由于副回路与单级三冲量内回路相同，所以分析主回路时副回路可以看作比例环节，这样主回路可以等效为单回路系统。

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。

2.4.2变速泵给水控制系统

采用定速泵的给水系统是通过改变调节阀门开度来改变给水流量的。

这种控制方式的缺点是给水泵消耗功率大，调节阀门承受的压力大，容易造成调节阀门的迅速磨损。

为了节约能源，目前大型锅炉中广泛采用变速泵控制给水流量。

电厂中广泛使用的调速水泵有两种类型。

1、电动调速泵。

驱动水泵旋转的原动机是定速电动机，电动机与水泵之间的轴连接采用液力联轴器，通过改变液力联轴器中的油位高度来实现给水泵转速的改变。

2、汽动调速泵。

驱动水泵旋转的动力是一台小汽轮机，通过改变小汽轮机的蒸汽流量实现给水泵转速的改变。

汽动调速泵不仅调节特性好，而且可直接将蒸汽的热能转变为机械能；电动调速泵要经过两次能量转换，即蒸汽热能由汽轮发电机变成电能，电能经电动调速泵变成机械能，所以汽动泵比电动泵有更高的效率。

但是，因为驱动小汽轮机的蒸汽是主汽轮机高压缸的抽汽，而在机组启停和低负荷时，汽轮机高压缸的抽汽压太低，无法维持汽动泵的运行。

所以在机组启停和低负荷时还需配备有定速电动给水泵和调节阀门向锅炉供水。

2.4.3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6所示，图中阴影区由泵的上、下限特性（、）、最高转速和最低转速、最高压力（泵出口）和最低压力所围成，给水泵不允许在安全工作区以外工作。

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6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6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