大机组汽包锅炉给水控制系统的设计与研究毕业论文.docx
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大机组汽包锅炉给水控制系统的设计与研究毕业论文
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
DESINGANDRESEARCHOFDRUMLEVELFULLCONTROL
Abstract
Thefull-rangefeed-watercontrolsystemisamainsubsystemofthermo-electricgeneratingunitincoordinatedcontrol.Itsreliabilityismostcloselyrelatedtothesafetyofwholepowernetwork.Thefeed-waterfeaturesandrequirementsofthermo-electricgeneratingunitwereanalyzedcomprehensivelybasedonbasicautomaticcontroltheories.andthecontrolstrategywasrealizedbycombiningthree-impulsewithsingle-impulsefeed-watercontrolsystem.Fromstartuptofullloadoperation,Thefull-rangefeed-watercontrolsystemalwayskeepsthesteamlevelwithinanacceptablerange.Thesystemhasthecharacteristicsofhigherwaterlevelcontrolaccuracy,smallerovershootandlowererrorinsteadystate.Inaddition,severalkeydesigntechniquesarepresented,whichcanbeappliedtothedesignanddebuggingofThefull-rangefeed-watercontrolsystem
Keywords:
threeelementcontrol；cascadeconfiguration；switch；track
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-Ⅲ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（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，正常运行和负荷变化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。
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。
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;
（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。
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，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。
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ΔW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：
ε-水位响应速度，即单位给水量扰动时，水位的变化速度，mm.s
.h.t
；
τ-迟延时间，s。
ε和τ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，τ=10s，ε=0.015mm.s
.h.t
；对于容量为670t/h，参数为14MPa、540℃的超高压炉，τ=5～10s，ε=0.0095～0.0125mm.s
.h.t
。
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，说明随着锅炉容量和参数的提高，对水位H控制的要求也越高。
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，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：
T
-H2曲线的时间常数；K
-H2曲线的放大系数；ε-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
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，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τ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（τ、ε）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”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。
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。
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；
—饱和蒸汽的密度；
—饱和水的密度；
—汽包外平衡容器内凝结水的密度。
从图3.1中可以看出：
=
+
=
H
=
（3-1）
当H一定时，水位h是差压和汽、水密度的函数。
密度
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
的影响基本上可抵消，即可近似地认为
是恒值。
而饱和水和饱和汽的密度
和
均为为汽包压力Pb的函数，即
所以式（3-1）可以改写为
（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fa（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。
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
从图3.3中曲线可以看出，
－
与Pb的关系在较大范围内可近似地认为是线性关系即
则式（3-l）可改写为
（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，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。
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
这种测量装置中，水位表达式为
（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。
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
（3-5）
式中D——热蒸汽流量；
P——过热蒸汽压力；
T——过热蒸汽温度；
∆P——节流件差压；
γ——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。
图3.6过热蒸汽流量信号的压力、温度自动校正线路图
为了避免高温高压节流元件因磨损带来的误差，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
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
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。
3.2给水泵安全特性要求
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。
图3.10给水泵出口压力调整时的工况
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,甭出口压力为p1，给水流量为W1。
当机组负荷增大，给水流量要求为W2时，如果水泵仍在a1转速运行下去，通过开大给水阀门来增大给水流量，则工作点将沿n1曲线由a1点移到c点，落到水泵安全工作区外，这是不允许的。
解决问题的办法是关小给水调节阀门，使泵的出口压力升高，同时使水泵转速由n1增至n2，当给水流量达到负荷要求数值时，工作点将由a点移到b点，不会滑到安全工作区以外，保证了给水泵的安全运行。
另外，给水泵有最低转速nmin的要求，这样在水泵已接近nmin时就不能以继续降低转速的方式来调节给水量，这就需要改变上水道阻力（即设置给水调解阀）的方式，使泵工作在安全区内。
由于兼用改变转速和上水通道阻力两种方式调节给水凉，增加了全程给水自动控制系统的复杂性。
总之，采用变速泵构成全程给水自动控制系统时，应包括以下三个子系统：
（1）给水泵转速控制系统。
根据锅炉负荷要求，控制给水泵转速，改变给水流量。
（2）给水泵最小流量控制系统。
低负荷时，通过增大水泵再循环流量的办法来维持水泵流量不低于设计要求的最小流量值，以保证给水泵工作点不落在上限特性曲线的外面。
（3）给水泵出口压力控制系统。
通过控制给水调节阀的开度来维持给水泵的出口压力，保证给水泵工作点不落在最低压力Pmin线下和下限特性工作曲线之外。
3.3切换问题
3.3.1给水流量的测量装置的切换问题
在全程控制中给水流量测量信号的准确性与压力、温度的校正精度有关，但主要取决于高、低负荷时流量测量的精度。
一般，大型单元机组的给水管路系统如图3.11所示。
图3.11单元机组给水管路
上面的一路为主给水，在高负荷时使用；下面一路为流量较小的旁路给水，锅炉启停过程中及低负荷运行时用它供水；中间一路为辅助给水，当主给水管路发生故障或因水压过低而主给水供不应求时使用。
图中＃1、＃2、＃3为截止阀，＃4、＃5、＃6为调节阀，＃7为总截止阀。
旁路给水管路中的最大流量只有主给水管路流量的30%左右，如果采用一个孔板测量给水流量，在低负荷时必然会产生较大的测量误差。
为此，给水系统中安装了1、2两个孔板。
在锅炉启停及低负荷运行时用旁路孔板2测量给水量，高负荷时用主管路孔板l测量给水量。
对于这种采用两个测量元件的给水流量测量系统，需要用一个流量信号运算回路，如图3.12所示。
图3.12给水流量信号运算回路
（a）运算回路；（b）可变系数k的变化曲线
由于旁路给水管路中的实际流量为主给水管路的1/4左右，因此测量旁路给水流量的变送器输出信号要用乘法器乘以0.25系数，以使使旁路给水流量信号与主给水流量信号具有同样的变化范围。
在比较器D1中，主给水流量信号W1减去旁路给水流量信号0.25W2，此差使信号在另一乘法器中乘可变系数k，乘法器的输出为k（W1-0.25W2），k值由比例偏置器
调整。
当给水流量大于25%时，k值由l向零逐渐变小，如图（b）中曲线所示。
当流量达到30%时k=0，这时旁路给水流量信号消失，转入主给水管路的给水流量测量。
可见比较器D2的输出信号为
式中W——总给水流量信号；
W1——主给水流量信号；
W2——旁路给水流量信号。
由上式可见，当k=l时，W=0.25W2当k=0时，W=W1，这样就实现了在低负荷时用旁路管路上的孔板2测量给水流量，高负荷时用主给水管路上的孔板1测量给水量的要求，从而提高了测量精度。
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