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毕业设计（论文）

论文题目：

大型电站锅炉给水控制系统分析

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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。

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范围内。

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

目录

摘要……………………………………………………………………………………………Ⅰ

1绪论…………………………………………………………………………………………1

1.1课题背景……………………………………………………………………………………1

1.2电站锅炉给水控制发展状况………………………………………………………………1

1.3本文研究的主要内容………………………………………………………………………2

1.3.1给水系统的概况…………………………………………………………………………2

1.3.2汽包锅炉水的动态特性………………………………………………………………2

1.3.3汽包锅炉给水控制系统………………………………………………………………3

2汽包锅炉水位的动态特性…………………………………………………………………4

2.1给水热力系统简介…………………………………………………………………………4

2.2给水控制的任务…………………………………………………………………………5

2.3给水控制对象的动态特性…………………………………………………………………5

2.3.1给水量扰动下水位变化的动态特性……………………………………………………5

2.3.2蒸汽流量D扰动下水位的动态特性……………………………………………………7

2.3.3炉膛热负荷扰动下水位控制对象的动态特性…………………………………………8

3给水自动控制系统的介绍与分析………………………………………………10

3.1给水控制系统的基本要求………………………………………………………………10

3.2给水自动控制系统的基本结构及分析…………………………………………………10

3.2.1单级三冲量给水控制系统……………………………………………………………10

3.2.2串级三冲量给水控制系统分析………………………………………………………14

结论……………………………………………………………………………………………20

参考文献………………………………………………………………………………………21

1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。

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。

我国在已掌握制造亚临界300～600MW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。

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本文研究的主要内容

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范围内相对稳定的同时，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。

论文研究的主要内容如下：

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范围内变化。

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内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。

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。

但是蒸汽强度增大同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范围内波动[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，称为内扰，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，在高压加热器内加热后到给水站，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范围内，具体要求有以下两个方面：

（1）维持汽包水位在一定范围内。

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范围：

±30～50mm

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内的沸腾度，省煤器内的汽泡总容积减少，因此，进入省煤器内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100～200s。

非沸腾式省煤器的延迟时间T为30～100s。

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：

（2-3）

2.3.2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H（t）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10～20s；

——

的放大系数；

——飞升速度。

一般100～230t/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30～40mm。

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。

但是蒸汽强度增大同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，一般称为内部扰动。

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。

给水扰动是内扰，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内。

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内扰快，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，用于及时消除内扰。

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内部扰动，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3-1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WT（s）、执行机构Kz、调节阀K

、给水流量变送器γW和给水流量反馈装置αW组成的内回路（或称副回路）。

2.由水位控制对象WOW（S）、水位变送器

和内回路组成的外回路（或称主回路）。

3.由蒸汽流量信号D及蒸汽流量测量装置γD、蒸汽流量前馈装置αD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）内回路（副回路）分析

图3-3内回路等效图

可以把内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，以保证内回路不振荡为目的。

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，即保证内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

在内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=αWγWW

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

内

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）

从内、外回路的比例带来看，给水流量的分压系数

对内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，以保证内回路稳定性。

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γW和给水流量反馈装置αW、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γD及蒸汽流量前馈装置αD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