给水全程控制系统设计要点.docx

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给水全程控制系统设计要点

摘要

本文在讨论给水调节系统的被控对象动态特性、热工测量信号、调节机构特性的基础上，分析了三冲量给水控制系统的结构及工作原理，提出了实现单元制给水全程控制系统应考虑的问题及控制方案。

随着锅炉朝大容量、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完善的。

针对目前发电厂给水系统的现状及其存在的问题，结合发电厂300MW机组配置,发电厂300MW机组给水全程调节系统的构成原理和控制功能，分析了系统的总体结构、工作原理、控制过程、系统切换方式、控制逻辑、调试及参数整定原则。

关键词：

给水全程，给水控制，控制系统，汽包水位，自动调节

Abstract

Basedonthediscussionofthefeedwaterregulatingsystemcontrolledobjectdynamiccharacteristic,thermalmeasurementsignals,adjustingmechanismonthebasisofanalysisofthecharacteristics,structureandworkingprincipleofthethreeelementfeed-watercontrolsystem,isproposedtorealizetheunitwatersupplyproblemsshouldbeconsideredinsystemandcontrolschemeofthewholecontrol.Withthelargecapacity,highparameterboilertowardsdevelopment,watersupplysystemsusingautomaticcontrolsystemisessentialway,itcanreducethelaborintensityoftheoperationpersonnel,toensurethesafeoperationoftheboiler.Forthelargecapacityandhighparametersoftheboiler,thewatersupplysystemisverycomplexandperfect.Inviewofthepresentsituationofwatersupplysystemofpowerplantanditsexistingproblems,combinedwiththeconfigurationof300MWpowerplant,thewholefeedwaterregulatingsystemfor300MWunitofpowerplantconstructionprincipleandcontrolfunction,analysisoftheoverallstructure,workingprinciple,controlprocess,thesystemswitchingmode,controllogic,debuggingandtuningprinciple.

KeyWordsfeedwater,feedwatercontrol,controlsystem,drumwaterlevel,automaticregulation

引言

汽包锅炉给水自动调节的任务就是在机组带负荷运行的整个工况下，自动控制锅炉的给水流量，使其适应锅炉的蒸发量，维持汽包水位在规定的范围内变化。

汽包水位过高，会影响到汽包内汽水分离装置的正常工作，使出口蒸汽含水过

多而使过热器结垢，容易造成过热器损坏，同时汽包出口蒸汽中含水过多，也会使过热器的温度急剧变化，直接影响机组的安全经济运行；汽包水位过低，则可能破坏锅炉的水循环系统，造成水冷壁管破裂。

因而，保持汽包水位正常是保证锅炉和汽轮机安全经济运行的必要条件，然而，汽包水位又是锅炉运行中变化最频繁的参数，故给水流量的调节操作也是运行中最频繁的操作，锅炉给水自动调节是十分重要的调节系统。

在锅炉的启停过程中，给水控制十分重要，因此在大型机组中，汽包水位的全程控制系统被首先采用。

汽包水位是锅炉安全、稳定、经济运行的一个非常重要的监控参数，维持汽包水位正常是保持汽轮机和锅炉安全运行的重要条件。

水位高低反映了汽包内工质流入量与流出量的平衡关系，也就是锅炉蒸汽负荷与给水量之间的平衡关系。

负荷变化必然引起汽包水位波动，这就需要通过调节给水流量使之与变化后的蒸汽负荷相适应来维持水位在给定的范围内。

汽包锅炉给水自动调节的任务就是在机组带负荷运行的整个工况下，自动控制锅炉的给水流量，使其适应锅炉的蒸发量，维持汽包水位在规定的范围内变化。

大型机组的控制与运行管理相当复杂，尤其是当机组承担调峰任务时，负荷波动频繁，而且机组的启停次数相应增加。

这时，运行人员要依靠自动化系统的功能，保证机组的安全运行。

因此，大容量发电机组要求具有在不同负荷和工况下，都能充分发挥控制作用的自动调节系统，这就产生了全程调节系统。

所谓全程调节系统是指在机组启停过程和正常运行的全过程都能实现自动调节的调节系统。

给水全程控制是现代控制理论发展的必然趋势，它最大程度地节省锅炉从点火升压到带满负荷及至事故状态下紧急停炉的繁杂操作，可以实现对汽包水位有一个高速度、高稳定性的控制过程，提高系统的调节品质。

1汽包水位全程控制的介绍

目前，大型火电单元机组都采用机、炉的联合启动的方式，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给水控制对象的动态特性

2.1给水流量扰动下水位的动态特性

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。

2.1.1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。

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。

图2.1.1给水流量阶跃扰动下水位响应曲线

2.1.2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2.1.2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。

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2.1.2蒸气流量阶跃扰动下水位响应曲线

2.1.3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2.1.3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。

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。

图2.1.2燃烧量阶跃扰动下水位响应曲线

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热工测量信号

锅炉从启动到正常运行的过程中，蒸汽参数和负荷在很大范围内变化，这就使水位、给水流量和蒸汽流量测量的准确性受到影响。

为了实现给水全程自动控制，必须对这些测量信号自动进行压力、温度校正（补偿）。

在实际应用时，补偿公式中一些参数的确定要依据理论计算及现场调试综合求取，通过动态补偿回路确保上述信号在负荷变化时的精度。

3.1水位信号

由于汽包中饱和水和饱和蒸汽的密度随压力变化，因而影响水位测量的准确性。

这里拟考虑采用电气校正回路进行压力校正，即在差压变送器后引入校正回路。

图3.1燃烧量阶跃扰动下水位响应曲线

式子中：

△P为平衡容器输出的差压，ρc，ρw，ρs分别是平衡容器内水的密度，汽包内饱和水的密度，汽包内饱和蒸汽的密度。

当L、A一定时，水位h是差压和汽、水密度的函数。

密度c.与环境温度有关，一般可取60℃时水的密度。

在锅炉启动过程中，水温稍有增加，但同时由于压力也升高，两种因素对c.的影响基本上可抵消，即可近似地认为c.是恒值。

而饱和水和饱和蒸汽的密度w.和s.均为汽包压力的函数。

根据上式，即可实现水位的压力自动校正功能。

3.2蒸汽流量信号

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的参数设计，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。

一般可以按下列经验公式进行校正：

式子中，D-过热蒸汽的流量，P-过热蒸汽的压力，T-过热蒸汽的温度，△P-节流件差压，K-流量系数。

为了避免高温高压节流元件因磨损带来的误差，美国Leeds&Northrup公司提出了用汽机调节级压力P1的温度补偿信号来代替蒸汽流量信号，如图3.3所示。

实验证明，这种方法是准确和行之有效的。

3.3给水流量信号

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，如图3.3所示。

若给水温度变化不大，则可不必对给水流量测量信号进行校正。

图3.3用P1代替蒸汽流量信号及给水流量温度矫正

4调节阀和调速泵的特性

当机组容量很大时,用调节门的开度控制给水流量时,因给水调节门的节流而造成的能量损耗也随之增大。

而且高压水流对调节阀的冲击也不可忽视。

为了降低损耗提高机组的效率，延长设备的使用寿命，往往采用调节给水泵的转速的方法来控制给水流量。

或者低负荷时用调节门控制给水量，高负荷时用泵的速度控制。

因此有必要对调节阀门的静特性和调速泵的安全特性进行了解。

4.1调节阀门的静特性

调节阀静特性的好坏直接影响到控制系统的调节品质。

一般控制系统对阀门静特性的要求主要体现在以下六个方面[23]。

在条件允许的情况下应进行调节阀静特性试验，以保证控制系统能正常投入运行。

⑴最大流量：

在调节阀门全开时，其流量应满足额定负荷的要求，并应具有10%～30%的裕量；

⑵漏流量：

调节阀门全关时，其漏流量一般应要求小于调节门最大流量的10%；

⑶线性工作段：

一般要求调节阀门特性曲线的线性工作段应大于全行程的

70%；

⑷线性比：

在调节阀开度为15%～85%的范围内，最大斜率与最小斜率之比不超过2；

⑸回程误差：

一般应小于最大流量的3%；

⑹饱和区：

流量变化的饱和区应出现在开度85%以上的范围内。

4.2调速泵的安全特性

现代大型单元机组从考虑节能及经济性角度出发都采用变速泵来控制给水流量。

300MW以下的单元机组多采用电动变速泵作主给水泵，通过调整液力联轴器的勺管位置来调节泵的转速。

300MW以上的单元机组多采用汽动变速泵作主给水泵，再配置多台电动变速泵作启动给水泵并作为系统的备用泵使用。

无论使用哪种变速泵，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。

变速给水泵的安全工作区可在泵的流量-压力特性曲线上表示出来，如图4.2所示。

变速泵的安全工作区由六条曲线围成：

泵的最高转速曲线Nmax和最低转速曲线Nmin；泵的上限特性曲线Qmin和下限特性曲线Qmax；泵出口最高压力Pmax和最低压力线Pmin。

图3.3变速泵的流量-压力特性曲线

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，甚至振动；若泵的工作在下限特性之外，则泵的流量太大，将使泵的工作效率降低。

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）不得高于锅炉正常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。

防止出现这种情况，最有效的措施是低负荷时增加给水泵的流量。

目前采取的办法是在泵的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，当泵的流量高于设定的最大流量时，再循环门将自动关闭。

5控制过程分析

5.1水位调节主回路及电动给水泵跟随系统

汽包水位主要由汽包的给水和汽包的蒸发组成，汽包的水位的调节主要由给水泵的转速来调整给水流量，给水流量属于副回路可以消除汽轮机负荷和锅炉负荷产生的压力的变化对给水流量的扰动。

图5.1水位调节主回路及电泵给水跟随副回路

图5.2中气压补偿后汽包水位反馈与设定值比较作为主调节器PI的两个输入。

反馈来的调速级的压力输入PI调节器作为辅助控制，调速级的压力受阀门的开度的影响保证水泵工作在安全工作区。

省煤器前的给水流量包含进入汽包的给水和过热器减温器的给水。

所以省煤器前的给水作为总的给水能比较精确的得出汽包的给水流量，而不用考虑给水泵的压力变化，过热后水中含有气泡的误差。

省煤器的给水作为控制水位的最最要的参数，调速级压力主要保护水泵安全和给回的品质。

5.2汽动给水泵副回路控制系统

汽泵作为给水可以提高发电效率，汽泵直接将内能转化为机械能，所以比电动给水泵效率高很多，但在启动时锅炉汽压低，所以仅启动和停机时用电动给水泵给水，同时电动给水泵作为汽动给回泵的备用给水也增加系统的可靠性。

一般负荷超过30%时都用汽泵。

图5.2汽动给水副回路系统

汽动给水泵的调节与电动给水泵类似，有手自动无扰切换调节阀信号上下限幅，调节阀失灵信号，流量品质检测，汽泵大偏差和差流量品质自动切换到到手动。

由图可知自动调节自动切手动可能是自动调节器失灵，自动调节品质差时或调节阀失灵都会触发自动切手动。

5.3锅炉单冲量三冲量无扰切换和汽泵转速控制系统

锅炉的启动时要从单冲量自动的无扰切换到三冲量给水调剂系统，还包括在单冲量和三冲量手制动切换的跟踪。

汽泵可以作为自动跟踪的执行器，也可以作为手动远程调速当自动失灵或自动品质较差时。

图5.3给水单冲量与三冲量无扰切换与汽动给水泵转速控制

由图5.4可以知道当主汽流量小于X%时是单冲量，没有手动时，三冲量跟踪单冲量。

当流量大于X%时，单冲量跟踪三冲量，形成了单冲量与三冲量的无扰切换。

汽动给水泵的转速可以远程调速，也可以作为控制水位的主要执行器。

5.4流量测量信号

给水泵的水和省煤器入口的水都是未饱和水，影响测量的最大的因素是温度，所以给水泵出口流量和省煤器入口流量都是有温度补偿的。

图5.4给水流量测量信号

省煤器前的给水一部分进入汽包作为水冷壁的减温水，另一部分作为过热器的减温水。

所以省煤器入口给水流量是锅炉的最终负荷。

省煤器入口的水流量在启动时还会有一部分水作为锅炉的排污直接排出。

大选小选器对主给水的温度和压力品质监控，当主给水流量坏品质时，自动品质差，切换到手动状态。

5.5旁路辅助及保护回路

汽包的水位因为水冷壁带气泡的因素所以受压力变化影响较大所以水位用压力补偿，来提高水位的测量精度。

当发生主蒸汽流量过小时

图5.5给水流量测量信号

汽包水位采用大选小选器，去掉最小和最大的误差较大，防止有一个水位或气压系统损坏影响整个锅炉的控制品质。

当汽包水位偏差大时，会认为自动调节器失败，自动切换到手动状态。

当调节阀位置偏差大时发出调节阀失灵信号。

当自动调节品质差时，旁路调节阀手动可以降低系统参数起保护作用。

当低负荷运行时旁路回路可以保证水泵工作在安全经济区范围。

5.6汽包水位自动失灵切手动保护

如果一些设备故障或测量参数误差较大时，自动控制程序可能控制品质变差，或不能很好控制水位，就需要将自动调节自动切换到手动调节。

图5.6汽包水位自动手动切换

当电泵的自动参数变坏时，系统将自动切到手动控制电泵。

当A或B汽泵的控制品质变坏时将A或B汽泵切换到手动状态。

当汽包水位或省煤器入口水的参数品质变坏时，将所有给水泵切换到手动调节状态，并实现手动到自动之间切换的无扰切换。

结论

给水控制系统的最终目的是维持汽包水位在规定的范围内。

因为水位过高，影响汽水分离，水位过低引起水冷壁的烧坏。

准确点的控制水位，要控制的扰动有给水量扰动，蒸汽负荷扰动，炉膛热负荷扰动和汽包压力的扰动。

给水在低负荷时由于温度和压力参数比较低，汽包内的虚假水位的现象不明显对锅炉的水位的精度要求不高所以采用但冲量控制的方式，当负荷较大时虚假水位严重而且锅炉的参数较高，要有对汽包的水位有较高的精度，采用串级三冲量控制。

低负荷时采用电动给水泵因为锅炉的压力还不能启动汽动给水泵，当锅炉负荷较高时启动汽动给水泵，电动给水泵关闭作为备用，可以提高发电效率。

给水的流量由两部分组成，一部分进入汽包的给水，另一部分是喷水减温器的流量。

汽包的给水由于受压力影响较小，受温度的影响较大，所以流量需要温度的补偿。

蒸汽的流量信号由主蒸汽的流量和旁路蒸汽的流量组成。

蒸汽的流量测量一般用压力代替加上温度的补偿间接测量而不是直接的测量，因为直接的测量会产生较大的节流损失。

水位的测量因为水位由水冷壁的气泡和汽包的水位构成所以汽包水位的测量要用压力的补偿气泡体积的变化对水位的影响。

给水泵作为给水控制系统的主要执行器对系统的设计比较的重要。

汽包的水位通过改变泵的转速控制给水泵以达到水位的稳定。

泵的出口压力控制通过给水调节阀的开度控制给水泵的出口压力，以保证泵在经济安全区域内运行。

泵的最小流量控制系统通过控制泵的再循环阀门的开或关，保证通过泵的流量不低于泵所规定的最小流量。

之所以才采用变速给水泵一方面可以减小调节阀的压力另一方面可以增加调节阀的寿命，另一方面可以减少给水泵的消耗功率。

单级冲量虽然结果简单，响应快。

串级的三冲量给水流量因为受负荷可给水泵的转速的影响所以控制的干扰多，将他作为副回路可以消除给水压力的扰动。

蒸汽的流量作为前馈可以消除虚假水位的影响，还可以快速响应负荷变化。

水位作为负反馈可以消除水位控制的静态偏差，形成的控制更加的精确。

致谢

在完成论文之际，我要感谢我的邓玮老师。

从论文选题到最终定稿，自始至终都得到了邓老师的悉心指导。

在论文写作过程中，邓老师以极其认真负责的态度，帮助我收集论文所需的资料，对论文涉及的每一个问题，都不厌其烦地给予详细的指导，使我在茫然无绪中豁然开朗。

邓老师对整篇论文的初稿、二稿、三稿都仔细的阅读，并多次提出了宝贵的修改意见。

没有邓老师的悉心指导，我的这篇论文就不可能顺利完成。

邓老师渊博的知识、严谨的治学态度、谦逊的为人令我终身收益。

同时，也要感谢沈阳过程学院、系领导及各任课老师对我的教育与培养，感谢沈阳工程学院自动化学院的林盛，李玉杰老师对我的帮助。

此外还要感谢孟奇，范艺增，刘帅为，贾傲等师兄弟在学习和生活方面给予我的热情帮助。

感谢家人对我的关心和爱护，感谢他们一直以来对我的支持和鼓励，是他们温暖的亲情使我能够顺利完成我的学业。

参考文献

[1]郭南，马阳.电厂热工过程控制系统.沈阳：

东北大学出版社,2013.8.

[2]王建国，孙玲芳.电厂热工过程自动控制.北京：

中国电力出版社,