精品毕业论文600mw机组给水自动控制系统设计

I 摘 要 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。随着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也就越来越多，因此人工操作、监视的方式 已远远不能满足运行的要求，而必须在启停过程中实现自动控制。这就需要有 全程控制系统。 汽包锅炉水位是锅炉运行中一个重要的监控参数。它间接的表示了锅炉 蒸汽负荷和给水量之间的平衡关系。维持汽包水位正常是保正汽轮机和锅炉安 全运行的重要条件。锅炉汽包水位过高，会影响汽包内汽水分离装置的正常工 作，造成出口蒸汽水分过多而使过热器管壁结垢，容易烧坏过热器。汽包出口 蒸汽水分过多，也会使过热气温产生急剧变化，直接影响机主运行的安全性和 经济性。汽包水位过低，则可能破坏锅炉水循环，造成水冷壁管烧坏而破裂。 本论文结合元宝山发电厂的实际情况对其给水系统进行了全程控制设计， 论文比较详细的论述了控制系统的工作原理及特点，控制对象的动态特性，控 制系统的构成以及具体的控制方案与策略。 关键词：给水全程控制系统、汽包水位控制、串级三冲量控制 II Abstract Current, large fire electricity unit machine a way for all adopting machine, boiler uniting starting, boiler, vapor a machine according to start the curve request proceed the slippery parameter starts.Along with the aggrandizement of the machine a capacity with the exaltation of the parameter, machine an item for in start and stop process needing keeping watch on with control too more and more, the for this reason artificial operates, the monitoring way cant satisfy the request of the movement already and far and far, but must realizes in start and stop process the auto control.This need the whole distance control system. The vapor a boiler water level is a boiler to circulate inside to supervise and control the parameter importantly.It meant indirectly that the boiler steam carries with the equilibrium relation of the amount of water applied.Maintaining the vapor a water level normal is an important term to protect the positive vapor a machine to circulate with the boiler safety.Boiler vapor a water level over high, will affect the normal work that vapor an inside soda separate equip, making exit steam humidity excessive but made the hot machine take care of the wall knot dirty mark, burn easily bad over hot machine.A safety for exporting steam humidity excessively, and also would making hot air temperature producing nasty upheaval turning, directly affecting machine lord circulating with economic.Vapor a water level over low, then may break the boiler water circulates, resulting in the cold wall in water tube burns bad but break. The actual circumstance of the combinative coin in this thesis mountain power plant as to its water supply system proceeded whole distance control design, detailed treatise in thesis control work principle and characteristicses of the systems, control the dynamic characteristic of the object, control the composing of the system and in a specific way of control project and strategy. Key words: feedwater whole distance control system, drum water level control, serial class three element control III 目 录 中文摘要I ABSTRACT.II 引言 .1 1、设计（论文）课题的目的及意义.1 2、设计（论文）课题的国内外现状及发展趋势.1 3、本课题研究的主要内容.1 1 给水全程控制系统综述.2 1.1 给水控制概述.2 1.1.1 给水控制的任务 2 1.1.2 给水控制对象的动态特性2 1.2 给水全程控制系统概述.6 1.2.1 全程控制的概念 6 1.2.2 对给水全程控制系统的要求6 2 给水全程控制系统构成.8 2.1 串级控制系统论述 .8 2.1.1 串级控制系统概述8 2.1.2 串级控制系统的设计8 2.2 串级三冲量控制系统论述.9 2.2.1 单级三冲量控制系统9 2.2.2 串级三冲量控制系统11 2.3 给水全程控制系统 .14 2.3.1 在给水全程控制中测量信号的自动校正14 2.3.2 在给水全程控制中变速给水泵的安全工作区15 2.3.3 单元制锅炉给水全程控制方案16 3 本套给水自动控制系统论述.18 3.1 给水热力系统简介.18 3.2 本套给水自动控制系统概述.18 3.3 控制过程分析.18 4 控制系统组态分析 .21 4.1 INFI-90 分散控制系统概述 .21 4.2 控制系统组态分析.22 4.3 硬件配置说明.22 4.4 控制系统的仿真.22 5 结论 .25 致谢 .26 参考文献 .27 附录：附录：给水自动控制系统 SAMA 图及组态图.28 1 引 言 1、设计（论文）课题的目的及意义 汽包锅炉给水自动控制的目的是使锅炉的给水量适应锅炉的蒸发量，以维 持汽包水位在规定的范围内。 汽包水位是锅炉运行中一个重要的监控参数。它间接反映了锅炉蒸汽负荷 与给水量之间的平衡关系，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，汽包水位过高，会影响汽包内汽水分离装置的正常工作，造成出口 蒸汽水分过多而使过热器管壁结垢，容易烧坏过热器。汽包出口蒸汽中水分过 多，也会使过热汽温产生急剧变化，直接影响机组运行的安全性和经济性。汽 包水位过低，则可能破坏锅炉水循环，造成水冷壁管烧坏而破裂。 随着锅炉容量和参数的提高，汽包的容积相对减小，锅炉蒸发受热面的热 负荷显著提高。因此加快了负荷变化时水位的变化速度。 企图用人工控制给水量来维持汽包水位不仅操作繁重，而且是非常困难的。 所以，锅炉运行中迫切要求对给水实现自动控制。 2、设计（论文）课题的国内外现状及发展趋势 目前，国内外汽包水位控制策略采用三冲量控制，模糊控制及 PID 自校准 与自调整的比较多，特别是前 2 种，其中模糊控制主要是朝智能化方向发展， 表现在模糊控制与智能控制的结合，采用遗传算法优化模糊控制等。主要解决 的问题是：规则的完整性、自校正主要采用不同的优化方法对参数进行自调整； 预测函数控制、广义预报自适应控制、模型参考自适应控制等基于模型的控制 方法发展的比较少，具体在实际应用过程中应用的则更少。 3、本课题研究的主要内容 本设计是针对元宝山发电厂的给水系统进行全程控制设计，该设计系统为 串级三冲量控制系统，需要考虑到测量信号的校正、系统的无扰切换、手自动 的无扰切换以及各种报警设置等问题。从而完成该给水系统在从启动到额定负 荷和从额定负荷到停炉的全过程的给水控制。 2 1 给水全程控制系统综述 1.1 给水控制概述 1.1.1 给水控制的任务 汽包锅炉给水自动控制的任务是使锅炉的给水量适应锅炉的蒸发量，以 维持汽包水位在规定的范围内。 汽包锅炉水位是锅炉运行中一个重要的监控参数。它间接的表示了锅炉 蒸汽负荷和给水量之间的平衡关系。维持汽包水位正常是保正汽轮机和锅炉安 全运行的重要条件。锅炉汽包水位过高，会影响汽包内汽水分离装置的正常工 作，造成出口蒸汽水分过多而使过热器管壁结垢，容易烧坏过热器。汽包出口 蒸汽水分过多，也会使过热气温产生急剧变化，直接影响机主运行的安全性和 经济性。汽包水位过低，则可能破坏锅炉水循环，造成水冷壁管烧坏而破裂。 随着锅炉容量的增大和参数的提高，汽包的容积相对减小，锅炉蒸发受 热面的热负荷显著提高，因此，负荷变化时水位的变化速度加快。 锅炉工作压力的提高，使给水管道系统相应复杂，因而对控制系统的功 能和调节机构的特性要求更高。 为减轻运行人员的劳动强度，保证锅炉的安全运行，实现给水系统的自 动控制是非常必要的。 1.1.2 给水控制对象的动态特性 汽包水位是由汽包中的贮水量和水下面的汽包容积所决定的，因此凡是引 给水母管 汽包 水 循 环 管 路 过热器 省 煤 器 调节阀 3 起汽包中贮水量变化和水面下的汽包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 P、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。 汽包炉给水控制对象结构如图所示。 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 pb 。控制系统的物质平衡方程为： A(/-/)dH=Gdt-Ddt=(G-D)dt 将上式进一步变换得： A(/-/) =G-D 令 C= A(/-/),则上式变为： C =G-D 式中 H 汽包水位，m 或 cm； A 汽水分离面积，m2或 cm2； /水的密度，t/m3或 kg/cm3； /蒸汽密度，t/m3或 kg/cm3； D蒸发量，t/h 或 /kg/s； G给水量，t/h 或 kg/s； C容量系数。 容量系数 C 是用来表征锅炉的结构系数的，而它的动态特性则往往用飞升 速度或飞升时间来表征。 对于汽包炉来说,由飞升速度的定义知： =()max/Z=()max/Hmax= dt dy dt dH max max D)-(G C 1 H 式中 飞升速度。 把扰动量即水位变化量转成用相对量表示的水位变化范围，通常的水位 允许变化范围为200mm，这个范围扰动量的相对极限值为 100%。上式中 （）max=max dt dH )( 1 DG C 右边一项表示汽包内工质的变化量,当给水量 G=0,而蒸发量为最大时,变化 量最大,因此有： （）max= max dt dH D C 1 可见这时的扰动量是下降的。故有： dt dH dt dH 4 = max/-H max=（D max /H max）1/A(/-/) 式中 Dmax锅炉最大的蒸发量； H max 水位变化允许的最大范围。 飞升时间 Ta为 Ta= 。 对于蒸发量为 100230t/h 的单汽包炉，当水位变化100mm 时， Ta=6030s，对于蒸发量为更大的汽包炉 Ta=30s，它的意义在于当锅炉在满负 荷运行时，如果突然停止供水，则由于蒸发量和给水量的不平衡造成水位迅速 下降，在 30s 内将下降 200mm，或者换句话说，如果给水量减少 10%，经过 30s 的时间，水位将下降 20mm。 1.1.2.1 给水流量扰动下水位的动态特性 从物质平衡的观点来看，加大了给水量，水位应立即上升。但是实际上并 不是这样，而是经过一段迟延，甚至先下降后上升。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，使一部分汽变成水， 特别是沸腾式省煤器，给水减轻了省煤器内的沸腾度，省煤器内的汽包总容积 减少。因此，进入省煤器内的水首先用来补偿省煤器中因汽泡破灭、容积减少， 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。在此过程中，负荷还未发生变化，汽包水位仍然在蒸发， 因此水位也有下降的趋势。 水位在给水扰动下的传递函数可表示为： WOW（s）= H(s)W(s)=/s(1+s) 式中 延迟时间，s； 响应速度，即给水流量改变一个单位流量时，水位变化速 度。 W H W t t 2-1 给水流量阶跃扰动下的水位响应曲线 D C 1 1 5 1.1.2.2 蒸汽流量扰动下的水位的动态特性 蒸汽流量扰动主要来自汽轮机发电机组的负荷变化，属外部扰动。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，这时水位应按积分规 律下降，图 2-2 中 H1 曲线所示。但是当锅炉蒸发量突然增加时，汽包 水下面的汽包容积也迅速增大，即锅炉的蒸发量增加，从而使水位升高, 因蒸发强度增加是有一定限度的，故汽包容积增大而引起水位变化可用 惯性环节特性来描述H2 曲线，实际水位变化曲线H。 当锅炉蒸汽负荷增加时，虽然给水流量小于蒸发量，但水位不仅不 下降， H 反而迅速上升（反之，当负荷减少时，水位反而下降），这 种现象称为 “虚假水位 ”现象。这是因为在负荷变化的初始阶段，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。 只有当汽泡容积与负荷适应而不再变化时，水位的变化就仅由物资平 衡关系来 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传递函数表示： WOD(s)=H(s)/D(s)=K2/1+T2(S) /s 式中 T2H2 曲线的时间常数； K2H2 曲线的放大系数； H1 曲线的响应速度。 上述蒸汽流量扰动下的水位控制对象动态特性，只是从蒸发强度变 化对汽包容积的影响方面说明水位的特点。实际上，改变汽轮机的用汽 量引起的蒸汽流量的阶跃扰动，必定引起汽压的变化，汽压的变化也会 影响到水面下汽泡的体积变化，所以实际的虚假水位现象会更严重些。 1.1.2.3 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，从而使炉锅 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。随着炉膛负荷增加，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。但蒸发强度增大同样也使水 6 面下汽泡容积增大，因此也会出现虚假水位现象。 影响水位的因素除上述之外，还有给水压力、汽包压力、汽轮机调节阀门 开度、二次风量分配等，不过这些因素几乎都可以用 D、M、G 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。给水量是内扰，其他是外扰。 1.2 给水全程控制系统概述 1.2.1 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。随着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也就越来越多，因此人工操作、监视的方 式已远远不能满足运行的要求，而必须在启停过程中实现自动控制。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，在启停过程和低负荷工况下，一般要由手动进 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。 单元机组全程控制系统由机炉全程控制子系统组成。主要包括锅炉给水 全程控制系统、主蒸汽温度全程控制系统、机炉全程协调控制系统等。其中给 水全程控制系统的应用最为广泛。 1.2.2 对给水全程控制系统的要求 显然，汽包锅炉给水全程自动控制应该是在锅炉给水全过程中都是自动 控制的。这个过程包括：锅炉点火、升温升压；汽轮机冲转、开始带负荷；带 小负荷运行；带大负荷运行；降到小负荷运行；锅炉停火、冷却降温降压。即 在上述全过程中，在控制设备正常的条件下，不需要操作人员的干涉，就能保 持汽包水位在允许范围内。这比常规给水控制要复杂的多，因此对给水全程自 动控制系统有一些特殊的要求： （1）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的测量准确性受到影响，为了实现全程 控制，必须要求这些测量信号能自动地进行压力、温度校正。 （2）现代大型单元机组的给水流量控制很少采用阀门节流的方式，而是 多通过控制变速给水泵的转速实现给水量的自动控制，因而在给水全程控制系 统中不仅要满足给水量控制要求，同时还要保证给水泵工作在安全工作区内。 （3）由于锅炉给水对象的动态特性在不同负荷时是不一样的，因此在高、 低负荷时要采用不同形式的系统。低负荷（一般指蒸汽流量低于额定值的 30%）时，机组处于滑压运行过程，参数较低，负荷变化范围小，虚假水位不 7 太严重，因此可以考虑采用单冲量控制系统，即仅取水位一个反馈信号构成单 回路控制系统。因此，随负荷的变化出现两种系统的切换问题，而且必须保证 这种切换应是双向无扰的。 （4）在多种调节机构的复杂切换过程中，给水全程控制系统都必须保证 无干扰，高、低负荷需用不同的调节阀门，必须解决切换问题。在低负荷时采 用改变阀门开度来保持泵的出口压力，高负荷时用改变调速泵的转速保持水位， 这又产生了阀门与调速泵间的过渡切换问题。 （5）给水全程控制还必须适应机组定压运行和滑压运行工况，必须适应 冷态启动和热态启动情况。1 8 2 给水全程控制系统构成 2.1 串级控制系统论述 2.1.1 串级控制系统概述 与简单控制系统相比，串级控制系统在结构上增加了一个内回路，收到 了明显的控制效果。串级控制系统具有以下几方面的特点： 1、串级控制系统具有很强的克服内扰的能力。我们可以把串级控制 系统用方框图表示成一般的形式。系统的开环放大系数越大，稳态误差 越小，克服干扰的能力也就越强，副调节器的放大倍数整定得越大，这 个优点越显著。 2、串级控制系统可以减小副回路的时间常数，改善动态特性，提高 系统的工作频率。在外扰的作用下，由于副回路减小了对象的时间常数， 使整个系统的工作频率得以提高，因此仍能改善整个系统过渡过程的品 质。 3、串级控制系统具有一定的自适应能力：串级控制系统主回路是一 个定值系统，其副回路是一个随动系统，它的定值是主调节器的输出， 是一个变化量，主调节器按照被控对象的特性和扰动变化的情况，不断 的纠正着副调节器的给定值，副调节器使系统时间常数缩短，能很快克 服扰，改善动态特性，这就是一种自适应能力。而采用单回路控制系统 就没有这种随动控制的作用。为充分发挥串级控制系统的上述优点，在 设计控制系统时，还应当合理选择主副回路及主副调节器的规律。 2.1.2 串级控制系统的设计 为了充分发挥串级控制系统的优点，在设计实施控制系统时，还应当合理 设计主、副回路及选择主、副调节器的控制规律。 1、主、副回路的设计原则 （1）副参数的选择应使副回路的时间常数小，控制通道短，反应灵敏。 通常串级控制系统是被用来克服对象的容积迟延和惯性。因此，在设计串级控 制系统时，应设法找到一个反应灵敏的副参数，使得干扰在影响主参数之前就 得到克服，副回路的这种超前控制作用，必然使控制质量有很大提高。 （2）副回路应包含被控对象所受到的主要干扰。串级控制系统对进入副 回路的扰动有很强的克服能力，为发挥这一特殊作用，在系统设计时，副参数 的选择应使得副回路尽可能多地包括一些扰动但这将与要求副回路控制通道短， 反应快相矛盾，应在设计中加以协调。在具体情况下，副回路的范围应当多大， 决定于整个对象的容积分布情况以及各种扰动影响的大小副回路的范围也不是 愈大愈好。太大了，副回路本身的控制性能就差，同时还可能使主回路的控制 性能恶化。一般应使副回路的频率比主回路的频率高得多，当副回路的时间常 9 数加在一起超过了主回路时，采用串级控制就没有什么效果。 （3）主副回路工作频率应适当匹配。由于串级系统中主、副回路是两个 相互独立又密切相关的回路。如果在某种干扰作用下，主参数的变化进入副回 路时，会引起副回路中副参数振幅增加，而副参数的变化传到主回路后，又迫 使主参数变化幅度增加，如此循环往复，就会使主、副参数长时间大幅度地波 动，这就是所谓串级系统的“共振现象” 。一旦发生了共振，系统就失去控制， 不仅使控制品质恶化，如不及时处理，甚至可能导致生产事故，引起严重后果。 为确保串级系统不受共振现象的威胁，一般取 Tdl =（310）Td2 式中： Tdl 为主回路的振荡周期；Td2为副回路的振荡周期。要满足上式，除 了在副回路的设计中加以考虑之外，还与主、副调节器的整定参数有关。 2、主、副调节器的选型 串级控制系统中，主调节器和副调节器的任务不同，对于它们的选型即控 制规律的选择也有不同考虑。 （1） 副调节器的选型 副调节器的任务是要决速动作以迅速消除进入副回路内的扰动，而且副参 数并不要求无差，所以一般都选 P 调节器也可采用 PD 调节器，但这增加了系 统的复杂性。在一般情况下，采用 P 调节器就足够了，如果主、副回路频率 相差很大，也可考虑采用 PI 调节器。 （2） 主调节器的选型 主调节器的任务是准确保持被调量符合生产要求。凡是需采用串级控制的 生产过程，对控制品质的要求总是很高的，不允许被调量存在静差。因此主调 节器必须具有积分作用，一般采用 PI 调节器，如果控制对象惰性区的容积数 目较多，同时有主要扰动落在副回路以外的话就可以考虑采用 PID 调节器。9 2.2 串级三冲量控制系统论述 2.2.1 单级三冲量控制系统 根据汽包锅炉给水控制对象动态特性的特点我们可以提出确定给水控制系 统结构的一些基本思想： （1）由于对象的内扰动态特性存在一定的迟延和惯性，所以给水控制系 统若采用以水位为被调量的单回路系统，则控制过程中水位将出现较大的动态 偏差，给水流量波动较大。因此，对给水内扰动态特性迟延和惯性大的锅炉应 考虑采用串级或其他控制方案。 10 过热器 D W 图 2.2.1-1 单级三冲量给水控制系统图 （2）由于对象在蒸汽负荷扰动（外扰）时，有虚假水位现象。因此给水 控制若采用以水位为被调量的单回路系统，则在扰动的初始阶段，调节器将使 给水流量向与负荷变化方向相反的方向变化，从而扩大了锅炉进、出流量的不 平衡。 所以在设计给水控制系统时，应考虑采用以蒸汽流量 D 为前馈信号的前馈 控制，以改善给水控制系统的控制品质。 总之，由干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，如图 2.2.1-1 所示。 单级三冲量给水控制系统的系统结构和工作原理。图 2.2.1-1 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，所以水位信号称为主信号。为了改善控制品质系统中引 入了蒸汽流量的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 系统是一个前馈一反馈控制系统。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 P PI P D Kz P w 11 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，其主要作用是映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特性所以进入 调节器的水位变送器信号 VH应为正极性，如图 2.2.1-1 所示。 由图 2.2.1-1 可以看出，在单极三冲量给水控制系统中水位、蒸汽流量和 给水流量对应的三个信号 VH、VD、VW、都送到 PI 调节 VH器静态时，这三个输 入信号与代表水位给定值的信号 V0相平衡，即 VD VW+ VH = V0 或 V0 VH = VDVW 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 V0，即汽包中的水位将稳定在某一给定值。 如果在静态时 VD 不等于 VW，则汽包中的水位稳定值将不等于给定值（即 VH 不等于 V0） 。一般情况下选择静态时 VD等于 VW，因而使控制过程结束后汽包水 位保持给定的数值。 2.2.2 串级三冲量控制系统 对于给水控制通道迟延和惯性较大的锅炉采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。 1、系统结构和工作原理 串级三冲量给水控制系统如图所示。串级三冲量给水控制系统：其给水控 制的任务由两个调节器来完成，主调节器 PI 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、蒸汽流量信号的都作用到 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。 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蒸汽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的平衡；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品质。可见，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。 12 2、串级三冲量给水系统的分析和整定 下图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的前 馈部分组成的。系统组成如下： 1、由给水流量 W、给水流量变送器W 、给水流量反馈装置W 、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H、主调节器 PI1 和副回路组成主 回路。 PI1 D H W 过滤器 p D PI2 V V V W K p Z H D W + - p 串级三冲量给水控制系统图 -H WW D D + + W _ + T1(S)WK V V V V WK w H D 0 H D W T2（S（ Z OW（S（ OD（S（w 13 3、由蒸汽流量信号 D，以及蒸汽流量测量变送器D及蒸汽流量前馈控制 部分。 （1）副回路的分析和整定 根据串级控制系统的分析整定方法，应将副回路处理为具有近似比例特性 的快速随动系统，以使副回路具有快速消除内扰及快速跟踪蒸汽流量的能力。 用试探的方法选择副调节器的比例带2，以保证内回路不振荡为原则，在试 探时，给水流量反馈装置的传递函数W可任意设置一个数值，得到满意的 2值，如果W以后有必要改变，则相应地改变2值，使w/2保持试探 时的值，以保证内回路的稳定性。 （2）主回路的分析整定 在主回路中，如果把副回路近似看作比例环节，则主回路的等效方框图如 X 下图所示。这时，主回路等效为一个单回路控制系统。如果给水流量 W 作为 被控对象的输入信号水位变送单元的输出 VH 为输出，则可把 PI1 调节器与副 回路两者看作为等效主调节器， 它的传递函数为： WT1*（S）= （1+ ） 可见，等效主调节器仍然是比例积分调节器，但等效比例带为： 1*=1ww 式中1 主调节器 PI1 的比例带。 等效主调节器的积分时间 Ti1*就是 P11 调节器的积分时间 Ti1。 主回路仍按单回路系统的整定方法整定，如通过实验方法求取主回路被控 对象的阶跃响应曲线，并由曲线上求得 和再按响应曲线整定法中给出的 公式计算等效主调节器的整定参数为： 1*=1.1 WW 1 1 1 si T1 1 W 1/(WW) OW（S（ H 0 H w V V WT1(S) + + -H 14 则 PI1 调节器的参数为： 1= =1.1 Ti1=Ti*=3.3 通过对串级三冲量给水控制系统反馈回路的分析，可以看出它与单级三冲 量给水控制系统的不同点：串级系统主、副回路的工作可以认为基本上是各自 独立的。给水流量 W、给水流量反馈装置的传递系数w虽然也同时对主、副 回路的工作产生影响，但他们在系统中的作用却比在单级系统中小的多。在单 级三冲量控制系统中，主回路的等效调节器比例带*=ww，可以通过改变 w来调整*，但w的选择还必须同时兼顾内回路的稳定性。串级三冲量系 统中等效主调节器的比例带1*=1ww，可以改变 PI1 调节器的比例带1* 来调整。因此，调整1*时并不会影响到副回路的工作稳定性，从而做到主副 回路互不影响，即回路的稳定性由改变w来保证，主回路的稳定性又改变 1来保证。 （3）蒸汽流量前馈装置的传递函数D的选择 在串级三冲量给水控制系统中，水位偏差完全由主调节器来校正，使静态 水位值总是等于给定值。因此，就不要求送到副调节器的蒸汽流量信号 VD等于 给水流量信号 VW ，所以前馈装置的传递函数D 选择将不受静态特性无差条 件的限制。而可根据锅炉“虚假水位”的严重程度来确定，从而改善负荷扰动 时控制过程质量。一般使蒸汽流量信号大于给水流量信号，即 DD=Kww K1 如果给水流量变送器和蒸汽流量变送器的斜率相等，则 D=Kw 由于在负荷扰动时，水位的最大偏差（第一个波幅）往往出现在扰动发生 后不久（虚假水位现象造成的） ，这个水位最大偏差的数值决定扰动的大小、 扰动的速度和锅炉的特性，蒸汽流量信号加强后的控制作用对水位的最大偏差 的减小起不了多大的作用。加强蒸汽流量信号的作用在于减少控制过程中第一 个波幅以后的水位波动幅度和缩短控制过程的时间，因此蒸汽流量信号也不需 过分加强（一般可取 K=2） 。1 2.3 给水全程控制系统 2.3.1 在给水全程控制中测量信号的自动校正 1、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的测量准确性受到影响，为了实现全程控制， WW * 1 WW 15 必须要求这些测量信号能自动地进行压力、温度校正。测量信号校正的基本方 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。 （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。一种为采用电气校正回路进行校正。 另外一种为采用具有双室平衡容器的水位取样装置进行水位校正。 （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，所以进行压力和温度的校正，可以按一 定的公式进行校正。 （3）给水流量信号的温度校正 计算和试验结果表明：当给水温度为 100不变，压力在 0.19619.6MPa 范围 内变化时，给水流量的测量误差为 0.47%；若给水压力为 19.6 MPa 不变，给 水温度在 100290范围内变化时，给水流量的测量误差为 13%。所以对给水 流量信号可以只采用温度校正。若给水温度变化不大，则不必对给水流量信号 进行校正。 2.3.2 在给水全程控制中变速给水泵的安全工作区 现代大型单元机组的给水流量控制很少采用阀门节流的方式，而多通过控 制变速给水泵的转速实现给水量的自动控制。因而在给水全程控制系统中不仅 要满足给水量控制的要求，同时还要保证给水泵工作在安全工作区内。 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，变速泵 的安全工作区由六条曲线围成：泵的最高转速曲线 和最低转速曲线；泵的上 限特性曲线和下限特性曲线；泵出口最高压力和最低压力曲线。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；若泵工作在下限特性以外，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最低给水压力 。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且不得低于最低给水压力 。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。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，最有效的措施是低负荷时增加给水泵的流 量。目前采取的办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 16 使低负荷阶段的给水泵工作点也在上限特性曲线之内。随着机组负荷的逐渐增 大，给水流量也会增大，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。当锅炉负荷升到一定程度即 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。 2.3.3 单元制锅炉给水全程控制方案 单元制锅炉给水全程控制多采用改变泵的转速来改变给水流量，这样经济 性好，但它同时还考虑系统间的切换、控制手段的切换，因而控制系统结构比 较复杂。单元制锅炉给水全程控制系统中有一段控制和两段控制之分。所谓段 是指完成给水全程控制的系统的套数。因此，所谓两段控制方式是指给水控制 系统用两套独立的系统，分别指挥自己的执行机构来完成给水全程控制的方式。 单元制给水全程控制的方案很多，主要有以下五种： 方案一：这是一个两段控制的方案，用改变调节阀门的开度来控制给水流 量低负荷时用单冲量调节器控制旁路给水阀（小阀）的开度来改变给水流量， 进行水位控制。高负荷时系统由单冲量控制切换至三冲量串级控制，用副调节 器输出的控制信号去控制主给水凋节阀（大阀）的开度，从而达到控制水位的 目的由此可知在高低负荷转换中，存在两种切换：第一是单三冲量系统之间的 切换第二是大小调肯阀两种调节机构之间的切换要求这两种切换均是双向无扰 切换。为提高系统工作的可靠性，两种切换时间上最好错开，以便危险分散。 系统中还设置了调节阀差压控制子系统，在高低负荷下均用 PI4来调节给水调 节阀进出口差压为定位井保证给水泵在安全转速内工作当阀门两端差压一定时 其流量与开度的关系可以近似成线性关系，故调节性能较好。但由于高、低负 荷都采用阀门调节，特别是高负荷时节流损失大经济性较差，这种方案适合于 母管制锅炉给水系统。 方案二：这也是一个两段控制方案。低负荷时，采用单冲量系统由单冲量 调节器控制小阀的开度来改变给水流量，进行水位控制。高负荷时采用三冲量 串级控制，用副调节器输出的控制信号去控制大阀的开度，从而达到控制水位 的目的。调节器 PI4 保证给水泵出口压力为一定值，保证给水泵工作在安全区 内，同时又使泵在热态启动和冷态启动时有相应转速。这个方案结构比方案一 简单，但仍都采用阀门调节，故经济性较差。 方案三：此方案在低负荷时采用单冲量系统用单冲量调节器改变旁路给水 阀的开度以改变给水流量，保持水位。同时采用泵前压力调节器 PI4 控制给水 泵出口压力既使泵工作在安全工作区内，又保证安全供水所需的泵出口压力。 在高负荷时切换到三冲量控制系统这时旁路阀全开，PI3 的输出直接改变变 速泵转速达到改变给水流量的目的。因为此时泵负荷增大即自然工作在安全区 17 内，故不需 PI4 进行工作。当负荷高于某设定值时三冲量程控系统将主给水阀 门打开，系统完全转入一段式工作方式。在程控开启主给水阀时必然在给水侧 产生较大扰动，但因此时系统已转入串级三冲量工作方式，其平衡给水内扰的 能力很强，不会使汽包水位产生过大扰动。此方案经济性好，实现方便。但由 于系统切换与调节器切换两者同时进行，而这两者要求又不同，往往因为满足 一种切换的要求条件，而不能满足另一种切换的要求条件，而且系统与调节段 两种切换集中在同一时刻进行，危险性集中，对安全运行不利。 方案四：由于所选泵型的安全工作区范围很宽，又为全容量配置，经验证 明，无论是滑压启动还是定压运行，工作点均不会移到安全区以外，故方案中 不设置给水泵出口压力控制子系统。低负荷时，由单冲量控制系统控制旁路给 水阀的开度来维持水位。 单冲量调节器的输出送入大选模块中与设定的给水 泵最低工作转速信号（由 A 给出）进行比较。由于低负荷过程中单冲量调节 器的输出信号较小故给水泵将以 n 固定转速运行。当机组负荷升至 25 左右 时，系统由单冲量工作方式切换到三冲量串级工作方式，此时旁路给水阀达到 个开状态。由于此时系统的输出信号增大到大于 n 信号，于是系统由调节阀门 开度平稳地过渡到调节泵的转速，从而调节给水流量，所以这时是一段调节。 当机组负荷达到 30左右，主给水调节阀全部打开，以尽量减小节流损失， 系统进入完全调泵状态。冷态启动时开关 K 断开，n 起作用，即使泵工作在最 低转速。只有热态启动时，K 才闭合，汽包压力信号 P 经 f（x）函数模块校正 后作为给水泵的转速控制信号，使水泵在与汽包压力 P 相适应的转速下启动运 行。此方案经济性好，且结构简单，调节段是无触点自由过渡，安全性能好。 方案五：这个方案中，低负荷时采用单冲量系统，由单冲量调节器控制泵 的转速，改变给水流量，维待水位。高负荷采用三冲量系统，由三冲量副调节 器改变调速泵转速来调节给水流量。为了保证给水泵工作在安全上作区内，设 计了给水泵出口压力控制系统，由 PI4 经比例偏置环节去改变阀门开度来改变 泵出口压力。在给水泵出口和高压加热器出口分别取给水压力信号送入小值选 择器。当机组正常运行时，高压加热器出口的给水压力总是低于泵的出口压力， 这时应选高压加热器出口给水压力为压力测量值，使泵的实际工作点在泵下限 特性曲线偏左一些，确保泵工作在安全工作区内。当机组热态启动时，高压加 热器出口的给水压力高于泵的出口压力，小选组件的输出为泵出口压力，保证 泵出口给水压力在升压过程中两个阀门均处于关闭状态，直到泵出口压力大于 高压加热器出口给水压力时，才按高压加热器出日的给水压力进行调节，控制 两个阀门的开度。这个方案结构合理，经济性好切换简单，安全可靠性也较好。 不足之处是压力控制系统和水位控制系统互相影响，两个系统动作频繁，调节 阀磨损较决。 18 3 本套给水自动控制系统论述 3.1 给水热力系统简介 从除氧器出来的给水，由给水泵送入高压加热器，在高压加热器内被加 热后送到给水站，给水站出来的水经省煤器送入汽包。给水泵包括一台电动泵 和两台汽动泵。在启动和低负荷工况下电动泵运行，正常工况下汽动泵运行， 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路，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，为减小阻力主给水电动门也打开，通过调节给水泵转速直接控制给水流 量，为一段调节。 3.2 本套给水自动控制系统概述 由于本机组为 600MW 发电机组，固本套系统设计为一台电动泵、两台汽 动泵的串级三冲量全程控制系统，本套系统包括启停控制和正常运行工况下控 制两方面的内容，本套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。因此，在控制的全过程中，在控制设备正常的条件下，不需要操作 人员的干涉，就能保持汽包水位在允许的范围内。从而实现了给水的自动控制。 3.3 控制过程分析 在启动、冲转及带 20%负荷时，此阶段采用单冲量系统通过控制给水旁路 阀门开度来维持汽包水位在给定范围内，电动给水泵维持在最低转速，汽动给 水泵手/自动操作器强迫为手动状态，汽动泵超驰全关，主给水电动门也关闭， 给水旁路阀从 0100%控制。 如图 FW-1，经过汽包压力校正，得到三路汽包水位信号，三路信号经过 选择逻辑回路到 T3 切换器，由 T3 进行