基于MATLAB的300MW机组给水控制系统设计与仿真-能源与动力工程（热动）毕业论.docx

存档编号 华北水利水电大学North China University of Water Resources and Electric Power毕 业 设 计题目基于MATLAB的300MW机组给水控制系统设计与仿真学 院电力学院专 业能源与动力工程（热动）姓 名学 号指导教师完成时间教务处制独立完成与诚信声明本人郑重声明：所提交的毕业设计（论文）是本人在指导教师的指导下，独立工作所取得的成果并撰写完成的，郑重确认没有剽窃、抄袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为。文中除已经标注引用的内容外，不包含其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。毕业设计（论文）作者签名： 指导导师签名： 签字日期： 签字日期：毕业设计（论文）版权使用授权书本人完全了解华北水利水电大学有关保管、使用毕业设计（论文）的规定。特授权华北水利水电大学可以将毕业设计（论文）的全部或部分内容公开和编入有关数据库提供检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段复制、保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交毕业设计（论文）原件或复印件和电子文档（涉密的成果在解密后应遵守此规定）。毕业设计（论文）作者签名： 导师签名：签字日期： 签字日期：目录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1课题研究背景11.2国内外研究现状11.3本设计的主要意义21.4本设计研究的主要内容2第2章 给水自动控制系统的概述42.1锅炉给水自动控制的概念42.2给水控制系统的主要任务42.3对给水控制系统的要求 4第3章 给水调节对象动态特性分析63.1给水调节对象的动态特性63.1.1 给水流量扰动对水位的影响63.1.2蒸汽流量扰动对水位的影响83.1.3 炉膛热负荷扰动对水位的影响103.2本章小结10第4章 300MW机组给水控制系统设计114.1 300MW给水热力系统简介114.2整体结构设计114.2.1 给水全程控制系统设计图 114.2.2控制方案设计124.2.3 300M机组给水控制过程分析14第5章 300MW机组给水控制系统MATLAB仿真175.1建模仿真的目的175.2存在的机组主要问题及任务175.3 启动或低负荷时给水控制系统建模及仿真175.3.1 模型分析175.3.2 仿真系统的分析185.3.3低负荷阶段控制系统优化215.3.4给水控制系统调节器参数整定225.3.5 低负荷控制系统仿真255.3.6 仿真结果分析285.4 高负荷阶段时给水控制系统建模及仿真285.4.1高负荷阶段建模285.4.2给水控制系统优化295.4.3 高负荷阶段给水控制系统仿真305.5.本章小结37第6章 全文总结38参考文献40致 谢41附录一 外文文献附录二 中文翻译附录三 选题申报表附录四 开题报告华北水利水电大学毕业设计（论文）基于MATLAB的300MW机组给水控制系统设计与仿真分析摘 要随着国内电力需求的逐渐扩大，并且考虑到能源和环保的要求，大容量、高参数的大型机组逐渐代替小容量、低参数机组成为主流机组。这也使得火电厂给水调节系统变得更为繁杂，其中机组负荷、汽包压力、温度、给水量等参数对汽包水位都可以造成或多或少的影响；并且在不同负荷运行状态，所需要的给水设备也不尽相同，故采取的控制方式亦有所不同。从而需要对不同负荷状态下的汽包水位变化情况进行仿真，以此来得到各调节器的最佳整定参数，更好的实现机组给水全程自动控制。 本设计的主要任务是通过对300MW机组的给水全程控制系统进行设计和仿真，从而得到最佳的调节器参数和优化控制方案，以实现对给水控制系统的更好控制，最终的目的在于提高机组的经济性和安全性。本设计围绕给水控制系统的设计与仿真这一主题，立足于300MW机组给水控制系统的设计，同时对其给水控制系统低负荷阶段和高负荷阶段进行了仿真，优化其在不同负荷下给水控制系统的控制方案并整定出调节器最佳参数，从真正意义上实现机组在不同负荷下均能精准对汽包水位、调节阀压差进行控制，保证机组从锅炉启动上水到满负荷状态的安全运行。本课题的目的在于对所设计的各个给水控制系统进行分析与仿真来改善火力发电厂给水控制系统的不足，实现机组在不同负荷状态下运行的全程控制，并始终保持锅炉汽包水位维持在正常工作范围内。系统能够实现单冲量到三冲量无扰切换，且保证泵在安全范围内工作，较之优化前可以更好的完善给水控制系统，提高机组的经济性和安全性。关键字：300MW机组；给水控制系统；三冲量；设计；仿真 The Design and Simulation Analysis of Feed Water Control System for 300 MW Unit Based on the MATLABAbstract With the gradual expansion of domestic electricity demand, and taking into account the requirements of energy and environmental protection, large-capacity, high-parameter large units gradually replace the small capacity, low-parameter units to become mainstream units. Which also makes the thermal power plant water supply control system becomes more complicated, which unit load, drum pressure, temperature, water supply and other parameters on the drum water level can cause more or less the impact; and in different load operation, The need for water supply equipment is not the same, so the control mode is also different. So it is necessary to simulate the change of the water level of the drum under different load conditions, so as to obtain the optimal setting parameters of each regulator, and realize the automatic control of the whole water supply of the unit. The main task of this design is to design and simulate the water supply control system of the 300 MW unit to obtain the best regulator parameters and optimize the control scheme to achieve better control of the water supply control system. The ultimate goal is to improve the unit Of the economy and security. Based on the design and simulation of water supply control system, this design is based on the design of water supply control system of 300MW unit. At the same time, the low load stage and high load stage of the water supply control system are simulated and optimized under different load water supply control system Of the control program and set the best parameters of the regulator, from the real sense of the unit under different loads can be accurate on the drum water level, control valve pressure to control, to ensure that the unit from the boiler to start the full load state of safety run. The purpose of this project is to analyze and simulate the design of the water supply control system to improve the lack of water supply control system of the thermal power plant, to realize the whole control of the operation of the unit under different load conditions, and to keep the boiler water level in normal Within the scope of work. The system can achieve single impulse to three impulse boring switch, and to ensure that the pump in the safe range of work, compared with the optimization can be better before the improvement of water supply control system to improve the units economy and security.Key words: 300MW unit; water supply control system; three impulse; design; simulation第1章 绪论 1.1课题研究背景随着国内电力需求的逐渐扩大,并且考虑到能源和环保的要求,大容量、高参数的大型机组逐渐代替小容量、低参数机组成为主流机组。随之而来的,火电机组越庞大,其设备结构也就越复杂,使得火电厂运行和管理变得而更加困难。因此，为适应大容量、高参数机组的快速发展，电厂热工自动控制系统也在不断的改进和提高技术。我国最近几年新建的300MW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控制1。汽包水位受到给水流量和锅炉蒸发量的共同影响，而锅炉负荷决定锅炉蒸发量，因此控制汽包水位就要调节好锅炉负荷、锅炉蒸发量、给水流量三者之间的关系。汽包水位的高低决定了锅炉和汽轮机能否安全正常的工作。汽包水位过低时，水循环不能完成，严重时造成水冷壁管道破损；汽包水位过高时，容易造成汽水分离器分离不彻底，蒸汽品质变差，分离器出口蒸汽携带水分，水中含有的溶解性盐类在经过过热器时造成过热器管壁以及汽轮机叶片结构。严重时，出口蒸汽携带大量水分，使得过热气温急剧变化，影响机组安全性。因此，汽包水位控制一直很受重视。21.2国内外研究现状目前,由于锅炉容量的不断增大和蒸汽参数的不断提高,导致在锅炉运行过程中需要监测和控制的参数越来越多。因此,为了保证机组的安全性和经济性需要满足机组从锅炉启动上水到满负荷状态以及在减负荷的过程中都能实现全程给水自动控制。在不同的负荷阶段和参数时,汽包水位的动态特性可能完全不同。在启动和低负荷阶段，蒸汽参数较低,负荷波动不大,虚假水位现象不明显,所以汽包水位比较容易维持在正常工作范围内。因此，这个阶段通常采用单冲量给水控制，该控制系统通过给水旁路调节阀来控制汽包水位。高负荷时大多采用串级三冲量控制系统，因为这个阶段汽包水位动态特性比较复杂,“虚假水位”现象非常严重,而采用三冲量控制方式可以有效抑制虚假水位。目前，国内大型机组基本上全部采用分散控制系统（DCS）,并且在对DCS系统进行改造之后机组的自动化水平得到了更大的提升。DCS系统拥有灵活的态，再加上计算机系统有其自身的优越性，将其二者结合后的控制系统可以完成传统仪表无法实现的控制，从而为各个控制系统的全程调节的实现提供了可能。 1.3本设计的主要意义本设计的意义主要有以下两个方面： （1）汽包水位受到给水流量和锅炉蒸发量的共同作用，而锅炉负荷决定锅炉蒸发量。因此控制汽包水位就要调节好锅炉负荷、锅炉蒸发量、给水流量三者之间的关系。汽包水位的高低决定了锅炉和汽轮机能否安全正常的工作。汽包水位过低时，水循环不能完成，严重时会造成水冷壁管道破损；汽包水位过高时，容易造成汽水分离器分离不彻底，蒸汽品质变差，出口蒸汽携带水分，水中含有的溶解性盐类在经过过热器时造成过热器管壁以及汽轮机叶片结构。严重时，分离器出口蒸汽携带大量水分，使得过热气温变化太快，危及机组安全性和经济性。 （2）由于机组容量提高和蒸汽参数不断扩大，使得锅炉蒸发受热面积的热负荷也随之增大。然而汽包容积却相对减少。因此必然导致机组负荷产生扰动时，汽包水位快速变化，使得人工调节变得非常困难，给火电厂运行和管理带来困难。因此，火电厂给水控制系统实现全自动控制非常有必要。本设计的意义就在于，通过对不同负荷下控制方案进行模拟仿真，改进优化方案和获取调节器最佳整定参数，最终提高机组安全性和经济性。1.4本设计研究的主要内容 本设计围绕给水控制系统的设计与仿真这一主题，立足于300MW机组给水控制系统的设计，同时对其给水控制系统进行低负荷阶段和高负荷阶段进行仿真，研究不同负荷下给水控制系统的控制方案并整定出调节器的最佳参数，从真正意义上实现机组在不同负荷下均能精准对汽包水位、调节阀压差进行控制，保证机组从锅炉启动上水到满负荷状态的安全运行。本设计的结构安排如下：第2章 为给水控制系统的概述，首先介绍了给水自动控制系统的概念，然后阐述了给水自动控制系统的任务，最后对给水控制系统提出了一些要求。 第三章对给水调节对象的动态特性进行了深入的探讨,分析了影响汽包水位各种扰动因素和产生扰动的机理，同时用Simulink软件对产生各种干扰后汽包水位变化进行了初步的仿真； 第4章 对300MW单元机组给水全程控制系统进行整体结构设计，包括启动、冲转及带25%负荷运行、25%-30%负荷、30%-100%负荷运行时的控制系统机构及其阀门切换和给水泵之间的切换。 第五章对所设计的给水控制系统进行低负荷阶段和高负荷阶段进行仿真，研究不同负荷下给水控制系统的控制方案并整定出调节器的最佳参数，实现机组在不同负荷下均能精准对汽包水位、调节阀压差进行控制，保证机组从锅炉启动上水到满负荷状态的安全运行。 第六章总结全文。 89第2章 给水自动控制系统的概述2.1锅炉给水自动控制的概念所谓的锅炉给水自动控制系统是指机组在启动和停止过程、正常运行阶段、变负荷过程中都可以实现锅炉给水自动控制的系统。大型机组一般采用全程给水控制系统。给水全程控制包括以下几个过程 ：3（1）锅炉的点火、升温升压过程； （2）启动带负荷过程； （3）带小负荷过程； （4）由小负荷到大负荷过程； （5）由大负荷又降到小负荷过程； （6）锅炉灭火后冷却降温降压过程。 2.2给水控制系统的主要任务锅炉给水控制系统的任务有两个：（1）保证汽包水位在正常工作范围内变化；（2）保证给水流量与锅炉蒸发量相平衡。汽包水位的高低同时受到锅炉负荷和汽轮机用气量的共同作用，所以当锅炉负荷产生扰动或汽轮机用汽量发生变化时，必须保证给水控制系统能够维持汽包水位在正常工作范围内变化。 锅炉给水控制系统的任务主要有以下几个方面（在锅炉运行过程中）： （1） 保证汽包水位始终处于正常工作范围之内； （2） 保证变速给水泵在正安全工作范围内； （3） 设计锅炉水循环管路和省煤器保护措施，保证二者在给水过程中能安 全工作。为满足上述任务的要求，必须控制进入锅炉的给水量。水位是靠调节给水流量来维持的，保证水位稳定的同时也必须保证给水流量变化不要太快，否则将威胁到省煤器的安全。2.3对给水控制系统的要求 在给水控制系统的控制过程中，自动保证汽包水位在正常工作范围内，无需要人员操作的干涉。显然，自动给水控制系统比常规给水控制要复杂，因此对给水自动控制系统有一些特殊的要求：3（1） 从锅炉启动到正常运行的过程中，蒸汽参数和锅炉负荷波动范围很大。低负荷时虚假水位现象不明显，高负荷时虚假水位明显，因此，为了保证汽包水位、给水流量和蒸汽流量的测量准确性，确保给水全程控制，必须要求这些测量信号能自动进行压力、温度校正，保证测量精度实现更好调节。（2） 目前运行中的火电机组，通常通过改变变速给水泵的转速来控制给水流量。因此在给水全程控制系统中一是要满足给水流量控制的要求，二是要保证给水泵在正常范围内工作。（3） 如前所述，不同负荷阶段锅炉给水调节对象的动态特性不同，故在高、低不同负荷时需要采用不同的控制系统。在低负荷阶段（蒸汽流量小于30%额定值）时，机组采（4） 用滑压运行方式，参数较低，负荷波动范围较小，虚假水位现象不明显，一般采用单冲量控制系统，其由单回路控制系统构成，汽包水位为唯一的反馈信号。在高负荷阶段和机组正常运行时，则采用三冲量控制方式。此时，对给水控制系统的要求是保证岁负荷变化时实现两种控制系统之间的无扰切换。（5） 在给水控制系统中，无论多种调节机构还是高、低负荷之间的不同调节阀门都必须解决切换问题。低负荷阶段通过改变阀门开度维持给水泵的出口压力，而高负荷阶段时通过改变调速泵的转速控制汽包水位，于是还存在阀门与调速泵之间过渡切换问题。（6） 给水控制系统需要满足锅炉在定压运行和滑压运行时，能够很好适应冷态启动和热态启动。第3章 给水调节对象动态特性分析3.1给水调节对象的动态特性汽包锅炉给水调节对象结构示意图如下： 过热器 D 省煤器 W 给水调节阀 汽包 水 循 环图3-1给水调节对象结构示意图如图3-1所示，给水从给水泵出来经过给水母管，通过控制给水调节阀的开度调节进入省煤器的给水流量，经省煤器加热后的给水进入汽包，再经过汽水分离装置分离后，水经下降管进入再循环，蒸汽去再热器进一步加热，到达规定数值后进入汽轮机内做功。汽包水位由汽包内的存水量和水面以下的汽包容积共同决定，而汽包的储水量和水下容积又受到给水流量、锅炉蒸发量、汽包压力、炉膛热负荷等因素的影响，所以以上各影响因素均为给水控制对象的扰动。给水调节对象动态特性分析的主要任务就是研究以上扰动引起汽包水位变化与汽包水位之间的动态关系。3.1.1 给水流量扰动对水位的影响给水流量的扰动是来自控制侧的扰动，故称为内扰，它是给水自动控制系统中影响汽包水位的主要扰动之一。锅炉汽包具有惯性和无自平衡能力的动态特性。当给水流量突然增加时，加上给水温度低于汽包内的饱和水温度，当给水进 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 下的汽泡总体积相应减小，所以在扰动初期汽包水位不会立即升高。当水面以下 汽包容积变化达到平衡后，汽包水位因为给水流量的增加而使水位开始上升。最 终当水面以下汽包容积不在变化时，因为进、出汽包的工质流量不平衡，使得水 位以一定的速度直线上升。图3-2为用MATLAB/ Simulink软件对汽包水位特性进行建模仿真，其中响 应速度为0.1，延迟时间为50s，仿真步长为500。图3-2 给水流量扰动对水位的影响建模仿真仿真结果如下： 汽包水 位 仿真时间图3-3汽包水位变化曲线 图3-3中，纵坐标表示汽包水位/mm,横坐标表示仿真时间/s。图3-3中的蓝 色曲线为仅考虑给水流量增加后水位变化曲线，不考虑因给水流量增加所引起水 面以下汽包容积的变化，呈现积分特性环节；黄色曲线为只考虑给水流量增加所 造成汽包水面以下汽包容积的变化，没有考虑物质平衡关系，呈现惯性特性环节； 红色曲线为给水流量增加后水位的实际变化。在给水流量扰动下，可以认为实际 水位变化曲线为蓝色曲线和黄色曲线的合成。图3-4为当响应时间变化为0.5，延迟时间仍为50，仿真步长变化为1000s 时的仿真模型，仿真结果为图3-5所示。 图3-4响应速度增加后给水流量扰动对水位的影响建模仿真 汽 包 水位 仿真时间图3-5响应速度增加后汽包水位变化曲线比较图3-3、图3-5可以得出，当阶跃相同时，得到的仿真结果却不同，表 明控制对象特性不同时，得到的水位变化曲线不同。图3-3、图3-5分别表示的 锅炉容量小和锅炉容量相对较大时的仿真结果，因此可以得出以下结论：用锅炉 容量的增加来计算响应速度，响应速度越来越快，表明随着锅炉容量的增加和参 数的提高，水位控制要求越来越严格。3.1.2蒸汽流量扰动对水位的影响轮发电机组的负荷变化是蒸汽流量扰动的主要来源，因此蒸汽流量扰动属于 外部扰动。在蒸汽流量产生阶跃扰动时，水位变化的阶跃响应曲线如图3-7所示。 由于汽包水位对象是无自平衡的，蒸汽流量增大也就是负荷增大，汽轮机用气量 增加，此时汽包水位按积分规律下降，如图3-7蓝色曲线所示。但是当锅炉蒸发 量突然增加时，锅炉蒸发强度增加，使得汽包水面以下容积也迅速增加，又因锅 炉蒸发强度的增加是有一定限度的，不可能一直增加，所以由负荷增大引起的汽 包容积增大而引起的水位变化可以用惯性环节来表示，如图3-7中黄色曲线所 示。实际水位变化曲线（图3-7中红色曲线）则为二者的合成。由图3-7还可以看出，当锅炉蒸汽负荷发生变化时，汽包水位变化有方式为： 当负荷突然增加时，虽然锅炉蒸发量大于给水流量，但在负荷变化初期，蒸发强 度增加使汽包水面以下容积增加，且汽包容积变化速度较快，对水位变化起主要 作用，导致汽包水位不仅不下降反而迅速上升，这种现象称为“虚假水位”现象。 当汽包容积与机组负荷相匹配且达到稳定状态时，汽包水位仅由物质平衡关系决 定，此时水位随负荷增大而下降，呈现无自平衡特性。 图3-6为蒸汽流量扰动对的水位影响在MATLAB/Simulink下的建模仿真，响 应速度为0.1，曲线时间常数为50，放大倍数为20，仿真步长为300s。仿真结 果如图3-7所示：图3-6蒸汽流量扰动对的水位影响建模仿真 汽 包 水 位 仿真时间图3-7蒸汽流量扰动对的水位影响响应曲线上面描述的蒸汽流量扰动对水位的影响仅仅考虑蒸发强度变化对汽包容积 变化的影响，只是定性地阐明了汽包水位变化的特点。但实际上，汽轮机用气量 的变化必然引起汽包内力压的变化，汽压变化也会影响到汽包水面下容积的改 变，所以实际情况下“虚假水位”现象会比理论上更严重。3.1.3 炉膛热负荷扰动对水位的影响当燃料量发生扰动时，一定会导致蒸汽量也跟着变化。燃料量增加会使炉膛 热负荷增加，锅炉吸收热量增加从而使蒸发强度增加。如果汽轮机的负荷保持不 变，那么在炉膛热负荷不断增加的情况下，锅炉出口压力提高，使得蒸汽流量也 跟着增加，因为蒸汽量的变化也会造成“虚假水位”的现象，即水位先上升，随 后再下降，但是燃料量的增大速度较缓慢，而且水位还慢慢上升，它将使汽泡体 积减小。因此，燃料量扰动下的虚假水位现象相比较炉膛热负荷扰动下要缓和得 多。 3.2本章小结 本章主要对给水被控对象的动态特性进行了详尽的分析研究。基于汽包水位变化的根本是其物质平衡或能量平衡遭到破坏之原因，分别分析研究了给水流量、蒸汽流量和炉膛热负荷扰动时汽包水位的动态特性。由前面的分析可得出：（1）给水量扰动下汽包水位响应过程具有延迟性； （2） 蒸汽流量扰动下水位响应过程会出现严重的虚假水位现象；（3）炉膛热负 荷扰动下水位响应过程会出现轻微的虚假水位现象。所以在给水控制系统里常常 引入给水流量、炉膛热负荷作为前馈信号，以改善外部扰动时的调节品质，这便 是目前大型机组给水控制系统采用三冲量或多冲量的根本原因。第4章 300MW机组给水控制系统设计4.1 300MW给水热力系统简介图3-1为300MW给水热力系统示意图。给水从除氧器出来后，由给水泵送入高 压加热器，再经省煤器进入汽包。给水泵包括两台电动泵和一台汽动泵，电动泵 容量为50%额定给水流量，汽动泵容量为100%额定给水流量。在启动和低负荷阶段电动泵运行，高负荷阶段（超过30%额定负荷)汽动泵投运，电动泵还可以作为气动泵的备用。每台泵都设有再循环管路，即最小流量保护系统，在低负荷阶段该系统的再循环管路的阀门可以自动打开，使得给水泵出口处有足够的流量，防止泵的汽蚀。低负荷阶段旁路调节阀通过控制锅炉给水量来调节汽包水位，电动泵在最低转速下运行，目的是使泵在安全状态下运行。高负荷阶段，给水旁路调节阀门开度达到最大，为了克服节流损失，主给水电动门也处于打开状态，此时通过调节给水泵转速直接控制给水流量。图4-1 300MW机组给水热力系统示意图4.2整体结构设计4.2.1 给水全程控制系统设计图 300MW机组给水控制系统流程图如图4-2所示。根据工程设计要求，给水从除 氧器出来之后，由给水泵送入高压加热器，再经省煤器进入汽包。给水泵包括两台电动泵和一台汽动泵，电动泵容量为50%额定给水流量，汽动泵容量为100%额定给水流量。在启动和低负荷阶段电动泵运行，高负荷阶段汽动泵运行。图4-2全程给水控制流程图4.2.2控制方案设计锅炉启动及低负荷阶段，由于汽包水位变化不大，虚假水位现象不太明显， 对汽包水位调节要求不高，所以一般采用单冲量控制方案，即控制器只接受汽包 水位唯一一个被控参数。当达到一定负荷后，由负荷变化引起的汽包水位变化加 大，导致虚假水位现象严重，控制系统能自动或手动的切换到三冲量控制系统， 即由蒸汽流量作前馈信号、给水流量作反馈信号和汽包水位共同作用。此外，在 启动和低负荷运行阶段，由于锅炉给水量较小，使得给水泵工作流量较小，从而 导致给水泵得不到足够的冷却而引起泵的气蚀，甚至震动。因此在控制给水流量 的过程中，必须保证给水泵的工作流量始终大于满足泵足够冷却的最小冷却流 量。（1）单冲量给水控制系统其系统图如图4-3所示。单冲量给水控制系统是一种经典的单回路控制系统。 该系统由测量变送单元、调节器、被控对象和执行器构成，通过给水流量控制汽 包水位，汽包水位作为唯一输入信号7。该控制系统的优点是结构简单、投资少、 易实现。但它不能克服虚假水位现象的影响。而且单回路不能及时反馈给水流量 的扰动，调节作用比较慢。因此，该系统仅在启动和低负荷运行阶段起作用。图4-3 单冲量给水控制系统图（2） 串级三冲量给水控制系统其系统图如图4-4所示，该系统由两个PI控制器进行水位控制。主调节器PI1为一比例积分调节器，其作用是保证水位控制无静态偏差。PI1的输出信号、给水流量信号和蒸汽流量信号都作用在PI2上，副调节器通常为比例调节器，其作用确保副回路的快速性。当给水流量发生自发性扰动或蒸汽流量发生改变时，给水流量很快发生改变，使得给水流量与蒸汽流量相等。主调节器PI1主要负责调节水位偏差，主蒸汽流量强度系数的大小则由锅炉“虚假水位”的水平确定，从而当负荷发生变化时，主蒸汽流量作为前馈信号在很大程度上克服虚假水位的影响，提高控制质量。 图4-4 串级三重量给水控制系统4.2.3 300M机组给水控制过程分析 机组给水控制系统的SAMA图如图4-5所示。 图4-5 300MW机组给水控制系统原理图1. 电动启动过程（1） 启动、冲转阶段。此阶段过程中采用单冲量给水控制系统。在刚开始启动 时，主给水阀门处于封闭状态，电动泵保持在较低转速，改变给水旁门阀门开度 来控制给水流量调节水位。控制原理如图4-5所示。此过程中，设定值和实际值 之间的偏差通过启动控制阀调节器PID1进行运算，从启动控制阀M/A出来的自 动控制指令通过调节启动调节阀进而控制进入汽包的给水量，最后使水位维持在 正常范围内。（2） 带25%负荷阶段。当负荷升高到一定值时，给水量也必须随之增大，启动 调节阀门开度逐渐增大，到了一定程度后，系统调节性能变差，此时应手动增大 主给水阀门开度。当负荷增大和控制阀门开度增大以后，如果当控制阀对给水调 节不起作用时，应该手动升高电动泵转速，增大给水流量，提高给水压头。（3） 升负荷25%-30%阶段。随着负荷逐渐升高，给水压力增大，阀门处因节流产生的压差也随之增大。当阀门开度大于90%，此时把电动泵转速控制方式改为自动控制。这时候给水控制阀控制方式改成了给水泵转速控制方式。水位实际值与给定值之间的偏差由单冲量控制器进行计算。控制器输出的指令经过电动泵M/A站进入到电动泵给水勺管，自动控制电动泵转速，最终水位稳定在一个。2. 电动泵三冲量控制升负荷30%-100%阶段。这个阶段三冲量控制系统调节给水泵转速。随着负荷继续增大，PID2已不能保证调节质量，因此当负荷（蒸汽流量）大于30%后，应改用三冲量控制系统。当来自给水流量的反馈信号进入到PID3，调节器能过在给水流量发生波动时很快调节泵的转速，改善水位波动。为了使进入锅炉的给水量和流出的蒸汽量相适应，将蒸汽流量信号当做PID3初始值的一部分，从而改善虚假水位现象对水位控制的影响。三冲量水位调节器PID4把汽包水位实际值与设计值的偏差进行运算，目的是使水位维持不变，该调解器输出的指令将变成给水量设定值的另一部分。3. 汽动泵投入运行 随着负荷不断增大，气泵组暖机并启动，小汽机转速也不断升高，泵的出口压头不断升高。当泵的转速超过额定值后，小汽机投遥控方式以便在其M/A站上直接控制转速。当给水母管压头稍微小于泵的出口压头后，打开气泵出口阀，然后接着手动调节气动泵转速，目的是为了让汽动泵转速与电动泵转速相匹配。这时候水位还是由电泵自动控制。 当汽泵与电泵流量近似相等时，把汽泵投入自动，之后汽动泵按照三冲量方案自动运行。然后电泵转速逐渐降低，转速控制M/A站换成手动，流量很小时直接关闭出口阀门，电动泵停止运行。采用MASTER目的是使两台汽动泵负荷相等。4. 减负荷过程 此过程中控制操作顺序与上述过程正好相反，此外，还应在各负荷切换时增加2%的不灵敏区，目的是当负荷波动引起的控制系统来回切换时，避免系统设备频繁变化影响机组设备的安全性与经济性。 5. 最小流量保护 因为除氧器中的都是饱和水，给水泵入口出也可近似认为是饱和水，故气蚀余量较小。不过，当启动或负荷脚低时，给水泵流量较小，泵的效率不高，再加上冷却不足，将造成给水泵的气蚀。因此需要在泵的出口与除氧器中间假设一台再循环管和一个再循环控制阀，作用是保证最低安全流量，防止泵的气蚀。 第5章 300MW机组给水控制系统MATLAB仿真5.1建模仿真的目的 为了确定单冲量和三冲量给水控制系统、电动给水泵控制系统、汽动泵给水控制系统调节器的最佳整定参数及参数可调范围5，针对现存火力发电厂存在的一些问题提出可行性优化方案，从而使得电厂给水控制系统具有更高的经济性、鲁棒性和稳定性。因此，本文对300MW机组给水控制系统进行了建模仿真。5.2存在的机组主要问题及任务电厂给水控制系统一般采用一段式给水控制系统，即用给水旁路调节阀控制给水母馆压力，用变速给水泵控制汽包水位。也就是给水旁路调节阀在机组启动、低负荷阶段和高负荷阶段均要起作用，为了使调节阀压差维持在给定值范围内，用电动给水勺来调节汽包水位。然而，这种控制方式的缺点是，给水旁路调节阀和电动给水勺管都会对汽包水位产生影响。因此当二者之间产生联系时加大了水位调节的难度。本设计使用Simulink软件，对影响汽包水位和给水旁路调节阀压差的各个控制对象的动态特性进行建模，减少两个控制系统之间的联系，以获取最佳控制方案和参数。 5.3 启动或低负荷时给水控制系统建模及仿真5.3.1 模型分析 在低负荷阶段,主蒸汽压力、风烟及燃料系统保持不变,给水旁路调节阀们开度18%。当电动给水泵勺管发生扰动时,汽包水位动态特性W11表现为有起始惯性的无自平衡能力环节,给水旁路调节阀前后差压动态特性W21表现为延迟性的一阶惯性环节,它们对应的传递函数分别为:6 （1） （2） 与上述相同工况下,维持电动给水泵勺管开度在40%不变,对给水旁路调节阀进行10%开度的阶跃扰动,计算出给水旁路调节阀扰动下汽包水位动态特性W12及其前后差压动态特性W22分别为:6 （3） （4）5.3.2 仿真系统的分析 在低负荷阶段，用Simnlink软件分别对W11、W21、W12、W22进行仿真分析：（1） W11为电动给水勺管发生扰动时对汽包水位的影响，现给出仿真模型如下：（a） 开环控制系统 （b） 闭环控制系统图5-1电动给水勺管扰动下水位动态特性如图5-1所示为电动给水勺管扰动下水位动态特性，输入信号为单位阶跃信号，延迟时间为10S,（a）图仿真步长为300s,（b）图仿真步长为1500s,汽包水位动态特性呈现出有起始惯性且无自平衡能力的特性。图5-2 （a）开环控制系统响应曲线图5-2（b）闭环控制系统响应曲线如图5-2所示，为电动给水勺管扰动下在Simulink软件下的响应曲线。图（a）中黄色曲线为单位阶跃信号的响应曲线，图（b）中黄色信号为单位阶信号，红色曲线为汽包水位变化曲线。由图中可以看出，在电动给水勺管扰动下，汽包水位变化最大超调量为0.4，最终达到平衡时静态超调量为0。（2）W12为给水旁路调节阀发生扰动时，对汽包水位的影响，其仿真模型如下图：图5-3给水旁路调节阀扰动下的水位动态特性建模 如图5-3为给水旁路调节阀扰动下水位动态特性模型，输入信号为单位阶跃信号，延迟时间为40S,仿真步长为300s。仿真结果见图5-4。图5-4开环控制系统响应曲线 在图5-4中，黄色曲线为单位阶跃信号（也就是输入信号），红色曲线为汽包水位响应曲线。通过对（1）和（2）的仿真结果进行比较可以看出，在低负荷时，给水旁路调节阀扰动比电动给水勺管对谁位的影响更加明显，速度更快。（3） W21为电动泵勺管扰动时对给水旁路调节阀压差的影响，其仿真模型如下图： 图5-5 电动泵勺管扰动对给水旁路调节阀压差的影响 在图5-5中，输入信号为单位阶跃信号，延迟时间为6S，该模型拥有一个一阶惯性环节，仿真结果如图5-6所示。图5-6 开环控制系统阶跃响应曲线（4） W22为给水旁路调节阀开度变化时对调节阀前后压差的影响，其仿真模型如图5-7所示：图5-7 给水旁路调节阀开度扰动对调节阀前后压差动态特性建模 在图5-7中，输入信号为单位阶跃信号，作为给水旁路调节阀开路的扰动，延迟时间为3s,仿真步长为200s,给水旁路调节阀开度扰动下对给水旁路调节阀前后压差表现为一节惯性特性，仿真结果如图5-8所示：图5-8 开环控制系统仿真响应曲线通过对（3）和（4）进行比较可以得出，当给水调节阀开度较小时，汽包水位变话较名显，因此，在低负荷阶段，通过控制给水调节阀的开度来控制给水流量，能够很好得调节汽包水位。5.3.3低负荷阶段控制系统优化 因为水位控制系统和给水旁路调节阀控制系统存在严重耦合问题，控制系统动态解耦的典型方法是确定耦合系统中变量匹配的关系,因此Simulink中重新对被调量和控制变量进行匹配,将原有控制方案优化为汽包水位由给水旁路调节阀控制,给水旁路调节阀前后差压由电动给水泵勺管控制,以确保汽包水位和差压调节相对独立。6优化后的控制原理见图5-9。 图5-9 低负荷时优化后的控制方案 在图5-9中，Gain1为1，Gain2为1，Gain3为1，Gain为0.087，Delay1为6s,Delay2为3s,Delay为10s,Delay3为40s。5.3.4给水控制系统调节器参数整定（1） 对优化后的控制方案中调节阀压差控制系统进行仿真，其仿真模型如图5-10所示，其中仿真步长为100s。图5-10调节阀压差控制系统建模仿真结果如图5-11所示：图5-11调节阀压差控制系统仿真响应曲线图5-12调节器参数设置结论：如图5-12所示，为调节阀压差控制系统的调节器参数设置，由图5-11的仿真结果可以看出，调节器参数设置良好。 （2） 对优化后的控制方案中汽包水位控制系统进行仿真分析，仿真步长为400s,其控制系统模型如图5-13所示：图5-13 汽包水位控制系统仿真模型仿真结果如图5-14所示： 图5-14 汽包水位控制系统响应曲线图5-15汽包水位控制系统调节器参数设置图5-15为，为调节器参数设置，由图5-14仿真结果可以得出，汽包水位控制系统的最大动态偏差为0.1mm,平衡后静态偏差为0mm,表明调节器调节作用良好。如图5-16所示，为仿真规程中所加的随机扰动信号，其作用是测试给水控制系统抗干扰能力。图5-16 随机扰动信号 综合以上分析，在MATLAB/Simulink软件中PI调节器和PID调节器参数设置结果如图5-17所示。图5-17 （a）PI调节器参数设置图5-17 （b）PID调节器参数设置最终各调节器参数自整定结果见表5-1：表5-1 低负荷各PID控制器最佳控制参数控制器KIDNPI13.21.6PID0.081.320.004151382.80.007245.3.5 低负荷控制系统仿真（1） 针对优化后的控制方案，当给水旁路调节阀设定值和汽包水位设定值发生扰动时进行仿真。 如图5-18（a）所示为给水旁路调节阀压差扰动曲线，仿真步长为1000S,阶跃扰动信号产生时间为200s。图中黄色曲线为给水旁路调