自动化毕业论文大机组汽包锅炉给水控制系统.pdf

华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） I 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 华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） II DESINGAND RESEARCH OF DRUM LEVEL FULL CONTROL Abstract The full-range feed-water control system is a main subsystem of thermo-electric generating unit in coordinated control. Its reliability is most closely related to the safety of whole power network. The feed-water features and requirements of thermo-electric generating unit were analyzed comprehensively based on basic automatic control theories. and the control strategy was realized by combining three-impulse with single-impulse feed-water control system. From startup to full load operation, The full-range feed-water control system always keeps the steam level within an acceptable range. The system has the characteristics of higher water level control accuracy, smaller overshoot and lower error in steady state. In addition, several key design techniques are presented, which can be applied to the design and debugging of The full-range feed-water control system Keywords:three element control；cascade configuration；switch ；track 华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） 目录 摘要.I ABSTRACT.II 目录.I 1 绪论1 1.1 课题的研究背景及意义1 1.2 国内外全程给水研究现状1 1.3 课题主要研究工作2 2 给水被控对象的动态特性.3 2.1 全程控制的概念.3 2.2 给水控制对象的动态特性.3 2.2.1 给水流量扰动下水位的动态特性.3 2.2.2 蒸汽流量扰动下水位的动态特性.5 2.2.3 炉膛热负荷扰动下水位的动态特性.6 3 全程给水控制系统需解决的关键问题.7 3.1 信号的自动校正.7 3.1.1 水位信号的压力校正7 3.1.2 过热蒸汽流量信号的压力、温度校正9 3.1.3 给水流量信号的温度校正.10 3.2 给水泵安全特性要求11 3.3 切换问题12 3.3.1 给水流量的测量装置的切换问题.12 3.3.2 大小调节阀门的切换问题.14 3.3.3 系统的无扰切换问题.15 4 给水自动控制系统方案.17 5 给水全程控制系统设计.21 5.1 全程给水系统说明21 6 仿真及整定.23 6.1 子系统仿真.23 6.2 全程给水系统仿真.26 6.3 鲁棒性测试.28 全文总结.30 参考文献.31 致谢.32 华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） 1 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-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 华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） 2 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。 华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） 3 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。 华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） 4 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W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： -水位响应速度，即单位给水量扰动时，水位的变化速度，mm.s 1 .h.t 1 ； - 迟延时间，s。 和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，=10s，=0.015 mm.s 1 .h.t 1 ；对于容量为 670t/h，参数为 14MPa、540的超高 压炉，=510s，=0.00950.0125 mm.s 1 .h.t 1 。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。 s)1 ( )( )( sSW SH ww 华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） 5 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：T2-H2曲线的时间常数；K 2- H2曲线的放大系数；-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 100670t/h 中、高压锅炉，当负荷阶 跃变化 10%时，虚假水位可达 3040mm。 图 2.2 蒸汽流量阶跃扰动下水位响应曲线 ssT K SD SH S WD 1)( )( )( 2 2 华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） 6 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（、）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。 华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） 7 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。 从图 3.1 中可以看出： 1 P= G h+ s a acbb hH 2 4 )( 2 2 P= a H 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； s g饱和蒸汽的密度； G g饱和水的密度； a g汽包外平衡容器内凝结 水的密度。 华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） 8 hHhHPPP ssGa 12 =hH sGsa )()( sG sa PH h )( (3-1) 当 H 一定时，水位 h 是差压和汽、水密度的函数。密度 a 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 a 的影响基本上可抵消， 即可近似地认为 a 是恒值。 而饱和水和饱和汽的密度 G 和 s 均 为为汽包压力 Pb的函数，即 )( basa Pf )( bbsG Pf 所以式（3-1）可以改写为 )( )( bb ba Pf PHPf h （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 f 1（x） 、f 2（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。 从图 3.3 中曲线可以看出， a s 与 P b 的关系在较大范围内可近似地认为是线性关 系即 bsa Pkk 2 1 )( )()( 2 1bsa PkkHH bsa PkkH 21 )( 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 华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） 9 则式（3-l）可改写为 )( 21 bb b Pf PPkk h (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。 这种测量装置中，水位表达式为 sG P h (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 as 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 100 61. 566. 1 100 57.18 2 .10 PT P PkPkD (3-5) 式中D热蒸汽流量； P过热蒸汽压力； T过热蒸汽温度； 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 华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） 10 P节流件差压； 过热蒸汽密度； k流量系数。 按（35）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。 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 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 19.6MPa 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。 图 3.6过热蒸汽流量信号的压力、温度自动校正线路图 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 华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） 11 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。 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 图 3.10 给水泵出口压力调整时的工况 华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） 12 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 华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） 13 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。 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1 中， 主给水流量信号 W1 减去旁路给水流量信号 0.25W 2， 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（W1-0.25 W2） ，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2 的输出信号为 112 (0. 25)WWkWW=- 式中W总给水流量信号； W 1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， 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 华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） 14 从而提高了测量精度。 3.3.2 大小调节阀门的切换问题 在给水全程控制中，低负荷时通常用旁路阀门（即小阀门）调节给水流量，高负荷时 用主给水阀门（即大阀门）调节给水流量。在负荷变化时，大小阀门就需要进行无扰切换。 图 3.13 表示的是这种切换的线路原理。 从图 3.13 中可以看出，在低负荷时，继电器接点 KJ 断开，定值组件 GH 发出 l0V 的 阶跃信号，经过加法器，直接送到小阀回路中的乘法器，即 小 b=l0V。小阀回路乘法器输出 小 u c ab小 10 10 a a 其中 （c =10V） 。a 信号即为调节器的输出信号，所以小阀回路中的控制信号即为调 节器输出信号，小阀处于工作状态。 与此同时，大阀门处于关闭状态。这是因为 KJ 断开，限速组件的输出信号 b 为 0， 则大阀回路中的乘法器输出 大 U= c ab小 = 0 10 a =0 当机组负荷增加，给水流量增大到一定值时，绝对值报警组件 H/ L 动作，使继电组件 KJ 激励，接点 KJ 闭合。这时，限速组件输入为一个 l0V 的阶跃信号，其输出 b 变为斜坡 信号，当斜坡信号达到 l0 V 时， 大 Uab c 10 10 a a 图 3.13 大小调节阀无扰切换原理图 华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） 15 即大阀门逐渐开大，最后变为调节器的输出信号，大阀门参与工作。 与此同时，加法器的输出信号，即小阀门回路中的 小 b信号如图中所示，为一个由大到 小的斜坡信号。当 小 b信号降为零时，小阀门回路的乘法器输出 大 U c ab小 0 10 a 0 即在大阀门开大时，小阀门相应关小，直到全部关闭。 由于两个阀门的流通量是不同的，所以两个阀门的开关速度应该是不同的（如图 3.14 所示） ，而流量应该保持相等，这可以通过比例系数和偏置值进行调整。 继电组件 KJ 是由给水流量控制的组件，为了防止启停过程中造成阀门的多次反复切 换，切换点电压应具有一定的滞环值。 调节阀的切换与截门的切换应密切配合，截门应在调节阀投入工作之前打开。 3.3.3 系统的无扰切换问题 串级三冲量给水控制系统 由汽包锅炉给水控制对象动态特性的特点， 可以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。 （2） 由于对象在蒸汽负荷扰动时，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，调解器将使给水流量向与负荷变 化相反的方向变化，从而扩大了锅炉进出流量的不平衡。 （3） 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品质。 总之，由于给水控制系统被控对象的特点，决定了采用单回路反馈控制系统不能满足 图 3.14 大小阀门开度变化曲线 华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） 16 生产对控制品质的要求，所以电站起爆锅炉的给水自动控制普遍采用三冲量给水自动控 制。系统结构和工作原理串级三冲量给水控制系统图如图 3.1 所示。 串级三冲量控制系统的控制任务由两个调节器来完成，主调节器 PI1 采用比例积分控 制，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 PI2，一般副调节器都采用比例控制规律，以保证副调节回路的快速性。 串级系统主副调节器控制任务不同， 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 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 强度按静态配比来进行整定， 却可以根 据对象在外绕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。 所以，三冲量系统有很好的控制品质。 锅炉在不同的负荷和参数下，其给水被控对象的动态特性是不同的。低负荷时，由于 蒸汽参数低，负荷变化小，虚假水位现象不太严重，对维持水位恒定的要求又不太高，所 以允许采用单冲量给水控制系统。 此时如果采用多种自动校正措施， 则会使系统结构复杂， 整定困难，同时仍然存在误差。于是出现了低负荷时采用单冲量，高负荷时采用三冲量的 给水全程控制系统，如图 3.15 所示。 图 3.15 单冲量系统与三冲量系统相互切换和跟综线路 华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） 17 图中 PIl 是低负荷时的单冲量给水调节器，它只接受经过自动校正后（图中未表示水 位信号的自动校正回路）的水位信号。高负荷时采用串级三冲量给水控制系统，其中 PI2 为主调节器，接受水位信号 PI3 为副调节器，除接受主调节器校正信号外，还接受蒸汽流 量信号 D 及给水流量信号 W。两套控制系统的切换是根据锅炉负荷（蒸汽流量）的大小进 行的。蒸汽流量信号送入偏差报警继电器 KJ，控制继电器接点 lC 和 3C。当单冲量系统运 行时，lC 闭合，3C 断开。当要求三冲量系统运行时，3C 闭合，lC 断开。系统的切换在 25% 负荷左右进行。为了防止因负荷波动造成系统反复切换，切换值应有 10%的滞环值，就是 说出单冲量系统切换为冲量系统是在 30%负荷下进行的，由三冲量系统切换为单冲量系统 是在 20%负荷下进行的。设计跟踪系统的基本原则是：当三冲量系统运行时，要求 PI1 调 节器的输出跟踪 PI3 调节器的输出；单冲量系统运行时，要求 PI3 调节器的输出跟踪 PI1 调节器的输出；主调节器 PI2 的输出应保证加法器的输出跟踪给水流量信号。 4 给水自动控制系统方案 由于在低负荷是虚假水位现象并不严重，所以仅用简单的单冲量就可以达到控制效 果，并且一般在低负荷时都是通过调节小阀来控制水位，当负荷升高到一定程度，才通过 调节电动泵或气动泵来调节给水量，所以现在电厂通常采用的给水控制系统是低负荷使用 单回路控制，高负荷使用三冲量控制。即所谓两段控制，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。 全程控制的方案有很多，主要有以下几种： 华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） 18 方案一 如图 4.1 所示。这是一个两段调节的方案，用改变调节阀门的开度来控制给水 量。低负荷时用小阀门单冲量系统（PI1） ，高负荷时用大阀门三冲量系统（PI2） 。在两种 情况下，都用调节器 PI3，既保证调速泵在安全转速内工作，又使给水阀门两端差压保持 为定值。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。 方案二 如图 4.2 所示。这也是一个两段调节的方案。调节器 PI1、PI2 调节阀门开度， 控制给水流量，小负荷采用单冲量系统，大负荷采用三冲量系统。调节器 PI3 保证调速泵 出口压力为一定值 Ps（要求 Ps Pb+Hp+ k 2 G） ， （Pb为汽包压力、Hp为泵出口到汽包的压 力损失，k 2 G为阻力） ，既保证调速泵工作在安全区内，同时又使泵在热态启动和冷态启动 时有相应的转速。这个方案结构较方案一简单，但仍都采用阀门调节，故经济性仍差。 方案三 如图 4.3 所示。这个方案中，低负荷时通过大值选择器和调节器 PI3，使泵运 行在安全工作的最低转速 nmin， 通过 PIl 改变阀门开度来实现给水量调节， 所以这时为两段 调节。而在高负荷时，阀门开到最大，三冲量调节器 PI2 的输出大于 nmin值，故它的输出 去改变 PI3 的输出，使泵的转速改变，从而调节给水量，所以这时是一段调节。此方案中， 在变负荷时用改变泵转速控制给水量，保持水位，经济性大大改善。但由于有系统、调节 段、阀门等三种切换，线路复杂，不易掌握，可靠性也相应下降。 图 4.1方案系统示意图 图 4.2方案二系统示意图 华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） 19 方案四 如图 4.4 所示。此方案在低负荷时用 PI1 调节器改变阀门开度来改变给水量， 保持水位。同时，使用泵前压力调节器 PI3 控制压力，既使泵工作在安全工作区内，又保 证安全供水所需的必要的泵出口压力。在高负荷时切到三冲量控制系统，这时阀门开到最 大，PI2 的输出直接改变变速泵转速，达到改变给水量、保持水位的目的。此时泵负荷增 大，即自然工作在安全区内，故不需 PI3 再进行工作。此方案经济性好，切换简单，实现 方便。但由于系统切换与调节段切换是同时进行的，而这两者的要求又是不同的，往往因 为要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，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。 方案五 如图 4.5 所示。这个方案中，低负荷时采用单冲量系统（PI1） ，高负荷时采用 三冲量系统（PI2） ，而且都是通过改变调速泵转速来实现给水量的调节。为了保证给水泵 工作在安全工作区内，设计了一个给水泵出口压力调节系统（PI3） ，通过改变阀门开度来 改变泵的出口压力。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作为压力测量值，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。当机组热启动时，高压加热器出口的给水压力高于泵的 图 4.3方案三系统示意图 图 4.4方案四系统示意图 华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） 20 出口压力，小选组件输出为泵出口压力，保证泵出口给水压力升压过程中，两个调节阀门 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，才按高压加热器出口 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，切换较简单， 安全可靠性也较好。不足之处是压力调节系统和水位调节系统互相影响，同时两个系统切 换动作频繁，使调节阀磨损较快。 方案六如图 4.6 所示。这是一个一段调节的方案，在低负荷时采用 PI1 单冲量系 统，这时调速泵由大值选择器的输出（GH1）值来控制，使泵维持在允许的最低转速。此 时给水量是通过改变调节阀开度来调节的。高负荷时，阀门开到最大，为了减小阻力，把 并联的调节阀也开到最大，三冲量调节器 PI2 的输出大于 GH1 的值，故可直接改变调速泵 转速控制给水量。 在冷态启动时，GH1 起作用，即让泵工作在最低转速。在热态启动时取决于 Pb值， 泵可以直接工作在较高的转速。 这个方案中没有专门设计泵出口压力安全调节系统，解决给水泵在安全工作区的办法 是利用调速泵运行的自然特性，即在定压运行时用两台泵同时给水的方法，使每台泵的负 荷不超过 86%，这样泵就自然工作在安全区内。 这个方案结构最简单，系统和调节段两种切换互相错开，Pb是开环调节，调节段是无 触点自由过渡，安全性能好，是一个好方案。 图 4.5方案五系统示意图 华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） 21 由以上分析可以看出，方案四、五、六都是较好的方案，特别是方案五、六，优点更 多些。 5 给水全程控制系统设计 5.1 全程给水系统说明 全程给水 sama 图见附录 逻辑信号说明 逻辑信号 1：给水手动或负荷30%，PID3 跟踪 逻辑信号 2：当 1PI 处于跟踪状态时，给水手动并且旁阀开度90%，PID1 跟踪信号 V；否则跟踪 A 泵和 B 泵中转速较大的值。 逻辑信号 3：给水手动或负荷30%，PID2 跟踪。 逻辑信号 4：给水手动或负荷30%，PID1 跟踪。 图 4.6方案六系统示意图 华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） 22 逻辑信号 5：旁阀双回路跟踪时，将接通旁阀位置反馈信号；否则，接通手动给定值。 逻辑信号 6：旁阀双回路跟踪或手动时，接通反馈值；否则，接通控制信号。 逻辑信号 7：给水手动时，接通 A 泵转速反馈值；否则，接通控制信号 PID2 输出。 逻辑信号 8：A 泵双回路跟踪时，接通 A 泵转速反馈值；否则，接通手动给定值。 逻辑信号 9：A 泵手动时，接通转速反馈值或者手动给定值；否则，接通控制信号。 逻辑信号 10：A 泵转速信号反馈值与给定值偏差太大时报警。 逻辑信号 12：B 泵双回路跟踪时，接通 B 泵转速反馈值；否则，接通手动给定值。 逻辑信号 13：B 泵手动时，接通转速反馈值或者手动给定值；否则，接通控制信号。 逻辑信号 14：A 泵转速信号反馈值与给定值偏差太大时报警。 控制系统的跟踪与切换 当负荷小于 30%时， 采用单回路输出信号来控制阀门开度， 此时三冲量主调节器 PID1 跟踪总给水流量与主蒸汽流量 SW 之差，三冲量副调节器 PID2 的输入信号即为 0，PID2 输出跟踪单回路控制器 PID3 的输出，并产生控制信号去控制阀门和电泵。 当负荷增加到 30%后，采用三冲量进行控制此时，PID1 停止跟踪，该将水位给定值 H 和测量值进行偏差运算并进行调节，其结果经过高低限幅运算与主蒸汽流量一同送入副调 节器 PID2，此时 PID2 也停止跟踪，进行调节工作，输出控制信号。由于在负荷30%时， PID2 的输出是跟踪 PID3 的，所以切换是无扰动的。PID3 这时转为跟踪 PID2 输出的控制 信号，以实现由三冲量向单冲量的切换也能无扰进行。 泵和阀门的运行 从 3PI 输出的控制信号经过 f1(x)运算后，转化为使旁阀开度在 0100%时，符合可以 从 030%变化的信号。并由位置变送器 ZT 将旁阀位置反馈回来，如果反馈值和位置信号 相差过大，则出现旁阀阀位偏差报警。 3PI 的输出经过 f2(x)运算后变为可以在 0100%负荷调节给水量的信号去控制 A 泵转 速。该信号经过一个低限幅模块后，在符合小于 30%时，不动作，电泵维持在最低转速。 只有当负荷升高到一定程度，控制信号经 f2(x)运算后大于给定值时，才能作为泵的转速给 定值去控制泵的给水流量。同时，转速测量装置会将泵的转速反馈回来，若和给定值偏差 过大，则会出现 A 泵转速偏差报警。B 泵同理。 手/自动切换问题 当给水手动控制时，也存在跟踪问题。PID3 在手动并且旁阀开度大于 30%时，会跟踪 A 泵和 B 泵转速信号中的较大值， 在手动并且旁阀开度小于 30%时， 会跟踪旁阀位置信号。 此时，PID2 跟踪 PID3 的输出信号。PID1 跟踪给水流量与蒸汽流量 SW 之差，当旁阀硬手 操时，则处于双回路跟踪状态，这时控制信号直接跟踪旁阀位置变送器的输出值。如果旁 阀处于手动，则跟踪手动给定值。A 泵和 B 泵同理。由于这些跟踪，使得在手/自动切换时 得以无扰进行。 华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） 23 6 仿真及整定 采用的仿真软件为 MATLAB，在其 Simulink 工具箱中搭建仿真框图进行仿真。 6.1 子系统仿真 搭建单回路仿真框图如图 6.1： 华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） 24 图 6.1 单回路仿真框图 其中， 1 2 1 ( ) 58 w Gs ss 为给水流量在低负荷时对汽包水位的传递函数。 经整定得 P= 5 ，I=0.4 系统在给定值扰动下的阶跃响应曲线如图 6.2： 图 6.2 单回路系统在给定值单位阶跃扰动下的响应曲线 指标超调量衰减率调节时间稳态误差 结果30%90%103s0 搭建串级三冲量