给水系统过程控制课程设计-汽包锅炉给水控制.doc

1 给水控制系统的任务给水控制系统的任务 .1 2 锅炉机组给水控制系统锅炉机组给水控制系统 .1 2.1 给水控制系统的基本方案.1 2.2 给水控制系统基本要求.3 2.3 给水全程控制的关键问题.4 2.4 锅炉汽包.4 2.4.1 汽包的工作原理.4 2.4.2 影响汽包水位变化的因素.5 2.5 控制回路 SAMA 分析.5 2.5.1 水位信号校正.5 2.5.2 给水流量信号校正.7 2.5.3 主蒸汽流量信号校正.8 2.5.4 旁路给水控制.8 2.5.5 电动泵的控制.8 2.5.6 汽动泵的控制.9 2.5.7 单冲量/三冲量转换.9 3 控制过程分析控制过程分析 .10 3.1 启动、冲转及带 25%负荷.10 3.2 升负荷 25%30%.11 3.3 30%100%负荷阶段.11 3.4 减负荷过程.12 4 控制过程中的跟踪与切换控制过程中的跟踪与切换 .12 4.1 阀门和泵的运行及切换.12 4.2 泵组的切换.12 4.3 系统间的无扰切换.12 4.4 跟踪原则.13 5 总结总结 .13 参考文献参考文献 .14 1 1 给水控制系统的任务给水控制系统的任务 汽包锅炉给水控制的任务是使给水量适应锅炉的蒸发量，维持汽包水位在规定的范 围呢。通过本课程设计，能较好的运用过程控制的基本概念、基础理论与方法，根据大 型火电机组的生产实际，对火电机组的过程控制系统进行分析，设计出原理正确、功能 较为全面的 300MW 火电机组给水控制系统。 2 锅炉机组给水控制系统锅炉机组给水控制系统 2.12.1 给水控制系统给水控制系统的的基本方案基本方案 目前大多数锅炉分为汽包锅炉和直流锅炉两种。他们的给水控制任务有些不同。汽 包锅炉给水自动控制系统的任务是维持汽包水位在设定数值。直流锅炉给水自动控制系 统的任务，是使用给水流量来控制锅炉负荷或控制过热器中某点温度。 对于汽包锅炉给水控制系统来说，有三种基本结构如下图： 1单冲量控制系统：其基本结构如图 1（1）所示，该系统是一个只采用汽包水位信 号和一个 PI 调节器的反馈控制系统。这种给水控制系统结构简单，整定方便，但使用它 来调节水位，汽包水位波动较大，稳定性也较低。 2单级三冲量控制系统：其基本结构如图 1（2）所示，该系统采用一个 PI 调节器， 并根据汽包水位、蒸汽流量和给水流量三个信号的变化去控制给水流量。与单冲量系统 相比，该系统引入了蒸汽流量信号和给水流量信号，引入的蒸汽流量信号（前馈信号） 可以克服汽包的虚假水位，引入给水流量信号可以抑制给水自发性扰动，保持了给水流 量的稳定。事实上由于检测、变送设备的误差等因素的影响，蒸汽流量和给水流量这两 个信号的测量值在稳态时难以做到完全相等，且单级三冲量控制系统一个调节器参数整 定需兼顾较多的因素，所以，现实中很少采用单级三冲量给水控制系统。 3串级三冲量控制系统：其基本结构如图 1（3）所示，该系统由主、副两个 PI 调 节器和三个冲量（汽包水位、蒸汽流量、给水流量）构成。与单级三冲量系统相比，该 系统多采用了一个 PI 调节器，两个调节器分工明确、串联工作，主调节器 PI1 为水位调 节器，它根据水位偏差产生给水流量给定值，副调节器 PI2 为给水流量调节器，它根据 给水流量偏差控制给水流量，并消除给水侧的扰动；蒸汽流量信号作为前馈信号用来维 2 持负荷变动时的物质平衡，由此构成的是一个前馈反馈双回路控制系统。可见，串级 三冲量控制系统比单级三冲量控制系统的工作更合理，控制品质要好，是现场广泛采用 的给水控制系统。 执行机构执行机构 执行机构 PI PI2 PI1 + + + + + + - - - - - K K K K 给水流量 调节器 （1）单冲量控制 （2）单级三冲量控制 （3）串级三冲量控制 图 1 给水控制系统的基本结构 目前，大机火电机组，特别是 300MW 及以上的机组，其汽包锅炉的给水控制系统大 都采用给水全程控制系统。这种系统并不是某种单一的单冲量或三冲量控制系统，而是 单冲量和三冲量控制系统有机结合所构成的给水控制系统，且具有完善的控制方式自动 切换和连锁逻辑。 为保证机组的安全运行，我们对给水控制系统提出了很高的要求：在控制设备正常 的条件下，不需要操作人员干涉，就能保证汽包水位在允许范围内，这是一个比较复杂 的过程，因此对给水控制系统提出以下要求： 1.在给水控制系统中，不仅要满足给水调节的要求，同时还要保证给水泵工作在安 全区内，这往往需要有两套控制系统来完成，即所谓的两段调节。 汽包 水位 水位 给定值 3 2.由于机组在不同的负荷下呈现不同的对象特性，要求控制系统能适应这样的特性。 随着负荷的增长或降低，系统要能从单冲量过度到三冲量，或从三冲量过度到单冲量系 统，由此产生了系统的切换问题，并且必须保证两套系统相互切换的控制线路。 3.由于给水自动控制范围较宽，对各个信号的准确测量提出了更高的、更严格的要 求。 4.在多种调节机构的复杂切换过程中，给水控制系统都必须保证无扰。另外，点火 后升温升压过程中，由于锅炉没有输出蒸汽流量，给水量及其变化量都很小，此时单冲 量调节系统也不十分理想，就需要开启阀门的方法（双位调节方式）进行水位调节。 5.给水自动控制还必须适应机组的定压运行和滑压运行工况，必须适应冷态启动和 热态启动的情况。 随着锅炉容量和参数的提高，汽包的容积相对减少，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。 2.22.2 给水控制系统基本要求给水控制系统基本要求 汽包锅炉给水自动调节的主要任务是维持汽包水位在允许范围内变化。影响水位变 化的主要因素有锅炉的蒸发量、给水流量和燃烧率等。当蒸汽流量突然增大时，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。但是当锅炉蒸发量突然增 加时，汽包水面下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是惯性环节的特 性。实际水位变化的趋势是两种特性的迭加。 由此可以看出，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，当负荷突然减小时，水位反而先下降），这种现象就是“虚假水位”现 象。另外，给水流量和燃烧率扰动由于水面下汽泡的原因，也能产生虚假水位，因此给 水控制系统不能单单以汽包水位为被调量，为了减少或抵消虚假水位现象，就必须采用 三冲量调节系统。 给水控制是串级调节系统，主调节器接受水位信号，对水位起校正作用，是细调； 其输出作为副调节器的给定值，副调节器的被调量是给水流量，目的是快速消除来自水 侧的扰动。 4 2.32.3 给水全程控制的关键问题给水全程控制的关键问题 所谓给水全程自动控制是指锅炉自动启动到正常运行再到停火冷却全过程均为自动 调节，其任务是：在从锅炉点火升温升压开始至灭火冷却降温降压的整个过程中，控制 锅炉给水流量保证汽包水位维持在允许范围内。 要实现水位全程自动,首先保证给水泵的工作点始终落在安全工作区内,才能使泵组 安全可靠工作,保证汽包水位稳定运行,而泵的工作安全区由上、下限特性，最大、小压 力，四条线所包围的区域，如下图所示： 图 2 泵组特性图 2.42.4 锅炉汽包锅炉汽包 2.4.1 汽包的工作原理 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。这都是火力发电厂的重大事故，所以锅炉汽包水位自动控制是电厂 十分重视的一套自动装置。 如下图 3 为给水热力系统示意简图： 图 3 给水热力系统示意图 5 2.4.2 影响汽包水位变化的因素 锅炉在运行中，水位是经常变化的。运行中影响水位变化的主要因素是锅炉负荷、 汽压变动速度、燃烧工况和给水压力的扰动等。 1.锅炉负荷：汽包水位是否稳定首先取决于锅炉负荷的变化及其变化的速度，例如， 锅炉的负荷突然升高，在给水和燃料量未及时调整之前，会使水位先升高，最终则降低。 前者是由于水面下蒸汽容积增大（虚假水位） ，后者是由于给水量小于蒸发量所造成的物 质不平衡。锅炉负荷变动速度越快，水位的波动也就越大。当负荷控制采用炉跟机方式 时，尤其如此。 2.汽包压力变化速度：汽包压力发生扰动时，压力降低则水位上升，压力升高则水 位下降，汽包压力变化速度越快，对水位的影响也就越大。 3.燃烧工况：燃烧工况的扰动对水位的影响也很大。在外界负荷及给水量不变的情 况下，当燃烧量突然增多时，水位暂时升高而后下降；当燃烧量突然减少时，情况则相 反。这是因为，燃烧强化会使水位面下汽泡增多，水位胀起，但随着汽压和饱和温度的 上升，炉水中汽泡又会随之减少，水位有所降低。因此，水位波动的大小，也与燃烧工 况改变的强烈程度以及运行调节的及时性有关。 4.给水压力：给水压力的波动将使送入锅炉的给水量发生变化，从而破坏了蒸发量 与给水量的平衡，将引起汽包水位的波动。在其他条件不变时其影响是：给水压力高时， 给水量增大，水位升高；给水压力低时，给水量减小，水位下将。给水压力的波动大都 是由给水泵流量控制机构不稳定工作或转速波动引起的。 2.52.5 控制回路控制回路 SAMASAMA 分析分析 在启停炉或低负荷时，由于蒸汽流量信号没有或者蒸汽流量不稳定，可以投入旁路 给水自动，采用单冲量调节水位，水位高时减少给水流量，水位低时增加给水流量，此 时电动给水泵保持在某一固定转速。水位与定值发生偏差时，经比例、积分运算后去控 制旁路给水阀。当机组负荷大于 40%系统切为三冲量控制。主调节器的输出加上蒸汽流量 信号，作为负调节器的设定值，与给水流量比较，经过比例、积分运算后，输出控制电 动给水泵转速。此时单级调节器的输出跟踪副调节器的输出，如果负荷减小，三冲量系 统可以自动切换到单冲量系统。 2.5.1 水位信号校正 汽包水位测量采用单室平衡容器的测量系统，如下图所示,单式平衡容器的水位测量 公式为： H=L(a-s)g-P/-s)g-H0 式中 H 为水位仪的显示值；P 为差压信号；L 为正、负压取出管间的距离；H0为 汽包零水位线到负压管的距离；为饱和水的密度，=f(P)，P 为汽包压力；s为 6 饱和蒸汽的密度，s=g(P)，P 为汽包压力；a为正压侧导压管中水的密度，a=h(p,ta)， p 为汽包压力，ta为 Pt100 铂电阻测量的温度值(Pt100 安装位置可上下移动，以消除偏 差,A,B,C 表示铂电阻是三线制接法)。 图 4 单式平衡容器的水位测量 但在现场实际运行中，仅仅只有精确的计算公式还不够，要定期对水位变送器进行 排污，并应确保正压管中的水柱高度恒定，这样才能得到正确的差压值。另外，考虑到 汽包水位的重要性，我们对汽包水位测量采取“三选一”的冗余方式，取中间值后再进 行压力补偿计算。 根据汽、水密度与汽包压力的函数关系，得到水位校正系统的运算公式为： 1 2 () () b b fp Lp H fp 当小负荷给水控制，小负荷时单冲量控制给水调节门给水，汽包中取 A、B、C 三个 水位测量点，测量值经过放大模块得到放大信号与汽包压力修正信号求得偏差经过除法 器和放大器得到 3 路汽包水位信号，经过逻辑选择信号送到 PID 调节器的 P 端，与设定 值通过运算得到给水旁路的输出量。即为单冲量给水量。 压力补偿信号是汽包中的左、中、右三个测量点测量的信号经过选择逻辑通道作用 后信号分别送到饱和水和饱和汽的函数发生器中，汽包压力信号分别进入到切换开关的 N、Y 两端，它的控制条件是汽包压力的高值监视信号，当发生高值报警是输出 Y 端的输 入信号，反之输出 N 端的输入信号。 7 图 5 水位测量信号 2.5.2 给水流量信号校正 给水流量的测量只需采用温度校正，由两个流量变送器的测量给水流量信号与测温 元件测量到并且经过一系列变化后的给水温度信号一起经过乘法器，两路测量信号经过 二选一选择器作用后得到给水流量平均值信号与过热器、级喷水减温器的减温水流 量测量值求得偏差得到总给水流量信号。这样主给水流量与信号相加后得到总共的给水 流量。 8 图 6 给水流量测量信号 2.5.3 主蒸汽流量信号校正 主蒸汽温度的两个测量信号经过二选一选择器作用后得到主蒸汽平均值信号，主蒸 汽的给定信号在除法器，开方器的作用后与第一级汽轮机压力信号相乘 加上旁路给水流 量带到主蒸汽的流量信号,得到偏差信号即为主蒸汽流量信号。 图 7 主蒸汽流量测量信号 9 2.5.4 旁路给水控制 小负荷时单冲量控制旁路给水旁路阀整门水，控制回路，汽包水位测量经过汽包压 力补偿后，汽包水位设定值偏差，通过 PID 运算去控制旁路给水门，维持汽包水位。 单冲量来的给水经过选择器 N 端和函数发生器进入给水旁路的手/自动切换器。最后 到达显示部分来控制给水旁路单冲量。 给水旁路的手/自动切换，当发出切换手动指令的时候，调节器接收实际汽包水位， 为了切换到自动的时候实现无饶切换。 2.5.5 电动泵的控制 正常运行时，汽包水位自动控制系统经过一个 PI 调节器，保证汽包水位在允许范围 内。再经过主调节阀，和主蒸汽流量 D 相加。机组启动或低负荷阶段， 采用定速节流的 方法控制给水流量或由运行人员调节主给水调节阀或电泵转速来控制给水流量。当机组 负荷达到一定的情况，把电动泵的给水由单冲量控制转换为三冲量控制。 在机组运行期间，同时还有高低限报警监视系统，时刻监视系统的稳定运行。当机 组越限位信号，将发出报警信号。此时机组降低负荷或者通过 M/A 站转换为手动状态。 在手动状态下，调节器输出跟踪实际水位。目的切换到自动状态下，能够实现无扰切换。 2.5.6 汽动泵的控制 小负荷时，系统采用单冲量控制。正常运行时，汽包水位 H，主蒸汽流量 D，给水流 量 W，组成串级三冲量控制，当负荷发生变化时，运行人员在手操站上可以通过手动方式 调节汽动泵的转速，并可以对另一台汽动泵进行适当的偏置。 汽动泵的输出经一定变化后分别与小汽机 A、B 位置变送器信号求和得到偏差然后送 到转换器的 N 端。当刚切换到汽动泵的时候，转换器输出 Y 端信号，由运行人员就地调 节转速，经转换器输出信号在与汽动泵输出信号求得偏差去控制锅炉给水。当运行到一 定负荷下，切换到远端自动控制，转换器输出 N 端信号。然后在和汽动泵输出信号求得 偏差去控制锅炉给水。在机组运行期间同样有监视系统监视是否正常运行。同理汽动泵 B 控制也是如此。 2.5.7 单冲量/三冲量转换 单冲量控制系统是一个只采用汽包水位信号和一个 PI 调节器的反馈控制系统。这种 给水控制系统结构简单，整定方便，但使用它来调节水位，汽包水位波动较大，稳定性 也较低。调节原理见方框图 8。 10 图 8 单冲量调节原理 串级三冲量控制系统由主、副两个 PI 调节器和三个冲量（汽包水位、蒸汽流量、给 水流量）构成。与单级三冲量系统相比，该系统多采用了一个 PI 调节器，两个调节器分 工明确、串联工作，主调节器 PI1 为水位调节器，它根据水位偏差产生给水流量给定值， 副调节器 PI2 为给水流量调节器，它根据给水流量偏差控制给水流量，并消除给水侧的 扰动；蒸汽流量信号作为前馈信号用来消除虚假水位，由此构成的是一个前馈反馈双 回路控制系统。可见，串级三冲量控制系统比单级三冲量控制系统的工作更合理，控制 品质要好，是现场广泛采用的给水控制系统。调节原理见图 8。 电厂给水控制系统汽包水位信号与蒸汽流量信号经过加法器，求得偏差信号送到转 换器 N 端，转换器输出的 N 端信号进入副调节器的 S 端，同时给水流量信号送到副调节 器的 P 端，经过副调节器去控制给水流量信号，此时为三冲量调节。 给水信号送到副调节器的同时，信号也送到转换器的 Y 端，当转换器输出 Y 端信号 的时候，副调节器得到偏差信号为零，此时副调节器失去调节作用，此时给水流量信号 为汽包水位信号，即为单冲量调节给水流量信号。 3 控制过程分析控制过程分析 在给水全程控制中，负荷低于 30%位小负荷 ，大于 30%为大负荷。在升负荷过程中， 负荷大于 30%时将旁路给水切换至主管道给水。降负荷切换时，增加了切换惰性回路，当 负荷小于 25%时才切换至旁路给水。这样两门不会因为负荷轻微波动而频繁切换，增加了 给水系统的稳定性。 3.13.1 启动、冲转及带启动、冲转及带 25%25%负荷负荷 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，主给水电动门 也关闭，给水旁路阀从 0100%控制。 给水旁路调节器的输入为水位测量值 H 和给定值 Ho 的偏差，当给水旁路门手动、电 动泵手动、汽动泵 A、B 手动信号进行与运算，只有条件都满足时，切换开关输出设定值 11 为水位测量值，相反设定值为实际值。当汽包水位测量值与调节器的设定值取偏差，当 偏差大时，给水旁路门切手动。 当水位测量值低时，可进行低信号监视并发出报警显示。相反也有高限监视。 当水位测量值低时，低信号监视，当汽包水位低三值时，通过 ASSIGN（将过程量的 值和品质同类型的过程量）送到燃烧器管理系统（BMS） 。 当水位测量值高时，高信号监视，当汽包水位高三值时，通过 ASSIGN 送到送到 BMS。 当汽包水位高低偏差大时，给水旁路门切手动为 CCS 或送到 BMS。 当汽包水位不高不低时，汽包水位正常。 给水旁路调节器（PID1）的输出经手/自动操作器去控制给水旁路阀，同时可进行阀 位显示。对给水进行高限监视，给水旁路门在最大位置；低限监视，给水旁路门在最小。 对给水旁路阀信号和给水旁路调节位置反馈信号求和进行高、低限信号监视，如果旁路 位置反馈偏差大则给水旁路切手动。三冲量电动泵的副调节器（PID4）也处于自动跟踪 状态，通过切换开关使 PID4 的输出跟踪函数发生器的输出，再通过手/自动操作器使电 动泵维持在最低转速运行。 3.23.2 升负荷升负荷 25%25%30%30% 此阶段采用单冲量系统控制电动给水泵转速。此时三冲量系统尚不能使用，给水旁 路门已全开，只能提高给水泵转速来满足给水量的增加，通过切换开关使函数发生器的 输出值随控制信号（PID1 的输出）变化。通过 PID4 的自动跟踪去控制电动泵转速，实现 由阀门控制到电动泵转速控制给水量的无扰过渡。由于单冲量调阀系统与单冲量调泵系 统对象特性不同，且调节器整定参数不同，所以 PID1 为变参数调节器。 3.33.3 30%30%100%100%负荷阶段负荷阶段 此阶段采用三冲量系统控制给水泵转速方案，这是控制系统的正常工况。给水旁路 阀锁定在全开位置不再关闭，以减少系统不必要的扰动。 1.负荷达 w%,电动泵转速为 nx 时打开主给水电动门。此时泵的转速已提高，当主给 水电门打开以后，管道阻力突然减少，控制系统使泵转速自动下降一些时，泵转速已有 可能下降。另外，在三冲量系统投运情况下开主给水电动门，由于三冲量系统抗内扰的 能力比单冲量系统强得多，所以控制质量能得到保证。 230%A%负荷阶段采用电动泵控制给水量。此时系统为三冲量电动泵控制，电动 12 泵主调节器（PID2）接受水位及其给定值的偏差，其输出和蒸汽流量 D 的前馈信号求和 作为副调节器 PID4 的给定信号，同时副调节器还接受给水流量 W 的反馈信号。PID4 不再 跟踪 PID1 的输出，而是处于自动控制状态，通过手/自动操作器控制电动泵转速同时进 行显示电动给水泵勺管位置。对电动泵输出信号做监视，当高监视时，电动泵控制在最 大；低监视时，电动泵控制在最小。电动给水泵勺管信号和电动电动给水泵勺管位置反 馈信号作和进行高、低限监视，电动给水泵勺管位置偏差大时，电泵切手动。 3DA%负荷时，开始启动汽动泵，完成汽动泵和电动泵的转换之后，汽动泵取代 电动泵运行，电动泵处于超驰全关状态，直到满负荷运行。此时，汽动泵主调节器 （PID3）接受水位及其给定值的偏差，其输出和蒸汽流量 D 的前馈信号求和作为副调节 器（PID5）的给定信号，同时副调节器还接受给水流量 W 的反馈信号汽动泵副调节器处 于自动控制状态。 当汽动给水泵 A 切手动，或汽动给水泵 A 跳闸导致汽泵 A 迫降，手/自动操作器输出 汽泵 A 投自动，相反汽泵切手动。汽泵 A 副调节器输出信号与小汽机 A 的反馈信号作和， 通过通过手/自动操作器控制汽动泵转速，同时可进行转速显示。同时进行高限监视，显 示汽泵 A 控制在最大，低限时相反。 当汽泵 A 跳闸或小汽机 A 不在遥控方式时，小汽机 A 就地。 当两台汽泵投自动时，通过切换开关可显示契机的反馈信号。同理，气泵 B 与气泵 A 控制方式相同。若执行机构发生故障可发出逻辑信号使泵切手动。 3.43.4 减负荷过程减负荷过程 在减负荷过程中控制顺序与上述相反，同时各负荷的切换点考虑了 2%的不灵敏区， 避免由于负荷波动系统在切换点处来回切换。 4 控制过程中的跟踪与切换控制过程中的跟踪与切换 4.14.1 阀门和泵的运行及切换阀门和泵的运行及切换 低负荷时采用旁路阀控制给水流量，高负荷时采用改变泵的转速来控制，两者的无扰 切换是通过函数发生器、切换开关及电动泵的副调节器的跟踪实现的。因为函数发生器 产生连续函数，而电动泵的副调节器通过切换开关跟踪函数发生器的输出，且当阀门开 足时才开始调泵的转速，所以从调阀到调泵的切换是无扰的。