蒸汽锅炉的自动化控制过程与实现.doc

300MW 机组锅炉给水控制系统 I 摘要摘要 本次毕业设计 论文 是通过对淮北二电的 300MW 机组锅炉给水控制系统进行原 理分析 可靠性论证 实际运行情况分析 提出的保证该系统长期稳定处于协调控 制的方案 锅炉给水控制的主要任务是使锅炉的给水跟踪锅炉的蒸发量 保证锅炉进出的 物质平衡和正常运行所需的工质 300MW 机组通常配置 3 台给水泵 1 台容量为额 定容量的 25 或 30 的电动给水泵 2 台容量为额定容量 50 的气动给水泵 电动给 水泵一般用作启动和本用泵 正常运行时使用两台汽动给水泵 汽包锅炉给水控制 系统包括汽包水位控制系统和给水泵 电动和气动给水泵 最小流量控制系统 由于虚假水位现象的存在 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 所谓三冲量 就是指汽包 水位 蒸汽流量和给水流量 蒸汽流量和给水流量是引起水位变化的原因 蒸汽流 量作为水位调节的前馈信号 当蒸汽流量改变时 调节器立即动作 相应地改变给 水流量 而当给水流量自发地变化时 调节器也立即动作 使给水流量恢复到原来 数值 这样就有效控制了虚假水位的影响 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 关 键 字 给水控制 串级 三冲量 沈阳工业大学毕业设计 论文 II Abstract The design project for graduation graduation thesis pose a scheme which pledges the system under the coordination control long term by analyzing the feeder water and vaporizing temperature principle of HuaiBei Plant two 300MW unit testifying the reliability and observing by doing fieldwork The boiler is causes the boiler to the water control primary mission to track the boiler for the water the transpiration rate guaranteed the boiler passes in and out the matter balance and the normal operation need working substance The 300MW unit usually disposes 3 feed pumps 1 stage presence quantity for rated capacity 25 or 30 electrically operated feed pump 2 stage presence quantities for rated capacity 50 air operated feed pump The electrically operated feed pump serves as the start generally and this uses the pump when normal operation uses two steam to move the feed pump The steam drum boiler gives the water control system including the steam drum water monitor system and the feed pump electrically operated and air operated feed pump the smallest flow control system Because the false water level phenomenon existence cannot solely as move for the water control system take the steam drum water level the quantity in order to reduce or the counterbalance false water level phenomenon must use three impulse governing system The so called three impulses are refer to the steam drum water level the steam current capacity and give the discharge of water The steam current capacity and is causes the water level change reason for the discharge of water the regulator acts immediately changes correspondingly gives the discharge of water but when changes spontaneously for the discharge of water the regulator also immediately acts makes to restore for the discharge of water to the original value like this active control false water level influence For the water control is the cascade governing system the master selector accepts the water level signal gets up the correcting action to the water level is the thin accent Its output took the secondary controller the given value the secondary controller is adjusted the quantity is for the discharge of water the goal is the fast elimination comes from the water side perturbation Key words Feeder Water Control Cascade Three impuls 沈阳工业大学毕业设计 论文 0 目录目录 摘要摘要 I ABSTRACT II 1 1 引言引言 2 1 1 课题背景 2 1 2 课题意义 3 2 2 火电厂工艺及三大控制系统火电厂工艺及三大控制系统 4 2 1 火电厂发电过程 4 2 2 火电厂三大控制系统 4 2 2 1 过热蒸汽温度控制系统 4 2 2 2 再热蒸汽温度控制系统 5 2 2 3 锅炉给水控制系统 6 2 3 汽包简介 7 2 4 给水设备 8 3 3 300MW300MW 锅炉给水控制系统锅炉给水控制系统 9 3 1 给水控制对象的动态特性 9 3 1 1 给水流量扰动下水位的动态特性 10 3 1 2 蒸汽流量扰动下的水位的动态特性 11 3 1 3 炉膛热负荷扰动下水位控制对象的动态特性 12 3 2 给水控制手段和特点 12 3 3 给水控制系统的基本结构 13 3 3 1 单冲量控制系统 13 3 3 2 单级三冲量控制系统 14 3 3 3 串级三冲量控制系统 14 4 4 300MW300MW 锅炉给水自动控制系统设计锅炉给水自动控制系统设计 15 4 1 INFI 90 分散控制系统简介 16 4 1 1 概述 16 4 1 2 IN FI90 控制系统设计中采用的各种模件及其介绍 17 4 1 3 针对硬件设计的说明 18 4 1 4 设计中用到的部分功能码 18 4 2 汽包水位控制系统基本要求 20 4 3 测量信号的自动校正 21 4 4 设计机组给水全程控制系统 23 4 4 1 给水热力系统简介 23 4 4 2 设计的给水全程控制系统分析 23 5 5 结结 论论 26 300MW 机组锅炉给水控制系统 1 致致 谢谢 27 参考文献参考文献 28 附录附录 1SAMA1SAMA 图图 30 附录附录 2 2 组态图组态图 30 沈阳工业大学毕业设计 论文 2 1 引言引言 1 1 课题背景 自动化水平是指对一个电厂生产过程实现自动控制所达到的程度 其中包括参 数检测 数据处理 自动控制 顺序控制 报警和联锁保护等系统 最终体现在机 组效率 值班员的数量和所能完成的功能上 火电厂自动化水平是主辅机制造质量 及其可控性 仪表及控制设备质量 自动化系统设计的完善程度 施工安装质量 电厂运行维护水平及人员素质的综合体现 电厂自动化是为机组运行服务的 主要 目的是保证电厂的安全 经济运行 减少事故 提高设备 系统效率 降低煤耗和 厂用电率 同时在运行管理体制符合生产要求 从事生产管理和运行的人员具有相 当的文化或技术素质前提下 减少人员的数量 在相同等级的机组中做到每千瓦人 数最少 50 年来火电厂的自动化水平有了很大提高 特别是执行改革开放政策的 20 世 纪 80 年代以来 更有了飞跃的发展 目前 我国火电厂的自动化水平已跻身世界 先进水平的行列 在超大规模集成电路发展的基础上 计算机技术的飞速进展 智 能化仪表及控制设备的品种的增加和成本的降低 现场总线国际标准的确立和应用 使电厂自动化水平进入全面提高并逐步向纵深发展 采用数字技术的新阶段 使原 来各自独立的单元机组以保安全为主的自动化系统向以厂级为单位的全过程自动化 方向发展 为提高全电厂的经济运行水平 竞价上网 多发电 多供电创造了条 件 实现热力过程自动化具有 1 提高机组运行的安全可靠性 2 提高机组运 行的经济性 3 减少运行人员 提高劳动生产率 4 改善劳动条件等特点 在 热工控制系统中汽包水位是锅炉运行中一个重要监控参数 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 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 即锅炉给水自动控制系统 300MW 机组锅炉给水控制系统 3 1 2 课题意义 在工业生产过程中需要对每个工艺过程的物理量 或称工艺变量 进行一定的 控制 锅炉汽包水位控制直接决定安全生产因素 因此在生产过程中必须加以必要 的控制 最初的控制是手工控制 这种控制简单但生产效率低 随着科学的进步社 会的发展 进展到采用检测仪表和自动控制装置来代替手工控制 这就是自控系统 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气轮机安全运行的必要条件 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 本次设计是以淮北二电所采用的 300MW 机组给水控制系统为课题背景 主要 研究汽包水位控制方案 本次设计根据学校设施条件要求我采用了 IN FI90 控制系 统组态完成此次设计 组态图见附录 沈阳工业大学毕业设计 论文 4 2 火电厂火电厂工艺及三大控制系统工艺及三大控制系统 2 1 火电厂发电过程 原煤由输煤皮带从煤厂输送至原煤斗 再与由锅炉尾部空气预热器来的热空气 一起送入磨煤机 指中速磨直吹式制粉系统 磨制完的煤粉 成为风粉混合物由排 粉机送入锅炉的燃烧室燃烧 在炉膛中燃烧产生的高温热能以辐射传热传给水冷壁 被管中的热水所吸收 完成加热 蒸发 经过热器成为过热蒸汽 送往汽轮机 被 水冷却的烟气经过尾部受热面 由引风机吸引排入烟囱再排到大气中 由锅炉送往汽轮机的蒸汽 在汽轮机中膨胀 推动汽轮机转子转动 得到旋转 的机械功 驱动发电机转子旋转 转子上的磁场产生的磁通切割发电机定子绕组而 产生电流 完成发电全过程 进入汽轮机的部分蒸汽从中间抽出送至高压加热器 除氧器与低压加热器去 加热凝结水和给水 其余大部分蒸汽在汽轮机中做功后变成乏汽 排放到凝汽器 被循环水冷却而凝结成凝结水 由凝结水泵抽出 经过低压加热器送至除氧器除氧 后由给水泵经过高压加热器送入锅炉 完成一个循环 这样周而复始的连续做功发 电 给水进入锅炉 先经省煤器再进入汽包 经过下降管到锅炉的下联箱 利用 锅炉水的自然循环在水冷壁中受热汽化而上升至汽包 完成炉水的水循环 进入汽 包的实际上是汽水混合物 经汽包中的汽水分离器后 蒸汽进过热器而水留在汽包 的下部容水空间 再由下降管回到水冷壁重复前述过程 2 2 火电厂三大控制系统 2 2 1 过热蒸汽温度控制系统 1 过热蒸汽温度控制的意义与任务 锅炉过热蒸汽温度是影响锅炉生产过程安全性和经济性的重要参数 现代锅炉 的过热器是在高温 高压的条件下工作 过热器出口的过热蒸汽温度是全厂整个汽 300MW 机组锅炉给水控制系统 5 水行程中工质温度的最高点 也是金属壁温的最高处 过热器采用的是耐高温 高 压的合金钢材料 过热器正常运行时的温度已接近材料所允许的最高温度 如果过 热蒸汽温度过高 容易烧坏过热器 也会使蒸汽管道 汽轮机内某些零部件产生过 大的热膨胀变形而毁坏 影响机组的安全运行 如果过热蒸汽温度过低 将会降低 全厂的热效率 一般蒸汽温度每降低 5 10 热效率约降低 1 不仅增加燃料 消耗量 浪费能源 而且还将使汽轮机最后几级的蒸汽湿度增加 加速汽轮机叶片 的水蚀 另外 过热蒸汽温度降低还会导致汽轮机高压部分级的焓降减小 引起各 级反动度增大 轴向推力增大 也对汽轮机的安全运行带来不利 所以 过热蒸汽 温度过高或过低都是生产过程所不允许的 为了保证过热蒸汽的品质和生产过程的安全性 经济性 过热蒸汽温度必须通 过自动化手段加以控制 因此 过热蒸汽温度的控制任务是 维持过热器出口蒸汽 温度在生产允许的范围内 一般要求过热蒸汽温度的偏差不超过额定值 给定值 的 5 10 2 过热蒸汽温度的影响因素 对于一个已经设计定型的机组 在运行中影响过热蒸汽温度的主要因素有如下 几点 1 锅炉负荷 随着锅炉负荷的变化 其辐射吸热面和对流吸热面的吸热比例也会随之变化 例如 布置在对流吸热区的过热器 其出口蒸汽温度一般随负荷的上升而上升 而 布置在辐射吸热区的过热器则具有相反的汽温特性 在单元制机组中 锅炉负荷和 机组负荷是一致的 2 过剩空气系数 锅炉过剩空气系数增大 将引起对流吸热面吸热增大 布置在对流吸热区的过 热器出口蒸汽温度上升 3 炉膛火焰中心 对四角布置燃烧器的锅炉来说 如果投入运行的磨煤机台数或组合发生变化或 火嘴摆动倾角变化 都将引起炉膛火焰中心变化 火焰中心上移将导致炉膛出口烟 气温度上升 势必引起对流吸热面吸热量增加 除上述因素外 燃煤煤质的改变 煤粉细度的改变 锅炉受热面的清洁程度等 因素也会对过热蒸汽温度产生影响 但是这些因素对蒸汽温度的影响相对较弱 且 在线实时测量不易实现 2 2 2 再热蒸汽温度控制系统 沈阳工业大学毕业设计 论文 6 1 再热蒸汽温度控制的任务 在大型机组中 新蒸汽在汽轮机高压缸内膨胀做功后 需再送回到锅炉再热器 中加热升温 然后再送人汽轮机中 低压缸继续做功 采取蒸汽中间再热可以提高 电厂循环热效率 降低汽轮机末端叶片的蒸汽湿度 减少汽耗等 为了提高电厂的 热经济性 大型火力发电机组广泛采用了蒸汽中间再热技术 因此 再热器出口蒸 汽温度的控制成为大型火力发电机组不可缺少的一个控制项目 再热蒸汽温度控制的意义与过热蒸汽温度控制一样 是为了保证再热器 汽轮机等 热力设备的安全 发挥机组的运行效率 提高电厂的经济性 再热蒸汽温度控制的 任务 是保持再热器出口蒸汽温度在动态过程中处于允许的范围内 稳态时等于给 定值 2 再热蒸汽温度的影响因素 影响再热蒸汽温度的因素很多 例如机组负荷的大小 火焰中心位置的高低 烟气侧的烟气温度和烟速 烟气流量 的变化 各受热面积灰的程度 燃料 送风和 给水的配比情况 给水温度的高低 汽轮机高压缸排汽参数等 其中最为突出的影 响因素是负荷扰动和烟气侧的扰动 由于再热蒸汽的汽压低 重量流速小 传热参数小 所以再热器一般布置在锅炉的 后烟井或水平烟道中 它具有纯对流受热面的汽温静态特性 单位重量工质的吸 热量随负荷的下降而降低 而且 当机组蒸汽负荷变化时 再热蒸汽温度的变化幅 度比过热蒸汽温度的变化幅度要大 上例如 某机组负荷降低 30 时 再热蒸汽 温度下降 28 35 差不多是负荷每降低 1 再热蒸汽温度下降 1 因此 负荷 扰动对再热汽温的影响最为突出 由于烟气侧的扰动是沿整个再热器管长进行的 所以它对再热蒸汽温度的影响也比 较显著 但烟气侧的扰动对再热蒸汽温度的影响存在着管外至管内的传热过程 所 以它的影响程度次于蒸汽负荷的扰动 2 2 3 锅炉给水控制系统 1 给水控制的任务 汽包锅炉给水控制的主要任务是使锅炉的给水量跟踪锅炉的蒸发量 保证锅炉 进出的物质平衡和正常运行所需的工质 对于国产 300MW 机组普通采用的汽包锅炉 来说 就是维持汽包水位在允许范围内变化 所以 锅炉给水控制又称 锅炉水位 控制 汽包水位间接地反映了锅炉内物质平衡状况 主要是蒸汽负荷与给水量的平衡 关系 因此 它是表征锅炉安全运行的重要参数之一 也是保证汽轮机安全运行 300MW 机组锅炉给水控制系统 7 的重要条件之一 汽包水位过高 会降低汽包内汽水分离装置的汽水分离效果 导 致出口蒸汽水份过多 使其含盐浓度增大 从而使过热器管壁结垢而导致烧坏过热 器 汽包出口蒸汽中水份过多 还会使过热汽温产生急剧变化 而且使汽轮机叶片 也易于结垢 降低汽轮机的出力 直接影响机组运行的安全性和经济性 汽包水位 过低 则会破坏锅炉的水循环 使某些水冷壁管束得不到炉水冷却而烧坏 甚至引 起锅炉爆炸事故 因此 为保证机组安全运行 正常情况下一般限制汽包水位在 50 50mm 范围内变化 锅炉水位实现自动控制 不仅可提高锅炉汽轮机组的安全性 还可提高锅炉 运行的经济性 采用自动控制会使锅炉的给水连续均匀 相对稳定 从而使锅炉汽 压稳定 保证锅炉在合适的参数下稳定运行 使锅炉具有较高的运行效率 因此 电厂锅炉的给水实现自动控制以及自动控制系统保持优良的工作性能是十分重要性 的 特别是对高参数 大容量的锅炉 由于它们具有以下特点 1 汽包体积相对减小 使汽包的相对蓄水量和蒸发面积减少 从而加快了汽 包水位的变化速度 2 容量的增大显著地提高了锅炉蒸发受热面的热负荷 使锅炉负荷变化对汽 包水位的影响加剧了 3 锅炉工作压力的提高使给水调节阀和给水管道系统相应复杂 调节阀的流 量特性更不易满足控制系统的要求 因此 现代大型火电机组锅炉给水自动控制的必要性和重要性显得更为突出 2 3 汽包简介 汽包 亦称锅筒 是自然循环锅炉及强制循环锅炉最重要的受压元件 无汽包 则不存在循环回路 汽包的作用主要有 1 汽包是工质加热 蒸发 过热三个过程的连接枢纽 用它来保证锅炉正 常的水循环 2 汽包内部装有汽水分离装置及连续排污装置 用以保证蒸汽品质 3 汽包中存有一定的水量 因而具有蓄热能力 锅炉或机组工况变化时 可缓和气压的变化速度 有利于锅炉运行调节 4 汽包上装有压力表 水位表 事故放水门 安全阀等附属设备 用以控 制汽包压力 监视汽包水位 以保证锅炉安全工作 强制循环锅炉由于安装了循环甭 压力大 循环倍率小 分离水量少 可采用 高效 体积小但阻力大的分离元件 且可减少分离装置的数量 因此 汽包尺寸相 沈阳工业大学毕业设计 论文 8 对同容量 同参数的自然循环锅炉要小 由此可知 汽包的几何尺寸 内径 长度 与壁厚 与锅炉的循环方式 自然循环或强制循环 容量 压力以及内部装置的 形式及材质有关 由于汽包壁很厚 在锅炉启停时 汽包内外壁 上下壁面温度差 别很大 在大型锅炉中尤为突出 必须引起足够的重视 并采取响应的措施 2 4 给水设备 锅炉运行时不断地向外送出大量蒸汽 因此必须连续不断地向它供水 以维持 锅炉内工质平衡 稳定汽包水位 由于锅炉内的压力提高 给水的压力必须大于汽 包压力 25 方能注水与锅炉 所以给水只能借助于给水泵供水 通常多采用多级式 离心给水泵来维持工质的热力循环 随着单机容量的增大 蒸汽参数的提高 要求 给水泵的功率也不断增大 相应地除采用电动给水泵外 还广泛采用汽动给水泵 目前 我国的大型机组多采用专用小型汽轮机供汽的汽动给水泵 它的蒸汽引自主 汽轮机抽汽 这种传动方式不仅可以方便地调节给水泵流量 又能提高机组的热经 济性 中小型机组则广泛采用电动给水泵 以大容量同步电动机拖动给水泵 运行 维护比较简单方便 但耗电量较大 锅炉给水泵位于除氧器和高压加热器之间 它从除氧器水箱中吸取饱和水 压入高压加热器使给水进一步加热 而后送入锅炉 在运行中绝对不允许断水 若 发生给水不足或中断将导致汽包水位下降 影响锅炉的水循环 甚至造成严重后果 为了保证给水系统的可靠性 锅炉本体的进水管路都采用双路式 一路由本锅炉给 水泵直接供水 另一路由给水母管供水 此外在运行中还需连续不断地提供补充水 以补偿因提供大量蒸汽以及其它方向损失掉的水量 补充水必须是经过化学处理后 衣橱盐软化的纯水 送往除氧器 作为锅炉补充水 300MW 机组锅炉给水控制系统 9 3 300MW 锅炉给水控制系统锅炉给水控制系统 3 1 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面下的汽泡容积所决定的 因此凡是引起 汽包中贮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 3 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 3 1 所示 当给水流量阶跃增 加 W 后 水位的变化如图 3 1 中曲线 2 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发量 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 水面下汽泡容积减小 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 w H 0 0 W t t H 1 2 3 A B 图 3 1 给水流量阶跃 扰动下的水位响应曲线 沈阳工业大学毕业设计 论文 10 过程逐渐平衡 水位就反应出由于汽包中贮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 水位将一一定的速度直线 上升 图 3 1 中曲线 1 为不考虑水面下汽泡容积变化 仅考虑物质不平衡时的水位 反应曲线 为积分环节的特性 曲线 3 为不考虑物质不平衡关系 只考虑给水流量 变化时水面下汽泡容积变化所引起的水位变化 可认为是惯性环节的特性 在给水 流量扰动下实际的水位变化曲线 2 可认为是曲线 1 和 3 的合成 3 1 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 3 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 如图 3 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 包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 3 2 中曲线 H2 所示 实际的水位变化曲线 H 则为 H1 和 H2 的合成 由图 3 2 中可以看出 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 突然减少时 水位反而先下降 这种 0 D t 0 H2 H H1 H D 图 3 2 蒸汽流量阶跃 扰动下的水位响应曲线 300MW 机组锅炉给水控制系统 11 现象称为 虚假水位 现象 这显然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 3 1 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未增强 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 3 3 所示 它和图 3 2 有些相 似 只是在这种情况下 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 从而使水位上升较少 另外 由于蒸发量随燃料量的增 加有惯性和时滞 如图 3 3 中虚线所示 这就导致迟延时间较长 3 2 给水控制手段和特点 1 电动定速泵 调节阀 对于早期投产的中小型机组 通常采用电动定速给水泵 通过控制给水调节阀 开度来维持汽包水位为给定值 这种在全负荷范围内均由调节阀来控制汽包水位的 t t B H 0 0 D 图 3 3 燃料量扰动下的水位特性 沈阳工业大学毕业设计 论文 12 方案 其节流损失较大 2 电动调速阀 调节阀 对于 80 年代以后投产的 200MW 机组 大都采用了电动调速阀和调节阀相结 合的形式来控制汽包水位 即在低负荷阶段 要用给水调节阀 或旁路调节阀 来 调节汽包水位 在高负荷阶段 采用电动调速泵来控制汽包水位 这种方案虽然减 少了调节阀的节流损失 但由于电动泵始终在运行 消耗电能较多 3 汽动泵 电动调速泵 调节阀 近年来投产的的 300MW 及以上的机组 除极个别进口机组外 几乎全部采 用汽动给水泵 电动调速给水泵及调节阀三者相结合的方式来控制汽包水位 即在 低负荷阶段利用电动给水泵保证泵出口与起霸之间的差压 或泵出口压头 0 由给 水调节阀 或诶水旁路调节阀 来控制汽包水位 在负荷超过某一值 对应的给水 流量需求接近调节阀的最大通流能力 且汽动给水泵尚未启动时 由电动调速给水 泵来控制汽包水位 在汽动给水泵汽动后 逐步由电动调速给水泵过度到汽动给水 泵来控制起爆水位 电动给水泵只在机组启动阶段或汽动给水泵故障时使用 这种 方案克服了前两种方案的缺点 是一种效率较高的给水控制手段 3 3 给水控制系统的基本结构 无论采用何种控制手段 对于汽包锅炉给水控制系统来说 不外乎采用以下 三种基本结构 300MW 机组锅炉给水控制系统 13 执行机构执行机构 执行机构 水位 给定值 蒸汽 流量 汽包 水位 给水 流量 蒸汽 流量 水位 给定值 汽包 水位 给水 流量 水位 调节器 PI PI PI2 PI1 K K K K 给水流量 调节器 图 3 4 给水控制系统的基本结构 1 单冲量控制 2 单级三冲量控制 3 串级三冲量 控制 3 3 1 单冲量控制系统 单冲量给水控制系统的基本结构如图 3 4 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 但克服给水自发性扰动而后蒸汽流量扰动的能力较差 汽包水位在动态过程 中超调量较大 稳定性较低 在大型机组的给水控制总 这种系统也有应用 主要 应用在低负荷阶段 这是因为在低负荷阶段由于锅炉疏水和排污等因素的影响 使 给水流量和蒸汽流量存在着严重的不平衡 且流量太小 测量误差较大 不宜采用 三冲量控制 3 3 2 单级三冲量控制系统 单级三冲量给水控制系统的基本结构如兔 3 4 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量 与 单冲量系统相比 该系统引入了两个物质流量信号 即引入用于克服虚假水位的蒸 汽流量信号 前馈 信号和用于抑制给水自发性扰动的给水流量信号 局部反馈信 号 当蒸汽流量 负荷 改变时 通过前馈控制作用 可及时改变给水流量 维 汽包 水位 水位 给定值 沈阳工业大学毕业设计 论文 14 持进出锅内的物质平衡 这有利于克服虚假水位现象 当给水流量发生自发性扰动 时 通过局部反馈控制作用 可抑制这种扰动对给水流量以及汽包水位的影响 这 有利于减少汽包水位的波动 因此 三冲量给水控制系统在克服扰动 维持汽包水 位稳定 提高给水控制质量方面优于单冲量给水控制系统 原则上 在负荷达到一定值以上 疏水和排污阀逐渐关闭 汽和水趋于平衡 流量逐渐增大 测量误差逐渐减小说 可采用三冲量给水控制方式 但单级三冲量 控制昨天要求蒸汽流量和给水流量的测量值杂稳态撕必须相等 否则汽包水位将存 在静态偏差 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 3 3 串级三冲量控制系统 串级三冲量给水控制系统的基本结构如图 3 4 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 为给水流量调节器 它根据给水流量偏差控制给水流量 蒸汽流量信号 作为前馈信号用来维持负荷变动时的物质平衡 有此构成的是一个前馈 反馈双 回路控制系统 该系统结构较复杂 但各调节器的任务比较单纯 系统参数整定相 对单级三冲量系统要容易些 而且该系统不要求稳态时给水流量和蒸汽流量测量信 号严格相等 并可保证稳态时汽包水位无静态偏差 其控制品质较高 是现场广泛 采用的给水控制系统 300MW 机组锅炉给水控制系统 15 4 300MW 锅炉给水自动控制系统锅炉给水自动控制系统设计设计 组态简介 组态就是将 DCS 现有的功能模块 根据实际设计系统的需要设定相应的参数 使其变成能完成变成一定功能的模块 再将这些模块按照系统的要求连接起来 便 能组成能实现一定功能的控制系统 这样的系统才是面向对象控制的实际系统 那 么组态的过程究竟是怎样呢 首先应该对你要设计的系统要有一定的认识 然后画 出控制系统的 SAMA 图 再根据 SAMA 图在 DCS 专用组态软件绘制相应的组态图 这 种专用的软件叫 WINTOOLS 里面有相应的功能模块 用户只要按照自已的需要调用 相应的功能模块来组成自已的控制系统 那么这个控制系统才具有实际意义 4 1 INFI 90 分散控制系统简介 沈阳工业大学毕业设计 论文 16 4 1 1 概述 INFI 90 DCS 分散控制系统 是美国 BAILEY 公司推出的面向工业企业 自 动化控制管理的一种新型控制系统 它是一种集中了多种高新科技的新型仪表控制 系统 设计理念是 分散控制 集中管理 原理结构比较复杂 从控制仪表的角度 看 它是继组件组装式模拟仪表之后的新一代控制仪表系统 采用了以微处理器为 核心的不同功能组件 构成包括数据采集 运算处理控制输出等功能的连续控制和 顺序控制系统 这些组装式模件安装在一个个标准规格的机柜中直接与工业现场连 接 构成控制系统 从信息系统的角度来看 分散控制系统是一个数字通信网络 具有不同功能的 部件 诸如 过程控制单元 操作控制单元 数字逻辑站 计算机接口单元等作为 通信网络一个个节点 实现信息的传递与交换 从控制的角度来看 分散控制系统 是一种分级控制系统 包括直接对过程进行控制的过程控制级 控制管理级 以及 生产管理级 从系统的物理实现来看 又可分为硬件系统和软件系统 硬件系统以 微处理器为基础的功能模件处于管理级上的计算机 过程通道接口及传输线路 各 种专用的和通用的外部设备 人机联系设备等软件系统包括系统管理的操作系统 数据库系统和一系列模块化功能软件 用户能以某种十分简单的方式进行系统的设 计无需编写应用软件程序 过程控制级 直接与生产过程相连接 承担过程信号的输入 运算处理 控 制量输出的设备要有构成直接数字控制系统的闭环控制站也中现场控制站 现场 控制单元或基本控制器以及承担数据采集功能的数据站或过程输入输出单元 现 场控制站的组成包括机柜 控制器模件 模拟量输入输出模件 数字量控制模件 数字量输入输出模件等一些模件组成 它能实现连续控制 顺序控制 算术运算 报警检查 过程 I O 处理和通信等等 控制管理级主要实现工业过程的分散控制 实现系统的集中显示和操作与管理 主要设备有操作控制站 工程师站和通信设 备等 工程师站具备操作控制站的部分功能外 要用与对控制系统的组态 参数 调整和系统维护等任务 数据通信系统是将过程控制级与控制管理级连接在一起 的桥梁 数据通信传输介质是一条采用双绞线或同轴电缆构成的高速通信线路即 DHW 数据调整公路 现场控制站 PCU 操作接口单元控制台 OIU 管理命令系统 MCS 及计算机接口单元 CIU 都通过通信接口电路接到数据高速公路上 通 信网络结构有星形 环形 总线形美国 L N 公司的 MAX 1000 使用星形 DCS 网络 结构 Bailey 公司的 INFI 90 采用环形网络结构 300MW 机组锅炉给水控制系统 17 4 1 2 IN FI90 控制系统设计中采用的各种模件及其介绍 1 多功能处理器 MFP 多功能处理器是 IN FI90 模件系统中功能最强的一种模件 它相当于计算机 控制系统中的主机部分 由它完成用户设计的模拟和数字控制策略 MFP 最多可支持 64 个子模件 除 ASM 系列子模件不支持外 其余全可以 MFP 可以 1 1 地冗余配置 一个工作 另一个备份 二者之间有一个 1M 给水量扰 动下的水位变化的动态特性 Baud 的冗余链 主 MFP 工作时 副 MFP 随时拷贝主 MFP 的一切数据 一旦主 MFP 故障 副 MFP 在 15ms 内自动投入 冗余配置还可以 进行在线组态 即不停机地在副 MFP 上进行控制方案修改 修改完毕再把副 MFP 更换为主 MFP MFP 可带 64 个模拟控制手操站 SAC 8 个数字逻辑手操站 DLS 2 控制输入输出子模件 IN FI90 系统中的子模件相当于计算机控制系统中的过程通道 它为主机 即 MFP 提供过程输入 即模拟量输入和开关量输入 和过程控制输出信号 即模拟 量输出和开关量输出 控制输入输出子模件 CIS02 是 infi 90 系统中功能最 强的一种子模件 它集模拟量过程通道和开关量过程通道于一体 具有 4 个模拟 量输入 2 个模拟量输出 3 个开关量输入和 4 个开关量输出通道 3 子模件扩展总线 INFI 90 子模件扩展总线是高速同步并行总线 在主模件和子模件之间提供通 讯路径 主模件执行控制功能 子模件执行输入 输出功能 子模件和主模件的板 边连接器 P2 连接子模件扩展总线 子模件扩展总线是模件安装单元 MMU 后板上的 12 条平行线 一个位于 MMU 后板上连接插座中的 12 位跨接器连接主模件和子模件之间的总线 通过扁平电缆 还可以把总线扩充到 6 个 MMU 4 模拟控制站 SAC 与数字逻辑站 DLS 模拟控制站提供单个回路的控制和监视功能 而且还具有接点或 4 20mA 电流 输出的手动控制和旁路能力 它类似于常规仪表控制系统中的手动操作器 只是 功能更强大 SAC 实质上就是一个专用的微机监控系统 SAC 和 CIS 并行工作 主 模件 MFP 协调他们的工作 数字逻辑站实质上是一个按扭和指示灯站 提供按扭 输入和指示灯输出 相当于常规仪表控制系统的操作按扭和指示灯 它通过端子 单元 TLS 与数字模件 DSM 相连 实现与主模件的通讯 一个 DSM 最多可以连接 8 个 DLS 而一个 MFP 也最多带 8 个 DLS 沈阳工业大学毕业设计 论文 18 4 1 3 针对硬件设计的说明 总线 CONTROL WAY 共可带 32 个节点 子总线可带 64 个子模件 速度为 500 波特 过程控制单元 PCU 为控制系统的核心部分 有它完成闭环控制 顺 序逻辑控制和数据采集 PCU 所能实现的一切功能都是由它所包括的各种模件体现 出来的 每个 PCU 最多可带 32 个主模件 主模件在控制通道上通讯的 标记号 叫做模件地址 它与模件在 PCU 中的位置 而 5 位二进制排列级件和现场信号的连 接必须经过相应的端子模件或端子单元 多功能处理器 MFP 为 INFI 90 系统中功能最强的一种模件 相当于计算机控制 系统中的核心部分 由它完成用户设计的模件和数字控制策略 4 1 4 设计中用到的部分功能码 1 功能码 156 增强 PID 控制器 说明 增强型 PID 控制器功能码完成 PID 控制器的功能 这个功能块具有位置或 速度型控制限制算法 它还提供一个防复位终止功能 规格 规格号可调性 隐含 值 数据类型 范围 最小 最大 说 明 S1NO5INT 2 0 9998过程变量的块地址 S2NO5INT 2 0 9998设定点块地址 S3NO5INT 2 0 9998TR 的块地址 S4NO0INT 2 0 9998 跟踪标志的块地址 0 跟踪 1 释放 输出 块 号数据类型说 明 NREAL带前馈的控制输出 N 1BOOLEAN块增加标志 0 允许增加 1 禁止增加 2 功能码 9 模拟量切换器 说明 这个输出等于所选择的输入 所选择的状态由外加信号 来确定 这个功能 码选择两个输入中的一个 取决于布尔输入 它还有两个时间常数 提供两个方 向的无扰动切换 300MW 机组锅炉给水控制系统 19 输出 块号数据类型说明 NREAL输出等待两输入之一 规格 规格 号 可调 性 隐含 值 数据类型 范围 最小 最大 说明 S1NO0INT 2 0 255 2046第一个输入的块地址 S2NO0INT 2 0 255 2046第二个输入的块地址 S3NO0INT 2 0 255 2046 转换信号的块地址 0 S1 1 S2 3 功能码 80 控制站 MFC 说明 控制站 MFC 功能码提供 MFC 和下列接口设备之间的接口 数字控制站 DCS 操作接口单元 OIU 命令管理系统 MCS 和计算机接口单元 CIU 它提供基本控制 串级控制和比例设定点控制 加手动 自动站切换 不能把这个 功能码放在编号高于 1023 的块上 因为目前工厂环路的信息规模只允许这个环路 为进行控制调用到 1023 块为止 规格 规格号 可调 性 隐含 值 数据类型 范围 最小 最大 说 明 S1NO0INT 2 0 2046过程变量 PV 的块地址 S2NO5INT 2 0 2046 设定点 SP 跟踪信号的 块地址 S3NO0INT 2 0 2046自动信号的块地址 S4NO5INT 2 0 2046 控制输出的跟踪开关 TR 的块地址 S18NO0INT 1 0 7 切换到手动信号的块地址 0 不切换 1 切换到手动 且保持 S29NO0INT 2 0 2046 具有设定点跟踪 S2 输入的 开关的块地址 0 不跟踪 1 跟踪 S2 输出 块 号数据类型说 明 沈阳工业大学毕业设计 论文 20 NREAL控制输出 N 1REAL设定点 N 2布尔自动方式标志 0 手动 1 自动 4 功能码 2 手动设定常数 说明 这项功能提供一个人工调整的输出 这个输出可用做其它块的输入 即这个 功能块产生一个可调的模拟输出且带有工程单位 规格 规格 号 可调性隐含值数据类型 范围 最小 最大 说明 S1YES0 000REAL 2 3 FULL 工程单位的 输出值 输出 块号数据类型说明书 NREAL用户选择的常数 4 2 汽包水位控制系统基本要求 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 300MW 机组锅炉给水控制系统 21 消虚假水位现象 就必须采用三冲量调节系统 所谓三冲量 就是指汽包水位 蒸 汽流量和给水流量 蒸汽流量和给水流量是引起水位变化的原因 蒸汽流量作为水 位调节的前馈信号 当蒸汽流量改变时 调节器立即动作 相应地改变给水流量 而当给水流量自发地变化时 调节器也立即动作 使给水流量恢复到原来数值 这 样就有效控制了虚假水位的影响 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 为了提高给水控制系统的可靠性 汽包水位测量使用了三个变送器 三个经压力校正后的汽包水位信号取中间值 作 为控制系统的被调量 当水位测量信号平均值超过 300mm 而且任意两个水位测 量信号越限 280mm 时 发出汽包水位MFT 信号 当给水温度不变 而压力在某个范围变化时 给水流量的测量误差很小 若给 水压力不变 给水温度在某个范围内变化时 给水流量的测量误差较大 所以对给 水流量信号只采取温度校正 蒸汽流量采用汽机调节级压力的测量来表示 调节级 压力经过温度修正后 可近似代表蒸汽流量测量值 如果采用标准喷嘴测量蒸汽流 量 一方面在高温高压下节流喷嘴容易磨损 检修维护也困难 测量误