第七章给水控制系统PPT课件.ppt

第七章汽包锅炉给水自动控制系统 7 1给水自动控制的基本任务 汽包锅炉给水自动控制的基本任务是使给水量适应锅炉蒸发量的变化 并且保证汽包水位处于设定的安全范围以内 汽包锅炉给水系统的结构图如下图所示 汽包锅炉给水系统结构图1 给水泵 2 高加 3 省煤器 4 汽包 5 过热器 1 7 2给水调节对象的动态特性 汽包锅炉给水调节对象的动态特性是指各种引起汽包水位变化的原因与汽包水位变化之间的动态关系 下面重点分析给水流量W和蒸汽流量D两种扰动下汽包水位H变化的动态特性 1 给水流量W扰动下汽包水位变化的动态特性 在给水流量W产生阶跃扰动下 汽包水位H变化的响应曲线如下图所示 给水流量扰动下汽包水位响应曲线 2 给水流量W产生阶跃扰动下 汽包水位H变化的动态特性可用传递函数表示为 式中 迟延时间 汽包水位反应速度 即给水量产生单位变化时汽包水位的变化速度 n 汽包锅炉给水调节对象的阶次 给水流量W扰动下 汽包水位调节对象没有自平衡能力 但是具有一定的惯性和迟延 即给水流量W改变后不能立即引起汽包水位H的变化 有时用汽包水位反应速度 的倒数Ta 即反应时间作为反映汽包水位变化的参数 其定义为 当扰动量为100 时 水位变化100 跳炉所用的水位如220mm 所经过的时间 3 2 蒸汽流量D扰动下汽包水位变化的动态特性 在蒸汽流量D产生阶跃扰动下 汽包水位H变化的响应曲线如下图所示 图中 H1 只考虑工质储量变化的汽包水位响应曲线 H2 只考虑水面下汽泡容积变化的汽包水位响应曲线 H 实际汽包水位响应曲线 H H1 H2 蒸汽流量扰动下汽包水位响应曲线 4 在蒸汽流量D产生阶跃扰动下 汽包水位H变化的动态特性可用传递函数表示为 式中 T2 响应曲线H2的时间常数 约10 20s K2 响应曲线H2的传递系数 汽包水位反应速度 在蒸汽流量D扰动下 汽包水位调节对象在调节过程中出现 虚假水位 现象 即蒸汽流量D增大后汽包水位H由于汽包压力突然下降先暂时上升 然后逐渐下降 因此 汽包锅炉给水调节对象的动态特性可总结为 有惯性有迟延 无自平衡能力 并且具有虚假水位现象 5 7 3三冲量给水自动控制系统的分析整定 目前汽包锅炉给水自动调节中普遍采用三冲量给水自动控制系统 调节器根据汽包水位H 蒸汽流量D和给水流量W三个信号的变化调节给水量 其系统结构图如下图所示 三冲量给水自动控制系统结构图 图中汽包水位H 蒸汽流量D和给水流量W三个信号同时送到PI调节器 在静态时三个信号IH ID和IW与给定值信号I0平衡 即 PI调节器示意图 6 对应的汽包锅炉三冲量给水自动控制系统的原理方框图如下图所示 三冲量给水自动控制系统原理方框图 一般选择ID IW 则静态时汽包水位信号IH与汽包水位给定值信号I0相等 从而使调节过程结束后的汽包水位H与汽包水位给定值H0相等 7 1 内回路的分析整定 内回路原理方框图 在内回路中 可以把调节器以外的执行机构 调节阀 变送器和分流器作为广义调节对象处理 则其动态特性近似为比例环节 因此PI调节器的比例带 和积分时间Ti可以取较小值 通过试验法进行整定 当给水流量分流系数 W改变后 只需相应改变PI调节器的比例带 使保持不变 以保证内回路开环放大倍数不变 8 2 主回路的分析整定 在主回路中可以把内回路看作快速随动系统处理 即输入信号 I改变时调节器可以迅速改变给水流量W 使输入信号 I与反馈信号IW保持平衡 即 因此内回路可以简化为 主回路简化方框图 在此基础上可得主回路简化方框图 9 根据主回路简化方框图 主回路的等效调节器可以看作比例调节器 其等效比例带为 整定主回路时 以给水流量W作为输入信号 汽包水位反馈信号IH作为输出信号 做阶跃扰动试验 在阶跃响应曲线上求得调节对象WOW s 的迟延时间 和反应速度 建议采用以下公式计算主回路参数 增大给水流量分流系数 W 相当于增加主回路等效比例调节器的比例带 使调节动作减慢 稳定性提高 但对于内回路 相当于增加了内回路开环放大系数 使内回路稳定性下降 因此当增大给水流量分流系数 W以提高主回路稳定性时 必须相应增加内回路PI调节器的比例带 以保持内回路的稳定 10 3 前馈通道的分析整定 在完成了内回路和主回路的整定后 三冲量给水自动控制系统简化方框图如下图所示 三冲量给水自动控制系统简化方框图 蒸汽流量前馈通道不在控制系统的闭环回路以内 因此不会影响控制系统的稳定性 可以根据蒸汽流量D扰动时使汽包水位H不发生变化的原则确定蒸汽流量分流系数 D 11 此时蒸汽流量分流系数 D是一个复杂的动态环节 在工程中很难实现 实践证明 D只要满足比例特性 就可以保证在蒸汽流量D变化时使汽包水位H稳定在允许的范围内 通常采用蒸汽流量信号ID与给水流量信号IW静态配合的原则确定 D 即 根据以上原则可得 因此可得蒸汽流量分流系数 D 12 复合控制系统特性分析 工程实际中 为克服反馈控制的局限性从而提高控制质量 对一两个主要扰动采取前馈补偿 而对其它对被调参数变化的干扰采用反馈控制来克服 以这种形式组成的系统称为前馈 反馈复合 13 前馈 反馈复合控制系统既能发挥前馈调节控制及时的优点 又能保持反馈控制对各种扰动因素都有抑制作用的长处 因此得到了广泛的应用 复合控制系统具有以下几个特点 1 引入反馈控制后 前馈控制中的完全补偿条件不变 图7 1为前馈 反馈复合控制系统的原理方框图 WB S WDZ S WT S WD S Y X Z 图7 1复合控制系统原理方框图 由图可得 没有加入反馈作用时完全补偿的条件为 加上反馈后有 14 上式中 X S 0 Z S 0 应用不变性原理有 即 而如果不加前馈作用 即若WB S 0 显然 由于WDZ S 0 因此扰动对系统输出是有影响的 2 复合控制系统补偿控制的控制规律不仅与对象控制通道和干扰通道有关 还与反馈调节器的位置有关 若复合控制系统的组成如图7 2所示 反馈调节器与图7 2相比 不是放在前馈信号前面 而是放在它的后面 则有 WDZ S WT S WD S Y X WB S Z 图7 2复合控制系统原理方框图之二 15 由图7 2得 可得完全补偿的条件 3 复合控制时 扰动对输出的影响要比纯前馈时小得多 为便于比较 设系统为定值控制 即X S 0 专门讨论扰动Z S 对系统的影响 因为前馈控制不可能完全补偿 即Y S 的第二项不可能完全为零 令其为 S 那么 纯前馈控制时 加入反馈后则 因为1 WT S WD S 1 所以 Y1 S Y1 S 对于其他未经过补偿的扰动作用也有类似的结果 4 前馈补偿对于系统的稳定性没有影响 这一点是显而易见的 因为前馈无论加在什么位置 它都不构成回路 系统的输入 输出传递函数的分母均保持不变 因而不会影响系统的稳定性 16 7 4其它给水自动控制系统介绍 一 串级三冲量给水自动控制系统 对于迟延和惯性较大的汽包锅炉给水系统 采用串级三冲量给水自动控制系统可以提高控制品质 其系统结构图如下 内回路的分析整定 整定方法与前述三冲量给水自动控制系统相同 主回路的分析整定 在主回路中内回路是一个快速随动系统 简化方框图如下图所示 串级三冲量给水自动控制系统的组成 内回路主回路前馈通道 17 整定主回路时 以给水流量W作为输入信号 汽包水位反馈信号IH作为输出信号 做阶跃扰动试验 在阶跃响应曲线上求得调节对象WOW s 的迟延时间 和反应速度 建议采用以下公式计算主回路比例积分调节器 PI1 的参数 主回路简化方框图 前馈通道的分析整定 在串级三冲量给水自动控制系统中 水位偏差由主回路中的 18 比例积分调节器 PI1 进行校正 静态时不存在偏差 因此可以根据锅炉汽包中 虚假水位 的影响程度 按下式选择合适的蒸汽流量分流系数 D 给定不同的比例系数K 一般K 1 可以通过改变蒸汽流量分流系数 D的大小调节前馈作用的强弱 以减小锅炉运行过程中负荷变化时 虚假水位 对汽包水位波动幅度的影响 缩短调节过程时间 提高控制品质 二 给水流量信号加惯性的三冲量给水自动控制系统 对于负荷变化较频繁的汽包锅炉给水系统 可以在原三冲量给水自动控制系统内回路的给水流量信号反馈通道中加入惯性环节 组成给水流量信号加惯性的三冲量给水自动控制系统 其系统结构图如下 19 主要特点 在给水流量信号反馈通道中加入惯性环节 可以减小机组负荷变化时由于汽包 虚假水位 引起的给水流量反向调节 在汽包水位变化时 调节系统的动作相当于采用比例微分调节器的单回路系统 可以使调节过程中汽包水位的动态偏差减小 调节过程时间缩短 但不能减小最大动态偏差 由于在等效调节器中加入了微分作用 调节过程中给水流量波动幅度较大 对锅炉运行不利 20 三 附加蒸汽流量负微分前馈信号 给水流量信号加惯性的三冲量给水自动控制系统 机组负荷增加时 暂时减少给水流量 可以减少汽包 虚假水位 引起的调节过程中汽包水位的动态偏差 负微分信号的作用 为便于分析 画出系统在机组负荷扰动下的简化等效方框图如下 21 简化等效方框图 根据控制系统的简化等效方框图可得在机组负荷扰动下汽包水位H变化的传递函数 附加的蒸汽流量负微分前馈信号 22 在参数整定时一般令 则在机组负荷扰动下 即蒸汽流量D变化时使汽包水位H不发生变化的条件为 通过以上分析 在给水控制系统中加入蒸汽流量负微分信号后 可以减少由于汽包 虚假水位 引起的调节过程中汽包水位的动态偏差 但同时会引起给水流量的大幅度变化 因此附加蒸汽流量负微分前馈信号的三冲量给水自动控制系统适用于带冲击负荷并且负荷变化频繁的机组 23 7 5汽包锅炉给水全程自动控制系统简介 7 5 1全程控制的概念 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 7 5 2锅炉给水全程控制系统的特点 锅炉给水全程控制系统可以不需要运行人员参与而自动完成锅炉启 停和正常运行工况下对给水热力系统中全部设备的自动控制 以保持汽包水位在设定的允许范围以内 其控制过程具有以下主要特点 1 锅炉从启动到正常运行的过程中 汽水参数和负荷在很大范围内变化 因此需要对水位 流量等测量信号自动进行压力和温度的校正 2 在给水全程控制系统中不仅要满足给水量控制的要求 同时还要保证变速给水泵工作在安全工作区内 24 汽包锅炉给水热力系统图 25 3 由于锅炉给水调节对象的动态特性与负荷有关 在低负荷时可以采用以汽包水位为反馈信号的单回路控制系统 在高负荷时为克服 虚假水位 需要采用三冲量控制系统 因此在锅炉负荷变化时要保证两种控制系统之间的双向无扰切换 4 在低负荷时采用改变阀门开度来保持保持水位 高负荷时用改变给水泵的转速保持水位 因此产生了阀门与给水泵间的过渡切换问题 5 给水全程控制系统要适应机组定压运行和滑压运行工况 以及机组的冷态启动和热态启动工况 7 5 3测量信号的自动校正 在机组不同运行工况下汽水参数在很大范围内变化 为了保证锅炉给水全程控制系统中汽包水位 给水流量和蒸汽流量测量的准确性 需要对其自动进行温度和压力的校正 1 汽包水位测量信号的自动校正 汽包中饱和水和饱和蒸汽的密度随压力变化 会影响汽包水位测量信号H的准确性 汽包水位测量系统如下图所示 26 由图可得 上式中凝结水密度 a基本不变 而饱和水和饱和蒸汽密度 G和 s均为汽包压力的函数 即 27 根据上式可以设计汽包水位信号压力校正模块线路图 其中密度与汽包压力之间的函数曲线fa Pb 和fb Pb 如下图所示 汽包水位信号压力校正模块 密度与汽包压力函数曲线 28 2 给水流量信号的温度校正 由于给水流量信号随压力变化很小 因此对于给水流量测量信号W只需采用温度校正 其校正模块线路图如下 给水流量信号温度校正模块 3 蒸汽流量信号的压力 温度校正 当蒸汽的压力和温度偏离设计值时 蒸汽的密度变化很大 使测量信号产生较大误差 所以需要对蒸汽流量测量信号D进行压力和温度的校正 校正公式如下 29 根据上式可以设计蒸汽流量信号压力 温度校正模块线路图如下图所示 蒸汽流量信号压力 温度校正模块 30 7 5 4变速给水泵的安全工作区 目前在大型单元机组的给水系统中广泛采用变速给水泵来控制给水流量 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 如下图所示 在锅炉启动 停炉或低负荷运行时 由于所需给水流量小 变速给水泵的工作点有可能处于上限特性曲线之外 为防止出现这种情况 最有效的措施是设置再循环管路 在低负荷时通过再循环增加给水泵的流量 31 变速给水泵有最低转速nmin的限制 当变速给水泵转速接近nmin时就不能以继续降低转速的方式调节给水流量 此时需用改变上水管路阻力 即设置给水调节阀 的方式 使变速给水泵工作在安全区以内 变速给水泵下限特性决定了不同压力下泵的最大负荷能力 当给水流量较大时 其工作点可能会移到下限特性曲线之外 此时需通过提高上水管路阻力 即关小泵出口流量调节阀 的方式提高变速给水泵的出口压力 以使其工作点重新移入安全区以内 工作点的移动过程如下图所示 32 7 5 5汽包锅炉给水热力系统简介 从除氧器出来的给水 由给水泵送入高压加热器 经过加热后的给水经省煤器最终进入汽包 汽包锅炉给水热力系统图如下图所示 汽包锅炉给水热力系统图 33 7 5 6给水全程控制中热工信号的测量 1 汽包水位信号的测量 左图为汽包水位信号测量系统的电路原理图 为了克服运行过程中汽包压力Pb变化对汽 水密度的影响 提高汽包水位信号测量的准确性 在测量系统中加入了汽包压力补偿环节 图中汽包水位H的计算公式为 汽包水位压差变送器压差 汽包压力 34 2 给水流量信号的测量 左图为给水流量信号测量系统的电路原理图 为了克服运行过程中给水温度变化对给水流量信号测量准确性的影响 在测量系统中加入了给水温度补偿环节 给水温度补偿环节 3 蒸汽流量信号的测量 下图为蒸汽流量信号测量系统的电路原理图 图中蒸汽流量W的计算公式为 35 设定系数 36 7 5 7汽包锅炉给水全程控制过程分析 1 控制流程 启动 冲转及带25 负荷 升负荷25 30 30 100 负荷阶段 负荷达到w 电动泵转速为nx时打开主给水电动门 30 A 负荷阶段由电动泵控制给水流量 负荷 A 时 启动汽动泵 转换完成后电动泵超驰全关 37 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 以避免由于负荷波动使系统在切换点处来回切换 在机组启动 带负荷运行和减负荷过程的不同阶段中给水旁路阀门 主给水电动阀门的开度变化以及电动泵 汽动泵的运行状态如