毕业标准论文

本科生毕业设计 论文 题题 目 目 汽包锅炉给水水位自动控制汽包锅炉给水水位自动控制 学生姓名 学生姓名 XXXXXX 系系 别 别 机械与电气信息工程系机械与电气信息工程系 专业年级 专业年级 XXXX 级本科二班级本科二班 指导教师 指导教师 XXXXXXXX XXXX 年年 XXXX 月月 XXXX 日日 中国石油大学胜利学院本科毕业设计 论文 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 关键词 三冲量 串级 切换 跟踪 中国石油大学胜利学院本科毕业设计 论文 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 KeyKey words words three element control cascade configuration switch track 中国石油大学胜利学院本科毕业设计 论文 目 录 前 言 1 第一章概 述 3 1 1 论文选题背景 目的和意义 3 1 2 国内外全程给水研究现状 3 1 3 课题主要研究工作 4 第二章 给水被控对象的动态特性 6 2 1 全程控制的概念 6 2 2 给水控制对象的动态特性 6 2 2 1 给水流量扰动下水位的动态特性 7 2 2 2 蒸汽流量扰动下水位的动态特性 8 2 2 3 炉膛热负荷扰动下水位的动态特性 9 第三章 串级三冲量给水系统的信号校正与系统切换 11 3 1 信号的自动校正 11 3 1 1 水位信号的压力校正 11 3 1 2 过热蒸汽流量信号的压力 温度校正 13 3 1 3 给水流量信号的温度校正 14 3 2 给水泵安全特性要求 15 3 3 切换问题 17 3 3 1 给水流量的测量装置的切换问题 17 3 3 2 大小调节阀门的切换问题 19 3 3 3 系统的无扰切换问题 20 第四章 串级三冲量给水控制系统的设计 23 4 1 串级三冲量给水控制系统的 SAMA 图 24 4 2 调节器的选择 25 第五章 串级三冲量给水控制系统的仿真 27 5 1 串级三冲量给水控制系统的仿真 27 5 1 1 副回路的仿真 27 5 1 2 主回路的仿真 28 5 2 外扰下的仿真分析 32 5 3 仿真结果分析 35 第六章 结 论 37 参考文献 38 致 谢 39 中国石油大学胜利学院本科毕业设计 论文 1 前前 言言 自动控制技术在工程和科学发展中起着极为重要的作用 在火电厂的生产过程 中也采用了自动控制技术 在火电厂的生产过程中采用的热工自动控制系统 是伴随 着社会对电能需求的日益增加 单机容量的日益扩大和自动控制技术在火力发电厂中 应用的深度与广度与日俱增而逐步发展起来的 电厂热工自动化水平的高低是衡量电厂生产技术的先进与否和企业现代化的重要标志 其中 汽包锅炉给水及水位的调节已经完全采用自动的方式加以控制 在不需要操作 人员干预的情况下 可以很好的完成生产过程中的给水及水位控制 大大提高了生产 效率 汽包锅炉给水控制系统的任务是使给水量适应锅炉蒸发量 并使汽包中水位保 持在一定的范围内 只有保证汽包水位的波动在允许范围内 才能实现机组安全经济 运行 因此 汽包水位是影响整个机组安全经济运行的重要因素 所以就要有一套较 好的控制方案 来实现汽包水位的控制 从传统的控制方式来看 它们要么系统结构简单成本低 却不能有效的控制锅炉 汽包 虚假水位 现象 要么能够在一定程度上控制 虚假现象 系统却过于复杂 成本投入过大 目前工业控制急需一种系统简单 并且能够控制 虚假水位 具有 高性价比的控制系统 汽包锅炉的给水调节系统有三种基本结构 单冲量调节系统结 构 单级三冲量调节系统结构 串级三冲量调节系统结构 低负荷阶段 由于疏水和 锅炉排污等因素的影响 给水和蒸汽流量存在着严重的不平衡 而且流量太小时 测 量误差大 故在低负荷阶段 很难采用三冲量调节方式 一般均采用单冲量调节方式 负荷达到一定值以上时 疏水和排污阀逐渐关闭 汽 水趋于平衡 流量逐渐增大 测量误差逐渐减小 这时原则上可采用三冲量调节方式 但由于单级三冲量调节系统 要求蒸汽流量和给水流量信号在稳态时必须相等 否则汽包水位存在静态偏差 而且 由于测量装置及变送器的误差等因素的影响 实际上现场这两个信号在稳态时 经常 难以做到完全相等 而且单级三冲量调节系统一个调节器参数整定需兼顾的因素多 因此单级三冲量事实上一般也难以采用 串级三冲量调节方式 采用主 副两个调节器 两调节器任务分工明确 整定相对容 易 而且不要求稳态时给水流量信号与蒸汽流量信号完全相等 易于得到较好的调节 中国石油大学胜利学院本科毕业设计 论文 2 品质 因此现场多采用此控制方式 在串级控制系统中 参数的整定也是非常重要的 由于在系统中所设计的对象是 确定的 所以只有对调节器进行整定 控制系统的参数整定有理论计算方法和工程整 定方法 理论计算方法是基于一定的性能指标 结合组成系统各环节的动态特征 通 过理论计算求得调节器的动态参数设定值 而工程整定法 则是源于理论分析 结合 实验 工程实际经验等一套工程上的方法 其具体方法将在本设计中体现 中国石油大学胜利学院本科毕业设计 论文 3 第一章第一章 概概 述述 1 11 1 论文选题背景 目的和意义论文选题背景 目的和意义 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 21 2 国内外全程给水研究现状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 中国石油大学胜利学院本科毕业设计 论文 4 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 31 3 课题主要研究工作课题主要研究工作 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 1 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 中国石油大学胜利学院本科毕业设计 论文 5 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 中国石油大学胜利学院本科毕业设计 论文 6 第二章第二章 给水被控对象的动态特性给水被控对象的动态特性 2 12 1 全程控制的概念全程控制的概念 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 22 2 给水控制对象的动态特性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 中国石油大学胜利学院本科毕业设计 论文 7 2 2 12 2 1 给水流量扰动下水位的动态特性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 图 2 1 给水流量扰动下水位阶跃响应曲线 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 1 和 2 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 2 1 s 1 sSW SH ww 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 h t 1 迟延时间 s 和 的大小和锅炉容量及参数有关 1 对于蒸发量为 410t h 参数为 10MPa 540 的高压炉 10s 0 015 mm s h t 对于容量为 670t h 参数为 14MPa 540 的超高压炉 1 1 中国石油大学胜利学院本科毕业设计 论文 8 5 10s 0 0095 0 0125 mm s h t 由此可见 随着锅炉容量的增大和 1 1 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 2 2 22 2 2 蒸汽流量扰动下水位的动态特性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 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 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 3 ssT K SD SH S WD 1 2 2 2 式中 T H2 曲线的时间常数 K H2 曲线的放大系数 H1 曲线的响应速度 22 虚假水位现象与锅炉参数及蒸汽负荷变化大小有关 对于 100 670t h 中 高压锅 炉 当负荷阶跃变化 10 时 虚假水位可达 30 40mm 中国石油大学胜利学院本科毕业设计 论文 9 图 2 2 蒸汽流量阶跃扰动下水位响应曲线 2 2 32 2 3 炉膛热负荷扰动下水位的动态特性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 中国石油大学胜利学院本科毕业设计 论文 10 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 中国石油大学胜利学院本科毕业设计 论文 11 第三章第三章 串级三冲量给水系统的信号校正与系统切换串级三冲量给水系统的信号校正与系统切换 3 13 1 信号的自动校正信号的自动校正 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 13 1 1 水位信号的压力校正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 1 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 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 饱和蒸汽的密度 饱和水的密度 汽包外平衡容器内凝结水的密度 s g G g a g 中国石油大学胜利学院本科毕业设计 论文 12 从图 3 1 中可以看出 H 1 P G h s a acbb hH 2 4 2 2 P a hHhHPPP ssGa 12 3 1 sG sa PH h 当H一定时 水位h是差压和汽 水密度的函数 密度与环境温度有关 一般 a 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 两种因素对的影响基本上可抵消 即可近似地认为是恒值 而饱和水和饱和汽的 a a 密度和均为为汽包压力Pb的函数 即 G s basa Pf bbsG Pf 所以式 3 1 可以改写为 3 2 bb ba Pf PHPf h 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f a Pb 和f b 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 中国石油大学胜利学院本科毕业设计 论文 13 图 3 2 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 从图 3 3 中曲线可以看出 与P b的关系在较大范围内可近似地认为是线 a s 性关系即 bsa Pkk 2 1 2 1bsa PkkHH bsa PkkH 21 则式 3 l 可改写为 3 3 21 bb b Pf PPkk h 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 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 这种测量装置中 水位表达式为 3 4 sG P h 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 a s 项 故 a 随温度变化的影响消除了 中国石油大学胜利学院本科毕业设计 论文 14 3 1 23 1 2 过热蒸汽流量信号的压力 温度校正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 3 5 100 61 5 66 1 100 57 18 2 10 PT P PkPkD 式中 D 热蒸汽流量 P 过热蒸汽压力 T 过热蒸汽温度 P 节流件差压 过热蒸汽密 k 流量系数 按 3 5 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 图 3 6 过热蒸汽流量信号的压力 温度自动校正线路图 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 33 1 3 给水流量信号的温度校正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 0 196 19 6MPa 范围内变 中国石油大学胜利学院本科毕业设计 论文 15 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 100 290 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 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 3 23 2 给水泵安全特性要求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 中国石油大学胜利学院本科毕业设计 论文 16 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 以提高泵的出口压力 使工作点重新移入安全区内 图 3 10 给水泵出口压力调整时的工况 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 中国石油大学胜利学院本科毕业设计 论文 17 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 33 3 切换问题切换问题 3 3 13 3 1 给水流量的测量装置的切换问题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 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 中国石油大学胜利学院本科毕业设计 论文 18 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 图 3 12 给水流量信号运算回路 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 W 1 中国石油大学胜利学院本科毕业设计 论文 19 0 25 W 2 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 W 2 旁路给水流量信号 由上式可见 当k l 时 W 0 25W 2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 从而提高了测量精度 3 3 23 3 2 大小调节阀门的切换问题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 图 3 13大小调节阀无扰切换原理图 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 l0V 小阀回路乘法 小 b 器输出 中国石油大学胜利学院本科毕业设计 论文 20 a 小 u c ab小 10 10 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 0 大 U c ab小 0 10 a 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 U ab c 10 10 a a 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 即小阀门回路中的信号如图中所示 为一个由大到 小 b 小的斜坡信号 当信号降为零时 小阀门回路的乘法器输出 小 b 0 大 U c ab小 0 10 a 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 图 3 14大小阀门开度变化曲线 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 中国石油大学胜利学院本科毕业设计 论文 21 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 33 3 3 系统的无扰切换问题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 中国石油大学胜利学院本科毕业设计 论文 22 图 3 15三冲量系统 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 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 中国石油大学胜利学院本科毕业设计 论文 23 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 第四章第四章 串级三冲量给水控制系统的设计串级三冲量给水控制系统的设计 现代大型锅炉的水位动态特性复杂 汽包存在着严重的 虚假水位 现象 为了 保证给水系统的安全可靠 设计了许多不同类型的控制系统 但是无论采用何种调节 手段 汽包锅炉的给水调节系统不外乎采用以下三种基本结构 单冲量调节系统结构 单级三冲量调节系统结构 串级三冲量调节系统结构 低参数小容量的锅炉 相对于负荷来说 其水容积大 虚假水位 现象不十分 严重 对象的飞升速度比较小 对调节质量要求不高 可采用图 4 1 所示的单冲量单 回路调节系统 采用比例调节规律 就能可靠地运行 图 4 1 单冲量单回路自动调节 这种系统的缺点是不能适应较大的负荷扰动 在蒸汽流量突然减少时 调节器本 应减小给水量以保持物质的平衡 但由于 虚假水位 的存在使得水位 H 下降 调节 器根据这一信号 使给水量增加 甚至可能把调节阀门开到最大 经过一段时间 蒸 发量和给水量的不平衡逐渐使水位回升并超过正常值 这时调节器又接受水位高的信 中国石油大学胜利学院本科毕业设计 论文 24 号去减小给水量 由于水位回升很快 往往使水位的升高值比第一次 虚假水位 下 降值大 水位的第二次升高值是调节器接受虚假水位信号后产生的误动作造成的 另 外 由于采用比例调节规律有静差存在 锅炉在大负荷时 水位保持低值 而在小负 荷时 水位则保持高值 这种特性对锅炉设备的运行是不利的 在给水量产生扰动时 由于存在滞后 调节器不会及时动作 当水位偏差信号超 过调节器的不灵敏区后调节器开始动作 改变给水调节阀门的开度 从阀门动作改变 给水流量到水位发生变化又需要一定时间 不能及时克服给水流量变化带来的影响 当给水控制阀开度不变时 若给水泵出口压力 管道阻力或汽包压力变化 将引起控 制阀前后的差压变化 从而引起给水流量变化 当给水流量自发变化时 要等到汽包 水位变化后 才有信号输入控制器 控制器才能输出信号改变控制阀开度 以抵消给 水流量的自发扰动 控制器的这种控制作用是不及时的 因此 当调节对象的滞后时间和飞升速度较大时 调节过程将出现很大的动态偏 差 双冲量控制系统能消除内扰 有效补偿外扰引起的水位变化 克服 虚假水位 的影响 改善了控制质量 但由于给水流量对水位的影响 其延迟要比蒸发量对水位 影响大 用水位作为反馈信号去控制不及时 使得动态偏差增大 所以这种系统尚不 能迅速消除给水流量的自发扰动 也不能及时体现控制效果 这种控制方案多用于中 小型锅炉的给水控制系统 总之 通过对给水控制系统的对象的动态性能分析可以看出 采用单回路控制系 统是不能满足生产对控制品质的要求 所以电站汽包锅炉的给水控制普遍采用三冲量 给水控制方案 三冲量给水系统又分为单级三冲量和串级三冲量给水系统 所谓单级 三冲量给水系统 是指系统中用了一个调节器 而调节器的输入有三个 因此得名 这种系统与双冲量给水系统相比 多了一个流量反馈信号 给水量发生变化时 流量 信号自然要比水位信号快得多 从而大大的改善了控制质量 但是 在系统参数整定 时 内外回路相互关联相互影响 不容易确定参数 从而得不到希望的调节效果 且 负荷变化时水位静态值是根据 静态对比 来进行整定的 所以 又出现了串级三冲 量给水系统 此系统更进一步完善了结构 提高了控制质量 中国石油大学胜利学院本科毕业设计 论文 25 4 14 1 串级三冲量给水控制系统的串级三冲量给水控制系统的 SAMASAMA 图图 下图为串级三冲量给水控制系统的 SAMA 图 图 4 3 串级三冲量给水控制系统的 SAMA 图 4 24 2 调节器的选择调节器的选择 调节规律是指调节器输出信号与其输入信号之间的动态关系 从理论上说可有各 种形式的函数关系 然而在实践中总结出三种基本调节关系 广为采用 这三种基本 调节规律就是比例调节规律 积分调节规律 微分调节规律 三种调节规律的组合可 设计出多种调节规律的调节器 如比例调节器 比例积分调节器 比例积分微分调节 器等 调节器作为控制系统组成部分之一 其动态特性对控制过程有着很大的影响 因为对象的特性是不容易改变的 比例调节规律的特点是控制及时 控制作用贯穿整个调节过程 因此它是基本的 中国石油大学胜利学院本科毕业设计 论文 26 调节作用 然而比例调节不能保证系统无差 积分作用可以实现无差调节 只要偏差 存在 积分控制作用一直增加 换言之 只有偏差为零时 积分作用才停止变化 这 表明系统达到再次稳定状态时 被调量的偏差必然为零 积分调节规律的特点就是消 除稳态偏差 实现无差调节 其控制作用体现在调节过程的后期 但是 具有积分调 节规律的调节器不能完全消除偏差 比例积分调节规律要比纯积分调节规律优越得多 因此工程中很少采用纯积分调节器 广泛采用的是比例积分调节器 然而在比例积分 调节器中 积分作用的强弱要适当 过强的积分作用可能使系统不稳定 因为积分作 用旨在消除偏差 但使系统的稳定性下降 因此与采用纯比例调节器相比 比例积分 调节器的比例带应适当加大 以补偿积分作用造成的稳定性下降 微分调节规律是调节器输出的控制作用与其偏差输入信号的变化速度成正比 微 分调节作用的大小仅与偏差信号的变化速度有关 而与偏差值大小无关 因此对象在 受到较小的扰动后 被调量变化量及变化速度都将很小 微分作用调节器同时由于自 身动作的不灵敏区的存在而始终不动作 这样经过一段时间后 偏差将积累成一个较 大的值 就是说纯微分作用的调节器是不能单独使用的 微分作用要与比例作用或比 例积分作用相结合 形成比例微分调节规律或比例微分积分调节规律 微分作用的引 入使系统控制过程的稳定性和准确性都得以提高 但它不能像积分作用那样消除稳态 偏差 比例调节作用是最基本的调节作用 而积分和微分作用为辅助调节作用 比例作 用贯彻于整个调节过程之中 积分作用则体现在调节过程的后期 用于消除静态偏差 微分调节作用则体现在调节过程的初期 中国石油大学胜利学院本科毕业设计 论文 27 第五章第五章 串级三冲量给水控制系统的仿真串级三冲量给水控制系统的仿真 5 15 1 串级三冲量给水控制系统的仿真串级三冲量给水控制系统的仿真 系统参数 给水流量传函 201 035 0 1 1 sssssW SH sWD 蒸汽流量传函 ssssT K sD sH sWD 035 0 151 6 3 1 2 2 2 负荷从 0 100t h 变化时 开方器输出 0 100mA 调节器输出从 0 10mA 变化时 阀门开度变化 0 100 即执行器放大系数 100 10 10 z KmA 阀门系数 2 t h 给水量及蒸汽流量变送器斜率 0 083V t h f K DG 水位变送器 在最大的水位波动范围mm 内 变送器输出电压是 0 10V 所以 150 水位变送器斜率 0 033 V mm H 300 10 5 1 15 1 1 副回路的仿真副回路的仿真 由第四章的分析结果可知