第三章-锅炉给水控制系统.ppt

1 第三章锅炉给水控制系统 3 1汽包锅炉给水控制 3 2汽包锅炉给水全程控制系统实例分析 3 3直流锅炉给水控制 3 4直流锅炉给水控制系统实例分析 2 3 1汽包锅炉给水控制 3 一 给水控制任务汽包锅炉给水控制的任务是使给水量适应锅炉蒸发量 并使汽包的水位保持在一定范围内 1 维持汽包水位在一定的范围内汽包水位是影响锅炉安全的重要因素 水位过高 会破坏汽水分离装置的正常工作 严重时会导致蒸汽带水增多 从而增加在过热器管壁上和汽轮机叶片上的结垢 甚至使汽轮机发生水冲击而毁坏叶片 水位过低 则会破坏水循环 引起水冷壁的破裂 4 正常运行时水位波动范围 30 50 mm异常情况 200mm事故情况 超出 350mm 2 保持稳定的给水量稳定工况下 给水量不应该时大时小地剧烈波动 否则 将对省煤器和给水管道的安全运行不利 5 二 给水控制对象的动态特性汽包炉给水控制对象结构如下图 图 汽包炉给水控制的结构系统 6 影响水位的因素主要有 锅炉蒸发量 负荷D 给水量W炉膛热负荷 燃烧率M 汽包压力Pb 1 给水量扰动下水位变化的动态特性 水位在给水扰动下的传递函数可表示为 7 左图中曲线1为沸腾式省煤器时水位的动态特性 曲线2则是非沸腾式省煤器时的水位动态特性 图 给水量扰动时水位阶跃响应曲线 8 水位对象可近似认为是一个积分环节和一个惯性环节并联的形式 2 蒸汽流量扰动下水位的动态特性 虚假水位 由于负荷增加时 在汽水循环回路中的蒸发强度也将成比例增加 水面下汽泡的容积增加得也很快 此时燃烧率M还来不及增加 汽包中水的体积增大而水位上升 传递函数 9 当过了一段时间后 即汽泡容积和负荷相适应而达到稳定后 水位就要反映出物质平衡关系而下降 10 3 炉膛热负荷扰动下水位变化的动态特性 图 燃料扰动下水位阶跃响应曲线 11 炉膛热负荷扰动即是指燃烧率M的扰动 燃烧率增加时 锅炉吸收更多的热量 使蒸发强度增大 如果不调节蒸汽阀门 由于锅炉出口汽压提高 蒸汽流量也增大 这时蒸发量大于给水量 水位应下降 但由于在热负荷增加时蒸发强度的提高 使汽水混合物中的汽泡容积增加 而且这种现象必然先于蒸发量增加之前发生 从而使汽包水位先上升 从而引起 虚假水位 现象 当蒸发量与燃烧量相适应时 水位便会迅速下降 这种 虚假水位 现象比蒸汽量扰动要小一些 但其持续时间长 12 4 3给水控制的基本方案 13 三 给水控制的基本方案1 单级三冲量给水控制系统 图 单级三冲量给水控制系统结构图 14 工作原理 调节器接受三个信号 H W D 其输出通过执行机构去控制给水量W 其中水位H是主要控制信号 水位高时应减少给水流量 水位低时应增加给水流量 蒸汽流量D和给水流量W的变化是引起水位变化的主要原因 扰动信号 它们分别作为水位控制的前馈信号和反馈信号 当D改变时 调节器PI动作 适当地改变给水量W 保证D和W比值不变 而当W自发地改变时 PI也立即动作使W恢复原来数值 有效地控制水位的变化 15 2 串级三冲量给水控制系统 16 串级三冲量给水控制系统如左图 有主调节器PI1和副调节器PI2 主调节器PI1接受水位信号作为主控信号去控制副调节器PI2 副调节器除接受主调节器信号IH外 还接受给水量反馈信号IW和蒸汽流量信号ID 组成一个三冲量的串级控制系统 其中副调节器的作用主要是通过内回路进行蒸汽流量D和给水流量W的比值调节 并快速消除来自给水侧的扰动 1 工作原理 17 2 系统特点 1 两个调节器任务不同 参数整定相对独立 2 在负荷变化时 水位静态值是靠主调节器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所谓 静态对比 来进行整定 恰巧相反 在这时可以根据对象在外扰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 以便在负荷变化时 使蒸汽流量信号能更快地补偿虚假水位的影响 从而改变蒸汽负荷扰动下的水位控制质量 18 3 2汽包锅炉全程给水控制系统实例分析 19 一 给水全程控制定义在锅炉给水全过程中都是自动控制的 即能在控制设备正常的条件下 不需要操作人员的干涉 就能保持汽包水位在允许的范围内 二 给水全程自动控制系统的要求 1 实现给水全程控制可以采用改变调门开度即改变给水管路阻力的方法来改变给水量 也可以采用改变给水泵转速即改变给水压力的方法来改变给水量 20 前一种方法 改变调门开度 节流损失大 给水泵的消耗功率多 不经济 故在一般单元机组的大型锅炉中都采用后一种方法 改变给水泵转速 两段调节 在给水全程控制系统中不仅要满足给水量调节的要求 同时还要保证给水泵工作在安全区 这往往需要有两套控制系统来完成 即所谓两段调节 21 2 系统的切换问题 由于机组在高 低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 即随着负荷的增加和下降 系统要从单冲量过渡到三冲量系统 或从三冲量过渡到单冲量系统 由此产生了系统的切换问题 22 3 由于全程控制系统的工作范围较宽 对各个信号的准确测量提出了更严格的要求 例如 在高低负荷不同工况下 给水流量的数值相差很大 必须采用不同的孔板进行测量 这样就产生了给水流量测量装置的切换问题 同样 主汽温度和压力在全过程中变化也很大 需要对主蒸汽流量进行校正 4 给水全程控制还必须适应机组定压运行和滑压运行工况 必须适应冷态起动和热态起动情况 5 在多种调节机构的复杂切换过程中 给水全程控制系统都必须保证无干扰 23 阀门的切换 高低负荷需要用不同的调节阀门 必须解决切换问题 调节阀门的切换伴随着有关截止门的切换 而截止门的切换过程需要一定的时间 导致了水位保持的困难 阀门与调速泵间切换 在低负荷时采用改变阀门的开度来保持泵的出口压力 高负荷时用改变调速泵的转速保持水位 这又产生了阀门与调速泵间的过渡切换问题 调节方式 点火后 在升温升压过程中 由于锅炉没有输出蒸汽量 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 就需要用开启阀门的方法 双位调节方式 进行水位调节 在这些切换中 系统都必须有相应的安全可靠的系统 保证给水泵工作在安全区内 24 三 给水控制系统结构1 汽泵控制系统 25 2 电泵和旁路阀控制 26 27 二 系统工作原理 1 起动 冲转及带25 负荷 此阶段采用单冲量系统通过调节给水旁路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1AM强迫为手动状态 汽泵超驰全关 主给水门也关闭 给水旁路阀从0 100 调节 单冲量调节器4PI IE 的输入为水位测量值H和给定值H0的偏差 其输出经3AM手 自动操作器去控制给水旁路阀 同时可进行阀位显示 三冲量电动泵的副调节器 3PI 处于自动跟踪状态 通过切换开关T2的NC点使3PI的输出跟踪函数发生器F1 的输出 再通过2AM手 自动操作器使电动泵维持在最低转速nmin运行 28 2 升负荷25 30 此阶段采用单冲量系统调节电动给水泵转速 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 T2仍接NC F 的输出值随调节信号变化 通过3PI的自动跟踪使调节信号控制电动泵转速 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4PI为变参数调节器 3 30 100 阶段 此阶段采用三冲量系统调节给水泵转速方案 这是调节系统的正常工况 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 29 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 当主给水电动门打开以后 管道阻力突然减少 调节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能力比单冲量系统强得多 所以调节质量能得到保证 2 30 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调节 3PI 3E电泵副调节器 不再跟踪4PI IE 的输出 而是处于自动调节状态 通过2AM手 自动操作器控制电动泵转速 三冲量主凋节器1PI在0 30 负荷阶段或手操阶段一直跟踪 G D 信号 G为给水流量 从而防止三冲量系统投自动时副调节器处于积分饱和状态 相当于副调节器的给定信号跟踪给水流量G 30 3 D A 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 电动泵通过T的切换和2AM的跟踪处于超驰全关状态 直到满负荷运行 此时 2PI 3E汽动泵副调节器 处于自动调节状态 通过1AM手 自动操作控制汽动泵转速 同时可进行转速显示 若执行机构发生故障可发出逻辑信号使泵切手动 4 降负荷过程中控制顺序与上述相反 同时各负荷的切换考虑了2 的不灵敏区 避免由于负荷波动系统在切换处来回切换 31 3 3直流锅炉给水控制 32 一 给水控制系统的主要任务超临界发电机组没有汽包 锅炉给水控制系统的主要任务不再是控制汽包水位 而是以汽水分离器出口温度或焓值作为表征量 保证给水量与燃料量的比例不变 满足机组不同负荷下给水量的要求 静态和动态燃水比值及随负荷变化的焓值校正是超临界直流锅炉给水系统的主要控制特征 33 二 带固定负荷直流锅炉控制方案 以燃料量作为主动流量 调节锅炉负荷 以给水流量作为从动流量 跟随燃料量变化 保持燃水比例不变 调节微过热汽温的配对选择方案 34 对于直流锅炉来说 给水流量的改变可以有效的改变蒸汽流量 因此该方案以给水流量作为主动流量 调节锅炉负荷 以燃料量作为从动流量 跟随给水流量变化 调节燃水比及汽温 加热段某点水温代表烟气温度 三 带变动负荷直流锅炉控制方案 35 3 4直流锅炉给水控制系统实例分析 36 一 给水控制系统的工艺流程某电厂600MW超临界压力机组的锅炉为螺旋管圈 变压运行直流锅炉 其启动系统配有两只内置式启动分离器 在锅炉启动和低负荷运行时 分离器处于湿态运行 同汽包一样起着汽水分离的作用 此时适当控制分离器水位 通过循环回收合格工质 当锅炉进入直流运行阶段 分离器处于干态运行 成为 过热 蒸汽通道 机组配备有二台50 BMCR汽动给水泵和一台30 BMCR的电动给水泵 37 汽动给水泵 由变速汽轮机拖动的锅炉给水泵 布置在汽机房13 70米层 每台汽动给水泵配有一台定速电动机拖动的前置泵 布置在除氧间零米层 给水泵汽轮机的转速接受给水控制系统的信号进行调节 以改变给水流量 电动给水泵 液力偶合器调速的电动给水泵 作为启动和备用 前置泵与主泵用同一电动机拖动 它布置在除氧间零米层 在机组启动时 电动给水泵以最低转速运行 用其出口管道旁路上的气动调节阀控制给水流量 当机组负荷上升 给水流量加大时 以给水控制系统的信号控制给水泵的转速 对给水流量进行调节 直至汽动给水泵投入 停止电动给水泵运行 使其处于备用状态 38 启动过程中 蒸汽加热除氧器给水 主给水泵的出水分别经三级高压加热器后进入省煤器 考虑到低负荷下直流锅炉对重量流速的要求 在启动和低负荷阶段最小给水流量设置为40 BMCR 流过水冷壁管的汽水混合物进入分离器 分离器疏水分两路 一路进入除氧器 进行合格工质及热量的回收 另一路经扩容器扩容后进入疏扩箱 由扩疏泵输送至凝汽器或直接向外排放 随着循环加热的进行 当给水达到一定温度后 锅炉允许点火 给水系统按要求的流量 压力和温度供给锅炉给水以及向有关设备供给各种运行工况所需要的减温水 以保证机组的正常运行 39 二 给水系统的控制策略在机组燃烧率低于40 BMCR 锅炉处于非直流运行方式 分离器处于湿态运行 分离器中的水位由分离器至除氧器以及分离器至扩容器的组合控制阀进行调节 给水系统处于循环工作方式 在机组燃烧率大于40 BMCR后 锅炉逐步进入直流运行状态 因此 超临界机组锅炉给水控制分低负荷时 40 MCR以下 的汽水分离器水位调节及锅炉直流运行 40 MCR以上 时的煤 水比调节 40 41 42 1 焓值维持特定的燃水比来控制汽水行程中某一点焓 分离器出口焓 达到规定要求 是一个切实有效的调温手段 当给水量或燃料量扰动时 汽水行程中各点工质焓值的动态特性相似 在锅炉的燃水比保持不变时 工况稳定 汽水行程中某点工质的焓值保持不变 所以采用微过热蒸汽焓替代该点温度作为燃水比校正是可行的 其优点在于 1 分离器出口焓 中间点焓 值对燃水比失配的反应快 系统校正迅速 43 2 焓值代表了过热蒸汽的作功能力 随工况改变焓给定值不但有利于负荷控制 而且也能实现过热汽温 粗 调正 3 焓值物理概念明确 用 焓增 来分析各受热面的吸热分布更为科学 它不仅受温度变化影响 还受压力变化影响 在低负荷压力升高时 分离器出口温度有可能进入饱和区 焓值的明显变化有助于判断 进而能及时采取相应措施 因此 静态和动态燃水比值及随负荷变化的焓值校正是超临界直流锅炉给水系统的主要控制特征 44 2 一级减温器前后温差如果各受热面的吸热比例不变 过热器出口焓值为一常数 那么减温器后蒸汽焓值也是一常数 与负荷无关 保持减温器前后温差为一常数 也就间接保持了减温器前蒸汽温度为一常数 相当于用减温器前微过热汽温作为校正燃水比信号 通过将一级喷水减温器前后温差 TPDS 与代表适量喷水的温差设定值相比较 形成一级温差偏差 TPDSerror 用该一级温差偏差去修正燃水比 F W 45 由于在运行过程中 上 下排喷燃器的切换以及蒸汽吹灰的投入与否 过热器属于对流过热或辐射的吸热特性等诸多因素 锅炉受热面在不同负荷时吸热比例变化较大 若要保持微过热段汽温和各级减温器出口汽温为定值 则各级喷水量变化就较大 为了克服上述缺点 采用保持减温器前后温差的调节系统 与直接调节微过热段汽温调节系统相比 其调节品质有降低 但有改善一级减温器工作条件的优点 46 4 总给水量A侧一级减温水流量 B侧一级减温水流量 A侧二级减温水流量和B侧二级减温水流量经平滑处理相加得总喷水流量 三个主给水流量信号经主给水温度修正后三取中 得主给水量 总喷水流量与主给水量相加得总给水流量 5 控制策略A B两侧一级减温器前后温差二取一 与负荷经f x 形成的要求值进行比较 偏差送入温差PID控制器 其输出与调速级压力 平均温度等前馈量相加 作为焓值设定值与用分离器出口温度和出口压力计算出的实际焓值比较 偏差