过程控制给水课程设计

1、目 录 摘 要：2关键词：21选题背景31.1系统的任务31.2相关的技术要求42设计理念43设计过程的详细分析53.1给水控制对象的动态特性53.2给水自动控制系统的基本方案73.3三冲量给水自动控制系统83.3.1单级三冲量给水自动控制系统83.3.2串级三冲量给水自动控制系统93.4变速泵的给水控制103.5信号的测量及校正103.5.1汽包水位信号103.5.2给水流量信号123.5.3主蒸汽流量信号133.6各种工况之间的互相切换与跟踪133.6.1工况之间的切换133.6.2 工况之间的跟踪143.7给水泵最小流量控制系统153.8锅炉给水全程控制方案153.9 300MW火电机组

2、给水热力系统简图164 设计系统的控制分析164.1总控制原理图164.1.1单冲量控制方式164.1.2三冲量控制方式174.2逻辑框图184.3系统的组成185设计系统总结196心得体会197参考文献20 300MW火电机组给水控制的设计摘 要：随着发电机组容量的增加和参数的不断提高，机组的控制与运行管理变得越来越复杂和困难。为了减轻运行人员的劳动强度，保证机组的安全运行，要求实现更为先进，适合范围更宽，功能更为完备的自动控制系统。这就产生了全程控制系统。所谓全程控制系统是指在启停和正常运行时均能实现自动控制的系统。给水控制系统是火力发电厂非常重要的控制子系统，稳定的汽包水位是汽包锅炉安全

3、运行的重要指标。火电厂给水系统构成复杂，汽包水位受到机组负荷，汽包压力、温度，给水量等多项参数的影响；不同负荷阶段，给水设备不同，又需要采取不同的控制方式。关键词：全程控制系统 无扰切换 单级三冲量 串级三冲量300 MW thermal power unit water control designAbstract：Along with the increase of generating unit capacity and parameter unceasing enhancement, the unit control and operation management become mo

4、re and more complex and difficult. In order to reduce the operational personnel Labour intensity, guarantee the unit operation, demanding more advanced, suitable for a wider, function and more complete automatic control system. This creates the whole control system. So-called process control system

5、refers to the start-stop and normal operation are to achieve automatic control system. Water control system is the coal-fired power plant very important control subsystem, stable drum drum water level is an important index of the safe operation of the boiler. Thermal water system structure is comple

6、x, the drum water level by the unit loads, steam pressure, temperature, water etc. Several parameters influence; Different load stage, water supply equipment, and the need to adopt different different control modes.Key words：Process control system Undisturbed switch Single grade three impulse Cascad

7、e three impulse 1选题背景火电厂在我国电力工业中占有主要地位，是我国重点的能源工业之一。大型火力发电机组具有效率高、投资省、自动化程度高等优点，在国内外发展很快。给水控制系是电厂非常重要的控制子系统。汽包水位是锅炉安全运行的重要参数，同时它还是衡量着锅炉汽水系统物质是否平衡的标志，因此水位控制系统一直受到重视。 随着发电机组容量的增加和参数的不断提高，机组的控制与运行管理变得越来越复杂和困难。为了减轻运行人员的劳动强度，保证机组的安全运行，要求实现更为先进，适合范围更宽，功能更为完备的自动控制系统。这就产生了全程控制系统。所谓全程控制是指在机组正常运行、负荷变化以及启停过程中均

8、能对被控参数进行自动控制。而给水全程自动控制系统是指对锅炉的给水量在机组正常运行、负荷变化以及启停过程中均能进行自动控制的系统。显然，给水全程控制系统要比常规给水控制系统复杂。汽包锅炉给水自动控制的任务是维持汽包水位在一定的范围内变化。随着锅炉参数的提高和容量的扩大，对给水控制提出了更高要求。因为汽包水位变化得更快，锅炉负荷变化对水位的影响更大，给水系统也相应更复杂。对大容量、高参数锅炉来讲，给水系统采用自动控制是必不可少。本次课程设计主要研究发电厂给水控制系统，即锅炉汽包水位控制。锅炉汽包水位是一种非线性、时变大、强耦合的多变量系统。在锅炉运行中，水位是一个很重要的参数。若水位过高，则会影响

9、汽水分离的效果，使用气设备发生故障；而水位过低，则会破坏汽水循环，严重时导致锅炉爆炸。同时高性能的锅炉产生的蒸汽流量很大，而汽包的体积相对来说较小，所以锅炉水位控制显得非常重要。锅炉水位自动控制的任务，就是控制给水流量，使其与蒸发量保持平衡，维持汽包内水位在允许的范围内变化。本次课程设计研究发电厂给水控制系统的控制方式及整定。1.1系统的任务锅炉给水控制系统的任务是在锅炉启动、停炉及正常运行过程中控制锅炉的给水量，使给水量适应锅炉的蒸发量，并保持汽包水位在允许范围内，及对锅炉的水循环和省煤器起保护作用。具体有以下两个方面的要求：（1）保持汽包水位在一定的范围内。汽包水位是影响锅炉安全运行的重要

10、因素，水为过高，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，从而增加在过热器壁上合汽轮机叶片上的结垢，甚至使汽轮机发生水冲击而损坏叶片。水位过低，则会破坏水循环，引起水冷壁的破裂。正常运行时的水位波动范围：±（30-50）mm异常情况：±200mm事故情况：>±350mm（2）保持稳定的给水量。在稳定工况下，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。1.2相关的技术要求300MW火电机组给水控制比常规控制给水控制要复杂的多，因此，对给水全程自动控制系统提出以下要求：（1）实现全程控制可以采用该变调节阀门的开度，但是

11、由于在大型机组中给水泵消耗功率多，不经济，所以一般采用改变给水泵转速来改变给水量，在全程控制中，不仅要满足给水量调节要求，同时还要保证给水泵工作在安全区内。（2）由于机组在高，低负荷呈现不同的对象特性，要求控制系统能适应这样的特性，随着负荷的增长和下降，系统要从单冲量过渡到串级三冲量系统，或者从串级三冲量系统过渡到单冲量，由此产生了系统的切换问题，并且必须有保证实现相互无扰切换。（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，在高低负荷不同的情况下，给水流量的数值相差很大，必须采用不同的孔板测量，这就产生了给水流量装置切换的问题。（4）在各种调节机构的工作过

12、程中，给水全程控制系统都必须保证无干扰，随着负荷大小的变化，需要不同的调节阀门调节给水，这就要求解决切换问题，在低负荷时采用改变阀门的开放来保持泵的出口压力，高负荷时采用改变调速泵的转速来保持水位，这由产生了阀门与调速泵间的切换问题。点火后升温升压过程中，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，在这些切换中，系统都必须相应的安全可靠，才能保证给水泵工作在安全工作区内。（5）给水全程控制系统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。（6）测量信号能自动地进行压力、温度校正。2设计理念本

13、设计首先分析了给水控制对象运行特性，在此基础上确定了给水控制系统的基本方案，即以汽包水位为主信号，蒸汽流量为前馈信号，给水流量为反馈信号的单级三冲量自动控制方案。为了进一步提高控制质量，本设计也采用了串级三冲量控制系统。也就是说，给水全程自动调节系统设计了两套控制系统：单冲量给水控制和三冲量给水控制。机组正常运行时，锅炉给水控制一般采用三冲量给水调节系统；在启停炉过程中，当负荷低于满负荷的30%时，蒸汽流量信号很小，测量误差相对增大，此时由三冲量给水调节系统改为单冲量给水调节系统。此外，给水全程自动调节系统还对水位测量信号进行压力修正，以及进行旁路给水和主给水管道阀门的切换等。3设计过程的详细

14、分析3.1给水控制对象的动态特性汽包水位是工业蒸汽锅炉安全、稳定运行的重要指标，是锅炉蒸汽负荷与给水间物质是否平衡的重要标志，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。汽包锅炉给水控制系统的作用是使锅炉的给水量自动适应锅炉的蒸发量，维持汽包水位在规定范围内波动。汽包炉给水控制对象的结构如图1所示。汽包水位是由汽包中储水量和水面下汽包容积所决定的。因此，凡是引起汽包中储水量和水面下汽包容积的各个因素都是给水控制对象的扰动。具体地说，有四个方面：给水量W扰动，蒸汽负荷D扰动，锅炉炉膛热负荷Q扰动及汽包压力的扰动。由于汽包压力扰动经常是伴着蒸汽负荷或热负荷扰动而产生的，所以不单独讨论。图

15、1 给水控制对象结构示意图（1）给水量扰动下水位变化的动态特性图2为给水量扰动下的阶跃响应曲线。图2 给水量扰动下的阶跃响应曲线。水位在给水扰动下的传递函数可表示如下：水位对象可近似为一个一阶惯性环节与积分环节的串联或反向并联。（2）蒸汽负荷扰动下水位变化的动态特性图3为蒸汽负荷D扰动下的阶跃响应曲线。图3 蒸汽负荷扰动下的阶跃响应曲线。水位在蒸汽负荷扰动下的传递函数可表示如下：水位被控对象可视为积分环节与惯性环节的并联。（3）锅炉炉膛热负荷下水位变化的动态特性锅炉炉膛热负荷Q就是指燃料量M的扰动。图4为燃料量M扰动下的阶跃响应曲线。图4 燃料量M扰动下的阶跃响应曲线。水位被控对象和在蒸汽负荷

16、D扰动下的水位被控对象相似，即积分环节与惯性环节的并联，但是增加了一个纯延迟环节。水位自动控制系统中，影响水位变化的主要因素是蒸汽负荷，燃料量和给水量。其中前两个因素是由锅炉负荷所决定的，属于对象的干扰作用，习惯上称成为外扰；而给水量是维持水位的调节量，属于对象的调节作用，习惯上称成为内扰。因此，给水量扰动时动态特征参数是影响控制系统调节质量的主要参数，是计算和整定参数的主要依据。3.2给水自动控制系统的基本方案据前面对给水控制对象动态特性的分析，在设计给水控制系统时应该考虑以下问题：（1）由于给水量改变后到水位变化存在一定的迟延和惯性，所以，若仅仅根据水位变化，通过调节器去调节给水量，必然使

17、得水位偏差较大。（2）由于在蒸汽流量的热负荷扰动时存在虚假水位现象，且反应速度比较快，为了克服虚假水位现象对控制的不利影响，应该考虑引入蒸汽流量作为前馈信号。（3）给水压力使波动的，为了稳定给水量，应该考虑将给水量信号作为反馈信号，用于消除内部扰动。为了满足上述要求，本设计采用了三冲量给水自动控制系统方案。3.3三冲量给水自动控制系统3.3.1单级三冲量给水自动控制系统图5为单级三冲量给水自动控制系统的方案图。图5 单级三冲量给水自动控制系统的方案图。单级三冲量给水自动控制系统的原理框图如图6所示。图6 单级三冲量原理框图单级三冲量给水自动控制系统的SAMA图如图7所示。图7 单级三冲量给水自

18、动控制系统的SAMA图单级三冲量给水自动控制系统以汽包水位为主信号，蒸汽流量为前馈信号，给水流量为反馈信号，其中，汽包水位是系统的被调量，水位升高时应该减小给水量，水位降低时应该增加给水量。蒸汽流量作为前馈信号主要是克服虚假水位。给水流量作为反馈信号主要是克服给水流量的自发性扰动。3.3.2串级三冲量给水自动控制系统图8为串级三冲量给水自动控制系统的原理框图。图8 串级三冲量原理框图与单级三冲量给水控制系统相比，串级三冲量给水控制系统有两个控制器，即主控制器和副控制器。主控制器采用PI控制规律，以保证水位无静态偏差。副控制器接受主控制器输出，给水量和蒸汽流量信号，一般采用P控制规律。其作用是通

19、过内回路进行蒸汽流量和给水量的比值调节，并快速消除来自给水侧的扰动。和单级三冲量给水系统相比，串级三冲量给水控制系统有以下特点：（1)串级三冲量给水控制系统两个调节器任务不同，参数整定相对独立。副调节器的作用是当给水扰动时，迅速动作使给水量不变，当蒸汽流量扰动时，副调节器迅速改变给水量，保持给水和蒸汽平衡。主调节器的任务是校正水位，这比单级三冲量控制系统的工作更为合理。（2)在负荷变化时，水位静态值是靠主调节器维持的，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"静态配比"来进行整定。恰巧相反，在这里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

20、度，以便在负荷变化时，使蒸汽流量信号能更好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。对于虚假水位较严重的被控制对象，这一点更有意义。（3)串级系统还可以接入其他冲量信号(如燃烧信号等)形成多参数串级系统。串级系统的缺点是在汽轮机甩负荷时，它的过渡过程和响应速度不如单级系统快。3.4变速泵的给水控制定速泵的缺点是给水泵消耗功率大，调节阀门承受的压力大，容易造成磨损。为了节约能源，多采用变速泵控制。本设计系统采用了电动调速泵和汽动调速泵协调控制。工作中必须保证变速给水泵工作在安全经济区。变速给水泵的安全经济区是由泵的上限特性，泵的下限特性，锅炉正常运行时的最高给水压力，最低给水压

21、力和泵的最高转速，最低转速所包围的区域，如图9（图9中未标出锅炉正常运行时的最高给水压力，最低给水压力）。图9 变速给水泵的安全经济区3.5信号的测量及校正3.5.1汽包水位信号水位测量的原理是利用简单平衡容器内水柱重量产生的压力与汽包高度产生的液柱压力相比较，从而获得一个与汽包水位有一定关系的差压值，以此来间接测量汽包水位。汽包水位的测量系统的设计如图8所示。如图10所示，三路汽包水位测量信号分别经过压力补偿，采取“三取中”的方法，选取中间值作为系统控制使用的汽包水位测量信号H。位防止变送器故障，将信号H分别与三路补偿后的水位信号进行比较。如果偏差值超限，产生低值报警的逻辑信号，使系统切手动

22、，同时发出声光报警，待故障变送器切除后，系统才正常工作。图10汽包水位测量信号影响汽包水位测量精度的主要原因是汽包压力的变化，实际使用中采用对差压信号进行压力校正来补偿汽包压力变化的影响。汽包水位要采用压力补偿的原因有以下三点：（1）当汽包压力变化时，会引起饱和水，饱和汽的重度变化发生变化，造成差压输出有误差。（2）平衡容器补偿装置是按水位处于零水位情况下设计计算的，锅炉运行时水位偏离零水位就会引起测量误差。（3）当汽包压力突然下降时，由于正压侧凝结水可能被蒸发掉，将会导致差压输出失常。汽包水位测量系统如图11所示。图11 汽包水位测量系统汽包水位测量系统的数学模型为其中Pb为汽包压力，只有保

23、证汽包压力不变，才能保证水位完全取决于压差P。校正原理图如图12所示。图12 汽包水位校正原理图3.5.2给水流量信号给水流量的测量方法为测量给水管道流量孔板差压，经过开平方运算后变换为给水流量信号。省煤器前给水流量的测量值靖给水温度修正后，汇总过热器一、二级减温器的喷水量和锅炉连续排污流量后，形成控制使用的给水流量测量信号W。给水流量测量信号可以只采用温度校正，因为给水压力对给水流量影响不大。其校正原理图如图13所示。 图13给水流量信号校正原理图3.5.3主蒸汽流量信号蒸汽流量的测量方法为高压环管压力，经过F（X）发生器后变换为蒸汽流量信号。主蒸汽流量信号的获取采用了两种方法：一种是采用汽

24、轮机调节级压力经主气温修正后形成主蒸汽流量D；另一种方法是采用调节级压力和一级抽气压力经一级抽气温度修正后形成主气流量D。挡高压旁路投入时，主蒸汽流量信号还要加上旁路蒸汽流量。3.6各种工况之间的互相切换与跟踪3.6.1工况之间的切换 在各工况之间切换时都设计有回差，以避免过于频繁的切换工况。这个回差一般设定为2%5%MCR。图14是一个各工况切换的例子。工况四工况三工况二工况一12 15工况负荷(%)025 3045 50100图14 全程给水控制系统各工况之间的切换示意图图注：图中的数字为额定负荷（MCR）的百分比。用负荷的高低划分，可分为以下四种工况：工况一：0到12%15%额定负荷（M

25、CR），由旁路给水调节阀控制水位（单冲量水位控制系统工作），电泵定速运行。电泵最小流量控制系统负责保证电泵的流量大于其允许最小流量。泵出口压力控制系统和汽泵不工作。工况二：12%15%到25%30%MCR，由电泵调速控制水位（单冲量系统工作），旁路给水调节阀控制电泵出口压力。因流量大于电泵额定流量的30%，电泵最小流量控制系统自动关闭。汽泵不工作。工况三：25%30%到45%50%MCR，由电泵调速控制水位（三冲量系统工作），主给水调节阀控制电泵出口压力。因流量大于电泵额定流量的30%，电泵最小流量控制系统自动关闭。汽泵不工作。工况四：45%50%到100%MCR，汽动泵调速控制水位（三冲量系

26、统工作），主给水阀控制汽泵出口压力。电泵不工作。3.6.2 工况之间的跟踪电动泵单级单冲量工作时，电动泵三冲量副调跟踪单冲量调节器输出；电动泵三冲量工作时，单冲量调节器跟踪阀位信号（电动泵手动）；电动泵手动时， 单冲量调节器跟踪副调输出（电动泵自动）；汽动泵手动工作时，三冲量主调跟踪给水流量信号，副调跟踪阀位信号。3.7给水泵最小流量控制系统当汽动给水泵A、汽动给水泵B或电动给水泵运行时，为了保证给水泵的安全，在任何工况下都不允许通过给水泵的流量低于最小允许流量。因此，当锅炉负荷很低时，为了保证给水泵出口有足够的流量（应大于泵的最小流量），给水泵应该保证在最低转速下运行。这时，给水泵出口多余的

27、水则经过与给水泵并联的再循环控制阀又流回到给水泵入口。给水泵最小流量控制回路为一单回路控制系统。汽动给水泵A、汽动给水泵B和电动给水泵的再循环流量控制系统互相独立，结构完全相同，下面以汽动给水泵A再循环流量控制系统为例加以说明。汽动给水泵A最小允许流量可由运行人员在操作画面上手动设定。为了防止设定值的阶跃突变对控制系统的冲击和运行人员误将设定值操作到合理范围之外，该设定值应经过速率限制和上、下限限制。系统自动时，汽动给水泵A最小允许流量设定值和汽泵A入口流量测定值的偏差经PID调节器进行比例积分运算，其输出作为汽泵A再循环阀门的开度控制指令。汽泵A入口流量测量值还需经过汽泵A入口给水温度的修正

28、。给水泵最小流量控制系统仅工作在给水泵汽动和低负荷阶段；锅炉给水流量只要大于最小流量定值，给水再循环调节阀门就关闭。最小流量给水再循环调节阀门常设计为反方向动作，即控制系统输出为0时，阀门全开；输出为100%时，阀门全关。这样在失电或失去气源时，阀门全开，可保证设备的安全。3.8锅炉给水全程控制方案锅炉给水全程控制方案如图15所示。图15 锅炉给水全程控制方案此方案是一个一段式的控制方案。在低负荷时采用PI1单冲量系统，使泵维持在最低转速。高负荷时，阀门开到最大，采用三冲量控制系统，可以直接改变调速泵转速控制给水量。3.9 300MW火电机组给水热力系统简图300MW火电机组给水热力系统简图如

29、图16.图16 300MW火电机组给水热力系统简图该机组配有两台50%额定容量的汽动给水泵和一台50%额定容量的电动给水泵，在机组启动阶段，由于汽源不够稳定，故先使用电动给水泵。正常运行时，主给水阀全开，通过调整泵的转速控制汽包水位。电动泵转速通过液力耦合器调整，两台汽动给水泵由小汽轮机驱动。4 设计系统的控制分析4.1总控制原理图 300MW火电机组给水控制系统的控制原理图详见1号图纸。4.1.1单冲量控制方式单冲量水位控制器接受实测汽包水位和水位设定值的差值，经过PI作用处理后，其输出控制30%给水调节阀。当机组负荷大于25%时，原则上可以切换到三冲量给水控制。给水全程控制系统如1号图纸所

30、示，在机组启、停及低负荷运行工况，采用单冲量控制方案，通过单冲量调节器PI1控制给水旁路阀和电动阀。给水旁路阀及每台给水泵操作回路均配有手动/自动（M/A）操作站。汽包水位测量值H与汽包水位设定值进行比较，其偏差经单冲量调节器、切换器、比例器K2和M/A操作站去控制给水旁路调节阀，此时电动泵保持一定转速，一满足启动和低负荷下给水流量的需求。当旁路调节阀开度大于95%时，自动打开主给水电动门，电动泵可进入自动方式运行。此阶段仍采用单冲量控制方式，当冲量调节器PI1的输出经比例器K1和M/A操作站控制电动给水泵转换，以维持汽包水位，由于采用旁路阀水位控制系统与电动泵转速水位控制系统的执行机构不同，

31、采用了不同的比例系数K1和K2。其中，比例系数K1和K2的函数关系如图16.图16 K1和K2的函数关系4.1.2三冲量控制方式三冲量汽包水位控制以串级方式为基础。水位调节器接收实测水位和水位给定值的差值，经过PI作用之后，其输出作为给水流量调节器的流量给定值分量，该值和蒸汽流量之和（相加）作为总的给水流量的给定值。给水流量调节器接受实测流量和给水流量给定值之和（相减），经过PI作用之后，其输出控制100%给水调节阀。当机组负荷大于30%时，采用串级三冲量控制方案，系统中电动泵副调节器PI3和汽动泵副调节器PI4共用一个主调节器PI2。在给水流量和蒸汽流量信号测量可靠，且蒸汽流量大于或等于30

32、%时，系统可切换到三冲量控制方式。这是一个以汽包水位为主信号，以蒸汽流量为前馈信号，以给水流量为反馈信号的串级三冲量控制系统。三冲量主调节器输出加上蒸汽流量D作为副调节器的给定信号，给水流量W是反馈信号。在负荷由30%继续升到100%满负荷阶段，均采用串级三冲量控制方案。在汽动泵未运行前，采用电动泵控制给水流量，三冲量主调PI2和电动泵副调PI3构成串级三冲量控制方式。当负荷继续升到30%40%时，汽动泵小汽机开始冲转，升速，当汽动泵转速进一步上升，汽动泵流量逐渐提高，电动泵逐渐下降后，可投入汽动泵自动，是电动泵退回手动。当负荷升到40%50%时，启动第二台汽动泵运行。这时，三冲量主调PI2和

33、汽动泵副调PI4构成串级三冲量汽动泵控制方式，MEH系统以汽动泵转速控制信号控制小汽机转速。4.2逻辑框图 300MW火电机组给水控制系统的逻辑框图详见2号图纸。主要逻辑如下：（1）单，三冲量控制方式之间的切换。锅炉负荷高于X%（一般为30%）时，只要三个给水泵M/A控制单元有一个为自动方式，系统即自动选择三冲量控制方式。如果锅炉负荷低于X%且给水为自动，则控制逻辑自动回到单冲量控制方式。为了便于系统实现手动/自动无扰切换，系统设置了一系列跟踪功能：若A,B汽动泵均手松或系统选定单冲量控制方式时，汽动泵副调处于跟踪状态，跟踪两台汽动泵控制指令的平均值；若给水旁路们手动或系统处于三冲量控制方式时，单冲量调节器处于跟踪状态，跟踪给水旁路门指令和电动泵指令；若电动泵手动或系统选定单冲量控制或汽动泵跳闸后电动泵启动时，电动泵副调处于跟踪状态，有切换器跟踪单冲量调节器输出信号或跟踪汽动泵控制指令；若汽动泵副调和电动泵副调均处于跟踪状态，则三冲量主调也处于跟踪状态，跟踪给水流量测量信号。（2）旁路调节阀控制。当出现给水流量变送器故障，第一级压力变送器故障，A和B汽动泵均手动或