毕业设计火电厂给水控制系统分析

1、摘 要火力发电厂在我国电力工业中占有主要地位，是我国的重点能源工业之一。大型火力发电机组具有效率高、投资省、自动化水平高等优点，在国内外发展很快。给水控制系统是火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。本文第二章首先讨论了给水系统的控制任务，介绍了常规水位控制系统的控制原理以及测量部分、控制器部分和执行器部分的结构。第三章分析了汽包锅炉给水系统的动态特性，介绍了水位、给水量、和蒸汽量的测量方法，分析了三冲量的扰动对控制系统的影响。第四章中集中讨论了锅炉水位控制略, 探讨了汽包锅炉在热工控制上的技术特

2、点，具体介绍了单冲量、双冲量和三冲量等控制方式。关键字 汽包水位，三冲量，控制策略AbstractThe power plant is a major part of the power industry in our country, as well as one of the most important energy industries. Large turbine-generator units have the advantages of higher efficiency, less investment and higher level of automation, which

3、 develop rapidly around the world. Feed-water control system is a very important subsystem of the power plant. Water level of boiler drum in power station is one of the main control parameters for safe operation, which reflects the balance of boiler load and feed-water. Thus the water level control

4、system is always highly concerned. Chapter two firstly discussed the target of the water level control system, then introduces the theory of common water level control system and the structures of its transducers, controllers and actuator. Chapter three analyzes the dynamic characteristics of drum b

5、oiler feed-water system, introduces the measurements of water level, feed-water flow and steam folw(the so-called three impulses). The impact of three impulses disturbances on the control system is discussed as well. In chapter four we mainly discussed the control strategics of water level control s

6、ystem. Such as single impulse, pairs of impulse and three impulses, etc. Key Words water level ,three impulses ,control strategic目 录摘 要IABSTRACTII第一章 绪 论11.1 给水控制系统的意义11.2 给水系统的控制方法11.3 给水系统的优化1第二章 给水控制系统原理32.1 给水控制系统的任务32.2常规的水位控制系统的构成32.2.1 测量部分32.2.2 调节器部分32.2.3 执行器部分42.2.4 常规的汽包水位控制系统4第三章 控制系统结构

7、分析53.1 给水调节对象的动态特性53.2 汽包水位的测量63.2.1 汽包水位信号的测量与补偿63.2.2 给水流量信号的补偿63.2.3 蒸汽流量的测量63.3系统扰动分析73.3.1 给水扰动73.3.2 蒸汽流量扰动93.3.3 燃料量扰动10其他扰动103.4控制中的跟踪与切换11无扰切换的原理113.4.2 三冲量与单冲量之间的无扰切换113.4.3 阀门与泵的运行及切换113.4.4 电动泵与汽动泵间的切换113.4.5 执行机构的手、自动切换12给水系统无扰切换的结构12第四章 给水系统控制策略的研究144.1 系统控制功能144.2 锅炉汽包水位控制策略144.2.1 单冲

8、量控制系统144.2.2 双冲量控制系统154.2.3 串级三冲量给水控制系统154.2.4 汽包炉全程给水控制系统154.2.5 低负荷给水调节154.2.6 高负荷给水调节164.3 汽包水位三冲量给水控制系统174.3.1 三冲量控制系统结构原理174.3.2 三冲量控制系统的工程整定184.3.3 汽包水位的串级控制系统20总 结22致 谢23参考文献24第一章 绪 论1.1 给水控制系统的意义火力发电厂在我国电力工业中占有主要地位，是我国的重点能源工业之一。大型火力发电机组具有效率高、投资省、自动化水平高等优点，在国内外发展很快。给水控制系统是火电厂非常重要的控制子系统。汽包水位是锅

9、炉安全运行的重要参数，同时它还是衡量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。1.2 给水系统的控制方法 随着机组容量的增大，运行参数的不断提高，对汽包水位的控制品质要求也会越高，为了机组的安全、经济运行，需要采用设计更合理、功能更完善的控制系统，给水自动控制系统可以大大减轻运行人员的劳动强度，汽包水位的稳定性也得到极大的提高，保障了机组的安全、稳定运行。 在徐春梅，张浩，杨平的“汽包水位串级三冲量非线性PID控制系统”中针对锅炉汽包水位控制系统的特点，提出了基于非线性PID控制器(NLPID)的汽包水位二三冲量串级控制方案。在串级控制中，内回路采用P控制以快速消除给水扰动

10、，外回路采用非线性PID控制以保证汽包水位稳定在给定值，并有效克服蒸汽流量的扰动 该控制策略结构和算法简单，通过仿真结果验证，相对于常规串级PI-P控制方案，该控制方案具有良好控制品质和较强的鲁棒性，可有效克服蒸汽流量扰动和给水流量扰动。且在对象参数变化较大时仍能获得稳定的调节品质。 在吴小亮，代芳的“基于模糊神经网络的锅炉汽包水位控制器的设计”中将模糊网络理论引入锅炉汽包水位控制系统中，以解决水位稳定性控制的问题，针对DSP具有高速运算能力的特点，采用TMS320LF2407对数据进行采集、运算处理，试验结果证明了其时效性。使水位显示具有较好的实时性，而且实验室模拟锅炉汽包水位控制系统的水位

11、误差很小，不超过5 mm。1.3 给水系统的优化在陈建国的“300MW 机组给水系统优化改造的实践与思考”中通过对目前火电厂300MW机组给水系统的配置及运行情况进行分析，发现如果采用给水泵汽轮机备用汽源改造等措施，可以成功实现机组无电泵启动，这为提高机组运行的可靠性和启停机的灵活性提供了新的思路。在此基础上，引出了大型火电机组是否有必要配置电动给水泵的思考，并提出了在条件合适的机组上取消配置电动给水泵的建议。在郑国强的“300MW机组给水系统运行方式优化”中主要分析茂名热电厂I*300MW机组给水最小流量阀在给水逻辑临界流量负荷时，采取的人为干预的方法对运行方式产生的影响。给水泵最小流量保护

12、装置在火电厂中尽管占得比重比较小，但他的正常投入和运行，及合理的改变运行方式，却对给水泵的安全，经济运行及设备的安全运行起到了至关重要的作用。茂名热电厂# 6机组在临界给水再循环工况下采取的切换最小流量阀运行方式的办法是可行并且是有效地。 在郑炜的“某电厂300MW机组给水自动控制系统改进”中介绍了某电厂给水自动控制系统存在的问题，通过改进，一电一汽并列运行时可投给水自动，并可投给水全程自动。通过对给水全程自动控制系统的改进，使锅炉汽包水位的稳定得到了较大的保证，减轻了运行人员的操作强度，并能够满足机组协调控制及特殊工况下对汽包水位控制的要求，有力地保证了机组安全稳定运行。 在潘广立，冯琼，冯

13、平平的“锅炉给水系统的改造”中提出锅炉给水系统的改造的实施关键是解决了硫化热水池热水中炭黑、胶沫、悬浮油脂等的过滤问题，并将其回收用于除氧器供水；完善凝结水回收系统、回收利用锅炉排污的热量，使除氧器的上水温度由20 提高到87 ，降低了锅炉排污率，节约了大量能源。 在罗洋的“汽泵全程给水在国产300MW机组上的应用”中以国电安顺发电有限公司一期1号2号机组为例，介绍了国产300MW 机组给水系统设计和运行情况，分析了国产300MW 机组给水系统运行方式所存在的问题，进行了给水系统运行方式的改进，对机组启停时全程应用汽动给水泵控制锅炉上水进行了详细的分析讨论。经过改造后，很大程度的降低了厂用电耗

14、、提高了机组的经济性、安全性、可靠性。同时为国内同类型机组使用汽泵全程给水提供了一定的参考价值。第二章 给水控制系统原理2.1 给水控制系统的任务 给水系统是发电厂热力系统的重要组成部分，因此在任何情况下都要保证不间断向锅炉供水。其中，工质流量大、压力高，对发电厂安全、经济、灵活运行至关重要。给水泵是给水系统的心脏，为工质的传送提供动力。传统小容量机组一般采用定速泵配合给水操作平台的方式工作，随着单机容量不断增大，操作平台中调节阀承受的压力差越来越大，节流损失越来越严重，安全性和经济性也就得不到保障。为此，现代大容量火电机组大都采用变速给水泵，一般采用汽动给水泵作为运行泵，电动给水泵仅在启动阶

15、段或事故情况下使用，正常运行工况下作为备用泵。 对于汽包锅炉而言，汽包水位是锅炉运行的重要指标，保持水位在一定的范围内是保证锅炉安全运行的首要条件，水位过高、过低、都会给锅炉及蒸汽用户的安全操作带来不利的影响。首先，水位过高，会影响汽包内的汽水分离，饱和水蒸汽将会带水过多，导致过热器管壁结垢并损坏，使过热蒸汽的温度严重下降。如以此过热蒸汽带动气轮机，则将因蒸汽带液损坏汽轮机的叶片，造成运行的安全事故。然而，水位过低，则因汽包内的水量较小，而负荷很大，加快水的汽化速度，使汽包内水量的变化速度很快，如不及时的加以控制，有可能使汽包内的水完全汽化。由于汽包是无自平衡的单容环节，且给水是先经过省煤器，

16、该对象的特点是有延迟、有惯性、无自平衡能力，所以其特性是惯性环节，积分环节和有一定的延迟的组合。 汽包锅炉给水自动控制的任务是使锅炉的给水量适应锅炉的蒸发量，维持汽包水位在规定的范围内，保持汽包水位正常同时保持给水流量稳定。给水控制对象的被控量是汽包水位H。影响水位变化的因素很多，主要的有锅炉蒸发量D、给水量w、汽包压力P、锅炉负荷等。2.2常规的水位控制系统的构成常规的水位控制系统由测量部分、调节控制部分、和执行器和调节阀部分以及调节对象等组成。 测量部分通常在各种类型的蒸汽锅炉中最常用的汽包水位测量方式，是采用双室平衡容器接差压变送器的测量方式。 调节器部分在控制系统中的调节器部分一般分为

17、用单元组合式仪表和计算机控制系统两种形式。其主要作用是将检测到的水位信号与工艺给出的给定信号进行比较得到偏差信号。然后对偏差信号进行常规的比例微分和积分运算，将运算结果送给执行器。图2.1 常用汽包水位测量原理 执行器部分锅炉装置中常用的执行器是电动式执行器和专用的调节阀。其作用是将调节器给出的经过处理后的偏差信号和为止发送器的反馈信号进行比较，经放大器放大到足够的功率，驱动伺服电动机。转换成扭力矩或者机械位移，带动调节阀门的阀芯动作。调节阀的不同开度使之相应的改变流经阀门的水流量。 常规的汽包水位控制系统由变送器、调节器、执行器和调节阀组成的常规的水位控制系统方框如如图2.2所示。测量到的真

18、实的气包液位参数与工艺给定的液位参数在调解器里进行比较两者不等的时候，将产生出偏差值。当调节器接受到偏差信号后，按一定的运算规律输出控制信号，以驱动执行机构动作，执行机构带动调节阀门改变阀门的开度，使供给气包的水流量得到改变，从而使被控参数回到给定值上来。图2.2 常规的汽包水位控制系统方框图 以水位增高为例：水位增高导致变送器的输出增高。在与给定值比较后，产生出偏差。经比例、微分、积分计算后调节器的输出相应的减少，使调节阀的开度减少，送给汽包的水流量也将减少，从而使得汽包的水位降下来。第三章 控制系统结构分析3.1 给水调节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

19、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。其中给水流量和蒸汽流量是影响汽包水位的两种主要扰动，前者来自调节器，称为内扰，后者来自负荷侧，称为外扰。汽包炉给水控制对象的结构如图3.1所示。影响水位的因素主要有：锅炉蒸发量（负荷D），给水量G，炉膛热负荷（燃烧率M），汽包压力P。控制系统的物质平衡方程为： （3-1）将式（3-1）进一步变换得： （3-2）令 ，则上式变为： （3-3）图3.1 给水调节对象锅炉给水控制对象的动态特性有以下特点：（1）由于

20、对象的内扰动态特性存在一定的延迟和惯性，控制系统应考虑采用串级控制方案；（2）由于对象在蒸汽流量和热负荷扰动时有虚假水位现象，控制系统应考虑采用以主要扰动(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控制质量。（3）负荷变化时出现的虚假水位现象是锅炉运行中的必然现象，是无法通过控制给水流量来克服的，只有限制负荷的一次突变量和变负荷速度来减小。3.2 汽包水位的测量 汽包水位信号的测量与补偿采用差压的原理测量水位，由于锅炉从启动至正常负荷整个运行范围内汽包压力变化很大，致使汽包内的饱和蒸汽和饱和水的密度变化很大，这样就不能直接用整压信号代表水位，必须对差压信号根据汽包压力进行补偿。 给

21、水流量信号的补偿根据水的密度髓温度变化快慢对给水流量信号进行补偿。其中，给水流量测量图如图3.2图3.2 给水流量测量SAMA图 蒸汽流量的测量主汽流量的测量，未采用标准孔板，而是用经过热器出口温度补偿后的汽机首级压力来测量并加入了旁路流量。这种方法克服了在高温高压下孔板易磨损和检修维护困难的缺点。汽包锅炉一般都配有两套就地水位计和三套远传式水位计，而锅炉汽包水位的监视、自动控制、越限报警和跳闸保护则完全依靠这三套远传式(差压式)水位计来实现如图3.31-正压一次门 2-単室平衡容器 3-负压一次门 4-汽包图3.3 配单室平衡容器的差压式水位测量示意图考虑到汽包压力和饱和蒸汽温度对饱和蒸汽重

22、度的影响，汽包水位变送器的测量差压值经过压力补偿计算后得到结果就是准确的汽包水位值，其计算公式为： （3-4）式中：为水位变送器实际差压； I，L为平衡容器结构尺寸； 为室温下水与饱和水重度之差； 为汽包压力下饱和水与饱和蒸汽重度之差。 实际测量出差压，再通过计算处理即可得出汽包实际水位。其中，主汽流量测量如图3.43.3系统扰动分析 给水扰动汽包水位在给水流量作用下的动态特性：给水量是锅炉的输入量，如果蒸汽负荷不变，那么给水流量变化时，汽包水位的运动方程式可以表示为： （3-5）可以得到汽包水位在给水流量作用下的传递函数为： （3-6）图3.4 主汽流量测量SAMA图对于中压锅炉，上式中Tw

23、的数值很小，常常可以忽略不计，因此可以进一步改写为： （3-7）给水量扰动时水位阶跃响应曲线如图3.5所示。（a） 沸腾式 （b） 非沸腾式图3.5 给水量扰动时水位阶跃响应曲线图3.5中曲线（a）为沸腾式省煤器情形下水位的动态特性，曲线（b）为非沸腾式省煤器情形下水位的动态特性。从物质平衡的观点来看，加大了给水量G，水位应立即上升，但实际上并不是这样，而是经过一段迟延，甚至先下降后再上升。这是因为给水温度远低于省煤器的温度，即给水有一定的过冷度，水进入省煤器后，使一部分汽变成了水，特别是沸腾式省煤器，给水减轻了省煤器内的沸腾度，省煤器内的汽泡总容积减少，因此，进入省煤器内的水首先用来填补省煤

24、器中因汽泡破灭容积减少而降低的水位，经过一段迟延甚至水位下降后，才能因给水量不断从省煤器进入汽包而使水位上升。在此过程中，负荷还未发生变化，汽包中水仍然在蒸发，因此水位也有下降趋势。 蒸汽流量扰动汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性，可以用下式表示（假定给水量不变） （3-8）则 （3-9）上式可通过两个动态环节的并联来等效，即 （3-10）式中： 。图3.6 蒸汽量D扰动下的水位阶跃响应曲线如果只从物质平衡的角度来看，蒸发量突然增加时，蒸发量高于给水量，汽包水位是无自平衡能力的，所以水位应该直线下降，如图3.6中H1(t)所示那样，但实际水位是先上升，后下降，这种现象称为“虚假水位”现象，如图

25、中H(t)所示。其原因是由于负荷增加时，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，此时燃料量M还来不及增加，汽包中汽压下降，汽包膨胀，使汽泡体积增大而水位上升。如图3.7中H2(t)所示。在开始的一段时间H2(t)的作用大于H1(t)。当过了一段时间后，当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。因此，水位的变化应是上述两者之和，即 （3-11） 燃料量扰动图3.7 燃料量扰动下水位阶跃响应曲线炉膛热负荷扰动即是指燃料量M的扰动。燃料量增加时，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

26、时蒸发量大于给水量，说位应下降。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”现象比蒸汽量扰动时要小一些，但其持续时间较长。其他扰动以上三种扰动在锅炉运行中都可能经常发生。但是由于控制通道在给水侧，因此蒸汽流量D和燃料量M习惯上称为外部扰动，它们只影响水位波动的幅度。而给水量G扰动在控制系统的闭合回路里产生，一般称为内部扰动。因此，汽包水位对于给水扰动的动态参数是给水控制系统调节器参数整定的依据，此外，由于蒸汽流量D和燃料量M的

27、变化也是经常发生的外部扰动。所以常引入D、M信号作为给水控制系统里的前馈信号，以改善外部扰动时的控制品质。影响水位的因素除上述之外，还有给水压力、汽包压力、汽轮机调节汽门开度、二次风分配等。不过这些因素几乎都可以用D、M、G的变化体现出来。为了保证汽压的稳定，燃料量和蒸发量必须保持平衡，所以这两者往往是一起变化的，只是先后的差别。3.4控制中的跟踪与切换无扰切换的原理随着自动控制技术的不断发展，自动化水平的不断提高，计算机技术在自动控制领域内的广泛应用，使自动调节系统的控制范围越来越广，控制功能越来越完善，调节品质及自适应能力越来越强。但与此同时，调节系统的结构也变得复杂起来。较为突出的问题之

28、一是系统内各种类型的切换增加，诸如：自动/软手操/硬手操之间的切换。在生产实际中，无论哪种方式的切换都必须做到对系统无扰动情况下进行。即执行机构不会因切换发生跳跃性变化，被调量不会因切换产生波动。这是系统设计过程中的一个重点，亦是难点。实现调节系统无扰切换的主要方法是两切换信号的相互跟踪。当系统在自动方式下运行时，手操站的给定值要跟踪控制器的输出；当系统在手动方式下运行时，控制器的输出要跟踪手操站的输出。这样，在手自动切换的过程中，两路信号能够无扰动的连续输出，从而实现了无扰切换。 三冲量与单冲量之间的无扰切换锅炉在不同负荷和参数时，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

29、荷变化下，假水位现象不太严重，对维持水位恒定的要求又不高，所以允许采用单冲量给水控制系统。在低负荷时如果采用各种自动校正措施，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。PI1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及给水流量信号G。两套控制系统的切换时根据锅炉负荷（蒸汽流量）大小进行的。（1）单冲量控制系统到三冲量控制系统的切换：此时三冲量主调节器PI1的输出跟踪信

30、号，同时电动泵三冲量副调节器PI3的输出通过f1(x)和T2跟踪单冲量调节器PI4的输出。（2）三冲量控制系统到单冲量控制系统的切换：此时单冲量调节器PI4的输出通过T1跟踪电动泵三冲量副调节器PI3的输出。 阀门与泵的运行及切换低负荷时采用旁路阀门控制给水流量，高负荷时采用改变泵的转速控制给水流量。两者间的无扰切换通过f1(x)、T2和电动泵三冲量副调节器PI3的跟踪而实现。 电动泵与汽动泵间的切换以电动泵切换到汽动泵为例：把汽动泵调至最低转速时启动汽动泵，然后慢慢升速。电动泵在控制系统的控制下自动降速，当两泵出口流量相同时，汽动泵投自动，电动泵切手动，并逐渐把电动泵降至最低转速后停泵。三泵

31、间设计有平衡回路，并具有各自的软、硬手操器，在软手操器上可以进行偏置设定，在上级具有一个给水总操。 执行机构的手、自动切换（1）旁路阀门的手、自动切换：此时T1切换到NO，单冲量调节器PI4通过f4(x) 跟踪小阀操作器3AM的输出。（2）汽动泵的手、自动切换：此时汽动泵三冲量副调节器PI2的输出跟踪汽动泵操作器1AM的输出，如果此时电动泵也处于手动，则三冲量主调节器PI1的输出跟踪（D-W）信号。（3）电动泵的手、自动切换：a）当D<30时电动泵处于手动状态，T2切至NO，电动泵副调节器PI3的输出跟踪电动泵操作器2AM的输出，同时T1的NC点接通，单冲量调节器PI4通过f3(x)跟踪

32、PI3的输出。当切回自动时PI3继续通过f1(x)和T2的NC点跟踪PI4的输出。b）当D>30时,采用三冲量系统，T2切至NO，电动泵副调节器PI3的输出跟踪电动泵操作器2AM的输出，如果此时汽泵也处于手动，则PI1跟踪（ D-W ）信号。给水系统无扰切换的结构 在主给水控制回路中，采用了串级控制系统。系统主副控制器的SAMA图如图3.8：图3.8 串级系统控制器部分SAMA图从图中可以看出，在手动控制时，主回路和副回路的手操站输出端均有跟踪信号引到PID控制器的输出端，从而实现手动到自动的无扰切换。在自动控制时，控制器的输出被引到手操站，手操站的设定值跟踪控制器的输出，从而实现了自动

33、到手动的输出。 系统的手自动切换有手动切自动，手动切手动和自动切手动几种形式。其中手动切换是由操作人员完成的，而自动切手动的过程则需要满足一定的逻辑条件。在给水控制系统中，手自动切换的逻辑如图3.9，从图中可以看出，在自控运行状态下，当满足气泵阀位变差过大，气泵转速过低，给水流量过小和给水系统故障等条件中的任意一条时，系统都会自动切到手动状态并报警。而在手动切自动的过程中，只有以上条件均不满足时，才允许系统进入自动状态。通过这样的逻辑控制，能够有效保障系统的安全运行。图3.9 控制系统手自动切换逻辑第四章 给水系统控制策略的研究4.1 系统控制功能（1）给水控制系统设计有给水旁阀、电泵及两台汽

34、泵四套自动。（2）锅炉启动及低负荷时，由电泵带负荷。手动调整到需求的流量，旁阀可自动单冲量调节水位。在旁阀开度达90%以上时。电泵可投入单冲量自动，电泵一旦投入自动，旁阀即切至手动操作。如旁阀在手动状态，电泵投自动条件不受旁阀开度限制。考虑到旁阀与电泵工作特性不一致，旁阀与电泵分别采用独立的单冲量调节器，便于现场的调试与整定。（3）当负荷达到30%时，电泵由单冲量控制自动切换至三冲量控制，提高了水位调节品质。（4）在汽泵启动并转速达3000r/min后，MEH可投入遥控方式，由CCS改变汽泵转速来调整水位。当两台并列运行的汽泵转速基本相同且水位稳定后可投入汽泵三冲量自动。两台汽泵均投入自动后，

35、电泵切至手动，由运行人员减小电泵负荷，直至处于热备用状态。正常运行时为两台汽泵运行。（5）根据负荷及给水泵状态，电泵可单泵运行，也可与汽泵并列运行。即电泵可工作在单冲量方式也可工作在三冲量方式。（6）控制系统设计有泵最小流量再循环控制，控制再循环阀。以保证流量不低于最小流量。4.2 锅炉汽包水位控制策略 单冲量控制系统单冲量控制系统即汽包水位的单回路液位控制系统，这种控制系统简单，对于汽包内水的停留时间长，负荷变化小的小型锅炉，单冲量水位控制系统可以保证锅炉的安全运行。单冲量水位控制也存在以下的问题：（1）当负荷变化产生虚假水位时，将使控制器反向错误动作。例如，蒸汽负荷突然大幅度增加时，虚假水

36、位上升，此时控制器不但不能开大给水阀，增加给水量，反而关小控制阀，减小给水量。等到虚假水位消失后，由于蒸汽量增加，送水量反而减小，将使水位严重下降，波动厉害，严重时会使汽包水位降低到危险程度而发生事故。因此这种系统克服不了虚假水位带来的严重后果。（2）对负荷变化不灵敏，负荷变化时，需要引起汽包水位变化后，才起控制作用，由于控制器作用缓慢，使控制质量下降。（3）对给水干扰不能及时的克服，当给水系统出现干扰时，同样需要等到水位发生了变化才起控制作用，干扰克服不及时。为了克服上面的三个问题，除了依据汽包水位以外，也可依据蒸汽流量和给水流量的变化，来控制给水阀，将获得良好的效果，这样就出现了双冲量和三

37、冲量控制系统。 双冲量控制系统双冲量系统实质上是一个前馈(蒸汽流量)加单回路反馈控制系统，这里的前馈仅为静态前馈，如果要考虑两条通道在动态上的差异，则还需要引人动态补偿环节。双冲量控制实际应用中很少单独用到，这里就不再展开描述。 串级三冲量给水控制系统锅炉汽包水位控制系统采用汽包水位H、蒸汽流量D和给水流量w三冲量控制，通过调节给水泵转速或给水调节阀开度，维持汽包水位的平衡。汽包水位H是系统的被控量信号，用以校正水位的最终偏差，使其等于给定值。蒸汽流量D是系统的前馈信号，其主要作用是为了克服虚假水位现象，尽量减小控制过程中的水位动态偏差。给水流量w作为闭环内反馈信号，在于快速平衡来自给水侧的内

38、部扰动。给水控制的任务由两个控制器来完成。主控制器采用PI控制规律，以保证水位无静态偏差。主控制器的输出信号和给水流量、蒸汽流量信号都作用到副控制器。主控制器的任务是校正水位偏差。副控制器采用比例规律，以保证内回路的快速性。副控制器的任务是消除因水压力波动等因素引起的给水流量自发扰动以及当蒸汽负荷变化时迅速控制给水流量，以保持给水流量和蒸汽流量的平衡。实际测量汽包水位、蒸汽流量和给水流量，把此三个参数送入汽包水位三冲量调节系统，控制锅炉给水调节阀，保证锅炉汽包水位稳定在安全运行的范围内，并实现汽包水位全程控制。 汽包炉全程给水控制系统汽包炉全程给水控制系统是指从锅炉启动到正常运行再到停炉的全部

39、过程均能实现给水自动控制的系统。由于采用等百分比流量特性的调节阀，在大流量时工作较灵敏，而小流量时工作较平缓，但灵敏度相对较低，且小流量时的泄漏量得相对值较大。因此，要实现汽包水位的全量程调节，仅采用一个调节阀，会使低负荷时汽包水位不能满足调节质量指标的要求。为克服这个问题，一般采用两套调节系统。一套为低负荷调节系统，在负荷较低时调节低负荷给水旁路调节阀；另一套为高负荷(正常负荷)调节系统，在高负荷时调节主给水调节阀。 低负荷给水调节锅炉在低负荷运行时虚假水位现象不太严重，故低负荷给水调节采用单回路调节系统。在水位信号送入PID调节器之前，采用汽包压力对现场送来的差压值进行一系列补偿运算，将其

40、转换为实际的水位值。图4.1中f1(x)和f2(x)是不同压力下的水位值函数。此外因经补偿后的水位信号波动较大，故加入一阶惯性环节LAG减少其波动幅度，以避免调节过程中执行机构的频繁动作。图4.1 锅炉水位控制系统SAMA图在启动和低负荷期问，给水采用单冲量控制，经压力补偿的汽包水位信号作为水位调节器的反馈信号，与给定值的偏差通过比例积分运算，所得输出值控制启动给水调节阀开度，由汽包水位单冲量调节回路控制启动给水调节阀开度，调整给水流量，实现汽包水位控制。在正常运行(一般70额定负荷后)时，给水自动切换为串级三冲量控制，经压力补偿的汽包水位信号作为水位调节器的反馈信号，与水位给定值的偏差通过比

41、例积分运算，再与主蒸汽流量(前馈)相加后作为主给水调节器的给定值。此给定值与作为反馈信号的主给水流量的偏差，通过PI运算，所得输出值控制主给水调节阀开度或给水泵转速，调整给水流量，实现汽包水位控制。通过一套专门设计的切换逻辑，实现单冲量调节与三冲量调节的双向无扰切换。 高负荷给水调节高负荷给水调节采用前馈串级调节系统(见图4.3所示)。主调部分与低负荷调节相同，汽包水位差压信号经过汽包压力补偿修正后送入PID调节器，将经主汽温度和主汽压力补偿后的主汽流量作为前馈量引入主调回路，主汽流量的补偿公式如（4-1）： (4-1)式中：D为经补偿后的主汽流量值；为现场一次元件送来的表示流量的差压值；为额

42、定压力额定温度下的蒸汽密度；为绝对温度；为绝对压力；K1为常数。回路中将经温度补偿后的给水流量引入副调回路作为副调的测量值，给水流量的温度补偿公式如（4-2）： (4-2)4.3 汽包水位三冲量给水控制系统4.3.1 三冲量控制系统结构原理如果从物质平衡的观点出发，理论上只要保证给水量永远等于蒸发量，就可以保证汽包水位大致不变。因此采用比值控制系统，如图4.2所示，其中流量调节器是PI调节器，并用汽机的耗汽量D作为调节系统的设定值，使给水量W跟踪蒸汽量D。变送器蒸汽量流量调节器调节机构变送器给水量图4.2 比值控制系统方框图从图中可看到，比值控制系统对于汽包水位来说只是开环控制。如果耗汽量和给

43、水量的测量不准或者由于有锅炉排污及管道泄漏等，蒸汽量与给水量之间并非总是确定的比值，那整个系统就无法达到汽水平衡，也就不能保持汽包的水位。从而引入汽包水位的三冲量控制。如图4.3所示为汽包水位三冲量控制的系统图。图4.3 三冲量给水控制系统图所谓三冲量，指的是引入了三个测量信号：汽包水位、给水流量、蒸汽流量。这个系统对上述两种方案取长补短，极大地提高了水位控制质量。例如，当耗汽量D突然阶跃增大时，一方面由于假水位现象水位会暂时升高，它使调节器错误地指挥调节机构减小给水量；另一方面，D的增大又通过比值控制作用指挥调节机构增加给水量。实际给水量是增大还是减小，取决于系统参数的整定。当假水位现象消失

44、后，水位和蒸汽信号都能正确地指挥调节机构动作。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。但必须指出，引入蒸汽流量信号只是削弱了假水位期间调节机构的误动作，但并不能消除假水位现象，并且由于水位H对负荷（蒸汽量）扰动D的响应速度要比对基本扰动W的响应速度快得多，因此，在外部扰动下被调量的变化幅度还是比较大，必须对负荷变化的幅度加以限制。 三冲量控制系统的工程整定（1） 整定参数的过程内回路的整定，在内回路中，图4.4所示的内回路原理方框图中，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，

45、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。图4.4 内回路原理方框图主回路的整定，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 与反馈信号保持平衡，即：=W 从而推导出 =因此内回路可以简化为：在此基础上可得主回路简化方框图4.5：图4.5 主回路简化方框图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，汽包水位反馈信号作为输出信号，做阶

46、跃扰动试验，在阶跃响应曲线上求得调节对象(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： （4-3）增大给水流量分流系数，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 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。（2）前馈通道的分析整定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图4.6: 图4.6 三冲量给水自动控制系统结构简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

47、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.根据以上原则可得到： （4-4）因此可得蒸汽流量分流系数： （4-5）此时蒸汽流量分流系数是一个复杂的动态环节，在工程中很难实现。实践证明只要满足比例特性，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与给水流量信号静态配合的原则确定，即： （4-6）从而推导出： （4-7） 汽包水位的串级控制系统通过三冲量水位控制系统的整定可以看到，为了保证系统有良好的静特性，各输入信号之间有严格的静态配合关系，并且动态整定过程也比较复杂，给系统的整定带来了一定的困难。所以，采用水位串级控制系统。两个调节器任务

48、不同，主调节器的任务是校正水位。副调节器的任务是当给水流量扰动时，迅速动作使给水量保持不变；当蒸汽流量扰动时，迅速改变给水量，保持给水和蒸汽量的平衡。两个调节器参数整定可以相对独立，内环的调节速度要快。可考虑副调节器为纯比例调节，比例系数K2应取得较大些。给水流量信号灵敏度会影响主、副调节器的比例系数。比如当保证内回路不发生振荡而使减小时，应相应地减少主调节器的比例系数K1，以保证主回路的稳定性。蒸汽流量信号不一定与给水流量信号进行严格的配合，可依据锅炉的“虚假水位”情况而定，适当调整蒸汽流量信号的作用强度。比如蒸汽流量信号取1，给水流量信号可视情况取0.51。系统结构图如4.7，主回路用于直

49、接控制水位，主调节器一般都采用比例积分动作，维持稳态水位不变。副回路是流量系统，副调节器可以用比例或比例积分动作。引入蒸汽流量作为静态前馈信号，所以是一个带有静态前馈的串级控制系统。为了保证给水系统的汽水平衡，应有， 而其它的部分的整定则与一般串级系统完全相同。 图4.7 水位串级控制系统原理图串级系统比三冲量系统多用了一个调节器，这是缺点，但是它却使得对信号的静态配合要求不那么严格了，也不需要估计因蒸汽压力变化或锅炉排污量变化而引起配比关系的改变，这是因为主调节器能自动校正信号配合不准所引起的误差。总 结本文主要介绍全程给水控制系统的基本概念以及涉及的一些知识，结合某电厂给水控制系统的SAMA图对其控制逻辑进行详细分析，从而更为熟悉300MW机组给水全程控制的运行流程及控制特点。某电厂300MW机组给水控制是典型的汽动泵电动泵混合型给水系统。共有三台主给水泵，其中两台可变速的汽动泵在高负荷时应用，另一台是液力偶合器调节转速的电动给水泵，在单元机组启动及低负荷时应用。由于机组启动