给水控制系统的分析

1、精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业目 录精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业300MW 机组给水控制系统分析摘要汽包水位是汽包锅炉非常重要的运行参数，是衡量汽水系统是否平衡的重要标志。维持汽包水位在允许范围内，是保证机组安全运行的必要条件。本文首先介绍给水调节系统被控对象的动态特性、热工测量信号及其自动校正原理、调节机构特性等基本知识，随后分析了单元制机组给水控制系统中三冲量、单冲量控制的结构及工作原理，以及其之间的自动转换过程。丰城电厂 300MW 机组是典型的汽动泵和电动泵共同使用的混合型给水系统。文章在深入理解给水系统结构及启动过程

2、中给水系统相关操作的基础上，结合 MAX1000 给水控制操作员站的相关画面，对给水控制的具体逻辑图进行了详细分析。关键词：锅炉；给水全程控制；汽包水位；自动调节精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业1 绪论1.1 课题研究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。自动化装置已成为大型设备不可分割的重要组成部分，大型生产过程都是依赖于这样的配置来运行的。我国最近几年新建的 3OOMW、600MW 火电机组基本上都采用国内外最先进的分散控制系统(DCS)，对全厂各个生产过程进行

3、集中监视和控制。在单元机组若干重要参数控制系统的设计及整定中，汽包水位是锅炉安全运行的主要参数之一，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。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

4、程给水控制的火电机组还很少。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解决的问题。1.2 国内外研究现状综述1.2.1 国内现状综述目前，随着单元机组容量的增大和参数的提高，机组在启停过程中需要监视和控制的项目越来越多，因此，为了机组的安全和经济运行，必须实现锅炉给水从机组的启动到正常运行，又到停炉冷却全部过程均能实现。我国大型火电机组的给水控制基本上还是采用经典的 PID 控制算法。不同的控制公司在给水控制策略的设计上虽然各有特点差异，但基本上还是遵循了单冲量和三冲量控制相结合的控制模式，采用的也基本上是调阀和调泵相结合的控制方法。虽然从理论上讲，现有的控制方

5、法应该可以实现机组的全程给水自动。但是，实际上由于给水系统和机组运行的复杂性，机组在启动和低负荷时往往投不上自动。另外，机组在高负荷时，虽然可以实现三冲量给水自动且正常情况时效果也不错。但其控制系统的鲁棒性较差，适应异常工况的能力和出现设备故障的情况时的自调整能力也较差。因此，如何真正实现全程给水控制是现今控制工程人员急于解决的一个课题。锅炉全程给水控制系统通常采用以下两种控制方案：精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业一是两段式全程给水控制, 采用变速给水泵控制给水母管压力,采用给水调节阀控制汽包水位,这一方案从热力系统上将给水控制系统和汽包水位控制系统分段,一定程度上克服了两系统之间的

6、相互影响,但不利于机组的经济运行和给水泵的安全运行,特别是不能适应较大的负荷变化。二是一段式给水控制,采用变速给水泵控制汽包水位,采用给水调节阀控制给水母管压力,这一方案将给水控制系统和汽包水位控制系统作为一个整体来考虑,这样更有利于机组效率的提高和给水泵的安全、高效运行,但必须克服两系统之间的相互影响。总的来说，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

7、三冲量,当负荷小于 30%或三冲量变送器故障时为单冲量。由于不同容量的机组其给水系统结构不一样，其控制方式及控制设备也有区别，因而实现给水全程自动系统的方案也有不同，这就要求在考虑方案时，要结合具体的控制对象进行合理的设计，同时参考其它同类型机组一些成功的设计、调试经验，重新完善原汽包水位调节系统的设计及组态，最终选定一种合理且切实可行的设计方案，来实现锅炉给水自动系统的全程控制。1.2.2 国外现状综述以西门子公司设计的某 350MW 机组全程给水控制系统为例，系统分为给水启动调节阀控制系统和给水泵转速控制系统两部分。给水启动调节阀控制系统实际上就是给水压力控制系统。这是一个前馈-反馈控制系

8、统。其作用是当锅炉启动及低负荷工况时，维持给水泵出口母管压力在安全工作范围内，同时协助给水泵转速控制系统稳定汽包水位。其控制特点是：在三冲量控制系统中引入了汽包压力的负微分前馈和蒸汽流量的微分前馈。运行过程中，蒸汽流量变动(即机组负荷调整)和炉膛热负荷干扰都会引起汽包压力的变化。若负荷增加，汽包压力就会下降，其负微分前馈信号要求加大给水流量，蒸汽微分前馈也要求加大给水流量，以克服虚假水位对系统的影响。总体来说，国外关于全程给水控制方案的设计及全程给水控制系统的投运在热工自动控制领域内已比较成熟。能顺利实现全程给水控制，这一方面得益于其合理、完善的设计，另一方面在于其 DCS 控制系统的先进性、

9、可靠性，为实现其控制策略提供了软、硬件上的保证。1.3 论文的主要工作 本文围绕单元机组给水全程控制系统这一主题，对火电厂给水系统构成、给水控制系统的作用、现状和发展有一个基本的认识和了解后，针对丰城电厂 300MW 机组，结合仿真实习，对给水控制系统逻辑进行深入分析。具体要求如下：精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业1)通过参考资料的查阅，对火电厂给水系统构成、给水控制系统的作用、现状和发展有一个基本的认识和了解。2)结合仿真实习，熟悉给水系统构成、启动过程中给水系统的主要操作、控制系统基本原理和实现方法。3)对给水系统的控制逻辑进行详细地分析。4)通过整个研究毕业设计，掌握从事工程技

10、术工作时分析问题、解决问题的一般思路和基本方法。5)通过阅读相关文献资料和撰写毕业论文，了解科技论文的基本撰写模式。精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业2 给水全程控制系统2.1 给水调节对象的动态特性2.1.1 给水扰动对水位的影响给水量的扰动是给水自动控制系统中影响汽包水位的主要扰动之一，因为它是来自控制侧的扰动，又称内扰。在给水流量 W 的阶跃扰动下，水位 H 的响应曲线可以用图2.1 来说明。若把汽包及水循环系统当做单容水槽，水位的响应曲线应该如图中的直线1。但是在实际情况中，当给水流量突然增加的时候，因为给水温度低于汽包内的饱和水温度，当它进入汽包后吸收了原有的饱和水中的一部分

11、热量，使锅炉的蒸汽产量下降，水面以下的汽泡总体积也就相应减小，导致水位下降。对水位的影响可以用图中的sVsV曲线 2 表示。水位 H（即曲线 3）的实际响应曲线是曲线 1 和曲线 2 的总和。这种分析方法是分别从两个角度进行分析的：1.仅从物质平衡角度来分析；2.仅从热平衡角度来分析 图 2.1 给水扰动下的水位响应曲线2.1.2 负荷扰动对水位的影响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。在汽机耗汽量 D 的阶跃扰动下，水位 H 的响应过程可以用图 2.2 来说明。当汽机耗汽量 D 突然阶跃增加时，精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业如果只从物质平衡的角度来讲，一方面改

12、变了汽包内的物质平衡状态，使得水位下降，如图 2.2 中的曲线 1。但当锅炉蒸发量突然增加时，迫使锅内汽泡的增多，燃料量维持不变，汽包压力下降，使水面以下的蒸汽泡膨胀，总体积增大，从而使得汽包水位的dpsV上升，如图 2.2 的曲线 2 所示。因此汽包水位 H 的实际响应曲线（图 2.2 中图 3 所示）是曲线 1 与曲线 2 叠加的结果。只有当汽包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，而这种反常的现象，通常被称为“虚假水位” 。 “虚假水位” 现象主要是来自于蒸汽量的变化，显然蒸汽量是一个不可调节的量（对调节系统而言） ，但它是一个可测量

13、，所以在系统中引入这些扰动信息来改善调节品质是非常必要的。图 2.2 汽机耗汽量 D 阶跃扰动下的水位响应曲线2.1.3 燃料量扰动对水位的影响当燃料量 B 扰动时，必然会引起蒸汽量 D 的变化，燃料量增加会使炉膛热负荷增加，锅炉吸收更多的热量蒸发强度增加，若此时，汽轮机所带负荷不变，那么随着炉膛热负荷的增加，锅炉出口压力提高，蒸汽流量就会相应的增加上去，然后蒸汽量的变化就dp会造成“虚假水位”的现象，即水位先上升，随后再下降，响应曲线如图 2.3 所示。但是燃料量 B 的增大只能使 D 缓慢增大，而且还慢慢上升，它将使汽泡体积减小。因而，dp精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业燃料量扰

14、动下的假水位比负荷扰动下要缓和得多。由以上分析可知，给水量扰动下水位响应过程具有纯延迟；负荷扰动下水位响应过程具有假水位现象；燃料量扰动也会出现假水位现象。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。 Bt 图 2.3 燃料量扰动 B 下的水位响应曲线2.2 测量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的进行压力、温度校正。测量信号自动校正的基本

15、方法是：先推导出被测参数温度、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。而在实际应用时，这些补偿公式中一些参数的确定要依据理论计算及现场调试综合求取，通过动态补偿回路确保上述信号在负荷变化时的精度。2.2.1 水位信号的压力校正精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业对汽包锅炉通常利用差压原理来测量其水位，锅炉从启、停到正常负荷的整个运行范围内，汽包压力变化很大，汽包内饱和蒸汽和饱和水密度的变化也很大，这样就不能直接用差压信号来代表水位，而必须对其进行压力修正。根据很多大型机组运行的情况反映，大容量机组汽包水位的测量不宜采用带中间抽头式（即双室平衡容器）的测

16、量筒，而要采用单室平衡容器取样装置。图 2.4 表示单容平衡容器的测量系统。设：汽包压力（）bPaPL汽水连通管之间的垂直距离，即最大的变化范围（M）h汽包水位高度加在差压变送器两侧的压力（）21,PPaP饱和蒸汽的重度（）s3mN饱和水的重度（）W3mN汽包外平衡容器内水柱的重度（）C3mN从图 2.4 中可看出： =*h+*(L-h)1PWs =*L2PC =-P2P1P =*L-*h-*(L-h)CWsTBWE1)(xfE1TBWTBY)(xf蒸汽流量主蒸汽温度t汽机调速级压力 PTBWE1)(xfE1TBY蒸汽流量给水温度 t给水流量信号P阀。变送器蒸汽量流量调节器调节机构变送器给水量

17、小旁路在机组启动初期给锅炉上水和低负荷时用，此时给水量由旁路调节阀开度和电泵转速配合调节。当给水量大于一定负荷（20%额定给水量）时切至给水主路，此时给水流量仅靠给水泵转速调节。4.2 MAX1000 给水控制画面分析丰城电厂 300MW 机组分散控制系统（DCS）采用的是美国 MCS 公司的 MAX1000产品,图 4.2 所示为给水全程控制系统设计方案的 SAMA 图，结合该 SAMA 图，利用MAX1000 系统应用处理器提供的系统软件工具，可完成符合控制策略的组态工作。它采用电动给水泵及调节阀相结合的方式控制汽包水位，根据负荷指令（蒸汽流量）控制给精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-

18、专业图 4.2CCS 操作器控制面板水流量，能在不同负荷下保持汽包水位为给定值。4.2.1 MAX1000 中 CCS 画面基本功能介绍在主菜单上部或任一画面的底部点击 CCS 菜单按钮，可进入 CCS 系统主菜单，单击其中任一菜单按钮，即可进入相应 CCS 闭环控制画面。CCS 系统画面由操作器控制面板组成，如图 4.2 所示，在各操作面板上，主要有以下显示操作量：PV：过程变量，以数值及棒图显示；SP：设定值，以数值及指针显示；DMD：操作指令量，以数值及棒图显示；OUT：控制器输出，以数值及棒图显示；手动状态下点击可弹出一对话框，可使操作员键入对控制器输出的期望值；DEV：控制器输出与阀

19、位反馈间的偏差，以指针显示；SP、SP Bias：设定值或设定值偏置值的组合框显示，在其内以数值形式显示设定值或设定偏置。在其上点击，可弹出一对话框，允许操作员键入控制器的设定值或设定值偏置；自动按钮 ：点击该按钮进行控制器向自动方式的切换，当控制器为自动方式时，该按钮以亮色显示。手动按钮：点击该按钮进行控制器向手动方式切换，当控制器为手动方式时，该按钮以亮色显示；LOC 按钮；点击该按钮进行控制器向本地方式切换，当控制器为本地方式时，该按钮显示“LOC” ，此时只能在盘台硬手操上操作。控制器输出手动增减按钮:当控制器在手动状态下，单击这两个按钮，可以一定的步距值增减控制器的输出，当阀位反馈为

20、关到位时，减按钮为亮色，开到位时增按钮为亮色。设定值/偏置值增减按钮：可以一定的步距值增减控制器的设定值或偏置值。每个 CCS 画面中都有一组切换画面区域，使操作员切换到任一 CCS 画面。4.2.2 给水系统主要操作过程1) 锅炉上水前的准备开启高加出口电动阀，出口阀全开后开启进口三通阀，高加水侧投入。打开电泵中间抽头阀。就地开启电泵再循环隔离门。CCS 将电泵最小流量再循环调节阀投自动。开启电泵辅助油泵，并投入联锁。查除氧器水位正常，水位调节正常。开启电泵前置泵进口电动门，准备启动电泵给锅炉上水。精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业2) 锅炉点火冲转后，升负荷负荷升至 60MW 时开

21、启四抽电动总门及逆止门，做汽泵 A、B 启动前的准备。就地开启汽泵最小流量再循环隔离门。CCS 将最小流量再循环调节门投自动。打开汽泵前置泵进口阀，启动前置泵，检查前置泵电流及出口压力正常。如图 4.3，给水控制 1 画面。4.3 给水控制 2 的 CCS 控制画面负荷升至 120MW 时，当给水量20%(约 180t/h)时，关闭锅炉省煤器再循环阀。将锅炉给水由启动旁路切至主路(打开主给水阀，关闭启动旁路调节阀)。切换过程应力求平稳，减少对汽包水位的影响。由于主给水阀容量较大，为此切换前应适当降低电泵转速。切换完成后汽包水位由电泵转速调节。给水流量25%时，给水控制自动由单冲量切至三冲量，此

22、时应注意维持汽包水位，可在 CCS 菜单的给水 2 画面中将电泵转速投自动。如图 4.4 所示。随后启动一台汽动给水泵运行，调整好电泵与汽泵并列运行的负荷分配，汽泵启动时注意维持汽包水位。精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业图 4.4 给水控制 2 的 CCS 控制画面负荷至 180MW，启动另一台汽动给水泵，启动步骤同第一台。当两台汽泵均交给 CCS调节后，逐渐均衡增加两台汽泵转速，同时降低电泵转速。当电泵出口压力小于给水母管压力后，停电泵并投入备用。汽泵、电泵切换过程注意维持汽包水位，当水位稳定后，可投入汽包水位自动调节。4.3 给水控制系统的逻辑分析4.3.1 给水控制系统逻辑简图

23、如图 4.5 所示为给水控制系统的逻辑简图。系统总体设计思路为：当锅炉启动或低负荷时，由一台给水泵供水；高负荷时由两台给水泵供水，另外一台备用。给水调节系统在低负荷时，采用单冲量水位控制方式,由低负荷调节门给水；高负荷时采用给水串级三冲量控制方式，由主给水调节门给水。这是因为低负荷时用水量很少，水位波动较大，如此时用主给水管道给水，会降低调节精度，致使汽包水位不稳定；高负荷时锅炉用水量大，低负荷管路给水不能满足蒸发量，必须用主给水管道给水。因此，根据负荷变化，给水全程控制回路可分为：低负荷时单冲量给水控制；高、低负荷给水切换控制；高负荷三冲量给水控制三部分。在机组负荷达到额定负荷 25%时，低

24、负荷调节门切换为主给水调节门工作，一台给水泵作定速运行，在切换过程中通过流量偏差修正功能保证切换时给水流量不致产生大的扰动。具体的方法是：当两个调节门状态均在手动时，不进行流量偏差修正；只有一个调节门状态在自动时，才进行流量偏差修正；正常使用中不允许两个调节门都工作在精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业自动状态。图 4.5 给水控制系统逻辑简4.3.2 给水控制系统逻辑分析1)启动、冲转、锅炉点火此阶段采用单冲量系统通过控制低负荷调节阀开度来维持汽包水位在给定范围内，一台电动给水泵运行,对应其操作器工作在手动状态，开启给水旁路调节阀前后截止阀。锅炉在启停及低负荷（小于额定负荷 30%）运

25、行时，由于蒸汽参数低，负荷变化小，虚假水位现象不严重，对水位控制要求不高，而且低负荷时蒸汽流量与给水流量测量误差大。因此，低负荷时采用单冲量控制系统。 附录所附图中，单冲量调节器 LD_3L_PID 工作,其输入为水位测量值 LD 和给定值SET 的偏差,其输出经 FW_VLV_PID 调节器对旁路阀进行调节,同时可进行阀位显示。串级三冲量控制系统的副调节器 FWF_PID 处于自动跟踪状态,主调节器 LD_3L_PID 的输出应保证加法器的输出跟踪给水流量信号。电泵勺管通过其软操作器的输出使电动泵按要求维持在一定转速运行。软操作器指令可修改，用于调整泵的转速。2)升负荷至 25%30%MCR

26、此阶段仍采用单冲量系统，通过控制主给水调节阀来维持汽包水位，为满足给水量的要求，可通过工作泵勺管软操作器适当提高给水泵转速。在负荷达到额定负荷 25%时，低负荷调节阀无扰切换至主给水调节阀进行调节。切换时，逐渐开大主给水调节阀，低负荷调节阀将自动逐渐关小。切换过程中因为两种阀门流通量不同，通过流量偏差修正处理，保持系统给水流量基本稳定，不至于对水位产生大的扰动。精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业3)升至 30%MCR，负荷达到 120MW此阶段采用串级三冲量系统控制，启动一台汽动给水泵运行，调整好电泵与汽泵并列运行的负荷分配，汽泵启动时注意维持汽包水位，主给水调节阀基本处于全开位置不再

27、关闭，以减少系统不必要的扰动。在高负荷阶段（大于额定负荷 30%）时，由于锅炉汽包水位虚假水位现象严重，为了取得较好的调节效果，采用三冲量串级控制系统。图中三冲量调节器 LD_3L_PID 及 FWF_PID 工作，三冲量串级控制系统的副调节器FWF_PID 不再跟踪单冲量调节器 LD_1L_PID 的输出，而是处于自动控制状态，其输出经分配块 F(1/n)分配后去工作给水泵勺管软操作器控制给水泵转速。三冲量主调节器LD_3L_PID 接受水位测量值 LD 和给定值 SET 的偏差,其输出和蒸汽流量 D 的前馈信号求和作为副调节器 FWF_PID 的给定信号，同时 FWF_PID 还接受给水流

28、量 W 的反馈信号。4)升负荷至满负荷此阶段仍采用串级三冲量系统，由于负荷较高，采用控制两台给水泵转速方案，这是控制系统的正常工况。根据泵的特性及运行经验，在负荷增大到 180MW 时，启动第二台泵，启动步骤同第一台，分担前一台泵的一半负荷，使泵工作在安全特性区内。此时汽包水位由两台汽泵调节。启动第二台泵后，逐渐开大相应勺管，通过分配块 F(1/n)的处理，第一台泵的勺管将自动逐渐关小，给水泵转速将自动减小。以此达到分担前一台泵的一半负荷，使泵工作在安全特性区内的目的。当两台汽泵均交给 CCS 调节后，逐渐均衡增加两台汽泵转速，同时降低电泵转速。当电泵出口压力小于给水母管压力后，停电泵并投入备

29、用。汽泵、电泵切换过程注意维持汽包水位，当水位稳定后，可投入汽包水位自动调节。同时保持给水流量基本稳定，不致对水位产生大的扰动。由于三冲量系统抗内扰的能力比单冲量系统强得多，故控制质量能得到保证。精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业结论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，结合丰城电厂给水控制系统的 SAMA 图对其控制逻辑进行详细分析，从而更为熟悉国产 300MW 机组给水全程控制的运行流程及控制特点。丰城电厂 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，

30、在单元机组启动及低负荷时应用。由于机组启动阶段不能得到稳定的汽源，先用电动泵通过控制转速维持给水母管压力，同时使用给水调节阀来调节给水量。为了保证泵在低负荷时出口有足够的流量防止汽蚀，给水泵安装了再循环管路。虽然给水系统已能实现全程控制，但是还是存在很多问题。例如：在机组由低负荷向高负荷的过渡阶段，控制系统自动从单冲量调节方式切换为串级三冲量控制方式，与此同时还要进行给水调节阀的切换。给水调节阀的切换现在大多还由手动操作完成，其操作效果直接来源于人的操作水平，这也是全程给水实现自动的一个盲点。精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业参考文献1 吕玉坤，张健，王健，刘玉波，康乐嘉. 单元制机组

31、给水全程控制系统的分析与设计J. 电站系统工程，2007，23(4)：62-64.2 林蕾. 全程给水控制系统在台山电厂的应用J. 福建电力与电工，2004，24(4)：52-54.3 马述军，司铁明，盛玉和，乔建龙，吕凤武. 全程给水自动控制系统在低负荷阶段的调节方法研究J. 黑龙江电力，2003，25(1):16-19.4 瞿建明. 浅析给水控制系统J. 上海电力，2003，24(1):74-75.5 张奕英，周俊霞，谷俊杰，陆海清. 国产 300MW 机组给水全称控制系统J. 华北电力学院学报，1994，21(4):52-58.6 厉伟，吴灵，董文忠. 火电发电厂单元机组给水全称控制系统浅析J. 沈阳工业大学学报，2007，29(5):550-55