锅炉给水控制系统毕业设计文献综述

锅炉给水控制系统毕业设计文献综述摘

要火力发电厂中，水是整个系统的主要工作介质。如何在整个系统流程中将给水控制好，对系统稳定、安全、高效运行有着至关重要的作用。从给水控制发展和实际应用，比较不同设备和工况下的控制方案。关键词火电厂；单冲量；三冲量；锅炉给水控制概

述大型火电发电机组由锅炉、汽轮机、发电机和辅机设备组成，工艺流程复杂，对设备参数的监控、操作和控制繁多。锅炉侧主要是燃烧控制系统和汽水控制系统等，锅炉给水控制已采用自动调节方式。锅炉水位调节品质间接反映出炉内物质平衡状况，是监测锅炉、汽轮机安全运行的重要参数之一。

一、给水控制发展过程1.电泵和调节阀：比较早投产的中小机组，一般采用电动定速泵，控制给水调节阀的开度来控制汽包水位。这种控制方案弊端有较大节流损失。2.电调泵和调节阀：80年代及以后投产机组，大都采用了电动调速给水泵和调节阀相结合的方式来控制汽包水位。控制方式在负荷较低时，由给水调节阀或者旁路阀完成汽包水位控制任务；在负荷较高时，由电动调速泵完成汽包水位控制任务。这种方案虽然能减少阀的节流损失，不过电动泵始终在运行，消耗电能较多。3.汽动泵、电动调速泵和调节阀：近年投产的大机组，基本采用这种方式来控制水位。在负荷较低时利用电动给水泵保证泵出口差压，通过给水调节阀或给水旁路阀来控制汽包的水位；在负荷超过某一值且汽动泵还没启动时，那由电动调速泵来控制汽包水位；当汽动给水泵启动后，由电动调速给水泵逐步过渡到汽动给水泵来控制汽包水位。这种方案，是一种效率较高的控制手段。二、给水控制的任务和意义1.让锅炉的给水量补充蒸发量，确保锅炉进出的物质平衡及稳定运行。对于汽包炉来说，就是维持汽包内的水位变化控制在合适的范围内。如果汽包水位过高，就降低了汽水分离装置的效果，致使出口蒸汽带水严重、含盐浓度增大等，将过热器受热面结垢而烧坏；同时还会导致过热汽温变化急剧；汽轮机叶片也容易结垢，降低了汽轮机出力，可能会使汽轮机出现水冲击造成叶片断裂等事故；如果汽包水位过低，将会破坏锅炉的水循环，致使某些水冷壁管束缺水冷却而烧坏，甚至造成锅炉爆炸事故。2.确保锅炉给水均匀连续，使锅炉在合适的参数下稳定运行，能使锅炉汽压平稳，省煤器安全运行，提高了锅炉运行效率，也使锅炉运行的经济性得到提升。三、给水控制系统的结构1.单冲量控制：单冲量给水控制系统是一个PI调节器，对汽包水位信号进行控制。系统相对简单，整定方便，但对给水自发性扰动和蒸汽流量扰动的调节能力差，会使汽包水位在运行中的超调较大和稳定性较差。在机组负荷较低时，因为锅炉疏水和排污等影响，给水流量与蒸汽流量存在着较大的偏差，且流量低，测量误差比较大，此阶段时采用单冲量控制。2.单级三冲量控制：单级三冲量给水控制是一个PI调节器，对汽包水位、蒸汽流量和给水流量等三个信号的进行控制，与单冲量控制相比，此方式优点在于克服虚假水位的蒸汽流量信号和抑制给水自发性扰动的给水流量信号。当蒸汽流量发生变化时，由前馈控制作用，能够快速改变给水流量，让进出锅内的物质达到平衡，克服虚假水位非常有利；如果给水发生自发性扰动时，局部反馈控制作用，减少给水流量对汽包水位的影响，有利汽包水位的稳定。因而，三冲量控制系统对于克服汽包水位扰动、维持稳定、提高给水质量有明显优势。3.串级三冲量控制：串级三冲量控制系统由主、副两个PI调节器和三个信号汽包水位、蒸汽流量、给水流量构成，多采用一个PI调节器，并且这两个调节器分为主、副调节串联工作：主调节器PI1是水位调节器，它通过比较汽包水位的偏差控制给水流量；副调节器PI2是给水流量调节器，它通过计算给水流量的偏差来控制给水流量；利用蒸汽流量信号作前馈信号来预调节，满足负荷变动时的物质平衡，因为不要求稳态时给水流量与蒸汽流量严格相等，就能实现稳态时汽包水位目标值无偏差，系统参数设定比单级三冲量系统要简单，控制品质非常高。是目前的给水控制系统广泛采用的控制方案。四、给水全程控制系统1.给水全程控制是指：机组从启动到满负荷运行整个过程的给水控制。该过程不是由某种单一的单冲量或三冲量控制系统来完成，而是由单冲量控制系统与三冲量控制系统的相互结合所组成，能够完善的自动切换和联锁逻辑功能。2.给水热力系统及调节组成，如图1所示：

图1单台机组配有：50%容量的电动调速给水泵1台；50%容量的汽动给水泵2台。主给水电动截止阀、给水旁路截止阀和约15%容量的给水旁路调节阀安装在高加与省煤器之间。小汽轮机驱动两台汽动给水泵，小汽轮机电液控制系统（MEH）控制其转速。协调控制系统的给水控制系统设置转速给定值。3.给水全程控制系统控制流程图如图2：图2电动给水泵控制通过给水旁路调节阀前后差压的反馈控制回路调节阀前后的差压，该回路的PI1调节器根据旁路调节阀前后差压的偏差进行控制运算，并由切换器T2选通。4.系统工作原理：给水全程控制系统中有着多种控制方式组成，这些控制方式是在机组的运行不同负荷阶段，通过逻辑判断及其切换器（如T1、T2等）来选取的。也就是说机组在不同的负荷阶段和不同的给水控制特性，有不同的控制方式以满足运行需求，实现给水实现连续控制。（1）初始负荷0～14%阶段时主给水电动截止阀是关闭的，T2选通PI1的输出，由电动给水泵控制旁路调节阀前后的差压，PI2调节器控制给水调节阀开关。此时汽包水位是单冲量控制方式。此时机组负荷低、给水流量比较小，用旁路调节就能很好的控制汽包水位。（2）当负荷14%～25%阶段时，逻辑联锁控制开启主给水电动截止阀，同时将给水旁路调节阀前后差压控制方式切到手动模式，T1、T2选通器把汽包水位控制模式切换到由PI3控制的单冲量方式。从14%负荷至给水旁路截止阀离开全开位置到关闭过程，给水旁路调节阀和电动给水泵共同控制汽包水位；直至25%负荷期间，电动给水泵用单冲量方式来控制汽包的水位。（3）当负荷25%～35%阶段时，T1选通器把汽包水位控制切换到PI4和PI5调节器控制，此阶段由电动泵串级三冲量控制方式控制汽包水位。（4）当负荷35%～50%阶段时，启动一台汽动泵。MEH系统控制汽动泵转速达临界转速以上（例如3100rpm）时，控制交由CCS控制汽动泵转速，此阶段，一台汽动泵和一台电动泵同时运行，控制方式采用串级三冲量来控制汽包水位。（5）当负荷50%以上阶段时，启动另一台汽动泵，MEH系统控制汽动泵转速达临界转速以上（例如3100rpm）时，控制交由CCS控制汽动泵转速，此时逐步的降低电动泵负荷慢慢增加汽动给水泵负荷。当电动给水泵负荷慢慢降低到最低值、此时检查汽动给水泵工作正常、汽包水位稳定，可把电动给水泵停运作为备用。此时，两台汽动给水泵采用串级三冲量方式来控制汽包的水位。机组降负荷时，给水控制方式的切换与升负荷阶段过程大致相反。五、结论锅炉汽包水位是一种非线性、变化大、耦合强的多变量控制系统。在锅炉运行的整个过程，水位是一个重要的调节控制参数。如果水位过高，就会影响汽水分离效果，影响用汽设备的安全运行；水位过低，就会满足不了汽水循环要求，情况严重时导致锅炉爆炸。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，所以锅炉汽包水位控制稳定非常重要，在我们电厂实际运行中，根据锅炉给水控制要求优化控制流程，以满足安全稳定的运行要求。参考文献1.韩璞《现代工程控制论》北京：中国电力出版社

【控制系统】超临界直流炉给水自动控制系统

超临界机组是指锅炉的新蒸汽的压力大于临界压力(22.064MPa)小于25MPa的锅炉和汽轮机发电机组。超超临界机组是指锅炉的新蒸汽的压力25MPa~31MPa的锅炉和汽轮机发电机组。在超临界和超超临界状态，水由液态直接升为汽态(由湿蒸汽直接成为热蒸汽、饱和蒸汽），热效率高。因此，超临界、超超临界发电机组早已经成为国内外，尤其是发达国家主力机组。直流炉是一个典型的多变量、强耦合、非线性的系统，给水控制系统是直流炉机组中最重要也是最复杂的控制子回路。目前对中间点温度的控制方案主要有两种：一种是通过修正给水流量来控制；另一种是通过修正给煤量来控制。修正给水量控制可以快速调节中间点温度，使中间点温度偏差保持在较小范围内，但给水流量频繁变动将导致水冷壁汽水分离面的波动，从而引起水冷壁局部超温，该现象在低负荷情况下尤为严重，降低了运行的安全性。利用修正给煤量控制时，给水流量随负荷变化，不会产生频繁波动，另外修正给煤量调节中间点温度可以校正煤质的热值，使调节过程跟得上煤种变化，但给煤量变化对中间点温度响应存在较大延迟，不能有效保证调节的快速性，从而降低了运行的经济性。焓增信号的给水控制策略也就是根据省煤器出口到低温过热器入口这段工质所吸收的热量（水吸收的热量）和省煤器出口到低温过热器入口这段工质的焓增来调节给水量。1.超临界机组给水系统组成超临界机组的给水系统的主要功能是将除氧器水箱中的主凝结水通过给水泵提高压力，经过高压加热器进一步加热之后，输送到锅炉的省煤器入口，作为锅炉的给水。此外，给水系统还向锅炉再热器的减温器、过热器的一、二级减温器以及汽轮机高压旁路装置的减温器提供减温水，用于调节上述设备出口蒸汽的温度。给水系统的最初注水来自凝结水系统。给水系统由给水泵组、高加自动旁路、给水操作台及其相关管路构成。除氧器给水箱的除氧水经由交流电机驱动的汽动给水泵前置泵后，再经过流量测量元件，送至汽动给水泵，提高汽动给水泵的入口水压，防止给水泵汽蚀。汽动给水泵进口管路上的流量测量元件，用于最小流量控制；每台给水泵出口管有逆止阀及电动隔离阀。在小汽轮机投运后，对应的出口电动隔离阀自动打开。每套前置泵及汽动给水泵组均有一路最小流量再循环管，从出口逆止阀上游引出，回到除氧水箱，用以保证泵的最小流量。电动给水泵和汽动给水泵的系统连接很类似。不同的是电动给水泵前置泵和电动给水泵容量为35%，均位于零米层，共用一台电机驱动。电动给水泵与电机用液力联轴器连接，与其前置泵一起停运。电动给水泵出口和汽动给水泵出口的三根给水管道合并为一根给水母管，经高压加热器后将给水送到锅炉。汽动给水泵和电动给水泵的中间抽头经其电动隔离阀后引入出口母管上，向锅炉再热器的减温器提供减温水；汽动给水泵和电动给水泵的后置级的出口给水，经电动隔离阀及母管后，分别向锅炉过热器的一、二级减温器提供减温水。给水母管上不仅有一根向高压旁路装置的减温器提供减温水的管道，还有直接给锅炉供水的冷供管。高压加热器共用一个旁路保护系统。在系统中设立高加水侧自动旁路保护装置，在高加发生故障时快速而又严密的切断进入高压加热器的进水，以保证汽轮机不进水，高压加热器不超压，并保证不中断向锅炉供水。2.超临界机组给水控制系统的难点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。直流锅炉是由各受热面及连接这些受热面的管道组成，在正常负荷下，给水泵强制给水进入锅内，一次性经历加热、蒸发和过热各段受热面，全部转变成过热蒸汽。图1

直流锅炉原理示意图超临界机组实际运行在超临界和亚临界两种工况下，在亚临界运行工况下工质具有加热段、蒸发段和过热段三大部分，在超临界运行工况下，汽水的密度相同，水在瞬间转化为蒸汽。这样使得在锅炉干态运行的条件下，给水控制的任务就是要保持进入分离器的蒸汽具有合适的过热度。一方面要维持分离器的干态运行，防止其返回湿态；另一方面要控制好分离器出口蒸汽的过热度，以防止水冷壁和过热器超温。超临界运行方式和亚临界运行方式具有完全不同的控制特性，所以，超临界机组是一个特性复杂多变的非线性被控对象。3.超临界机组锅炉系统动态特性直流锅炉是一个多输入和多输出的被控对象,图2中的(a)，(b)，(c)分别给出了燃烧量M、给水流量W和负荷mT扰动时，过热汽温T、主蒸汽压力pT、蒸汽流量D（负荷）的过渡过程曲线，同时，也分析了直流锅炉各输入量对机组功率PE的影响从对动态特性曲线的分析可以看出：图2直流锅炉动态特性曲线(1)负荷扰动时，汽压pT的变化没有迟延，变化很快且幅度较大，这是因为直流锅炉没有汽包，蓄热能力小。负荷扰动时汽温变化较小，所以直流锅炉比汽包炉宜于采用变压运行。(2)单独改变燃烧量M或给水流量W对汽温、汽压、蒸汽流量都有影响，尤其是对汽温的影响更加突出。汽温变化的特点是具有很长的迟延时间和很大的变化幅度。若等到汽温已经明显变化后再用改变燃烧量或改变给水流量进行控制，必然引起严重超温或大幅下跌。同时在燃水比失调时仅用喷水减温来控制过热汽温是不够的。因此，变负荷过程中，给水量必须与燃料量保持适当比例协调动作，就如同燃烧调节要保持风煤比一样。(3)过热汽温对燃料量M和给水流量W的扰动都有很大的迟延，必须有提前反映燃料量M和给水量W扰动的汽温信号，这就是中间点温度。在超临界锅炉中，中间点温度就是分离器出口蒸汽温度，在控制系统中可以用中间点温度来作为燃水比校正信号。由此可见，直流锅炉被控对象特点是具有非线性、强耦合性的特点。超临界机组中的直流锅炉，各区段工质的比热、比容变化剧烈，工质的传热与流动规律复杂。当机组在变压运行时，随着负荷的变化，工质压力将在亚临界到超临界的广泛范围内变化（一般10MPa～25MPa之间），随着工质物性变化巨大，直流锅炉表现出严重的非线性，具体体现为：汽水的比热、比容和焓值与它的温度、压力的关系是非线性的，传热特性、流量特性是非线性的。而给水流量W、燃烧率（燃料量M）和汽轮机调节汽门开度mT这三个对象输入量中的任一输入量单独变化，除汽轮机调节汽门开度mT对过热汽温度T影响较小外，其余的都会对过热汽温度T、主蒸汽压力pT和蒸汽流量D有很大的影响，具有很强的耦合特性。4.基于中间点焓值控制当给水量或燃料量扰动时，汽水行程中的各点工质焓值具有相似的动态特性，在锅炉的水燃比保持不变时(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代替该点温度作为燃水比校正是可行的。图3中间点给水控制系统原理图

通过汽机第一级压力修正后的总燃料量来计算需要相应的主给水流量；通过锅炉主控指令计算需要相应的主给水流量，这两者加权后得到锅炉设计的主给水流量。

锅炉主控输出决定锅炉设计的主给水流量，加上锅炉汽水分离器出口蒸汽焓值设定值与汽水分离器出口蒸汽实际焓值（由出口蒸汽的温度和压力计算得到）偏差的PI调节输出作为锅炉给水流量的修正。5.基于中间点温度控制

中间点温度控制是指用直流炉汽水分离器出口的蒸汽温度来作为水燃比校正信号，提前反映燃料量和给水量的扰动。中间点温度的反应速度尽管不如焓值的快，在亚临界压力下饱和区附近也不能够快速反映炉膛内热量的变化，但是由于控制结构简单，组态易于实现而在国内的超临界机组上得到普遍的应用。

作为直流锅炉给水控制的重要修正信号，在不同的负荷(压力)下，由于饱和温度的不同，所以“中间点温度”的定值也是随负荷变化的。中间点温度不仅变化趋势与过热汽温一致，而且滞后时间比过热汽温滞后时间要小得多。中间点温度过热度越小，滞后越小，也就是越靠近汽水行程的入口，温度变化的惯性和滞后越小。理论和实践证明要保证直流锅炉给水的调节性能，维持特定的燃水比来控制汽水行程中某一点温度为负荷的函数是切实有效的手段。而煤水比不是恒定不变的，它随着负荷的变化而变化。燃水比改变后，汽水流程中各点工质焓值和温度都随着改变。图4

中间点温度给水控制

燃水比例失调而引起汽温的变化时，仅依靠调节减温水流量来控制汽温会使减温水流量大范围变化，一般最大喷水流量为锅炉额定负荷下的给水流量10％左右，会失去调节作用而影响锅炉安全运行。

为了避免因燃水比失衡而导致减温水流量变化过大，超出可调范围，因此可利用减温水流量与锅炉总给水流量的比值（喷水比）来对燃水比进行校正。喷水比校正燃水比原则：确定不同工况机组负荷下的喷水比，当实际喷水比偏离给定值时，说明是由于燃水比例失调而使过热汽温过高或过低，因此这时不能仅依靠调节减温水流量来控制汽温，而是要利用喷水比偏差来修改锅炉总给水流量，也就是进行