火电厂直流锅炉给水控制系统的分析与研究

Theboilerfaces,thehighparameterintensity,guaranteesboiler'ssafeoperation.Regardingthelargecapacityhighboiler,itgivestheaqueoussystemisverycomplexandperfect.Theoncbethenationalfuturedevelopmentdirection,fortheaqueouparameterwhichandthecontincreasecorrespondinglyforthewaterliterature,thethermalpowerunitisbigger,itsThisarticleintroducedonce-throughboilerforthewatercontrolpolicy,inconce-throughboiler'sdevelopmentprocesfeedback,thecascadecontrolcharacteristicandtheapplicatioonce-throughboilergivesthewatercontrolsystem'stechnicalprocess,Introducedwithemphasisforthewathedischargeofwatercontrolloop,aswellasformwiththecontrolmethod,butalsoincludessomesubsidiaryloop'scontrolpolicy.FinallybriefKeyword:Supercriticalonce-th1 10.1论文研究的背景和意义 10.2国内外研究动态及相关文献综述 20.3论文的主要工作及难点 30.3.1论文的主要工作 30.3.2论文的难点 3第一章超临界机组系统简介 51.1超临界直流炉特性简介 5 51.1.2超临界机组的发展历程 51.1.3超临界机组在我国的应用 61.1.4超临界机组的结构特点 71.1.5超临界机组控制中存在的问题 71.2超临界直流锅炉给水全程控制系统 81.3超临界直流锅炉给水系统的组成及运行 81.3.1超临界直流锅炉给水系统的组成 81.3.2超临界机组锅炉给水系统的运行 91.4直流锅炉给水控制系统的工作任务 第二章前馈串级调节系统 2.1前馈控制系统 2.1.1前馈控制概述 2.1.2前馈控制的特点及结构形式 2.1.3前馈控制原理 2.2前馈—反馈控制系统 2.2.1前馈-反馈控制系统原理 2.2.2前馈-反馈控制的设计原则 2.3串级控制系统 2.3.1PID控制概述 2第三章直流锅炉给水控制系统的分析与研究 3.1火电厂直流给水系统介绍 3.1.1直流锅炉给水控制系统介绍 233.1.2直流锅炉给水控制系统的工艺流程 243.1.3给水系统信号回路的测量 3.2给水流量控制回路 3.3给水流量指令形成回路 263.3.1过热度的控制 3.3.2主调节器温度给定值的设定 263.4给水泵控制回路 283.4.1给水泵的汽蚀及其解决措施 283.4.2给水泵公用指令形成回路 293.4.3给水泵控制回路 3.4.4电动给水泵流量控制回路 323.4.5给水控制回路总结 323.5给水阀控制回路 3.5.1锅炉给水旁路调节阀控制 343.5.2给水泵最小流量再循环阀控制 第四章超临界直流锅炉给水控制技术发展 4.1四回路给水调节控制系统 4.1.1四回路给水调节控制系统 374.1.2用蒸发器吸热及其焓增控制燃水比 384.1.3采用汽水分离器出口焓值校正燃水比失调 38 394.2直流炉的给水控制新思路 4.2.1直流方式下给水的控制思路 4.2.2直流方式下给水指令的分析 404.2.3直流方式下的给水控制的投用 4.3基于中间点焓值校正的给水自动控制结构 4.3.1蒸发器理论吸热量计算 424.3.2焓值控制回路 34.3.3一级减温器前后温差控制回路 4.3.4基于中间点温度校正的给水自动控制结构 4.3.5给水流量自动的超驰控制 参考文献 46 123刘远鹏以东方锅炉集团公司的一台1900t超临界压力直流锅炉为研究对象，在分和动态特性计算，而且提出了利用相变点工况作为超临0.3论文的主要工作及难点首先，本论文的难点是给水控制系统在超临界直流机组中的应用。在汽包炉机其次，直流炉给水系统是一个串级加前馈的控制系统，串级系统中主调节器和最后，如何在给水指令形成回路将给水泵公用指令合理的分配到3台给水泵也是5第一章超临界机组系统简介1.1超临界直流炉特性简介运行压力均为24～25MPa。理论上认为，在水的状态参数达到临界点时(压力22.115MPa,温度374℃),水的汽化会在一瞬间完成，即在临界点时饱和水和饱和流锅炉成为唯一型式。我国火电机组平均单机容量不足20万kw,平均供电煤耗达399g/(kw/h),比国外先进水平高70～80g/(kw/h),高出25%以上，资源浪费太大，废参数为31MPa,538℃功率为125MW的超临界试验机组，随后投产了蒸汽参数更高的其中燃煤机组占70%以上，并拥有台世界上单机容量最大的1300MW机组。由于美国和70年代投运的3。6后所有300MW及以上的机组都采用超临界技术。至1985年共有18台超临界机组投入运行，总功率达6800万KW,单机功率最高为120MW,蒸汽参数为23.5MPa,540℃。蒸汽参数供电煤耗(KW×H)是从美国通用公司引进的600MW样机，于1967年正式投入运营。随后，由东芝公司仿制相同样机于1969年投运，而1971年投运的600MW机组则有效地利用了日本自己临界直流锅炉。日本将450MW以上机组全部容量的50%以上，最大单机容量为1000MW,蒸容量为1000MW,上海石洞口二厂引进的两台600MW超临界变压运行机组于1991年运。目前，上海外高桥电厂建设引进的两台900MW机组，两台机组已投入运行。在都评为600MW进口机组特等或一等奖。电厂设计净效率达42%,供电煤耗低于其1号机自1998年1月9日到1999年5月9日完成试生产任务，并创造国内同类机组试生产期间连续运行774h的记录。在2000年4月，国家己确定河北沁北电厂(2×600MW)7术的研究项目已列入我国“十五”高科技发展计划(863计划),确定了以华能玉环电厂为依托工程，计划开发600MW以上的超超临界机组，供电效率将达43%～45%。(1)配合锅炉给水系统进行水冷壁及省煤器的冷态和温态水冲洗，并将冲洗水(2)满足锅炉冷态、温态、热态和极热态启动的需要，直到锅炉达到特定的最(3)只要工质合格，启动系统可以完全回收工质及其所含的热量；(4)锅炉转入直流运行时，启动系统处于热备用状态，一旦锅炉度过启动期间时，将根据水位的高低自动打开相应的水位调节阀，进行炉水再循环；(5)启动分离器系统也能起到在水冷壁出口集箱与过热器间的温度补偿作用，8全程控制由升火给水调节、给水按流程分配调节和基本给水象包括1台电动泵、1台汽动泵及锅炉甲乙侧给水调节阀各1只。锅炉升火启动分离器锅炉主控指令作为锅炉给水流量需求信号，通过调节汽动泵同步器(或电动泵勺管)锅炉的给水通过两台汽泵及一台电泵(三台泵未必同时工作)打出，先经过高压加热器再经过省煤器后进入汽水分离器。汽水分离器出来的炉没有汽水共存的概念)。蒸汽先后经过低温过热器、屏式过热器、高温过热器后通和低压加热器的作用是利用汽轮机的中间抽汽来加热给9超临界机组给水控制系统与亚临界机组汽包炉的控制有很大的区别。图1-1为一个典型的启动系统分离器内置式的600MW超临界机组直流锅炉的汽水系统。低过热器温过热哥水决壁和停运过程中重要作用是在锅炉启动、低负荷运行(蒸汽流量低于炉膛所需的最小流量时)及停炉过程中，维持炉膛内的最小流量，以保护炉膛(1)锅炉上水、冷态清洗和建立炉水循环阶段。启动锅炉给水泵或凝结水泵以至7%MCR,其中约4%MCR的流量由给水泵直接经过高压加热器后进入省煤器，(5)投粉升负荷阶段。(约28%MCR水冷壁流量十约2%MCR减温水流量)。之后，循环泵停运，过冷水②汽水分离器干态转湿态，启动系统投入运行阶段。启电泵投入运行，且机组负荷小于25%后，可以把汽动给水泵退出，切除汽动给水泵。③锅炉MFT,停止给水。三部分组成，控制对象包括一台电泵、一台汽泵及锅炉甲系统按甲乙侧流程分别控制该侧给水调节阀来汽泵同步器(电泵勺管)使实际给水流量满足要求以适应锅炉负荷需要；而按流程分配调节系统则根据两侧给水流量的偏差值，调节给水调节过程控制系统按结构特点分类，有反馈控制系统、前馈控制系统、前馈-反馈控使被控量迅速准确地稳定在给定值上，提高控制系统的控制质量5。(1)前馈控制是一种按扰动大小进行的控制。前馈控制将所测扰动通过前馈调(3)前馈控制属开环控制，所以只要系统中各环节是稳定的，则控制系统必然(4)前馈控制只能抑制可测而不可控的扰动对被控参数的影响，而对系统中的(5)前馈控制器的控制规律，取决于被控对象特性，因此，有时控制规律比较(1)静态前馈控制系统(2)动态前馈控制系统确地掌握被控过程扰动通道及控制通道的动态特性，焓当N(s)十负反馈控制系统中，当对象受到扰动N(s)的作用N(s)N(s)土对于存在扰动的系统，可以直接按照扰动进行控制，正作用，消除扰动对被控量的这种影响。在前馈控制系统中，为了便于分析，扰动N(t)的作用通道可以看作有两条，如图2-2所示。一条是扰动通道，扰动作用N(s)通过对象的扰动通道Gn(s)引起被控量变化C₁(s)。另一条是控制通道，扰动作用N(s)通过前馈调节器Dr(s)和对象的控制通道G(s),使被控量变化C₂(s)。显然，在有扰动N(s)作用时，我们希望C₁(s)和C₂(s)的大小相等，方向相反。前馈调节器Dr(s)使得此时，前馈控制完全消除了扰动N(t)引起的图2-2,可以得到由式(2-2)则由式(2-3)可得前馈调节器的调节规律为式中Gn(s)和G(s)分别为对象的扰动通道和控制通道的传递函数，可以通过测量得到。2.2前馈一反馈控制系统7静态前馈控制和动态前馈控制统称为单纯前馈控制。单纯的前馈往往不能很好地补偿干扰，存在着不少局限性，这主要表现在单纯前馈属开环控制方式，不存在被控变量的反馈，即对于补偿的效果没有检验的手段，这样，在前馈作用的控制结果并没有最后消除被控变量偏差时，系统无法得到这一信息而作进一步的校正。其次，由于实际工业对象存在着多个干扰，为了补偿它们对被控变量的影响，势必要设计多个前馈通道，这就增加了投资费用和维护工作量。此外，前馈控制模型的精度也受多种因素的限制，对象特性要受负荷和工况等因素的影响而产生漂移，必将导致Gn(s)和G(s)的变化，因此，一个固定的前馈模型难以获得良好的控制品质。为了解决前馈控制的上述局限性，可以将前馈与反馈结合起来使用，构成所谓前馈-反馈控制系统 (FFC-FBC)。在该系统中可综合两者的优点，将反馈控制不易克服的主要干扰进行前馈控制，而对其他干扰则进行反馈控制，这样，既发挥了前馈作用可及时克服主要扰动对被控量影响的优点，又保持了反馈控制能克服多个扰动的影响和可对被控量实行偏差检验的长处，同时也将降低系统对前馈补偿器的要求，使其在工程上更易于实2.2.1前馈一反馈控制系统原理因为是分析扰动作用，所以，设输入作用R(s)=0,则式(2-5)变为N(s)N(s)十由式(2-6)可得图2-3所示单回路前馈-反馈系统闭环传递函数为2.2.2前馈一反馈控制的设计原则8是对于某些难以控制的特性(如延迟),PID控制不能满足控制要求。因此，将前馈控制与串级控制结合起来，构成前馈-串级控制系统，是具有良好控制效果的控制方PID控制是串级控制的基础。PID控制是比例积分微分其自身的优点得到最广泛应用。简单PID控制系统原理图如图2-5系统由PID控制器PID控制器蒸汽发生器和被控对象组成。PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(t)和实际输出值c(t)构成控制偏差将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。PID控制是一种负反馈控制。在反馈控制中，自动调节器和被控对象构成闭合回路。在连接成闭合回路时，可能出现两种情况：正反馈和负反馈。正反馈作用加剧被控对象输入输出量的不平衡，从而导致控制系统不稳定；负反馈作用则缓解被控对象的不平衡，这样才能正确地达到自动控制目的。PID控制具有以下优点：(1)原理简单，使用方便。(2)参数整定及调节方便，结构改变灵活，适应性强。(3)鲁棒性强，即其控制品质对被控对象特性的变化不大敏感。(4)适用性广，可用于各类工业过程的控制。另外，根据被控量要求的不同，可选择比例、积分、微分控制形成合理组合(如PI控制、PD控制、PID控制等),达到准确的控制目的。通常，选择调节器动作规律时应根据对象特性、负荷变化、主要扰动和系统控制要求等具体情况，同时还应考虑系统的经济性以及系统投入方便等。(1)广义对象控制通道时间常数较大或容积迟延较大时，应引入微分动作。如工艺容许有残差，可选用比例微分动作；如工艺要求无残差时，则选用比例积分微分动作。(2)当广义对象控制通道时间常数较小，负荷变化也不大，而工艺要求无残差时，可选择比例积分动作。(3)广义对象控制通道时间常数较小，负荷变化较小，工艺要求不高时，可选择比例动作。(4)当广义对象控制通道时间常数或容积迟延很大，负荷变化亦很大时，简单控制系统已不能满足要求，应设计复杂控制系统。式中Kc-比例系数f2f1十图2-6串级控制系统原理图主控制器—按主被控参数的测量值y₁与给定值r的偏差e₁进行工作的控制器，即副控制器—按副被控参数的测量值y₂与主控制器输出。u₁的偏差e₂进行工作的次扰动—不包括在副回路内的扰动，如图中fj。在该控制系统中，二次扰动f₂对主被控参数y₁的影响由副控制器PID2构成的副回路来克服。一次扰动f对主被控参数贝的影响由主控制器PID1构成的主回路来克影响大为削弱。副回路的惯性由副回路给与调节，因而提控制系统小10-20倍。对于进入主回路的干扰，由于副回路改善了对象特性而提高了工作系统的频率，加快了过渡过程，所以它对主参数造(1)改善被控过程的动态特性，使系统的响应加快，控制更为及时，从而提高相关的回路，在一定条件下，如果受到某种干扰的作用，主参数的变化进入副回路时会引起副回路副参数的变化增加，而副参数的变化传送到主回路后，又迫使主参数的变化幅度增加，如此循环往复，就会使主、副参数长时间大幅度地波动，这就是所谓串级系统的共振现象。为此，主、副回路的时间常数To₁与To₂之比应满足4.串级控制系统的应用场合(1)当被控对象的控制通道纯滞后时间较长，用单回路控制系统不能满足质量指标时，可采用串级控制系统。(2)当对象容量滞后比较大，用单回路控制系统不能满足质量指标时，可采用(3)当控制系统内存在变化激烈且幅值很大的干扰时，可采用串级控制系统。(4)当被控对象具有较大的非线性，而负荷变化又较大时，可采用串级控制系第三章直流锅炉给水控制系统的分析与研究3.1火电厂直流给水系统介绍主要取决于燃烧率(燃料量与相应的空气量)。所以汽包锅炉由燃烧率调节负荷，实化，各系统有较强的祸合关系，控制系统的结构与汽包锅炉有较大的区别。一次性的将给水全部变为过热蒸汽。在直流炉中，一般都配有一定容量的电动给水泵，作为机组启停和低负荷时使炉给水控制系统中，常采用两台分别带50%负荷的汽动给水泵作为正常负荷下的供水。而设置一台可带30%负荷的电动给水泵，作为启动及带低负荷或当两台汽动给水本机组配置两台50%BMCR的汽动给水泵。一台汽动给水泵工作时，保证机组负此外，机组还配置30%BMCR容量的启动(备用)电动给水泵一台。在机组启动或汽上。液力偶合器油系统由工作油泵、润滑油泵、辅助油泵(交流)、工作油冷却器、除氧器水箱出来的除氧水，经过前置泵升压后进入主给水泵，主给水泵升压出除氧除氧器(2)从给水母管引出一路，向过热器的减温器提供适当压力的减温水。(3)由给水母管上引出另一路去高压旁路，作为高压旁路的减温水。给水泵设通常给水流量的测量准确性与给水温度和给水压力有关，经开方块作线性化处理。其中，给水母管温度经过F₁(x)后得出温度补偿系数，温度加分段函数F₂(x)),即当给水流量小于100t/h时，将流量强制输出为0t/h;当流量大给水母管温度无效给水母管温度无效XXXXXXX画面显示画面显示画面显示画面显示画面显示画面显示现以此给水控制系统，介绍直流锅炉给水流量控制回路为串级加前馈调节系统的给水控制系统的组成以及控制原理，控制回路由两大部分组成：给水流量指令形成回路和给水泵控制回路。如图3-3所示给水流量串级控制系统的主调节器控制水冷壁出口联箱给水温度在其设定值上，副调节器根据锅炉总给水量的测量值与流量设定值的偏差输出给水泵控制指令，2分离易温度给定值偏置BI闭锁增图3-3给水系统控制策略3.3给水流量指令形成回路3.3.1过热度的控制3.3.2主调节器温度给定值的设定汽水分离器储水罐压力对应的温度值作为水冷壁出口联箱给水温度设定值的基+设定的过热度。使水冷壁出口联箱温度大于分离器出口压力下的饱和温度，是机组干态运行的必要条件。考虑到压力相对温度而言，迟延较喷水比率经速率限制和最大幅度值限制，防止该修正信号动态波动较大而引起分离器的干、湿切换。在现在火电厂，最大限幅被限定为正负1度之间。加这个修正由机组给定负荷信号经函数发生器F₃(x)给出，即一定的负荷对应一定的喷水比。图率=(一级减温水流量+二级减温流量)/锅炉总给水流量。当喷水比增加，就意味着 (或校核工况)值。此时，为了将过热汽温降低到设计工况(或校核工况)的水平，可以提供一个负的修正值，以降低中间点温度的设定值SP₁。SP₁减小导致主调输出增加，提高了给水流量给定值SP₂,通过增加给水流量，从而使过热汽温恢复到正常值。同F₂(x)一样，只有当机组负荷大于100MW后，才用考虑喷水比率对实际中间当机组负荷大于100MW之后，水冷壁出口集箱给水温度设定值才用考虑喷水比泵的总指令=汽泵A控制指令+汽泵B控制指令十电泵C指令50%,而实际手动时的输出指令为40%,此时的给水泵偏置为一10%,当手动切为自动是，需在50%的基础上增加一10%的偏置。这样，切成自动后的输出还为40%,实发生MFT,勺管位置强置为5%。(2)小机CCS遥控不允许(3)泵未运行(4)给水控制切手动(5)转速信号坏质量(6)定流量方式(对于电泵而言)(4)MFT后发一个60秒的脉冲 3.5给水阀控制回路1给水泵的上限特性曲线也称作2最小流量曲线。低于这个流量，给水泵内的由于机械来源Flowserve型给水泵请速曲线0为了保证给水泵的安全运行，系统设计了给水流量入口流量s平动入口流量汽动给水夏A入口液量助给水夏A出口压力汽展B运行图3-6旁路阀调节指令能保证给水泵的出口有足够的压力。当给水泵未运行，该泵的偏差信号切换到100%,实际运行中发现，给水旁路阀极其敏感，设计函数F₂(x)是压力的扰动导致给水旁路的频繁动作而对阀体本身造成损坏。当小选后的结果在±1(3)阀位反馈与指令偏差大。阀控制保证给水泵的入口流量不低于允许的最小流量(避免泵的工作点落在上限曲线之外),防止给水泵发生汽蚀。为了保证通过每台给水泵的流量不低于最小允许流量，系统对每一台给水泵设计了如图3-7的再循环阀控制回路，下面以一台汽动给的正向偏置以提高给水泵运行的安全性，一般在运行期间这个偏置信号设为50t/h。汽动给水泵汽动给水泵平动汽动给水泵小机转速第四章超临界直流锅炉给水控制技术发展超临界锅炉给水控制是一个非常重要而且十分复杂的理论与技术问题。国产燃料量解耦信号K应有值级减温器出口温度级过热器出口温度分离器出口焓省煤器出口焓设定值△△Z>Z4.1.2用蒸发器吸热及其焓增控制燃水比4.1.3采用汽水分离器出口焓值校正燃水比失调<30%BMCR时，锅炉处于汽包炉工况；当负荷在30%～75%BMCR时，锅炉处于亚4.2直流炉的给水控制新思路 1.过热蒸汽的焓值代表了过热蒸汽的做功能力，控制汽水分离器出口(微过热蒸汽)的焓值其实是控制了过热入口蒸汽的初始做功能力，有利于负荷的控制。饱和温度时，焓值/温度斜率增大，即对燃水比失调的反映灵这是给水指令的主导部分，由总燃料量折算出给水指令，即稳态的煤/水比。为3.过热器进口焓的控制(反馈修正部分)焓控设定值修正是指根据水冷壁出口温度或减温水流量在一定范围内修正焓控直流锅炉的水冷壁出口温度超过其对应负荷下的有限值工，限值H二步控制超温回路。在限值工设定的控制回路中，当水冷壁管出水冷壁温度超过限值H,限值H设定的控4.2.3直流方式下的给水控制的投用燃水比保持不变时(工况稳定),汽水行程中某点工质的焓值保持不变，所以采用微受温度变化的影响，还受压力变化的影响。在低负荷压力升高时(分离器出口温度有可能进入饱和区),焓值的变化明显。下面以一种焓值校正的控制结构为例子进行分析，该控制结构已经成功地在西柏2×1000MW超超临界机组的设计中，其结构示意图见图4-2。将给水流量目标值(kg/s)与焓增目标值(kJ/kg)相乘就得到炉膛吸热量目标值(kJ/s)。将炉膛吸热量目标值经过锅炉金属储能的瞬态修正(锅炉金属储能是基于炉膛出口饱和温度的变化率),再除以来自焓控制器的炉膛焓增需求值，就得出了实际的炉膛给水流量需求值。为了保护炉膛水冷壁，实际的炉膛给水流量需求值不应低于炉膛最小流量值。但在冷态清洗期间，最小流量的限制可以取消。一旦锅炉点火条件具备(MFT复位),这个最小流量限制就被重新启用，以保证锅炉点火时炉膛水冷壁管中有足够的水流量2。蒸发器理论吸热量计算=给水流量目标值×炉膛焓增目标值-锅炉金属储能炉膛焓增目标值和给水流量目标值分别是锅炉主控指令的函数f₁(x)和f₂(x)。负荷变化时，炉膛热负荷的变化相对于给水量的变化迟延较大，因此锅炉主控指令要经过几阶惯性滤波后再转换成给水流量目标值。当分离器出口蒸汽压力变化时，蒸发器内金属的蓄热也将发生变化，这部分热量都将影响到给水的实际吸热量，因此应从蒸发器理论吸热量的计算中去除。口温度X22+温器入>锅炉主控指令的函数f₅(x),并用其输出修正焓值设定值从而改变给水流量指令以保证焓值-压力-温度间的非线性越强。要能够查询到从大约25%负荷到满