给水系统过程控制课程设计-汽包锅炉给水控制

1 给水控制系统的任务12 锅炉机组给水控制系统12.1 给水控制系统的基本方案12.2 给水控制系统基本要求32.3 给水全程控制的关键问题42.4 锅炉汽包42.4.1 汽包的工作原理42.4.2 影响汽包水位变化的因素52.5 控制回路SAMA分析52.5.1 水位信号校正52.5.2 给水流量信号校正72.5.3 主蒸汽流量信号校正82.5.4 旁路给水控制82.5.5 电动泵的控制82.5.6 汽动泵的控制92.5.7 单冲量/三冲量转换93 控制过程分析103.1 启动、冲转及带25%负荷103.2 升负荷25%30%113.3 30%100%负荷阶段113.4 减负荷过程124 控制过程中的跟踪与切换124.1 阀门和泵的运行及切换124.2 泵组的切换124.3 系统间的无扰切换124.4 跟踪原则135 总结13参考文献141 给水控制系统的任务汽包锅炉给水控制的任务是使给水量适应锅炉的蒸发量，维持汽包水位在规定的范围呢。通过本课程设计，能较好的运用过程控制的基本概念、基础理论与方法，根据大型火电机组的生产实际，对火电机组的过程控制系统进行分析，设计出原理正确、功能较为全面的300MW火电机组给水控制系统。2 锅炉机组给水控制系统2.1 给水控制系统的基本方案目前大多数锅炉分为汽包锅炉和直流锅炉两种。他们的给水控制任务有些不同。汽包锅炉给水自动控制系统的任务是维持汽包水位在设定数值。直流锅炉给水自动控制系统的任务，是使用给水流量来控制锅炉负荷或控制过热器中某点温度。对于汽包锅炉给水控制系统来说，有三种基本结构如下图：1单冲量控制系统：其基本结构如图1（1）所示，该系统是一个只采用汽包水位信号和一个PI调节器的反馈控制系统。这种给水控制系统结构简单，整定方便，但使用它来调节水位，汽包水位波动较大，稳定性也较低。2单级三冲量控制系统：其基本结构如图1（2）所示，该系统采用一个PI调节器，并根据汽包水位、蒸汽流量和给水流量三个信号的变化去控制给水流量。与单冲量系统相比，该系统引入了蒸汽流量信号和给水流量信号，引入的蒸汽流量信号（前馈信号）可以克服汽包的虚假水位，引入给水流量信号可以抑制给水自发性扰动，保持了给水流量的稳定。事实上由于检测、变送设备的误差等因素的影响，蒸汽流量和给水流量这两个信号的测量值在稳态时难以做到完全相等，且单级三冲量控制系统一个调节器参数整定需兼顾较多的因素，所以，现实中很少采用单级三冲量给水控制系统。3串级三冲量控制系统：其基本结构如图1（3）所示，该系统由主、副两个PI调节器和三个冲量（汽包水位、蒸汽流量、给水流量）构成。与单级三冲量系统相比，该系统多采用了一个PI调节器，两个调节器分工明确、串联工作，主调节器PI1为水位调节器，它根据水位偏差产生给水流量给定值，副调节器PI2为给水流量调节器，它根据给水流量偏差控制给水流量，并消除给水侧的扰动；蒸汽流量信号作为前馈信号用来维持负荷变动时的物质平衡，由此构成的是一个前馈反馈双回路控制系统。可见，串级三冲量控制系统比单级三冲量控制系统的工作更合理，控制品质要好，是现场广泛采用的给水控制系统。水位给定值汽包水位执行机构执行机构执行机构PIPI2PI1+-KKKK给水流量调节器（1）单冲量控制 （2）单级三冲量控制 （3）串级三冲量控制图1 给水控制系统的基本结构目前，大机火电机组，特别是300MW及以上的机组，其汽包锅炉的给水控制系统大都采用给水全程控制系统。这种系统并不是某种单一的单冲量或三冲量控制系统，而是单冲量和三冲量控制系统有机结合所构成的给水控制系统，且具有完善的控制方式自动切换和连锁逻辑。为保证机组的安全运行，我们对给水控制系统提出了很高的要求：在控制设备正常的条件下，不需要操作人员干涉，就能保证汽包水位在允许范围内，这是一个比较复杂的过程，因此对给水控制系统提出以下要求：1.在给水控制系统中，不仅要满足给水调节的要求，同时还要保证给水泵工作在安全区内，这往往需要有两套控制系统来完成，即所谓的两段调节。2.由于机组在不同的负荷下呈现不同的对象特性，要求控制系统能适应这样的特性。随着负荷的增长或降低，系统要能从单冲量过度到三冲量，或从三冲量过度到单冲量系统，由此产生了系统的切换问题，并且必须保证两套系统相互切换的控制线路。3.由于给水自动控制范围较宽，对各个信号的准确测量提出了更高的、更严格的要求。4.在多种调节机构的复杂切换过程中，给水控制系统都必须保证无扰。另外，点火后升温升压过程中，由于锅炉没有输出蒸汽流量，给水量及其变化量都很小，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。5.给水自动控制还必须适应机组的定压运行和滑压运行工况，必须适应冷态启动和热态启动的情况。随着锅炉容量和参数的提高，汽包的容积相对减少，锅炉蒸发受热面的热负荷显著提高。因此加快了负荷变化时水位的变化速度。企图用人工控制给水量来维持汽包水位不仅操作繁重，而且是非常困难的。所以，锅炉运行中迫切要求对给水实现自动控制。2.2 给水控制系统基本要求汽包锅炉给水自动调节的主要任务是维持汽包水位在允许范围内变化。影响水位变化的主要因素有锅炉的蒸发量、给水流量和燃烧率等。当蒸汽流量突然增大时，由于汽包水位对象是无自平衡能力的，这时水位应按积分规律下降。但是当锅炉蒸发量突然增加时，汽包水面下的汽泡容积也迅速增大，即锅炉的蒸发强度增加，从而使水位升高。因蒸发强度的增加是有一定限度的，故汽泡容积增大而引起的水位变化是惯性环节的特性。实际水位变化的趋势是两种特性的迭加。由此可以看出，当锅炉蒸汽负荷变化时，汽包水位的变化具有特殊的形式：在负荷突然增加时，虽然锅炉的给水流量小于蒸发量，但开始阶段的水位不仅不下降，反而迅速上升（反之，当负荷突然减小时，水位反而先下降），这种现象就是“虚假水位”现象。另外，给水流量和燃烧率扰动由于水面下汽泡的原因，也能产生虚假水位，因此给水控制系统不能单单以汽包水位为被调量，为了减少或抵消虚假水位现象，就必须采用三冲量调节系统。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，副调节器的被调量是给水流量，目的是快速消除来自水侧的扰动。2.3 给水全程控制的关键问题所谓给水全程自动控制是指锅炉自动启动到正常运行再到停火冷却全过程均为自动调节，其任务是：在从锅炉点火升温升压开始至灭火冷却降温降压的整个过程中，控制锅炉给水流量保证汽包水位维持在允许范围内。要实现水位全程自动,首先保证给水泵的工作点始终落在安全工作区内,才能使泵组安全可靠工作,保证汽包水位稳定运行,而泵的工作安全区由上、下限特性，最大、小压力，四条线所包围的区域，如下图所示：图2 泵组特性图2.4 锅炉汽包2.4.1 汽包的工作原理汽包水位是锅炉运行中一个重要的监控参数。它间接反映了锅炉蒸汽负荷与给水量之间的平衡关系，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。汽包水位过高，会影响汽包内汽水分离装置的正常工作，造成出口蒸汽水分过多而使过热器管壁结垢，容易烧坏过热器。汽包出口蒸汽中水分过多，也会使过热汽温产生急剧变化，直接影响机组运行的安全性和经济性。汽包水位过低，则可能破坏锅炉水循环，造成水冷壁管烧坏而破裂。这都是火力发电厂的重大事故，所以锅炉汽包水位自动控制是电厂十分重视的一套自动装置。如下图3为给水热力系统示意简图：图3 给水热力系统示意图2.4.2 影响汽包水位变化的因素锅炉在运行中，水位是经常变化的。运行中影响水位变化的主要因素是锅炉负荷、汽压变动速度、燃烧工况和给水压力的扰动等。1.锅炉负荷：汽包水位是否稳定首先取决于锅炉负荷的变化及其变化的速度，例如，锅炉的负荷突然升高，在给水和燃料量未及时调整之前，会使水位先升高，最终则降低。前者是由于水面下蒸汽容积增大（虚假水位），后者是由于给水量小于蒸发量所造成的物质不平衡。锅炉负荷变动速度越快，水位的波动也就越大。当负荷控制采用炉跟机方式时，尤其如此。2.汽包压力变化速度：汽包压力发生扰动时，压力降低则水位上升，压力升高则水位下降，汽包压力变化速度越快，对水位的影响也就越大。3.燃烧工况：燃烧工况的扰动对水位的影响也很大。在外界负荷及给水量不变的情况下，当燃烧量突然增多时，水位暂时升高而后下降；当燃烧量突然减少时，情况则相反。这是因为，燃烧强化会使水位面下汽泡增多，水位胀起，但随着汽压和饱和温度的上升，炉水中汽泡又会随之减少，水位有所降低。因此，水位波动的大小，也与燃烧工况改变的强烈程度以及运行调节的及时性有关。4.给水压力：给水压力的波动将使送入锅炉的给水量发生变化，从而破坏了蒸发量与给水量的平衡，将引起汽包水位的波动。在其他条件不变时其影响是：给水压力高时，给水量增大，水位升高；给水压力低时，给水量减小，水位下将。给水压力的波动大都是由给水泵流量控制机构不稳定工作或转速波动引起的。2.5 控制回路SAMA分析在启停炉或低负荷时，由于蒸汽流量信号没有或者蒸汽流量不稳定，可以投入旁路给水自动，采用单冲量调节水位，水位高时减少给水流量，水位低时增加给水流量，此时电动给水泵保持在某一固定转速。水位与定值发生偏差时，经比例、积分运算后去控制旁路给水阀。当机组负荷大于40%系统切为三冲量控制。主调节器的输出加上蒸汽流量信号，作为负调节器的设定值，与给水流量比较，经过比例、积分运算后，输出控制电动给水泵转速。此时单级调节器的输出跟踪副调节器的输出，如果负荷减小，三冲量系统可以自动切换到单冲量系统。2.5.1 水位信号校正汽包水位测量采用单室平衡容器的测量系统，如下图所示,单式平衡容器的水位测量公式为：H=L(a-s)g-P/-s)g-H0 式中H为水位仪的显示值；P为差压信号；L为正、负压取出管间的距离；H0为汽包零水位线到负压管的距离；为饱和水的密度，=f(P)，P为汽包压力；s为饱和蒸汽的密度，s=g(P)，P为汽包压力；a为正压侧导压管中水的密度，a=h(p,ta)，p为汽包压力，ta为Pt100铂电阻测量的温度值(Pt100安装位置可上下移动，以消除偏差,A,B,C表示铂电阻是三线制接法)。图 4单式平衡容器的水位测量但在现场实际运行中，仅仅只有精确的计算公式还不够，要定期对水位变送器进行排污，并应确保正压管中的水柱高度恒定，这样才能得到正确的差压值。另外，考虑到汽包水位的重要性，我们对汽包水位测量采取“三选一”的冗余方式，取中间值后再进行压力补偿计算。根据汽、水密度与汽包压力的函数关系，得到水位校正系统的运算公式为：当小负荷给水控制，小负荷时单冲量控制给水调节门给水，汽包中取A、B、C三个水位测量点，测量值经过放大模块得到放大信号与汽包压力修正信号求得偏差经过除法器和放大器得到3路汽包水位信号，经过逻辑选择信号送到PID调节器的P端，与设定值通过运算得到给水旁路的输出量。即为单冲量给水量。压力补偿信号是汽包中的左、中、右三个测量点测量的信号经过选择逻辑通道作用后信号分别送到饱