自动化毕业论文大机组汽包锅炉给水控制系统.doc

华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）十里泉电厂300MW机组汽包锅炉给水控制系统的应用摘要：给水全程控制系统是火力发电厂单元机组协调控制中的主要子系统之一，针对其可靠运行直接关系到整个机组的安全问题，采用单冲量和三冲量控制系统有机结合的控制策略本文应用自动控制理论对单元机组给水的要求和特点进行了全面的分析，使单元机组给水全程控制从锅炉点火到机组满负荷运行，始终保持汽包水位在允许的范围内，而且系统稳态误差小，控制精度高，超调量小此外还提出了在系统设计时应注意的几个关键问题，这对单元机组给水全程控制系统的设计和调试均具有一定的参考价值关键词：单冲量；三冲量；串级；切换；跟踪 1绪论1.1课题的研究背景及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汽包水位是汽包锅炉非常重要的运行参数，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因此，汽包水位控制一直受到很高的重视另一方面，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，真正能实现全程给水控制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的问题1.2国内外全程给水研究现状目前，我国将火电建设的重点放在大容量、高参数、高自动化、高效益的机组上来，因而对电厂控制设备可靠性的要求越来越高，控制策略也向高精度、高效率、高稳定性的方向发展同时，随着电力行业体制改革及电网商业化运营、竞价上网的需要，以及火电机组要适应电网自动发电控制(AGC)的需求，这必然要求机组各控制系统实现自动调节，因而对火电厂热工自动化系统进行技术改造已成为必然汽包水位控制系统在国内新建机组中基本都实现了水位全程调节，但在老机组的控制系统中由于存在各种客观和主观因素，真正实现锅炉给水全程控制的机组还为数不多，大多数只实现了高负荷时水位自动调节系统的投入这主要是因为老机组的控制仪表较落后，而当时技术条件又不够成熟，用于实现水位调节的控制设备多为一些组件组装仪表，如西安仪表厂的 MZ-Ⅲ系列组装仪表、上海 FOXBORO 公司的 SPEC-200 微机组件组装式仪表等。

因而在实现控制策略及控制逻辑等方面受到了限制同时，因为就地控制设备的可靠性不高，使得当时国内火电厂热工自动化水平整体较落后在最近几年，通过对老机组的技术改造，特别是分散控制系统（DCS）的改造成功，已经使机组的自动化水平上了一个台阶一些在常规仪表中无法实现的功能，由于 DCS 系统的灵活组态及计算机控制技术的优越性已完全可以实现，因而实现对机组各控制系统的全程调节已完全成为可能锅炉给水全程控制，是指机组在启、停过程中，正常运行和负荷变化时均能实现锅炉给水的自动控制在大型火力发电机组锅炉给水全程控制中，由于机组在高、低负荷下运行时具有不同的对象特性，一般控制系统采用单冲量、三冲量控制等变结构控制方案给水系统一般采用经济性极佳的变速给水泵，除采用液力偶合器的电动给水泵、汽动给水泵外，还需要采用一套调节系统，保证给水泵工作在安全区域内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%时为三冲量,当负荷小于 30%或三冲量变送器故障时为单冲量。

1.3课题主要研究工作本文围绕给水控制优化这一主题，立足于低负荷给水控制优化设计，同时对高负荷阶段给水泵协调控制方法进行了研究，从真正意义上实现从机组的启动到正常运行，又到停炉冷却全部过程均能自动控制本论文主要作了以下几方面的研究工作:(I )深入分析给水对象的动态特性，阐述了现今给水全程控制中存在的缺陷和不足并根据给水分段式控制的原则，分别从低负荷和高负荷两个方面入手研究其改进方法;(2 ) 针对低负荷阶段给水对象复杂、难控的现状，分析了问题的形成机理在充分利用PID调节器进行控制的条件下，提出了以多变量解耦控制理论为基础的低负荷给水控制方案，并且对单冲量给水控制提出了改进建议和方法;(3 )对给水控制的经济性进行的分析，提出了自己思考的改进办法同时针对还处于手动控制的给水调节阀切换，设计了自动无扰切换回路2 给水被控对象的动态特性2.1 全程控制的概念目前，大型火电单元机组都采用机、炉联合启动的方式，锅炉、汽轮机按照启动曲线要求进行滑参数启动具有中间再热的单元机组多采用定压法进行滑参数启动随着机组容量的增大、参数的提高，在启动和停机过程中需要监视和操作的项目增多，操作的频率也增高，采用人工调节已不适应生产要求，而必须在启、停过程中也实现自动控制。

所谓全程控制系统是指机组在启停过程和正常运行时均能实现自动控制的系统全程控制是相对常规控制系统而言的，全程控制包括启停控制和正常运行工况下控制两方面的内容常规控制系统一般只适用于机组带大负荷工况下运行，在启停过程或低负荷工况下，一般要用手动进行控制，而全程控制系统能使机组在启动、停机、不同负荷工况下自动运行以给水控制系统为例，常规串级三冲量给水系统只能在负荷达到额定负荷 70%时，才能投入自动，在此以前全部为手动操作，而全程给水系统从锅炉点火启动开始便可以投入自动2.2 给水控制对象的动态特性汽包水位是由汽包中的储水量和水面下的汽泡容积决定的，因此凡是引起汽包中储水量变化和水面下的汽泡容积变化的各种因素都是给水控制对象的扰动其中主要的扰动有：给水流量W、锅炉蒸发量D、汽包压力Pb、炉膛热负荷等给水控制对象的动态特性是指上述引起水位变化的各种扰动与汽包水位间的动态关系汽包水位动态特性较为复杂，一是对汽包水位扰动有四个来源，二是“虚假水位”问题的存在，特别是后一个问题使得人们设计出“三冲量”给水控制系统了解、掌握汽包水位动态特性是保证给水自动控制系统顺利投入的基本要求2.2.1 给水流量扰动下水位的动态特性给水流量是调节机构所改变的控制量，给水流量扰动是来自控制侧的扰动，又称内扰。

给水流量扰动下水位的阶跃响应曲线如图 2.1 所示图 2.1 给水流量阶跃扰动下水位响应曲线当给水流量阶跃增加ΔW后，水位H的变化如图中曲线H所示水位控制对象的动态特性表现为有惯性的无自平衡能力的特点当给水流量突然增加后，给水流量虽然大于蒸汽流量，但由于给水温度低于汽包内饱和水的温度，给水吸收了原有饱和水中的部分热量使水面下汽泡容积减少，实际水位响应曲线可视为由H1和H2两条曲线叠加而成，所以扰动初期水位不会立即升高当水面下汽泡容积的变化过程逐渐平衡，水位就反应出由于汽包中储水量的增加而逐渐上升的趋势，最后当水面下汽泡容积不再变化时，由于进、出工质流量不平衡，水位将以一定的速度直线上升这种特性可由下列近似传递函数表示：式中： ε-水位响应速度，即单位给水量扰动时，水位的变化速度，mm.s.h.t；τ- 迟延时间，sε和τ的大小和锅炉容量及参数有关对于蒸发量为 410t/h，参数为 10MPa、540℃的高压炉，τ=10s，ε=0.015 mm.s.h.t；对于容量为 670t/h，参数为 14MPa、540℃的超高压炉，τ=5～10s，ε=0.0095～0.0125 mm.s.h.t由此可见，随着锅炉容量的增大和参数的提高，水位内扰特性的迟延时间减少，响应速度也略有下降，对水位H的控制是有利的。

但按锅炉容量的增大来计算响应速度，则得到的相对响应速度逐渐增大，说明随着锅炉容量和参数的提高，对水位H控制的要求也越高2.2.2 蒸汽流量扰动下水位的动态特性 蒸汽流量扰动主要来自汽轮发电机组的负荷变化，属外部扰动在蒸汽流量D扰动下水位变化的阶跃响应曲线如图 2.2 所示当蒸汽流量突然阶跃增大时，由于汽包水位对象是无自平衡能力的，这时水位应下降，如图 2.2 中H1曲线所示但当锅炉蒸发量突然增加时，汽包水下面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可用惯性环节特性来描述，如图 2.2 中 H2 曲线所示实际的水位变化曲线H则为H1和H2的合成由图2.2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，在负荷突然减少时，水位反而先下降），这种现象称为“虚假水位”现象这是因为在负荷变化的初期阶段，水面下汽泡的体积变化很快，它对水位的变化起主要影响作用的缘故，因此水位随汽泡体积增大而上升只有当汽泡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，呈无自平衡特性。

蒸汽流量扰动下的水位响应特性可用下述近似传递函数表示： 式中：T-H2曲线的时间常数；K- H2曲线的放大系数；ε-H1曲线的响应速度虚假水位现象与锅炉参数及蒸汽负荷变化大小有关，对于 100～670t/h 中、高压锅炉，当负荷阶跃变化 10%时，虚假水位可达 30～40mm图 2.2 蒸汽流量阶跃扰动下水位响应曲线2.2.3 炉膛热负荷扰动下水位的动态特性当燃料量扰动时，例如燃料量增加使炉膛热负荷增强，从而使锅炉蒸发强度增大若此时汽轮机负荷未增加，则汽轮机侧调节阀开度不变随着炉膛热负荷的增大，锅炉出口压力提高，蒸汽流量也相应增加，这样蒸汽流量大于给水流量，水位应该下降但是蒸发强度增大同样也使水面下汽泡容积增大，因此也会出现虚假水位现象燃料量扰动下的水位阶跃响应曲线如图 2.3 所示，由图可以看出，这种扰动下的“虚假水位”现象不太严重，这是因为蒸汽流量增加的同时汽压也增大了，因而使汽泡体积的增加比蒸汽流量扰动时要小，从而使水位上升幅度较小另外，由于蒸发量随燃料量的增加有惯性和时滞，如图2.3 虚线所示，这就导致迟延时间τ较长图 2.3 燃烧量扰动下的水位特性对汽包水位的第四种扰动是汽包压力的变化，汽包压力对汽包水位的影响是通过汽包内部汽水系统在压力升高时“自凝结过程” 和压力降低时的“自蒸发”过程起作用的。

上述四种扰动在锅炉运行中都可能经常发生，给水流量扰动作为内部扰动，汽包水位对其响应的动态参数（τ、ε）是给水控制系统调节器参数整定的依据蒸汽流量D、燃料量B 和汽包压力Pb扰动作为外部扰动，会造成水位波动蒸汽流量D和燃料量B的变化是产生“虚假水位”的根源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3 全程给水控制系统需解决的关键问题3.1 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测量信号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地进行压力、温度校正测量信号自动校正的基本方法是，先推导出被测参数随温度、压力变化的数学模型，然后利用各种元件构成运。