火力发电厂给水自动控制系统

第1页火力发电厂给水自动控制系统季明彬（烟台发电厂，山东烟台264002）[摘要]本设计结合中小型火电机组母管制给水系统设备的实际情况，及动态特性，以自动控制理论与计算机技术为基础，利用新华控制公司ＸＤＰＳ软件组态设计而成的，具有稳定性，准确性和快速性的特点，能够在线，实时采集过程参数，实时对系统信息进行加工处理，结果能迅速反馈给系统，完成自动调节和控制，以及在不同工况下的无扰切换，使机组在安全经济运行，减少事故，提高设备可靠性及运行效率方面进一步得到保证。[关键词]母管制给水自动组态1、给水控制系统总体方案的确定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：l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，及所谓的两段调节。l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。l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。l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。l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。在给水自动控制系统中，有一段控制和两段控制之分，所谓“段”，是指完成给水自动控制的系统的套数，因此所谓两段控制方式就是指给水控制系统用两套独立的系统，分别指挥自己的执行机构来完成给水全程控制的方式。给水控制系统的控制方式很多，考虑到应用系统的实际设备情况和各方面因素，设计决定采用如图1所示的控制方案。www.plcworld.cn第2页5要求(Pb+Hp+Kd)图1：两段控制方案这是一个两段调节方案，用改变调节阀门的开度来控制给水流量，低负荷时，用单冲量控制系统（PI1），高负荷时，用三冲量控制系统（PI2），调节阀门根据运行情况，在1、5两个调节阀门中间进行主观选择，3调节阀门在紧急情况或其他阀门故障时，作为手动备用。在两种情况下，都采用PI3调节器，其输出经过一个逻辑判断回路来决定受控给水泵及其台数，PI3保证给水泵的出口压力为一定值（Pb+Hp+KD2，Pb为汽包压力，Pb为给水泵出口到汽包的压力损失，KD2为阻力），即在保证调速给水泵工作在安全区，同时又使给水泵在热态启动和冷态启动时有相应的转速。本文重点讨论前半部分，即汽包水位控制部分。2、给水控制系统设计2.1汽包水位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。所谓三冲量，就是指汽包水位、蒸汽流量和给水流量。蒸汽流量和给水流量是引起水位变化的原因，蒸汽流量作为水位调节的前馈信号，当蒸汽流量改变时，调节器立即动作，相应地改变给水流量，而当给水流量自发地变化时，调节器也立即动作，使给水流量恢复到原来数值，这样就有效控制了虚假水位的影响。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。为了提高给水控制系统的可靠性，汽包水位测量使用了三个变送器。三个经压力校正后的汽包www.plcworld.cn第3页水位信号取中间值，作为控制系统的被调量，当水位测量信号平均值超过±300mm，而且任意两个水位测量信号越限±280mm时，发出汽包水位MFT信号。当给水温度不变，而压力在某个范围变化时，给水流量的测量误差很小，若给水压力不变，给水温度在某个范围内变化时，给水流量的测量误差较大，所以对给水流量信号只采取温度校正。蒸汽流量采用汽机调节级压力的测量来表示，调节级压力经过温度修正后，可近似代表蒸汽流量测量值。如果采用标准喷嘴测量蒸汽流量，一方面在高温高压下节流喷嘴容易磨损，检修维护也困难，测量误差较大，另一方面节流损失也大，一般不采用此种方法。当用蒸汽流量转换出负荷小于40%时，送至给水控制系统，切为三冲量调节汽包水位。2.2控制系统原理框图l串级三冲量控制系统串级三冲量控制系统的原理框图如图2所示，这个系统有三个回路，即Ⅰ为副回路，Ⅱ为主回路，Ⅲ为前馈回路，副回路的作用主要为快速消除内扰，主回路用于校正水位偏差，而前馈通道则用于补偿外扰，主要用于克服“虚假水位”现象。WT1(S)rH-rGIWT2(S)+KzIIWD1(S)KfIII+W2(S)rDDC(S)+Ig图2：串级三冲量控制系统的原理框图l单冲量控制系统在低负荷时（主汽流量D40%），系统设计为单冲量控制系统，其原理框图如图3所示。+H0rHWT(S)KzWD(S)KfC(S)W2(S)D图3：单冲量控制系统原理框图在单冲量控制系统中对于内扰给水量的变化，系统调节能够消除内扰的影响，但调节不及时，迟延时间长。而对于克服外扰，由于“虚假水位”的存在，使系统调节超调量大，调门大幅变化，对系统的安全性不利。但是在起停机组过程中或在低负荷时（主汽流量D40%），由于蒸汽参数低，负荷变化小，“虚假水位”现象不太严重，对于维持水位恒定的要求又不高，所以允许采用单冲量给水控制系统。在低负荷时，若采用各种自动校正措施，则会使系统结构复杂，整定困难，同时仍然存在误差。www.plcworld.cn第4页2.3汽包水位控制系统控制策略设计汽包水位调节系统调节器均采用XDPS的EPID模块，逻辑组态组态图如图4，它有九个输入接口和一个输出接口，能够实现PID运算的所有算法，及跟踪和切换技术。www.plcworld.cn第5页图4：汽包水位调节系统组态图www.plcworld.cn第6页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。2.3.1主调节器的输入系统的给定值根据负荷（主蒸汽流量）自动给定，主汽流量信号经过函数模块F（X）修正后，输入偏差运算模块DEV的X1接口作为系统的给定值，汽包液位反馈信号经另一函数模块F（X）修正后变换成百分数形式，作为反馈值输入偏差运算模块DEV的X2接口与给定值X1相比较，其偏差值作为主调节器EPID的E接口输入。主汽流量信号反馈值与给水流量反馈值信号分别经不同的函数模块F（X）修正后，分别作为偏差运算模块DEV的两个输入值X1、X2，其输出值作为主调节器EPID的被跟踪量。两个软手操模块S/MA的状态输出，分别输入与模块AND的Z1，Z2接口，与运算的输出作为或模块OR的Z1输入。主汽流量信号经函数模块F（X）修正后，输入高低限转换模块HLALM，其输出开关值经一非模块NOT运算后，作为或运算模块OR的Z2输入，或运算模块OR的输出开关量作为主调节器EPID的TS输入，即跟踪切换开关。2.3.2副调节器的输入经函数模块F（X）修正的主蒸汽流量信号作为副调节器的前馈量输入求和模块ADD的第二个接口，主调节器的输出信号接入ADD模块的第一个接口，两者加一定的比例系数求和后接入偏差运算模块DEV的X1接口。给水流量作为反馈信号经函数模块F（X）修正后，接入偏差运算模块DEV的X2接口，X1、X2经偏差运算后作为副调节器的E输入值。锅炉的主给水分道电动门1的状态与锅炉主给水分道电动门5的状态的非值作为或运算OR的两个输入开关量，或运算的输出量作为切换模块SFT的切换开关，SFT的两个输入分别为两个软手操S/MA的输出，SFT的输出即为副调节器EPID的被跟踪量。副调节器EPID的跟踪切换开关TS的输入与主调节器的跟踪切换开关逻辑组态相同。2.3.3单冲量控制系统调节器的输入主蒸汽流量经函数模块F（X）修正后的信号作为偏差运算模块DEV的X1输入，汽包液位测量反馈信号经另一函数模块F（X）修正后，作为DEV的另一接口X2输入，X1、X2经偏差运算后的输出值作为单冲量调节器EPID的E接口输入值。大旁路调节门的软手操S/MA的输出值，作为单冲量调节器的被跟踪量TR输入。经函数模块F（X）修正的主蒸汽流量信号输入高限为40的高低限转换模块HLALM，其输出的一支作为或运算模块OR的Z1输入。由两个调节水门软手操S/MA的输出状态作为与模块AND的Z1、Z2输入，AND的输出一支作为OR的Z2输入，OR的输出值即为单冲量调节器EPID的跟踪切换开关TS。www.plcworld.cn第7页2.3.4系统的无扰切换低负荷时采用单冲量控制系统，高负荷时采用串级三冲量控制系统。两套系统的切换是根据锅炉负荷（主蒸汽流量）的大小进行的。在自动状态下，主蒸汽流量40%时，由单冲量控制系统切换为串级三冲量控制系统；主蒸汽流量40%时，由串级三冲量控制系统切换为单冲量控制系统。在组态中，单/三冲量控制系统的切换是通过切换模块SFT实现的。串级三冲量控制系统的输出作为该模块的X1输入，单冲量控制系统的输出作为该模块的X2输入，主汽流量信号经函数模块F（X）修正后，输入高限为40的高低限转换模块HLALM，高低限转换模块HLALM的输出作为切换模块SFT的切换开关Z输入，也就是当主蒸汽流量大于百分之四十时，HLALM置1输出，切换模块SFT接收到1后，选择X1值作为输出值，即控制系统切入串级三冲量控制。当主蒸汽流量小于百分之四十时，HLALM输出0，SFT的切换开关Z接收0后，选择X2作为输出值，这时控制系统切换为单冲量控制系统。2.3.5手/自动的切换在一些特殊情况下，调节系统必须切手动运行，以保护调节设备或保证锅炉给水的正常供应。在两个软手操面板上均有“手动”按钮，如果操作员需要手动调节，单击面板上的“M”键，系统自动调节退出，操作人员可凭经验手动调节。设计考虑到自动调节的连续性和稳定性，对于一些自动不能实现的特殊情况，给出了切手动的组态逻辑。给水调节阀反馈阀位信号与控制系统输出信号，即软手操S/MA的输出信号通过DEV作偏差运算，其开关量输出值作为或运算模块OR的Z2输入，Z1信号引自给定值与汽包水位反馈信号经偏差运算模块DEV开关量输出，或运算模块OR的输出值作为软手操S/MA的强制手操接口TOM输入。也就是说在调节阀阀位信号与软手操输出的指令的偏差过大时，汽包水位信号的反馈值与给定值偏差过大时，或调节给水门前后的分道电动门关闭的情况下，系统自动切手动运行。设计为能够参与自动调节的主给