第7章火电厂热工控制.

电厂锅炉的过程控制一、火力发电厂的生产流程火力发电厂外观在火力发电厂，最基本的工艺过程是用锅炉生产蒸汽，使汽轮机运转，进而带动发电机发电。汽轮发电机组锅炉控制是火力发电生产过程自动化的重要组成部分。它的主要任务是根据负荷设备（汽轮机）的需要，供应一定规格（压力、温度、流量和纯度）的蒸汽。重点以锅炉汽包水位控制、过热蒸汽温度控制、锅炉燃烧控制为例讨论它们的控制方案。1－汽轮机高压缸；2－汽轮机中、低压缸；3－汽包；4－炉膛；5－烟道；6－发电机；7－冷凝器；8－补充水；9－凝结水泵；10－循环水泵；11－低压加热器；12－除氧器；13－给水泵；14－高压加热器；15－给水调节机构；16－省媒器；17－过热器；18－减温器；19－汽机高压调汽门；20－再热器；21－再热器减温器；22－汽机中压调汽门；23－媒粉仓；24－燃料量控制机构；25－喷燃器；26－送风机；27－空气预热器；28－调风门；29－水冷壁管；30－引风机；31－烟道挡板。二、单元机组生产流程示意图单元机组热力发电过程μNTPTH热空气燃料燃料嘴炉膛汽包过热器减温器PMD负荷设备调节阀过热蒸汽送负荷设备炉墙省煤器热空气送往炉膛给水空气预热器冷空气烟气(经引风机送往烟囱)大型单元机组的生产过程及其对控制的要求大型单元发电机组是由锅炉、汽轮发电机和辅助设备组成的庞大的设备群。锅炉的产热、汽机的做功及发电机的发电协调配合完成发电生产。由于其工艺流程复杂，设备众多，管道纵横交错，有上千个参数需要监视、操作或控制，而且电能生产还要求有高度的安全可靠性和经济性，因此，大型机组的自动化水平受到特别的重视。锅炉设备的控制问题给水量减温水燃料量送风量引风量水位蒸汽温度蒸汽压力过剩空气炉膛负压负荷锅炉设备系统分解：（1）锅炉汽包水位的控制；（2）锅炉燃烧系统的控制；（3）过热蒸汽系统的控制。锅炉设备的主要控制要求•汽包的液位，蒸汽的压力：保持在一定范围内，适应用户负荷的变化。•过热蒸汽温度：保持在一定范围内。•炉膛负压：保持在一定范围内。•燃烧完全：根据经济性和环保的要求。运行安全：液位，炉膛负压，过热度，蒸汽压力等在安全运行范围内。锅炉设备的主要控制系统控制系统被控变量操纵变量控制目的锅炉给水控制系统锅炉汽包水位给水流量锅炉内生产的蒸汽和给水的物料平衡锅炉燃烧控制系统蒸汽压力烟气成分炉膛负压燃料流量送风流量引风流量蒸汽负荷的平衡燃烧的完全和经济性锅炉运行的安全和经济性过热蒸汽控制系统过热蒸汽温度喷水流量过热蒸汽的温度和安全性一、锅炉汽包水位控制★设置锅炉水位控制的必要性一、锅炉汽包水位的动态特1.给水流量W对汽包水位H的动态特性2.蒸汽流量D对汽包水位H的动态特性二、锅炉汽包水位的控制★扰动分析1.单冲量水位控制系统2.双冲量水位控制系统★前馈控制器控制规律的确定★双冲量控制系统的变型3.三冲量水位控制系统★三冲量水位控制系统★三冲量水位控制系统的简化方案三、应用示例设置水位自动控制的必要性•水位稳定是安全运行的必要条件–水位高：汽包内水汽分离差，蒸汽带水，造成：•过热蒸汽的温度下降•损坏蒸汽透平热轮片•过热器管壁结垢，传热效率下降–水位低：在用户负荷大时，会全部汽化，造成：•设备损坏•在急冷时，引发锅炉的爆炸1、锅炉汽包水位的动态特性•给水流量W对汽包水位H的动态特性：–初始段，进入的冷水吸收水位以下饱和汽水中的热量，减少了饱和汽水中的气泡容积，补充气泡的空间，水位上升缓慢。–当水位以下气泡容积不再变化时，水位呈线性升高。sooesKsWsHsG)()()(蒸汽流量D对汽包水位H的动态特性：•蒸汽用量D增大，如给水量W不变，水位线性下降。•蒸汽用量D增大，汽包内气压下降，水呈沸腾状，水位下气泡增加，水位以一阶惯性特性上升，在一定气压下达到饱和汽水状态。•合成特性是反相特性，汽包水位呈虚假液位，使控制困难。1)()()(22sTKsKsDsHsGfF汽包水位的对象特性DHH0HH2H1ttGHHH1ttτ干扰通道特性控制通道特性1)()(221sTKsKsDsH0()()sKHseWss动态特性分析wDH1.非自衡，虚假水位（气泡体积变化产生虚假水位）2.W对H的影响惯性大，虚假水位小；D对H的影响惯性小，虚假水位大；B对H的影响惯性最大，虚假水位小。BHH非沸腾式省煤器炉给水对象传递函数：111()1wkGssTs212()1DkGsTssH2121,kkTT其中H单冲量水位控制系统汽包水位的单冲量控制LC蒸汽汽包省煤器给水双冲量水位控制系统双冲量水位控制标准方案如果根据蒸汽流量的变化来校正虚假水位的误动作，就能使调节阀动作准确及时，减少水位的波动，改善控制质量。也就是说，若将蒸汽流量作为前馈信号，就构成了双冲量控制系统。LC蒸汽汽包省煤器给水∑PCPFC1PC+C2PF+C0汽包水位的双冲量控制前馈补偿原理：C2的符号由调节阀的作用决定，具体数值可现场调整或根据阀门特性计算其初始值。RMDGPDG2CvGpGH1CcGHcPmHGFPsQWQ双冲量控制——C1、C2和C0的数值设置PQKwvmaxminmaxsFsQPZZQ假设线性阀门：流量测量变送的：minmaxmax22ZZQQCKPCKPKQssvFvvw取swQQminmaxmax2ZZKQCvsC1一般取值为1。C0为恒值，正常工况下与C2PF抵消。LC蒸汽汽包省煤器给水∑PCPFC1PC+C2PF+C0三冲量水位控制系统!!该控制系统由主、副两个调节器和三个冲量（汽包水位、蒸汽流量、给水流量）构成。其中，主调节器为水位调节器，副调节器为给水流量调节器，蒸汽流量为前馈信号。图10－2汽包水位三冲量串级控制系统流程图三冲量前馈－反馈串级控制系统在克服虚假水位的影响、维持水位稳定、提高给水控制质量等多方面都优于前述两种控制系统，是现场广泛采用的汽包水位控制方案。汽包水位的三冲量控制LC蒸汽汽包省煤器给水∑PCPFFC∑LC水位蒸汽FC给水PCPFC1PC+C2PF+C0C1PC+C2PF+C0三冲量控制——C2的数值设置内回路的闭环传递函数：2201FCvpFCvpmWGGGGGGGC2的数值设置：minmaxmax2ZZQQPCwwFswQQminmaxmaxZZQQPssFmaxmax2wsQQCRMDGPDGFCGvG1pGLCGHcPmHGFPsQWQ2pGmWG三冲量控制系统的简化连接∑FC水位蒸汽给水C1C2C3∑LC水位蒸汽给水C3C1C2三冲量水位标准控制方案!!•整个系统是串级加前馈控制系统•主控制器是液位控制器，副控制器是流量控制器•液位无余差条件，采用比例积分控制器动态前馈控制规律设计示例动态前馈控制规律关闭控制系统组态图调节结束时，调节器输入为零:--0rHDWIIII即--rrHWDKHKHKKD假定在额定负荷（D=D0）时，有H=Hr0--rrHrWDKHKHKKD上两式相减得：0-WDrHKKHHDDK控制系统原理图3.单级三冲量控制给水系统稳定时W=D，因此有：0-WDrHKKHHDDK讨论：（1）若KW=KDD0（2）若KWKD（3）若KWKD特点：具有单冲量和双冲量控制的优点，但对比值参数要求严格。DHHr4.串级三冲量控制HWDGc1(s)KvGp(s)-rHDΔw+Gd(s)Gff(s)Gc2(s)特点：具有单冲量和双冲量控制的优点，比值参数的误差可通过主调节器校正。ΔPI∑ΔPIWDHH0μ控制系统结构图Gc1(s)KvGp(s)-rHDΔw+Gd(s)Gff(s)Gc2(s)控制系统原理图5.300MW单元机组给水控制系统实例PI∑PIPIf1(x)HΔf2(x)TDW汽泵A汽泵B电动泵旁路阀ΔH0D30%