锅炉给水控制系统分析

华北电力大学专科毕业设计(论文)Ⅱ大型电站锅炉给水控制系统分析摘要锅炉是典型的复杂控制系统，汽包水位是锅炉安全、稳定运行的重要指标，是一个非常重要的被控变量。影响汽包水位的因素主要有锅炉蒸发量、给水量、炉膛负荷、汽包压力。给水调节的任务是使给水量适应锅炉蒸发量，维持汽包水位在允许的范围内。本文分析了汽包锅炉给水控制对象的动态系统分析和三冲量给水控制系统的整定分析，以300MW单元机组全程给水系统为例，全面系统的介绍了全程给水控制系统的原理，控制过程分析以及各种信号的测量，还有各种阀之间的相互切换。关键词：给水控制系统虚假水位汽包水位三冲量给水控制华北电力大学专科毕业设计(论文)目录摘要……………………………………………………………………………………………ⅠAbstract………………………………………………………………………………………Ⅱ1绪论…………………………………………………………………………………………11.1课题背景……………………………………………………………………………………11.2电站锅炉给水控制发展状况………………………………………………………………11.3本文研究的主要内容………………………………………………………………………21.3.1给水系统的概况…………………………………………………………………………21.3.2汽包锅炉水的动态特性………………………………………………………………21.3.3汽包锅炉给水控制系统………………………………………………………………32汽包锅炉水位的动态特性…………………………………………………………………42.1给水热力系统简介…………………………………………………………………………42.2给水控制的任务…………………………………………………………………………52.3给水控制对象的动态特性…………………………………………………………………52.3.1给水量扰动下水位变化的动态特性……………………………………………………52.3.2蒸汽流量D扰动下水位的动态特性……………………………………………………62.3.3炉膛热负荷扰动下水位控制对象的动态特性…………………………………………73给水自动控制系统的介绍与分析………………………………………………93.1给水控制系统的基本要求………………………………………………………………93.2给水自动控制系统的基本结构及分析……………………………………………………93.2.1单级三冲量给水控制系统………………………………………………………………93.2.2串级三冲量给水控制系统分析………………………………………………………134300MW单元机组给水全程控制系统分析……………………………………………………174.1给水全程控制系统原理………………………………………………………………174.1.1热工信号的测量………………………………………………………………………174.1.2控制过程分析…………………………………………………………………………204.2控制过程中的跟踪与切换………………………………………………………………224.2.1系统间的无扰切换……………………………………………………………………224.2.2阀门和泵的运行及切换………………………………………………………………224.2.3电动泵与汽动泵的切换………………………………………………………………224.2.4执行机构的手\自动切换………………………………………………………………23结论……………………………………………………………………………………………24参考文献………………………………………………………………………………………25致谢……………………………………………………………………………………………27华北电力大学专科毕业设计(论文)11绪论1.1课题背景锅炉朝大容量、高参数发展，给水系统采用自动控制系统是必不可少的，它可以减轻运行人员的劳动强度，保证锅炉的安全运行。对于大容量高参数锅炉，其给水系统是非常复杂和比较完善的。大型电站锅炉将是国家未来的发展方向，给水系统是其中的重要环节。随着火电机组容量的提高及参数的增加，机组在启停过程中需要监视的参数及控制的项目越来越多，大型电站锅炉给水控制系统是机组控制系统中的重点和难点。近些年来，研究大型电站锅炉给水的文献相应增多，火电机组越大，其设备结构就越复杂，自动化程度也要求越高[1]。在现代科学技术的众多领域中，自动控制技术起着越来越重要的作用。所谓自动控制，是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。目前已广泛应用于工农业生产、交通运输和国防建设。生产过程自动化是保证生产稳定、降低成本、改善劳动条件、促进文明生产、保证生产安全和提高劳动生产率的重要手段，是21世纪科学与技术进步的特征，是工业现代化的标志之一。可以说，自动化水平是衡量一个国家的生产技术和科学水平先进与否的一项重要标志。1.2电站锅炉给水控制发展状况随着科学技术的进步和电力工业的飞速发展，在燃用矿物燃料的大型发电厂中，普遍采用大容量、高参数、单元制机组。单元制机组是指由一台锅炉和一台汽轮发电机组构成的电力生产设备整体。在电网中作为相对独立的单元，具有运行调度灵活，热效率高，又便于电站设计和扩建等优点。一台大容量单元机组的主辅机设备是十分复杂的。机组运行过程中需要监视和控制的项目和参数很多。特别是在机组启停以及故障处理中，需要监视和控制的项目，需要进行的操作步骤就更为繁多。稍有不慎，就可能造成严重的事故，带来巨大的损失。在正常运行过程中，对运行参数控制的好坏，也直接影响到机组的经济指标以及设备寿命。因而，现代大容量单元机组的安全经济运行，必须要有与之相适应的自动控制系统来保证[2]。目前，单元机组的自动化系统与设备已成为与机、炉、电气主设备不可分割、同等重要的组成部分随着我国电力市场的实际情况和国民经济发展的需要,电站项目朝着高参数、大容量的方向发展已成为大势所趋,近年来大型电站发电机组在国内得到迅速发展和应用。我国在已掌握制造亚临界300～600MW机组的基础上,正在加快开发、研制大型电站机组的步伐,通过引进技术或合作制造,逐步实现国产化和批量化,逐渐提高大型电站机组在火电装机中的比重。目前,国产大型电站机组已完成试制并投入运行,即将具有商品化生产能力。由于大型电站机组各子系统间的耦合性强,机组的蓄热能力差,常规的控制方案往往难以取得满意的控制品质,为使大型电站机组具有良好的调节品质并能确保长期稳定及经济的运华北电力大学专科毕业设计(论文)2行,必须采用先进的自动控制策略。1.3本文研究的主要内容大型电站汽包锅炉给水控制系统的任务是通过调节进入汽包的给水流量，在保证汽包水位在一定范围内相对稳定的同时，产生汽轮发电机组所需的蒸汽流量，使机组输出的电功率与电网负荷变化相适应。给水控制系统对保证汽包锅炉运行过程的安全性和稳定性具有重要意义。论文研究的主要内容如下：1.3.1给水系统的概况汽包锅炉给水控制系统的作用是产生用户所要求的蒸汽流量，同时保证汽包水位在一定范围内变化。由于设计有汽包，使锅炉的蒸发段与过热段明确分开，锅炉的蒸发量主要取决于燃烧率（燃料量与相应的空气量）。所以汽包锅炉由燃烧率调节负荷，实现燃料热量与蒸汽热量之间的能量平衡。汽包锅炉的给水控制系统、汽温控制系统及燃烧控制系统相对独立。直流锅炉没有汽包，给水变成过热蒸汽是一次完成的，加热段、蒸发段与过热段之间没有明确的界限[3]。1.3.2汽包锅炉水的动态特性影响水位变化的原因很多，主要有四个方面的扰动：给水流量W的扰动（包括给水压力变化和调节阀开度变化引起的给水流量变化）；蒸汽负荷D的扰动（包括蒸汽管道阻力变化和主蒸汽调节阀开度变化引起的蒸汽负荷变化）；燃料量B的扰动（包括引起燃料发热量变化的各种因素）；汽包压力P的变化对汽包水位的影响是通过汽包内部汽水系统在压力增高时“自凝结”过程和压力降低时的“自蒸发”过程起作用的。其中：给水流量扰动、蒸汽负荷扰动、锅炉热负荷扰动（即燃料量）对汽包水位的影响较为严重。下面分析汽包水位在不同扰动作用下的动态特性。(1）给水流量W扰动下汽包水位的动态特性给水流量W扰动是给水自动调节系统中影响汽包水位的主要扰动之一。(2）蒸汽流量D扰动下汽包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，这是一种经常发生的扰动。从图2中可以看出，当锅炉负荷变化时，汽包水位的动态特性具有特殊的形式:即当负荷增加时，虽然锅炉的给水流量小于蒸汽流量，但在扰动一开始汽包水位不仅不下降反而迅速上升，反之，汽包水位下降。这种现象称之为“虚假水位”现象[4]。虽然虚假水位持续时间不长，但对调节效果的影响很大。（3）炉膛热负荷扰动下水位控制对象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，蒸汽量也相应增加，这样蒸汽量大于给水流量，水位应该下降。但是蒸汽强度华北电力大学专科毕业设计(论文)3增大同样也使水面下汽泡容积增大，而且这种现象必然先于蒸发量增加之前发生，从而使汽包水位先上升，因此也会出现虚假水位现象。1.3.3汽包锅炉给水控制系统以300MW汽包锅炉给水控制系统为例，对给水全程控制的组成功能、控制方案、控制工程以及各测量、控制单元的工作原理进行分析。给水全程自动调节系统设计两套控制系统：单冲量给水控制和三冲量给水控制。机组正常运行时，锅炉给水控制一般采用三冲量给水调节系统；在启停炉过程中，当负荷低于满负荷的30%时，蒸汽流量信号很小，测量误差相对增大，此时由三冲量给水调节系统改为单冲量给水调节系统[5]。华北电力大学专科毕业设计(论文)42汽包锅炉水位的动态特性汽包水位是锅炉安全、稳定运行的重要指标,是锅炉蒸汽负荷与给水间物质是否平衡的重要标志,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。汽包锅炉给水控制系统的作用是使锅炉的给水量自动适应锅炉的蒸发量,维持汽包水位在规定范围内波动[6]。其中给水流量和蒸汽流量是影响汽包水位的两种主要扰动,前者来自调节器,称为内扰,后者来自负荷侧,称为外扰。2.1给水热力系统简介图2-1为给水热力系统示意图。从除氧器出来的给水,由给水泵送入高压加热器,在高压加热器内加热后到给水站,给水站出来的水经省煤器送入汽包。给水泵包括两台电动泵和一台汽动泵,每台电动泵容量为50%MCR(最大额定流量),汽动泵容量为100%MCR.在启动和低压负荷工况下电动泵运行,正常工况下汽动泵运行,两台电动泵的另一个功能是作为汽动泵的备用。每台泵都有再循环管道,当系统工作在低负荷时再循环管路的阀门能自动打开,保证泵出口有足够流量,防止汽蚀。低负荷运行时旁路阀工作,调节锅炉给水量,控制水位,同时电动泵维持在最低转速运行,保证泵的安全特性,此时为两段调节。高负荷时,阀门开到最大,为减小阻力主水电动门也打开,通过调节给水泵转速控制给水流量,为一段调节。~~凝结水除氧器给水泵再循环高加给水流量减温水阀主给水电动门电动截门启动旁阀省煤器汽包过热器蒸汽流量去汽轮机图2-1给水热力系统示意图华北电力大学专科毕业设计(论文)52.2给水控制的任务汽包锅炉给水控制的任务是使给水量适应锅炉蒸发量，并使汽包的水位保持在一定的范围内，具体要求有以下两个方面：(1)维持汽包水位在一定范围内。汽包水位是影响锅炉安全运行的重要因素。水位过高，会破坏汽水分离装置的正常工作，严重时会导致蒸汽带水增多，从而增加在过热器管壁上和汽轮机叶片上的结垢，甚至使汽轮机发生水冲击而损坏叶片；水位过低，则会破坏水循环，引起水冷壁的破裂。正常运行时的水位波动范围：±30～50mm异常情况：±200mm事故情况：±350mm(2)保持稳定的给水量。稳