300MW火电机组给水控制系统设计

1300MW火电机组给水控制系统设计1选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。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。2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。2.1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2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。2.2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。3设计方案分析3.1给水控制任务使锅炉的给水量适应锅炉的蒸发量，以维持汽包水位在规定的范围内，同时保持稳定的给水流量。3.2给水控制对象的动态特性3.2.1给水量扰动下水位变化的动态特性图1给水量扰动时水位阶跃响应曲线3图1中曲线1为沸腾式省煤器情形下水位的动态特性,曲线2为非沸腾式省煤器情形下水位的动态特性。从物质平衡的观点来看,加大了给水量G,水位应立即上升,但实际上并不是这样,而是经过一段迟延,甚至先下降后升这是因为给水温度远低于省煤器的温度,即给水有一定的过冷度,水进入省煤器后,使一部分汽变成了水,特别是沸腾式器给水减轻了省煤器内的沸腾度,省煤器内的汽泡总容积减少,因此,进入省煤器内的水首先用来填补省煤器中因汽泡破减少而降低的水位,经过一段迟延甚至水位下降后,才能因给水量不断从省煤器进入汽包而使水位上升[7]。在此过程中,负荷还未发生变化,汽包中水仍然在蒸发,因此水位也有下降趋势。沸腾式省煤器的延迟时间T为100～200s。非沸腾式省煤器的延迟时间T为30～100s。水位在给水扰动下的传递函数可表示为:()()1HsGssTs（1-1）当T时，上式可变为：()()(1)HsGsTss（1-2）水位对象可近似认为是一个积分环节和一个惯性环节并联形式。用一阶近似表示时：()()sHsGses（1-3）3.2.2蒸汽流量D扰动下水位的动态特性图2蒸汽量D扰动下的水位阶跃响应曲线如果只从物质平衡的角度来看,蒸发量突然增加△D时,蒸发量高于给水量,4汽包水位是无自平衡能力的,所以水位应该直线下降,如图2-3中H1(t)所示那样,但实际水位是先上升,后下降,这种现象称为“虚假水位”现象,如图2-3中H（t）所示。其原因是由于负荷增加时,在汽水循环回路中的蒸发强度也将成比例增加,水面下汽泡的容积增加得也很快,此时燃料量M还来不及增加,汽包中汽压Pb下降,汽包膨胀,使汽泡体积增大而水位上升。如图2-3中H(t)所示。在开始的一段时间H(t)的作用大与H1(t)。当过了一段时间后,当汽泡容积和负荷相适应而达到稳定后,水位就要反映出物质平衡关系而下降。因此,水位的变化应是上述两者之和,即12()()()HtHtHt(1-4)传递函数也为两者的代数和：22()()1KHsDsTss（1-5）式中2T——2()Ht的时间常数，约为10~20s；2K——2()Ht的放大系数；——飞升速度。一般100~230t/h的中高压炉，负荷突然变化10%时，虚假水位化现象可使水位变化达30~40mm。3.2.3炉膛热负荷扰动下水位控制对象的动态特性图3燃料量扰动下水位的阶跃反应曲线当燃料量扰动时，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5象。当蒸发量与燃烧量相适应时，水位便会迅速下降，这种“虚假水位”现象比蒸汽量扰动时要小一些，但其持续时间长。燃料量扰动下的水位阶跃响应曲线如图2-4所示，它和图2-3有些相似。只是在这种情况下，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，从而使水位上升较少。但锅炉负荷变化受到检测反馈时间长、燃料的不稳定的局限和反应时间较慢，不便参与自动控制的调整。以上三种扰动在锅炉运行中都可能经常发生。但是由于控制通道在给水侧，因此蒸汽流量D和燃料量M习惯上称为外部扰动，它们只影响水位波动的幅度。而给水量G扰动在控制系统的闭合回路里产生，一般称为内部扰动。因此，汽包水位对于给水扰动的动态参数是给水控制系统调节器参数整定的依据，此外，由于蒸汽流量D和燃料量M的变化也是经常发生的外部扰动[8]。所以常引入D、M信号作为给水控制系统里的前馈信号，以改善外部扰动时的控制品质。影响水位的因素除上述之外，还有给水压力、汽包压力、汽轮机调节汽门开度、二次风分配等。不过这些因素几乎都可以有D、M、W的变化体现出来。为了保证汽压的稳定，燃料量和蒸发量必须保持平衡，所以这两者往往是一起变化的，只是先后的差别。给水扰动是内扰，其它事外扰。3.3输入信号的测量与修正3.3.1汽包水位信号水位测量的原理是利用简单平衡容器内水柱重量产生的压力与汽包高度产生的液柱压力相比较，从而获得一个与汽包水位有一定关系的差压值，以此来间接测量汽包水位。影响汽包水位测量精度的主要原因是汽包压力的变化，实际使用中采用对差压信号进行压力校正来补偿汽包压力变化的影响。增加了压力补偿环节,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12()()bbfPPHfP（1-6）式中Pb—汽包压力,Pa△P-汽包水位差压变送器两侧压差,Pa汽包水位测取了左、中、右三个测点。正常情况下通过切换开关T的NC点,6对三个信号(Hi,i=1,2,3)求平均值作为汽包水位的测量信号H。如果偏差值超限，产生高低值报警的逻辑信号，使系统切手动，同时发出声光报警，待故障变送器切除后，系统才正常工作。3.3.2主蒸汽流量信号蒸汽流量的测量方法为高压环管压力，经过F（X）发生器后变换为蒸汽流量信号。主蒸汽流量D的测量可采用两种方法:(1)测得汽轮机调节级后压力P1,第一级抽汽压力P2和一级抽汽温度T2,采用下述公式求取:22221TppKD（1-7）式中a、b为设定值,当高压加热器关闭时,b值要重新设定。(2)用汽轮机调速级压力P1,经主蒸汽温度校正来代替D。当高压旁路阀开启时所测的D还要加上旁路蒸汽流量。在温度、压力的测量中均采用了双变送器冗余设置,可靠性高。3.3.3给水流量信号给水流量的测量方法为测量给水管道流量孔板差压，经过开平方运算后变换为给水流量信号。给水流量的测量采用双变送器,正常情况下切换开关T的NC点通,选A、B两个测量信号中较大的一个(以便使实际给水流量不会过大)经过给水温度的补偿和惯性阻尼环节,作为给水流量信号。当任一变送器故障时,通过逻辑线路使T切向NO,将该路变送器输出置0,同时发出声、光报警,系统切手动,待切除故障变送器后系统才正常运行。总的给水流量中还包括了一、二、三级减温水量。4工作方式4.1给水旁路阀单冲量控制从启动到低负荷阶段，即机组启动到带上３０％额定负荷这一过程，蒸汽参7数低，负荷变化小，虚假水位现象不太严重，系统对维持水位在恒定值的要求也不高。因此，为简化调节系统，多采用给水旁路阀单冲量控制方式。在这一阶段，由于给水流量较小，通常采用给水启动调节阀来调节汽包水位，通过调节电动给水泵的转速来维持汽包压力及克服给水管路上的阻力，以保证电动给水泵有足够的但不过于富余的压力。4.2电动泵单级单冲量控制当负荷大15％额定负荷以后，给水启动调节阀已无法控制锅炉给水，这时给水流量应由调阀切换到调电泵回路，这时给水启动调节阀门全开。锅炉给水控制以调节电泵转速来满足给水流量的要求，并维持汽包压力及克服给水管路系统的阻力。在负荷处于15％和30％额定负荷阶段时，给水流量由电动给水泵调节，这时主给水门全开。锅炉给水控制以调节电泵转速来满足给水流量的要求，并维持汽包压力及克服给水管路系统的阻力。4.3电动泵串级三冲量控制当机组负荷大于30%时，采用串级三冲量控制方案，系统中电动泵的副调节器PI2和汽动泵的副调节器PI4公用一个主调节器PI3在给水流量和蒸汽流量信号测量可靠，且蒸汽流量大于或等于30%时，系统可以切换到三冲量控制方式。这是一个以汽包水位为主信号，以蒸汽流量为前馈信号，以给水流量为反馈信号的串级三冲量控制系统。三冲量主调节器输出加上整齐流量信号D作为副调节器的给定信号，给水流量W是反馈信号。在符合由30%继续上升到100%满负荷阶段，均采用串级三冲量控制方案。在汽动泵未运行之前，采用电动泵控制给水流量，三冲量主调PI3和电动泵副调PI2组成串级三冲量电动泵控制方式。4.4汽动泵串级三冲量控制当符合继续升高到30%-40%时，汽动泵小汽轮机开始冲转升速，当汽动泵转速进一步上升、汽动泵流量逐步提高，电动泵流量逐步下降以后，可以投入汽动泵自动，使电动泵退回到手动。当符合升高到40%-50%时，启动第二台汽动泵运行。这时，三冲量主调PI3和汽动泵副调PI4组成串级三冲量汽动泵控制方式，MEH系统以汽动泵转速控制信号控制小汽轮机转速。当水位偏高或水位偏低时，经过高低限监视器，将信号分别向FSSS和水位8保护信号输出，当汽动泵转速过低，低于下限值时，输出该汽动泵指令。5控制过程中的跟踪与切换5.1系统间的无扰切换当负荷低于30%MCR时采用单冲量控制系统。此时三冲量主调节器PI3的输出跟踪(D-W)信号,同时电动泵三冲量副调节器PI2的输出通过函数组件K2以及切换开关T一直跟踪单冲量调节器PI1的输出,所以系统由单冲量切换到三冲量是无扰动的。D30%时采用三冲量系统。单冲量调节器PI1通过T跟踪三冲量电动泵副调节器PI2的输出,所以由三冲量切换到单冲量也是无扰动。5.2阀门和泵的运行及切换低负荷时采用旁路阀控制给水流量,高负荷时采用改变泵的转速来控制,两者的无扰切换时通过函数组件K2和切换开关T及PI2的跟踪实现的。因为K2产生连续函数,而PI2通过T跟踪K1的输出,且当阀门开足时才开始调泵的