第二章+锅炉自动控制系统

第二章火力发电厂锅炉自动控制系统第一节锅炉控制概述锅炉自动控制系统的任务是根据机组的负荷要求，向汽轮机供给足够的、在规定压力和温度范围内的蒸汽，同时保证锅炉安全经济运行。锅炉的自动控制包括模拟量闭环控制系统、辅机顺控系统和炉膛安全监控系统。它是单元机组协调控制系统的基础级控制系统，是实现单元机组协调控制的必要条件。本章主要学习模拟量控制系统中锅炉部分的各主要子控制系统：给水控制系统、气温控制系统和燃烧控制系统。一、模拟量闭环控制系统（MCS）主要包括以下子系统：1．锅炉给水控制系统锅炉给水控制系统是调节锅炉的给水量以适应机组负荷（蒸汽量）的变化，保持汽包水位稳定（对于汽包锅炉）或保持在不同锅炉负荷下的最佳燃水比（对于直流锅炉）2．汽温控制系统汽温控制的质量直接影响到机组的安全与经济运行。它包括主蒸汽温度控制和再热蒸汽温度控制（过热气温调节：喷减温水；再热气温调节：烟气挡板位置）3．锅炉燃烧控制系统锅炉燃烧过程自动控制主要包括三项控制内容：1燃料控制系统当外界对锅炉蒸汽负荷的要求变化时，必须相应地改变锅炉燃烧的燃料量（单位时间内送入炉膛的燃料重量），包括燃料量控制和制粉控制，前者包括给煤量控制系统、燃油控制系统和总燃料量控制系统。后者主要包括制粉设备的控制。2送风量控制系统为了实现经济燃烧，必须相应地调节送风量，使送风量（单位时间内送入炉膛的空气重量）与燃料量相适应。3引风量控制系统（单位时间内从炉膛引出的烟气重量），即炉膛压力控制系统，严格保证炉膛压力维持在相对安全范围内，使之与送风量相适应。锅炉燃烧过程自动控制的主要任务是使锅炉的燃烧率随时适应外界负荷的需求，实现安全经济运行。二锅炉炉膛安全监控系统（FSSS）(或燃烧器管理系统——BMS）FSSS的功能可分为锅炉保护和燃烧器控制两部分，具体包括：锅炉炉膛的吹扫、锅炉点火、燃油泄漏实验、炉膛火焰监视、炉膛压力和灭火保护、燃烧器控制、磨煤机组启停、磨煤机给煤机保护、主燃料跳闸（MFT）等。一旦在运行中出现危险时，系统控制主燃料跳闸（MFT），切断进入炉膛的一切燃料。主燃跳闸后仍然维持炉内通风、吹扫以及清除炉膛及尾部烟道中的可燃物气体。第二节锅炉给水自动控制系统一．给水控制的任务及调节手段锅炉给水控制的任务是使给水量适应于锅炉的蒸发量，以保持锅炉运行中的汽水流量平衡，并维持汽包水位在规定的范围内。汽包水位是锅炉运行中的一个重要的监控参数，它反映锅炉蒸汽负荷与给水量之间的平衡关系。维持汽包水位在一定范围内是保证锅炉和汽轮机安全运行的必要条件。随着锅炉容量增大和参数提高，汽包容积相对缩小，而锅炉蒸发受热面的热负荷显著提高，加快了负荷变化时水位变化的速度。同时大容量锅炉要求实现给水全程控制，即在锅炉起动时就投入给水自动．从而对给水控制提出了更高的要求。1给水控制的任务2给水控制的调节手段（1）采用定速泵（节流调节）通过改变给水调节阀的开度来控制给水流量，称为给水流量的节流调节方式特点：采用节流调节方式，方法简单可靠，缺点是节流损失大，增加泵消耗的功率，同时调节阀门处在很高压力下工作，容易磨损和损坏，另外由于定速泵起动转矩大，配置的电动机容量比水泵的额定容量大得多，很不经济。（2）采用变速泵通过改变水泵的转速控制给水流量，变速泵又分为电动变速泵和汽动变速泵：电动变速泵的驱动电动机经液力联轴器与水泵相联结，通过改变液力联轴器中勺管的径向行程，改变联轴器的工作油量，实现给水泵转速的改变。汽动给水泵由小汽轮机直接驱动，通过控制小汽轮机的进汽量，改变汽动泵的转速。节流调节原理图节流调节系统示意图泵全关泵全开最小流量最大流量给水流量的水泵变速调节a.水泵变速调节示意图b）水泵变速调节原理图最小流量最大流量管路特性工作曲线变速水泵的压力一流量特性及安全工作区泵的上限特性曲线亦称为最小流量曲线，它表示给水泵在不同转速下必须满足的最小流量，低于这个流量，泵内由于机械能做功产生的热量不能及时带走，使得给水加热井汽化，导致汽蚀。泵的下限特性曲线，亦称为最大流量曲线，它表示给水泵在不同转速下允许的最大流量，大于这个流量，泵内静压最低值将低于给水温度下的饱和压力，在管道静压最低值部分给水将发生汽化，导致汽蚀。（3）泵的安全工作区最小流量曲线最大流量曲线泵安全工作区最高转速最低转速最高给水压力最低给水压力二．控制对象的动态特性汽包水位决定于汽包中的贮水量和水面下的汽泡容积。引起汽包中贮水量和水面下汽泡容积变化的因素很多，主要有锅炉的蒸汽负荷D、给水流量W和炉膛热负荷Q等。1．给水流量扰动下水位变化的动态特性给水控制对象结构示意图给水流量阶跃扰动下的水位响应曲线只考虑气泡容积变化的水位变化曲线不考虑气泡容积变化的水位变化曲线给水流量扰动下汽包水位的动态特性，可用传递函数表示为：当给水流量扰动时，水位变化的动态特性表现为有惯性、无自平衡能力的特征。11owHsWsWsssss由响应曲线可以求出和tan1OBHWOAWWOAW其中延迟时间——指给水流量的阶跃值。可以用响应时间1aT来表示水位对扰动影响的快慢。水位对象相当于一个一阶惯性环节与积分环节相串联或反向并联而形成。1aWTH响应时间的物理意义：当扰动量为100%（从满负荷突然变化为0），水位（被调量）变化100%所需要的时间。（响应速度，即给水流量改变一个单位流量时的水位变化速度）2．蒸汽流量扰动下水位变化的动态特性蒸汽流量扰动主要来自汽轮发电机的负荷变化，属于外部扰动。不考虑沸腾作用时的水位变化曲线沸腾曲线水位在蒸汽流量扰动下的动态特性可用以下传递函数表示：22()()1HDKHsGDsTss2T2H2K2H1H—曲线变化的时间常数（s）；—曲线变化的传递系数；—曲线的响应速度。实际上改变汽轮机的用气量引起的蒸发量的阶跃扰动，必定引起气压的变化，从而影响水面下汽泡的体积变化，所以实际的虚假水位现象会更严重。3．燃烧率扰动下水位变化的动态特性燃烧率阶跃扰动下的水位响应曲线当燃烧率变化时，如燃烧量阶跃增加，炉膛热负荷增强，使锅炉蒸发强度增大而使汽压升高，蒸发强度增加同时也使水面下汽泡容积增大，因此也会导致虚假水位现象，只是由于汽压同时增加使汽泡容积增加比蒸汽流量扰动下要小，因而虚假水位变化的幅度和速度相对较小。在燃烧率Q阶跃变化时，水位的响应曲线如图2-8所示。水位变化的动态特性用下列传递函数表示：2()()[]()(1)sHQHsKGseQsTss上式与蒸汽流量的扰动影响下的传递函数相类似，但增加了一个纯迟延环节。——为迟延时间（s）。三．给水控制系统的类型与整定方法汽包锅炉的给水控制系统主要有三种类型；1．单冲量给水控制系统单冲量给水控制系统系统只接受汽包水位作为控制信号，结构很简单。该系统无法抑制“虚假水位”对调节过程的影响，故只适用于小型锅炉。大中型锅炉在起动初期由于蒸汽流量与给水流量的测量误差大，一般采用单冲量控制系统。单冲量控制系统按一般单回路调节器整定，使水位调节过程的衰减率约为0.9～1。2．单级三冲量给水控制系统（1）系统结构和工作原理单级三冲量给水控制系统给水调节器根据汽包水位H、蒸汽流量D和给水流量W三个信号调节给水流量。汽包水位是被调量，蒸汽流量和给水流量是引起水位变化的主要扰动。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，相应改变给水流量；而当给水流量自发变化时，调节器也立即动作，使给水流量恢复到原来的数值。因此三冲量给水调节系统是一个前馈一反馈调节系统。由于引入蒸汽流量前馈信号，从而减少、抵消了由于“虚假水位”现象使给水流量向与负荷相反方向变化的趋势。该系统适合于中型以上锅炉给水控制。HDW2DWH2HDWDWDW在单级三冲量给水控制系统中，PI调节器的三个输入信号分别代表水位、蒸汽流量和给水流量，在静态时，这三个输入信号应与水位给定值信号。其关系为；+前馈回路反馈（主）回路（副）回路（2）单级三冲量给水控制系统的分析和整定①单级三冲量给水控制系统的组成TWsZKKwrwaa由调节器、执行机构、调节阀、给水流量变送器和给水流量反馈装置组成的内回路（或称副回路）。b由水位控制对象01Ws、水位变送器Hr和内回路组成的外回路（或称主回路）。c由蒸汽流量信号D及蒸汽流量测量装置Dr、蒸汽流量前馈装置Da构成的前馈控制部分。②单级三冲量给水控制系统的整定单级三冲量给水控制系统中水位控制回路为“主回路”，流量控制回路为“内回路”，内回路调节对象（执行机构、调节阀）近似于比例环节，可以把“内回路”看成是一个快速随动系统，因此整个内回路相当于主回路的比例调节器，比例带即为给水流量反馈信号灵敏度为了保证主回路有足够的稳定性裕度，可按下列近似公式计算WWW单级三冲量控制系统的整定步骤如下：（1）选取WDPI调节器的比例带和积分时间可取较小的值，一般5~10iTsiT（2）将调节器切至手动，手动改变给水流量一定值（约20％）后，迅速将调节器切至自动，给水流量应迅速恢复至原值，且不发生超调、振荡，汽包水位基本不受影响，否则应适当修改和值。（3）改变水位设定值，要求水位调节过程衰减率约为0.9～1，否则修改修改，再重复（3）试验，直至两个回路调节性能都符合要求。W（相应修改D）值，直至满足为止。（4）如W修改，则重复（2）试验，必要时再修改调节器的整定参数iT和（5）如iT和（6）进行机组负荷扰动试验，要求机组负荷稳定时，水位变化在土（10～20）mm范围内。3．串级三冲量给水控制系统其给水调节任务由两个调节器完成。主调节器PI1采用比例积分调节器，以保证水位无静态偏差，主调节器输出信号和给水、蒸汽流量信号都作用到副调节器PI2，一般副调节器采用比例调节器，以保证副回路的快速性。目前大中型锅炉普遍采用串级三冲量给水控制系统。1）串级三冲量给水控制系统的组成为：(1)给水流量W、给水流量变送器wr和给水流量反馈装置wa、副调节器PI2、执行机构ZK、调节阀K组成的内回路（或称副回路）。(2)由水位控制对象01Ws、水位变送器Hr、主调节器PI1和内回路组成的外回路（或称主回路）。(3)由蒸汽流量信号D及蒸汽流量测量装置Dr、蒸汽流量前馈装置Da构成的前馈控制部分。2）串级三冲量给水控制系统整定步骤如下：(1)副调节器参数按上述单级三冲量控制系统的副回路整定原则整定，使副回路具有快速消除内扰和跟踪蒸汽流量的能力。(2)按下列近似公式计算主调节器的比例带和积分时间：1.1/W3.3iT(3)将主调节器投入运行，改变水位定值，反复进行扰动试验，要求水位调节过程的衰减率约为0.9～1。串级三冲量给水控制系统图(4)根据运行中汽包“虚假水位”现象的情况。设定蒸汽流量信号强度系数D。如“虚假水位”现象严重，可适当加强蒸汽流量信号，例如可使蒸汽流量信号强度为给水流量信号强度的1～3倍。但若因此需要减小给水流量信号强度，则需要重新修正主、副调节器的整定参数。(5)进行机组负荷扰动试验，要求同单级三冲量系统。4给水全程控制系统所谓全程控制系统指的是随着机组容量增大和参数提高，机组在启停和正常运行时均能实现自动控制的系统。单元机组全程控制系统由机炉全程控制子系统组成。主要包括锅炉给水全程控制系统、主蒸汽温度全程控制系统、机炉全程协调控制系统，其中给水全程控制系统的应用最为广泛。1测量信号能自动进行汽包水位、蒸汽流量、给水流量校正。实现给水全程控制必须解决的问题：(1)汽包水位的校正2给水控制系统结构的切换是双向无扰的3必须解决调节机构的切换，保证高低负荷时采用不同的调节机构4泵的最小流量和最大流量保护，使泵的工作点始终落在安全工作区内5给水全程控制必须适应机组定压运行和滑压运行工况，必须适应冷态启动和热启动情况。（2）给水流量校正（3）主蒸汽流量的校正水位测量流程图①启动电泵300MW机组给水系统启动初，主给水阀关闭，电