200MW锅炉给水DCS控制系统设计概述

目录第1章绪论......................................................................................21.1课题的背景与意义...............................................................21.1.1锅炉给水控制的任务..................................................21.2给水控制系统中需要注意的问题.......................................51.2.1对测量信号进行压力温度校正..................................51.2.2保证给水泵工作在安全工作区内.............................71.2.3保证控制系统切换应该是安全无扰的.....................81.2.4适应工况.....................................................................8第2章汽包锅炉给水的控制方式..................................................82.1单冲量控制...........................................................................92.2三冲量控制...........................................................................9第3章DCS的应用.........................................................................103.1单冲量控制算法组态：.....................................................103.2三冲量控制算法组态.........................................................11第4章传感器的选型及系统图......................................................124.1传感器的选型.....................................................................124.2I/O点清单.........................................................................134.2汽包炉单元机组给水控制系统......................................144.3结论.....................................................................................14第1章绪论1.1课题的背景与意义给水全程控制系统是火力发电厂单元机组协调控制中的主要子系统之一，其可靠运行直接关系到整个安全系统的安全问题。汽包水位是汽包锅炉非常重要的运行参数，同时它还是衡量锅炉汽水系统是否平衡的标志。维持汽保水位在一定允许范围内，是保证锅炉和汽轮机安全运行的必要条件。水位过高会影响汽水分离器的正常运行，蒸汽品质变坏，使过热器过热器管壁和汽轮机叶片结构。严重时，会导致蒸气带水，造成汽轮机水冲击而损坏设备。水位过低会破坏水循环，严重时将引起水冷壁管道破裂。此及时而准确地把水位控制在允许的范围之内，并能适应各种工况的运行，是保证机炉安全运行的重要条件。1.1.1锅炉给水控制的任务使锅炉的给水量适应锅炉的蒸发量，维持汽包水位在规定的范围内，同时保持稳定的给水流量。具体要求：（1）维持汽包水位在规定的范围内。（2）保持稳定的给水流量。1.1.2动态特性分析汽包水位是由汽包中储水量和水下面的汽包容积决定的，因此凡是引起汽包中储水量变化和水下面的汽包容积的变化的各种因素都是给水控制对象的扰动。其中主要的扰动有：给水流量W、锅炉蒸发量D、汽包压力Pb、炉膛热负荷等。给水控制对象的动态特性是指上述引起水位变化的各种扰动与汽包水位间的动态关系。给水流量扰动下水位的动态特性给水流量是调节机构所改变的控制量，给水流量扰动是来自控制侧的扰动，又称内扰。给水流量扰动下水位的阶跃响应曲线如图图给水流量阶跃扰动下水位响应曲线当给水流量阶跃增加△W后，水位H的变化如图曲线H所示。水位控制对象的动态特性表现为有惯性的无自平衡能力的特点。当给水流量突然增加后，给水流量虽然大于蒸汽流量，但由于给谁温度低于汽包内饱和水的温度，给谁吸收了原有饱和水中的部分热量使水面下汽包容积减少，实际水位响应曲线可视为H1和H2两条曲线叠加而成，所以扰动初期水位不会立即增高，当水面下汽包容积的变化逐渐平衡，水位就反映出由于汽包中储水量的增加而逐渐上升的趋势，最后当水面下汽包容积不再变化时，由于进、出工质流量不平衡，水位将以一定的速度直线上升。这种特性可有下列近似传递函数表示：由此可见，随着锅炉容量的增大和参数的提高，水位内扰特性的迟延时间减少，响应速度也略有下降，对水位H的控制是有利的。但按锅炉容量的增大来计算响应速度，则得到的相对速度逐渐增大，说明随着锅炉容量和参数的提高，对水位H控制的要求也越高。蒸汽流量扰动下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，属外部扰动。在蒸汽流量D扰动水位变化的阶跃响应曲线如图。当蒸汽流量突然阶跃增大时，从而使水位升高，因蒸发强度的增加是有一定限度的，故汽包容积增大而引发的水位变化可用惯性环节特性俩描述，如图中H2曲线所示，实际的水位变化曲线H则为H1和H2的合成，由图可以看出，当锅炉蒸汽负荷变化时，汽包水位的变化具有特殊形式：当负荷突然增加时，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，反之亦然。这种现象成为“虚假水位”现象。这是因为在负荷变化的初期阶段，水面下汽包的体积变化很快，他对水位的变化起主要影响作用的缘故，因此水位随汽包体积增大而上升。只有当汽包体积与负荷适应而不再变化时，水位的变化就仅由物质平衡关系来决定，这是水位就随负荷增大而下降，呈无自平衡特性。蒸汽流量扰动下的水位响应特性可用下属近似传递函数表示：图蒸汽流量阶跃扰动下水位响应曲线炉膛热负荷扰动下水位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加，从而使锅炉蒸发量增大，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，蒸汽流量也相应增加，这样蒸汽流量大于给水流量，水位应该下降。但是蒸发强度增大同样也使水面下汽包容积增大，因此也会出现虚假水位现象。燃料量扰动下的水位阶跃响应曲线如图，由图可看出，这种扰动下的“虚假水位”现象不太严重，这是因为蒸汽流量增加的同时汽压也增大了，因而使汽包体积的增加比蒸汽流量扰动时要小，从而使水位上升幅度较小。另外，由于蒸发量随燃料量的增加有惯性和时滞，如图虚线所示，这就导致迟延时间较长。图燃烧量扰动下的水位特性对汽包水位的第四种扰动是汽包压力的变化，汽包压力对汽包水位的影响是通过汽包内部汽水系统在压力升高时“自凝结过程”和压力降低时的“自蒸发”过程起作用的。上述四种扰动在锅炉运行中可能经常发生，给水流量扰动作为内部扰动，汽包水位对其影响的动态参数（）是给水控制系统调节器参数整定的依据，蒸汽流量D、燃料量B和汽包压力Pb扰动作为外部扰动，会造成水位波动。蒸汽流量D和燃料量B的变化时产生“虚假水位”的根源。所以在给水控制系统里常常引入D、B信号作为前馈信号，以改善外部扰动时的控制品质，而这也是目前大型锅炉给水控制系统采用三冲量的根本原因。1.2给水控制系统中需要注意的问题1.2.1对测量信号进行压力温度校正锅炉从启动到正常运行或是从正常运行到停炉的过程中，蒸汽参数和负荷在很大的范围内变化，这就使水位、给水流量和蒸汽流量测量信号的准确性受到影响。为了实现全程自动控制，要求这些测量信号能够自动地进行压力、温度校正。测量信号自动校正的基本方法是，先推导出被测参数随温度、压力变化的数学模型，然后利用各种元件构成运算电路进行运算，便可实现自动校正。按参数变化范围和要求的校正精度不同，可建立不同的数学模型，因而可设计出不同的自动校正方案。如，在锅炉启停过程中，汽压变化很大，汽包水位不仅与平衡容器式水位计测得的差压有关，同时还是主汽压力的函数，因此需要设计用主汽压力对水位差压进行校正的线路。同样，主汽温度和压力在全过程中变化也很大，需要对主蒸汽流量进行校正。过热蒸汽流量信号的压力、温度校正过热蒸汽流量测量通常采用标准喷嘴。这种喷嘴基本上是按定压运行额定工况参数设计，在该参数下运行时，测量精度是较高的。但在全程控制时，运行工况不能基本固定。当被测过热蒸汽的压力和温度偏离设计值时，蒸汽的密度变化很大，这就会给流量测量造成误差，所以要进行压力和温度的校正。可以按下列公式进行校正图1-1给水流量信号的温度校正计算和试验结果表明当给水温度为100℃不变，压力在0.196～19.6MPa范围内变化时，给水流量的测量误差为0.47%；若给水压力为19.6MPa不变，给水温度在100～290℃范围内变化时，给水流量的测量误差为13%。所以对给水流量测量信号可以只采用温度校正，其校正回路如图所示。若给水温度变化不大，则不必对给水流量测量信号进行校正。图1-2给水流量的温度校正A．单室平衡容器水位测量图1-3单室平衡容器水位测量由于汽包中饱和水和饱和蒸汽的密度随压力变化，所以影响水位测量的准确性。B．单室平衡容器水位测量校正采用电气校正回路进行压力校正。就是在水位差压变送器后引入校正回路，图表示单容平衡容器的测量系统。图1-4单室平衡容器水位测量校正1.2.2保证给水泵工作在安全工作区内给水泵的安全工作区如图所示。图中阴影区由泵的上、下限特性、最高转速nmax和最低转速nmin，泵出口最高压力Pmax和最低压力Pmin，泵出口最高压力Pmax和最低低压力Pmin围成。给水泵不允许在安全工作区以外工作。为了满足上限特性要求，在锅炉负荷很低时，必须打开再循环门，以增加通过泵的流量。这样，在所需的相同的泵出口压力条件下，可使泵进入上限特性右边的安全区工作，泵工作点由a1移到b1点由于给水泵有最低转速nmin的要求，在给水泵已接近nmin时就不能以继续降低转速的方式来调节给水量。这就需要用改变上水通道阻力，即设置给水调节阀的方式，使泵工作在安全区内。由于兼用改变泵转速和上水通道阻力两种方式调节给水量，增加了全程给水自动控制系统的复杂性。在锅炉负荷升到一定程度，即泵流量较大时，为了不使泵在下限特性右边区域工作，也需适当提高上水通道阻力，以使泵出口压力提高，这样给水调节门又保证了泵在下限特性左边安全区工作。如图泵工作点由a2移至b2。图1-5给水泵工作参数特性1.2.3保证控制系统切换应该是安全无扰的由于机组在高、低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。即随着负荷的变化，系统要从单冲量过渡到三冲量系统，或从三冲量过渡到单冲量系统，由此产生了系统的切换问题，并且必须有两套系统相互无扰切换的控制线路。在多种调节机构的复杂切换过程中，给水全程控制系统都必须保证无干扰。高低负荷需用不同的调节阀门，必须解决切换问题，调节阀门的切换伴随着有关截止门的切换，而截止门的切换过程需要一定的时间，导致了水位保持的困难。在低负荷时采用改变阀门的开度来保持泵的出口压力，高负荷时用改变调速泵的转速保持水位，这又产生了阀门与调速泵间的过渡切换问题。点火后，在升温升压过程中，由于锅炉没有输出蒸汽量，给水量及其变化量都很小，此时单冲量调节系统也