电厂机组汽包水位控制系统设计(编辑修改稿)

电厂机组汽包水位控制系统设计(编辑修改稿)内容摘要：

的工作状况，使整个电厂的自动化水平达到了新的高度。 自动控制装置及系统已成为火电厂中不可缺少的部分 [4]。 1. 4 汽包水位控制系统简介 目前大多数锅炉分为汽包锅炉和直流锅炉两种。 他们的给水控制任务有些不同。 汽包锅炉给水自动控制系统的任务是维持汽包水位在设定数值。 直流锅炉给水自动控制系统的任务，是使用给水流量来控制锅炉负荷或控制过热器中间点 温度。 对于汽包水位控制系统来说，有三种基本结构如下图： (1)单冲量控制系统 其基本结构如图 （ 1）所示，该系统是一个只采用汽包水位信号和一个 PI 调节器的反馈控制系统。 这种给水控制系统结构简单，整定方便，但使用它来调节水位，汽包水位波动较大，稳定性也较低。 (2)单级三冲量控制系统 其基本结构如图 （ 2）所示，该系统采用一个 PI 调节器，并根据汽包水位、蒸汽流量和给水流量三个信号的变化去控制给水流量。 与单冲量系统相比，该系统引入了蒸汽流量信号和给水流量信号，引入的蒸汽流量信号（前馈信号）可以克服汽 包的虚假水位，引入给水流量信号可以抑制给水自发性扰动，保持了给水流量的稳定。 事实上由于检测、变送设备的误差等因素的影响，蒸汽流量和给水流量这两个信号的测量值在稳态时难以做到完全相等，且单级三冲量控制系统一个调节器参数整定需兼顾较多的因素，所以，现实中很少采用单级三冲量给水控制系统。 (3)串级三冲量控制系统 其基本结构如图 （ 3）所示，该系统由主、副两个 PI 调节器和三个冲量（汽包水位、蒸汽流量、给水流量）构成。 与单级三冲量系统相比，该系统多采用了一个 PI 调节器，两个调节器分工明确、串联工作，主调节器 PI1 为水位调节器，它根据水位偏差产生给水流量给定值，副调节器 PI2 为给水流量调节器，它根据给水流量偏差控制给水流量，并消除给水侧的扰动；蒸汽流量信号作为前馈信号用来维持负荷变动时的物质平衡，由此构成的是一个前馈－反馈双回路控制系统。 可见，串级三冲量控制系统比单级三冲量控制系统的工作更合理，控制品质要好，是现场广泛采用的给水控制系统 [5]。 铁岭电厂 3机组 汽包水位控制系统设计 5 H A D H W A D A H W (1)单冲量控制 (2)单级三冲量控制 (3)串级三冲量控制 图 汽包水位控制系统的基本结构 目前，大机火电机组，特别是 300MW 及以上的机组，其汽包水位控制系统 大都采用给水全程控制系统。 这种系统并不是某种单一的单冲量或三冲量控制系统，而是单冲量和三冲量控制系统有机结合所构成的给水控制系统，且具有完善的控制方式自动切换和连锁逻辑。 沈阳工程学院毕业设计（论文） 6 2 给水被控对象的动态特性 在讨论汽包水位控制系统之前，必须先分析被控对象的动态特性，然后才能设计出一个合理的给水控制系统。 给水调节对象的动态特性是指汽包水位的变化与引起水位变化的各种因素之间的动态关系。 汽包水位是汽包中储水量和水面下汽泡容积的综合反映。 所以，水位不仅受汽包储水量变化的影响，而 且还受到汽水混合物中汽泡容积变化的影响。 从水位反映储水量来看，调节对象是一个无自平衡能力的对象，这是因为储水量的变化是由给水流量和蒸汽流量变化引起的，而水位变化后既不能影响给水流量，又不能影响蒸发量，所以说水位调节对象是没有自平衡能力的。 影响汽包水位变化的因素主要有：蒸汽流量D,给水量 W，炉膛热负荷（燃料量 M） ,汽包压力 P等。 汽包水位的动态特性 工业锅炉的汽包水位是正常运行的重要指标之一，水位过高，产生蒸汽带水现象，影响用汽单位的正常生产。 汽包水位过低，会影响锅炉的汽水自然循环，如不及时调节，就会使汽包里的水全部汽化掉，可能导致锅炉烧塌和爆炸事故。 因此，锅炉运行中，保持汽包水位在一定范围是十分重要的自动控制问题。 影响汽包水位变化的因素很多，主要有燃煤量、给水量和蒸汽流量。 燃煤量对水位变化的影响是非常缓慢的，比较容易克服。 因此，我们主要考虑给水量和蒸汽流量对水位的影响。 锅炉水位调节对象的原理结构如图 所示。 图 给水调节对象结构图 1给水母管； 2调节阀； 3省煤器； 4汽包； 5管路； 6过热器； 7蒸汽管 给水调节对象的动态特性是指各种扰动下的汽包水位随时 间变化的特性。 当扰动为阶跃扰动时，对象的动态特性称为阶跃响应曲线。 影响水位变化的原因是很多的，其中锅炉的蒸发量和给水流量的变化是主要的，其它还有炉膛热负荷、汽包压力的变化等原因。 铁岭电厂 3机组 汽包水位控制系统设计 7 各种扰动下水位变化的动态特性 给水流量扰动下对象的动态特性 图 为给水量扰动下水位阶跃响应曲线。 图 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。 图 给水量扰动下水位阶跃响应曲线 在给水流量突然增加的瞬间，锅炉的蒸发 量还未改变，给水流量大于蒸发量，但水位一开始并不立即增加，这是因为温度较低的给水进入省煤器及水循环系统的流量增加了，从原有的饱和汽水混合物中吸取了一部分热量，使水面下的汽泡容积有所减少。 事实上也就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，特别是沸腾式省煤器，给水减轻了省煤器内的沸腾度，省煤器内汽泡总容积减少，因此，进入省煤器内的水首先用来填补省煤器中因汽泡破灭容积减少而降低的水位，经过一段迟延甚至水位下降后，才能因给水不断从省煤器进入汽包而使水位上升。 在此过 程中，负荷还未变化，汽包中水仍在蒸发，因此水位也有下降趋势。 由 H曲线可以清楚地看出给水被控对象内扰的特点是：给水扰动刚刚加入时，由于给水的过冷度影响，水位 H的变化很慢，经过一段时间之后其变化速度才逐渐增加，最后变为按一定速度直线上升，这时就是物质不平衡在起主要作用了，如果给水量和蒸汽量不能平衡，水位就不能确定。 下面简单介绍一下水位在给水扰动下的传递函数。 其扰动传递函数方框图如图 所示，可近似认为是一个积分环节和一个惯性环节的并联或串联的两种形式。 沈阳工程学院毕业设计（论文） 8 图 给水扰动传递函数 方框图 蒸汽流量扰动下对象的动态特性 蒸汽流量扰动下水位的阶跃起反应曲线如图 所示。 当蒸汽流量突然增加（假定供热量及时跟上）时，锅炉的蒸发量大于给水流量，汽包的贮水量应等速下降，又因为汽包是无自平衡对象，所以水位的变化曲线应如图中曲线 H1 所示：实际上当蒸发量突然增加时，在汽水循环系统中的蒸发强度也将成比例的增大，使汽水混合物中汽泡的容积增大；又因炉膛内的发热量并不能及时增加，从而使汽包压力不断下降，降低了饱和温度，促使蒸发速度加快，汽泡膨胀，加大了汽水混合物的总体积，使水位变化过程如图中曲线 H2所示。 水位实际变化曲线是 H1和 H2 之和。 图 蒸汽流量扰动下水位阶跃响应曲线 H1只考虑贮水量变化的水位反应曲线； H2只考虑水面下汽泡容积变化的水位反应曲线； H实际水位反应曲线（ H=H1+H2） 两曲线的叠加，即图中的曲线 H，由图可知，负荷变化时汽包水位的动态特性具有特殊的形式：负荷增加时，蒸发量大于给水量，但水位不是下降反而迅速上升；负荷突然减小时，水位却先下降，然后迅速上升，这就是“虚假水位”现象。 虚假水位的变化情况和锅炉的特性有关，燃料突然减小时（如锅 炉灭火），“虚假水位”约在 2～ 4分钟内即铁岭电厂 3机组 汽包水位控制系统设计 9 达到最低值。 在外部负荷突然减小时（如汽轮机甩负荷），“虚假水位”约在 20秒内即达到最低值，并且，“虚假水位”达到最低值的时间和负荷达到的最低值的时间基本相同。 汽轮机甩负荷扰动下的“虚假水位”现象是相当严重的，这给组成水位自动调节系统带来了困难。 为了维持水位在允许的范围内，运行中应对负荷的一次变动量及负荷变化速度加以限制。 炉膛热负荷扰动下对象的动态特性 当燃料 M 增加时，炉膛热负荷随着增加，水循环系统内的汽水混合物的气泡比例增加，蒸发强度增加。 如果负荷 设备的进气阀不加调节，则汽包饱和压力升高，蒸汽流出量增加，蒸发量大于给水量，水位应该下降。 随着汽包压力的升高，汽水混合物中汽泡的比例将减小，又使得汽水总容积下降；其次，在汽压升高时，汽的比容变小，水的比容变大，总的效果是汽水混合物的比容变化不大。 所以在燃料量扰动下，汽包水位也会因汽包容积的增加水位先上升，因此也会出现“虚假水位”现象，至蒸发量与燃料量相适应时，水位才开始下降，即经过了 Tm时间后水位开始下降。 由于热惯性的原因，这种“虚假水位”没有蒸汽流量扰动下的“虚假水位”那样严重。 图 燃料量扰动下水位阶跃响应曲线 应当指出，蒸汽量、给水量和燃料量在运行中是经常变化的，为保持气压稳定，燃料量与蒸发量必须相互适应，因此这两种扰动总是相伴发生，只是有先后发生的差别。 从各种扰动下水位的动态特性可估计到水位调节的一些缺点：由于存在延迟，等到水位偏离规定值后再去进行调节，水位必然会有较大的变化（尤其是水位反应快的锅炉），水位的偏差也大；在负荷变化时，由于“虚假水位”现象，水位将迅速变化，这种变化幅度不可能用调节给水量来减小。 为维持水位在允许的范围内，必须限制负荷的一次改变量和负荷变化速度； 在负荷变化后的开始阶段，给水流量和负荷的变化方向相反，如果忽视“虚假水位”现象的存在，盲目根据“水位”来调节给水量，将会扩大锅炉进出流量的不平衡，使水位波动加剧，实际工作中应当防止和避免。 沈阳工程学院毕业设计（论文） 10 3 铁岭电厂 3 机组汽包水位控制系统设计 汽包水位控制系统总体方案的确定 为保证机组的安全运行 ， 我们对给水控制系统提出了很高的要求：在控制设备正常的条件下，不需要操作人员干涉，就能保证汽包水位在允许范围内，这是一个比较复杂的过程，因此对给水控制系统提出以下要求： (1)在给水控制系统中，不仅要满足给水 调节的要求，同时还要保证给水泵工作在安全区内，这往往需要有两套控制系统来完成，及所谓的两段调节。 (2)由于机组在不同的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。 随着负荷的增长或降低，系统要能从单冲量过度到三冲量，或从三冲量过度到单冲量系统，由此产生了系统的切换问题，并且必须保证两套系统相互切换的控制线路。 (3)由于给水自动控制范围较宽，对各个信号的准确测量提出了更高的，更严格的要求。 (4)在多种调节机构的复杂切换过程中，给水控制系统都必须保证无扰。 另外，点火后升温升压过程中，由于锅炉没有 输出蒸汽流量，给水量及其变化量都很小，此时单冲量调节系统也不十分理想，就需要开启阀门的方法（双位调节方式）进行水位调节。 (5)给水自动控制还必须适应机组的定压运行和滑压运行工况，必须适应冷态启动和热态启动的情况。 随着锅炉容量和参数的提高，汽包的容积相对减少，锅炉蒸发受热面的热负荷显著提高。 因此加快了负荷变化时水位的变化速度。 企图用人工控制给水量来维持汽包水位不仅操作繁重，而且是非常困难的。 所以，锅炉运行中迫切要求对给水实现自动控制。 给水控制系统设计 汽包水位控制系统的基 本任务 汽包水位调节也叫给水自动调节，其主要任务是： (1)维持锅炉水位在允许的范围内，使锅炉的给水量适应于蒸发量。 锅炉的水位是影响安全运行的重要因素。 水位过高会影响汽水分离装置的正常工作，严重时会导致蒸汽带水增加，使过热器管壁和气轮机叶片结垢，造成事故；对于工业锅炉，蒸汽带水量过多，也要影响用户的某些工艺过程。 水位过低，则会破坏汽水正常循环，以致烧坏受热面。 水位过高或过低，都是不允许的。 所以，正常运行时汽包水位应在给定值的  15mm上下范围波动。 (2)保持给水量稳定。 给水量稳定，有助于省煤器和给水管道的安全运行。 上述两个任务中，第一个任务尤为重要。 实践证明，无论是电站锅炉，或者是工业锅炉，用人工操作调节水位，既不安全，也不经济，其最有效的方法是实现给水自动调铁岭电厂 3机组 汽包水位控制系统设计 11 节。 给水控制系统原理图 300MW 机组给水控制系统 采用两台汽动给水泵和 1 台启动 /备用电动给水泵供水。 控制方案采用单 /三冲量结合，在小负荷时采用单冲量控制，在高负荷时采用三冲量控制。 其原理图如下： 图 41 给水 控制系统原理 图 图 给水控制系统原理图 汽包水位控制系统控制策略设。