汽包锅炉给水水位自动控制系统的设计本科毕业设计(编辑修改稿)

汽包锅炉给水水位自动控制系统的设计本科毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

水量扰动下水位阶跃响应曲线。 图 22 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 22 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。 水位在给水扰动下的传递函数可表示为： )1(1)( ssssWHsW h   内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 11 其扰动传递函数方框图如图 23 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。 其扰动传递函数方框图如图 23 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。 图 23 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 24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 24 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内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 12 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 25 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内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 13 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。 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 14 第 三 章 串级三冲量给水 系统的 信号校正与系统切换 锅炉给水设备及管路连接 锅炉给水管路连接是和机炉连接方式相适应的，可分母管制与单元制两类。 母管制给水系统是指具有全厂锅炉共用的给水母管系统。 全厂所有的给水泵都连在给 水母管上；而每台锅炉的给水调节则用各自连接在给水母管上的给水调节门进行。 典型的连接如图 31 所示。 图 31 母管制锅炉给水系统示意图 在图 31中， 1 门是主给水调节阀， 2 门是备用主给水调节阀，这两个阀门允许通过 100%负荷的给水量； 3 门是旁路给水调节阀，允许通过 25%~30%左右负荷的给水量。 为了防止调节阀全闭时漏流，各条管路上都安装了电动截止门 4， 5 和6。 为了检修方便，在主给水管路上又安装了总的电动截门 7。 此外还装有锅炉点火时省煤器用再循环门和事故放水电动截止门 8 和 9。 另一类是单 元制给水系统，每台单元机组都有自己独立的给水管路系统。 比较典型的有汽动泵 、 电动泵混合型及单纯电动泵组两种。 汽动泵电动泵混合型给水系统共有三台主给水泵，其中两台是可变速的汽动泵，它们在高负荷时使用。 另一台是定速 电动泵，在单元机组启动及低负荷时使用。 由于机组启动阶段还不能得到稳定的气源，汽动变速泵无法使用，故先用电动泵。 这时电动泵通常是工作在定速工况，所以需用给水调节阀调节给水量。 为了保证泵在低负荷内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 15 时出口有足够的流量，防止给水泵产生汽蚀现象，安装了再循环管路。 电 动泵组单元制给水系统结构的典型形式是三台可变速 电动给水泵并联 ，两台运行一台备用，泵的转速变化依靠液压联轴节（靠背轮）滑差实现。 为了保证泵的安全运行特性，通常也装有再循环门和调节阀门。 测量信号的自动校正 锅炉从启动到正常运行或是从正常运行到停炉过程中，蒸汽参数和负荷在很大范围内变化，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。 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。 通常可以采用以下方法进行压力校正。 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 32 汽包水位测量系统 bp 汽包压力； H汽水连通管之间垂直距离，即最大变化范围； h汽包水位高度； 1p ， 2p 夹在差压变送器两侧的压力； s 饱和蒸汽的密度； G 饱和水的密度； a 汽包外平衡容器内凝结水的密度 图 32表示单元单容器平衡测量系统。 从图中可以看出： )(1 hHhp sG   Hp a2 12 ppp  = hHhHhH sGsassGa )()(   内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 16 sGsa pHh    )( （ 31） 当 H 一定时，水位 h 是压差和汽、水密度的函数。 密度 a 与环境温度有关，一般可取 50℃时水的密度。 在锅炉启动过程中，水温略有增加，但由于同时压力也升高，两种因素对 a 的影响基本上可抵消，即可近似地认为 a 时恒值。 而饱和水和饱和蒸汽的密度 G 和 s 均为汽包压力 bp 的函数，即 )( )( bbsG basa pf pf    由式（ 31）可以改写成 )()( bb ba pf ppfh  （ 32） 按照式（ 32）可以设计出水位压力自动校正线路，如图 33所示。 图 33 水位压力自动校正线路 图 33中函数组件 1f （ x）、 2 f （ x）分别模拟式（ 32）中 )( ba pf 和 )( bb pf。 计算和试验表明，密度与汽包之间的函数曲线可以看出 sa   与 bp 的关系在较大范围内可以近似地认为是线性关系，即 39。 1)( ksa  bpk39。 2 )()( 39。 239。 1 bsa pkkHH   bsa pkkH 21)(   内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 17 则式（ 31）可以改写为 )(21 bb bpf ppkkh  （ 33） 按式（ 33）可设计出较为简便的水位自动校正线路，如图 34 所示。 图 34 水位压力自动校正线路二 、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。 但在对系统进行 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 ： 1 0 0 0pTppkpkD  （ 34） 式中 D过热蒸汽流量； 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 18 P过热蒸汽压力； T过热蒸汽温度； p 节流件差压；  过热蒸汽密度； k流量系数。 按式（ 34）可设计出过热蒸汽流量信号的压力，温度自动校正线路如图 35所示。 图 35 过热蒸汽流量信号的压力、温度自动校正线路图 计算和实验结果表明：当给水温度为 100℃不变，压力在 变化时，给水流量的测量误差为 %；若给水压力为 不变，给水温度在100290℃温度范围内变化时，给水量测量误差为 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 36所示。 若给水温度变化不大，则不必对给内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 19 水流量测量信号进行校正。 给水流量测量装置切换系统 图 36 给水流量信号温度校正线路 给水流量测量信号的准确性与压力、温度的校正精度有关，但主要取决于高、低负荷时流量的测量精度。 一般，大型单元机组的给水管路系统如图 37 所示。 上面的一路为主给水，在高负荷时使用；下面一路为流量较小的旁路给水，锅炉启停过程中及低负荷运行时用它供水；中间一路为辅助给水，当主给水管路发生故障或因水压过低而主给水供不应求时使用。 图中 1， 2， 3 为 截止 阀， 4， 5， 6 为调节阀，7 为总截止 阀。 旁路给水管路中的最大流量只有主给水管路流量的 30%左右，如果采用一个孔板测量给水流量，在低负荷时必然会产生较大的测量误差。 为此，给水泵系统中安装了 2两个孔板。 在锅炉启停及低负荷运行时，用旁路孔板 2测量给水量，高负荷时用主管路孔板 1 测量给水量。 对于这种采用两个测量元件的给水流量测量系统，需要用一个流量信号运算回路，如图 38所示。 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 20 图 37 给水管路系统示意图 图 38 给水流量信号运算回路 由于旁路给水管路中的实际流量为主给水管路的 1/4 左右，因 此测量旁路给水流量的变送器输出信号要用乘法器乘以 的系数，以便使旁路给水流量信号与主给内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 21 水流量信号具有同样的变化范围。 在比较器 1 中，主给水流量信号 1w 减去旁路给水流量信号 w ，此差值信号在另一乘法器中乘可变系数 k ，乘法器的输出为)( 21 wwk  ， k 值由比例偏置器 p 调整。 当给水流量大于 25%时， k 值由 1 向零逐渐变小，当流量达到 30%时 0k ，这时旁路给水流量信号消失，转入主给水管路的给水流量测量。 可见比较器 2 的输出信号为 )( 211 wwkww  其中 w总给水流量信号； 1w 主给水流量信号； 2w 旁路给水流量信号。 由上式可以看出，当 1k 时， 1w = 2w ；当 0k 时， w = 1w ，这样就实现了在低负荷时用旁路管路上的孔板 2 测量给水流量，高负荷时用主给水管路上的孔板 1测量给水量的要求，从而提高了 测量 精度。 图 39 中表示的也是一个大小孔板 测量 切换的线路，大负荷时用大孔板，小负荷时用小孔板，高低负荷切换时，测得的流量信号也进行无扰切换。 图 39 给水流量测量信号系统 在图 39中， 1W 经过大孔板的给水流量； 2W 经过小孔板的给 水流量； 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 22 1r 大孔板、流量变送器、 I/U 转换及开方器合在一起的测量系统总的系数； 2r 小孔板等测量系统总的系数； W 最后测得的给水流量信号，它如用指示表表示出来，系数值用 1r （即按大孔板测量范围作为指示仪表的测量范围）； k 0～ 1变化的系数。 其他符号意义可从图中看出。 如果把图 39中各个环节参数配合恰当，则可以得到以下结果 ： kWkWW 21 )1(  （ 35） 图 39 中用虚线框表示的部分，是一个比例限幅电路，通过恒流给定器 GH 输出与大孔板测量信号 1m 比较，经比例放大后，再限制其最大输出值（ n=0～ 10），使k =0～ 1变化。 k 的变化应满足以下的要求： 当截门还未 打开，给水流量较小时，应使 k =1，测量值以小孔板测量为准，有2WW ； 当截门全开，给水流量很大时，应使 0k ，。