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1、大机组汽包锅炉给水控制系统的设计与研究摘要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，针对其可靠运行直接关系到整个发电系统的安全问题，采用单冲量和三冲量控制系统有机结合的控制策略，应用自动控制理论对单元机组给水的要求和特点进行了全面的分析，使单元机组给水全程控制从锅炉点火到机组满负荷运行，始终保持汽包水位在允许的范围内，而且系统稳态误差小，控制精度高，超调量小。此外还提出了在系统设计时应注意的几个关键问题，这对单元机组给水全程控制系统的设计和调试均具有一定的参考价值。关键词：三冲量；串级；切换；跟踪 DESING AND RESEARCH OF DRUM LEVEL FUL
2、L CONTROL AbstractThe full-range feed-water control system is a main subsystem of thermo-electric generating unit in coordinated control. Its reliability is most closely related to the safety of whole power network. The feed-water features and requirements of thermo-electric generating unit were ana
3、lyzed comprehensively based on basic automatic control theories. and the control strategy was realized by combining three-impulse with single-impulse feed-water control system. From startup to full load operation, The full-range feed-water control system always keeps the steam level within an accept
4、able range. The system has the characteristics of higher water level control accuracy, smaller overshoot and lower error in steady state. In addition, several key design techniques are presented, which can be applied to the design and debugging of The full-range feed-water control systemKeywords: th
5、ree element control；cascade configuration；switch ；track目 录摘要IABSTRACTII目 录I1绪论11.1课题的研究背景及意义11.2国内外全程给水研究现状11.3课题主要研究工作22 给水被控对象的动态特性32.1 全程控制的概念32.2 给水控制对象的动态特性32.2.1 给水流量扰动下水位的动态特性32.2.2 蒸汽流量扰动下水位的动态特性52.2.3 炉膛热负荷扰动下水位的动态特性63 全程给水控制系统需解决的关键问题73.1 信号的自动校正73.1.1水位信号的压力校正73.1.2过热蒸汽流量信号的压力、温度校正93.1.3
6、给水流量信号的温度校正103.2给水泵安全特性要求113.3切换问题123.3.1 给水流量的测量装置的切换问题123.3.2 大小调节阀门的切换问题143.3.3 系统的无扰切换问题154 给水自动控制系统方案185 给水全程控制系统设计225.1全程给水系统说明226 仿真及整定246.1 子系统仿真246.2 全程给水系统仿真266.3 鲁棒性测试28全文总结30参考文献31致 谢321绪论1.1课题的研究背景及意义随着电力需求的增长，以及能源和环保的要求，我国的火电建设开始向大容量、高参数的大型机组靠拢。但是，火电机组越大，其设备结构就越复杂，自动化程度要求也越高。汽包水位是汽包锅炉非
7、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。维持汽包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，使过热器管壁和气轮机叶片结垢。严重时，会导致蒸汽带水，造成汽轮机水冲击而损坏设备。水位过低则会破坏水循环，严重时将引起水冷壁管道破裂。因此，汽包水位控制一直受到很高的重视。另一方面，随着锅炉参数的提高和容量的增大，汽包的相对容积减少，负荷变化和其他扰动对水位的影响将相对增大。这必将加大水位控制的难度，从而对水位控制系统提出了更高的要求。但是，由于给水系统的复杂性，真正能实现全程给水控制火电机组还很少。因此，对全程给水控
8、制进行优化，增强给水系统的控制效果和适应能力成为迫切需要的问题。1.2国内外全程给水研究现状目前，我国将火电建设的重点放在大容量、高参数、高自动化、高效益的机组上来，因而对电厂控制设备可靠性的要求越来越高，控制策略也向高精度、高效率、高稳定性的方向发展。同时，随着电力行业体制改革及电网商业化运营、竞价上网的需要，以及火电机组要适应电网自动发电控制(AGC)的需求，这必然要求机组各控制系统实现自动调节，因而对火电厂热工自动化系统进行技术改造已成为必然。汽包水位控制系统在国内新建机组中基本都实现了水位全程调节，但在老机组的控制系统中由于存在各种客观和主观因素，真正实现锅炉给水全程控制的机组还为数不
9、多，大多数只实现了高负荷时水位自动调节系统的投入。这主要是因为老机组的控制仪表较落后，而当时技术条件又不够成熟，用于实现水位调节的控制设备多为一些组件组装仪表，如西安仪表厂的 MZ-系列组装仪表、上海 FOXBORO 公司的 SPEC-200 微机组件组装式仪表等。因而在实现控制策略及控制逻辑等方面受到了限制。同时，因为就地控制设备的可靠性不高，使得当时国内火电厂热工自动化水平整体较落后。在最近几年，通过对老机组的技术改造，特别是分散控制系统（DCS）的改造成功，已经使机组的自动化水平上了一个台阶。一些在常规仪表中无法实现的功能，由于 DCS 系统的灵活组态及计算机控制技术的优越性已完全可以实
10、现，因而实现对机组各控制系统的全程调节已完全成为可能。锅炉给水全程控制，是指机组在启、停过程中，正常运行和负荷变化时均能实现锅炉给水的自动控制。在大型火力发电机组锅炉给水全程控制中，由于机组在高、低负荷下运行时具有不同的对象特性，一般控制系统采用单冲量、三冲量控制等变结构控制方案。给水系统一般采用经济性极佳的变速给水泵，除采用液力偶合器的电动给水泵、汽动给水泵外，还需要采用一套调节系统，保证给水泵工作在安全区域内。国内机组实现全程给水控制考虑的方案一般是在低负荷时，用启动调节阀控制汽包水位，调速给水泵维持给水母管压力，采用单冲量的控制方式；高负荷时，使用调速给水泵控制汽包水位，大旁路调节阀维持
11、给水压力，采用三冲量的控制方式。它由单冲量和三冲量两个调节回路组成全程给水控制, 当负荷大于30%时为三冲量,当负荷小于 30%或三冲量变送器故障时为单冲量。1.3课题主要研究工作本文围绕给水控制优化这一主题，立足于低负荷给水控制优化设计，同时对高负荷阶段给水泵协调控制方法进行了研究，从真正意义上实现从机组的启动到正常运行，又到停炉冷却全部过程均能自动控制。本论文主要作了以下几方面的研究工作:(I )深入分析给水对象的动态特性，阐述了现今给水全程控制中存在的缺陷和不足。并根据给水分段式控制的原则，分别从低负荷和高负荷两个方面入手研究其改进方法;(2 ) 针对低负荷阶段给水对象复杂、难控的现状，
12、分析了问题的形成机理。在充分利用PID调节器进行控制的条件下，提出了以多变量解耦控制理论为基础的低负荷给水控制方案，并且对单冲量给水控制提出了改进建议和方法;(3 )对给水控制的经济性进行的分析，提出了自己思考的改进办法。同时针对还处于手动控制的给水调节阀切换，设计了自动无扰切换回路。2 给水被控对象的动态特性2.1 全程控制的概念目前，大型火电单元机组都采用机、炉联合启动的方式，锅炉、汽轮机按照启动曲线要求进行滑参数启动。具有中间再热的单元机组多采用定压法进行滑参数启动。随着机组容量的增大、参数的提高，在启动和停机过程中需要监视和操作的项目增多，操作的频率也增高，采用人工调节已不适应生产要求
13、，而必须在启、停过程中也实现自动控制。所谓全程控制系统是指机组在启停过程和正常运行时均能实现自动控制的系统。全程控制是相对常规控制系统而言的，全程控制包括启停控制和正常运行工况下控制两方面的内容。常规控制系统一般只适用于机组带大负荷工况下运行，在启停过程或低负荷工况下，一般要用手动进行控制，而全程控制系统能使机组在启动、停机、不同负荷工况下自动运行。以给水控制系统为例，常规串级三冲量给水系统只能在负荷达到额定负荷 70%时，才能投入自动，在此以前全部为手动操作，而全程给水系统从锅炉点火启动开始便可以投入自动。2.2 给水控制对象的动态特性汽包水位是由汽包中的储水量和水面下的汽泡容积决定的，因此
14、凡是引起汽包中储水量变化和水面下的汽泡容积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。汽包水位动态特性较为复杂，一是对汽包水位扰动有四个来源，二是“虚假水位”问题的存在，特别是后一个问题使得人们设计出“三冲量”给水控制系统。了解、掌握汽包水位动态特性是保证给水自动控制系统顺利投入的基本要求。2.2.1 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 2.1 所示
15、。图 2.1 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的变化如图中曲线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，但由于给水温度低于汽包内饱和水的温度，给水吸收了原有饱和水中的部分热量使水面下汽泡容积减少，实际水位响应曲线可视为由H1和H2两条曲线叠加而成，所以扰动初期水位不会立即升高。当水面下汽泡容积的变化过程逐渐平衡，水位就反应出由于汽包中储水量的增加而逐渐上升的趋势，最后当水面下汽泡容积不再变化时，由于进、出工质流量不平衡，水位将以一定的速度直线上升。这种特性可由下列近似传递函数表示：式中： -水位响应速度，即单位给水量扰动时，水位的变化速度，mm.s.h.t；- 迟延时间，s。和的大小和锅炉容量及参数有关。对于蒸发量为 410t/h，参数为 10MPa、540的高压炉，=10s，=0.015 mm.s.h.t；对于容量为 670t/h，参数为 14MPa、540的超高压炉，=510s，=0.00950.0125 mm.s.h.t。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，
