热能与动力工程专业毕业论文300mw单元机组汽包水位控制系统分析设计与仿真

I 摘 要 锅炉给水控制系统是火力发电厂非常重要的控制子系统，稳定的汽包水位是汽包锅 炉安全运行的重要指标。火电厂给水系统构成复杂，汽包水位受到机组负荷、汽包压力、 温度、给水量等多项参数的影响：不同负荷阶段，给水设备不同，又需要采取不同的控 制方式。目前使用的火电厂给水控制系统存在着各自的不足之处，往往难以满足火电机 组复杂工况的要求。针对这些情况，为了保证汽包水位维持在要求值，本文首先分析了 给水控制对象的动态特性，在此基础上设计出了采用汽动调速泵、电动调速泵、调节阀 三者结合的汽包水位控制系统，低负荷时通过改变旁路调节阀的开度来调节给水量，用 单冲量控制系统控制汽包水位；高负荷时通过改变给水泵转速改变给水量，用串级三冲 量控制系统控制汽包水位，保证对汽包水位蒸汽流量和给水流量的准确测量。给水调节 阀、汽泵、电泵之间，单冲量系统和三冲量系统之间都能实现无扰切换，既能满足机组 全程控制要求，又有良好的调节性能和运行经济性。 关键词关键词：锅炉给水控制；三冲量控制系统；单冲量控制系统 II The Design Of Boiler Feedwater Control System Of The 300MW Thermal Power Unit Abstract Feedwater Control System is one of the most important control system in a thermal Power plant . Stabilization of the drum level is one of essential parameter which indicated safe operation of the drum boiler. Drum level is affected by the unit load, press and temperature of the drum, feedwater flux and etc. Because of using different equipment at different stages, it should apply different control methods. The effect of full range feed-water control system does not often be satisfied when power unit is in difficult situation because of its imperfect. In order to maintain the level of the drum water in requested value, Basing on analysis of feed-water character firstly, this system adopts timing which is moved by steam and electromotion- timing pump and adjusting valve. It utilizes bypass valves to regulate the feed-water and uses single impulse to control the level of drum in lower load. At the high load condition, change the rotating speed of steam or electricity feed water pumps to ensure the water level of the drum, using three impulse to control the level of drum .The level of steam and feed-water can be measured nicety. Non-disturbance switching can be realized among feed-water valves, steam and electricity driven pumps, single and three impulse. That not only meet the requirements of the whole-course control of the unit, but also ensure the satisfactory regulating performance and operating economics. It also have nice regulate performance and circulating economy. Keywords: Boiler feed-water control; Three-element control system; Single-element control system 目 录 摘摘 要要 I ABSTRACTII 1 绪论绪论1 1.1 课题背景及其意义1 1.2 锅炉给水控制系统的发展和现状1 1.2.1 西门子公司全程给水系统设计方案6-82 1.2.2 ABB 贝利公司全程给水系统设计方案9,104 1.2.3 FOXBORO 公司全程给水系统设计方案11-135 2 汽包锅炉给水控制系统汽包锅炉给水控制系统8 2.1 锅炉给水全程自动控制系统的概念148 2.2 给水全程自动控制系统的任务158 2.3 给水全程自动控制系统的要求15,3 8 2.4 给水控制对象的动态特性15-179 2.4.1 给水量扰动下水位变化的动态特性10 2.4.2 蒸汽流量扰动下水位变化的动态特性10 2.4.3 炉膛热负荷扰动下水位变化的动态特性11 2.5 给水全程控制的基本方案15-1812 2.5.1 单冲量给水控制系统12 2.5.2 单级三冲量给水控制系统13 2.5.3 串级三冲量给水控制系统14 2.6 300MW 机组全程给水自动控制系统的设计与分析1515 2.6.1 信号测量15 6.2 给水控制系统结构16 2.6.3 系统工作原理16 2.6.4 控制过程中的跟踪与切换17 2.6.5 逻辑信号的形成18 2.7 给水 RB 分析18 2.7.1 给水泵 RB 的定义18 2.7.2 给水泵 RB 过程18 2.7.3 给水泵 RB 逻辑分析19 3 汽包水位控制系统的汽包水位控制系统的 M ATLAB 仿真仿真 20 3. 1 控制系统的分析和整定20 3. 2 汽包水位控制系统 SIMULINK 模型设计20 3. 3 汽包水位控制系统仿真21 结论结论23 参考文献参考文献24 致致 谢谢25 1 1 绪论绪论 1.1 课题背景及其意义 随着电力需求的增长，我国的火力发电开始向建设大容量、高参数的大型机组方向 发展。扩大单机容量可使发电容量迅速增长以适应生产发展的需要，同时可使基建投资 下降、设备费用降低、减少运行费用以及节约金属材料消耗。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。我国最近几年新建的 300MW，600MW 火 电机组基本上都采用国内外最先进的分散控制系统（DCS） ，对全厂各个生产过程进行集 中监视和分散控制。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。汽包水位维持在一定允许范围内，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 和汽轮机叶片结垢。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变形爆裂1。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，汽包的相对容积减小，负荷 变化和其它扰动对水位的影响将相对增大。这必将加大水位控制难度，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的火 电机组还很少2。因此，对全程给水控制系统进行全面的学习和掌握，是本文的重点内容。 全程给水控制在控制汽包水位满足要求过程中发挥着不可估量的作用，没有一个好 的给水全程控制系统，不但不能满足水位控制的要求、降低经济效益，有时甚至会带来 灾难性的后果。因此，对给水全程控制系统的研究，在电力生产过程中有着重大的作用。 当前，电力行业正在进行“场网分离，竞价上网”的市场改革，同时电网要求各大型机 组的负荷能够接受电网调度直接遥调（AGC） ，这些对机组的运行提出了更高的要求。完 善和优化全程给水控制无疑是一个非常具有现实意义的课题。 1.2 锅炉给水控制系统的发展和现状 现在随着单元机组容量的增大和参数的提高，机组在启停过程中需要监视和控制的 项目越来越多，因此，为了机组的安全和经济运行，必须实现锅炉给水从机组的启停到 正常运行，又到停炉冷却全部过程均能实现自动控制。锅炉在不同负荷和参数时，给水 被控对象的动态特性是不同的，低负荷时由于蒸汽参数低，负荷变化小，虚假水位现象 不太严重，通常对维持水位恒定的要求又不高，因此，一般可采用给水调节阀调节汽包 2 水位，给水泵维持给水差压相结合的控制方式和单冲量给水控制方式。在高负荷时，由 于水位动态特性复杂，且汽包存在着严重的“虚假水位”现象，为了保证给水系统的安全可 靠，高负荷时大多采用串级三冲量控制系统3-5。 1.2.1 西门子公司全程给水系统设计方案6-8 西门子公司设计的 350MW 机组全程给水控制系统分为给水启动调节阀控制系统和给 水泵转速控制系统两部分。 给水启动调节阀控制系统实际上就是给水压力控制系统，其工作原理简化方框图如 图 1.1 所示。显然这是一个前馈反馈控制系统。其作用是当锅炉启动及低负荷工况时， 维持给水泵出口母管压力在安全工作范围，同时协助给水泵转速控制系统稳定汽包水位。 PT1 Y=F(x) 主汽流量 D + + 主汽压力 + + MAX 给水泵保护压力 Pp+1.5MPa Pmin最小压力 + - + - 泵出口差压P 至转速控制系统 X-t X PI 启动阀开度 校正系数 给水启动调节阀 图1.1给水启动调节阀控制系统示意图 前馈通道 转速控制偏差 E 给水压力测量值 MIN MAX Pm 给 水 母 管 压 力 PBPCPAPT 它有如下几个特点： 给水压力测量信号是根据三台给水泵出口压力的最大值与给水母管压力经小 选及一阶惯性环节滤波后的输出。这样设计的目的主要是为了在冷态启动和 正常运行以及热态启动时，给水泵都能安全工作。机组正常运行和冷态启动， 主给水母管压力总是小于给水泵出口压力。所以此时启动阀控制系统的被调 量为给水母管压力测量信号，启动调节阀开度的改变是为了维持给水母管压 3 力等于其设定值。当机组处于热态启动工况时主给水母管压力大于给水泵口 压力。此时，选择工作给水泵出口压力的最大值作为启动阀控制系统的被调 量，这样在给水泵升压过程中，就可以使启动阀处于关闭状态，直到给水泵 出口压力大于主给水母管压力时为止。从而保证给水泵在热态启动过程中安 全运行： 为了保证锅炉正常供水及给水泵的安全运行，给水压力设定值是根据四个信 号中的最大值所决定的。 该系统引入了给水泵转速控制偏差信号的微分前馈。当给水泵转速偏差大， 且该偏差变化速度也大时，说明实际水位低于设定值较多，应很快增加给水 流量，此时，该前馈信号增大，使给水启动阀开大，以协助转速控制系统增 加给水流量。 系统根据给水泵出口至省煤器入口之间差压值的大小，形成一个锅炉给水启 动阀开度校正系数。该差压越大，表明给水流量越大，此时给水启动阀开度 校正系数减小，启动调节阀控制系统的开环增益下降，给水启动调整阀门开 度的动作快慢，是给水流量在满足要求的条件下尽可能稳定。 给水泵转速控制系统实际上就是汽包水位控制系统。其工作原理示意图如图 1.2 所示。 H1-H dx/dt + - + + Pk dx/dt D-W 单/三冲量控制信号切换回路 e1 dx/dt nmax + - H11-H +- Pp P MAX ep ek e3 D15% 给水泵安全 保护回路 MIN X + 开关增益 调整系数 给 水 泵 出 力 同 步 回 路 给 水 泵 出 口 流 量 + + PIPI PI B汽泵转 速控制 电泵转速 控制 A汽泵转 速控制 转速控制偏差E （去启动调节阀控制回路） Pk-汽包压力信号e1-单冲量控制信号e3-三冲量控制信号 ek-水位偏差ep-泵出口压力偏差 图1.2给水泵转速控制系统示意 图 该系统由单/三冲量信号形成及它们的切换回路、给水泵安全保护回路、给水泵出力同步 回路及给水泵转速控制回路等组成。其控制特点是，在三冲量控制系统中引入了汽包压 力的负微分前馈和蒸汽流量的微分前馈。运行过程中，蒸汽流量变动（即机组负荷调整） 和炉膛热负荷干扰都会引起汽包压力的变化。若负荷增加，汽包压力就会下降，其负微 分前馈信号要求加大给水流量，蒸汽微分前馈也要求加大给水流量，以克服虚假水位对 系统的影响。可见，该系统的设计方案与国内其他设计相比有其独特之处。但是，值得 指出的是，如果炉膛热负荷增加时，汽包压力就会上升，其负微分前馈信号要求减少给 水流量，是虚假水位降低，而降低的水位信号又会要求给水流量增加。这两个相反的控 制信号作用到 PI 调解器上，如果参数整定不合适，将使给水泵的转速造成大的变化而引 起汽包水位波动。 1.2.2 ABB 贝利公司全程给水系统设计方案9,10 ABB 贝利公司设计的给水控制系统采用两段式给水控制模式，即在启动和低负荷时 通过控制给水旁路阀和给水泵转速来维持汽包水位和给水压力；在高负荷时通过控制两 台汽动给水泵转速来调节给谁流量，从而控制汽包水位。这与西门子公司的设计有所不 同。 汽包水位H PIDPID V TA 100% 给水旁路阀指令 OR NOT 电泵运行 汽动闭锁阀开关 PID 电泵流量 AT AT T 给水差压 控制输出 给水差压控制 V 电泵指令 图1.3 ABB公司低负荷给水控制系统示意图 在高负荷时，采用串级三冲量给水控制模式对两台汽动给水泵进行控制，而电动给 4 水泵则处于热备用的状态。串级三冲量给水控制是指系统利用汽包水位偏差、给水流量、 以及蒸汽流量作为串级 PID 的输入，以汽包系统的物质平衡和能量平衡为调节目标的控 制方式。两台汽动给水泵具有多输出系统功能。经过串级 PID 调节输出的给水控制指令， 平均分配后送至汽动给水泵控制回路，调节汽动给水泵的转速来调节给水流量。其控制 回路如图 1.4 所示。 汽包水位H A PID PID 总给水流量蒸汽流量 K PIDPID ATAT TT 汽泵B遥控汽泵A遥控 VV 汽泵A指令汽泵B指令 图1.4 ABB公司高负荷给水控制系统示意图 1.2.3 FOXBORO 公司全程给水系统设计方案11-13 FOXBORO 公司设计的给水控制系统与 ABB 贝利公司设计的又有所不同。该公司设 计的给水控制系统也是在启动和低负荷时，通过控制给水旁路阀和给水泵转速来维持汽 包水位和给水压力；高负荷时通过控制两台汽动给水泵转速来控制汽包水位。虽然给水 控制模式相同，但控制策略有所改变。在启动和低负荷时，单冲量汽包水位控制通过采 用同时调节电动给水泵转速和给水旁路阀的开度来调节给水流量。对给水压力没有设计 专门的控制回路，对电动给水泵和给水旁路阀谁负责调节给水流量和谁负责调节给水压 力，没有做出明确的分工。其控制示意图如图 1.5 所示。 PI Track PI Track PI Track SF FW FPD A 汽包水位H T 单/三冲量切换 K2 K1 AOUT BIAS T AOUT BIAS T TA I TA I 给水旁路阀指令电泵指令 图1.5 FOXBORO公司低负荷给水控制系统示意图 在自动工况时发，汽包水位信号与来自电动泵手/自动操作站由运行人员设置的水位 给定值信号进行比较，如两者出现偏差，则驱动单冲量控制器输出调节指令。通过切换 器输出的给水流量指令进行比例分配后分别送至给水旁路阀和电动给水泵控制回路，以 控制旁路阀的开度和电动泵的转速。此控制设计对给水旁路阀和电动给水泵的协调配合 要求较高，合理的指令分配系数是控制效果好坏的主要因素之一。在高负荷阶段的给水 控制策略与 ABB 公司的设计方案基本相似，如图 1.6 所示。其区别主要在于：在串级 PID 调节输出的给水控制指令和汽动给水泵控制回路之间增加了一个纯积分的控制回路。 5 采用起平衡放大器作用的纯积分块和起平均作用的运算块来实现多台执行器之间分别投 自动时实现无平衡、无扰动切换。当系统自动时，给水控制指令作为纯积分调节器的远 方给定，两台汽动给水泵的实际输出指令之和的平均值作为纯积分调节器的测量信号输 入。当系统由自动切换到手动时，纯积分调解器的作用是可调其输出，使串级三冲量副 调的输出自动跟踪信号，避免了调节器因偏差信号长期存在而进入积分饱和段。 PI Track PI Track PI Track A FW 汽包水位H SF /nB A V AOUT BIAS T AOUT BIAS T TA I TA I BA 汽泵A汽泵B 图1.6 FOXBORO公司高负荷给水控制系统示意图 目前，我国大型火电机组的给水控制基本上还是采用经典的 PID 控制算法。不同的 控制公司在给水控制策略的设计上虽然各有特点， ，各有差异，但基本上还是遵循了单冲 量和三冲量控制相结合的控制模式，采用的也基本上是调阀和调泵相结合的控制方法。 虽然从理论上讲，现有的控制方法应该可以实现机组的全程给水自动。另外，机组在高 负荷时，虽然可以实现三冲量给水自动且正常情况时效果也不错。但其控制系统的鲁棒 性较差，适应异常工况的能力和出现设备故障情况时的自调整能力也较差。因此，如何 实现全程给水控制是现今控制工程人员急于解决的问题。 6 2 汽包锅炉给水控制系统汽包锅炉给水控制系统 2.1 锅炉给水全程自动控制系统的概念14 顾名思义，给水全程自动控制应该是在锅炉给水全过程中都是自动控制的，即能在 控制设备正常的条件下，不需要操作人员的干涉，就能保持汽包水位在允许的范围内。 因为随着发电机组容量和参数的不断提高，机组的控制与运行管理变的越来越复杂和困 难。尤其当机组承担变动负荷时，不仅用电负荷剧烈变化，而且机组的启停次数也增加 了。机组在启停过程中，需要监视的参数多，而且操作控制的项目也大大增加。这时运 行人员更需要各个自动化系统能发挥作用，用以减轻运行人员的劳动强度，保证机组的 安全运行。10因此，现代大容量单元机组迫切需要在不同负荷和工况下都能起良好控制 作用的自动控制系统，这就产生了全程给水控制系统。 2.2 给水全程自动控制系统的任务15 汽包锅炉给水控制的任务是使给水量适应锅炉蒸发量，并使汽包中的水位保持在一 定范围内，具体要求有以下两个方面： 维持汽包水位在一定范围内。汽包水位是影响锅炉安全运行的重要因素，水位过 高，会破坏汽水分离装置的正常工作，严重时会导致蒸汽带水增多，从而增加在过热器 管壁上和汽轮机叶片上的结垢，甚至使汽轮机发生水冲击而损坏叶片；水位过低，则会 破坏水循环，引起水冷壁的破裂。 正常运行时的水位波动范围：（30-50）mm 异常情况：200mm 事故情况 ：350mm 保持稳定的给水量。稳定工况下，给水量不应该时大时小地剧烈波动，否则，将 对省煤器和给水管道的安全运行不利。 2.3 给水全程自动控制系统的要求15,3 给水全程自动控制比常规给水控制要复杂的多，因此，对给水全程自动控制系统提 出以下要求： 实现全程控制可以采用改变调节阀门的开度，但由于在大型机组中给水泵消耗功 率多，不经济，故一般多采用改变给水泵转速来改变给水量，在全程控制中，不仅要满 足给水量调节的要求，同时还要保证给水泵工作在安全区内。 由于机组在高、低负荷呈现出不同的对象特征，要求控制系统能适应这种特性， 7 随着负荷的增长和下降，系统要从单冲量过渡到三冲量系统，或从三冲量过渡单冲量系 统，由此产生了系统的切换问题，并且必须有保证实现相互无扰切换。 由于全程控制系统的工作范围较宽，对各个信号的准确测量提出了更严格的要求， 例如，在高低负荷不同的情况下，给水流量的数值相差很大，必须采用不同的孔板测量， 这样就产生了给水流量测量装置切换的问题。 在各种调节机构的工作过程中，给水全程控制系统都必须保证无干扰，随着负荷 大小的变化，需要不同的调节阀门调节给水，这就要求解决切换问题，在低负荷时采用 改变阀门的开放来保持泵的出口压力，高负荷时采用改变调速泵的转速来保持水位，这 又产生了阀门与调速泵间的切换问题。点火后升温升压过程中，由于锅炉没有输出蒸汽 量、给水量及其变化量很小，此时单冲量调节系统也不十分理想，就需要用开启阀门的 方法（双位调节方式）进行水位调节，在这些切换中，系统都必须在相应的安全可靠性， 才能保证给水泵工作在安全工作区内。 给水全程控制还必须适应机组定压运行和滑压运行工况。必须适应冷态起动和热 态起动。 2.4 给水控制对象的动态特性15-17 汽包锅炉给水自动控制的任务是维持汽包水位在一定范围内变化。汽包锅炉给水控 制对象的结构如图2.1所示。汽包水位是由汽包中的贮水量和水面下的汽包容积所决定的， 因此凡是引起汽包中贮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、蒸汽流量D、汽包压力Pb、炉膛热负荷等，其 中以给水扰动、蒸汽流量和炉膛热负荷较为严重。实际生产中，应用给水流量调节作为 控制汽包水位的手段，即采用给水流量作为汽包水位控制系统的控制变量。蒸汽流量和 炉膛热负荷的扰动视为外扰。下面着重讨论在给水量W、蒸汽流量D、炉膛热负荷Q扰动 下的水位变化的动态特性。 调节阀 给水母管 省煤器 汽包 水 循 环 管 路 过热器 图2.1 汽包炉给谁控制对象的结构图 8 2.4.1 给水量扰动下水位变化的动态特性 给水量的扰动是给水自动控制系统中影响汽包水位的主要扰动之一，因为它是来自 控制侧的扰动，又称内扰。在给水量扰动下水位变化的阶跃响应曲线如图2.2所示。图中 H1为不考虑水下面蒸汽蒸发面以下的蒸汽容积变化的响应曲线，这个水位变化是由于水 和汽的物质不平衡引起的。虚线H2为给水过冷度所引起的水位变化曲线（即给水温度低 于汽包内饱和水温度），给水的过冷度越大，H2的变化幅度越大。H为水位受到给水阶跃 扰动后的实际响应曲线，可以认为是由H1和H2合成的。由H曲线可以清楚地看出给水被 控对象的特点是：给水扰动刚刚加入时，由于给水过冷度的影响，水位变化很慢，经过 一段时间之后其变化速度才逐渐增加，最后变为按一定速率直线上升。这时就是物质不 平衡起主要作用了，如果给水量和蒸汽流量不能平衡，水位将不能稳定。由给水阶跃响 应曲线可以求出滞后时间和响应速度。延长H曲线的直线段与时间轴的交点为A，与 纵坐标的交点为B， 则： O W tw O H t B H2 H H1 A 图2.2 给水扰动时的水位阶跃响应曲线图 OAHOB 大小与锅炉省煤器的构造形式及锅炉容量的大小有关。对于300MW非沸腾炉应 为30s到100s之间。水位在给水扰动下的传递函数可表示如下： 水位对象可近似认为是一个积分环节和一个惯性环节并联的形式。 2.4.2 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组的负荷变化，属于外部扰动，这是一个经常发 生的扰动。在蒸汽流量发生扰动的情况下，水位的阶跃响应曲线如图2.3所示。 ssssssW sH 11)( )( 9 汽轮机的用汽量突然增加（假定锅炉供热量及时跟上）时，锅炉的蒸发量大于给水 量，从汽包的储水量来看，水位变化应如图中H1所示。但是，当锅炉的蒸发量突然增加 时，由于蒸发面以下饱和水迅速汽化而使水位变化曲线如H2所示，而实际显示出的水位 响应曲线如H所示。从图上可以看出，当负荷增加时，虽然汽包的进水量小于蒸发量，但 是在一开始汽包水位不仅不下降，反而迅速上升，这就是“虚假水位”现象。当汽包的容积 已与负荷相适应而达到稳定后，水位就主要随物质不平衡的关系而下降。蒸汽流量扰动 时，水位变化的动态特性传递函数为： 可近似认为是一个积分环节和惯性环节并联而成。 D D0 O O t t D H2 H1 H 图2.3 蒸汽扰动时的水位阶跃响应曲线图 图 2.3 所示的蒸发量扰动下的水位阶跃响应曲线只是定性地表明水位变化的特点，实 际进行动态试验时是很难造成蒸汽流量阶跃扰动的。如果只改变用汽量，就会引起汽压 的变化，这时“虚假水位”会更严重些。 2.4.3 炉膛热负荷扰动下水位变化的动态特性 此处的炉膛热负荷扰动即是指燃烧率 M 的扰动。当燃烧率扰动时，例如燃料量增加 使炉膛热负荷增加，这时锅炉蒸发强度增大而气压升高，即使汽机调节气门开度不变， 蒸汽流量也会有所增加。这样，蒸汽流量大于给水流量，水位应该下降。但蒸发强度增 大同时也使汽包水面下汽泡体积增大，因此也会出现“虚假水位”现象。只是在这种情况下， 蒸汽流量增加的时候汽压也增大了，因而使汽泡体积的增加比蒸汽流量扰动时要小，所 以， “虚假水位”在幅值和变化速度上都相对较小，但其持续时间长。其响应曲线图和图 2.3 相似，但是水位上升较少，而滞后时间较大，这时由于燃料量增加使发热量增加的同 M 时，汽压 P 也增加，使汽泡体积增加较少，从而使水位上升较少；另一方面，由于蒸发 量随燃料量的增加有惯性和时滞，这就导致较大。 M ssT K sD sH 2 2 1)( )( 10 2.5 给水全程控制的基本方案15-18 2.5.1 单冲量给水控制系统 锅炉在低负荷（一般在 25%45%额定负荷以下）运行时， “虚假水位”现象并不太严 重，对维持水位恒定的要求不高，所以允许采用单冲量给水控制系统（即控制器指接受 汽包水位一个被控参数） 。 单冲量给水控制系统的基本原理如图 2.4 所示。该系统是一个只采用汽包水位信号和一 个调节器的反馈控制系统。在这个系统中，水位信号经过平衡容器转换成差压、再经差 压变送器转换成电信号 Ih。假设由于某种原因使汽包水位发生变化，如水位 h 下降时， 则差压增加（这是双室平衡容器的特性） ，Ih 增大，Ih 大于其给定值 Ih0，调节器（一般 为比例积分调节器）的输入偏差大于零，调节器的输出 It 增加，阀门开度增大，给水流 量增加，水位 h 回升，差压减小，Ih 减小，使调节器的输入偏差减小。当偏差逐渐消失 时，调节器的输出便不在变化，这就实现了无差调节。 但是，对于内扰迟延大和外扰时“虚假水位”明显的水位现象，该系统存在严重不足， 简述如下：假使某时刻发生负荷扰动，蒸汽流量增加D，蒸汽流量大于给水流量，正确 的控制作用应及时增加给水流量。但是由于“虚假水位”的存在使水位不是下降而是上升。 于是下降，调节器输入偏差小于零，It 下降，阀门开度减小，W 减少，使本来已有的 Ih 流量不平衡进一步扩大了。不难想象，虚假水位过后紧接着的是水位急剧下降。这就扩 大了动态偏差，延长了调节过程时间。另一方面，水位下降后，在控制作用下增加给水 流量时，由于给水内扰通道有较大的迟延，调节效果不能及时反映出来。这就是说，即 使给水流量增加到大于蒸汽流量，被调量水位并不能马上上升，调节器输入偏差持续大 给给水水调调节节阀阀 差差压压变变送送器器 调调节节器器 执执行行器器 过过热热器器 Ih+ Ir u 给给定定Ih0 图2.4 单冲量给水控制系统原理图 11 于零。这可能使给水流量反过来大于蒸汽流量，加剧了系统的震荡，延长了调节过程的 时间，甚至不能满足生产过程的要求。所以，对于大、中型锅炉不宜采用单冲量控制系 统。 单冲量给水控制系统结构简单，可用于内扰迟延小，外扰时“虚假水位”不严重的小型 锅炉，也可用于大型机组的低负荷阶段的给水控制中。这是因为在低负荷阶段由于锅炉 疏水和排污等因素的影响，使给水流量和蒸汽流量存在着严重的不平衡，且流量太小， 测量误差教大。同时，因汽包压力低虚假水位也不严重，不宜采用三冲量控制。 2.5.2 单级三冲量给水控制系统 单级三冲量控制系统的基本结构如图 2.5 所示。该系统采用一个调节器（一般为 PI 调节器）其输入为汽包水位信 Ih、汽包水位定 Ih0、蒸汽流量信号 Id 和给水流量信号 Iw。调节器的输入偏差信号为 e=Ih-Ih0+Id-Iw 执执行行器器 调调节节器器 变变送送器器 变变送送器器 变变送送器器 给给水水调调节节器器 u It Id IhIw + Ih0给给定定 W 省省煤煤器器 过过热热器器 D 图2.5 单级三冲量给水控制系统原理图 在平衡状态下，汽包水位 h 等于水位给定值 h0、蒸汽流 D 等于给水流量 W，故= h I ，=，调节器输入偏差 e 等于零，输出保持不变。蒸汽流量信号的引入是为了 0h I d I w I d I 克服虚假水位引起的调节器误动作。例如，当蒸汽流量 D 增加时，由于虚假水位的影响， 使水位上升，下降，这将使调节器的输入偏差 e 变负，下降，使给水流量减小。但 h I t I 与此同时，加入调节器输入端的前馈信号也增加了。的作用是要增加给水流量。显 d I d I 然，如果的大小整定得当，就可抵消虚假水位的影响。给水流量的引入可以克服给 d I w I 水流量内扰，及时反映控制效果，改善调节品质。例如，当某种原因引起给水流量增加 12 时，由于内扰通道的迟延，水位不能立即上升，但增加了，这使调节器的输入偏差 e w I 变为负值，调节器的输出使阀门开度变小，及时减小了给水流量，这就大大降低了给水 流量内扰对水位的影响。这个克服给水流量内扰的控制过程是在给水流量变送器、调节 器、执行器、调节阀组成的闭合回路中进行的，该回路称为内回路，或局部反馈回路。 因为内回路不包括有迟延的水位对象，所以动作很快，可以迅速消除内扰。由汽包水位 信号形成的闭合回路是给水控制系统的主回路，或称外回路。这个回路包括水位变送器、 调节器、执行器、调节阀和汽包水位对象含（省煤器） 。无论外扰还是内扰使汽包水位偏 离给定值时，都会使调节器的输入偏差发生变化，从而改变调节器的输出，改变调节阀 的开度，改变给水流量，使水位朝着减小和消除被调量偏差的方向变化。并最终使汽包 水位等于给定值（假定稳定时等于） 。 d I w I 与单冲量控制系统相比，该系统引入了用于克服虚假水位的蒸汽流量信号（前馈 d I 信号）和用于抑制给水内扰的给水流量信号（局部反馈信号） ，所以称为三冲量系统。 w I 当蒸汽流量改变时，通过前馈控制作用，可及时改变给水流量，力图维持进出锅炉内的 物质平衡，这有利于克服虚假水位现象；当给水流量发生自发性扰动时，通过局部反馈 控制作用，可抑制这种扰动对给水流量以及汽包水位的影响。有利于减少汽包水位的波 动。因此，三冲量给水控制系统在克服扰动维持汽包水位稳定和提高给水控制质量方面 优于单冲量给水控制系统。 原则上，在负荷达到一定值以上、疏水和排污阀逐渐关闭、汽和水趋于平衡、流量 逐渐增大、测量误差逐渐减小时，可采用三冲量控制方式。但由 e=-+-可以看 h I 0h I d I w I 出，单级三冲量控制系统要求蒸汽流量和给水流量的测量值在稳态时必须相等，否则汽 包水位将存在偏差，因为只有当等于，才能保证调节器偏差为零时被调量水位等于 d I w I 给定值。事实上由于检测、变送设备的误差等等因素的影响，蒸汽流量和给水流量这两 个信号的检测值在稳态时难以作到完全相等，而且前馈信号的大小还应按尽可能克服 d I 虚假水位的影响来整定，单级三冲量控制系统采用一个调节器，参数整定时难以兼顾较 多的因素，所以，在目前已较少采用单级三冲量给水控制系统。12 2.5.3 串级三冲量给水控制系统 串级三冲量给水控制系统的基本结构如图 2.6 所示。 执执行行器器 副副调调节节器器 主主调调节节器器 变变送送器器 变变送送器器变变送送器器 Iw D 省省煤煤器器 Ih+ Ih0 Id It1 + + Ig W 过过热热器器 It2 图2.6 串级三冲量给水控制系统原理图 该系统由主副两个调节器和三个冲量（汽包水位、蒸汽流量、给水流量）构成。与 单级三冲量相比，该系统多用了一个调节器，两个调节器分工明确、串联工作。主调节 器为 PI 调节器，也称水位调节器，它根据水位偏差产生给水流量给定值。主调节器输出 稳定的必要条件是=，故系统能实现无差调节副调节器为给水流量调节器，它根据 h I 0h I 给水流量偏差控制给水流量，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。内回路是由给水流量变送器、副 调节器、执行器、调节阀组成的闭合回路，由于内回路不包括迟延较大的水位对象，副 13 调节器的比例积分作用可以整定的很强。当给水流量内扰时，通过内回路的作用可以迅 速消除；当蒸汽流量外扰时，通过内回路的作用可以使给水流量迅速跟踪蒸汽流量变化。 该系统结构复杂，但各调节器的任务比较单纯，系统参数整定相对单级三冲量系统要容 易些，而且该系统不要求稳态时给水流量和蒸汽流量信号严格相等，可保证稳态时汽包 水位无稳态偏差，其控制品质较高，是现场广泛采用的给水控制系统。 2.6 300MW 机组全程给水自动控制系统的设计与分析15 2.6.1 信号测量 （1）汽包水位。三个汽包水位检测信号首先分别通过压力补偿，然后通过“选择逻辑 通道”，选择恰当的值作为最终的汽包水位信号，其测量原理 SAMA 图如图 2.7 所示。 （2）给水流量。由省煤器前给水流量最终测量值加上过热器、级喷水减温器的 减温水流量测量值后，减去锅炉连续排污流量测量值，形成给水流量信号。其测量原理 SAMA 图如图 2.8 所示。 （3）主蒸汽流量。三个汽轮机调节级压力信号经温度修正和“三选一”通道处理后， 再经函数器转换，并加上旁路流量，形成主蒸汽流量信号。其测量原理 SAMA 图如图 2.9 所示。 6.2 给水控制系统结构 （1）汽泵控制系统 SAMA 图如图 2.10 所示。 （2）电泵和旁路阀控制系统 SAMA 图如图 2.11 所示。 （3）各种逻辑形成 SAMA 图如图 2.12、2.13 所示。 （4）运行方式如图 2.14 所示。 2.6.3 系统工作原理 （1）启动、冲转及带 25%负荷。此阶段采用单冲量系统通过调节给水旁路阀开度来 维持汽包水位在给定范围内，电动给水泵维持在最低转速，汽动给水泵手/自动操作器 1AM 强迫为手动状态，汽动泵超驰全关，主给水电动门也关闭，给水旁路阀从 0%100%调 节。 单冲量调节器 4PI（IE）的输入为水位测量值 H 和给定值 Ho 的偏差，其输出经 3AM 手/自动操作器去控制给水旁路阀，同时可进行阀位显示。三冲量电动泵的副调节器 （3PI）处于自动跟踪状态，通过切换开关 T2 的 NC 点使 3PI 的输出跟踪函数发生器 F1（X）的输出，再通过 2AM 手/自动操作器使电动泵维持在最低转速运行。 min n （2）升负荷 25%30%。此阶段采用单冲量系统调节电动给水泵转速。此时三冲量 系统尚不能使用，给水旁路阀已全开，只能提高给水泵转速来满足给水量的增加，T2 仍 接 NC，F1（X）的输出值随调节信号变化，通过 3PI 的自动跟踪使调节信号控制电动泵 转速，实现由阀门控制到电动泵转速控制给水量的无扰过渡。 由于单冲量调阀系统与单冲量调泵系统对象特性不同，且调节器整定参数不同，所 14 以 4PI 为变参数调节器。 （3）30%100%阶段。此阶段采用三冲量系统调节给水泵转速方案。这是调节系统 的正常工况。给水旁路阀锁定在全开位置不再关闭，以减少系统不必要的扰动。 负荷达 W%，电动泵转速为时打开主给水电动门。此时泵的转速已提高，当主 x n 给水电动门打开以后，管道阻力突然减少，调节系统使泵转速自动下降一些时，泵转速 已有可能下降。另外，在三冲量系统投运情况下开主给水电动门，由于三冲量系统抗内 扰能力比单冲量系统强得多，所以调节质量能得到保证。 30%A%负荷阶段采用电动泵控制给水量。此时系统为三冲量电动泵调节， 3PI（3E 电动副调节器）不再跟踪 4PI（1E）的输出，而是处于自动调节状态，通过 2AM 手/自动操作器控制电动泵