第十一章 汽包锅炉给水自动控制系统

1、 第十一章 汽包锅炉给水自动控 制系统 第一节 引言 一、一、给水控制的任务给水控制的任务 汽包锅炉给水自动控制的任务是使锅炉的给水量适应锅汽包锅炉给水自动控制的任务是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。炉的蒸发量，维持汽包水位在规定的范围内。 汽包水位间接反映了锅炉蒸汽负荷与给水量之间的平衡汽包水位间接反映了锅炉蒸汽负荷与给水量之间的平衡 关系。关系。 汽包水位过高，会影响汽包内汽水分离装置的正常工作，汽包水位过高，会影响汽包内汽水分离装置的正常工作， 造成出口蒸汽水分过多而使过热器管壁结垢，容易烧造成出口蒸汽水分过多而使过热器管壁结垢，容易烧 坏过热器。汽包出口蒸

2、汽中水分过多，也会使过热汽坏过热器。汽包出口蒸汽中水分过多，也会使过热汽 温产生急剧变化，直接影响机组运行的安全性和经济温产生急剧变化，直接影响机组运行的安全性和经济 性。汽包水位过低，则可能破坏锅炉水循环，造成水性。汽包水位过低，则可能破坏锅炉水循环，造成水 冷壁管烧坏而破裂。冷壁管烧坏而破裂。 二、给水控制对象的动态特性 给水流量扰动下水位的动态特性给水流量扰动下水位的动态特性 有惯性的无自平衡能力有惯性的无自平衡能力 曲线曲线1为不考虑水面下汽泡为不考虑水面下汽泡 容积变化，仅考虑物质不平衡容积变化，仅考虑物质不平衡 时的水位反应曲线，为积分环时的水位反应曲线，为积分环 节的特性，节的特

3、性， 曲线曲线3为不考虑物质不平衡为不考虑物质不平衡 关系，只考虑给水流量变化时关系，只考虑给水流量变化时 水面下汽泡容积变化所引起的水面下汽泡容积变化所引起的 水位变化，水位变化， 曲线曲线2可以认为是曲线可以认为是曲线1和和3 的合成。的合成。 蒸汽流量扰动下的水位的动态特性蒸汽流量扰动下的水位的动态特性 炉膛热负荷扰动下水位控制对象的动态特性炉膛热负荷扰动下水位控制对象的动态特性 第二节 给水自动控制系统 根据的特点，确定基本思想：根据的特点，确定基本思想： （1）由于对象的内扰动态特性存在一定的）由于对象的内扰动态特性存在一定的 迟延和惯性，因此，应考虑采用串级或其迟延和惯性，因此，应

4、考虑采用串级或其 它控制方案。它控制方案。 （2）由于对象在蒸汽负荷扰动（外扰）时，）由于对象在蒸汽负荷扰动（外扰）时， 有有“虚假水位虚假水位”现象，应考虑采用以蒸汽现象，应考虑采用以蒸汽 流量流量D为前馈信号的前馈控制，以改善给水为前馈信号的前馈控制，以改善给水 控制系统的控制品质。控制系统的控制品质。 所以电站汽包锅炉的给所以电站汽包锅炉的给 水自动控制普遍采用水自动控制普遍采用 三冲量给水自动控制三冲量给水自动控制 系统方案，如图系统方案，如图115 所示。所示。 单级三冲量给水控制系统单级三冲量给水控制系统 系统结构和工作原理系统结构和工作原理 当蒸汽流量增加时，调节器立即动作，相应

5、地增当蒸汽流量增加时，调节器立即动作，相应地增 加给水流量，能有效地克服或减小虚假水位加给水流量，能有效地克服或减小虚假水位 所引起的调节器误动作。所引起的调节器误动作。 因为调节器输出的控制信号与蒸汽流量信号的变因为调节器输出的控制信号与蒸汽流量信号的变 化方向相同，所以调节器入口处，化方向相同，所以调节器入口处，主蒸汽流主蒸汽流 量信号量信号VD为正极性的。为正极性的。 给水流量信号作为反馈信号，其主要作用是快速给水流量信号作为反馈信号，其主要作用是快速 消除来自给水侧的内部扰动，因此在调节器入口消除来自给水侧的内部扰动，因此在调节器入口 处，处，给水流量信号给水流量信号VW为负极性的。为

6、负极性的。 当汽包水位当汽包水位H增加时，为了维持水位，调节器的增加时，为了维持水位，调节器的 正确操作应使给水流量减小，反之亦然，因此调正确操作应使给水流量减小，反之亦然，因此调 节器入口处水位信号节器入口处水位信号VH应定义为负极性，但由于应定义为负极性，但由于 汽包锅炉的水位测量装置平衡容器本身已具有汽包锅炉的水位测量装置平衡容器本身已具有 反号的静特性，所以反号的静特性，所以进入调节器的水位变送器信进入调节器的水位变送器信 号号VH应为正极性。应为正极性。 ) 511(00WDHHWDVVVVVVVV或 静态时，这三个输入信号与代表水位给定值的信号静态时，这三个输入信号与代表水位给定值

7、的信号V0相平衡，即相平衡，即 如果在静态时使送入调节器的蒸汽流量信号如果在静态时使送入调节器的蒸汽流量信号VD与给定水流与给定水流 量信号量信号VW相等，则水位信号相等，则水位信号VH就等于给定值信号就等于给定值信号V0，即汽，即汽 包中的水位将稳在某一给定值。包中的水位将稳在某一给定值。 如果在静态时如果在静态时VDVW，则汽包中的水位稳定值将不等于给，则汽包中的水位稳定值将不等于给 定值（即定值（即VHV0）。）。 一般情况下选择静态时一般情况下选择静态时VD=VW ，因而使控制过程结束后，因而使控制过程结束后 汽包水位保持给定的数值汽包水位保持给定的数值。 串级三冲量给水控制系统 串串

8、 级级 三三 冲冲 量量 给给 水水 控控 制制 系系 统统 串级三冲量给水控制系统串级三冲量给水控制系统 副调节器的任务是用以消除给水压力波动等因素引起的副调节器的任务是用以消除给水压力波动等因素引起的 给水流量的自发性扰动以及当蒸汽负荷改变时迅速给水流量的自发性扰动以及当蒸汽负荷改变时迅速 调节给水流量，以保证给水流量和蒸汽流量平衡；调节给水流量，以保证给水流量和蒸汽流量平衡； 主调节器的任务是校正水位偏差。主调节器的任务是校正水位偏差。 可以根据对象在外扰下虚假水位的严重程度来适当加强可以根据对象在外扰下虚假水位的严重程度来适当加强 蒸汽流量信号的作用强度，从而改变负荷扰动下的蒸汽流量信

9、号的作用强度，从而改变负荷扰动下的 水位控制品质。水位控制品质。 可见，串级三冲量系统比单级三冲量系统的工作更合理，可见，串级三冲量系统比单级三冲量系统的工作更合理， 控制品质要好一些。控制品质要好一些。 第三节 给水全程控制系统 全程控制的概念全程控制的概念 全程控制系统是指机组在启停过程和正常运行时均能实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。现自动控制的系统。 全程控制包括启停控制和正常运行工况下控制两方面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。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，常规控制系统一般只适用于机组带大负荷工况下

10、运行， 在启停过程和低负荷工况下，一般要由手动进行控在启停过程和低负荷工况下，一般要由手动进行控 制，而全程控制系统能使机组在启动、停机、不用制，而全程控制系统能使机组在启动、停机、不用 负荷工况下自动运行。负荷工况下自动运行。 单元机组全程控制系统由机炉全程控制子系统组成。主单元机组全程控制系统由机炉全程控制子系统组成。主 要包括锅炉给水全程控制系统，主蒸汽温度全程控要包括锅炉给水全程控制系统，主蒸汽温度全程控 制系统，机炉全程协调控制系统等。其中，给水全制系统，机炉全程协调控制系统等。其中，给水全 程控制系统的应用最为广泛。程控制系统的应用最为广泛。 对给水全程控制系统的要求对给水全程控制

11、系统的要求 （一）锅炉从启动到正常运行的过程中，蒸汽参数（一）锅炉从启动到正常运行的过程中，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 流量和蒸汽流量的测量准确性受到影响，为了流量和蒸汽流量的测量准确性受到影响，为了 实现全程控制，必须要求这些实现全程控制，必须要求这些测量信号能自动测量信号能自动 地进行压力、温度校正。地进行压力、温度校正。 （二）现代大型单元机组的给水流量控制很少采用（二）现代大型单元机组的给水流量控制很少采用 阀门节流的方式，而多通过控制变速给水泵的阀门节流的方式，而多通过控制变速给水泵的 转速实现给水量的自动控制。因而在给

12、水全程转速实现给水量的自动控制。因而在给水全程 控制系统中不仅要满足给水量控制的要求，同控制系统中不仅要满足给水量控制的要求，同 时还要保证时还要保证给水泵工作在安全工作区内给水泵工作在安全工作区内。 （三）由于锅炉给水对象的动态特性在不同负荷时（三）由于锅炉给水对象的动态特性在不同负荷时 是不一样的。因此在高、低负荷时要采用不同形是不一样的。因此在高、低负荷时要采用不同形 式的系统。低负荷（一般指蒸汽流量低于额定值式的系统。低负荷（一般指蒸汽流量低于额定值 的的30）时，机组处于滑压运行过程，参数较低，）时，机组处于滑压运行过程，参数较低， 负荷变化范围小，虚假水位不太严重，因此可以负荷变化

13、范围小，虚假水位不太严重，因此可以 考虑采用单冲量控制系统，高负荷时要采用三冲考虑采用单冲量控制系统，高负荷时要采用三冲 量控制系统。因此，随负荷的变化出现两种系统量控制系统。因此，随负荷的变化出现两种系统 的切换问题，而且的切换问题，而且必须保证这种切换应是双向无必须保证这种切换应是双向无 扰的扰的。 （四）在多种调节机构的复杂切换过程中，给水全（四）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。在低负荷不同的调节阀门，必须解决切换问题。在低负荷 时采用改变阀门开度来保持泵的出口

14、压力，高负时采用改变阀门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。阀门与调速泵间的过渡切换问题。 （五）给水全程控制还必须适应机组定压运行和滑（五）给水全程控制还必须适应机组定压运行和滑 压运行工况，必须压运行工况，必须适应冷态启动和热态启动情况适应冷态启动和热态启动情况。 测量信号的自动校正测量信号的自动校正 一、水位信号的压力校正一、水位信号的压力校正 )1911( )( )( )()( )( 12 2 1 sG sa sGsa ssGa a sG PL h HL HLHL PPP LP

15、 HLHP 当当L一定时，水位一定时，水位H是差压和汽、水密度的函数。密度是差压和汽、水密度的函数。密度a 与环与环 境温度有关，一般可取境温度有关，一般可取50水的密度。在锅炉启动过程中，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，两种因素对水温略有增加，但由于同时压力也升高，两种因素对a的影的影 响基本上可抵消，即可近似地认为响基本上可抵消，即可近似地认为a是恒值。而饱和水和饱是恒值。而饱和水和饱 和汽的密度和汽的密度G 和和s均为汽包压力均为汽包压力Pb的函数即的函数即 所以式所以式(1119)可改写为可改写为 )( )( bb sG ba sa Pf Pf )20

16、11( )( )( bb ba Pf PPf H 从图从图1116中曲线可以看出，中曲线可以看出，(as)与与Pb的关系在较大的关系在较大 范围内可近似地认为是线性关系，即范围内可近似地认为是线性关系，即 则式则式(1120)可改写为可改写为 按式按式(1121)可设计出较为简便的水位自动校正线路，如图可设计出较为简便的水位自动校正线路，如图 1117所示所示。 b sa b s b sa PKKL PKKLL PKK 21 21 21 )( )()( )( )2111( )( 21 bb b Pf PPKK H 采用具有双室平衡容器的水采用具有双室平衡容器的水 位取样装置进行水位校正。位取样

17、装置进行水位校正。 )2211( sG P LH 过热蒸汽流量信号的压力、温度校正过热蒸汽流量信号的压力、温度校正 100 61.566.1 100 57.18 2.10 p p pKpkD D过热蒸汽流量；过热蒸汽流量； P过热蒸汽压力；过热蒸汽压力； 过热蒸汽温度；过热蒸汽温度； P节流件差压；节流件差压； 过热蒸汽密度；过热蒸汽密度； K流量系数；流量系数； 自动校正线路如图自动校正线路如图1119所示所示 为了避免高温高压节流元为了避免高温高压节流元 件因磨损带来的误差，件因磨损带来的误差， 美国公司提出了用汽机美国公司提出了用汽机 调速级压力调速级压力P1代替蒸代替蒸 汽流量信号。线

18、路结构汽流量信号。线路结构 如图如图1120所示所示。 三、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 100290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1121 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。 变速给水泵的安全工作区变速给水泵的安全工作区 变速泵下限特性决定了不同变速泵下限特性决定了不同 压力下水泵的最大负荷能力。压力下水泵的最大负荷能力。 当锅炉

19、负荷升到一定程度，当锅炉负荷升到一定程度， 即给水流量较大时，如果安即给水流量较大时，如果安 全工作区较窄，则工作点可全工作区较窄，则工作点可 能会移到下限特性曲线之外，能会移到下限特性曲线之外， 因此需采取措施加以防止。因此需采取措施加以防止。 目前采用的方法是提高上水目前采用的方法是提高上水 管道的阻力，即关小泵出口管道的阻力，即关小泵出口 流量调节阀门，以提高泵的流量调节阀门，以提高泵的 出口压力，使工作点重新移出口压力，使工作点重新移 入安全区内。入安全区内。 总之，采用变速泵构成给水全程控制系统时，应包总之，采用变速泵构成给水全程控制系统时，应包 括以下三个子系统：括以下三个子系统：

20、 （一（一) 给水泵转速控制系统。根据锅炉负荷要求，控制给水给水泵转速控制系统。根据锅炉负荷要求，控制给水 泵转速，改变给水流量。泵转速，改变给水流量。 （二）给水泵最小流量控制系统。通过增大水泵再循环流量（二）给水泵最小流量控制系统。通过增大水泵再循环流量 的办法来维持水泵流量不低于设计要求的最小流量值，的办法来维持水泵流量不低于设计要求的最小流量值， 以保证给水泵工作点不落在上限特性曲线的外边。以保证给水泵工作点不落在上限特性曲线的外边。 （三）给水泵出口压力控制系统，通过控制给水调节阀，维（三）给水泵出口压力控制系统，通过控制给水调节阀，维 持给水泵出口压力，保证给水泵工作点不落在最低压

21、持给水泵出口压力，保证给水泵工作点不落在最低压 力力Pmin 线下和下限工作特性曲线之外。线下和下限工作特性曲线之外。 五、单元制锅炉给水全程控制方案五、单元制锅炉给水全程控制方案 方案一方案一 方案二方案二 方案三方案三 方案四方案四 方案五 方案五方案五 第四节第四节 300MW单元机组给水全程控制系统实例单元机组给水全程控制系统实例 给水热力系统简介给水热力系统简介 说明说明: 图图1129为给水热力系统示意图。为给水热力系统示意图。 给水泵包括一台汽动泵和两台电动泵。每台电动泵容量为给水泵包括一台汽动泵和两台电动泵。每台电动泵容量为 50MCR（最大额定流量），汽动泵容量为（最大额定流

22、量），汽动泵容量为100MCR。 每台泵都有再循环管路，当系统工作在低负荷时再循环管每台泵都有再循环管路，当系统工作在低负荷时再循环管 路的阀门能自动打开，保证泵出口有足够流量，防止汽蚀。路的阀门能自动打开，保证泵出口有足够流量，防止汽蚀。 低负荷运行时旁路阀工作，调节锅炉给水量，控制水位，低负荷运行时旁路阀工作，调节锅炉给水量，控制水位， 同时电动泵维持在最低转速运行，保证泵的安全特性。同时电动泵维持在最低转速运行，保证泵的安全特性。 高负荷时，阀门开到最大，为减小阻力主给水电动门也打高负荷时，阀门开到最大，为减小阻力主给水电动门也打 开，通过调节给水泵转速直接控制给水流量，为一段调节。开，

23、通过调节给水泵转速直接控制给水流量，为一段调节。 给水全程控制系统原理给水全程控制系统原理 热工信号的测量热工信号的测量 水位信号水位信号 )2411( )( )( 2 1 b b Pf PPf H 给给 水水 流流 量量 信信 号号 主主 蒸蒸 汽汽 流流 量量 信信 号号 控制过程分析控制过程分析 1、启动、冲转及带、启动、冲转及带25负荷负荷 单冲量系统单冲量系统 给水旁路阀从给水旁路阀从0100控制控制 2、升负荷、升负荷2530 单冲量单冲量 电动给水泵转速电动给水泵转速 3、30100阶段阶段 三冲量三冲量 给水泵转速给水泵转速 （1）负荷达）负荷达w 打开主给水电动门打开主给水电

24、动门 （2）30A三冲量电动泵控制三冲量电动泵控制 （3）DA负荷时，开始启动汽动泵，完成汽动泵和电动负荷时，开始启动汽动泵，完成汽动泵和电动 泵的转换泵的转换 说明：各负荷的切换点考虑了说明：各负荷的切换点考虑了2的不灵敏区，避免由于负的不灵敏区，避免由于负 荷波动系统在切换点处来回切换。荷波动系统在切换点处来回切换。 系统间的无扰切换系统间的无扰切换 负荷负荷30时时 采用三冲量系统。单冲量调节器采用三冲量系统。单冲量调节器PI4通过通过T1的常闭点的常闭点 NC跟踪三冲量电动泵副调节器跟踪三冲量电动泵副调节器PI3的输出，所以由三的输出，所以由三 冲量切换到单冲量也是无扰动的。冲量切换到

25、单冲量也是无扰动的。 阀门和泵的运行及切换阀门和泵的运行及切换 低负荷时采用旁路阀控制，高负荷时采用改变泵低负荷时采用旁路阀控制，高负荷时采用改变泵 的转速来控制，两者的无扰切换是通过函数组的转速来控制，两者的无扰切换是通过函数组 件件f1(x)、切换开关、切换开关T2及及PI3的跟踪实现的。因的跟踪实现的。因 为为f1(x)产生连续函数，而产生连续函数，而PI3通过通过T2的的NC点跟点跟 踪踪f1(x)的输出，且当阀门开足时才开始调泵的的输出，且当阀门开足时才开始调泵的 转速，所以从调阀到调泵的切换是无扰的转速，所以从调阀到调泵的切换是无扰的 电动泵与汽动泵的切换电动泵与汽动泵的切换 以电动泵运行，汽动泵取代电动泵为例。以电动泵运行，汽动泵取代电动泵为例。 （a）正常倒换，即电动泵操作器处在自动位置，汽动泵操）正常倒换，即电