第07章 汽包锅炉给水控制系统

1、 汽包锅炉给水控制的任务是使给水量适应锅炉蒸发 量，并使汽包的水位保持在一定范围内： （1）维持汽包水位在一定的范围内。汽包水位是影响 锅炉安全的重要因素。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 生水冲击而毁坏叶片；水位过低，则会破坏水循环，引 起水冷壁的破裂。 正常运行时水位波动范围：（3050）mm 异常情况: 200 mm 事故情况：超出（350 mm） （2）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。 汽包炉给水控制对象结构如图7-

2、1: 影响水位的因素主要有： 锅炉蒸发量（负荷D），给水量W，炉膛热负荷（燃 烧率M），汽包压力Pb。 图7-1 汽包炉给水控制的结构系统 一、给水量扰动下水位变化的动态特性 图7-2中曲线1为沸腾式省煤器情形下的水位的动态 特性。曲线2则是非沸腾式省煤器时的水位动态特性。 图7-2 给水量扰动时水位阶跃响应曲线 水位在给水扰动下的传递函数可表示为 ( ) ( )1(1) H sT W ssTssTs 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： ( ) ( ) s H s e W ss 2蒸汽流量扰动下水位的动态特性 “虚拟水位” ：由于负荷增加时，在汽水循环回路 中的蒸发强

3、度也将成比例增加，水面下汽泡的容积增加 得也很快，此时燃烧率M还来不及增加，汽包中水的体 积增大而水位上升。 传递函数 2 2 ( ) ( )(1) H sk D sT ss 3炉膛热负荷扰动下水位变化的动态特性 图7-4 燃料扰动下水位阶跃响应曲线 炉膛热负荷扰动即是指燃烧率M的扰动。 燃烧率增加时，锅炉吸收更多的热量，使蒸发 强度增大，如果不调节蒸汽阀门，由于锅炉出口汽 压提高，蒸汽流量也增大，这时蒸发量大于给水量， 水位应下降。但由于在热负荷增加时蒸发强度的提 高，使汽水混合物中的汽泡容积增加，而且这种现 象必然先于蒸发量增加之前发生，从而使汽包水位 先上升，从而引起“虚假水位”现象。当

4、蒸发量与 燃烧量相适应时，水位便会迅速下降，这种“虚假 水位”现象比蒸汽量扰动要小一些，但其持续时间 长。 一、单级三冲量给水控制系统 图7-5 单级三冲量给水控制系统结构图 1工作原理 调节器接受三个信号（H、W、D），其输出通过 执行机构去控制给水量W，其中水位H是主要控制信 号，水位高时应减少给水流量，水位低时应增加给水 流量。 蒸汽流量D和给水流量W的变化是引起水位变化 的主要原因（扰动信号），它们分别作为水位控制的 前馈信号和反馈信号。当D改变时，调节器PI动作。适 当地改变给水量W，保证D和W比值改变；而当W自发 地改变时，PI也立即动作使W恢复原来数值，有效地 控制水位的变化。

5、图7-6 单级三冲量给水控制系统原理 单级三冲量给水控制系统的原理方框图如图7-6所示。 2H、W、D三信号的静态配合 进入PI调节器的三个信号IH、ID、IW必须与给定值I0 平衡，即 IDIW IH = I0 图7-7 水位静态特性 （1）ID = IW时，则水位信号 IH就等于给定值信号I0，即汽包 水位在不同负荷时恒等于给定值， 如图7-7中的水平线a。 （2）ID IW时，则水位H在 不同负荷时为上升静态特性，如 曲线b。 （3）ID 1，并通过试验减少W。为了不 降低内回路品质，同时要减小2。 （2）外回路。在主回路中，把内回路看作是一 个随动系统，便可按单回路整定方法整定。 三、

6、给水流量加惯性的单级三冲量给水控制系统 图7-10给水流量加惯性的三冲量 给水控制系统结构图 图7-11 图7-10的原理方框图 区别在于它在给水流量反 馈回路中加了一个一阶惯性环 节，所以在分析内回路时有些 不同。 图7-12主回路等效图 ( ) (1) h Ws T s s e = + * (1) ( ) (1) G T s Ws T s s e+ = + 其中 等效对象 并使 TG= T，则有 s sW )( * 等效调节器 * * 1 )( WW H T sW 由于等效对象变为一个无延迟无惯性的纯积分环 节，所以调节效果将大为改善。 这种系统的优劣之处： （1）在给水回路中加入惯性环节

7、后，副回路发生 内扰时，系统消除内扰的能力减弱了，势必使给水被调 量的幅度增大，对保持给水稳定性是不利的； （2）对于主回路来说，如前所述，由于等效对象 的惯性减少了，对于水位信号的稳定和整个回路的调节 品质都有好处。 由于水位调节回路的等效调节器变成了PD规律， 所以对大延迟系统的调节品质有益。这种调节品质是在 牺牲给水回路控制品质的基础上，使水位回路的控制品 质得到改善，因此在负荷变化频繁，水位经常变动的情 况下使用为宜，这时方可加上水位限幅作为大型锅炉给 水控制方案。 四、附加蒸汽流量负微分信号、给水流量信号加惯性的 三冲量给水控制系统 图7-13 附加蒸汽流量负向微分、给水流量加 惯性

8、的三冲量给水控制系统 这个系统在给水流量信号回路中 加入了一个惯性环节1/(1+TGs)， 在蒸汽流量信号回路中增加了一 个实际微分环节KdTds/(1+Tds)。 副回路的分析与前面系统相同， 传递函数可近似为(1+TGs)/WW， 相当于一个等效PD调节器， *=WW， T*d=TG 主回路通常设TG =T，使对象等效成一个积分环节， 与图7-10系统相同，这样做的目的是为了改善控制品质。 图7-14图7-13的原理方框图 微分信号作为前馈加入系统旨在减少水位调节过程 中的动态偏差。 所谓“负微分”，是因为这个经过微分器的信号作 用方向与蒸汽流量信号的作用方向相反。能有效地克服 “虚假水位

9、”现象引起的水位动态偏差。 优缺点： （1）由于蒸汽流量的负微分信号与蒸汽流量信号作用 相反，负荷增加时，这个微分信号能暂时使调节作用去减 少给水流量，减小由于负荷变化时“虚假水位”现象引起 的水位动态偏差； （2）由于在克服因“虚假水位”现象引起的动态偏差 的同时，汽包进水量和蒸汽流量之间的差别反而扩大，要 使水位保持不变就必须大幅度增加给水流量，所以这种系 统对稳定水位有利，而对稳定给水流量无益。 因此，这种系统适用于有冲击负荷的大型锅炉的给水 控制系统中，这时由于负荷变化又很频繁，维持汽包水位 和缩短调节时间成了主要矛盾。 一般火电厂中，多采用单级三冲量或串级三冲量给水 控制系统。 给水

10、全程自动控制： 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。这比常规给水控制要对给水 全程自动控制系统提出以下要求： （1）实现给水全程控制可以采用改变调门开度即改 变给水管路阻力的方法来改变给水量，也可以采用改变 给水泵转速即改变给水压力的方法来改变给水量。前一 种方法节流损失大，给水泵的消耗功率多，不经济，故 在一般单元机组的大型锅炉中都采用后一种方法。在给 水全程控制系统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。这往往需要有两套控制 系统来完成，即所谓两段调节。 （2）由于机组在高、低负荷下

11、呈现不同的对象特性， 要求控制系统能适应这样的特性。即随着负荷的增加和 下降，系统要从单冲量过渡到三冲量系统，或从三冲量 过渡到单冲量系统，由此产生了系统的切换问题。 （3）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 荷不同工况下，给水流量的数值相差很大，必须采用不 同的孔板进行测量，这样就产生了给水流量测量装置的 切换问题；同样，主汽温度和压力在全过程中变化也很 大，需要对主蒸汽流量进行校正。 （4）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。高低负荷需要用不同的调 节阀门，必须解决切换问题，调节阀门的切换伴随着有 关截止

12、门的切换，而截止门的切换过程需要一定的时间， 导致了水位保持的困难。在低负荷时采用改变阀门的开 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，这又产生了阀门与调速泵间的过渡切换问题。 点火后，在升温升压过程中，由于锅炉没有输出蒸汽量， 给水量及其变化量都很小，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，系统都必须有相应的安全 可靠的系统，保证给水泵工作在安全区内。 （5）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情况。 一、给水控制系统结构一、给水控制系统结构 1. 汽泵控制系统 如图7

13、-15所示。 图7-15 汽泵控制系统 2.电泵和旁路阀控制 如图7-16所示。 图7-16旁路阀及电泵控制 二、系统工作原理 （1）起动、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门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，汽泵超驰全关， 主给水门也关闭，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H0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

14、出跟踪函数发生器F1()的输出，再通过 2AM手/自动操作器使电动泵维持在最低转速nmin运行。 （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 水旁路门已全开，只能提高给水泵转速来满足给水量 的增加，T2仍接NC，F（）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

15、锁定在全开位置不再关闭，以减少系统不必要 的扰动。 1）负荷达w，电动泵转速为nx时打开主给水电 动门。此时泵的转速已提高，当主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。 2）30A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电泵副调节器） 不再跟踪4PI（IE）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转速。三冲量主凋 节器1PI在030负荷阶段或手操阶段一直跟踪(G-D) 信号（G为给水流量），从而防止三冲量系统投自动时 副调节器处于积分饱和状态（相当于