水位控制系统

1、 讲师：主要任务 锅炉给水控制系统是协调控制系统的主要 系统之一。锅炉给水控制的主要任务是使锅炉的给水量与锅炉的蒸发量保持相对一致，保证锅炉进出的物质平衡和正常运行所需的工质。对于300MW火电机组普遍采用的汽包锅炉来说，就是维持汽包水位在允许范围内变化。所以，锅炉给水控制又称“锅炉水位控制”重要性 锅炉水位反映了锅内物质平衡状况（主要是锅炉蒸汽流量与给水流量之间的平衡关系），因此，它是表征锅炉安全运行的重要参数之一，也是保证汽轮机安全运行的重要条件之一。水位高危害 汽包水位过高，会降低汽包内汽水分离装置的汽水分离效果，导致出口蒸汽带水，并可能会使蒸汽含盐浓度增大，从而使过热器受热面结垢；也会

2、使汽轮机叶片也易于结垢，降低汽轮机的出力，甚至会使汽轮机产生水冲击造成叶片断裂。水位低危害 汽包水位过低，则会破坏锅炉的水循环，使某些水冷壁管束得不到炉水的冷却而烧坏从而发生爆管事故。所以汽包水位的合适是火电机组运行的重要因素。水位调节对象的动态特性1、给水流量扰动水位调节对象的动态特性 2、蒸汽流量扰动水位调节对象的动态特性 3、燃煤量扰动水位调节对象的动态特性水位调节对象的动态特性 汽包水位调节对象属于无自平衡能力多容对汽包水位调节对象属于无自平衡能力多容对象；在各种扰动下，均有不同程度的象；在各种扰动下，均有不同程度的“虚假虚假水位水位”现象。现象。设计给水控制系统时应考虑的问题设计给水

3、控制系统时应考虑的问题 1、水位被控对象的迟延和惯性问题，引入、水位被控对象的迟延和惯性问题，引入蒸汽流量前馈。蒸汽流量前馈。 2、克服虚假水位问题，由蒸汽流量信号进、克服虚假水位问题，由蒸汽流量信号进行前馈补偿。行前馈补偿。 3、克服内扰问题，引入给水流量信号消除、克服内扰问题，引入给水流量信号消除内扰。内扰。单冲量给水控制系统的基本结构如图所示，这种给水控制系统结构简单，但克服给水自发性扰动和蒸汽流量扰动的能力较差，所以使用单冲量控制系统调节水位，汽包水位的波动较大，稳定性也较低。在大型机组的给水控制中，这种系统也有应用，主要应用在低负荷阶段。这是因为在低负荷阶段由于锅炉疏水和排污等因素的

4、影响，使得给水流量蒸汽流量存在着严重的不平衡，且给水与蒸汽的流量太小，测量误差较大，不宜采用三冲量控制。 单级三冲量给水控制系统的基本结构如图所示，该系统采用一个PI调节器，并根据汽包水位、蒸汽流量和给水流量三个信号的变化去控制给水量。三冲量给水控制系统在克服扰动、维持汽包水位稳定、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，可采用三冲量给水控制方式。但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静态偏差，且单级三冲量控制系统一个调节器参数整定需兼顾较多

5、的因素，所以，在现实中很少采用单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所示，该系统由主、副两个PI调节器和三个冲量（汽包水位、蒸汽流量、给水流量）构成。与单级三冲量系统相比，该系统多采用了一个PI调节器，两个调节器分工明确、串联工作，主调节器PI1为水位调节器，它根据水位偏差产生给水流量给定值，副调节器PI2为给水流量调节器，它根据给水流量偏差控制给水流量，并消除给水侧的扰动；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。两个调节器分工明确、串联工作，主调节器PI1为水位调节器，它根据水位偏差产生给水流量给定值蒸汽流量信号作

6、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l串级三冲量给水控制系统的基本结构如图所示，该系统由主、副两个PI调节器和三个冲量（汽包水位、蒸汽流量、给水流量）构成。副调节器PI2为给水流量调节器，它根据给水流量偏差控制给水流量，并消除给水侧的扰动一般来说，每台300MW机组配有一台50%容量的电动调速给水泵和两台各为50%容量的汽动给水泵，作为给水泵的调节机构。在高压加热器与省煤器之间装有一只主给水电动截止阀、一只给水旁路截止阀和一只约15%容量的给水旁路调节阀。两台汽动给水泵由小汽轮机驱动，其转速的控制由独立的小汽轮机电液控制系统（MEH系统）完成。MEH系

7、统的任务是控制小汽轮机从零转速升到一阶临界转速上，当达到某一转速（例如3100r/min）后，转速给定值由协调控制系统的给水控制系统设置，此时，MEH只相当于给水控制系统的执行机构。此外，为了满足给水泵的最小流量的要求，每套给水泵的管路系统中还设计了一个给水泵的再循环管路和一个再循环阀，并通过对再循环调节阀的控制，来满足给水泵的最小流量的要求。 给水控制系统实例分析 给水控制系统任务：汽包锅炉和直流锅炉的给水控制系统有各自不同的任务。汽包锅炉的给水控制系统的主要任务是控制汽包水位为给定数值；直流锅炉给水控制系统不同的设计有不同的控制任务，例如有的利用给水流量控制锅炉负荷，有的则是利用给水控制过

8、热器的中间温度点。1、汽包锅炉给水控制系统任务：利用给水流量控制水位为给定数值300MW机组控制系统结构形式：3台给水泵（1台容量为额定容量的50%的电动给水泵、两台容量为额定负荷50%的汽动给水泵）；两个控制回路（汽包水位控制系统和给水泵最小流量控制系统；水位全程控制（负荷从0%-100%水位全自动进行控制）。控制回路特点：高可靠、多回路、变结构控制系统。制回路、给水泵转速三冲量控量控制回路、电动给水泵转速单冲路、旁路阀单冲量控制回、测量系统汽包水位控制系统组成43211-1、测量系统 1）汽包水位测量：大多采用三个独立检测回路取中值的方案，对每个测量回路使用汽包压力对其进行压力补偿。实际上

9、水位测量不仅与压力相关、也与测量装置的环境温度相关，不过一般对测量装置采取一定的保温措施，使温度对测量结果的影响成为常数、或变化范围很小可近似为常数。这样，可将影响测量结果看成是汽包压力和测量装置输出的差压两者之间关系。H=f（P，Pb）根据流体力学定律：红线以下液体的温度和密度相同（两个管道微小的差压可以不考虑），作用到压差测量装置上的压强大小相等而相互抵消，两个管道上的压差主要由红线以上的液体产生的压强差决定。汽包压力gH汽包压力）（汽包压力饱和水液柱高度汽柱高度ghghH ),(),( bappfpfH 2）主蒸汽流量测量在中小机组中，蒸汽流量测量往往采用标准节流装置标准喷嘴，尽管标准喷

10、嘴压力损失比较小，对大型机组由于蒸汽流量较大，能量损失数量巨大，所以一般采用汽轮机第一级压力代表蒸汽流量。实际上进入汽轮机的蒸汽都具有一定的过热度，而测量希望得到的应该是质量流量，通常的方法是首先测量体积流量，然后乘以密度变成质量流量。所以不仅压力影响流量测量，蒸汽温度对流量测量影响也较大。所以流量应该是压力和温度的函数。流量测量通常采用三个独立检测回路（三个压力变送器）取中值，再经过压力和温度补偿后形成蒸汽流量。)(161. 0)(257. 0958. 021bbpfpfPH公式如下：影响可以忽略，其经验意保温后，环境温度对汽包水位测量容室注3）主给水流量测量：使用标准节流装置测量节流后的差

11、压，流量于差压的开方成正比。由于使用开方运算，当流量很小时，测量和运算都存在较大的误差，所以流量越小时测量结果可信度越差。niTWWiWWTpfW1),(给水总流量：1-2、旁路阀单冲量控制回路、旁路阀单冲量控制回路 机组在启动或地负荷（机组在启动或地负荷（0到到X范围）时，由范围）时，由一台电动给水泵向锅炉给水。控制回路特一台电动给水泵向锅炉给水。控制回路特点：点： 单回路：之所以没有选择三冲量是因为，单回路：之所以没有选择三冲量是因为，小负荷时汽包虚假水位不太严重，另外小小负荷时汽包虚假水位不太严重，另外小负荷时流量测量误差很大。当然首先是单负荷时流量测量误差很大。当然首先是单回路在小负荷

12、时已经能够很好的控制水位。回路在小负荷时已经能够很好的控制水位。 旁路阀：旁路阀原本是在开启大的给水阀旁路阀：旁路阀原本是在开启大的给水阀门之前开启的一种小流量阀们，目的是减门之前开启的一种小流量阀们，目的是减小大阀门两端的压差，现在使用主要是为小大阀门两端的压差，现在使用主要是为了便于调节水位。了便于调节水位。汽包水位信号通过汽包压力补偿后形成水位信号和给定的数值比较后输入的PID调节器，然后控制旁路调节阀以改变给水流量，进而控制汽包水位。3、电动给水转速单冲量控制回路：当旁路阀开度达到一定数值（80%-90%）时，控制系统自动切换到电动给水泵的转速控制，例如勺管液位的高低控制给水泵转速，进

13、而控制给水量。主调节负调节水位水流量蒸汽量水位给定静态配合:当蒸汽流量和给水流量静态相等时，主调节器的输出决定调节阀门开度，类似单回路调节。 给水控制对象的结构给水控制对象的结构省煤器省煤器过热器过热器采用定速泵给水控制系统采用定速泵给水控制系统扰动因素扰动因素 1、给水量、给水量W扰动扰动 2、蒸汽流量、蒸汽流量D扰动扰动 3、燃烧率、燃烧率Q扰动扰动习题 1、在给水自动调节系统中，在给水流量扰在给水自动调节系统中，在给水流量扰动下汽包水位动下汽包水位( A)。 （A）出现）出现“虚假水位虚假水位”；(B)立即变化；立即变化；(C)不是立即变化，而是要迟延一段时间；不是立即变化，而是要迟延一

14、段时间；(D)不会变化不会变化 2、汽包水位调节对象属于汽包水位调节对象属于( B )对象。对象。 (A)无自平衡能力多容；无自平衡能力多容；(B)有自平衡能力多有自平衡能力多容；无自平衡能力单容；容；无自平衡能力单容；(D)有自平衡能力有自平衡能力单容。单容。 习题 3、为避免在为避免在“虚假水位虚假水位”作用下调节器产生作用下调节器产生误动作，在给水控制系统中引入误动作，在给水控制系统中引入( )信号作信号作为补偿信号。为补偿信号。 (A)给水流量；给水流量； (B)蒸汽流量；蒸汽流量； (C)水位；水位； (D)汽包压力。汽包压力。 4、在三冲量给水自动调节系统中，三冲量在三冲量给水自动

15、调节系统中，三冲量是指汽包水位、蒸汽流量和凝结水流量三是指汽包水位、蒸汽流量和凝结水流量三个信号。个信号。( X ) 5、在蒸汽流量扰动下，给水调节对象出现_虚假水位_现象。在三冲量给水自动调节系统中，汽包水位、蒸汽流在三冲量给水自动调节系统中，汽包水位、蒸汽流量和给水流量三个信号的作用是什么？量和给水流量三个信号的作用是什么？ 答：在三冲量给水调节系统中，调节器接受汽包水位、蒸汽流量和给水流量三个信号。其中汽包水位H是主信号，在调节过程中起校正作用，使在稳态时汽包水位等于其给定值。蒸汽流量信号 D是前馈信号，当负荷变化时，它快于水位偏差信号，起前馈调节作用；同时，它能防止由于“虚假水位”而引起的调节器的误动作，改善蒸汽流量扰动