调节第八章汽包锅炉给水自动调节系统

1、第八章汽包锅炉给水自动调节系统8-1给水调节的任务和调节对象特性给水调节的任务 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。给水流量的调节方式 节流调节 给水流量的节流调节(a)节流调节系统示意(b)节流调节原理变速调节给水流量的水泵变速调节给水调节对象的动态特性 给水流量扰动给水流量阶跃扰动下的水位响应曲线给水调节对象的动态特性 给水流量扰动响应时间的物理意义是：当扰动量为100%（即锅炉由满负荷突然降到零）时，水位变化100%所需要的时间。蒸汽负荷扰动（虚假水位现象）虚假水位现象:在负荷突然增加时。虽然锅炉的给水量小于蒸发量，但开始阶段的水位不仅不下降，反而迅速上升（反之，

2、当负荷突然减少时，水位反而先下降）。蒸汽流量阶跃扰动下的水位响应曲线炉膛热负荷扰动炉膛热负荷阶跃扰动下的水位响应曲线qf 设计给水调节系统结构的基本想法 （1）对于给水内扰特性迟延大的锅炉考虑采用串级 调节系统。 （2）在设计给水调节系统方案中，应考虑采用以主要扰动（蒸汽负荷）为前馈信号的前馈调节，以改善给水调节系统的调节质量。 （3）负荷变化时出现的“虚假水位”现象，是锅炉运行中的必然现象，是无法通过调节给水流量克服的。如果在负荷扰动时，汽包虚假水位变化过大而超过了运行允许范围，则只有通过限制负荷的一次突变量和变负荷速度来减小。8-2 给水自动调节系统的方案一、单级三冲量给水调节系统 调节系

3、统的组成 单级三冲量给水调节系统示意图 调节系统的静态特性：被调量H与锅炉负荷D的静态关系单级三冲量给水调节系统调节系统的静态特性单级三冲量给水调节系统的静态特性单级三冲量给水调节系统无差静态特性的条件： 在蒸汽流量测量变送设备的斜率等于给水流量测量变送设备斜率的前提下，应取 调节系统的分析 单级三冲量给水调节系统方框图（1）调节系统的组成 （2） 反馈回路的分析 a) 内回路内回路系统闭环传递函数为单级三冲量给水调节系统内回路方框图内回路系统开环传递函数为闭环系统的特征方程式为内回路实际上并不是理想的一阶系统，所以调节器的 和的取值还是有限制的。内回路的近似传递函数 单级三冲量给水调节系统内

4、回路近似方框图b) 主回路主回路等效调节器的传递函数单级三冲量给水调节系统主回路方框图对于单级三冲量的给水调节系统，给水流量信号的分流系数 是一个极其重要的参数。它的大小既影响主回路的稳定性，也影响内回路的稳定性。增大 ，将提高主回路的稳定性，但却增大了内回路的开环放大系数，因而降低了内回路的稳定性。因此，在需要增大 以提高主回路稳定性时，必须相应增大调节器的比例带 ，使 的比值不变，以保持内回路的稳定性不变。（3）前馈回路的分析简化的单级三冲量给水调节系统方框图按完全补偿原则确定调节器的参数实践证明，前馈环节只要按静态配比原则取用比例环节，即 ，就能使在负荷变化时的锅炉水位变化保持在允许的

5、范围内。某汽包锅炉采用单级三冲量给水控制系统。已知调节器采用PI控制规律，其传递函数为控制对象的传递函数为给水流量测量变送器和蒸汽流量测量变送器的斜率水位测量变送器的斜率为执行机构和调节阀的传递函数为给水流量反馈装置和蒸汽流量前馈装置W, D均为比例环节，试整定, Ti, W, D解（1）求aD的整定值。可列出主回路的特征方程式为如果取整定指标=0.9，则=0.344 (2)求调节器参数和Ti的整定值。 调节器的参数可根据系统的内回路来整定，在这个回路中，除调节器外的其余部分近似为比例环节。如果按这个特点来求调节器的参数，那么和Ti都可以取尽可能小的数值也不可能发生振荡。但实际上各环节都有惯性

6、甚至非线性，因此内回路是会出现振荡的，调节器的参数只能用试验方法确定。 试验时，先设置好aW值（令aW0.23），并令Ti =l0s，然后设置一个较大的值（例如=50%），观察内回路的动态过程，逐渐减小值至内回路开始振荡（0.9时为止），此时的值即为调节器的整定参数。试验结果：30 Ti 6s（3)蒸汽流量前馈装置aD的整定。根据无静差原则，有：上述整定参数值在经过现场投试的检验时，如果在控制过程中主回路衰减率过高或过低时（观察水位记录曲线），应改变给水流量反馈装置的参数aw值。当主回路衰减率偏低时，应增加aw值；反之则应减小aw值。在调整aw的数值时，应注意同时改变调节器的参数值，使aw/的

7、比值不变，以保证内回路能够保持试验整定时所选定的稳定性裕量。二、串级三冲量给水调节系统 系统的组成 串级三冲量给水调节系统方框图系统的分析 a) 副回路的分析 b) 主回路的分析 串级三冲量给水调节系统主回路等效方框图主回路等效调节器的传递函数对于串级三冲量的系统，内回路的稳定性由改变 来保证，主回路的稳定性由改变 来保证。从而主、副回路互不影响。二、串级三冲量给水调节系统蒸汽流量分流系数的选择 在串级三冲量的给水调节系统中，水位偏差完全由主调节器来校正，蒸汽流量分流系数的大小将不受静态特性无差条件的限制，而根据锅炉虚假水位的严重程度来确定。串级和单级三冲量给水调节系统的比较 串级 单级 主副

8、回路 主、副回路的工作可以 主、副回路的工作相互 的工作 认为基本上各自独立 有较大的影响蒸汽流量分流系数 不受静态特性无差条件 受静态特性无差条件 的选择 的限制 的限制三、采用变速泵的给水调节系统 1、调速水泵的分类 （1）电动调速泵 （2）汽动调速泵 2、变速给水泵的安全、经济工作区域变速泵的安全、经济运行区与锅炉的压力-负荷曲线3、采用变速泵的给水调节方案 （1）汽包水位调节系统：通过改变泵的转速去控制给水 流量，达到维持水位稳定。 汽包水位调节系统（2）泵出口压力调节系统：通过改变给水调节阀开度控制给水泵的出口压力，以保证泵在安全经济区域内运行。 泵出口压力调节系统（3）泵最小流量调

9、节系统：通过控制泵的再循环阀门的开或关，保证通过泵的流量不低于泵所规定的最小流量。 采用调速泵的给水调节系统8-3 给水全程调节系统一、全程给水自动控制的概念 汽包炉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。 过程包括：锅炉点火、升温升压；汽轮机冲转、开始带负荷；带小负荷运行；带大负荷运行；降到小负荷运行；锅炉停火、冷却降温降压。 在上述全过程中，控制设备正常的条件下，不需要操作人员的干涉，能保持汽包水位在允许范围内。 二、对给水全程控制系统的要求 全程给水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有一些特殊要求： (1)测量信号能自动地进行压力、温度校正 锅炉从启

10、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，必须要求这些测量信号能自动地进行压力、温度校正。(2)保证给水泵工作安全 现代大型单元机组的给水流量控制多通过控制变速给水泵的转速实现给水量的自动控制。因而在给水全程控制系统中不仅要满足给水量控制的要求，同时还要保证给水泵工作在安全工作区内。 (3)考虑工况 由于锅炉给水对象的动态特性在不同负荷时是不一样的，因此低负荷（一般指蒸汽流量低于额定值的30）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，因此可以考虑采用单冲量控制系统，高负荷时要采用三冲量

11、控制系统。因此，必须保证这种切换应是双向无扰的。(4)在调节机构的切换过程中，给水全程控制系统必须保证无干扰切换。(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，必须适应冷态启动和热态启动情况。具有双室平衡容器的水位取样装置的水位校正这种测量装置中，水位表达式为过热蒸汽流量信号的压力、温度校正 过热蒸汽流量测量通常采用标准喷嘴，这种喷嘴基本上是按定压运行额定工况参数设计，当被测过热蒸汽的压力和温度偏离设计值时，必须进行压力和温度校正，校正公式为：过热蒸汽流量信号的压力、温度自动校正线路图单元制锅炉给水全程控制方案300MW单元机组给水全程控制系统实例二、给水全程控制系统原理（一）热工信

12、号的测量1水位信号 下图为水位信号测量线路图。在图中增加了压力补偿环节，根据汽、水密度与汽包压力的函数关系，得到水位校正系统的运算公式为水位压力自动校正线路图给水流量测量线路图给水流量信号主蒸汽流量信号图11-32为主蒸汽流量测量线路。主蒸汽流量D的测量可采取两种方法：（1）测得汽轮机调速级压力p1，一级抽汽压力p2和一级抽汽温度2，采用下述公式求取：（2）用汽轮机调速级压力p1，经主蒸汽温度校正来代替D。（二）控制过程分析2.升负荷25%-30%此阶段采用单冲量系统控制电动给水泵转速。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点，f1（x）

13、的输出值随控制信号（PI4的输出）变化。通过PI3的自动跟踪去控制电动泵转速，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PI4为变参数调节器。1.启动、冲转及带25负荷3. 30%-100%负荷阶段 此阶段采用三冲量系统控制给水泵转速方案，这是控制系统的正常工况。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。 (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，控制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

14、主给水电动门，由于三冲量系统抗内扰的能力比单冲量系统强得多，所以控制质量能得到保证。(2) 30%-A负荷阶段采用电动泵控制给水量。T3切至NO（100），3AM跟踪T3的输出从而使给水旁路阀超驰全开。此时系统为三冲量电动泵控制，P13（电动泵副调节器）不再跟踪P14的输出，而是处于自动控制状态，通过2AM手自动操作器控制电动泵转速。三冲量主调节器P11接受水位及其给定值的偏差，其输出和蒸汽流量D的前馈信号求和作为副调节器P13的给定信号，同时P13还接受给水流量W的反馈信号。 (3) D A负荷时，开始启动汽动泵，完成汽动泵和电动泵的转换之后，汽动泵取代电动泵运行，电动泵处于超驰全关状态，直

15、到满负荷运行。此时，PI2（汽动泵副调节器）处于自动控制状态，通过lAM手自动操作器控制汽动泵转速，同时可进行转速显示。若执行机构发生故障可发出逻辑信号使泵切手动。 4.减负荷过程 在减负荷过程中控制顺序与上述相反，同时各负荷的切换点考虑了2%的不灵敏区，避免由于负荷波动系统在切换点处来回切换。三、控制过程中的跟踪与切换 1.系统间的无扰切换 当负荷低于30 % MCR时采用单冲量控制系统。此时三冲量主调节器PI1的输出跟踪（D-W）信号，同时电动泵三冲量副调节器PI3的输出通过函数组件f1（x）以及切换开关T2一直跟踪单冲量调节器PI4的输出，所以系统由单冲量切换到三冲量是无 扰动的。 D3

16、0时采用三冲量系统。单冲量调节器PI4通过T1的常闭点NC跟踪三冲量电动泵副调节器PI3的输出，所以由三冲量切换到单冲量也是无扰动的。 2.阀门和泵的运行及切换 低负荷时采用旁路阀控制给水流量，高负荷时采用改变泵的转速来控制，两者的无扰 切换是通过函数组件f1(x)、切换开关咒及PI3的跟踪实现的。因为f1(x)产生连续函数，而PI3通过咒的NC点跟踪f1(x)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。 3.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。 (1)正常倒换，即电动泵操作器处在自动位置，汽动泵操作器处在手动位置时进行泵的切换。把汽动泵的操作

17、器调至最低转速时启动汽动泵，然后再慢慢升速。电动泵会由于控制系统的控制作用而自动降速，待两泵出口流量相同时，把汽动泵操作器投自动，电动泵操作器切手动，并慢慢把电动泵降至最低转速后停泵。这样切换扰动量最小。 (2)两泵操作器均处于手动状态进行泵的切换时，两泵转速及给水量完全由运行人员控制。 4.执行机构的手、自动切换 旁路阀门手动时T1切至NO，单冲量调节器P14通过跟踪小阀操作器3AM的输出，保证切回自动时是无扰的。 汽动泵手动时，汽动泵三冲量副调节器PI2的输出跟踪汽动泵操作器lAM的输出。如果此时电动泵也手动，则三冲量主调Pl1的输出跟踪（D-W）信号，所以汽动泵控制切回自动时是无扰的。电

18、动泵手动时分两种情况：（1）D30时电动泵手动状态，T2切至NO，电动泵副调节器P13的输出跟踪电动泵操作器2AM的输出，一同时T1的NC点接通，单冲量调节器P14通过几（x）跟踪P13的输出，而切回自动时P13继续通过f,（x）和72的NC点跟踪P14的输出，所以是无 扰动的。（2）D30时，采用三冲量系统，电动泵手动时T2切至NO点，电动泵副调节器PI3的输出跟踪2AM的输出，如果此时汽泵也手动，则PI1跟踪（D-W）信号，保证电动泵由手动切回自动时是无扰动的。由以上分析可以看出，此300MW单元机组给水全程控制系统能满足从启动到额定负荷和从额定负荷到停炉全过程的给水控制。系统的总体方案是

19、低负荷时控制阀门开度改变给水流量，同时保证泵的最低转速，此时为两段调节。高负荷时通过改变泵的转速来改变给水量，控制水位，是一段调节的方案，能减少节流损失，充分发挥给水调节泵的经济效益。同时该系统测量信号补偿，系统无扰切换及逻辑报警线路设计合理全面，并用网络实现，具有较高的可靠性。下面仅以加热炉燃烧控制为例讨论控制方案 1炉温单回路控制方案 加热炉燃烧控制以炉膛温度为主控参数，炉膛温度单回路控制方案如图所示。通过炉膛温度调节器TC直接控制进入烧嘴的燃料量，而助燃空气量则由比例调节型烧嘴自动按比例改变。2.炉温并行串级控制方案 一般串级控制中主调节器只对应一个副调节器，若同时对应两个副调节器那就构

20、成并行串级控制。炉膛温度、燃料流量和空气流量并行串级控制系统如图所示，炉膛温度为主控参数，燃料流量和空气流量为副控参数。 炉温并行串级控制系统实验所用的温度对象、空气流量和燃料流量对象特性式分别为炉温串级控制系统的负荷变化实验曲线如图所示 实验结果表明，当升负荷时，如炉温给定值St从1150升到1250，尽管燃料流量给定值Sf和空气流量给定值Sa同时直线上升，但由于空气对象的时间常数大于燃料对象的时间常数，使得实际燃料流量Ff的增加速度大于实际空气流量Fa，此时剩余空气系数产下降。如果设置得比较小，则有可能出现燃料过剩；反之，当降负荷时，产上升，又出现空气过剩。 综上所述，如果不考虑空气、燃料

21、流量对象特性的差异，而把温度调节器的输出信号同时直接送给两个流量调节器，那么将造成升负荷时剩余空气系数值偏低，容易产生不完全燃烧而冒黑烟；而降负荷时刚好相反值偏高，空气过剩而增加排烟热损失。这两种情况的后果是降低了加热炉的燃烧热效率，并污染了环境。 针对上述问题，必须改善空气与燃料之间的动态配比。为此，对空气、燃料流量采用相互交叉限制的措施，保证在稳态和动态情况下，剩余空气系数产值始终维持在最佳燃烧区，燃烧效率高。 3.单交又限制燃烧控制方案 单交叉限制燃烧控制系统如图6.31所示它是用来实现燃料和空气流量之间的相互制约，防止剩余空气系数产低于其给定值s以下，并保证燃料流量Ff低于冒黑烟界线，以及空气流量Fa高于冒黑烟界线的基础上，增加了高值选择器HS,