大机组汽包锅炉给水控制系统

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大机组汽包锅炉给水控制系统

的设计与研究

摘要

给水全程控制系统是火力发电厂单元机组协调控制中的主要子系统之一，针对其可靠运行直接关系到整个发电系统的安全问题，采用单冲量和三冲量控制系统有机结合的控制策略，应用自动控制理论对单元机组给水的要求和特点进行了全面的分析，使单元机组给水全程控制从锅炉点火到机组满负荷运行，始终保持汽包水位在允许的范围内，而且系统稳态误差小，控制精度高，超调量小。此外还提出了在系统设计时应注意的几个关键问题，这对单元机组给水全程控制系统的设计和调试均具有一定的参考价值。

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?P?P2?P1??aH??Gh??sH??sh=(?a??s)H?(?G??s)h

h?(?a??s)H??P(3-1)

?G??s当H一定时，水位h是差压和汽、水密度的函数。密度?a与环境温度有关，一般可取50℃时水的密度。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?a的影响基本上可抵消，即可近似地认为?a是恒值。而饱和水和饱和汽的密度?G和?s均为为汽包压力Pb的函数，即

?a??s?fa(Pb)?G??s?fb(Pb)

所以式（3-1）可以改写为

h?fa(Pb)H??P（3-2）

fb(Pb)依照式（3-2），可以设计出水位压力自动校正线路，如图3.2所示。图3.2中函数组件f1（x）、f2（x）分别模拟式（3-2）中的fa（Pb）和fb（Pb）。计算和试验说明，密度与汽包压力之间的函数曲线如图3.3所示。

图3.2水位压力自动校正线路之一图3.3密度与汽包压力的关系曲线

从图3.3中曲线可以看出，?a－?s与Pb的关系在较大范围内可近似地认为是线性关系即

''(?a??s)?k1?k2Pb

''H(?a??s)?H(k1?k2Pb)H(?a??s)?k1?k2Pb

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则式（3-l）可改写为

h?k1?k2Pb??P(3-3)

fb(Pb)按式（3-3）可设计出较为简便的水位自动校正线路，如图3.4所示。

（2）采用具有双室平衡容器的水位取样装置进行水位校正，这种装置本身基本上可以补偿启动或中止过程中的水位测量误差，校正原理如图3.5所示。

图3.4水位压力自动校正线路之二图3.5采用双室平衡容器的水位测量系统

和压力自动校正回路

这种测量装置中，水位表达式为

h??P(3-4)

?G??sH为正压取压管管口水位到负压管水平的中心线之间的距离，式（3-4）中没有式（3-1）中的a－s项，故a随温度变化的影响消除了。

3.1.2过热蒸汽流量信号的压力、温度校正

过热蒸汽流量测量寻常采用标准喷嘴。这种喷嘴基本上是按定压运行额定工况参数设计，在该参数下运行时，测量精度是较高的。但在全程控制时，运行工况不能基本固定。当被测过热蒸汽的压力和温度偏离设计值时，蒸汽的密度变化很大，这就会给流量测量造成误差，所以要进行压力和温度的校正。可以按以下公式进行校正

D?k?P???k10.2?P18.57PTP?1.66?5.61100100(3-5)

式中D——热蒸汽流量；

P——过热蒸汽压力；T——过热蒸汽温度；

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?P——节流件差压；

?——过热蒸汽密度；k——流量系数。

按（3－5）式可设计出过热蒸汽流量信号的压力，温度自动校正线路如图3.6所示。

图3.6过热蒸汽流量信号的压力、温度自动校正线路图

为了避免高温高压节流元件因磨损带来的误差，可用汽机调速级压力P1代替蒸汽流量信号。试验证明，这种方法是确凿和行之有效的，线路结构如图4.7所示。

3.1.3给水流量信号的温度校正

计算和试验结果说明当给水温度为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100～290℃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，

图3.7用P1代替蒸汽流量测量校正线路

图3.8给水流量信号温度校正线路

其校正回路如图3.8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。

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3.2给水泵安全特性要求

在给水系统全过程运行中，保证给水泵总是工作在安全工作区内，是一个重要问题。现代大型单元机组都采用变速泵来控制给水流量。300MW以下的单元机组多用电动变速泵做主给水泵，通过调整液力连轴器的勺管位置来调理泵的转速。大于300MW的单元机组多采用汽动变速泵做主给水泵，再设置多台电动变速泵做启动给水泵并作为系统的备用泵使用。无论哪种类型的变速泵，保证泵的安全工作区是首先要考虑的问题。图3.9给水泵安全工作特性示意图

变速给水泵的安全工作区可在泵的安全工作特性示意图中看到，如图3.9所示。变速泵的安全工作区由六条曲线构成：泵的上、下限特性、最高转速nmax和最低转速nmin，泵出口最高压力Pmax和最低压力Pmin。

若泵的工作点在上限特性之外，则给水流量太小，将使泵的冷却水量不够而引起泵的汽蚀，甚至震动；若泵工作在下限特性之外，则泵的流量太大，将使泵的工作效率变低。此外，变速泵的运行还必需满足锅炉安全运行的要求，即泵出口压力（给水压力）不得高于锅炉运行的最高给水压力Pmax且不得低于最低给水压力Pmin。因此，采用变速泵的给水全程控制系统，在控制给水流量过程中，必需保证泵的工作点落在安全区域内。

在锅炉启动、停炉或低负荷运行时，泵的工作点有可能落入上限特性之外。为防止出现这种状况，最有效的措施是增加低负荷时给水泵的流量。目前采用的方法是在泵出口至

除氧器水箱之间安装再循环管道，当泵的流量低于某一设定的最小流量时，再循环门自动开启，增加泵体内的流量，从而使低负荷阶段给水泵的工作点也在上限特性曲线之内。随着机组负荷的逐渐增大，给水流量也会逐渐增大，当流量高于某一值时，再循环门将自动关闭。

变速泵下限特性决定了不同压

图3.10给水泵出口压力调整时的工况力下水泵的最大负荷能力。当锅炉负荷升到某一程度，即给水流量较

大时，假使安全工作区较窄，则工作点可能会移到下限特性曲线之外，因此，需要采取措施加以防止。目前采用的方法是提高上水管道的阻力，即关小泵出口流量调理阀门，以提

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高泵的出口压力，使工作点重新移入安全区内。如图3.10所示。滑压运行时，设给水泵工作点在a点外，甭转速为n1,甭出口压力为p1，给水流量为W1。当机组负荷增大，给水流量要求为W2时，假使水泵仍在a1转速运行下去，通过开大给水阀门来增大给水流量，则工作点将沿n1曲线由a1点移到c点，落到水泵安全工作区外，这是不允许的。解决问题的方法是关小给水调理阀门，使泵的出口压力升高，同时使水泵转速由n1增至n2，当给水流量达到负荷要求数值时，工作点将由a点移到b点，不会滑到安全工作区以外，保证了给水泵的安全运行。

另外，给水泵有最低转速nmin的要求，这样在水泵已接近nmin时就不能以继续降低转速的方式来调理给水量，这就需要改变上水道阻力（即设置给水调解阀）的方式，使泵工作在安全区内。由于兼用改变转速和上水通道阻力两种方式调理给水凉，增加了全程给水自动控制系统的繁杂性。

总之，采用变速泵构成全程给水自动控制系统时，应包括以下三个子系统：

（1）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。

（2）给水泵最小流量控制系统。低负荷时，通过增大水泵再循环流量的方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面。

（3）给水泵出口压力控制系统。通过控制给水调理阀的开度来维持给水泵的出口压力，保证给水泵工作点不落在最低压力Pm