300MW机组除氧器水位检测控制系统

-.可修编..z.摘要除氧器的水箱是为保证锅炉有一定的给水储备而设置的，其容量一般不应小于锅炉额定负荷下连续运行15~20min所需的给水量。除氧器水位过低，储水量不足有可能危及锅炉的安全运行，此外还有可能造成给水泵入口汽化。除氧器水位过高，则妨碍除氧器除氧。因此，除氧器水位应维持在容许围。由于热力循环中不断有工质损失，因此要向热力系统不断补充水。补充水来自化学水处理装置。补充水可直接进入除氧器，也可以送凝汽器进行真空除氧后在送至除氧器。火力发电厂的热力除氧器利用汽轮机的抽气加热锅炉给水，使得锅炉的给水达到该压力下相应的饱和温度，以除去溶于水中的氧气等气体，防止锅炉、汽轮机和管道等热力设备遭到腐蚀，另一方面除氧器是汽水直接接触式的加热器，它是给水加热系统中的一环，利用汽轮机的抽气加热锅炉给水，可以提高电厂效率，节省燃料。除氧器是电厂重要的辅助设备之一，是电厂热力系统中不可缺少的环节。所以说除氧器的水位控制对锅炉的安全稳定运行至关重要。关键字除氧器，水位调节，单冲量，串级三冲量--.可修编..z.AbstractDeaeratorwatertankistoensurethattheboilerhasawaterreserveandsettings,itscapacityshouldgenerallynotbelessthanratedboilerloadcontinuousoperationfor15~20mintowater.

Deaeratorwaterleveltoolow,insufficientstoragecapacitymayendangerthesafeoperationoftheboiler,inadditiontomayresultinginwaterpumpinletvaporization.Deaeratorwaterlevelistoohigh,obstructsthedeaerating.Therefore,thedeaeratorwaterlevelshouldbemaintainedwithin

the

allowablerange.The

thermodynamiccycleofconstantly

refrigerantloss,

thereforetothermalsystemcontinuouslyadd

water.Thechemicalwatertreatmentfromwatersupplementdevice.Watercanbedirectlyadded

tothedeaerator,alsocansendcondenservacuumdeaerator

aftersenttothedeaerator.Thermalpowerplantdeaeratorusesteamturbinepumpinggasheatingboiler,theboilerfeedwaterthepressurecorrespondingsaturationtemperatureisreached,toremovedissolvedinthewaterofo*ygenandothergases,topreventtheboiler,turbineandpipelinebythermalequipmentcorrosionandtheothersidesurfaceofthedeaeratorissteamwaterdirectcontactoftheheater,itiswaterheatingsysteminaring,theuseofsteamturbinepumpinggasheatingboilerfeedwater,canimprovetheefficiencyofpowerplantsandfuelsaving.

Thedeaerator

isoneoftheimportantau*iliary

equipmentofpowerplant,

isanindispensable

linkinthe

powerplantthermalsystem.

Sothedeaeratorwaterlevelcontrol

iscrucialto

thesafeandstableoperationof

theboiler.KeywordsDeaerator,Waterleveladjustment,Singleimpulse,Cascadethreeimpulse-.z.目录摘要IAbstractII1引言12除氧器的概况22.1除氧器介绍22.1.1概述22.1.2除氧器的除氧原理22.1.3除氧器的工作原理32.1.4除氧器控制任务32.2控制仪表知识简介42.2.1变送器42.2.2控制器42.2.3执行器53总体设计方案63.1设计预期目标63.1.1除氧器水位过高63.1.2除氧器水位过低63.2除氧器水位控制系统总体方案74除氧器水位检测控制系统分析94.1测量部分94.1.1磁翻板液位计94.1.2浮球液位开关94.1.3差压式液位计104.1.4差压式流量计114.2变送部分124.2.1差压变送器124.2.2变送器变换过程134.3控制部分144.3.1控制方式144.3.2单冲量调节系统154.3.3单级三冲量调节系统154.3.4串级三冲量调节系统164.3.5单冲量、三冲量之间的无扰切换174.4执行器部分184.4.1执行机构184.4.2调节机构195除氧器水位控制系统SAMA图分析205.1控制系统SAMA图205.2各组成部分列表205.3SAMA图说明215.3.1控制系统分析215.3.2单冲量与三冲量控制方式的选择225.3.3系统跟踪技术23结论24致25参考文献26附录27A1.1除氧器水位控制系统SAMA图27A1.2除氧器水位控制系统逻辑图28--.可修编..z.1引言液位是工业过程中的常见参数，具有便于直接观察、容易测量和过程时间常数一般比较小的特点。液位控制系统是以液位为被控参数的控制系统，它在工业生产的各个领域都有广泛的应用。在工业生产过程中，有很多地方需要对容器的介质进行液位控制，使之高精度的保持在给定的数值，如在锅炉的给水处理工艺中，除氧器是锅炉及供热系统中关键的设备之一，而除氧器液位的控制对整个控制系统又有着至关重要的作用。作为汽轮机回热加热系统中一级混合式加热器，同时负担着汇集各种疏水、锅炉补充水的任务，所以除氧器水箱必须保证锅炉所需给水的储水量。大型机组通常配备给水箱的容量应能提供5min锅炉连续产生最大蒸汽量时的给水消耗量。鉴于除氧器上述的重要作用，电厂一般都设有除氧器的控制压力和水箱水位控制系统。锅炉的供水系统中还包括除氧器压力控制和除氧器水位控制，除氧器压力控制主要是为了保证除氧器口有足够的蒸汽压力用于将软化水除氧，这是一个单闭环控制回路，输入参数是除氧器压力输出参数控制除氧器进汽阀。除氧器水位控制主要是为了保证除氧器有足够的水提供给锅炉，这是一个单闭环控制回路输入参数，是除氧器水位输出参数控制除氧器进水阀。一般来说，除氧器的水位波动会比较明显，为了维持水位，除氧工必须经常和机组联系开关补水量，并注意锅炉疏水箱的水位，合理安排锅炉司泵上水，除氧器的水位过低可能会引起给水泵进口汽化，水位过高可能会从汽平衡去机组轴封管道通向机组的轴封，引起机组的水冲击，直接导致跳机。故需对除氧器水位进行控制。在本次课程设计中首先对除氧器有的大体的认识，以控制仪表及装置为知识背景，对除氧器水位控制系统进行设计。首先从除氧器的控制任务着手，在已有的控制仪表及装置的基础并通过查阅大量的参考文献资料，合理选择传感器、变送器、调节器和执行器等对整体方案进行设计。具体控制策略为：除氧器水位信号选择逻辑是两个模拟量水位差压信号进行的选择判断，信号选择原理是：两个信号都是好点，取两个信号的平均值，任一信号坏，取另一好值，它们之间的选择是通过切换来实现。将所测得的差压与压力信号经过一定的函数变换关系，得到校正后的除氧器水位。若水位高时，发出相应控制信号，同时显示并记录除氧器水位值。结合对测得的锅炉了给水流量进行分析，低负荷时进行单冲量控制，高负荷时进行三冲量的控制，将输出信号控制执行机构动作。再根据控制策略绘制SAMA图，完成设计要求。-.可修编..z.2除氧器的概况2.1除氧器介绍概述火力发电厂的热力除氧器利用汽轮机的抽气加热锅炉给水，使得锅炉的给水达到该压力下相应的饱和温度，以除去溶于水中的氧气等气体，防止锅炉、汽轮机和管道等热力设备遭到腐蚀，另一方面除氧器是汽水直接接触式的加热器，它是给水加热系统中的一环，利用汽轮机的抽气加热锅炉给水，可以提高电厂效率，节省燃料。除氧器是电厂重要的辅助设备之一，是电厂热力系统中不可缺少的重要环节。除氧器的主要作用是除去锅炉给水中的氧气和其它不凝结气体，以保证给水的品质。若水中溶解氧气，就会使与水接触的金属被腐蚀，同时在热交换器中若有气体聚积，将使传热的热阻增加，降低设备的传热效果。因此水中溶解有任何气体都是不利的，尤其是氧气，它将直接威胁设备的安全运行。在火电厂采用热力除氧，除氧器本身又是给水回热系统中的一个混合式加热器，同时高压加热器的疏水、化学补水及全厂各处水质合格的高压疏水、排汽等均可汇入除氧器加以利用，减少发电厂的汽水损失。来自低压加热器的主凝结水(含补充水)经进水调节阀调节后，进入除氧器，与其他各路疏水在除氧器混合，经喷头或多孔管喷出，形成伞状水膜，与由下而上的加热蒸汽进行混合式传热和传质，给水迅速达到工作压力下的饱和温度。此时，水中的大部份溶氧及其他气体基本上被解析出来，达到除氧的目的。从水中析出的溶氧及其他气体则不断地从除氧器顶部的排汽管随余汽排出器外。进入除氧器的高加疏水也将有一部分水闪蒸汽化作为加热汽源，所有的加热蒸汽在放出热量后被冷凝为凝结水，与除氧水混合后一起向下经出水口流出。为了使除氧器的水温保持在工作压力下的饱和温度，可通过再沸管引入加热蒸汽至除氧器。除氧水则由出水管经给水泵升压后进入高压加热器。除氧器的除氧原理锅炉给水中若含氧量较大，就会使管道及锅炉受热面遭到深度的针孔腐蚀，给水含有其他气体也会妨碍热交换降低传热效果，因此要对锅炉给水进行除氧以及除去其他气体。有亨利定理知，在一定的压力下，水的温度越高气体的溶解度越低；反之，水的温度越低则气体的溶解度越高。此外，*些气体的溶解度还与水面该气体的分压力有关，因此，当锅炉给水被加热至沸点时，水面上的蒸汽压力就会接近全压力，而其他气体的分压力则接近于零。这样溶解于水中的气体（包括氧气）就被分解出来并及时的随部分蒸汽排走，除氧器就是根据这一原理进行工作的。除氧器的工作原理在火电厂中，除氧器主要用于去除凝结水中的溶解氧，并为主给水泵提供足够的吸入压头，为蒸汽发生器提供一定装量的应急水源。在机组正常运行时，需控制凝结水流量，并与蒸汽发生器的给水，抽气，疏水相匹配，保证维持稳定的液位。除氧器液位要求在1172-1204mm之间，而且除氧器的工作方式连续式工作。除氧器的水是不停的在流动的，上水量要求能够和出水量达到平衡。如果采用工频给水方式，水量的冲击会很大，液位很难控制。而且不利于电机水泵正常工作，经常的冲击启动容易造成电机水泵机械损坏。采用回流控制的方法，水泵长期工作在工频状态下，不利于能降耗，故选用变频驱动。其原理框图如图2.1所示。图2.1除氧器系统框图岗位操作人员可以在液位控制器K上直接输入控制液位数值L，液位控制器K将给定值与液位变送器LE传来的液位信号（4-20mA）进行运算比较后，送出一个控制信号（4-20mA）至变频器Q，由就频器一个可变频率，来控制电机M的转数从而达到控制上水量的目的。当水位升高，L1>L超过设定时，液位控制器K将输出的电流I减小，变频器Q的输出频率Hz数下降，电机转数下降。上水量减少，液位降低，达到工艺控制要求。

影响除氧器水位的因素包括进入除氧器的凝结水、抽汽、疏水和流出除氧器的锅炉给水，当给水流量等于凝结水流量、抽汽和疏水时，除氧器水位稳定，当给水流量不等于凝结水流量、抽汽和疏水时，除氧器水位变化，可作为控制变量的因素为给水流量和凝结水流量。除氧器控制任务锅炉的供水系统中还包括除氧器压力控制和除氧器水位控制，除氧器压力控制主要是为了保证除氧器口有足够的蒸汽压力用于将软化水除氧，这是一个单闭环控制回路，输入参数是除氧器压力输出参数控制除氧器进汽阀。除氧器水位控制主要是为了保证除氧器有足够的水提供给锅炉，这是一个单闭环控制回路输入参数，是除氧器水位输出参数控制除氧器进水阀。在机组正常运行时，除氧器汽源来自汽轮机抽汽阀门全开的四段抽汽，除氧器汽源压力和流量不受控制，而与被出洋的水温、汽水接触面积与除氧器水位有直接的关系。除氧器水位高，可能造成除氧水加热不足，汽水接触面积减少和水中溶解氧气逸出困难而影响除氧效果；除氧器水位过高，可能造成汽封进水，抽汽管道水淹，威胁汽轮机的安全运行；除氧器水位过低，除了影响给水泵安全运行之外，甚至会威胁锅炉上水，造成断水事故。因此，在机组运行中稳定除氧器水位，将其控制在最佳的高度具有非常重要的意义。一般来说，除氧器的水位波动会比较明显，为了维持水位，除氧工必须经常和机组联系开关补水量，并注意锅炉疏水箱的水位，合理安排锅炉司泵上水，除氧器的水位过低可能会引起给水泵进口汽化，水位过高可能会从汽平衡去机组轴封管道通向机组的轴封，引起机组的水冲击，直接导致跳机。故需对除氧器水位进行控制。2.2控制仪表知识简介变送器变送器是将各种被测参数如温度、压力、流量、液位等物理量转换成0~10mA或4~20mA直流统一标准信号，传送到指示、记录、调节等仪表或巡回检测装置、控制计算机，以实现对生产过程的自动检测和控制。变送器的方框图如图2.2所示，这是一般性的构成原理方框图，各类变送器的差别在于输入转换部分、放大部分和反馈部分不同。图2.2变送器构成一般方框图控制器控制器也称之为调节器，可以分为两大类，即模拟式和数字式。模拟调节器又分为三类，即电动、气动、液动。该系统主要有三个部分组成，即比较环节、放大器和反馈环节。比较环节的作用是把给定信号r(t)与测量信号y(t)做比较，得出偏差信号e(t)。放大器一般是一个稳态增益很大的比例环节。利用负反馈来实现P，PI等各种控制规律。控制器将来自变送器的测量值与给定值进行比较后产生的偏差进行运算后输出统一信号去控制执行器动作。调节器将被调量与给定值进行比较，对其偏差进行比例、积分、微分运算，并把结果以0~10mA或4~20mA直流统一标准信号输送至执行单元。比例、积分、微分运算特点：（1）比例调节规律具有调节及时的特点，但比例调节为有差调节，因此调节过程结束时存在稳态偏差。通过减小调节器的比例带可减小稳态偏差，但会使系统的稳定性下降。（2）积分调节规律能消除稳态偏差，所以能最终消除扰动对被调量的影响，实现无差调节。但积分作用的调节不及时，又使调节过程的动态偏差加大，过渡过程时间加长，因此，在积分作用引入到比例调节器后，调节器的比例带应适当加大，以弥补积分作用对控制过程稳定性的影响。（3）微分调节是一种超前调节方式，其实质是阻止被调量的一切变化。适当的微分作用可收到减小动态偏差，缩短调节过程时间的效果，这样在采用比例积分微分调节器时，又可适当减小比例带和积分时间。执行器执行器由执行机构和调节机构组成。执行机构指产生推力或位移的装置，调节机构指直接改变能量或物料输送量的装置，通常称为控制阀（调节阀）。执行器接受调节器的输出信号或来自手动操作信号，将其转换成调节机构（阀门、风门或挡板）动作的位移信号，从而改变被调量的大小。执行器通常由伺服放大器和执行机构两部分组成。执行机构主要由两相伺服电动机、机械减速器和位置发送器组成。两相伺服电动机是执行机构的动力装置，可能将电能转换成机械能。机械减速器将高转速、小力矩的输出功率转换成低转速、大力矩的输出，带动调节机构改变被调量的大小。位置发送器用来提供与执行机构输出轴角位移成正比的电流信号，以表明阀门开度，改电流信号作为位置反馈信号送到伺服放大器的反馈通道。-.z.3总体设计方案3.1设计预期目标除氧器水位控制在DCS控制中的ModulationandCodingScheme（MCS）功能组，采用单冲量及三冲量控制方式，因除氧器容积较大，对水位变化的反应较慢，同时除氧器采用滑压运行方式，为避免压力变动产生虚假水位的影响，故用凝结水流量信号及给水流量信号来反映进出除氧器的水量，作为水位控制的辅助调节。当凝结水流量小于200t/h时，采用单冲量调节方式；凝结水流量大于或等于300t/h采用串级三冲量调节方式。当凝结水流量在200~300t/h之间时，维持原控制方式保持不变。这样考虑是为了避免流量在200~300t/h之间变化时，控制系统在单冲量与串级三冲量之间反复切换。用水位信号的偏差作为调节器主控的输入，用给水流量信号作为前馈信号，快速反应增加调节器的输出保持水位稳定。除氧器水位过高在电厂生产过程中，造成除氧器水位过高的原因有多种多样，但是我们通过调查分析发现，造成除氧器水位过高的原因主要有以下几种：除氧器水箱阀门开度过大，进水时间过长；锅炉的给水泵因故障停机或者给水管阀门被关闭；除氧器的水位测量仪出现故障，测量结果不准确；除氧器水位自动调节阀失效；凝汽器管道破损泄露；机组负荷降低等。在生产过程中，一旦发现除氧器水位过程高，相关人员首先应校对检查水位计，确认水位计不存在问题，水位是真实升高。其次，查明水位升高的具体原因，如果因水位调节阀失效引起，应该关闭水位调节阀，同时开启备用的旁路阀；如果因给水泵故障停机引起，应及时的切换备用水泵，同时查明故障原因，采取相应措施；如果因凝汽器管道破裂引起，应及时关闭凝汽器与除氧器之间的阀门，并对凝汽器管道进行更换修补；如果除氧器水位远高于溢出水位，应开启水箱的放水阀进行放水，从而将水位控制在合理的围。最后，对采取的措施进行验证，查看所采取的措施是否起到作用，确保除氧器水位保持在合理围。除氧器水位过低造成除氧器水位过低的原因同样有多种，在此我们列举了几种常见的原因:进水阀门误关，使得进水量减少；除氧器水箱放水阀门误开；锅炉的给水阀门误开；发电机组的工作负荷增加；锅炉给水泵流量增加等。与除氧器水位过高的处理措施一样，发生除氧器水位降低的故障后，相关人员首先应做的是检查校对水位计是否正确，确认水位真实下降,避免故障误报。其次,如果故障因进水阀门误关、给水阀门误关等引起,应开启误关阀门；如果因水箱放水阀门误开引起，应关闭放水阀门；如果因水位调节阀失效引起；应关闭水位调节阀,开启备用的旁路阀。最后，要验证所采取的措施是否真正起到作用，水位是否恢复正常水平。3.2除氧器水位控制系统总体方案除氧器的水箱是为了保证锅炉有一定的给水储备而设置的，其容量一般应不小于锅炉额定负荷下连续运行15~20min所需的给水量。除氧器水箱水位过高，影响除氧效果；水位过低，出水量不足将导致给水泵入口发生汽化而危及给水泵的安全运行，甚至会威胁锅炉上水，造成停炉事故。因此，需对除氧器水位进行控制。除氧器水箱储水容积很大，在化学补充水控制阀开度做阶跃变化时，水箱水位不会立即变化，而表现出一定的延迟。对于补充水送凝汽器的热力系统，补充水要经过凝汽器、凝结水泵、轴封加热器合几台低压加热器等才进入除氧器，其水位延迟变化延迟更大。此外，由于水箱容积大而补充水管细，因此水位上升或下降的速度比较小。在负荷一定时，除氧器水位对象的动态特性可以近似为有延迟的一阶积分环节。对于大型的单元机组除氧器水位的自动控制，目前有两种控制方案：一种方案是通过直接控制进入除氧器的凝结水流量来控制除氧器的水位；另一种方案首先通过控制从补给水箱到凝汽器的补水量，到凝汽器水位变化后，再有凝汽器水位调节器控制进入除氧器凝结水的流量来间接控制除氧器的水位。在控制过程中，关键的问题是过程参数PID

（P:比例系数I:积分系数、D:微分系数）的整定。300MW机组的除氧器水位，一般通过直接改变进入除氧器的凝结水流量的方法来进行控制。控制系统方框图如图3.1所示，这是一个单冲量和串级三冲量可切换控制系统。由主控制器PID2和副控制器PID3组成的串级三冲量控制系统，副控制器主要保持凝结水流量与给水量之间的平衡，主控制器通过保持除氧器水位对进出流量的平衡提供矫正作用。PID1控制器则构成单冲量控制系统。除氧器水位是主信号，该信号与有人员设置的水位定值信号均送入PID2和PID1的入口。给水流量和凝结水流量是系统的辅助信号。给水流量是本系统的流出量，为省煤器入口的给水流量与过热器一、二级喷水流量以及再热器喷水流量之和，凝结水流量是本系统的流入量。三冲量控制方式下，有除氧器水位定值与水位实际值的偏差信号，给水流量和凝结水流量信号共同作用，控制凝结水流量调节阀开度，改变凝结水流量以稳定凝结水除氧器水位。在单冲量的控制方式下，调节器PID1根据水位偏差信号直接控制凝结水流量以调节除氧器水位。单冲量与三冲量控制切换的条件是：（1）当凝结水流量小于200t/h时，为单冲量调节方式。（2）当凝结水流量大于或等于300t/h为串级三冲量调节方式。当凝结水流量在200~300t/h之间时，维持原控制方式保持不变。这样考虑是为了避免流量在200~300t/h之间变化时，控制系统在单冲量与串级三冲量之间反复切换。单冲量与串级三冲量运行方式还可以有运行人员根据运行的实际情况进行选择，有的系统让它与锅炉给水控制系统的单冲量与三冲量切换同时进行。图3.1除氧器水位检测控制系统方框图当给水流量、凝结水流量、除氧器水位、调节阀阀位等信号发生故障时，除氧器水位自动方式切换到手动方式。-.z.4除氧器水位检测控制系统分析4.1测量部分除氧器水位的测量通常采用的方法有三种：磁翻板水位计、浮球水位开关、差压式水位计测量。综合分析在除氧器水位控制系统的设计中采用差压式水位计测量。磁翻板液位计外形如图4.1所示，当被测容器的液位升降时，液位计主导管中的浮子也随之升降，浮子的永久磁钢通过磁耦合传递到现场指示器，驱动红、白翻柱翻转180°，当液位上升时，翻柱由白色转为红色，当液位下降时，翻柱由红色转为白色，指示器的红、白分界处为容器介质液位的实际高度，从而实现液位的指示。图4.1磁翻板液位计浮球液位开关浮球液位开关使用磁力运作，无机械连接件，运作简单可靠。当浮球开关被测介质浮动浮子时，浮子带动主体移动，同时浮子另一端的磁体将控制开关动作杆上的磁体。一般采用SOR的机械式液位开关作为高低液位报警。当水位超过或低于动作值时，浮球筒的浮球带动部的磁铁滑块移动，从而引起筒外面的微动开关动作。在密闭的非导磁性管安装有一个或多个干簧管，然后将此管穿过一个或多个中空且部有环形磁铁的浮球，液体的上升或下降将带动浮球一起上下移动，从而使该非导磁性管的干簧管产生吸合或断开的动作，从而输出一个开关信号。如图4.2所示是浮球液位开关原理图。图4.2浮球液位开关工作原理差压式液位计差压式液位计是通过把液位高度变化转换成差压变化来测量水位的，因此其测量仪表就是差压计。差压式水位计准确测量水位的关键是水位与差压之间的准确转换，这种转换是通过平衡容器实现的,常用的双室平衡容器结构示意图如图4.3所示所示。正压头是从容器中引出,负压头是从置于宽容器中的水侧连通管中取得。宽容器中的水面高度是一定的，当水面增高时,水便通过汽侧连通管溢流入除氧器；要降低时,由蒸汽冷凝水来补充。因此当宽容器中的水的密度一定时，正压头为定值，负压管与除氧器是连通的。因此,负压管中输出压头的变化反映了水位的变化。按照流体静力学原理,当除氧器水位在正常水位H0(即零水位)时,平衡容器的差压输出ΔP0为（4.1）其中：ρs为除氧器汽空间密度；ρw为对应压力下的饱和水密度。当除氧器水位偏离正常水位变化时，平衡容器的差压输出ΔP为：图4.3双室平衡容器（4.2）L、H0为确定值，若ρ1、ρ2和ρs为已知的确定值时，正常水位的相对差压输出ΔP0就是常数，也就是说差压式水位计的零水位差压是稳定的。平衡容器的输出差压ΔP则是除氧器水位变化ΔH的单值函数，水位增高，输出差压减小。上述平衡容器在实际使用时，它存在下列问题会造成差压式水位计指示不准确：（1）由于平衡容器向外散热，正、负压容器中的水温由上至下逐步降低，且温度分布不易确定。因此用式（4.1）和（4.2）分度差压计时，因密度和的数值很难准确确定，分度好的差压式水位计装到现场后，其指示值与云母水位计的指示值不一致。即使在现场对照云母水位计的指示调好刻度值，随着使用情况的变化，还会由于和数值改变而指示不准。为解决这个问题，通过改进平衡容器结构，设法使和为已知确定值。例如，用蒸汽套保温，可使和都等于汽包压力下饱和水的密度，这时，差压和水位有下列关系式：（4.3）其中：（2）一般，差压式水位计是在额定工作压力下分度的，因此差压式水位计只有在额定工作压力下运行其指示才正确。当除氧器压力变化时，饱和水密度和汽包空间蒸汽密度随之变化，使差压式水位计的指示发生很大的误差。为了消除除氧器压力变化造成的误差，可采用除氧器压力补偿措施，进行水位的校正。差压式流量计差压式流量计是应用历史悠久，实践经验丰富成熟，标准规完善，品种规格齐全的一类流量计，二十世纪50年代以前它可能是唯一的天然气流量计。它有许多不足之处：如测量精度一般，现场安装条件要求高，压损大，围度窄等等；针对上述不足，近年国生产厂推出一系列改进办法，如一体式差压流量计、定值节流件、可换孔板节流装置、采用标准喷嘴等等，再加80年代以后差压式流量计的两个组成部分：差压变送器和流量显示仪有突出的进展，估计今后此类流量计仍将占据重要的地位。为了更好的控制除氧器水位，除了对除氧器水位进行测量，还需检测给水流量和凝结水流量，以便对除氧器水位进行三冲量控制。现采用差压式流量计对流量进行测量。差压式流量计主要由节流装置、压差信号管路和显示仪表三部分组成。在管道装入节流件，流体流过节流件时流束收缩，于是在节流件前后产生差压。对于一定形状和尺寸的节流件，一定的测压位置和前后直管段情况、一定参数的流体以及其他条件下，节流件前后产生的差压值随流量而变，两者之间有确定的关系，因此可通过测量差压来测量流量。其他条件不变时，节流件前后的差压Δp与流量q的关系为。差压式流量计的工作原理如图4.4所示：图4.4差压式流量计工作原理图差压式流量计适用于被测流体充满全部管道，并沿着径不小于50mm的圆形管道流动；流体在管道的流动是稳定流，流速为亚音速；被测流体通过节流装置时是单相均质流体，不发生相变和析出杂质；标准节流装置安装在两段径相同的直管段之间，在节流装置前后的最小直管段长度不得有其他凸出物或肉眼可见的凹凸不平现象等场合。4.2变送部分差压变送器为了对除氧器水位进行校正，需利用除氧器压力进行运算，故利用差压变送器将压力取出来以便使用。电容式差压变送器是20世纪80年代研制开发的新型差压变送器，它利用单晶硅谐振传感器，采用微电子表面加工技术，除了保证±0.2%的测量精度外，还可实现抵制静压、温飘对其影响。由于配备了低噪声调制解调器和开放式通讯协议，目前的电容式差压变送器可实现数字无损耗信号传输。现采用电容式差压变送器对压力进行转换。电容式差压变送器完全由密封测量元件组成，可消除机械传动所造成的瞬时冲击和机械振动。另外高、低压测量室按防爆要求整体铸造而成，大大抑制了外应力、扭矩以及静压对测量准确度的影响。电容式压力变送器中，以测压弹性膜片为电容器的可动极板，它与固定极板之间形成一可变电容。随被测压力的变化，膜片产生位移使电容器的可动极板与固定极板之间的距离改变，从而改变了电容器的电容量，这样就完成了压力信号与电容量之间的变换。将激励电压加于电容器，产生的交变电流经整流、控制、放大，输出4～20mA直流电流。这就是电容式（差压）变送器的基本工作原理。在常用的1151系列电容式变送器中，电容式传感部分又被称为δ室，如图4.5所示。图4.5电容式变送器结构变送器变换过程1151变送器的变换过程示意如图4.6所示：图4.6变送器的变换过程示意图4.3控制部分控制方式除氧器水位调节系统不外乎采用如下三种基本结构：单冲量调节系统结构、单级三冲量调节系统结构与串级三冲量调节系统结构。低负荷阶段，给水和蒸汽流量存在严重的不平衡，而且流量太小时，测量误差大，故在低负荷阶段，很难采用三冲量调节方式，一般均采用单冲量调节方式。由于除氧器容积较大。作为被调量的除氧器水位存在较大惯性。负荷增减过程中给水流量变化较大时有可能出现“虚假水位”现象，使得给水流量和凝结水流量的不平衡增大，延长了调节时间。这时，在高负荷阶段原则上可以采用三冲量控制回路以解决这一问题。但是由于单级三冲量调节系统参数整定需要兼顾的因素多，因此单级三冲量事实上一般也很难采用。串级三冲量调节方式，采用主、副两个调节器。两个调节器的任务分工明确，整定相对容易，而且不要求稳态时兼顾的因素多，易于得到较好的调节品质，因此采用串级三冲量调节系统调节结构来控制高负荷时的除氧器水位。由于兼顾低负荷阶段和高负荷阶段的调节，采用给水全程控制方式。这时不再是单一的单冲量系统或三冲量系统，而是单冲量和三冲量系统的有机结合并配有完善的控制方式自动切换与连锁逻辑。采用两种控制方式的原因：在直流锅炉的启动初期，其水冷壁管必须通过个保证该受热面安全的最小流量，当锅炉的产汽量小这个最小安全流量时，多的水经过汽水分离器及其水箱回到凝汽器。本锅炉这个最小安全流量为225t。所以在给水流量小于250t时锅炉的给水基本上是维持不变的，除氧器水位受给水流量变化的扰动也就很小。因此采用单冲量系统即满足调节品质的要求，又可以减小整个给水全程调节的参数的整定。进入干态运后锅炉的给水流量即为锅炉输入需求值（BID）的比例函数，所以给水流量是随BID每时每刻都在变化，特别是负荷改变时变化更为剧烈，因此为提除氧器水位的调节品质就有必要受用较为复杂的三冲量串级控制系统。根据机组的特性可以发现锅炉干态和湿态切换的区间（65~80MW）锅炉的给水流即约为300t左右，即为单冲量和三冲量控制方式的切换点。三冲量控制时为了保证除氧器水位在不同的干态负荷下均有良好的控制品质，在不同负荷下相当于副调节器能够有不同的参数整，控制系统有一定和自适应能力。单冲量调节系统单冲量控制用于给水流量小于300t时的工况。控制器仅接受除氧器水位H信号，与给定值进行比较得出偏差，再按照一定的控制规律输出信号去执行器，控制除氧器水位。除氧器液位信号通过三选二逻辑输出，与设定值进行比较后输入到数字PID控制器，经过数字PID计算后通过手、自动切换器把控制型号输出给阀门执行机构，进而通过2个凝结水调节阀进行凝结水流量的调节，以控制除氧器水位。通过合理的设置数字PID控制器的各个控制参数可以达到较为满意的控制效果。单冲量除氧器水位控制系统如图4.7所示：图4.7单冲量除氧器水位控制系统单级三冲量调节系统在给水流量大于300t时除氧器的水位控制可采用单级三冲量调节系统。除氧器水位调节接受除氧器的水位和主凝结水流量、总给水流量三个信号再按照一定的控制规律输出信号去执行器，控制除氧器水位。单级三冲量除氧器水位控制系统如图4.8所示：图4.8单级三冲量除氧器水位控制系统其中，G、H、N——分别为给水流量、除氧器水位、凝结水流量；Vg、Vh、Vn——为给水流量、除氧器水位、凝结水流量测量变送器的斜率；Ag、An——为给水流量信号与凝结水流量信号的分流系数；g、h、n——分别为输入控制器的给水流量、除氧器水位、凝结水流量信号。串级三冲量调节系统在给水流量大于300t时除氧器的水位控制是一个典型的串级三冲量控制系统，如图4.9所示。与单冲量调节系统相比，其调节任务由两个调节器来完成。主调节器才有PI调节规律，以保证水位无静态偏差，主调节器的输出信号和主凝结水流量、总给水流量信号都作用在副调节器。一般串级调节系统的副调节器可采用比例调节器，以保证副回路的快速性。串级调节系统主、副调节器的任务不同，主调节器调节除氧器水位，副调节器调节凝结水流量，同时将总给水流量作为副调节器的前馈信号。当凝结水流量发生扰动时。通过回路的作用可以迅速消除；当给水流量发生扰动时，通过回路的作用可以使凝结水流量迅速跟踪给水流量的变化。从串级三冲量调节系统与单级三冲量调节系统进行比较，可以看出它们的不同点在于：串级系统的主、副回路的工作可以认为基本上是各自独立的，主凝结水流量和总给水流量虽然也同时对主、副回路产生影响，但它们在系统中的作用比单级的小得多。在串级三冲量给水调节系统中，水位偏差完全由主调节器来校正，使静态水位值总是等于给定值。串级控制系统的目的是使系统具有良好的动态性能和稳态性能，确保主被控量的控制质量，实现无差调节。当有扰动出现于副回路时，由于主被控对象的时间常数大于副被控对象的时间常数，因而当主被控量未做出反映时，副回路已做出快速响应，及时地消除了扰动对主被控量的影响。此外，如果扰动作用于主被控对象，由于副回路的存在，使副被控对象的时间常数大大减小，从而加快了系统的响应速度，改善了动态性能。图4.9串级三冲量调节系统其中，G、H、N——分别为给水流量、除氧器水位、凝结水流量；Vg、Vh、Vn——为给水流量、除氧器水位、凝结水流量测量变送器的斜率；Ag、An——为给水流量信号与凝结水流量信号的分流系数；g、h、n——分别为输入控制器的给水流量、除氧器水位、凝结水流量信号。单冲量、三冲量之间的无扰切换（1）单冲量和三冲量系统切换原理调节器均可采用PI节器，单冲量、三冲量调节的主调节器。三冲量的副调节器也可采用PI调节器构成串级调节系统，主调节器的输出信号与蒸汽流量信号相加后作用于副调节器作为给定信号，而副调节器的被调量是给水流量信号。上述两套调节系统，低负荷时用单冲量，高负荷时用三冲量，两调节系统的切换是根据蒸汽流量信号的大小进行控制的。（2）单冲量三冲量系统无扰切换跟踪技术单冲量三冲量系统切换过程应是无扰动的。因此，在单冲量运行时，三冲量调节的输出信号（从动信号）应跟踪于单冲量调节器的输出信号（主动信号），反之，在三冲量系统运行时，单冲量调节器输出信号跟踪于三冲量系统副调节器的输出信号在除氧器水位控制系统中，通常主管道和旁路管道都配备有调节阀。在机组起动和带低负荷阶段，通过旁路管道的调节阀控制除氧器水位，在机组带较大负荷时，通过主管道的调节阀控制除氧器水位。旁路管道的最大流量一般为主管道最大流量的15%~30%。在低负荷下使用小阀，在高负荷下使用大阀，避免了大阀在小开度下较长时间运行，减小了大阀的磨损!和节流损失，提高了机组效率。（3）无扰切换具体实现300MW电厂机组除氧器水位控制两个调节阀，可由控制系统自动进行切换。如图4.10所示，A为可由运行人员手动操作的除氧器水位设定值，其后分别为防止设定值变化时对系统冲击过大的速率限制器，以及为了防止运行人员误操作的最大和最小设定值限制，PI1为低负荷下小阀使用的单冲量调节器，PI2为高负荷下大阀使用的单冲量调节器，PI3为高负荷下大阀使用的三冲量调节主调节器，P为高负荷下大阀使用的三冲量调节副调节器。设计在低负荷下采用单冲量控制除氧器水位，在高负荷时采用三冲量控制除氧器水位，其差别仅在于把大阀和小阀所使用的调节器完全分开。使调节器跟踪方便，PI1跟踪小阀的控制指令，PI2和P跟踪大阀的控制指令，PI3跟踪凝结水流量和锅炉总给水流量之差。图4.10单冲量/三冲量无扰切换系统原理图当大小阀在自动控制方式，并在三冲量控制阶段，小阀将自动按一定速度（比如1%/min）从当前开度强制关小到零。当大小阀在自动控制方式，并在单冲量控制阶段，大阀将自动按一定速度（比如1%/min）从当前开度强制关小到零。如果两个阀门中有任何一个处于手动控制方式，则上述自动切换不会进行。4.4执行器部分执行机构

执行机构使用液体、气体、电力或其它能源并通过电机、气缸或其它装置将其转化成驱动作用。基本的执行机构用于把阀门驱动至全开或全关的位置。用于控制阀的执行机构能够精确的使阀门走到任何位置。尽管大部分执行机构都是用于开关阀门，但是如今的执行机构的设计远远超出了简单的开关功能，它们包含了位置感应装置，力矩感应装置，电极保护装置，逻辑控制装置，数字通讯模块及PID控制模块等，而这些装置全部安装在一个紧凑的外壳。气动执行器的执行机构和调节机构是统一的整体，其执行机构有薄膜式、活塞式、拨叉式和齿轮齿条式。活塞式行程长，适用于要求有较大推力的场合；而薄膜式行程较小，只能直接带动阀杆。拨叉式气动执行器具有扭矩大、空间小、扭矩曲线更符合阀门的扭矩曲线等特点，但是不很美观；常用在大扭矩的阀门上。齿轮齿条式气动执行机构有结构简单，动作平稳可靠，并且安全防爆等优点，故常选用它。调节机构执行器的调节机构可以分为直行程式调节机构和执行器的角行程式调节机构：（1）直行程式调节机构执行器的直行程式调节机构是指以直线方式对受控对象施加作用的调节机构，它的特点是调节机构本身所产生的位移都为直线位移，不存在转角位移。执行器的直行程式调节机构主要包括直通单座阀、直通双座阀和角形阀等。执行器的直行程式调节机构中，直通单座阀的特点是结构简单、泄漏量小和允许误差低，更适用于压差小、泄漏少的干净工况；直通双座阀的流通能力大、允许差压大，适合差压大、泄漏量不高的干净工况；角型阀的优点是稳定性好，适合高压工况进和颗粒物料控制。（2）角行程式调节机构执行器的角行程式调节机构是指以旋转方式对受控对象施加作用的调节机构，它的特点是调节机构本身所产生的位移都为转角位移，不存在直线位移。执行器的角行程式调节机构主要包括蝶阀和凸轮挠曲阀等。执行器的角行程式调节机构中，蝶阀是以转轴旋转挡板来控制介质的流量，它的特点是体积小但流通量大，适用于那些低差压、泄漏少、大流量和悬浮颗粒介质的工作场合控制。凸轮挠曲阀和蝶阀一样，都有体积小、重量轻的特点，易于维修和使用，适用于粘度大的工况。-.z.5除氧器水位控制系统SAMA图分析根据对除氧器水位控制系统的各个部分的分析，总体设计方案总结如下：5.1控制系统SAMA图图5.1除氧器水位控制SAMA图5.2各组成部分列表除氧器水位检测控制系统的构成和各个项目对应得方案如表5.1所示。在控制回路中所需要的各部分在表中都有具体的指出和在前面进行分析的控制部分、变送部分、执行部分对应的项目和方案。表5.1系统组成系统构成部分项目方案测量、变送除氧器水位电容式差压变送器给水、凝结水流量差压流量计控制低负荷时单冲量控制系统高负荷时串级三冲量控制系统执行器执行机构气动执行机构调节机构直通型调节阀5.3SAMA图说明控制系统分析控制系统如图5.1所示，两个除氧器水位测量信号经过选平均模块，滤波模块后作为调节器的测量值PV。调节部分由两部分组成：一部分是单回路调节(PID1)，在低负荷时使用；另一部分是串级三冲量调节（PID2,PID2），在高负荷时采用。两者切换是由凝结流量来判断的。当凝结流量小于200t/h时，系统切换到单冲量调节；当凝结流量大于300t/h，系统切换到串级三冲量调节。将给水流量切换点错落设置可避免调节方式在切换点频繁切换。在串级三冲量系统中，PID2为主调节器，负责维持除氧器水位在设定值；PID3为副调节器，其功能是维持打到除氧器的凝结水量与给水流量基本平衡。图5.2主阀M/A站输出图5.3副阀M/A站输出方案的调节输出由切换模块T的输出经平衡模块BALANCE分为两路，分别经主、副阀的函数发生器F(*)输出到主副阀。其中主阀的F1(*)（见图5.2）是当副调节输出=40%时，F1(*)=0%；当副调节输出=100%，F1(*)=100%。副阀的F2(*)(见图5.3)是当副阀输出=0%时，F2(*)=0%当副调节输出=40%，F1(*)=90%。在实际运行中，当副阀全开、主阀刚开的瞬间，由于主阀管径较大，对除氧器水位有一定的扰动，后将主、副阀的F(*)分别做一下调整：即主阀的F1(*)是当副调节输出=35%时，F1(*)=0%；当副调节输出=100%时，F1(*)=100%。副阀的F2(*)是当副阀输出=0%时，F2(*)=0%；当副调节输出=40%，F1(*)=90%。即允许主、副阀在切换瞬间有一定的重叠度，以减少除氧器水位的波动，保证切换过程能够平稳的过渡。单冲量与三冲量控制方式的选择除氧器水位控制通常设计为全程控制系统，通过控制进入除氧器的主凝结水流量来维持除氧器水位为定值。在机组启动和低负荷运行时，给水流量小，为单冲量控制系统，PID1为单冲量调节器，它只接受水位测量值和设定值（运行人员设定），其输出经切换器T后，再分别经F1(*)和F2(*)去控制除氧器水位调节门，改变进入除氧器的凝结水流量，达到控制水位的目的。当给水流量超过一定数值后，采用串级三冲量控制系统，其中PID2为串级控制系统主调节器，接受水位测量值和设定值信号，负责将水位精确调回到给定值，起细调作用。主调节器的输出作为副调节器PID3的设定值，副调节器的测量值为加法器∑的输出，∑的值为低压加热器至除氧器的流量减去总给水流量，副调节器的主要目的是快速克服凝结水流量的自发性扰动，同时保持凝结水量与给水量的平衡，起粗调作用。调节器输出经BLANCE后并行输出两路，分别经F1(*)和F2(*)去控制除氧器水位调节门，改变进入除氧器的凝结水流量，从而控制除氧器水位。单冲量三冲量系统切换过程应是无扰动的。因此，在单冲量运行时，三冲量调节的输出信号应跟踪于单冲量调节器的输出信号，反之，在三冲量系统运行时，单冲量调节器输出信号跟踪于三冲量系统副调节器的输出信号。系统跟踪技术系统的跟踪技术的涉及如下的几种情况：（1）手动/自动无扰切换系统在手动时，设定值SP（在主阀M/A站中设定）跟踪PV值（除氧器水位）。副调输出在系统手动时分别以F1(*)的函数关系跟踪主阀M/A站输出（主阀开启后），以F2(*)的函数关系跟踪副阀站输出（主阀开启前）。（2）单冲量/三冲量调节无扰切换系统处于单冲量自动调节方式时，三冲量调节输出（PID3输出）跟踪单冲量调节输出（PID1输出）。系统处于三冲量自动方式时，单冲量调节输出（PID1输出）跟踪三冲量调节输出（PID3输出）。（3）三冲量调节主副调的跟踪三冲量调节处于手动方式时，主调输出（PID2输出）跟踪除氧器进口凝结水流量。-.z.结论目前电厂机组运行中，除氧器水位控制是工厂自动控制中的一部分。其特点是由于机组的热力系统及运行特性决定了除氧器水位控制在不同的工况下可以自动先择单冲量或三冲量控制。单冲量与三冲量控制切换的条件是：（1）当凝结水流量小于200t/h时，为单冲量调节方式。（2）当凝结水流量大于或等于300t/h为串级三冲量调节方式。当凝结水流量在200~300t/h之间时，维持原控制方式保持不变。这样考虑是为了避免流量在200~300t/h之间变化时，