300MW机组锅炉给水系统分析论文

课程设计说明书学生姓名:学号：学院:班级:题目:300MW火电机组给水控制系统设计指导教师：职称2011年12目录摘要 31.设计任务、内容及要求 31.1设计目的 31.2设计内容及要求 32.设计方案分析 42.1给水控制基本任务 42.2给水控制对象和各种扰动下水位变化的动态特性 42.2.1汽包水位 42.2.2给水流量W扰动下汽包水位的动态特性 52.2.3蒸汽流量D扰动下汽包水位的动态特性 52.2.4给水温度造成的扰动 62.3信号的测量与校正 62.3.1水位信号及校正 62.3.2给水流量信号及其校正 72.3.3过热蒸汽流量信号压力、温度校正 72.4给水泵安全运行特性要求 83.给水控制过程分析 93.1给水控制系统的基本要求 93.2给水系统控制方式及分析 93.2.1单冲量控制方式 103.2.2串级三冲量给水控制系统分析 103.3控制中的切换与跟踪 113.3.1单冲量与三冲量之间的无扰切换 113.3.2阀门和泵的运行及切换 113.3.3电动泵与汽动泵的切换 113.3.4跟踪 114.总结 12心得体会 12参考文献 13摘要锅炉是典型的复杂控制系统，汽包水位是锅炉安全、稳定运行的重要指标，是一个非常重要的被控变量。影响汽包水位的因素主要有锅炉蒸发量、给水量、炉膛负荷、汽包压力。给水调节的任务是使给水量适应锅炉蒸发量，维持汽包水位在允许的范围内。本文分析了汽包锅炉给水控制对象的动态系统分析和三冲量给水控制系统的整定分析，以300MW单元机组全程给水系统为例，全面系统的介绍了全程给水控制系统的原理，控制过程分析以及各种信号的测量，还有各种阀之间的相互切换。关键词：给水控制系统虚假水位汽包水位三冲量给水控制1.设计任务、内容及要求1.1设计目的通过本课程设计，使学生能较好的运用过程控制的基本概念、基础理论与方法，根据大型火电机组的生产实际，对火电机组的过程控制系统进行分析，设计出原理正确、功能较为全面的300MW火电机组给水控制系统。1.2设计内容及要求(1)设计功能基本全面的全程给水控制系统，要求图纸采用SAMA标准图例，系统布局规范。(2)参考输入参数：汽包水位、汽包压力、给水流量、给水温度、汽机第一级压力、主汽温度、过热减温水流量等信号。(3)参考输出参数：A、B汽动泵转速、电动给水泵转速、给水旁路调节阀开度。(4)信号准确性：考虑汽包水位、给水流量和蒸汽流量等信号的修正。(5)信号监测与报警：重要信号需要监测与报警，同时注意信号的可靠性，考虑冗余。(6)工作方式：给水旁路阀单冲量控制、电动泵单级单冲量控制、电动泵串级三冲量控制、汽动泵串级三冲量控制。(7)切换与跟踪：电动泵运行时大小给水阀门、电动泵、汽动泵之间；单、三冲量；单、串级之间的切换。跟踪原则：1)电动泵单级单冲量工作时，电动泵三冲量副调跟踪单冲量调节器输出；2)电动泵三冲量工作时，单冲量调节器跟踪阀位信号（电动泵手动）；3)电动泵手动时，单冲量调节器跟踪副调输出（电动泵自动）；4)汽动泵手动工作时，三冲量主调跟踪给水流量信号，副调跟踪阀位信号。(8)注意泵的安全经济工作区。(9)控制部分：控制方案考虑采用单回路、串级、前馈等控制，控制器的控制规律（PI、PID、PD、P）选择准确，调节器可共用。(10)逻辑关系准确全面。2.设计方案分析2.1给水控制基本任务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的范围内，具体要求有以下两个方面：(1)维持汽包水位在一定范围内。汽包水位是影响锅炉安全运行的重要因素。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损坏叶片；水位过低，则会破坏水循环，引起水冷壁的破裂。正常运行时的水位波动范围：±30～50mm异常情况：±200mm事故情况：>±350mm(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。2.2给水控制对象和各种扰动下水位变化的动态特性2.2.1汽包水位汽包水位过高，会影响汽包汽水分离装置的正常工作，造成出口蒸汽水分过多而使过热器管壁结垢，引起过热器损坏。同时还会使过热汽温急剧变化，影响机组运行的安全性和经济型。水位过低，可能导致水循环破坏，引起水冷壁管烧坏。锅炉汽包的正常水位，一般在汽包中心线下100～200㎜，运行中一般要求水位维持在给定值±50㎜内。2.2.2给水流量W扰动下汽包水位的动态特性给水量的扰动是给水自动控制系统中影响汽包水位的主要扰动之一，因为它是来自控制侧的扰动，又称内扰。在给水流量W的阶跃扰动下，水位H的响应曲线可以用图1来说明。图1给水流量阶跃扰动下的水位响应曲线2.2.3蒸汽流量D扰动下汽包水位的动态特性蒸汽流量扰动主要来自汽轮发电机组的负荷变化，这是一种经常发生的扰动。从图2中可以看出，当锅炉负荷变化时，汽包水位的动态特性具有特殊的形式:即当负荷增加时，虽然锅炉的给水流量小于蒸汽流量，但在扰动一开始汽包水位不仅不下降反而迅速上升，反之，汽包水位下降。这种现象称之为“虚假水位”现象。虽然虚假水位持续时间不长，但对调节效果的影响很大。图2汽机耗汽量D阶跃扰动下的水位响应曲线2.2.4给水温度造成的扰动给水温度会对给水流量的测量误差造成影响。计算结果表明：当给水温度为100℃，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%；压力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%。可见，对给水流量测量需要采取温度校正。2.3信号的测量与校正2.3.1水位信号及校正水位测量的原理是利用简单平衡容器内水柱重量产生的压力与汽包高度产生的液柱压力相比较，从而获得一个与汽包水位有一定关系的差压值，以此来间接测量汽包水位。影响汽包水位测量精度的主要原因是汽包压力的变化，实际使用中采用对差压信号进行压力校正来补偿汽包压力变化的影响。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式中Pb—汽包压力,PaP-汽包水位差压变送器两侧压差,Pa汽包水位测取了左、中、右三个测点。正常情况下通过切换开关T的NC点,对三个信号(Hi,i=1,2,3)求平均值作为汽包水位的测量信号H。当任一差压变送器故障时Hi与H相差很大,可发出声光报警。同时在逻辑信号作用下T切换至NO,将故障前的H作为本路测量值Hi,暂时维持H变化不大,控制系统切手动,待值班人员切除故障变送器后,系统再正常运行。2.3.2给水流量信号及其校正计算结果表明：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%；若给水压力位19.6MPa不变，给水温度在100～290省煤器前给水流量的测量值经给水温度修正后，汇总过热器一、二级减温器的喷水量和锅炉连续排污量后，形成控制实用的给水流量测量信号W。2.3.3过热蒸汽流量信号压力、温度校正大容量高参数锅炉的过热蒸汽流量通常采用标准节流装置进行测量。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，当被测蒸汽压力和温度偏离设计值时，蒸汽度的密度变化很大，这就会给测量造成误差，所以要进行压力和温度的校正。一般按下式进行校正：D==K式中：D-过热蒸汽流量(Kg/H)；P-过热蒸汽压力(MPa)；T-过热蒸汽温度()；-节流件差压(MPa)；K-流量系数；：过热蒸汽重度()。2.4给水泵安全运行特性要求为了提高大型火电厂机组的热效率，节约厂用电及提高经济效益，采用小型汽轮机代替电动机驱动锅炉给水泵是有效的措施之一。汽动给水泵具有较高的经济性。而电动给水泵具有系统结构简单、启动迅速、可靠性高等优势，所以大容量机组的给水系统泵组的设计是由电动给水泵和汽动给水泵共同构成，充分利用两种泵的优势，使在正常工况下机组具有较高的经济性，又能在启停和异常事故工况下使机组具备良好的适应性和快速响应功能。但是无论使用哪种方案，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，始终是一个重要问题。给水泵的安全工作区如图3所示，图中阴影区由泵的上、下限特性(、)、最高转速和最低转速、最高压力（泵出口）和最低压力所围成，给水泵不允许在安全工作区以外工作。为了满足上限特性要求，在锅炉负荷很低的时候，须打开再循环门，以增加通过泵的流量，这样在所需的相同泵出口压力条件下，可使泵进入上限特性右边的安全区工作，如图3中，泵的工作点由a1点移到b1点。由于给水泵有最低转速的要求，这样在给水泵已接近时就不能以继续降低转速方式来调节给水量，这就需要用改变上水通道阻力（即设置给水调节阀）的方式，使泵工作在安全区内。由于兼用改变泵转速和上水通道阻力两种方式调节给水量，增加了全程给水自动控制系统的复杂性。在锅炉负荷开到一定程度的时候，即泵流量较大时，为了不使在下限特性右边区域工作，也须适当提高上水通道阻力，以使泵出口压力提高，这样给水调节门又起到保证泵在下限特性左边安全工作的作用。如图中泵工作点由a2移至b2点。图3给水泵安全工作示意图为了防止泵的工作点落入上限特性之外，目前采取的办法是在泵出口至除氧器之间安装再循环管道，当泵的流量低于设定的最小流量时，再循环门自动开启，增加泵体内的流量，让一部分水回到除氧器中，从而使低负荷阶段的给水泵工作点也在上限特性曲线之内，随着机组负荷的增加，给水流量也增大，当泵的流量高于设定的最大流量时，再循环门将自动关闭。3.给水控制过程分析3.1给水控制系统的基本要求锅炉给水全程控制系统可以不需要运行人员参与而自动完成锅炉启、停和正常运行工况下对给水热力系统中全部设备的自动控制，以保持汽包水位在设定的允许范围以内，其控制过程具有以下主要要求：（1）锅炉从启动到正常运行的过程中，汽水参数和负荷在很大范围内变化，因此需要对水位、流量等测量信号自动进行压力和温度的校正。（2）在给水全程控制系统中不仅要满足给水量控制的要求，同时还要保证变速给水泵工作在安全工作区内。（3）由于锅炉给水调节对象的动态特性与负荷有关，在低负荷时可以采用以汽包水位为反馈信号的单回路控制系统；在高负荷时为克服“虚假水位”需要采用三冲量控制系统，因此在锅炉负荷变化时要保证两种控制系统之间的双向无扰切换。（4）在低负荷时采用改变阀门开度来保持水位，高负荷时用改变给水泵的转速保持水位，因此产生了阀门与给水泵间的过渡切换问题。（5）给水全程控制系统要适应机组定压运行和滑压运行工况，以及机组的冷态启动和热态启动工况。3.2给水系统控制方式及分析给水控制系统单冲量三冲量单冲量控制手段启动给水旁路阀电动泵电动泵电\汽并列汽动泵电\汽并列电动泵电动泵旁路阀3.2.1单冲量控制方式在机组启、停极低负荷运行工况，采用单冲量控制方案，通过单冲量调节器PI1控制给水旁路阀和电动泵。给水旁路阀及每台给水泵操作回路均配有手动/自动操作站，汽包水位测量值H与汽包水位设定值进行比较，其偏差经单冲量调节器、切换器、比例器K2去控制给水旁路调节阀，此时电动泵保持一定转速，以满足启动和低负荷下给水量的需求。当旁路阀门开度大于95%时，自动打开主给水电动门电动泵可以进入自动方式运行，此阶段仍采用单冲量控制方式，单冲量调节器P1的输出经比例器K1和自动\手动操作站控制电动给水泵转速，以维持汽包水位。由于采用旁路阀水位控制系统与电动泵水位控制系统的执行机构不同，采用了不同的比例系数K1、K2。3.2.2串级三冲量给水控制系统分析对于给水控制通道延迟和惯性较大的锅炉，采取用串级控制系统将具有较好的控制质量，调试整定也比较方便，因此，在大型汽包锅炉上可采用串级三冲量给水控制系统。另外,控制对象在蒸汽负荷扰动(外扰)时存在“虚假水位”现象,因此在扰动的初始阶段调节器将使给水流量向与负荷变化相反的方向变化,加剧了锅炉进、出流量的不平衡。因此应采用以蒸汽流量D为前馈信号的前馈控制,从而能够根据对象在外扰下虚假水位的严重程度来适当加强蒸汽流量信号的作用强度,以改善蒸汽负荷扰动下的水位控制品质。当负荷>30%时采用串级三冲量控制方案，系统中电动泵副调节器PI3和汽轮机副调节器PI4共用一个主调节器PI2。这是一个以汽包水位为主信号，以蒸汽流量为前馈信号，以给水流量为反馈信号的串级三冲量控制系统，当负荷大于30%小于40%时汽动泵小汽机开始冲转、升速，当汽动泵转速进一步上升、汽动泵流量逐步提高，电动泵流量逐步下降后，可投入汽动泵自动，使电动泵退回手动。当负荷升到40%~50%时启动第二台汽动泵运行，这时，三冲量主调PI2和汽动泵副调PI4构成串级三冲量汽动泵控制方式。3.3控制中的切换与跟踪3.3.1单冲量与三冲量之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PI2的输出跟踪(D-W)信号,同时电动泵三冲量副调节器PI4的输出通过函数组件f(x)以及切换开关T一直跟踪单冲量调节器PI1的输出,所以系统由单冲量切换到三冲量是无扰动的。D>30%时采用三冲量系统。单冲量调节器PI1通过T的常闭点NC跟踪三冲量电动泵副调节器PI4的输出,所以由三冲量切换到单冲量也是无扰动。3.3.2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,两者的无扰切换时通过函数组件f(x)、切换开关T及PI1的跟踪实现的。因为f(x)产生连续函数,而PI1通过T的NC点跟踪f(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。3.3.3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）正常切换,即电动泵操作器处在自动位置,汽动泵操作器在手动位置时进行泵的切换。把汽动泵的操作器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。3.3.4跟踪跟踪原则为：(1)电动泵单级单冲量工作时，电动泵三冲量副调跟踪单冲量调节器输出；(2)电动泵三冲量工作时，单冲量调节器跟踪阀位信号（电动泵手动）；(3)电动泵手动时，单冲量调节器跟踪副调输出（电动泵自动）；(4)汽动泵手动工作时，三冲量主调跟踪给水流量信号，副调跟踪阀位信号。4.总结本文通过对汽包锅炉给水控制系统的结构和动态特性的分析，提出采用三冲量给水控制系统，三冲量给水控制系统结构较复杂，但调节质量比较高。通过无扰切换可以实现给水水位自动控制的要求，在高负荷时采用串级三冲量给水控制系统控制汽包水位。通过对系统结构的分析，我们知道了给水水位控制在汽包锅炉中的重要