火力发电厂热控自动调节系统之二 【给水自动控制系统】

qm
C 1
4
*

4
d 2 * 2 (t )P
式中
qm 为流体质量流量［kg］
C 分别为流体的流出系数和可膨胀性系数，为无因次量
d 为节流孔直径［m］
为直径比，即节流孔直径 d 与管道直径 D 之比，＝d/D。
(t ) 为节流件上游流体密度（kg／m3）
P 为节流件上、下游流体的差压（Pa）
ra rs
L
rw
H
P-
P+
图 3-2 单室平衡容器的示意图 图中： L-联通管与汽包连接上下开孔中心垂直距离(960mm) H-汽包相对联通管下开孔中心水位（mm） γ S - 饱和蒸汽密度(kg/m ) γ w -饱和水密度(kg/m ) γ a -环境温度下凝结水的密度(kg/m ) ΔP-平衡容器输出差压（mmH 2 O） P ＝γ a L P =γ w H+γ S (L-H) ΔP= P - P =[(γ a -γ S )L-(γ w -γ S )H]/1000 所以可得差压式汽包水位的补偿公式： H=[(γ a -γ S )L-1000ΔP]/ (γ w -γ S )
MPa kg／h MPa K MPa
例如，某 300MW 机组的蒸汽流量计算公式为：
G G0 *
T01 P 273 t01 P * 1 G0 * * 1 T1 P01 273 t1 P01
该公式根据汽轮机调速级压力、调速级温度计算出主蒸汽流量。式中： G： 主蒸汽流量 t/h； G0：额定工况下的主蒸汽流量 t/h； P1：调速级压力 Mpa； P01：额定工况下的调速级压力 Mpa； t1：调速级温度℃ t01：额定工况下的调速级温度℃ 该机组的额定参数为： G0：额定工况下的主蒸汽流量=985t/h P01：额定工况下的调速级压力=13.16Mpa； t01：额定工况下的调速级温度=540.6℃ 值得一提的是，以上关系式确定成立的首要前提，是汽机通流部分的结构特征保持不变。当 汽机通流部分由于叶片表面结垢、 破损、 变形或动静部分间隙发生变化而导致汽道面积改变 时，应用上述公式计算所得的数值中会附带有相应的误差。所以，应用上列关系式于实际运 行中汽机主蒸汽流量的计算时，关键是要准确地选定式中的四个基准参考值 G0、P01、t01 和 P02。设计计算数据或制造厂提供给用户的有关数据资料，往往不准，所以要以汽机运行 及其性能试验中实测的数据为准。 注意， 这里的蒸汽流量信号除了由汽机调节级压力信号经函数运算形成主蒸汽流量信号， 还 应加上旁通蒸汽流量信号。
给水自动控制系统
第一节 给水系统信号的测量
一 汽包水位的测量 锅炉汽包水位是保证机组安全运行的重要参数，随着大容量、高参数锅炉的发展，对汽包水 位测量提出更高的要求。汽包水位过高，蒸汽空间缩小，容易引起蒸汽带水，使蒸汽品质恶 化；满水时蒸汽大量带水，将会导致管道和汽轮机内产生严重的水冲击造成设备损坏；汽包 水位过低，下降管带汽将会引起水循环的破坏，仲水冷壁超温爆管，严重缺水时，还会造成 锅炉爆炸事故，因此在运行过程中准确地判断汽包水位具有重要意义。 由于火电机组的运行参数逐步向超高参数方向发展， 超高压、 亚临界 （13． 7 MPa／16． 7 MPa） 锅炉广泛应用。 《国家电力公司电站锅炉汽包水位测量系统配置、安装和使用若干规定（试 行） 》 【国电发（2001）795 号】文件中第 22 条规定，超高压、亚临界锅炉汽包水位的调节、 报警和保护应分别取自 3 个独立的差压变送器进行逻辑判断后的信号， 并且该信号应讲行压 力、 温度修正。 所以基于差压原理的智能汽包水位表或由 DCS 软件补偿的差压汽包水位计应 用越未越多， 在汽包水位调节系统中， 尤其是在 FSSS 的汽包水位保护中发挥着重要的作用。 可见，正确安装、测量、传递、补偿运算出汽包水位值是机组的安全稳定运行的必要条件。 目前，300MW 及以上机组的锅炉上一般都配备双色水位计（汽包水位 TV） 、电接点汽包水位 计、差压式汽包水位计。 1 就地水位计
亮不同的红灯、 绿灯来显示汽包水位。 克服电接点水位计偏差大可采用保温、 加热等的办法， 使水样平均温度逼近汽包内饱和水温， 取样水柱逼近汽包内水位， 使电极如同在汽包内部一 样检测，以提高水位测量精度。 3 差压式水位计
随着机组容量增大，运行参数提高，现在设计的大型火力发电机组，按照《防止电力生产重 大事故的二十五项重点要求》的要求，采用带压力温度补偿的差压式水位计作为保护信号。 图 3-2 为某 300MW 机组差压式汽包水位的实际安装尺寸和补偿运算公式，供参考
目前，在电厂对于蒸汽流量的补偿运算，使用较多的补偿公式为：
G
1.82 P * P t P 1.66 0.55 100 100
该公式根据长径喷嘴测得的差压而计算出蒸汽流量。 式中：P：主蒸汽压力（Kg/cm2） t：主蒸汽温度（℃） ΔP：变送器差压 （mmH2O） G：主蒸汽流量（t/h） 式中单位 Kg/cm2、mmH2O 为非法定单位，使用时注意转换成国际单位 Pa。 除了用上述的节流孔板或喷嘴测量蒸汽流量的方法以外， 弗留格流量计算公式是目前应用于 蒸汽流量计算中较为普偏的方法。 弗留格公式的测量原理： 多级汽轮机当级组内的级数足够多时， 各级组前蒸汽压力、 温度与级组蒸汽流量的可以有如 下的近似关系： 在所考虑的变动工况范围内， 当级组内的各级隔板喷咀和动叶栅中的汽流均未达到临界状态 时．表达式为前半部分。 而当在所考虑的变动工况范围内， 当级组内始终有—列或一列以上的喷咀或动叶栅中的汽流 处在临界状态或超临界状态时， 由于级组后的蒸汽压力的变化不可能对级组前的蒸汽压力状 态产生影响，这时的表达式可简化为后半部分：
G G0
2 2 T T P P 1 P 2 * 01 1 * 01 2 2 P01 P02 T1 P01 T1
式中： G0 参考工况下级组内的蒸汽流量 P01 参考工况下级组前的蒸汽压力 T01 参考工况下级组前的蒸汽温度 kg／h MPa K
P02 参考工况下级组后的蒸汽压力 G 变动工况下级组内的蒸汽流量 P1 变动工况下级组前的蒸汽压力 T1 变动工况下级组前的蒸汽温度 P2 变动工况下级组后的蒸汽压力
（2） 因环境温度的变化，γ a 将会有所变化并影响汽包水位测量的准确性，因此需增加 一随汽包压力变化的函数 F(X)乘以一比例增益常数 k，共同修正汽包水位。函数 F(X)设置 如下： 汽包压力(Mpa) F(X) 0 0 1 10 4.06 24 9.16 42 14 63 15 73 16 75 20 87
3
3 3
+ ∑ +
h
图 3-3 差压式汽包水位补偿原理图 关于汽包水位补偿的几点说明： （1） 汽包压力与γ a -γ S 和γ w -γ S 的函数关系设置为： 汽包压力（％） 0 γ a -γ S γ w -γ S 100 100 5 95.3 88.1 20．3 93 77 42 91.8 68 75 87.5 51.8 80 85 50 90 83.8 48 100 80 45
汽包压力（Mpa） △（mm）
16.14-17.65 76
17.66-18.39 102
18.40-源自文库9.60 150
双色水位计零水位位置的标定， 应根据锅炉出厂时的将就地水位计零位进行正确标定， 以保 证锅炉正常运行过程中对零水位监视的准确性，并为差压水位计提供校正数据。 2 电接点水位计
电接点水位计以其结构简单、显示直观、维护量较小的特点，作为可以远传表计的就地仪表 广泛地应用在各种容器的水位测量上。 电接点水位计同样是利用连通器的原理进行测量， 它 将汽包水位反映到测量筒内，利用安装在测量筒内的电极对汽、水导电性能的差别，分别点
H (1
式中：
w s ) a s
3
a
w
水位计内水的密度(kg/m )； 汽包内水的密度(kg/m )； 饱和蒸汽的密度(kg/m )； 水位计下取样口到汽包内零水的水位高度（mm） ； 水位计下取样口到水位计对应汽包零水位时水位高度(mm)；
3 3
s
H h

偏差值(mm)。
从以上公式可以看出： 1）当汽包内与水位计内介质温差加大时，偏差值也加大。 2）在汽包内与水位计内的介质温差一定时，偏差值也随着 H 的增加而增大。
汽包就地水位计的零位应以制造厂提供的数据为准。 随着锅炉压力的升高， 就地水位计指示 值愈低于汽包真实水位， 下表给出不同压力下就地水位计的正常水位示值和汽包实际零水位 的差值△，仅供参考。 就地水位计的正常水位示值和汽包实际零水位的差值△
w
a ，这也就是造成显示的水位 h 低于汽包内实际水位 H 的原因。由于 a 由当时的汽包压
力和水位计中的水温所决定，因此，必须根据实际情况进行修正，
rs rw
H h
rs ra
图 3-1 就地水位计示意图
由联通管平衡原理可知：
H w h a ( H h) s
因此，接地水位计中的显示值与汽包中实际水位的差值为：
（3） 因汽包中心水位线与联通管下部开孔中心垂直距离为 380mm,因此，汽包中相对于中 心水位线的水位为: h=H-380＋a 其中，a 为补偿后的修正值。现场测量得，凝结球上部温度为 230℃，下部温度为 170℃， 凝结球以下约四分之一处的温度为 40℃，以下温度缓慢降至 31℃。公式中综合考虑取环境 温度为 40℃，存在地误差，由函数模块修正； （4） 在安装方法上，测量装置就地的保温措施应基本符合有关规定的要求，汽包水位变 送器单室平衡容器下部形成参比水柱管道的不应保温； （5） 为了防止有残留汽泡，平衡容器取样管的安装和就地水位计取样管的安装在管道倾 斜方向上正好是相反，对于平衡容器的安装方法是：汽侧取样管应使取样孔侧低，水侧取样 管应使取样孔侧高，管路倾斜度不小于 100:1； （6） 根据汽包几何中心线在锅炉本体上标出几何中心线的位置，用联通管原理，标定平 衡容器桶体的中心线； （7） 定期根据额定汽压下的接地水位计的零水位为基准，校正差压水位计的零水位；
二 给水流量的测量 通常，给水流量的测量是在每台给水泵入口设有流量孔板，测量单台给水泵流量。在主给水 管道上设有给水流量喷嘴，测量进入锅炉的主给水流量。 一般来说，我们认为给水压力对给水流量的测量影响不大，所以，在考虑对给水流量信号进 行校正时，只考虑温度变化，而不考虑压力变化对给水流量测量上的精度上的影响。 给水流量补偿公式：
就地水位计与锅炉汽包连接是一个密闭的连通器， 利用连通管原理， 实现测量并由其显示锅 炉汽包的水位。就地水位计可采用玻璃板式、云母板式、牛眼式。它的主要作用是在额定压 力运行时，作为其它形式水位计的校验基准。 由于在锅炉工常运行时， 就地水位计中水温与汽包中水温是有差别的， 就地水位计显示的水 位不同于汽包中的水位，此差值受汽包压力、就地水位计的保温条件等回素的影响。云母水 位计测量汽包水位时，因外部环境温度低，引出管、水位计本体等散热使水位计中水温低于 汽包内饱和温度， 产生水位计中水密度大于汽包饱和水的密度的现象 （见图 3-1） ， 即由于 <
Gk
(t , p) P 0
0 ：室温下的比重；
式中 G：给水流量 (t/h)
(t , p) :工作温度压力下的比重，由系统内部参数表自动查取；
P :孔板输出差压；
k：流量孔板（或喷嘴）系数； 注意， 实际给锅炉的给水流量信号应该由省煤器前给水流量信号加上一、 二级减温水流量和 再热事故喷水流量信号，再减去锅炉连续排污流量信号所组成。 三 蒸汽流量的测量 蒸汽流量测量以前通常使用差压式流量计，采用节流装置测量节流件上、下游的差压，由流 量 G 与差压 P 的函数关系式得到流量。根据国标 GB/T 2624—93，对于标准节流装置，差 压与流量的函数关系流量公式为：
G k * * P
式中： G 为主给水流量 t/h k 为流量孔板（或喷嘴）系数 p 为给水重度 kg/m3 △ P 为孔板差压 查水的重度表可知：如，某 300MW 机组的给水压力为 20.7Mpa，查表可知，水的重度为： 温度 重度 0 1010.0 20 1007.5 40 1001.1 60 991.97 80 980.78 100 967.68 120 953.2
温度 重度
140 936.77
160 918.95
180 899.60
200 878.58
220 855.72
240 830.56
260 802.83
温度 重度
280 771.72
300 736.00
320 693.43
340 639.14
有些分散控制系统本身带有给水流量的补偿运算模块，它会考虑到对给水压力的补偿的。 如某公司 DCS 控制系统，它的给水流量公式为：