300MW机组给水控制系统设计分析

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1.绪论 (1)
1.1课题研究意义 (1)
1.2国内外研究现状综述 (1)
1.2.1 国内现状综述 (1)
1.2.2 国外现状综述 (2)
1.3论文的主要工作 (2)
2 给水全程控制系统 (4)
2.1给水调节对象的动态特性 (4)
2.1.1 给水扰动对水位的影响 (4)
2.1.2 负荷扰动对水位的影响 (4)
2.1.3 燃料量扰动对水位的影响 (5)
2.2测量信号的自动校正 (6)
2.2.1 水位信号的压力校正 (6)
2.2.2 过热蒸汽流量信号压力、温度校正....................... 错误!未定义书签。

2.2.3 给水流量测量信号的温度校正 (9)
2.3给水泵安全运行特性要求 (10)
3 单元制给水全程自动控制系统 (12)
3.1单元制机组给水系统介绍 (12)
3.1.1 汽水循环过程概述 (12)
3.1.2 主给水系统流程 (12)
3.2锅炉给水全程控制的特点 (13)
3.3汽包水位三冲量给水控制系统 (14)
3.3.1 三冲量控制系统结构原理 (14)
3.3.2 三冲量控制系统的工程整定 (15)
3.3.3 汽包水位的串级控制系统 (17)
3.4控制中的跟踪和切换 (18)
3.4.1 三冲量和单冲量之间的无扰切换 (19)
3.4.2 阀门和泵的运行及切换 (19)
3.4.3 电动泵和汽动泵间的切换 (19)
3.4.4 执行机构的手、自动切换 (19)
4 丰城电厂300MW机组给水控制系统分析 (21)
4.1300MW机组给水系统简介 (21)
4.2MAX1000给水控制画面分析 (22)
4.2.1 MAX1000中CCS画面基本功能介绍 (22)
4.2.2 给水系统主要操作过程 (23)
4.3给水控制系统的逻辑分析 (24)
4.3.1 给水控制系统逻辑简图 (24)
4.3.2 给水控制系统逻辑分析 (25)
结论 (27)
参考文献 (28)
致谢....................................................... 错误!未定义书签。

300MW机组给水控制系统分析
摘要
汽包水位是汽包锅炉非常重要的运行参数,是衡量汽水系统是否平衡的重要标志。

维持汽包水位在允许范围内,是保证机组安全运行的必要条件。

本文首先介绍给水调节系统被控对象的动态特性、热工测量信号及其自动校正原理、调节机构特性等基本知识,随后分析了单元制机组给水控制系统中三冲量、单冲量控制的结构及工作原理,以及其之间的自动转换过程。

丰城电厂300MW机组是典型的汽动泵和电动泵共同使用的混合型给水系统。

文章在深入理解给水系统结构及启动过程中给水系统相关操作的基础上,结合MAX1000给水控制操作员站的相关画面,对给水控制的具体逻辑图进行了详细分析。

关键词:锅炉;给水全程控制;汽包水位;自动调节
1 绪论
1.1 课题研究意义
随着电力需求的增长,以及能源和环保的要求,我国的火电建设开始向大容量、高参数的大型机组靠拢。

但是,火电机组越大,其设备结构就越复杂,自动化程度要求也越高。

自动化装置已成为大型设备不可分割的重要组成部分,大型生产过程都是依赖于这样的配置来运行的。

我国最近几年新建的3OOMW、600MW火电机组基本上都采用国内外最先进的分散控制系统(DCS),对全厂各个生产过程进行集中监视和控制。

在单元机组若干重要参数控制系统的设计及整定中,汽包水位是锅炉安全运行的主要参数之一,同时它还是衡量锅炉汽水系统是否平衡的标志。

维持汽包水位在一定允许范围内,是保证锅炉和汽轮机安全运行的必要条件。

水位过高会影响汽水分离器的正常运行,蒸汽品质变坏,使过热器管壁和气轮机叶片结垢。

严重时,会导致蒸汽带水,造成汽轮机水冲击而损坏设备。

水位过低则会破坏水循环,严重时将引起水冷壁管道破裂。

另一方面,随着锅炉参数的提高和容量的增大,汽包的相对容积减少,负荷变化和其他扰动对水位的影响将相对增大。

这必将加大水位控制的难度,从而对水位控制系统提出了更高的要求。

但是,由于给水系统的复杂性,真正能实现全程给水控制的火电机组还很少。

因此,对全程给水控制进行优化,增强给水系统的控制效果和适应能力成为迫切需要解决的问题。

1.2 国内外研究现状综述
1.2.1 国内现状综述
目前,随着单元机组容量的增大和参数的提高,机组在启停过程中需要监视和控制的项目越来越多,因此,为了机组的安全和经济运行,必须实现锅炉给水从机组的启动到正常运行,又到停炉冷却全部过程均能实现。

我国大型火电机组的给水控制基本上还是采用经典的PID控制算法。

不同的控制公司在给水控制策略的设计上虽然各有特点差异,但基本上还是遵循了单冲量和三冲量控制相结合的控制模式,采用的也基本上是调阀和调泵相结合的控制方法。

虽然从理论上讲,现有的控制方法应该可以实现机组的全程给水自动。

但是,实际上由于给水系统和机组运行的复杂性,机组在启动和低负荷时往往投不上自动。

另外,机组在高负荷时,虽然可以实现三冲量给水自动且正常情况时效果也不错。

但其控制系统的鲁棒性较差,适应异常工况的能力和出现设备故障的情况时的自调整能力也较差。

因此,如何真正实现全程给水控制是现今控制工程人员急于解决的一个课题。

锅炉全程给水控制系统通常采用以下两种控制方案:
一是两段式全程给水控制, 采用变速给水泵控制给水母管压力,采用给水调节阀控制汽包水位,这一方案从热力系统上将给水控制系统和汽包水位控制系统分段,一定程度上
克服了两系统之间的相互影响,但不利于机组的经济运行和给水泵的安全运行,特别是不能适应较大的负荷变化。

二是一段式给水控制,采用变速给水泵控制汽包水位,采用给水调节阀控制给水母管压力,这一方案将给水控制系统和汽包水位控制系统作为一个整体来考虑,这样更有利于机组效率的提高和给水泵的安全、高效运行,但必须克服两系统之间的相互影响。

总的来说,国内机组实现全程给水控制考虑的方案一般是在低负荷时,用启动调节阀控制汽包水位,调速给水泵维持给水母管压力,采用单冲量的控制方式;高负荷时,使用调速给水泵控制汽包水位,大旁路调节阀维持给水压力,采用三冲量的控制方式。

它由单冲量和三冲量两个调节回路组成全程给水控制,当负荷大于30%时为三冲量,当负荷小于30%或三冲量变送器故障时为单冲量。

由于不同容量的机组其给水系统结构不一样,其控制方式及控制设备也有区别,因而实现给水全程自动系统的方案也有不同,这就要求在考虑方案时,要结合具体的控制对象进行合理的设计,同时参考其它同类型机组一些成功的设计、调试经验,重新完善原汽包水位调节系统的设计及组态,最终选定一种合理且切实可行的设计方案,来实现锅炉给水自动系统的全程控制。

1.2.2 国外现状综述
以西门子公司设计的某350MW机组全程给水控制系统为例,系统分为给水启动调节阀控制系统和给水泵转速控制系统两部分。

给水启动调节阀控制系统实际上就是给水压力控制系统。

这是一个前馈-反馈控制系统。

其作用是当锅炉启动及低负荷工况时,维持给水泵出口母管压力在安全工作范围内,同时协助给水泵转速控制系统稳定汽包水位。

其控制特点是:在三冲量控制系统中引入了汽包压力的负微分前馈和蒸汽流量的微分前馈。

运行过程中,蒸汽流量变动(即机组负荷调整)和炉膛热负荷干扰都会引起汽包压力的变化。

若负荷增加,汽包压力就会下降,其负微分前馈信号要求加大给水流量,蒸汽微分前馈也要求加大给水流量,以克服虚假水位对系统的影响。

总体来说,国外关于全程给水控制方案的设计及全程给水控制系统的投运在热工自动控制领域内已比较成熟。

能顺利实现全程给水控制,这一方面得益于其合理、完善的设计,另一方面在于其DCS控制系统的先进性、可靠性,为实现其控制策略提供了软、硬件上的保证。

1.3 论文的主要工作
本文围绕单元机组给水全程控制系统这一主题,对火电厂给水系统构成、给水控制系统的作用、现状和发展有一个基本的认识和了解后,针对丰城电厂300MW机组,结合仿真实习,对给水控制系统逻辑进行深入分析。

具体要求如下:
1)通过参考资料的查阅,对火电厂给水系统构成、给水控制系统的作用、现状和发展有
一个基本的认识和了解。

2)结合仿真实习,熟悉给水系统构成、启动过程中给水系统的主要操作、控制系统基本
原理和实现方法。

3)对给水系统的控制逻辑进行详细地分析。

4)通过整个研究毕业设计,掌握从事工程技术工作时分析问题、解决问题的一般思路和
基本方法。

5)通过阅读相关文献资料和撰写毕业论文,了解科技论文的基本撰写模式。

2 给水全程控制系统
2.1 给水调节对象的动态特性
2.1.1 给水扰动对水位的影响
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2.1来说明。

若把汽包及水循环系统当做单容水槽,水位的响应曲线应该如图中的直线1。

但是在实际情况中,当给水流量突然增加的时候,因为给水温度低于汽包内的饱和水温度,当它进入汽包后吸收了原有的饱和水中的一部分热量,使锅炉的蒸汽产量下降,水面以下
的汽泡总体积s V 也就相应减小,导致水位下降。

s V 对水位的影响可以用图中的曲线2表示。

水位H (即曲线3)的实际响应曲线是曲线1和曲线2的总和。

这种分析方法是分别从两个角度进行分析的:1.仅从物质平衡角度来分析;2.仅从热平衡角度来分析
图2.1 给水扰动下的水位响应曲线 2.1.2 负荷扰动对水位的影响
蒸汽流量扰动主要来自汽轮发电机组的负荷变化,属外部扰动。

在汽机耗汽量D 的阶跃扰动下,水位H 的响应过程可以用图2.2来说明。

当汽机耗汽量D 突然阶跃增加时,如果只从物质平衡的角度来讲,一方面改变了汽包内的物质平衡状态,使得水位下降,如图
2.2中的曲线1。

但当锅炉蒸发量突然增加时,迫使锅内汽泡的增多,燃料量维持不变,汽包压力d p 下降,使水面以下的蒸汽泡膨胀,总体积s V 增大,从而使得汽包水位的上升,
如图2.2的曲线2所示。

因此汽包水位H的实际响应曲线(图2.2中图3所示)是曲线1和曲线2叠加的结果。

只有当汽包体积和负荷适应而不再变化时,水位的变化就仅由物质平衡关系来决定,这时水位就随负荷增大而下降,而这种反常的现象,通常被称为“虚假水位”。

“虚假水位”现象主要是来自于蒸汽量的变化,显然蒸汽量是一个不可调节的量(对调节系统而言),但它是一个可测量,所以在系统中引入这些扰动信息来改善调节品质是非常必要的。

图2.2汽机耗汽量D阶跃扰动下的水位响应曲线
2.1.3 燃料量扰动对水位的影响
当燃料量B扰动时,必然会引起蒸汽量D的变化,燃料量增加会使炉膛热负荷增加,锅炉吸收更多的热量蒸发强度增加,若此时,汽轮机所带负荷不变,那么随着炉膛热负荷的增加,锅炉出口压力d p提高,蒸汽流量就会相应的增加上去,然后蒸汽量的变化就会造成“虚假水位”的现象,即水位先上升,随后再下降,响应曲线如图2.3所示。

但是燃料量B的增大只能使D缓慢增大,而且d p还慢慢上升,它将使汽泡体积减小。

因而,燃料量扰动下的假水位比负荷扰动下要缓和得多。

由以上分析可知,给水量扰动下水位响应过程具有纯延迟;负荷扰动下水位响应过程具有假水位现象;燃料量扰动也会出现假水位现象。

所以在给水控制系统里常常引入D、B信号作为前馈信号,以改善外部扰动时的控制品质,而这也是目前大型锅炉给水控制系统采用三冲量或多冲量的根本原因。

图2.3 燃料量扰动B 下的水位响应曲线 2.2 测量信号的自动校正
锅炉从启动到正常运行或是从正常运行到停炉的过程中,蒸汽参数和负荷在很大的范围内变化,这就使水位、给水流量和蒸汽流量的准确性受到影响。

为了实现全程自动控制。

要求这些测量信号能够自动的进行压力、温度校正。

测量信号自动校正的基本方法是:先推导出被测参数温度、压力变化的数学模型,然后利用各种元件构成运算电路进行运算,便可实现自动校正。

而在实际使用时,这些补偿公式中一些参数的确定要依据理论计算及现场调试综合求取,通过动态补偿回路确保上述信号在负荷变化时的精度。

2.2.1 水位信号的压力校正
对汽包锅炉通常利用差压原理来测量其水位,锅炉从启、停到正常负荷的整个运行范围内,汽包压力变化很大,汽包内饱和蒸汽和饱和水密度的变化也很大,这样就不能直接用差压信号来代表水位,而必须对其进行压力修正。

根据很多大型机组运行的情况反映,大容量机组汽包水位的测量不宜采用带中间抽头式(即双室平衡容器)的测量筒,而要采用单室平衡容器取样装置。

图2.4表示单容平衡容器的测量系统。

设:
b P —汽包压力(a P )
L —汽水连通管之间的垂直距离,即最大的变化范围(M )
h —汽包水位高度
-21,P P 加在差压变送器两侧的压力(a P )
-s ρ饱和蒸汽的重度(3m N
) -W ρ饱和水的重度(3m N )
-C ρ汽包外平衡容器内水柱的重度(3m N
) 从图2.4中可看出:
1P =W ρ*h+s ρ*(L-h)
2P =C ρ*L
P ∆=2P -1P
=C ρ*L-W ρ*h-s ρ*(L-h)
S
W s c P L h ρρρρ-∆--=∴*)( (2.1) 当L 一定时,水位h 时差压和汽、水密度的函数。

密度C ρ和环境温度有关,一般可取50℃时水位的密度。

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C ρ的影响基本上可以抵消,即可近似地认为C ρ是恒值。

而饱和水和饱和蒸汽的重度W ρ和s ρ均为汽包压力b P 的函数,即:
C ρ-s ρ= F(b P )
W ρ-s ρ= f(b P )
所以式(2.1)可写成:
h=)
()(b b P f P P F ∆- (2.2) 根据上式即可设计出水位压力的自动校正线路。

图2.4 汽包水位单容平衡容器的测量系统 2.2.2 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=P k ∆=K ⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+∆10061.566.1100
57.182.10P T P P (2.3) 式(2.3)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(C ︒);p ∆-节流件差压(MPa);K-流量系数;γ:过热蒸汽重度(3m N )。

为了避免高温高压节流元件因磨损带来的误差,美国Leeds&Northrup 公司提出了用汽机调节级压力P1的温度补偿信号来代替蒸汽流量信号,如图2.5。

图2.5 用P1代替蒸汽量测量校正线路
2.2.3 给水流量测量信号的温度校正
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℃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,其校正回路如图2.6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。

图2.6给水流量信号温度校正线路 2.3 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2.7所示,图中阴影区由泵的上、下限特性(min Q 、max Q )、最高转速m ax n 和最低转速m in n 、最高压力(泵出口)m ax P 和最低压力m in P 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2.7中,泵的工作点由a1点移到b1点。

由于给水泵有最低转速m in n 的要求,这样在给水泵已接近m ax n 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2.7 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 单元制给水全程自动控制系统
目前,大型火电单元机组都采用机、炉联合启动的方式,锅炉、汽轮机按照启动曲线要求进行滑参数启动。

具有中间再热的单元机组多采用定压法进行滑参数启动。

随着机组容量的增大、参数的提高,在启动和停机过程中需要监视和操作的项目增多,操作的频率也增高,采用人工调节已不适应生产要求,而在启、停过程中也实现自动控制。

常规的串级三冲量给水控制系统往往只是在机组负荷达到30%以上才能投入运行,而机组的频繁的操作项目又几乎都集中在机组启动,停机,停炉过程中,特别是随着机组容量的不断增大,运行参数的不断提高,运行人员在启动停止过程中的操作量越来越繁重,为了保证机组安全经济运行,要求有更合理、更先进、调节范围更宽的控制系统,也就是所谓的全程控制系统。

所谓给水全程控制系统是指锅炉在启停过程和正常运行时均能实现自动操作的控制系统,也是单元机组协调控制系统中的主要子系统之一,是由单冲量和三冲量控制系统有机结合所构成的给水控制系统。

给水全程自动控制的任务是:在上述过程中,控制锅炉的进水量,以保持汽包水位在允许范围内变化。

同时对锅炉的水循环和省煤器要有保护作用。

一个常规三冲量给水调节系统只适合于锅炉正常运行状态,远不能完成全程控制的任务。

要完成这样的任务,必须采用更加复杂的全程控制系统。

3.1 单元制机组给水系统介绍
3.1.1 汽水循环过程概述
根据生产流程,可以把锅炉分成燃烧系统和汽水系统。

在汽水系统中,锅炉的给水由给水泵打出,先经过高压加热器,再经过省煤器回收一部分烟气中的余热后进入汽包。

汽包中的水在水冷壁中进行自然或强制循环,不断吸收炉膛辐射热量,由此产生的饱和蒸汽由汽包顶部流出,再经过多级过热器进一步加热成过热蒸汽。

这个具有一定压力和温度的过热蒸汽就是锅炉的产品。

蒸汽的高温和高压是为了提高单元机组的热效率。

高压汽轮机接受从锅炉供给的过热蒸汽,其转子被蒸汽推动,带动发电机转动而产生电能。

从高压汽轮机排出的蒸汽,其温度、压力都降低了,为了提高热效率,需要把这部分蒸汽送回锅炉,在再热器中再次加热,然后再进入中、低压汽轮机做工,最后成为乏汽从低压汽轮机尾部排入冷凝器冷凝为凝结水。

凝结水和补充水一起经过凝结水泵先达到低压加热器,然后进入除氧器,除氧后进入给水泵,至此完成了汽水系统的一次循环。

3.1.2 主给水系统流程
图3.1 给水系统图
由3.1图可知,给水泵包括两台电动泵,一台汽泵。

每台电动泵容量为50%MCR(最大额定流量),汽动泵容量为100%MCR。

经除氧器后的给水,先到一台汽动泵和两台电动泵,在启动和低负荷工况下电动泵运行,正常工况下汽动泵运行,两台电动泵的另一个功能是作为汽动泵的备用。

每台泵都有再循环管路,当系统工作在低负荷时再循环管路的阀门能自动打开,保证泵出口有足够流量,防止汽蚀。

给水泵排出的水,经高压加热器换热后到给水站。

小负荷运行时旁路阀工作,调节锅炉给水量,控制水位,同时电动泵维持在最低转速运行,保证泵的安全特性此时为两段调节;高负荷时,阀门开到最大,为减小阻力主给水电动门也打开,通过调节给水转速直接控制给水流量,为一段调节。

给水站出来的水经省煤器送入汽包。

3.2 锅炉给水全程控制的特点
锅炉给水全程控制系统可以不需要运行人员参和而自动完成锅炉启、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特点:
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和负荷有关,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,因此产生了阀门和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。

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