汽包锅炉给水控制系统设计

目录目录 (1)1绪论 (3)1.1锅炉汽包水位测量的重要性 (3)1.2 锅炉汽包水位测量 (3)2 控制系统总体结构设计 (4)2.1 控制对象的选择 (4)2.1.1 给水任务 (4)2.1.2给水自动调节系统被 (4)2.1.3被调量Ｈ变化的主要原因 (5)2.2 整体结构设计 (7)2.2.1控制方案 (7)2.2.2 300MW机组给水控制过程 (9)3 测量仪表选型 (13)3.1 给水控制系统测量任务 (13)3.1.1汽包水位的修正 (13)3.1.2给水流量的校正 (13)3.1.3主蒸汽流量的校正 (14)3.2测量仪表的选型 (15)3.2.1汽包水位测量方面 (15)3.2.2给水流量测量方面 (17)3.2.3主蒸汽流量测量方面 (18)4 数据采集系统选型 (20)4.1数据采集基本知识 (20)4.2数据采集卡的主要性能指标 (20)4.3 数据采集系统选型 (21)4.3.1数据采集卡的选型 (21)4.3.2 NI PCI-6221数据采集卡相关配件 (21)4.2.3数据采集系统结构图如下 (24)第五章：数据采集程序设计 (25)5.1 LabVIEW数据采集介绍 (25)5.2 基于LabVIEW平台的虚拟仪器程序设计 (25)5.3数据采集程序设计 (26)5.3.1配置采集任务 (26)5.3.2程序设计步骤 (26)6控制系统界面设计 (31)6.1LabVIEW界面设计介绍 (31)6.2控制系统界面设计 (31)6.2.1锅炉给水操作控制面板图如下 (31)6.2.2界面总图如下 (32)分组说明 (32)参考文献 (34)汽包锅炉给水全程控制系统1绪论1.1锅炉汽包水位测量的重要性对火力发电厂来说，锅炉汽包满、缺水事故是长期困扰其安全的重大恶性事故之一，究其原因，首先是因为锅炉汽包水位的测量技术尚有一些不完善，而另一个原因，则是缺乏对汽包水位测量技术的理解，这些都导致了恶性事故的屡屡发生。

因此，可知保持锅炉汽包水位处于正常范围内波动是锅炉运行的一项重要安全性指标，必须对其进行透彻的理解。

锅炉气包水位是确保安全生产和提高优质蒸汽的重要变量。

尤其对于大型锅炉，其蒸发量明显要高，气包容积相对较小，水位变化速度很快，稍不注意就容易造成气包满水或者缺水，甚至造成干锅。

前者将使蒸汽带水，影响蒸汽品质，且长期运行会使过热器结垢；后者会引起锅炉爆炸的危险。

1.2 锅炉汽包水位测量锅炉运行中，我们是通过水位测量系统来监视和控制汽包水位的。

当汽包水位超出正常运行范围时，报警系统将发出报警信号，保护系统将立即采取必要的保护措施，以确保锅炉和汽轮机的安全。

因此，锅炉汽包水位测量系统是机组安全运行的极端重要的系统，这也是锅炉给水控制系统的最主要任务。

2控制系统总体结构设计2.1 控制对象的选择此次设计对象为300MW机组锅炉给水控制，锅炉的主要参数如下表300MW机组锅炉的主要参数。

2.1.1 给水任务锅炉给水控制的任务是使给水量对应于锅炉的蒸发量，以保持锅炉运行过程中的汽水流量平衡，并维持汽包水位在正常的规定范围内波动。

一般国产的300MW 机组的汽包锅炉蒸发量为1025t/h，而泡包的容积仅为30~40m³，汽包水位过高或过低都将危及锅炉的安全运行，因此，对于汽包锅炉来说，给水控制系统的主要任务是保证给水流量适应于锅炉蒸发量的要求，维持汽包水位在合适的范围内（正常情况下汽包水位限制在-50mm~+50mm 范围内变化）以保证机组的安全运行。

2.1.2给水自动调节系统被调对象的示意图如下：2.1.3被调量Ｈ变化的主要原因影响H 的原因有：给水量Ｗ，蒸汽量Ｄ，锅炉燃烧率Q 。

图2.2 ①给水流量w 对水位的干扰：在平衡状态突然加大给水量，虽然给水量大于蒸发量，但由于温度较低的给水进入水循环系统后，要从原有饱和汽水中吸取一部分热量使得水面下气包容积有所减少，进入水系统的水首先去填补汽水管路中气包所让出的空间，只有当气包容积不再变化时，水位才随给水量的增加呈线性上升。

由上述分析，给水量扰动时，水位调节对象有一定的惯性与滞后。

水位在给水扰动下的传递函数为： 其中τ──迟延时间 s ；ε──飞升速度=+01εG (s)s(τs 1)图2.3 图2.4②蒸汽负荷对水位的干扰：当蒸汽用户设备用气量突然增大，单从物料不平衡考虑，汽包中蒸发量大于给水量，水位应该直接下降，如曲线H1；但由于蒸汽负荷量突然增大时，汽包中压力减小，汽水循环管路中的汽化强度增加，蒸发面以下汽包容积增加而引起水位上升，如曲线H2；因而在蒸汽负荷量突然增大的起始瞬间，液位不会下降，反而上升，出现“虚假液位”现象，如曲线H；只有当气包容积与负荷相应达到稳定后，水位才能反映出物料的不平衡，开始下降。

因此，蒸汽流量扰动时，非但没有自平衡能力，而且存在“虚假现象”，在控制系统的设计中必须予以考虑。

图2.5水位的变化为上述两者变化之和，即H(t)=H1(t)+H2(t) 传递函数也为两者之和，即式中T ——H2的时间常数，约为10~20s;k ——H2的放大系数；ε──飞升速度。

③炉膛热负荷对水位的干扰当燃料量突然增大时，传给锅炉的热量必然增加，上升管中的蒸发强度增大，蒸发面下的气包膨胀，使得液位上升，因而带来了蒸汽量及气包压力的增加，但此时给水量并未增加，因此，这种液位变化也属于“虚假液位”。

但是热负荷由蒸汽压力控制系统来保证，因而它的影响是次要的。

蒸汽量扰动主要取决于汽轮机的运行工况，属于外部扰动，锅炉燃烧率扰动其实也是一种间接的外部扰动。

很显然这两种物理量是不可能作为调节汽包水位的调节手段的，调节作用量只能选择给水量。

“虚假水位” (level swell)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，所以在系统中需要引入这些扰动信息来改善调节品质。

2.2整体结构设计全程给水系统流程图2.62.2.1控制方案锅炉启动及低负荷阶段，汽包水位采用单冲量控制方式；达到一定负荷后，控制系统能自动或手动切换到由蒸汽流量、给水流量和汽包水位信号组成的三冲量控制方式。

在启动或低负荷运行过程中，由于锅炉需要供水量很小，常会造成使给水泵工作流量太小的情况，从而使泵得不到足够的冷却而引起泵的汽蚀，甚至振动。

因此，在调节给水量的过程中，必须保证给水泵的工作流量不低于满足泵足够冷却的最小冷却水量。

所以需要采用最小流量的控制方式，即设置给水泵再循环阀实现最小流量保护。

①单冲量水位控制系统如图2.7单冲量水位控制系统是典型的单回路 图2.7=-+02k εG (s)Ts 1s单冲量给水系统图2.6调节系统，由被控对象、测量变送单元、调节器和执行器组成，通过给水流量调节气包液位，这里指的单冲量即气包液位。

其控制方案如图该控制方案系统结构简单，投资少，易实现。

但它不能克服“虚假液位”的影响，且不能及时反映给水量的扰动，控制作用迟缓，因此，只在锅炉启动及低负荷阶段进行控制。

②串级三冲量水位控制系统其控制方案如图所示，其给水调节任务由两个调节器完成。

主调节器PI采用比例积分调节器，以保证水位无静态偏差，主调节器输出信号和给水、蒸汽流量信号都作用到副调节器PI2上，一般副调节器都采用比例调节器，以保证副回路的快速性。

当给水流量自发性扰动和蒸汽流量改变时，迅速调节给水流量，以保证给水流量与蒸汽流量平衡。

由于水位偏差由主调节器负责校正，所以蒸汽流量强度系数α的大小可以根据锅炉“虚假水位”的串级三冲量给水控制系统图2.8严重程度来确定，使得负荷在变化时，蒸汽流量的前馈调节作用更好的客服“虚假水位”的影响，改善调节品质。

2.2.2 300MW机组给水控制过程机组汽包水位控制系统的SAMA 图如下图2.9 300MW机组给水控制系统图该300MW给水机组系统，配有两台50%容量的汽动泵和一台25%的电动泵，电动泵出水管路设有调节阀。

在正常运行工况下，通过调节汽动泵转速控制进入锅炉的给水流量，在启动停止和事故运行工况下，通过调节电动泵出水管路上的调节阀控制给水流量。

在电动泵和汽动泵相互切换的过渡运行工况时，三台给水泵可同步调节给水流量。

①电泵启动1）启动之初，主给水阀关闭，电泵定速运行，通过启动控制阀的节流作用，调节给水流量控制水位。

控制原理如图所示。

此时，启动控制阀调节器PID①对设定值和水位值之间的偏差进行PID运算，自动控制指令经启动控制阀M/A站输出，去控制启动控制阀的开度调节进入汽包的给水，最终使水位等于定值。

2）随着负荷的升高，要求的给水量增加，该启动控制阀逐渐开大，到了一定开度以后，调节性能变差，这时应该手动逐渐打开主给水阀，或者，当负荷增加控制阀开大以后，当发现控制阀已无法再对给水进行调节时，手动升高电泵转速，提高压头，增加给水。

3）随着负荷继续升高，给水压力已升得较高，阀门承受的节流压差也越来越大，当启动控制阀门已开到90%以后，可以将电动给水泵转速控制投自动。

给水控制阀由阀门节流调节方式变成了给水泵转速调节方式。

此时单冲量控制器PID②将对水位与给定值之间的偏差进行计算，PID②的输出经电泵M/A站，输出到电动给水泵勺管控制机构，自动调整电泵转速，PID②最终使水位等于定值。

在电泵转速控制投自动的同时，启动控制阀M/A站，自动地切换成手动，以防止责任不分，互相干扰。

如前所述，随负荷升高，节流加强，所以此时应手动打开主给水阀。

作为调节型阀门，不能长期处于一个高温高压环境中，所以当主给水阀全开后，则发出一个脉冲，超驰关闭启动控制阀。

②电泵三冲量控制负荷继续升高后，仅用PID②这个单冲量调节器，已难以保证调节品质，当负荷（蒸汽流量）大于30%以后，将自动采用三冲量控制方案。

PID调节器③（又称为给水流量调节器）接受给水流量反馈信号，当给水流量由于扰动而发生波动时，该调节器会快速地调节泵的转速，有效克服给水波动。

用蒸汽流量信号作为给水流量调节器PID③的设定值的一部分，是为了使进入锅炉的给水量于流出锅炉的蒸汽量随时保持平衡，这样可以有效地克服虚假水位对调节品质的影响。

为了最终使水位能保持在定值上，PI调节器④（称为三冲量水位调节器）将对水位与其定值的偏差进行PI运算，其输出成为给水量设定值的另一部分。

PI调节器④最终将水位维持在设定值（细调）。

③汽泵投运随着负荷进一步升高，则需暖汽泵组并启动。

逐步升高小机转速，升高泵的出压头，转速大于额定要求转速时，小机可投入遥控方式，此后，可在小机的M/A 站上控制转速。

当泵的出口压头略大于给水母管压头时，打开汽泵出口阀，并继续手动调节汽泵转速，使汽泵转速与电泵转速逐步接近。

此时水位仍将由电泵自动维持。