发电厂锅炉给水控制系统

摘要随着科技的发展，人们越来越离不开电。

大型火力发电厂地位显得尤其重要。

其机组由锅炉、汽轮机发电机组和辅助设备组成的庞大的设备群。

工艺流程复杂，设备众多，管道纵横交错，有上千个参数需要监视、操作和控制，这就需要有先进的自动化设备和控制系统使之正常运行，并且电能生产要求高度的安全可靠和经济性，尤其是大型骨干机组。

大型发电单元机组是一个以锅炉，高压和中、低压汽轮机和发电机为主体的整体。

锅炉作为电厂中的一个重要设备，起着重要的作用，根据生产流程又可以分为燃烧系统和汽水系统。

其中，汽包锅炉给水及水位的调节已经完全采用自动的方式加以控制。

本次课程设计主要研究发电厂给水控制系统，即锅炉汽包水位控制。

其要求是提供合格的蒸汽，使锅炉发汽量适应符合的需要。

为此，生产过程的各个主要工艺参数必须加以严格控制。

锅炉设备是一个复杂的控制对象，主要输入变量是负荷、锅炉给水、燃料量、减温水、送风和引风等。

主要输出变量是汽包水位、蒸汽压力、过热蒸汽温度、炉膛负压、过剩空气等。

发电厂锅炉给水控制系统1.概述大型火力发电机组由锅炉、汽轮机发电机组和辅助设备组成的庞大的设备群。

工艺流程复杂，设备众多，管道纵横交错，有上千个参数需要监视、操作和控制，这就需要有先进的自动化设备和控制系统使之正常运行，并且电能生产要求高度的安全可靠和经济性，尤其是大型骨干机组。

大型发电单元机组是一个以锅炉，高压和中、低压汽轮机和发电机为主体的整体。

锅炉作为电厂中的一个重要设备，起着重要的作用，根据生产流程又可以分为燃烧系统和汽水系统。

其中，汽包锅炉给水及水位的调节已经完全采用自动的方式加以控制。

本次课程设计主要研究发电厂给水控制系统，即锅炉汽包水位控制。

锅炉汽包水位是一种非线性、时变大、强耦合的多变量系统。

在锅炉运行中，水位是一个很重要的参数。

若水位过高，则会影响汽水分离的效果，使用气设备发生故障；而水位过低，则会破坏汽水循环，严重时导致锅炉爆炸。

同时高性能的锅炉产生的蒸汽流量很大，而汽包的体积相对来说较小，所以锅炉水位控制显得非常重要。

锅炉水位自动控制的任务，就是控制给水流量，使其与蒸发量保持平衡，维持汽包内水位在允许的范围内变化。

本次课程设计研究发电厂给水控制系统的控制方式及整定。

2.给水调节对象的动态特性汽包水位是工业蒸汽锅炉安全、稳定运行的重要指标，是锅炉蒸汽负荷与给水间物质是否平衡的重要标志，维持汽包水位正常是保证锅炉和汽轮机安全运行的必要条件。

汽包锅炉给水控制系统的作用是使锅炉的给水量自动适应锅炉的蒸发量，维持汽包水位在规定范围内波动。

其中给水流量和蒸汽流量是影响汽包水位的两种主要扰动，前者来自调节器，称为内扰，后者来自负荷侧，称为外扰。

汽包炉给水控制对象的结构如图2-1所示。

影响水位的因素主要有：锅炉蒸发量（负荷D ），给水量G ，炉膛热负荷（燃烧率M ），汽包压力b P 。

控制系统的物质平衡方程为：dt D G Ddt Gdt dH A )()('''-=-=-ρρ （2-1） 将式（2-1）进一步变换得：D G dt dH A -=-)('''ρρ （2-2） 令 '''()C A ρρ=-，则上式变为：D G dtdH C -= （2-3） 式中 H ——汽包水位，m 或cm ； A ——汽水分离面积，2m 或2cm ；'ρ——水的密度，t /3m 或kg /3cm ； "ρ——蒸汽密度，t /3m 或kg /3cm ；D ——蒸发量，/t h 或/kg s ； G ——给水量，/t h 或/kg s ；C ——容量系数。

图2-1 给水调节对象2.1 给水扰动汽包水位在给水流量作用下的动态特性：给水量是锅炉的输入量，如果蒸汽负荷不变，那么给水流量变化时，汽包水位的运动方程式可以表示为：W W W W u k dt du T dt dh T dth d T T +=+12221 (2-4) 可以得到汽包水位在给水流量作用下的传递函数为：)1()()(21)(01++==S T S T K S T V S H S G W W S W (2-5) 对于中压锅炉，上式中Tw 的数值很小，常常可以忽略不计，因此可以进一步改写为：)1()()(2)(01+==S T S V S H S G S W ε (2-6) 给水量扰动时水位阶跃响应曲线如图2-2所示。

图2-2 给水量扰动时水位阶跃响应曲线图2-2中曲线1为沸腾式省煤器情形下水位的动态特性，曲线2为非沸腾式省煤器情形下水位的动态特性。

从物质平衡的观点来看，加大了给水量G ，水位应立即上升，但实际上并不是这样，而是经过一段迟延，甚至先下降后再上升。

这是因为给水温度远低于省煤器的温度，即给水有一定的过冷度，水进入省煤器后，使一部分汽变成了水，特别是沸腾式省煤器，给水减轻了省煤器内的沸腾度，省煤器内的汽泡总容积减少，因此，进入省煤器内的水首先用来填补省煤器中因汽泡破灭容积减少而降低的水位，经过一段迟延甚至水位下降后，才能因给水量不断从省煤器进入汽包而使水位上升。

在此过程中，负荷还未发生变化，汽包中水仍然在蒸发，因此水位也有下降趋势。

2.2 蒸汽流量扰动汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性，可以用下式表示（假定给水量不变）)(12221D D D D u k dt du T dt dh T dth d T T +-=+ （2-7） 则 )1()()(21)(2++-==S T S T K S T V S H S G D DS D F （2-8） 上式可通过两个动态环节的并联来等效，即11)()(2'')(22++-==S T K S T V S H S G a S D F （2-9） 式中：Da K T T 1'= 12'2/)(T T T K K D D -=。

图2-3 蒸汽量D 扰动下的水位阶跃响应曲线如果只从物质平衡的角度来看，蒸发量突然增加D ∆时，蒸发量高于给水量，汽包水位是无自平衡能力的，所以水位应该直线下降，如图2-3中1()H t 所示那样，但实际水位是先上升，后下降，这种现象称为“虚假水位”现象，如图中()H t 所示。

其原因是由于负荷增加时，在汽水循环回路中的蒸发强度也将成比例增加，水面下汽泡的容积增加得也很快，此时燃料量M 还来不及增加，汽包中汽压b p 下降，汽包膨胀，使汽泡体积增大而水位上升。

如图2-3中2()H t 所示。

在开始的一段时间2()H t 的作用大于1()H t 。

当过了一段时间后，当汽泡容积和负荷相适应而达到稳定后，水位就要反映出物质平衡关系而下降。

因此，水位的变化应是上述两者之和，即12()()()H t H t H t =+2.3 燃料量扰动图2-4 燃料量扰动下水位阶跃响应曲线炉膛热负荷扰动即是指燃料量M的扰动。

燃料量增加时，锅炉吸收更多的热量，使蒸发强度增大，如果不调节蒸汽阀门，由于锅炉出口汽压提高，蒸汽流量也增大，这时蒸发量大于给水量，水位应下降。

但由于在热负荷增加时蒸发强度的提高，使汽水混合物中的汽泡容积增加，而且这种现象必然先于蒸发量增加之前发生，从而使汽包水位先上升，从而引起“虚假水位”现象。

当蒸发量与燃烧量相适应时，水位便会迅速下降，这种“虚假水位”现象比蒸汽量扰动时要小一些，但其持续时间较长。

以上三种扰动在锅炉运行中都可能经常发生。

但是由于控制通道在给水侧，因此蒸汽流量D和燃料量M习惯上称为外部扰动，它们只影响水位波动的幅度。

而给水量G扰动在控制系统的闭合回路里产生，一般称为内部扰动。

因此，汽包水位对于给水扰动的动态参数是给水控制系统调节器参数整定的依据，此外，由于蒸汽流量D和燃料量M的变化也是经常发生的外部扰动。

所以常引入D、M信号作为给水控制系统里的前馈信号，以改善外部扰动时的控制品质。

影响水位的因素除上述之外，还有给水压力、汽包压力、汽轮机调节汽门开度、二次风分配等。

不过这些因素几乎都可以用D、M、G的变化体现出来。

为了保证汽压的稳定，燃料量和蒸发量必须保持平衡，所以这两者往往是一起变化的，只是先后的差别。

3. 控制方案选择与设计3.1 方案选择从反馈控制的思想出发，自然想到一水位信号为被调量，构成单回路控制系统。

对于小容量锅炉来说，它的蓄水量较大，水面以下气泡的体积不占很大比重，因此给水容积迟延和假水位现象不明显，可以采用单冲量控制系统。

单冲量控制系统即为汽包水位的单回路反馈液位控制系统。

单冲量水位控制系统以汽包水位作为唯一的控制信号。

单冲量水位控制系统由汽包、变送器、调节器、执行器及调节阀等组成，水位测量信号经变送送到水位调节器，水位调节器根据水位测量值与给定值的偏差去控制给水阀门，改变给水量来保持汽包水位在允许的操作范围内。

这种控制系统是典型的单回路定值控制系统。

对于水在汽包内的停留时间较长，且负荷又比较稳定的情况，“虚假水位”现象不严重．采用单冲量控制系统，进行PID调节一般就能满足生产要求。

单冲量汽包水位调节存在着一些缺点，主要是这种调节方案只根据水位调节给水量，在负荷变化时，由于“虚假水位”现象，在调节过程一开始，给水量的变化将与负荷变化的方向相反，扩大了进出流量的不平衡，而且从给水扰动下水位变化的动态特性可以估计到，当水位已经偏离给定值后再调节给水量，因给水量改变后要经过一定迟延时间 才能影响到水位，因此必将导致水位波动幅度大、调节时间长。

对于大型超高压锅炉也可以采用这种控制对象，因为在超高压下，汽和水的密度相差不大，假水位并不显著。

但是，对于大中型锅炉来说，这种系统不能满足要求。

因为汽机耗汽量改变所产生的假水位将引起给水调节机构的的误动作，致使汽包水位激烈地上下波动，严重影响设备的寿命和安全。

从物质平衡的观点来看，只要保证给水量永远等于蒸发量，就可以保证汽包水位大致不变，因此可以采用比值控制系统，用汽机耗汽量D作为调节系统的设定值，使给水量W 跟踪耗汽量D。

然而，它对于汽包水位来说只是开环控制。

如果耗汽量和给水量的测量不准，或者由于有锅炉排污及管道泄漏等，蒸汽量和给水量并非总是确定的比值，此系统不能达到水汽平衡，因为汽包水位H对于（D-W）是一个积分关系，微小的D和W之差可以在长时间的积累中形成很大的水位偏差。

所以不能单独使用比值控制系统。

所以将两种方案结合构成三冲量控制系统。

“冲量”即为变量，三冲量锅炉汽包给水自动控制系统是以汽包水位为主控制信号，蒸汽流量为前馈控制信号，给水流量为反馈控制信号组成的控制系统。

三冲量水位控制系统有两个闭合回路：一个是由给水流量、给水变送器、调节器和调节阀组成的内回路；另一个是由汽包水位对象和内回路构成的主回路。