第三章锅炉给水控制系统介绍

第三章 锅炉给水控制系统
3．炉膛热负荷扰动下水位变化的动态特性
图.
燃料扰动下水位阶跃响应曲线
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炉膛热负荷扰动即是指燃烧率M的扰动。 燃烧率增加时，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。
H ( s) T W ( s) s 1 Ts s(1 Ts)
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左图中曲线1 为沸腾式省煤器 时水位的动态特 性。曲线2则是非 沸腾式省煤器时 的水位动态特性。
图. 给水量扰动时水位阶跃响应曲线
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2、串级三冲量给水控制系统
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1、工作原理: 串级三冲量给水控制系统如左图。 有主 调节器PI1和副调节器PI2。主调节器PI1接受水 位信号作为主控信号去控制副调节器PI2。副调 节器除接受主调节器信号IH外，还接受给水量 反馈信号IW和蒸汽流量信号ID，组成一个三冲 量的串级控制系统，其中副调节器的作用主要 是通过内回路进行蒸汽流量D和给水流量W的 比值调节，并快速消除来自给水侧的扰动。
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§3.1 汽包锅炉给水控制 §3.2 汽包锅炉给水全程控制系统实例分析 §3.3 直流锅炉给水控制 §3.4 直流锅炉给水控制系统实例分析
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三、给水控制系统结构 1. 汽泵控制系统
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2.电泵和旁路阀控制
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正常运行时水位波动范围：±（30～50）mm 异常情况: ±200 mm 事故情况：超出（±350 mm）
（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。
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（2）系统的切换问题。由于机组在高、低负荷下 呈现不同的对象特性，要求控制系统能适应这样的 特性。即随着负荷的增加和下降，系统要从单冲量 过渡到三冲量系统，或从三冲量过渡到单冲量系统， 由此产生了系统的切换问题。
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水位对象可近似认为是一个积分环节和一个惯性 环节并联的形式：
H ( s) s e W ( s) s
2．蒸汽流量扰动下水位的动态特性 “虚假水位” ：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，此时燃烧率M还来不及增加，汽包中水的体 积增大而水位上升。 传递函数
由于单冲量调阀系统与单冲量调泵系统对象特性不同， 且调节器整定参数不同，所以4PI为变参数调节器。
（3）30%~100%阶段。此阶段采用三冲量系统调节 给水泵转速方案。这是调节系统的正常工况。给水旁路 阀锁定在全开位置不再关闭，以减少系统不必要的扰动。
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时，使蒸汽流量信号能更快地补偿虚假水位的影响，
从而改变蒸汽负荷扰动下的水位控制质量。
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§3-2 汽包锅炉全程给水 控制系统实例分析
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单冲量调节器4PI（IE）的输入为水位测量值H和给 定值H0的偏差，其输出经3AM手/自动操作器去控制给 水旁路阀，同时可进行阀位显示。三冲量电动泵的副 调节器（3PI）处于自动跟踪状态，通过切换开关T2的 NC点使3PI的输出跟踪函数发生器F1(х)的输出，再通过 2AM手/自动操作器使电动泵维持在最低转速nmin运行。
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（ 3 ）由于全程控制系统的工作范围较宽，对各个 信号的准确测量提出了更严格的要求。例如，在高低负 荷不同工况下，给水流量的数值相差很大，必须采用不 同的孔板进行测量，这样就产生了给水流量测量装置的 切换问题；同样，主汽温度和压力在全过程中变化也很 大，需要对主蒸汽流量进行校正。 （4）给水全程控制还必须适应机组定压运行和滑压 运行工况，必须适应冷态起动和热态起动情况。
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二、给水控制对象的动态特性 汽包炉给水控制对象结构如下图:
图. 汽包炉给水控制的结构系统
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影响水位的因素主要有： 锅炉蒸发量（负荷D） 给水量W 炉膛热负荷（燃烧率M） 汽包压力Pb 1、给水量扰动下水位变化的动态特性 水位在给水扰动下的传递函数可表示为
（5）在多种调节机构的复杂切换过程中，给水全程 控制系统都必须保证无干扰。
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阀门的切换: 高低负荷需要用不同的调节阀门，必 须解决切换问题，调节阀门的切换伴随着有关截止门的 切换，而截止门的切换过程需要一定的时间，导致了水 位保持的困难。 阀门与调速泵间切换:在低负荷时采用改变阀门的开 度来保持泵的出口压力，高负荷时用改变调速泵的转速 保持水位，这又产生了阀门与调速泵间的过渡切换问题。 调节方式: 点火后，在升温升压过程中，由于锅炉 没有输出蒸汽量，给水量及其变化量都很小，此时单冲 量调节系统也不十分理想，就需要用开启阀门的方法 （双位调节方式）进行水位调节。在这些切换中，系统 都必须有相应的安全可靠的系统，保证给水泵工作在安 全区内。
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前一种方法(改变调门开度)节流损失大，给水 泵的消耗功率多，不经济，故在一般单元机组的 大型锅炉中都采用后一种方法(改变给水泵转速)。
两段调节: 在给水全程控制系统中不仅要满足给水量调 节的要求，同时还要保证给水泵工作在安全区。 这往往需要有两套控制系统来完成，即所谓两段 调节。
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一、给水全程控制定义 在锅炉给水全过程中都是自动控制的，即能在控制 设备正常的条件下，不需要操作人员的干涉，就能保持 汽包水位在允许的范围内。
二、给水全程自动控制系统的要求 （1）实现给水全程控制可以采用改变调门开度即改 变给水管路阻力的方法来改变给水量，也可以采用改变 给水泵转速即改变给水压力的方法来改变给水量。
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三、给水控制的基本方案 1、单级三冲量给水控制系统
图. 单级三冲量给水控制系统结构图
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工作原理: 调节器接受三个信号（H、W、D），其输出通过 执行机构去控制给水量W，其中水位H是主要控制信 号，水位高时应减少给水流量，水位低时应增加给水 流量。 蒸汽流量D和给水流量W的变化是引起水位变化 的主要原因（扰动信号），它们分别作为水位控制的 前馈信号和反馈信号。当D改变时，调节器PI动作。适 当地改变给水量W，保证D和W比值不变；而当W自发 地改变时，PI也立即动作使W恢复原来数值，有效地 控制水位的变化。
H ( s) k2 D( s) (1 T2 s) s
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当过了一段时 间后，即汽泡容积 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。
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（ 2）升负荷 25%~30%。此阶段采用单冲量系统调节 电动给水泵转速。此时三冲量系统尚不能使用，给水旁 路门已全开，只能提高给水泵转速来满足给水量的增加， T2 仍接 NC ， F （ х ）的输出值随调节信号变化，通过 3PI 的自动跟踪使调节信号控制电动泵转速，实现由阀门控 制到电动泵转速控制给水量的无扰过渡。
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”现象比蒸汽量扰动要小一些， 但其持续时间长。
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§4-3 给水控制的基本 方案
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§3-1 汽包锅炉给水控制
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一、给水控制任务 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范围内： （1）维持汽包水位在一定的范围内 汽包水位是影响锅炉安全的重要因素。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毁坏叶片；水位过低， 则会破坏水循环，引起水冷壁的破裂。
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二、系统工作原理 （1）起动、冲转及带25%负荷。此阶段采用单冲量 系统通过调节给水旁路门开度来维持汽包水位在给定 范围内，电动给水泵维持在最低转速，汽动给水泵手 / 自动操作器 1AM 强迫为手动状态，汽泵超驰全关，主 给水门也关闭，给水旁路阀从0%-100%调节。
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1 ）负荷达 w ％ ，电动泵转速为 nx 时打开主给水电 动门。此时泵的转速已提高，当主给水电动门打开以后， 管道阻力突然减少，调节系统使泵转速自动下降一些时， 泵转速已有可能下降。另外，在三冲量系统投运情况下 开主给水电动门，由于三冲量系统抗内扰能力比单冲量 系统强得多，所以调节质量能得到保证。 2）30％~A％负荷阶段采用电动泵控制给水量。此 时系统为三冲量电动泵调节， 3PI （3E电泵副调节器） 不再跟踪 4PI （ IE ）的输出，而是处于自动调节状态， 通过2AM手／自动操作器控制电动泵转速。三冲量主凋 节器1PI在0％~30％负荷阶段或手操阶段一直跟踪(G-D) 信号（G为给水流量），从而防止三冲量系统投自动时 副调节器处于积分饱和状态（相当于副调节器的给定信 号跟踪给水流量G）。
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2、系统特点 （1）两个调节器任务不同，参数整定相对独立；
（ 2 ）在负荷变化时，水位静态值是靠主调节器 PI1
来维持的，并不要求进入副调节器的蒸汽流量信号的 作用强度按所谓“静态对比”来进行整定。恰巧相反， 在这时可以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，以便在负荷变化