水位控制系统

锅炉给水控制系统
讲师：
主要任务
锅炉给水控制系统是协调控制系统的主要 系统之一。锅炉给水控制的主要任务是使 锅炉的给水量与锅炉的蒸发量保持相对一 致，保证锅炉进出的物质平衡和正常运行 所需的工质。对于300MW火电机组普遍采 用的汽包锅炉来说，就是维持汽包水位在 允许范围内变化。所以，锅炉给水控制又 称“锅炉水位控制”
•
。
• 论采用何种控制手段，
对于汽包锅炉给水控 制系统来说，不外乎 采用以下三种基本结 构
（二）单级三冲量控制系统
• 单级三冲量给水控制系统 的基本结构如图所示，该 系统采用一个 PI 调节器， 并根据汽包水位、蒸汽流 量和给水流量三个信号的 变化去控制给水量。三冲 量给水控制系统在克服扰 动、维持汽包水位稳定、 提高给水控制质量方面优 于单冲量给水控制系统。
i 1 n
1-2、旁路阀单冲量控制回路
• 机组在启动或地负荷（0到X范围）时，由 一台电动给水泵向锅炉给水。控制回路特 点： • 单回路：之所以没有选择三冲量是因为， 小负荷时汽包虚假水位不太严重，另外小 负荷时流量测量误差很大。当然首先是单 回路在小负荷时已经能够很好的控制水位。
• 旁路阀：旁路阀原本是在开启大的给水阀 门之前开启的一种小流量阀们，目的是减
• 蒸汽流量信号作为前馈信号用 来维持负荷变动时的物质平衡， 由此构成的是一个前馈——反 馈双回路控制系统
二、给水全程控制系统
• 所谓给水全程控制，是指机组从启动到带
满负荷的全过程所实现的给水控制。目前， 大型火电机组，特别是300MW及以上的机 组，其汽包锅炉的给水控制系统大都采用 给水全程控制系统。这种系统并不是某种 单一的单冲量或三冲量控制系统，而是单 冲量和三冲量控制系统有机结合所构成的 给水控制系统，且具有完善的控制方式自 动切换和联锁逻辑。
H f (p, ' , '' , a ) f (p, pb )
H g 汽包压力
根据流体力学定律：红线以下液 汽柱高度 饱和水液柱高度 汽包压力 体的温度和密度相同（两个管道 微小的差压可以不考虑），作用 （H h到压差测量装置上的压强大小相 ） '' g h ' g 汽包压力 等而相互抵消，两个管道上的压 差主要由红线以上的液体产生的 压强差决定。
1、测量系统 路 2、旁路阀单冲量控制回 汽包水位控制系统组成 量控制回路 3、电动给水泵转速单冲 4、给水泵转速三冲量控 制回路
1-1、测量系统
• 1）汽包水位测量：大多采用三个独立检测 回路取中值的方案，对每个测量回路使用 汽包压力对其进行压力补偿。实际上水位 测量不仅与压力相关、也与测量装置的环 境温度相关，不过一般对测量装置采取一 定的保温措施，使温度对测量结果的影响 成为常数、或变化范围很小可近似为常数。 这样，可将影响测量结果看成是汽包压力 和测量装置输出的差压两者之间关系。H=f （△P，Pb）

串级三冲量给水控制系统的基本结 构如图所示，该系统由主、副两个 PI调节器和三个冲量（汽包水位、 蒸汽流量、给水流量）构成。
• 副调节器PI2为给水流量调节器， 它根据给水流量偏差控制给水 流量，并消除给水侧的扰动
•
两个调节器分工明确、串联工作， 主调节器PI1为水位调节器，它根 据水位偏差产生给水流量给定值
在三冲量给水自动调节系统中，汽包水位、蒸汽流 量和给水流量三个信号的作用是什么？
• 答：在三冲量给水调节系统中，调节器接受汽包水位、蒸 汽流量和给水流量三个信号。其中汽包水位H是主信号， 在调节过程中起校正作用，使在稳态时汽包水位等于其给 定值。蒸汽流量信号 D是前馈信号，当负荷变化时，它快 于水位偏差信号，起前馈调节作用；同时，它能防止由于 “虚假水位”而引起的调节器的误动作，改善蒸汽流量扰 动下给水调节品质。给水流量信号 W是介质反馈信号，动 态过程中，给水流量能及时反映调节效果(调节阀开度变 化)，消除给水流量的自发扰动；稳态时，给水流量与蒸 汽流量保持平衡，以适应负荷变化的要求。蒸汽流量和给 水流量两个信号相配合，可消除系统的静态偏差。
• 原则上，在负荷达到一定值以上、疏水和
排污阀逐渐关闭、汽和水趋于平衡、流量 逐渐增大、测量误差逐渐减小时，可采用 三冲量给水控制方式。但单级三冲量控制 系统要求蒸汽流量和给水流量的测量值在 稳态时必须相等，否则汽包水位将存在静 态偏差，且单级三冲量控制系统一个调节 器参数整定需兼顾较多的因素，所以，在 现实中很少采用单级三冲量给水控制系统。
静态配合:当蒸汽流量 和给水流量静态相等 时，主调节器的输出 决定调节阀门开度， 类似单回路调节。
水位给定
蒸 汽 量
主调节 水 流 量
负调节
水 位
• 给水控制对象的结构
过热器
省煤器
采用定速泵给水控制系统扰动因素
•
• •
1、给水量W扰动
2、蒸汽流量D扰动 3、燃烧率Q扰动
习题
• 1、在给水自动调节系统中，在给水流量扰 动下汽包水位( A)。
重要性
• 锅炉水位反映了锅内物质平衡状况（主要 是锅炉蒸汽流量与给水流量之间的平衡关 系），因此，它是表征锅炉安全运行的重 要参数之一，也是保证汽轮机安全运行的 重要条件之一。
水位高危害
• 汽包水位过高，会降低汽包内汽水分离装 置的汽水分离效果，导致出口蒸汽带水， 并可能会使蒸汽含盐浓度增大，从而使过 热器受热面结垢；也会使汽轮机叶片也易 于结垢，降低汽轮机的出力，甚至会使汽 轮机产生水冲击造成叶片断裂。
对汽包水位测量容室注 意保温后，环境温度 影响可忽略，其经验 公式如下： 0.958P 0.257 f1 ( pb ) 0.161 H f 2 ( pb )
量于差压的开方成正比。由于使 用开方运算，当流量很小时，测 量和运算都存在较大的误差，所 以流量越小时测量结果可信度越 差。
W f (p, TW ) 给水总流量：WT W Wi
3、电动给水转速单 冲量控制回路：当 旁路阀开度达到一 定数值（80%-90%） 时，控制系统自动 切换到电动给水泵 的转速控制，例如 勺管液位的高低控 制给水泵转速，进 而控制给水量。
汽包水位信号通过汽包压力补偿后 形成水位信号和给定的数值比较后 输入的PID调节器，然后控制旁路 调节阀以改变给水流量，进而控制 汽包水位。
• 一般来说，每台300MW机组配有一台50%
容量的电动调速给水泵和两台各为50%容 量的汽动给水泵，作为给水泵的调节机构。 在高压加热器与省煤器之间装有一只主给 水电动截止阀、一只给水旁路截止阀和一 只约15%容量的给水旁路调节阀。两台汽 动给水泵由小汽轮机驱动，其转速的控制 由独立的小汽轮机电液控制系统（MEH系 统）完成。MEH系统的任务是控制小汽轮 机从零转速升到一阶临界转速上，当达到 某一转速（例如3100r/min）后，转速给定 值由协调控制系统的给水控制系统设置，
习题
• 7、锅炉的负荷增加时，汽包水位H （ C ）。 • （A）增高；（B）降低；（C）先升高后 降低：(D)先降低后升高 • 8、有一测温仪表，精度等级为0.5级，测 量范围为400~600℃，该表的允许基本误 差是____C__。 • A±3℃；B ±2℃；C ±1℃
给水控制系统实例分析
• 给水控制系统任务：汽包锅炉和直流锅炉 的给水控制系统有各自不同的任务。汽包 锅炉的给水控制系统的主要任务是控制汽 包水位为给定数值；直流锅炉给水控制系 统不同的设计有不同的控制任务，例如有 的利用给水流量控制锅炉负荷，有的则是 利用给水控制过热器的中间温度点。
1、汽包锅炉给水控制系统
• 与单冲量系统相比，该系统引入了蒸汽流量信号
和给水流量信号，引入的蒸汽流量信号（前馈信 号）可以克服汽包的虚假水位，引入给水流量信 号可以抑制给水自发性扰动的，保持了给水流量 的稳定。当蒸汽流量改变时，通过前馈控制作用， 可及时改变给水流量，尽早地维持进出锅内的物 质平衡，这有利于克服虚假水位现象；当给水流 量发生自发性扰动时，通过反馈的控制作用，可 抑制这种扰动对给水流量以及汽包水位的影响， 这有利于减少汽包水位的波动。
任务：利用给水流量控制水位为给定数值 300MW机组控制系统结构形式：3台给水 泵（1台容量为额定容量的50%的电动给水 泵、两台容量为额定负荷50%的汽动给水 泵）；两个控制回路（汽包水位控制系统 和给水泵最小流量控制系统；水位全程控 制（负荷从0%-100%水位全自动进行控 制）。 控制回路特点：高可靠、多回路、变结构 控制系统。
水位低危害
• 汽包水位过低，则会破坏锅炉的水循环， 使某些水冷壁管束得不到炉水的冷却而烧 坏从而发生爆管事故。所以汽包水位的合 适是火电机组运行的重要因素。
水位调节对象的动态特性
1、给水流量扰动
水位调节对象的动态特性
• 2、蒸汽流量扰动
水位调节对象的动态特性
• 3、燃煤量扰动
水位调节对象的动态特性
• （A）出现“虚假水位”；(B)立即变化； (C)不是立即变化，而是要迟延一段时间； (D)不会变化 • 2、汽包水位调节对象属于( B )对象。 • (A)无自平衡能力多容；(B)有自平衡能力多 容；无自平衡能力单容；(D)有自平衡能力 单容。
习题
• 3、为避免在“虚假水位”作用下调节器产 生误动作，在给水控制系统中引入( )信号 作为补偿信号。 • (A)给水流量； (B)蒸汽流量； (C)水位； (D)汽包压力。 • 4、在三冲量给水自动调节系统中，三冲量 是指汽包水位、蒸汽流量和凝结水流量三 个信号。( X ) • 5、在蒸汽流量扰动下，给水调节对象出现
（三）串级三冲量控制系统
– 串级三冲量给水控制系统的基本结 构如图所示，该系统由主、副两个 PI调节器和三个冲量（汽包水位、 蒸汽流量、给水流量）构成。与单 级三冲量系统相比，该系统多采用 了一个PI调节器，两个调节器分工 明确、串联工作，主调节器PI1为 水位调节器，它根据水位偏差产生 给水流量给定值，副调节器PI2为 给水流量调节器，它根据给水流量 偏差控制给水流量，并消除给水侧 的扰动；蒸汽流量信号作为前馈信 号用来维持负荷变动时的物质平衡， 由此构成的是一个前馈——反馈双 回路控制系统。