300MW火电机组给水控制系统的设计.docx

目录1 选题背景 21.1 引言 21.2 设计目的及要求 22 方案论证 32.1 方案一 32.2 方案二 43 过程论述 53.1 总体设计 53.2 详细设计 63.2.1 信号的测量部分 63.2.2 单冲量控制方式 103.2.3 串级三冲量控制方式 113.3 信号监测 123.3.1 给水旁路调节阀控制强制切到手动 123.3.2 电动给水泵强制切到手动 133.3.3 汽动给水泵强制切到手动 133.4 工作方式 133.5 切换与跟踪 133.5.1 切换 133.5.2 跟踪 143.6 控制器选型 144 结论 145 课程设计心得体会 156 参考文献 151 选题背景：1.1 引言火电厂在我国电力工业中占有主要地位，大型火力发电机组具有效率高， 投资省，自动化水平高等优点，在国内外发展很快，如今随着科技的进步，大型 火力发电厂地位显得尤为重要。但由于其内部设备组成很多，工艺流程的复杂， 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。 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。 给水全程控制系统是一个能在锅炉启动、 停炉、低负荷以及在机组发 生某些重大事故等各种不同的工况下， 都能实现给水自动控制的系统而且从一种 控制状态到另一种控制状态的判断、 转换、故障检测也常常靠系统本身自动完成。1.2 设计目的及要求本次课程设计的要求是根据大型火电机组的生产实际设计出功能较为全面的 300 MW 火电机组全程给水控制系统， 该控制系统的设计任务是使给水量与锅 炉的蒸发量相适应，维持汽包水位在规定的范围内。设计要求：(1) 设计功能基本全面的全程给水控制系统， 要求图纸采用 SAMA标准图例， 系统布局规范。(2) 参考输入参数：汽包水位、汽包压力、给水流量、给水温度、汽机第一 级压力、主汽温度、过热减温水流量等信号。(3) 参考输出参数： A 、 B 汽动泵转速、 电动给水泵转速、 给水旁路调节 阀开度。(4) 信号准确性：考虑汽包水位、给水流量和蒸汽流量等信号的修正。(5) 信号监测与报警：重要信号需要监测与报警，同时注意信号的可靠性，考虑冗余。(6) 工作方式：给水旁路阀单冲量控制、电动泵单级单冲量控制、电动泵串 级三冲量控制、汽动泵串级三冲量控制。(7) 切换与跟踪：电动泵运行时大小给水阀门、电动泵、汽动泵之间；单、 三冲量；单、串级之间的切换。跟踪原则：(1) 电动泵单级单冲量工作时，电动泵三冲量副调跟踪单冲量调节器输出；(2) 电动泵三冲量工作时，单冲量调节器跟踪阀位信号(电动泵手动) ；(3) 电动泵手动时， 单冲量调节器跟踪副调输出(电动泵自动) ；(4) 汽动泵手动工作时， 三冲量主调跟踪给水流量信号， 副调跟踪阀位信号。(5) 注意泵的安全经济工作区。(6) 控制部分：控制方案考虑采用单回路、串级、前馈等控制，控制器的控 制规律( PI 、PID、 PD、P)选择准确，调节器可共用。(7) 逻辑关系准确全面。2 方案论证2.1 方案一给系统设计如图 1。在这个方案中，低负荷时采用但冲量系统( PI1)高负荷时 采用三冲量系统( PI2)，而且都是通过改变调速泵转速来实现给水的调节。为了 保证给水泵工作在安全工作区内，设计了一个给水泵出口压力调节系统(PI3)，通过改变阀门开度来改变泵的出口压力。 高压加热器出口分别取给水压力信号送 入小值选择器。当机组正常运行时， 高压加热器出口的给水压力总是低于泵的出 口压力。这时， 应选高压加热器出口给水压力作为压力测量值， 使泵的实际工作 点在泵下限特性曲线偏左一些， 确保泵工作在安全工作区内。 当机组热态启动时， 高压加热器出口的给水压力高于泵的出口压力， 小组选件输出为泵出口压力， 保 证泵出口给水压力升压过程中， 两个调节阀门均处于关闭状态， 直到泵出口压力 大于高压加热器出口给水压力时才按高压加热器出口的给水压力进行调节， 控制两个阀门开度图1 方案一系统示意图这个方案结构合理，经济性好，切换较简单，安全可靠性也较好，不足之处 是压力调节系统和水位调节系统互相影响， 同时两个系统切换动作频繁， 使调节 阀磨损较快。2.2 方案二如图 2 所示。这是一个一段调节的方案，在低负荷时采用 PI1单冲量系统， GH1 值经大值选择器来控制调速泵，是泵维持在允许的最低转速。此时给水量 是通过改变调节阀开度来调节的。高负荷时，阀门开到最大，为了减小阻力，把 并联的调节阀也开到最大，三冲量调节器 PI2 的输出大于 GH1 的值，故可直接 改变调速泵转速控制给水量。在冷态启动时， GH1 起作用，既让泵工作在最低转速。在热态启动时取决 于 Pd 值，泵可以直接工作在较高的转速。该方案中午专门设计泵的出口压力安 全调节系统， 解决给水泵在安全工作取得办法是利用调速泵运行的自然特性， 即 在定压运行使用两台泵同时给水地方法， 使每台泵的负荷不超过 86%，可使泵工 作在安全区内。图 2 方案系统示意图该方案结构最简单，系统和调节段两种切换相互错开， Pd 是开换调节，调节段是无触点自由过度，安全性能好，是一个好方案。3 过程论述3.1 总体设计典型的 300MW 机组给水热力系统如图 3 所示。每台机组拍有一台 50%容量 的电动给水泵和两台均为 50%容量的启动给水泵。 在机组启动阶段， 由于需要的 给水流量小，且没有稳定的汽源，汽动给水泵无法使用，故先用电动给水泵。为 满足机组启动过程中最小控制流量的需要， 在电动泵出口至水母管之间装有两条 并联的管路， 一条支路上装有主给水截止阀， 另一条之路上装有给水旁路截止阀 和一只约 15%容量的给水旁路调节阀。启动时通过给水旁路调节阀控制汽包水 位，旁路阀接近全开时， 打开主给水截止阀， 调整电动给水泵的转速控制器包水 位，电动给水泵转速通过液力耦合器调整。 两台汽动给水泵由给水泵汽轮机驱动， 给水泵汽轮机电液控制系统（ MEH ）接受锅炉给水控制系统的指令，独立完成 汽动给水泵的转速控制任务。给水全程控制系统通常采用变结构控制， 随负荷变化进行单冲量和三冲量控 制方式的切换，同时，给水泵的运行方式以及控制作用方式也进行相应的切换。需设计较为复杂的跟踪回路，以实现系统之间的勿扰切换。通常的设计原则为： 在单冲量调节器工作 （ 低负荷）时，三充量调节器的主调跟踪给水流量信号， 副调 跟踪阀位信号；在三冲量调节器工作 （高负荷）时，单冲量调节器跟踪阀位信号。图 3 300MW 机组给水热力系统图3.2 详细设计汽包水位决定于汽包中的储水量和水面下的气泡容积。 因此凡是引起汽包中 储水量变化和水面下的气泡容积变化的各种因素都是给水控制对象的扰动， 给水 对象的主要扰动包括： 给水流量扰动、 蒸汽负荷扰动和炉膛热负荷扰动。 为了实 现全程给水控制，需要设计的系统要克服以上的扰动。3.2.1 信号的测量部分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测量准确性受到很大影 响。为了实现全程给水自动控制， 要求这些测量信号能够自动的进行温度、 压力 校正。测量信号自动校正的基本方法是： 先推导出被测参数随温度， 压力变化的 数学关系，然后利用各种功能模块进行运算，实现自动控制。（1）汽包水位的测量和校正 汽包锅炉通常利用压差原理来测量其水位， 而锅炉从启、 停到正常负荷的整 个运行范围内， 汽包内饱和蒸汽和饱和水密度随压力变化， 这样就不能直接用压差信号来代表水位，需对测量信号进行压力校正。由单室平衡容器取样装置的水位测量原理可知：1）( a s )Lg P( ws )g式中： P为输入差压变送器的压差； w为饱和水的密度； s 为饱和蒸汽 的密度； a为汽包外平衡容器内水的密度； g 是重力加速度。有上式可见， 水位 H 是差压和汽、水密度的函数。密度 a 与环境温度有关。在锅炉启动过程中，水温略有升高，这两方面变化对a 的影响基本上可以抵消， 既可以近似的认为 a 是恒值。饱和水和饱和蒸汽的密度均为汽包压力的函数， 在汽包压力小于 19.6MPa 的范围内，（ a s ）与汽包压力可近似为线性关系， 而（ w s ）与汽包压力为非线性关系。这样水位表达式可写成：（2）4。为了提高测量的准确K1 K 2Pb P H fb（Pb） 由以上校正原理，可设计汽包水位的测量部分如图性，采用三路汽包水位测量信号分别经过压力补偿，采取“三取中”的方法。选取中间值作为系统控制使用的汽包水位测量信号 H。为防止变送器故障， 将信号H 分别与三路补偿后的水位信号进行比较， 如果偏差值超限， 产生高低值报警的 逻辑信号，使系统切手动，同时发出声光报警， 待故障切除后， 系统才正常工作。图4 汽包水位测量信号（2）蒸汽流量的测量和校正采用标准节流装置测量过热蒸汽流量。 这种设计的测量精度高， 但当被测 工质的压力、 温度偏离设计值时， 工质密度变化会造成流量测量误差， 所以需进 行压力、温度校正。蒸汽流量 D 的校正公式如下：3） 式中：D 为过热蒸汽流量 ; p 为过热蒸汽压力； 为过热蒸汽温度， p为节流件压差； 为过热蒸汽密度； K 是流量系数。利用汽轮机调节级后压力或级组压力差测量主蒸汽流量。 采用节流装置测 量蒸汽流量会造成一定的节流损失， 降低机组的经济性， 目前大容量火电机组多 采用汽轮机调节级后压力或级组压力差测量主蒸汽流量。采用汽轮机调节级后压力测量主蒸汽流量的基本理论公式是弗留格尔公式：4）D K p1T1式中： K 为当量比例系数，由汽机类型和设计工况确定； p1、T1 为调节级 后气压和汽温。 该式成立的条件是： 调节级后流通面积不变； 在调节级后各通流 部分的汽压均比例于蒸汽流量； 在不同流量条件下， 流动过程相同。 实际汽轮机 运行中不能完全满足上诉条件， 同时不易直接测量调节级后汽温， 即使测得也不 能代表调节级后的平均气温，一次一般用主汽参数相关的量推算级后温度。其导出（5）用压力机组前后压力测量主蒸汽流量的方法也是基于弗留格尔公式，形式为：D式中： p2 为第一压力级后的压力由于调节级后温度 T1 难以测量，可通过测量第一级抽汽温度 T2 推算 T1，根据 T1 KTT222 则 Dp1 p2KT2由以上校正原理可设计主蒸汽流量信号测量部分。 如图五，主蒸汽流量信号 的获取采用了两种方法： 一种是采用汽轮机就调节级压力经主气温修正后形成主 蒸汽流量 D；另一种方法是采用调节级压力和一级抽汽压力经主汽温修正后形成 主蒸汽流量 D，当高压旁路投入时，主蒸汽流量信号还要加上旁路蒸汽流量。图 5 主蒸汽流量测量信号（3）给水流量信号的测量和校正计算表明：当给水温度为 100 摄氏度时，压力在 0.19619.6MPa范围内变化 时，给水流量的测量误差为 0.47%；压力 19.6MPa 不变，给水温度在 100290 摄氏度范围内变化时， 给水流量的测量误差为 13%。也就是说， 对给水流量的测 量只需采取温度校正。给水流量测量信号如图六。省煤器前给水流量的测量值经给水温度修正后， 汇总过热器一、 二级减温器的喷水量和锅炉连续排污流量后， 形成控制使用的给 水流量测量信号 W。图6 给水流量测量信号3.2.2 单冲量控制方式在单冲量给水控制系统中， 是一个只采用汽包水位信号和一个调节器的反馈 控制系统。 系统中，水位信号经平衡容器转换成差压， 再经差压变送器转换成电 信号。当汽包水位发生变化时，如水位下降，则差压增加，电信号增大，调节器 的输入偏差变大， 经过控制器运算， 产生的输出信号作用到执行机构， 使阀门开 度变大，给水流量增加，水位回升，差压减小，使调节器的输入变差减小。当偏 差逐步消失时，调节器的输出不再变化，实现了无差调节。单冲量给水控制系统结构简单，但对于内绕延迟大，外扰有明显虚假水位， 存在一定的不足， 在低负荷阶段， 由于锅炉疏水和排污等因素的影响， 使给水流 量和蒸汽流量存在着严重的不平衡， 且流量太小， 测量误差较大， 低负荷时的汽 包压力低且虚假水位也不严重， 在机组启、 停及低负荷运行工况， 采用单冲量控 制。单冲量控制系统如图七所示。 通过单冲量调节器 PI1 控制给水旁路阀和电动 泵。给水旁路阀及每台给水泵操作回路均配有手动 /自动（ M/A ）操作站。汽包 水位测量值 H 与汽包水位设定值进行比较，其偏差经单冲量调节器、切换器、 比例器 K2 和 M/A 操作站去控制给水旁路调节阀，此时电动泵保持一定转速， 以满足启动和低负荷下给水流量的需求。 当旁路调节阀开度大于 95%时，自动打 开主给水电动门，电动泵可进入自动方式运行。此阶段仍采用单冲量控制方式， 单冲量调节器 PI1 和 M/A 操作站控制电动给水泵转速，以维持其包水位，由于 采用旁路阀水位控制系统与电动泵转速水位控制系统的执行机构不同， 采用了不 同的比例系数 K1 和 K2 。3.2.3 串级三冲量控制方式本次设计中，在负荷大于 30%时，采用串级三冲量控制方案， 该水系统有主、 副两个调节器和三个冲量（汽包水位、蒸汽流量、给水流量）构成。于单级三冲 量相比，该系统多采用了一个调节器，两个调节器分工明确、串联工作。主调节 器 PI2 根据水位偏差产生给水流量校正信号。 系统中电动泵副调节器 PI3 和气动 泵副调节器 PI4 共用一个主调节器 PI2。系统控制方式如图八。在给水流量和蒸汽流量信号测量可靠， 且蒸汽流量大于或等于 30%时，系统 可切换到三冲量控制方式。 这是一个以汽包水位为主信号， 以蒸汽流量为控制信 号，一给水流量为反馈信号的串级三冲量控制系统。 三冲凉主调节器输出加上蒸 汽流量信号 D 作为副调节器的给定信号， 给水流量 W 是反馈信号。在负荷由 30% 继续升到 100%满负荷阶段，均采用串级三冲量控制方案。在气动泵未运行前， 采用电动泵控制给水流量， 三冲量主调 PI2 和电动泵副 调 PI3 构成串级三冲量电动控制方式。当负荷继续升高到 30%40%时，气动泵 小汽机开始冲转、升速，当气动泵转速进一步上升、气动泵流量逐步提高，电动泵流量逐渐下降后，可投入气动泵自动，使电动泵退回到手动。当负荷升到 40%50%时，启动第二台气动泵运行。这时，三冲量主调 PI2 和气动泵副调 PI4 构成串级三冲量气动泵控制方式， MEH 系统以气动泵转速控制信号控制小汽机 转速。图 8 串级控制系统图3.3 信号监测3.3.1 给水旁路调节阀控制强制切到手动当出现下列情况之一时，给水旁路调节阀控制强制切到手动：(1) 汽包水位设定值与实际值偏差大；(2) 汽包水位信号故障；(3) 汽包压力信号故障；(4) 给水旁路调节阀控制指令与反馈偏差大；(5) 选择电泵控制水位信号；(6) 给水旁路调节阀前截止阀关闭；(7) 给水旁路调节阀后截止阀关闭。3.3.2 电动给水泵强制切到手动当出现下列情况之一时，电动给水泵强制切到手动：(1) 汽包水位设定值与实际值偏差大；(2) 汽包水位信号故障；(3) 电泵未运行；(4) 电泵入口流量信号故障；(5) 三冲量调节时，给水流量信号故障；(6) 三冲量调节时，过热器喷水流量信号故障；(7) 三冲量调节时，蒸汽流量信号故障；(8) 电泵转速指令与反馈偏差大；(9) 电泵入口流量指令与反馈偏差大。3.3.3 汽动给水泵强制切到手动 汽动给水泵和电动给水泵切手动条件基本相同，具体可见逻辑图。3.4 工作方式给水旁路阀单冲量控制、电动泵单级单冲量控制、电动泵串级三冲量控制、汽动泵串级三冲量控制。3.5 切换与跟踪3.5.1 切换在机组启、停及低负荷运行工况(机组负荷 <X%时， X 由电厂自定，一般为30)，采用电动泵单冲量控制， 当机组负荷 >X%时，先转为电动泵串级三冲量控制， 后转为气动泵串级三冲量控制。3.5.2 跟踪跟踪原则为：(1) 电动泵单级单冲量工作时，电动泵三冲量副调跟踪单冲量调节器输出；(2) 电动泵三冲量工作时，单冲量调节器跟踪阀位信号(电动泵手动) ；(3) 电动泵手动时， 单冲量调节器跟踪副调输出(电动泵自动) ；(4) 汽动泵手动工作时，三冲量主调跟踪给水流量信号，副调跟踪阀位信号3.6 控制器选型均选 PID 控制器。根据需要可将积分时间置无穷或将微分时间置零。4 结论经过这段时间的学习， 答疑， 以及资料查询， 能够部分理解了 300MW发电厂 的给水控制系统工艺流程。 给水全程自动控制系统是指对锅炉的给水量在机组正 常运行、负荷变化以及启停过程中均能进行自动控制的系统。 显然，给水全程控 制系统要比常规给水控制系统复杂。 汽包锅炉给水自动控制的任务是维持汽包水 位在一定的范围内变化。 随着锅炉参数的提高和容量的扩大， 对给水控制提出了 更高要求。 机组在高、低负荷下呈现不同的对象特性， 要求给水全程控制系统能 适应这种变参数的特性， 主要是调节器的参数要随着被控对象特性的变化而自适 应的调整。 通过对锅炉汽包给水控制系统的结构和动态特性的分析， 提出采用单 冲量和三冲量给水控制系统， 单冲量给水控制系统结构比较简单， 运行可靠， 三 冲量给水控制系统结构较复杂， 但调节质量比较高。 通过对三冲量控制系统的研 究实现给水水位自动控制的要求。 机组在高、 低负荷下呈现不同的对象特性， 要 求给水全程控制系统能适应这种变参数的特性， 主要是调节器的参数要随着被控 对象特性的变化而自适应的调整使我对所学的知识有了更进一步的理解。5课程设计心得体会通过本次课程设计更加让我认识到过程控制在电厂汽轮机等实际生产生活 中的广泛应用和重要作用， 进一步深刻地理解了电厂热工过程自动控制的相关基 本概念、基础理论和方法，进一步加深了我对自动化专业的热爱。 同时 更能够为 我在步入社会，开始工作的动手实践能力提供了基础。 巩固了应用操作，将平时学 习内容系统地联系在一起，在与同学的共同讨论研究中，培养了团队精神和协作能力。6 参考文献1 王建国，孙灵芳，张利辉 . 电厂热工过程自动控制 . 北京：中国电力出 版社， 20092 张磊编 . 超超临界火电机组集控运行 . 北京: 中国电力出版社， 2008.93 D. E. Seborg 等. 过程的动态特性与控制 . 北京：电子工业出版社， 20064 边立秀等 . 热工控制系统 . 北京 : 中国电力出版社， 20025 林文孚等 . 单元机组自动控制技术 . 北京: 中国电力出版社， 20086 巨林仓 . 电厂热工过程控制系统 . 西安：西安交通大学出版社， 2009.77 赵建立等 . 大型火电机组热工控制技术与实例 . 北京：中国电力出版 社， 2009.6