课程设计(论文)热电厂锅炉汽包液位控制系统的设计.doc
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1、内蒙古科技大学本科生课程设计说明书 题 目:热电厂锅炉汽包 液位控制系统设计学生姓名: 学 号:专 业: 班 级: 指导老师: 年 月 日 摘要随着人们生活对电的需求,电厂的建立,现代大型锅炉的水位动态特性的复杂情况,汽包存在着严重的“虚假水位”现象。在对串级控制系统优点及PID算法了解的基础上,为了控制系统的安全可靠,提出了基于PID的锅炉汽包水位调节的串级三冲量控制方案。研究汽包液位控制的难点、锅炉三冲量系统结构、控制策略选取及PID控制算法。由理论上得出:在锅炉汽包水位控制系统中采用串级三冲量控制和PID算法的主调节器的控制方案具有的经济实用性。关键字:锅炉汽包水位;串级三冲量控制;PI
2、D算法目录引言1第一章 汽包锅炉工艺21.1汽包锅炉简介21.2汽包水位控制系统31.3汽包水位的动、静态特性41.3.1汽包水位在给水流量扰动下动态特性51.3.2汽包水位在蒸汽负荷下动态特性71.3.3炉膛热负荷扰动下水位变化的动态特性71.3.4液位对象静态特性8第二章 火电厂主要热工控制系统概述92.1汽包锅炉蒸汽温度控制系统92.2汽包锅炉蒸汽压力控制系统92.3汽包水位的常规控制系统102.3.1单冲量水位控制系统102.3.2双冲量水位系统102.3.3三冲量水位系统112.4锅炉燃烧过程控制系统11第三章 锅炉汽包液位控制系统设计123.1系统构成及工作原理123.2部分设备选
3、择133.2.1调节器及其参数选择133.2.2调节阀的选择及调节器的正、反作用15第四章 个人总结17参考文献18致谢19引言19世纪70年代,欧洲进入了电力革命时代。不仅大企业,就连小工厂也都纷纷采用新的动力电能。随着社会的发展,人们对电的需求量越来越大,由最初的一台发动机设备只供应一栋房子或一条街上的照明用电,逐渐产生各种发电厂的运用和建立火力发电厂、水力发电厂、原子能发电厂、风能发电厂、地热发电厂等等。电的应用极大的改变了人们生活的方方面面,是人们的生活得到了从没想到过的改善。在我国主要的电厂是火力发电厂,根据火力发电的生产流程,其基本组成包括燃烧系统、汽水系统(燃气轮机发电和柴油机发
4、电无此系统,但二者在火力发电中所占比重都不大)、电气系统、控制系统。汽包水位是反映锅炉负荷与给水量之间的平衡关系。保持汽包水位的正常是汽包锅炉和汽轮机安全运行的重要条件。汽包水位过高,蒸汽空间将缩小,会引起蒸汽带水,是蒸汽品质恶化,还导致在过热器官内产生盐垢沉积,使管子过热,金属强度降低而发生爆管。严重满水时,使蒸汽大量带水,引起管道与汽轮机内严重的水冲击,造成设备损坏。水位过低,对自然循环锅炉将破坏正常的水循环;对强制循环锅炉会使锅水循环泵入口汽化,泵组剧烈振动,最终都将导致水冷壁管超高温过热。当严重缺水时,如处理不当,还可能造成水冷壁管的爆破。单冲量自动调节系统是最简单的水位调节方式,在水
5、容积中的蒸汽含量和蒸汽比容改变产生虚假水位,它会使水调节阀有误动作,因此,单冲量调节只能用于负荷相当稳定的小容量锅炉。双冲量自动调节系统增加了蒸汽流量信号,它可用于符合经常变动和容量较大的锅炉,但它的缺点是不能及时反映与纠正给水流量扰动的影响。三冲量自动调节系统是更为完善的给水调节方式,它包含水位信号、蒸汽流量信号、给水流量信号。它综合考虑了蒸汽量和给水量相等的原则,又考虑了水位偏差的大小,因而即补偿“虚假水位”的反应,又纠正给水量的扰动,是目前大型锅炉普遍采用的水位调节系统。本设计就是采用串级三冲量控制系统控制汽包水位,由理论证明设计的系统可以很好的克服系统的内、外扰动,实现汽包锅炉水位控制
6、的要求。第一章 汽包锅炉工艺1.1汽包锅炉简介根据火力发电的生产流程,其基本组成包括燃烧系统、汽水系统(燃气轮机发电和柴油机发电无此系统,但二者在火力发电中所占比重都不大)、电气系统、控制系统。而汽包锅炉是燃烧系统和汽水系统中的重要组成部分。控制系统主要由锅炉及其辅机系统、发电机及电工设备、附属系统组成。基本功能是对火电厂各生产环节实行自动化的调节、控制,以协调各部分的工况,使整个火电厂安全、合理、经济运行,降低劳动强度,提高生产率,遇有故障时能迅速、正确处理,以避免酿成事故。锅炉由本体设备、辅助设备和附件等构成。“锅”指锅炉的汽水系统,用于盛放工质,并接受燃料燃烧放出的热量,使工质由水逐渐被
7、加热致合乎要求的过热蒸汽,它由汽包、下降管、联箱、水冷壁、省煤器、过热器、再热器和连接管道组成。汽包是存放工质和产生合格要求的饱和蒸汽。“炉”,即燃烧系统,其任务在其内部快速、稳定、安全地燃烧,放出热量,产生高温火焰和烟气。燃烧系统主要由炉膛、燃烧器、空气预热器和烟道等组成。锅炉的辅助设备主要包括给水设备、通风设备、燃料运输设备、制粉设备、除尘设备、除灰设备、锅炉辅机等,如给水泵、送风机、引风机、磨煤机、除尘器、烟囱、灰渣泵、安全阀、水位计等。中小型电站锅炉的工作过程如下:煤斗中的煤通过给煤机送至磨煤机,在磨煤机中对煤进行干燥和磨碎。磨成的煤粉进入组粉分离器,经分离后,合格的煤粉进入煤粉仓或排
8、粉机,然后由粉机或排粉机将煤粉送至炉膛内燃烧。不合格的煤粉经回粉管送回磨煤机再重新磨制。空气由进风道引入送风机,经送风机升压后送入空气预热器,被加热成热空气,然后通过热风道将其中一部分送至磨煤机,进入制粉系统用以干燥和输送煤粉,另一部分热空气直接送至燃烧器。煤粉与空气通过燃烧器进入燃烧室,进行燃烧放热,燃烧产生的高温火焰和烟气在燃烧室加热水冷壁中的水,然后高温烟气依次流过过热器、省煤器和空气预热器,加热这些受热面内的工质,在热传过程中烟气的温度逐渐降低。此后利用除尘器清除烟气中携带的大量飞灰,最后由引风机将烟气送至烟囱,排入大气。燃料燃烧后生成的灰渣,一部分落入燃烧室下部的灰渣斗中;另一部分被
9、烟气带走,在除尘器中大部分飞灰被分离出来,落入除尘器下部的灰斗中,然后由除尘装置将灰渣和细灰送往储灰场。给水由给水泵送至锅炉房,先进入省煤器,在省煤器中加热提高温度后进入汽包,然后沿着下降管流至水冷壁下联箱,再进入水冷壁管。在水冷壁管内吸收燃烧室中高温火焰和烟气的辐射热,一部分水汽化为蒸汽,在水冷壁内成为蒸汽和水的混合物,汽水混合物沿水冷壁上升又进入汽包。在汽包中利用汽水分离设备对汽水混合物进行汽水分离,分离出来的水沿着下降管进入水冷壁继续吸热,如此循环。分离出来的蒸汽从汽包顶部的饱和蒸汽引出管引至过热器,在过热器中饱和蒸汽被加热成为过热蒸汽,然后经主蒸汽管道送往汽轮机做功。1.2汽包水位控制
10、系统汽包水位是汽包运行中一个重要的监控参数,它反映锅炉蒸汽负荷与给水量之间的平衡关系。维持汽包水位在一定范围内是保证锅炉和汽轮机安全运行的必要条件。汽包水位过高会影响汽包内汽水分离装置的工作,造成出口蒸汽水分过多,使过热器结垢而烧坏,严重时会导致汽轮机进水;汽包水位过低,会破坏锅炉的水循环,甚至引起爆管。给水调整就是使水量适应锅炉的蒸发量,维持汽包水位在允许的范围内变化。高压锅炉汽包的正常水位一般在汽包中心线以下150mm,正常变化范围为50mm,汽包异常情况为200mm,汽包事故情况为350mm。单冲量调节的主要问题是,当锅炉负荷和压力变化时,由于水容积蒸汽含量和蒸汽比体积变化而产生虚假水位
11、时,调节器会指导给水调节阀朝错误的方向动作。所以,它只能用在水容量相对较大或负荷相当稳定的锅炉上。完善的调节系统是三冲量调节系统,该系统增加了蒸汽流量信号和给水量信号。此系统给水量的调节,综合考虑了蒸汽量与给水量相平衡的原则,又考虑了水位偏差的大小,所以,既能够补偿虚假水位的反应,又能纠正给水量的扰动。1.3汽包水位的动、静态特性汽包锅炉给水控制对象的系统结构如下图图1-1所示。图1-1 汽包锅炉给水控制对象的结构系统影响水位的因素主要有:锅炉蒸发量(负荷),给水量,锅炉热负荷(燃烧率),汽包压力。控制系统的物质平衡方程为 (1-1)将式(1-1)进一步变换得 (1-2)令,则上式变为 (1-
12、3)式中 汽包水位,或; 汽水分离面积,或;蒸发量,或; 给水量,或;容量系数;水的密度,/或/;蒸汽密度,/或/。容量系数是用来表征锅炉结构系数的,而它的动态特性则往往用飞升速度或飞升时间来表征。对于汽包锅炉来说,由飞升速度的定义知 (1-4)式中飞升速度,1/。把扰动量即水位变化量转变成用相对量表示的水位变化范围,通常的水位允许变化范围为200,这个范围扰动量的相对极限值为100%。式(1-4)中右边一项表示汽包内工质的变化量,当给水量时,而蒸发量为最大时,变化量最大,因此有 (1-5)可见这时的扰动量是下降的。故有 (1-6)式中 锅炉最大的蒸发量; 水位变化允许的最大范围。 飞升时间。
13、对于蒸发量为100230的单汽包炉,当水位变化时,对于蒸发量为更大的汽包炉,它的意义在于当锅炉在满负荷运行时,如果突然停止供水,则由于蒸发量和给水量的不平衡造成水位迅速下降,在内将下降,或者换句话说,如果给水量减少,经过的时间,水位将下降。1.3.1汽包水位在给水流量扰动下动态特性图1-2为给水量扰动时水位阶跃响应曲线。图1-2中曲线1为沸腾式省煤器情形下水位的动态特性。曲线2则是非沸腾式省煤器时的水位动态特性。G G0t图1-2给水流量扰动下水位阶段响应曲线从物质平衡的观点来看,加大了给水量,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
14、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,汽包中的水仍然在蒸发,因此水位也有下降趋势。沸腾式省煤器的延迟时间为100200s。非沸腾式省煤器的延迟时间为30100s。水位在给水量扰动下的传递函数可表示为 (1-7)当时,上式可变为 (1-8) 水位对象近似认为是一个积分环节和一个惯性环节并联形式。用一阶近似表示为 (1-
15、9)1.3.2汽包水位在蒸汽负荷下动态特性如果只从物质平衡的角度来看,蒸发量突然增加时,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1-3中所示那样,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1-3中所示。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,此时燃料量还来不及增加,汽包中汽压下降,汽包膨胀,使汽泡体积增大而水位上升。 图1-3蒸汽流量扰动下的水位阶跃响应曲线如图1-3中所示。在开始的一段时间后,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
16、者之和,即 (1-10)传递函数也为两者的代数和 (1-11)式中 的时间常数,约为1020s;的放大系数;飞升速度。一般100230t/h的中高压炉,负荷突然变化10%时,“虚假水位”现象可使水位变化达3040mm。1.3.3炉膛热负荷扰动下水位变化的动态特性此处的炉膛热负荷扰动是指燃烧率的扰动。例如燃料量增加使炉膛热负荷增加,锅炉吸收更多的热量,使蒸发强度增大。若此时汽轮机负荷未增加,则汽轮机侧调节阀开度不变。随着炉膛热负荷的增大,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。但是蒸发强度增大同样也使水面下汽包容积增大,因此也会出现 “虚假水位”现象。燃料量扰动下水位
17、阶跃响应曲线如图1-4所示。它和图1-3有些相似。只是在这种情况下,蒸汽流量增加的同时气压也增大了,因而汽包体积的增加比蒸汽流量的扰动时要小,虚假水位现象比蒸汽流量扰动时要小一些,但持续时间长。图1-4 燃料量扰动下水位阶跃响应曲线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、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。1.3.4液位对象静态特性对于一台固定容量的汽包锅炉,当设计完后,其汽包、蒸发管道容量是固定的。汽包及蒸发管道系统中贮藏着蒸汽、水,贮藏量的多少,是以
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