热工仪表演示稿.ppt
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1、承德石油高等专科学校重点课程建设热工仪表及自动化(适用于热工、制冷、储运、智建专业)胡德双热工仪表教研室,第七章 热力过程自动控制系统,本章主要内容汽包锅炉给水自动控制系统分析过热汽温控制系统分析燃烧过程自动控制系统分析,上一页,返回首页,第七章 热力过程自动控制系统,在热力生产过程中,汽包锅炉水位是正常运行的主要指标之一,是非常重要的被调量,在锅炉运行中占据首要地位。所以,工业锅炉的自动化大多数都是从汽包水位自动调节开始的。,上一页,返回首页,工业锅炉自动控制系统,被调量:汽包水位蒸汽压力过热蒸汽温度炉膛负荷过剩空气系数干扰因素:蒸汽负荷锅炉给水量燃料量减温水送风和引风,汽包水位调节系统过热
2、蒸汽温度调节系统燃烧调节系统,上一页,返回首页,7-1汽包锅炉给水自控系统分析,本 节 内 容给水自动调节的任务和调节对象特性给水流量的调节方式 给水调节系统的方案,上一页,返回目录,一、给水自动调节的任务,给水自动调节系统的任务主要包括两个方面:一是使给水量适应锅炉的蒸发量,维 持汽包水位在规定的范围之内波动;二是保持给水量的稳定。,上一页,返回目录,一、给水自动调节的任务,使给水量适应锅炉的蒸发量,维持汽包水位在规定的范围之内波动。汽包水位的高低反映了给水量和蒸发量之间的物料平衡关系。汽包锅炉正常水位一般规定在汽包中心线以下100200mm处,允许波动范围为50mm。汽包水位的高低直接影响
3、锅炉的安全运行和蒸汽的品质。,上一页,返回目录,一、给水自动调节的任务,水位过高,会影响汽水分离装置的正常工作,严重时导致蒸汽带水量增加,使过热器管壁和汽轮机喷嘴、叶片结垢,甚至造成汽轮机发生水冲击而损坏叶轮;,水位过低,则破坏了正常水循环,以致烧坏某些受热面,影响锅炉寿命,严重时会造成爆炸事故,危及人身和设备的安全。,上一页,返回目录,一、给水自动调节的任务,所以,及时调整给水流量,维持给水流量与蒸汽流量间的平衡关系,以适应负荷变化的要求,实现汽包锅炉水位自动调节十分必要。,上一页,返回目录,一、给水自动调节的任务,保持给水量的稳定内锅炉在正常运行时,如果给水流量剧烈波动,会影响省煤器和给水
4、管道的安全运行,所以负荷不变时,给水流量不应出现剧烈波动。,引起水位变化的扰动因素很多,但主要扰动是给水流量和蒸汽流量的阶跃变化。调节器就是依据水位信号、蒸汽流量和给水流量的信号来进行调节的。,锅炉汽包水位的自动调节是根据汽包水位的动态特性来设计的。以汽包水位H作为被调量,以给水调节阀作为调节机构来改变调节量,即给水量,达到保持水位在允许的范围之内。,上一页,返回目录,一、给水自动调节的任务,引起水位变化的扰动因素很多,但主要扰动是给水流量和蒸汽流量的阶跃变化。调节器就是依据水位信号、蒸汽流量和给水流量的信号来进行调节的。,根据锅炉的容量、负荷变化的快慢以及调节精度的要求,汽包水位调节系统可分
5、为:,上一页,返回目录,一、给水自动调节的任务,(1)以汽包水位为唯一调节信号的给水自动调节系统,称为单冲量给水自动调节系统;调节;(2)以汽包水位为主调节信号,蒸汽流量为补充信号的给水自动调节系统,称为双冲量给水自动调节系统;(3)以汽包水位为主调节信号,蒸汽流量和给水流量为补充信号的给水自动调节系统,称为三冲量给水自动调节系统。,上一页,返回目录,一、给水自动调节的任务,汽包锅炉给水自动调节系统,根据使用厂家的要求和条件,可以选用电动仪表、气动仪表,也可以选用组装仪表或锅炉自控仪。随着科学技术的发展,计算机控制技术在汽包锅炉自动控制中的应用越来越多。,上一页,返回目录,二、给水流量的调节方
6、式,目前,给水流量的调节方式主要有两种:一种是依靠改变调节阀门开度来改变给水量的节流调节方式,另一种是依靠改变给水泵的转速来改变给水量的变速调节方式。以往,由于受到变速水泵制造技术的限制,锅炉大都采用定速水泵供水。锅炉给水量改变是依靠改变调节阀门的开度来实现的,称为给水流量的节流调节方式,其系统示意图和节流调节原理图如图7-1所示:,上一页,返回目录,二、给水流量的调节方式,(a)节流调节系统示意图(b)节流调节原理 图7-1 给水流量的节流调节,上一页,返回目录,二、给水流量的调节方式,下面我们分别来讨论在这三种扰动作用下给水调节对象的动态特性。1、给水流量扰动下的水位动态特性,给水流量扰动
7、下的水位阶跃响应曲线如图7-2所示.。当给水流量阶跃增加W后,水位的变化如图中曲线2所示。给水流量增加,一方面使进入锅炉汽包的给水量增加;另一方面使温度较低的给水进入省煤器、汽包及水循环系统,吸收了原有饱和水中的一部分热量,致使水面下汽泡体积减小。,上一页,返回目录,二、给水流量的调节方式,图7-2 给水流量扰动下的水位阶跃响应曲线,上一页,返回目录,二、给水流量的调节方式,(1)图中曲线1为不考虑 水面下汽泡容积变化,仅考虑物料不平衡时的水位反应曲线。由于给水压力很高,汽包水位变化对给水流量的自平衡作用可以忽略不计,所以反应曲线1可以认为是无自平衡能力积分环节的特性。,(2)曲线3是不考虑物
8、料不平衡关系,只考虑给水流量变化时水面下汽泡体积变化所引起的水位变化。给水流量增加时,汽泡体积收缩,水位逐渐下降,直到汽泡体积不再变化,所以曲线3可以看作为是惯性环节的特性。,上一页,返回目录,二、给水流量的调节方式,在给水流量扰动下,实际的水位变化曲线2可以认为是曲线1和3的合成。,通过上面对水位调节对象在给水流量扰动下的阶跃响应曲线分析,可以把水位调节对象以方框图7-3(a)表示,即把对象看成为是一个积分环节和一个惯性环节的并联。经过变换也可把它看作为积分环节和惯性环节的串联如图7-3(b)所示。,上一页,返回目录,二、给水流量的调节方式,(a)积分环节和惯性环节并联(b)积分环节和惯性环
9、节串联图7-3 给水流量扰动时水位调节对象方框图,上一页,返回目录,二、给水流量的调节方式,因此,给水流量扰动下的汽包水位的动态特性可用传递函数表示为:,式中迟延时间(S)给水流量改变一个单位流量时,水位变化的响应速度mmS-1/(th-1)。和可由水位响应曲线上求得。,上一页,返回目录,二、给水流量的调节方式,式中迟延时间(S)给水流量改变一个单位流量时,水位变化的响应速度mmS-1/(th-1)。和可由水位响应曲线上求得。,上一页,返回目录,二、给水流量的调节方式,总之,当给水流量扰动时,水位调节对象的动态特性表现为有惯性的无自平衡能力特征。,也就是说,当给水流量改变后水位并不立即变化。动
10、态特性参数和的数值将用来说明水位响应迟延时间的长短和响应速度的快慢。,上一页,返回目录,二、给水流量的调节方式,2、蒸汽流量扰动下水位对象的动态特性,在蒸汽流量D扰动下水位变化的阶跃响应曲线如图7-4所示。当蒸汽流量突然阶跃增加时,此时锅炉蒸发量大于给水量,只从物料守恒考虑,由于汽包水位对象是无自平衡能力的,这时水位应按积分规律下降,如图中H1曲线所示。,上一页,返回目录,二、给水流量的调节方式,图7-4 蒸汽流量D扰动下水位变化的阶跃响应曲线,上一页,返回目录,二、给水流量的调节方式,但从能量守恒看,先假定当锅炉蒸发量突然增加时,燃料量能及时跟上,由于燃烧强度增加,锅炉的蒸发强度增强,汽水混
11、合物中的汽泡数量增加,水容积也迅速增大,使得汽水混合物体积膨胀,水位升高。,如果负荷变化时,燃料量来不及增加,由于蒸汽量的增加,使汽包内的汽压下降,相应地降低了汽水混合物的饱和温度,汽化加快,同样使汽水混合物体积膨胀,水位升高。所以不管燃烧强度是否增加,都会使水面下汽泡容积增大导致水位上升.,上一页,返回目录,二、给水流量的调节方式,因蒸发强度的增加是有一定限度的,当蒸发量满足负荷要求后,汽包压力不再变化,容积增大速度减慢而达到稳定,故汽泡容积的增大而引起的水位变化可用惯性环节特性来描述,如图中曲线H2所示。实际上水位变化曲线H如图7-4所示,它是曲线H1和H2的合成。,上一页,返回目录,二、
12、给水流量的调节方式,由图中可以看出,当锅炉蒸汽负荷变化时,汽包水位的变化具有特殊的形式:在负荷突然增加时,虽然锅炉的给水流量小于蒸发流量,但开始阶段的水位不仅不下降,反而迅速上升,过一段时间后再下降。反之,锅炉负荷下降时,水位反而先下降。这种现象称为“虚假水位”现象。这是因为在负荷变化的初始阶段,水面下汽泡的体积变化很快,它对水位变化起着主要影响作用的缘故。,上一页,返回目录,二、给水流量的调节方式,因此,水位随汽泡体积的增大而上升,只有当汽泡容积与负荷适应而不再变化时,水位的变化就仅由物料的平衡关系来决定,这时水位就随负荷的增大而下降,呈现无自平衡特性。,上一页,返回目录,二、给水流量的调节
13、方式,图7-5 汽包水位的动态特性,上一页,返回目录,二、给水流量的调节方式,蒸汽流量扰动下,汽包水位的动态特性可用图7-5方框图来表示,其传递函数为:,式中 T2H2变化的时间常数;K2H2变化的传递函数;H2的响应速度。,上面所讨论的蒸汽流量扰动下的水位调节对象的动态特性,只是从蒸发强度变化对汽泡容积的影响方面定性的说明水位变化的特点。,上一页,返回目录,二、给水流量的调节方式,实际上,改变汽轮机的用汽量引起的蒸汽流量的阶跃扰动,必定引起汽压的变化,汽压变化也会影响到水面下汽泡的体积变化,所以实际的虚假水位现象会更严重些。,虚假水位的变化幅值与锅炉负荷的大小有关,根据100230 t/h中
14、高压锅炉的资料,当负荷阶跃扰动10%时,虚假水位的变化幅值可达30-40mm。可见,虚假水位的幅值是相当大的。,上一页,返回目录,二、给水流量的调节方式,3、炉膛热负荷扰动下水位调节对象的动态特性,当燃料量扰动时,例如燃料量增加使炉膛热负荷增强,这时锅炉蒸发强度增大而使汽压升高,即使用汽调节阀门不动,蒸汽流量也会有所增加。这样,蒸汽流量大于给水流量,水位应该下降。但蒸发强度增大,同样使水面以下汽泡体积增大,因此在炉膛热负荷扰动下水位调节对象也会出现“虚假水位”现象。,上一页,返回目录,三、给水自动调节系统的方案,现代电站锅炉水位调节对象动态特性的特点,决定了采用单回路反馈系统不能满足生产对调节
15、品质的要求,所以电站汽包锅炉的给水调节普遍采用三冲给水自动调节方案,如图7-6所示。,1、单级三冲量给水调节系统(1)系统的组成 图7-6为常用的单级三冲量给水调节系统示意。给水调节器接受汽包水位H,蒸汽流量D和给水流量W三个信号。其输出信号去调节给水流量,其中汽包水位是被调量,所以水位信号称为主信号。,上一页,返回目录,三、给水自动调节系统的方案,图7-6 单级三冲量给水系统,上一页,返回目录,三、给水自动调节系统的方案,(2)调节对象的静态特性 给水调节系统的静态特性是被调量H与锅炉负荷D的静态关系。对于单信号水位调节系统,只要采用比例积分调节器,不管负荷如何变化,静态时的水位H将始终等于
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