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1、华北电力大学本科毕业设计（论文）目 录摘要IABSTRACTII1.绪论11.1 课题研究意义11.2 国内外研究现状综述11.2.1 国内现状综述11.2.2 国外现状综述21.3 论文的主要工作22 给水全程控制系统42.1 给水调节对象的动态特性42.1.1 给水扰动对水位的影响42.1.2 负荷扰动对水位的影响42.1.3 燃料量扰动对水位的影响52.2 测量信号的自动校正62.2.1 水位信号的压力校正62.2.2 过热蒸汽流量信号压力、温度校正82.2.3 给水流量测量信号的温度校正92.3 给水泵安全运行特性要求103 单元制给水全程自动控制系统123.1 单元制机组给水系统介绍
2、123.1.1 汽水循环过程概述123.1.2 主给水系统流程123.2 锅炉给水全程控制的特点133.3 汽包水位三冲量给水控制系统143.3.1 三冲量控制系统结构原理143.3.2 三冲量控制系统的工程整定153.3.3 汽包水位的串级控制系统183.4 控制中的跟踪与切换183.4.1 三冲量与单冲量之间的无扰切换193.4.2 阀门与泵的运行及切换193.4.3 电动泵与汽动泵间的切换193.4.4 执行机构的手、自动切换204 丰城电厂300MW机组给水控制系统分析214.1 300MW机组给水系统简介214.2 MAX1000给水控制画面分析224.2.1 MAX1000中CCS
3、画面基本功能介绍224.2.2 给水系统主要操作过程234.3 给水控制系统的逻辑分析244.3.1 给水控制系统逻辑简图244.3.2 给水控制系统逻辑分析25结论27参考文献28致谢30300MW机组给水控制系统分析摘要汽包水位是汽包锅炉非常重要的运行参数，是衡量汽水系统是否平衡的重要标志。维持汽包水位在允许范围内，是保证机组安全运行的必要条件。本文首先介绍给水调节系统被控对象的动态特性、热工测量信号及其自动校正原理、调节机构特性等基本知识，随后分析了单元制机组给水控制系统中三冲量、单冲量控制的结构及工作原理，以及其之间的自动转换过程。丰城电厂300MW机组是典型的汽动泵和电动泵共同使用的
4、混合型给水系统。文章在深入理解给水系统结构及启动过程中给水系统相关操作的基础上，结合MAX1000给水控制操作员站的相关画面，对给水控制的具体逻辑图进行了详细分析。关键词：锅炉；给水全程控制；汽包水位；自动调节FEEDWATER CONTROL SYSTEM LOGIC ANALYSIS FOR A 300MW POWER GENERATING UNITAbstractDrum water level is a very important variable to operate, and it is used to measure whether the steam and water ci
5、rculation system has reached balance. Maintaining the drum water level within the allowed range is a necessary condition to ensure the safe operation of the boiler unit. Based on discussion of the dynamic characteristic, thermodynamic measuring signals, principle of automatic correction and the char
6、acteristic of regulating mechanism of the feed water control system, the structure and the principles of the feed water three-element and single-element control as well as the automatic conversion between them are discussed. The 300MW unit in Fengcheng power plant is a typical feedwater system with
7、two turbine-driven feedwater pumps and a motor-driven feedwater pump. By combining the actual pictures of feedwater control station in the MAX1000 control system, the paper analyzes the control logic diagram of the feedwater system after deep understanding of the feedwater system structure and the r
8、elated operation during units startup process.Key words: Boiler；The control of whole-course feed water；Water level of drum；Automatic regulatingII华北电力大学本科毕业设计（论文）1 绪论1.1 课题研究意义随着电力需求的增长，以及能源和环保的要求，我国的火电建设开始向大容量、高参数的大型机组靠拢。但是，火电机组越大，其设备结构就越复杂，自动化程度要求也越高。自动化装置已成为大型设备不可分割的重要组成部分，大型生产过程都是依赖于这样的配置来运行的。我国最
9、近几年新建的3OOMW、600MW火电机组基本上都采用国内外最先进的分散控制系统(DCS)，对全厂各个生产过程进行集中监视和控制。在单元机组若干重要参数控制系统的设计及整定中，汽包水位是锅炉安全运行的主要参数之一，同时它还是衡量锅炉汽水系统是否平衡的标志。维持汽包水位在一定允许范围内，是保证锅炉和汽轮机安全运行的必要条件。水位过高会影响汽水分离器的正常运行，蒸汽品质变坏，使过热器管壁和气轮机叶片结垢。严重时，会导致蒸汽带水，造成汽轮机水冲击而损坏设备。水位过低则会破坏水循环，严重时将引起水冷壁管道破裂。另一方面，随着锅炉参数的提高和容量的增大，汽包的相对容积减少，负荷变化和其他扰动对水位的影响
10、将相对增大。这必将加大水位控制的难度，从而对水位控制系统提出了更高的要求。但是，由于给水系统的复杂性，真正能实现全程给水控制的火电机组还很少。因此，对全程给水控制进行优化，增强给水系统的控制效果和适应能力成为迫切需要解决的问题。1.2 国内外研究现状综述1.2.1 国内现状综述目前，随着单元机组容量的增大和参数的提高，机组在启停过程中需要监视和控制的项目越来越多，因此，为了机组的安全和经济运行，必须实现锅炉给水从机组的启动到正常运行，又到停炉冷却全部过程均能实现。我国大型火电机组的给水控制基本上还是采用经典的PID控制算法。不同的控制公司在给水控制策略的设计上虽然各有特点差异，但基本上还是遵循
11、了单冲量和三冲量控制相结合的控制模式，采用的也基本上是调阀和调泵相结合的控制方法。虽然从理论上讲，现有的控制方法应该可以实现机组的全程给水自动。但是，实际上由于给水系统和机组运行的复杂性，机组在启动和低负荷时往往投不上自动。另外，机组在高负荷时，虽然可以实现三冲量给水自动且正常情况时效果也不错。但其控制系统的鲁棒性较差，适应异常工况的能力和出现设备故障的情况时的自调整能力也较差。因此，如何真正实现全程给水控制是现今控制工程人员急于解决的一个课题。锅炉全程给水控制系统通常采用以下两种控制方案：一是两段式全程给水控制, 采用变速给水泵控制给水母管压力,采用给水调节阀控制汽包水位,这一方案从热力系统
12、上将给水控制系统和汽包水位控制系统分段,一定程度上克服了两系统之间的相互影响,但不利于机组的经济运行和给水泵的安全运行,特别是不能适应较大的负荷变化。二是一段式给水控制,采用变速给水泵控制汽包水位,采用给水调节阀控制给水母管压力,这一方案将给水控制系统和汽包水位控制系统作为一个整体来考虑,这样更有利于机组效率的提高和给水泵的安全、高效运行,但必须克服两系统之间的相互影响。总的来说，国内机组实现全程给水控制考虑的方案一般是在低负荷时，用启动调节阀控制汽包水位，调速给水泵维持给水母管压力，采用单冲量的控制方式；高负荷时，使用调速给水泵控制汽包水位，大旁路调节阀维持给水压力，采用三冲量的控制方式。它
13、由单冲量和三冲量两个调节回路组成全程给水控制,当负荷大于30%时为三冲量,当负荷小于30%或三冲量变送器故障时为单冲量。由于不同容量的机组其给水系统结构不一样，其控制方式及控制设备也有区别，因而实现给水全程自动系统的方案也有不同，这就要求在考虑方案时，要结合具体的控制对象进行合理的设计，同时参考其它同类型机组一些成功的设计、调试经验，重新完善原汽包水位调节系统的设计及组态，最终选定一种合理且切实可行的设计方案，来实现锅炉给水自动系统的全程控制。1.2.2 国外现状综述以西门子公司设计的某350MW机组全程给水控制系统为例，系统分为给水启动调节阀控制系统和给水泵转速控制系统两部分。给水启动调节阀
14、控制系统实际上就是给水压力控制系统。这是一个前馈-反馈控制系统。其作用是当锅炉启动及低负荷工况时，维持给水泵出口母管压力在安全工作范围内，同时协助给水泵转速控制系统稳定汽包水位。其控制特点是：在三冲量控制系统中引入了汽包压力的负微分前馈和蒸汽流量的微分前馈。运行过程中，蒸汽流量变动(即机组负荷调整)和炉膛热负荷干扰都会引起汽包压力的变化。若负荷增加，汽包压力就会下降，其负微分前馈信号要求加大给水流量，蒸汽微分前馈也要求加大给水流量，以克服虚假水位对系统的影响。总体来说，国外关于全程给水控制方案的设计及全程给水控制系统的投运在热工自动控制领域内已比较成熟。能顺利实现全程给水控制，这一方面得益于其
15、合理、完善的设计，另一方面在于其DCS控制系统的先进性、可靠性，为实现其控制策略提供了软、硬件上的保证。1.3 论文的主要工作 本文围绕单元机组给水全程控制系统这一主题，对火电厂给水系统构成、给水控制系统的作用、现状和发展有一个基本的认识和了解后，针对丰城电厂300MW机组，结合仿真实习，对给水控制系统逻辑进行深入分析。具体要求如下：1) 通过参考资料的查阅，对火电厂给水系统构成、给水控制系统的作用、现状和发展有一个基本的认识和了解。2) 结合仿真实习，熟悉给水系统构成、启动过程中给水系统的主要操作、控制系统基本原理和实现方法。3) 对给水系统的控制逻辑进行详细地分析。4) 通过整个研究毕业设
16、计，掌握从事工程技术工作时分析问题、解决问题的一般思路和基本方法。5) 通过阅读相关文献资料和撰写毕业论文，了解科技论文的基本撰写模式。302 给水全程控制系统2.1 给水调节对象的动态特性2.1.1 给水扰动对水位的影响给水量的扰动是给水自动控制系统中影响汽包水位的主要扰动之一，因为它是来自控制侧的扰动，又称内扰。在给水流量W的阶跃扰动下，水位H的响应曲线可以用图2.1来说明。若把汽包及水循环系统当做单容水槽，水位的响应曲线应该如图中的直线1。但是在实际情况中，当给水流量突然增加的时候，因为给水温度低于汽包内的饱和水温度，当它进入汽包后吸收了原有的饱和水中的一部分热量，使锅炉的蒸汽产量下降，
17、水面以下的汽泡总体积也就相应减小，导致水位下降。对水位的影响可以用图中的曲线2表示。水位H（即曲线3）的实际响应曲线是曲线1和曲线2的总和。这种分析方法是分别从两个角度进行分析的：1.仅从物质平衡角度来分析；2.仅从热平衡角度来分析 图2.1 给水扰动下的水位响应曲线2.1.2 负荷扰动对水位的影响蒸汽流量扰动主要来自汽轮发电机组的负荷变化，属外部扰动。在汽机耗汽量D的阶跃扰动下，水位H的响应过程可以用图2.2来说明。当汽机耗汽量D突然阶跃增加时，如果只从物质平衡的角度来讲，一方面改变了汽包内的物质平衡状态，使得水位下降，如图2.2中的曲线1。但当锅炉蒸发量突然增加时，迫使锅内汽泡的增多，燃料
18、量维持不变，汽包压力下降，使水面以下的蒸汽泡膨胀，总体积增大，从而使得汽包水位的上升，如图2.2的曲线2所示。因此汽包水位H的实际响应曲线（图2.2中图3所示）是曲线1与曲线2叠加的结果。只有当汽包体积与负荷适应而不再变化时，水位的变化就仅由物质平衡关系来决定，这时水位就随负荷增大而下降，而这种反常的现象，通常被称为“虚假水位”。“虚假水位” 现象主要是来自于蒸汽量的变化，显然蒸汽量是一个不可调节的量（对调节系统而言），但它是一个可测量，所以在系统中引入这些扰动信息来改善调节品质是非常必要的。图2.2汽机耗汽量D阶跃扰动下的水位响应曲线2.1.3 燃料量扰动对水位的影响当燃料量B扰动时，必然会
19、引起蒸汽量D的变化，燃料量增加会使炉膛热负荷增加，锅炉吸收更多的热量蒸发强度增加，若此时，汽轮机所带负荷不变，那么随着炉膛热负荷的增加，锅炉出口压力提高，蒸汽流量就会相应的增加上去，然后蒸汽量的变化就会造成“虚假水位”的现象，即水位先上升，随后再下降，响应曲线如图2.3所示。但是燃料量B的增大只能使D缓慢增大，而且还慢慢上升，它将使汽泡体积减小。因而，燃料量扰动下的假水位比负荷扰动下要缓和得多。由以上分析可知，给水量扰动下水位响应过程具有纯延迟；负荷扰动下水位响应过程具有假水位现象；燃料量扰动也会出现假水位现象。所以在给水控制系统里常常引入D、B信号作为前馈信号，以改善外部扰动时的控制品质，而
20、这也是目前大型锅炉给水控制系统采用三冲量或多冲量的根本原因。 Bt 图2.3 燃料量扰动B下的水位响应曲线2.2 测量信号的自动校正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准确性受到影响。为了实现全程自动控制。要求这些测量信号能够自动的进行压力、温度校正。测量信号自动校正的基本方法是：先推导出被测参数温度、压力变化的数学模型，然后利用各种元件构成运算电路进行运算，便可实现自动校正。而在实际应用时，这些补偿公式中一些参数的确定要依据理论计算及现场调试综合求取，通过动态补偿回路确保上述信号在负荷变化时的精度。2.2.1 水
21、位信号的压力校正对汽包锅炉通常利用差压原理来测量其水位，锅炉从启、停到正常负荷的整个运行范围内，汽包压力变化很大，汽包内饱和蒸汽和饱和水密度的变化也很大，这样就不能直接用差压信号来代表水位，而必须对其进行压力修正。根据很多大型机组运行的情况反映，大容量机组汽包水位的测量不宜采用带中间抽头式（即双室平衡容器）的测量筒，而要采用单室平衡容器取样装置。图2.4表示单容平衡容器的测量系统。设：汽包压力（）L汽水连通管之间的垂直距离，即最大的变化范围（M）h汽包水位高度加在差压变送器两侧的压力（）饱和蒸汽的重度（）饱和水的重度（）汽包外平衡容器内水柱的重度（）从图2.4中可看出： =*h+*(L-h)
22、=*L =- =*L-*h-*(L-h) （2.1）当L一定时,水位h时差压和汽、水密度的函数。密度与环境温度有关，一般可取50时水位的密度。在锅炉启动过程中，水温略有增加，但由于同时压力也升高，两种因素对的影响基本上可以抵消，即可近似地认为是恒值。而饱和水和饱和蒸汽的重度和均为汽包压力的函数，即：-= F()-= f()所以式（2.1）可写成： h= (2.2)根据上式即可设计出水位压力的自动校正线路。图2.4 汽包水位单容平衡容器的测量系统2.2.2 过热蒸汽流量信号压力、温度校正大容量高参数锅炉的过热蒸汽流量通常采用标准节流装置进行测量。这种喷嘴基本上是按定压运行额定工况参数设计，在该参
23、数下运行时，测量精度是较高的。但在全程控制时，运行工况不能基本固定，当被测蒸汽压力和温度偏离设计值时，蒸汽度的密度变化很大，这就会给测量造成误差，所以要进行压力和温度的校正。一般按下式进行校正：D=K (2.3)式（2.3）中：D-过热蒸汽流量(Kg/H)；P-过热蒸汽压力(MPa)；T-过热蒸汽温度()；-节流件差压(MPa)；K-流量系数；：过热蒸汽重度()。为了避免高温高压节流元件因磨损带来的误差，美国Leeds&Northrup公司提出了用汽机调节级压力P1的温度补偿信号来代替蒸汽流量信号，如图2.5。TBWTBWTBY蒸汽流量主蒸汽温度t汽机调速级压力P图2.5 用P1代替蒸汽量测量
24、校正线路2.2.3 给水流量测量信号的温度校正计算结果表明：当给水温度为100不变，压力在0.19619.6MPa范围内变化时，给水流量的测量误差为0.47%；若给水压力位19.6MPa不变，给水温度在100290范围内变化时，给水流量的测量误差为13%。所以，对给水流量测量信号可以只采用温度校正，其校正回路如图2.6所示。若给水温度变化不大，则不必对给水流量测量信号进行校正。TBWTBY蒸汽流量给水温度t给水流量信号图2.6给水流量信号温度校正线路2.3 给水泵安全运行特性要求为了提高大型火电厂机组的热效率，节约厂用电及提高经济效益，采用小型汽轮机代替电动机驱动锅炉给水泵是有效的措施之一。汽
25、动给水泵具有较高的经济性。而电动给水泵具有系统结构简单、启动迅速、可靠性高等优势，所以大容量机组的给水系统泵组的设计是由电动给水泵和汽动给水泵共同构成，充分利用两种泵的优势，使在正常工况下机组具有较高的经济性，又能在启停和异常事故工况下使机组具备良好的适应性和快速响应功能。但是无论使用哪种方案，在给水系统全过程运行中，保证给水泵总是工作在安全工作区内，始终是一个重要问题。给水泵的安全工作区如图2.7所示，图中阴影区由泵的上、下限特性(、)、最高转速和最低转速、最高压力（泵出口）和最低压力所围成，给水泵不允许在安全工作区以外工作。为了满足上限特性要求，在锅炉负荷很低的时候，须打开再循环门，以增加
26、通过泵的流量，这样在所需的相同泵出口压力条件下，可使泵进入上限特性右边的安全区工作，如图2.7中，泵的工作点由a1点移到b1点。由于给水泵有最低转速的要求，这样在给水泵已接近时就不能以继续降低转速方式来调节给水量，这就需要用改变上水通道阻力（即设置给水调节阀）的方式，使泵工作在安全区内。由于兼用改变泵转速和上水通道阻力两种方式调节给水量，增加了全程给水自动控制系统的复杂性。在锅炉负荷开到一定程度的时候，即泵流量较大时，为了不使在下限特性右边区域工作，也须适当提高上水通道阻力，以使泵出口压力提高，这样给水调节门又起到保证泵在下限特性左边安全工作的作用。如图中泵工作点由a2移至b2点。图2.7 给
27、水泵安全工作示意图为了防止泵的工作点落入上限特性之外，目前采取的办法是在泵出口至除氧器之间安装再循环管道，当泵的流量低于设定的最小流量时，再循环门自动开启，增加泵体内的流量，让一部分水回到除氧器中，从而使低负荷阶段的给水泵工作点也在上限特性曲线之内，随着机组负荷的增加，给水流量也增大，当泵的流量高于设定的最大流量时，再循环门将自动关闭。3 单元制给水全程自动控制系统目前，大型火电单元机组都采用机、炉联合启动的方式，锅炉、汽轮机按照启动曲线要求进行滑参数启动。具有中间再热的单元机组多采用定压法进行滑参数启动。随着机组容量的增大、参数的提高，在启动和停机过程中需要监视和操作的项目增多，操作的频率也
28、增高，采用人工调节已不适应生产要求，而在启、停过程中也实现自动控制。常规的串级三冲量给水控制系统往往只是在机组负荷达到30%以上才能投入运行，而机组的频繁的操作项目又几乎都集中在机组启动，停机，停炉过程中，特别是随着机组容量的不断增大，运行参数的不断提高，运行人员在启动停止过程中的操作量越来越繁重，为了保证机组安全经济运行，要求有更合理、更先进、调节范围更宽的控制系统，也就是所谓的全程控制系统。所谓给水全程控制系统是指锅炉在启停过程和正常运行时均能实现自动操作的控制系统,也是单元机组协调控制系统中的主要子系统之一,是由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。给水全程自动控制的任务是
29、：在上述过程中，控制锅炉的进水量，以保持汽包水位在允许范围内变化。同时对锅炉的水循环和省煤器要有保护作用。一个常规三冲量给水调节系统只适合于锅炉正常运行状态，远不能完成全程控制的任务。要完成这样的任务，必须采用更加复杂的全程控制系统。3.1 单元制机组给水系统介绍3.1.1 汽水循环过程概述根据生产流程，可以把锅炉分成燃烧系统和汽水系统。在汽水系统中，锅炉的给水由给水泵打出，先经过高压加热器，再经过省煤器回收一部分烟气中的余热后进入汽包。汽包中的水在水冷壁中进行自然或强制循环，不断吸收炉膛辐射热量，由此产生的饱和蒸汽由汽包顶部流出，再经过多级过热器进一步加热成过热蒸汽。这个具有一定压力和温度的
30、过热蒸汽就是锅炉的产品。蒸汽的高温和高压是为了提高单元机组的热效率。高压汽轮机接受从锅炉供给的过热蒸汽，其转子被蒸汽推动，带动发电机转动而产生电能。从高压汽轮机排出的蒸汽，其温度、压力都降低了，为了提高热效率，需要把这部分蒸汽送回锅炉，在再热器中再次加热，然后再进入中、低压汽轮机做工，最后成为乏汽从低压汽轮机尾部排入冷凝器冷凝为凝结水。凝结水与补充水一起经过凝结水泵先达到低压加热器，然后进入除氧器，除氧后进入给水泵，至此完成了汽水系统的一次循环。3.1.2 主给水系统流程图3.1 给水系统图 由3.1图可知，给水泵包括两台电动泵，一台汽泵。每台电动泵容量为50%MCR(最大额定流量)，汽动泵容
31、量为100%MCR。 经除氧器后的给水，先到一台汽动泵和两台电动泵，在启动和低负荷工况下电动泵运行，正常工况下汽动泵运行，两台电动泵的另一个功能是作为汽动泵的备用。每台泵都有再循环管路，当系统工作在低负荷时再循环管路的阀门能自动打开，保证泵出口有足够流量，防止汽蚀。给水泵排出的水，经高压加热器换热后到给水站。小负荷运行时旁路阀工作，调节锅炉给水量，控制水位，同时电动泵维持在最低转速运行，保证泵的安全特性 此时为两段调节；高负荷时，阀门开到最大，为减小阻力主给水电动门也打开，通过调节给水转速直接控制给水流量，为一段调节。给水站出来的水经省煤器送入汽包。3.2 锅炉给水全程控制的特点锅炉给水全程控
32、制系统可以不需要运行人员参与而自动完成锅炉启、停和正常运行工况下对给水热力系统中全部设备的自动控制，以保持汽包水位在设定的允许范围以内，其控制过程具有以下主要特点：1) 锅炉从启动到正常运行的过程中，汽水参数和负荷在很大范围内变化，因此需要对水位、流量等测量信号自动进行压力和温度的校正。2) 在给水全程控制系统中不仅要满足给水量控制的要求，同时还要保证变速给水泵工作在安全工作区内。3) 由于锅炉给水调节对象的动态特性与负荷有关，在低负荷时可以采用以汽包水位为反馈信号的单回路控制系统；在高负荷时为克服“虚假水位”需要采用三冲量控制系统，因此在锅炉负荷变化时要保证两种控制系统之间的双向无扰切换。4
33、) 在低负荷时采用改变阀门开度来保持水位，高负荷时用改变给水泵的转速保持水位，因此产生了阀门与给水泵间的过渡切换问题。5) 给水全程控制系统要适应机组定压运行和滑压运行工况，以及机组的冷态启动和热态启动工况。3.3 汽包水位三冲量给水控制系统3.3.1 三冲量控制系统结构原理如果从物质平衡的观点出发，理论上只要保证给水量永远等于蒸发量，就可以保证汽包水位大致不变。因此采用比值控制系统，如图3.2所示，其中流量调节器是PI调节器，并用汽机的耗汽量D作为调节系统的设定值，使给水量W跟踪蒸汽量D。变送器蒸汽量流量调节器调节机构变送器给水量图3.2 比值控制系统方框图从图中可看到，比值控制系统对于汽包
34、水位来说只是开环控制。如果耗汽量和给水量的测量不准或者由于有锅炉排污及管道泄漏等，蒸汽量与给水量之间并非总是确定的比值，那整个系统就无法达到汽水平衡，也就不能保持汽包的水位。从而引入汽包水位的三冲量控制。如图3.3所示为汽包水位三冲量控制的系统图。图3.3 三冲量给水控制系统图 所谓三冲量，指的是引入了三个测量信号：汽包水位、给水流量、蒸汽流量。这个系统对上述两种方案取长补短，极大地提高了水位控制质量。例如，当耗汽量D突然阶跃增大时，一方面由于假水位现象水位会暂时升高，它使调节器错误地指挥调节机构减小给水量；另一方面，D的增大又通过比值控制作用指挥调节机构增加给水量。实际给水量是增大还是减小，
35、取决于系统参数的整定。当假水位现象消失后，水位和蒸汽信号都能正确地指挥调节机构动作。只要参数整定合适，当系统恢复平衡状态以后，给水流量必然等于蒸汽流量，水位H也就会维持在设定值。给水控制是串级调节系统，主调节器接受水位信号，对水位起校正作用，是细调；其输出作为副调节器的给定值，副调节器的被调量是给水流量，目的是快速消除来自水侧的扰动。 但必须指出，引入蒸汽流量信号只是削弱了假水位期间调节机构的误动作，但并不能消除假水位现象，并且由于水位H对负荷（蒸汽量）扰动D的响应速度要比对基本扰动W的响应速度快得多，因此，在外部扰动下被调量的变化幅度还是比较大，必须对负荷变化的幅度加以限制。3.3.2 三冲
36、量控制系统的工程整定1.整定参数的过程1) 内回路的整定在内回路中，图3.4所示的内回路原理方框图中，可以把调节器以外的执行机构、调节阀、变送器和分流器作为广义调节对象处理，则其动态特性近似为比例环节，因此PI调节器的比例带和积分时间Ti 可以取较小值，通过试验法进行整定。当给水流量分流系数改变后，只需相应改变PI调节器的比例带使保持不变，以保证内回路开环放大倍数不变。图3.4 内回路原理方框图2) 主回路的整定在主回路中可以把内回路看作快速随动系统处理，即输入信号I 改变时调节器可以迅速改变给水流量W，使输入信号I 与反馈信号保持平衡，即：=W 从而推导出 =因此内回路可以简化为：在此基础上
37、可得主回路简化方框图：根据主回路简化方框图，主回路的等效调节器可以看作比例调节器，其等效比例带为：= 整定主回路时，以给水流量W作为输入信号，汽包水位反馈信号作为输出信号，做阶跃扰动试验，在阶跃响应曲线上求得调节对象(s)的迟延时间和反应速度 ，建议采用以下公式计算主回路参数：增大给水流量分流系数，相当于增加主回路等效比例调节器的比例带，使调节动作减慢，稳定性提高；但对于内回路，相当于增加了内回路开环放大系数，使内回路稳定性下降。因此当增大给水流量分流系数 以提高主回路稳定性时，必须相应增加内回路PI调节器的比例带，以保持内回路的稳定。3) 前馈通道的分析整定内回路和主回路的整定后，三冲量给水
38、自动控制系统简化方框图如图3.5: 图3.5三冲量给水自动控制系统结构简图蒸汽流量前馈通道不在控制系统的闭环回路以内，因此不会影响控制系统的稳定性。可以根据蒸汽流量D扰动时使汽包水位H不发生变化的原则确定蒸汽流量分流系数.根据以上原则可得到：因此可得蒸汽流量分流系数：此时蒸汽流量分流系数是一个复杂的动态环节，在工程中很难实现。实践证明只要满足比例特性，就可以保证在蒸汽流量D变化时使汽包水位 H 稳定在允许的范围内。通常采用蒸汽流量信号与给水流量信号静态配合的原则确定，即： （3.1）从而推导出： （3.2）3.3.3 汽包水位的串级控制系统通过三冲量水位控制系统的整定可以看到，为了保证系统有良
39、好的静特性，各输入信号之间有严格的静态配合关系，并且动态整定过程也比较复杂，给系统的整定带来了一定的困难。所以，采用水位串级控制系统。1.整定参数的一般原则两个调节器任务不同，主调节器的任务是校正水位。副调节器的任务是当给水流量扰动时，迅速动作使给水量保持不变；当蒸汽流量扰动时，迅速改变给水量，保持给水和蒸汽量的平衡。两个调节器参数整定可以相对独立，内环的调节速度要快。可考虑副调节器为纯比例调节，比例系数K2应取得较大些。给水流量信号灵敏度会影响主、副调节器的比例系数。比如当保证内回路不发生振荡而使减小时，应相应地减少主调节器的比例系数K1，以保证主回路的稳定性。蒸汽流量信号不一定与给水流量信
40、号进行严格的配合，可依据锅炉的“虚假水位”情况而定，适当调整蒸汽流量信号的作用强度。比如蒸汽流量信号取1，给水流量信号可视情况取0.51。系统结构图如3.6。主回路用于直接控制水位，主调节器一般都采用比例积分动作，维持稳态水位不变。副回路是流量系统，副调节器可以用比例或比例积分动作。引入蒸汽流量作为静态前馈信号，所以是一个带有静态前馈的串级控制系统。为了保证给水系统的汽水平衡，应有,而其它的部分的整定则与一般串级系统完全相同。 图3.6 水位串级控制系统原理图串级系统比三冲量系统多用了一个调节器，这是缺点，但是它却使得对信号的静态配合要求不那么严格了，也不需要估计因蒸汽压力变化或锅炉排污量变化
41、而引起配比关系的改变，这是因为主调节器能自动校正信号配合不准所引起的误差。3.4 控制中的跟踪与切换图3.7 给水全程控制系统原理图3.4.1 三冲量与单冲量之间的无扰切换 锅炉在不同负荷和参数时，其给水被控对象的动态特性是不同的。低负荷时由于蒸汽参数低，负荷变化下，假水位现象不太严重，对维持水位恒定的要求又不高，所以允许采用单冲量给水控制系统。在低负荷时如果采用各种自动校正措施，则会使系统结构复杂，整定困难，同时仍然存在误差。于是出现了低负荷时采用单冲量，高负荷时采用三冲量的给水全程控制系统。图3.7中PI1是低负荷时的单冲量给水调节器，它只接受经过自动校正后的水位信号。高负荷时采用串级三冲
42、量给水控制系统，其中PI2为主调节器，接受水位信号；PI3为副调节器，除接受主调节器校正信号外，还接受蒸汽流量信号及给水流量信号G。两套控制系统的切换时根据锅炉负荷（蒸汽流量）大小进行的。1) 单冲量控制系统到三冲量控制系统的切换：此时三冲量主调节器PI1的输出跟踪（D-W）信号，同时电动泵三冲量副调节器PI3的输出通过 f1(x)和T2跟踪单冲量调节器PI4的输出。2) 三冲量控制系统到单冲量控制系统的切换：此时单冲量调节器PI4的输出通过T1跟踪电动泵三冲量副调节器PI3的输出。3.4.2 阀门与泵的运行及切换 低负荷时采用旁路阀门控制给水流量，高负荷时采用改变泵的转速控制给水流量。两者间
43、的无扰切换通过f1(x)、T2和电动泵三冲量副调节器PI3的跟踪而实现。3.4.3 电动泵与汽动泵间的切换 以电动泵切换到汽动泵为例：把汽动泵调至最低转速时启动汽动泵，然后慢慢升速。电动泵在控制系统的控制下自动降速，当两泵出口流量相同时，汽动泵投自动，电动泵切手动，并逐渐把电动泵降至最低转速后停泵。三泵间设计有平衡回路，并具有各自的软、硬手操器，在软手操器上可以进行偏置设定，在上级具有一个给水总操。3.4.4 执行机构的手、自动切换1) 旁路阀门的手、自动切换：此时T1切换到NO，单冲量调节器PI4通过 f4(x) 跟踪小阀操作器3AM的输出。2) 汽动泵的手、自动切换：此时汽动泵三冲量副调节
44、器PI2的输出跟踪汽动泵操作器1AM的输出，如果此时电动泵也处于手动，则三冲量主调节器PI1的输出跟踪（D-W）信号。3) 电动泵的手、自动切换：a) 当D30时,采用三冲量系统，T2切至NO，电动泵副调节器PI3的输出跟踪电动泵操作器2AM的输出，如果此时汽泵也处于手动，则PI1跟踪（ D-W ）信号。4 丰城电厂300MW机组给水控制系统分析4.1 300MW机组给水系统简介4.1 给水系统结构图如图4.1所示，本机给水系统设置2台50%容量、带前置泵的汽动给水泵组和一台50%额定容量带前置泵的电动调速给水泵组。两台汽动泵为正常运行，电动泵用于机组启动初期给水和正常运行事故备用。各给水泵出
45、口均设置独立的再循环装置。其作用是保证给水泵有一定的工作流量以免发生汽蚀。水泵的最小流量一般是泵设计流量的1/51/3，当泵的工作流量小于或等于最小流量时，就应该开启再循环阀门，使给水返回到除氧器给水箱，保证给水泵正常工作。每条再循环管路上装设一套最小流量调节装置，其调节信号取自前置泵和给水泵之间管路上的文丘里流量计。从三台给水主泵的中间抽头各引出一根支管，每根管上装一个止回阀和一个闸阀，三根管子最后汇合成一根13310的总管通往再热器减温器。三台给水泵的出口管均为298.536，在电动闸阀后合并成一根406.455的给水总管接往高加。高加前的给水总管上引出两根13316管道，一根向汽机高压旁
46、路阀提供减温水，管道设有电动闸阀和气动调节阀；另一根向锅炉过热器提供减温水，管路上设有流量测量装置、气动闸阀温度控制阀和电动闸阀。三台高加采用带三通阀和快速关断阀的大旁路系统。三通阀始终保证一路是畅通的。采用大旁路使系统简化，但高加任何一台故障，三台高加都必须同时切除。省煤器前设一容量较大的电动闸阀和与其并联的15%容量的旁路调节阀及前后两个闸阀。小旁路在机组启动初期给锅炉上水和低负荷时用，此时给水量由旁路调节阀开度和电泵转速配合调节。当给水量大于一定负荷（20%额定给水量）时切至给水主路，此时给水流量仅靠给水泵转速调节。4.2 MAX1000给水控制画面分析丰城电厂300MW机组分散控制系统（DCS）采用的是美国MCS公司的MAX1000产品,图4.2所示为给水全程控制系统设计方案的SAMA图，结合该SAMA图，利用MAX1000系统应用处理器提供的系统软件工具，可完成符合控制策略的组态工作。它
