自動(dòng)化畢業(yè)論文大機(jī)組汽包鍋爐給水控制系統(tǒng).pdf

華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） I 大機(jī)組汽包鍋爐給水控制系統(tǒng) 的設(shè)計(jì)與研究 摘要 給水全程控制系統(tǒng)是火力發(fā)電廠單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制中的主要子系統(tǒng)之一，針對(duì)其可靠 運(yùn)行直接關(guān)系到整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的安全問題，采用單沖量和三沖量控制系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合的控制 策略，應(yīng)用自動(dòng)控制理論對(duì)單元機(jī)組給水的要求和特點(diǎn)進(jìn)行了全面的分析，使單元機(jī)組給 水全程控制從鍋爐點(diǎn)火到機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行，始終保持汽包水位在允許的范圍內(nèi)，而且系統(tǒng) 穩(wěn)態(tài)誤差小，控制精度高，超調(diào)量小。此外還提出了在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的幾個(gè)關(guān)鍵問題， 這對(duì)單元機(jī)組給水全程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試均具有一定的參考價(jià)值。 關(guān)鍵詞：三沖量；串級(jí)；切換；跟蹤 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） II DESINGAND RESEARCH OF DRUM LEVEL FULL CONTROL Abstract The full-range feed-water control system is a main subsystem of thermo-electric generating unit in coordinated control. Its reliability is most closely related to the safety of whole power network. The feed-water features and requirements of thermo-electric generating unit were analyzed comprehensively based on basic automatic control theories. and the control strategy was realized by combining three-impulse with single-impulse feed-water control system. From startup to full load operation, The full-range feed-water control system always keeps the steam level within an acceptable range. The system has the characteristics of higher water level control accuracy, smaller overshoot and lower error in steady state. In addition, several key design techniques are presented, which can be applied to the design and debugging of The full-range feed-water control system Keywords:three element control；cascade configuration；switch ；track 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 目錄 摘要.I ABSTRACT.II 目錄.I 1 緒論1 1.1 課題的研究背景及意義1 1.2 國(guó)內(nèi)外全程給水研究現(xiàn)狀1 1.3 課題主要研究工作2 2 給水被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性.3 2.1 全程控制的概念.3 2.2 給水控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性.3 2.2.1 給水流量擾動(dòng)下水位的動(dòng)態(tài)特性.3 2.2.2 蒸汽流量擾動(dòng)下水位的動(dòng)態(tài)特性.5 2.2.3 爐膛熱負(fù)荷擾動(dòng)下水位的動(dòng)態(tài)特性.6 3 全程給水控制系統(tǒng)需解決的關(guān)鍵問題.7 3.1 信號(hào)的自動(dòng)校正.7 3.1.1 水位信號(hào)的壓力校正7 3.1.2 過(guò)熱蒸汽流量信號(hào)的壓力、溫度校正9 3.1.3 給水流量信號(hào)的溫度校正.10 3.2 給水泵安全特性要求11 3.3 切換問題12 3.3.1 給水流量的測(cè)量裝置的切換問題.12 3.3.2 大小調(diào)節(jié)閥門的切換問題.14 3.3.3 系統(tǒng)的無(wú)擾切換問題.15 4 給水自動(dòng)控制系統(tǒng)方案.17 5 給水全程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).21 5.1 全程給水系統(tǒng)說(shuō)明21 6 仿真及整定.23 6.1 子系統(tǒng)仿真.23 6.2 全程給水系統(tǒng)仿真.26 6.3 魯棒性測(cè)試.28 全文總結(jié).30 參考文獻(xiàn).31 致謝.32 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 1 緒論 1.1 課題的研究背景及意義 隨著電力需求的增長(zhǎng)，以及能源和環(huán)保的要求，我國(guó)的火電建設(shè)開始向大容量、高參 數(shù)的大型機(jī)組靠攏。 但是， 火電機(jī)組越大， 其設(shè)備結(jié)構(gòu)就越復(fù)雜， 自動(dòng)化程度要求也越高。 。 汽包水位是汽包鍋爐非常重要的運(yùn)行參數(shù)，同時(shí)它還是衡量鍋爐汽水系統(tǒng)是否平衡的 標(biāo)志。維持汽包水位在一定允許范圍內(nèi)，是保證鍋爐和汽輪機(jī)安全運(yùn)行的必要條件。水位 過(guò)高會(huì)影響汽水分離器的正常運(yùn)行，蒸汽品質(zhì)變壞，使過(guò)熱器管壁和氣輪機(jī)葉片結(jié)垢。嚴(yán) 重時(shí)，會(huì)導(dǎo)致蒸汽帶水，造成汽輪機(jī)水沖擊而損壞設(shè)備。水位過(guò)低則會(huì)破壞水循環(huán)，嚴(yán)重 時(shí)將引起水冷壁管道破裂。因此，汽包水位控制一直受到很高的重視。 另一方面，隨著鍋爐參數(shù)的提高和容量的增大，汽包的相對(duì)容積減少，負(fù)荷變化和其他擾 動(dòng)對(duì)水位的影響將相對(duì)增大。這必將加大水位控制的難度，從而對(duì)水位控制系統(tǒng)提出了更 高的要求。但是，由于給水系統(tǒng)的復(fù)雜性，真正能實(shí)現(xiàn)全程給水控制火電機(jī)組還很少。因 此， 對(duì)全程給水控制進(jìn)行優(yōu)化， 增強(qiáng)給水系統(tǒng)的控制效果和適應(yīng)能力成為迫切需要的問題。 1.2 國(guó)內(nèi)外全程給水研究現(xiàn)狀 目前，我國(guó)將火電建設(shè)的重點(diǎn)放在大容量、高參數(shù)、高自動(dòng)化、高效益的機(jī)組上來(lái)， 因而對(duì)電廠控制設(shè)備可靠性的要求越來(lái)越高，控制策略也向高精度、高效率、高穩(wěn)定性的 方向發(fā)展。同時(shí)，隨著電力行業(yè)體制改革及電網(wǎng)商業(yè)化運(yùn)營(yíng)、競(jìng)價(jià)上網(wǎng)的需要，以及火電 機(jī)組要適應(yīng)電網(wǎng)自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)的需求，這必然要求機(jī)組各控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)， 因而對(duì)火電廠熱工自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造已成為必然。汽包水位控制系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)新建機(jī) 組中基本都實(shí)現(xiàn)了水位全程調(diào)節(jié)，但在老機(jī)組的控制系統(tǒng)中由于存在各種客觀和主觀因 素，真正實(shí)現(xiàn)鍋爐給水全程控制的機(jī)組還為數(shù)不多，大多數(shù)只實(shí)現(xiàn)了高負(fù)荷時(shí)水位自動(dòng)調(diào) 節(jié)系統(tǒng)的投入。這主要是因?yàn)槔蠙C(jī)組的控制儀表較落后，而當(dāng)時(shí)技術(shù)條件又不夠成熟，用 于實(shí)現(xiàn)水位調(diào)節(jié)的控制設(shè)備多為一些組件組裝儀表，如西安儀表廠的 MZ-系列組裝儀 表、上海 FOXBORO 公司的 SPEC-200 微機(jī)組件組裝式儀表等。因而在實(shí)現(xiàn)控制策略及 控制邏輯等方面受到了限制。同時(shí)，因?yàn)榫偷乜刂圃O(shè)備的可靠性不高，使得當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)火電 廠熱工自動(dòng)化水平整體較落后。 在最近幾年，通過(guò)對(duì)老機(jī)組的技術(shù)改造，特別是分散控制系統(tǒng)（DCS）的改造成功， 已經(jīng)使機(jī)組的自動(dòng)化水平上了一個(gè)臺(tái)階。 一些在常規(guī)儀表中無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能， 由于 DCS 系 統(tǒng)的靈活組態(tài)及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的優(yōu)越性已完全可以實(shí)現(xiàn)，因而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組各控制系統(tǒng)的 全程調(diào)節(jié)已完全成為可能。鍋爐給水全程控制，是指機(jī)組在啟、停過(guò)程中，正常運(yùn)行和負(fù) 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 荷變化時(shí)均能實(shí)現(xiàn)鍋爐給水的自動(dòng)控制。在大型火力發(fā)電機(jī)組鍋爐給水全程控制中，由于 機(jī)組在高、低負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)具有不同的對(duì)象特性，一般控制系統(tǒng)采用單沖量、三沖量控制 等變結(jié)構(gòu)控制方案。給水系統(tǒng)一般采用經(jīng)濟(jì)性極佳的變速給水泵，除采用液力偶合器的電 動(dòng)給水泵、汽動(dòng)給水泵外，還需要采用一套調(diào)節(jié)系統(tǒng)，保證給水泵工作在安全區(qū)域內(nèi)。 國(guó)內(nèi)機(jī)組實(shí)現(xiàn)全程給水控制考慮的方案一般是在低負(fù)荷時(shí)，用啟動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制汽包水 位，調(diào)速給水泵維持給水母管壓力，采用單沖量的控制方式；高負(fù)荷時(shí)，使用調(diào)速給水泵 控制汽包水位，大旁路調(diào)節(jié)閥維持給水壓力，采用三沖量的控制方式。它由單沖量和三沖 量?jī)蓚€(gè)調(diào)節(jié)回路組成全程給水控制, 當(dāng)負(fù)荷大于 30%時(shí)為三沖量,當(dāng)負(fù)荷小于 30%或三沖 量變送器故障時(shí)為單沖量。 1.3 課題主要研究工作 本文圍繞給水控制優(yōu)化這一主題，立足于低負(fù)荷給水控制優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)高負(fù)荷階 段給水泵協(xié)調(diào)控制方法進(jìn)行了研究，從真正意義上實(shí)現(xiàn)從機(jī)組的啟動(dòng)到正常運(yùn)行，又到停 爐冷卻全部過(guò)程均能自動(dòng)控制。 本論文主要作了以下幾方面的研究工作: (I )深入分析給水對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，闡述了現(xiàn)今給水全程控制中存在的缺陷和不足。 并根據(jù)給水分段式控制的原則，分別從低負(fù)荷和高負(fù)荷兩個(gè)方面入手研究其改進(jìn)方法; (2 ) 針對(duì)低負(fù)荷階段給水對(duì)象復(fù)雜、難控的現(xiàn)狀，分析了問題的形成機(jī)理。在充分 利用PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制的條件下，提出了以多變量解耦控制理論為基礎(chǔ)的低負(fù)荷給水控 制方案，并且對(duì)單沖量給水控制提出了改進(jìn)建議和方法; (3 )對(duì)給水控制的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行的分析，提出了自己思考的改進(jìn)辦法。同時(shí)針對(duì)還處于 手動(dòng)控制的給水調(diào)節(jié)閥切換，設(shè)計(jì)了自動(dòng)無(wú)擾切換回路。 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 2 給水被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性 2.1 全程控制的概念 目前，大型火電單元機(jī)組都采用機(jī)、爐聯(lián)合啟動(dòng)的方式，鍋爐、汽輪機(jī)按照啟動(dòng)曲線 要求進(jìn)行滑參數(shù)啟動(dòng)。具有中間再熱的單元機(jī)組多采用定壓法進(jìn)行滑參數(shù)啟動(dòng)。隨著機(jī)組 容量的增大、參數(shù)的提高，在啟動(dòng)和停機(jī)過(guò)程中需要監(jiān)視和操作的項(xiàng)目增多，操作的頻率 也增高，采用人工調(diào)節(jié)已不適應(yīng)生產(chǎn)要求，而必須在啟、停過(guò)程中也實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。所謂 全程控制系統(tǒng)是指機(jī)組在啟停過(guò)程和正常運(yùn)行時(shí)均能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的系統(tǒng)。全程控制是相 對(duì)常規(guī)控制系統(tǒng)而言的，全程控制包括啟停控制和正常運(yùn)行工況下控制兩方面的內(nèi)容。常 規(guī)控制系統(tǒng)一般只適用于機(jī)組帶大負(fù)荷工況下運(yùn)行，在啟停過(guò)程或低負(fù)荷工況下，一般要 用手動(dòng)進(jìn)行控制，而全程控制系統(tǒng)能使機(jī)組在啟動(dòng)、停機(jī)、不同負(fù)荷工況下自動(dòng)運(yùn)行。以 給水控制系統(tǒng)為例，常規(guī)串級(jí)三沖量給水系統(tǒng)只能在負(fù)荷達(dá)到額定負(fù)荷 70%時(shí)，才能投入 自動(dòng)，在此以前全部為手動(dòng)操作，而全程給水系統(tǒng)從鍋爐點(diǎn)火啟動(dòng)開始便可以投入自動(dòng)。 2.2 給水控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性 汽包水位是由汽包中的儲(chǔ)水量和水面下的汽泡容積決定的，因此凡是引起汽包中儲(chǔ)水量變 化和水面下的汽泡容積變化的各種因素都是給水控制對(duì)象的擾動(dòng)。其中主要的擾動(dòng)有：給 水流量W、鍋爐蒸發(fā)量D、汽包壓力Pb、爐膛熱負(fù)荷等。給水控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性是指上 述引起水位變化的各種擾動(dòng)與汽包水位間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。汽包水位動(dòng)態(tài)特性較為復(fù)雜，一是 對(duì)汽包水位擾動(dòng)有四個(gè)來(lái)源，二是“虛假水位”問題的存在，特別是后一個(gè)問題使得人們 設(shè)計(jì)出“三沖量”給水控制系統(tǒng)。了解、掌握汽包水位動(dòng)態(tài)特性是保證給水自動(dòng)控制系統(tǒng) 順利投入的基本要求。 2.2.1 給水流量擾動(dòng)下水位的動(dòng)態(tài)特性 給水流量是調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)所改變的控制量， 給水流量擾動(dòng)是來(lái)自控制側(cè)的擾動(dòng)， 又稱內(nèi)擾。 給水流量擾動(dòng)下水位的階躍響應(yīng)曲線如圖 2.1 所示。 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 圖 2.1 給水流量階躍擾動(dòng)下水位響應(yīng)曲線 當(dāng)給水流量階躍增加W后，水位H的變化如圖中曲線H所示。 水位控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特 性表現(xiàn)為有慣性的無(wú)自平衡能力的特點(diǎn)。當(dāng)給水流量突然增加后，給水流量雖然大于蒸汽 流量，但由于給水溫度低于汽包內(nèi)飽和水的溫度，給水吸收了原有飽和水中的部分熱量使 水面下汽泡容積減少， 實(shí)際水位響應(yīng)曲線可視為由H1和H2兩條曲線疊加而成， 所以擾動(dòng)初 期水位不會(huì)立即升高。當(dāng)水面下汽泡容積的變化過(guò)程逐漸平衡，水位就反應(yīng)出由于汽包中 儲(chǔ)水量的增加而逐漸上升的趨勢(shì)，最后當(dāng)水面下汽泡容積不再變化時(shí)，由于進(jìn)、出工質(zhì)流 量不平衡，水位將以一定的速度直線上升。這種特性可由下列近似傳遞函數(shù)表示： 式中： -水位響應(yīng)速度，即單位給水量擾動(dòng)時(shí)，水位的變化速度，mm.s 1 .h.t 1 ； - 遲延時(shí)間，s。 和的大小和鍋爐容量及參數(shù)有關(guān)。對(duì)于蒸發(fā)量為 410t/h，參數(shù)為 10MPa、540的高 壓爐，=10s，=0.015 mm.s 1 .h.t 1 ；對(duì)于容量為 670t/h，參數(shù)為 14MPa、540的超高 壓爐，=510s，=0.00950.0125 mm.s 1 .h.t 1 。由此可見，隨著鍋爐容量的增大和參 數(shù)的提高，水位內(nèi)擾特性的遲延時(shí)間減少，響應(yīng)速度也略有下降，對(duì)水位H的控制是有利 的。但按鍋爐容量的增大來(lái)計(jì)算響應(yīng)速度，則得到的相對(duì)響應(yīng)速度逐漸增大，說(shuō)明隨著鍋 爐容量和參數(shù)的提高，對(duì)水位H控制的要求也越高。 s)1 ( )( )( sSW SH ww 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 2.2.2 蒸汽流量擾動(dòng)下水位的動(dòng)態(tài)特性 蒸汽流量擾動(dòng)主要來(lái)自汽輪發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷變化，屬外部擾動(dòng)。在蒸汽流量D擾動(dòng)下 水位變化的階躍響應(yīng)曲線如圖 2.2 所示。當(dāng)蒸汽流量突然階躍增大時(shí)，由于汽包水位對(duì)象 是無(wú)自平衡能力的，這時(shí)水位應(yīng)下降，如圖 2.2 中H1曲線所示。但當(dāng)鍋爐蒸發(fā)量突然增加 時(shí)，汽包水下面的汽泡容積也迅速增大，即鍋爐的蒸發(fā)強(qiáng)度增加，從而使水位升高，因蒸 發(fā)強(qiáng)度的增加是有一定限度的，故汽泡容積增大而引起的水位變化可用慣性環(huán)節(jié)特性來(lái)描 述，如圖 2.2 中 H2 曲線所示。實(shí)際的水位變化曲線H則為H1和H2的合成。由圖2.2可以 看出，當(dāng)鍋爐蒸汽負(fù)荷變化時(shí)，汽包水位的變化具有特殊的形式：在負(fù)荷突然增加時(shí)，雖 然鍋爐的給水流量小于蒸發(fā)量，但開始階段的水位不僅不下降，反而迅速上升（反之，在 負(fù)荷突然減少時(shí)，水位反而先下降） ，這種現(xiàn)象稱為“虛假水位”現(xiàn)象。這是因?yàn)樵谪?fù)荷 變化的初期階段，水面下汽泡的體積變化很快，它對(duì)水位的變化起主要影響作用的緣故， 因此水位隨汽泡體積增大而上升。只有當(dāng)汽泡體積與負(fù)荷適應(yīng)而不再變化時(shí)，水位的變化 就僅由物質(zhì)平衡關(guān)系來(lái)決定，這時(shí)水位就隨負(fù)荷增大而下降，呈無(wú)自平衡特性。 蒸汽流量擾動(dòng)下的水位響應(yīng)特性可用下述近似傳遞函數(shù)表示： 式中：T2-H2曲線的時(shí)間常數(shù)；K 2- H2曲線的放大系數(shù)；-H1曲線的響應(yīng)速度。虛假水 位現(xiàn)象與鍋爐參數(shù)及蒸汽負(fù)荷變化大小有關(guān)，對(duì)于 100670t/h 中、高壓鍋爐，當(dāng)負(fù)荷階 躍變化 10%時(shí)，虛假水位可達(dá) 3040mm。 圖 2.2 蒸汽流量階躍擾動(dòng)下水位響應(yīng)曲線 ssT K SD SH S WD 1)( )( )( 2 2 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 2.2.3 爐膛熱負(fù)荷擾動(dòng)下水位的動(dòng)態(tài)特性 當(dāng)燃料量擾動(dòng)時(shí)，例如燃料量增加使?fàn)t膛熱負(fù)荷增強(qiáng)，從而使鍋爐蒸發(fā)強(qiáng)度增大。若此時(shí) 汽輪機(jī)負(fù)荷未增加，則汽輪機(jī)側(cè)調(diào)節(jié)閥開度不變。隨著爐膛熱負(fù)荷的增大，鍋爐出口壓力 提高，蒸汽流量也相應(yīng)增加，這樣蒸汽流量大于給水流量，水位應(yīng)該下降。但是蒸發(fā)強(qiáng)度 增大同樣也使水面下汽泡容積增大，因此也會(huì)出現(xiàn)虛假水位現(xiàn)象。燃料量擾動(dòng)下的水位階 躍響應(yīng)曲線如圖 2.3 所示，由圖可以看出，這種擾動(dòng)下的“虛假水位”現(xiàn)象不太嚴(yán)重，這 是因?yàn)檎羝髁吭黾拥耐瑫r(shí)汽壓也增大了，因而使汽泡體積的增加比蒸汽流量擾動(dòng)時(shí)要 小，從而使水位上升幅度較小。另外，由于蒸發(fā)量隨燃料量的增加有慣性和時(shí)滯，如圖2.3 虛線所示，這就導(dǎo)致遲延時(shí)間較長(zhǎng)。 圖 2.3燃燒量擾動(dòng)下的水位特性 對(duì)汽包水位的第四種擾動(dòng)是汽包壓力的變化，汽包壓力對(duì)汽包水位的影響是通過(guò)汽包內(nèi)部 汽水系統(tǒng)在壓力升高時(shí)“自凝結(jié)過(guò)程” 和壓力降低時(shí)的“自蒸發(fā)”過(guò)程起作用的。 上述四種擾動(dòng)在鍋爐運(yùn)行中都可能經(jīng)常發(fā)生，給水流量擾動(dòng)作為內(nèi)部擾動(dòng)，汽包水位對(duì)其 響應(yīng)的動(dòng)態(tài)參數(shù)（、）是給水控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)整定的依據(jù)。蒸汽流量D、燃料量B 和汽包壓力Pb擾動(dòng)作為外部擾動(dòng)， 會(huì)造成水位波動(dòng)。 蒸汽流量D和燃料量B的變化是產(chǎn)生 “虛 假水位”的根源。所以在給水控制系統(tǒng)里常常引入 D、B 信號(hào)作為前饋信號(hào)，以改善外部 擾動(dòng)時(shí)的控制品質(zhì)，而這也是目前大型鍋爐給水控制系統(tǒng)采用三沖量或多沖量的根本原 因。 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 3 全程給水控制系統(tǒng)需解決的關(guān)鍵問題 3.1 信號(hào)的自動(dòng)校正 鍋爐從啟動(dòng)到正常運(yùn)行或是從正常運(yùn)行到停爐的過(guò)程中，蒸汽參數(shù)和負(fù)荷在很大的范 圍內(nèi)變化，這就使水位、給水流量和蒸汽流量測(cè)量信號(hào)的準(zhǔn)確性受到影響。為了實(shí)現(xiàn)全程 自動(dòng)控制，要求這些測(cè)量信號(hào)能夠自動(dòng)地進(jìn)行壓力、溫度校正。測(cè)量信號(hào)自動(dòng)校正的基本 方法是，先推導(dǎo)出被測(cè)參數(shù)隨溫度、壓力變化的數(shù)學(xué)模型，然后利用各種元件構(gòu)成運(yùn)算電 路進(jìn)行運(yùn)算，便可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)校正。按參數(shù)變化范圍和要求的校正精度不同，可建立不同的 數(shù)學(xué)模型，因而可設(shè)計(jì)出不同的自動(dòng)校正方案。 3.1.1 水位信號(hào)的壓力校正 由于汽包中飽和水和飽和蒸汽的密度隨壓力變化，所以影響水位測(cè)量的準(zhǔn)確性。通常 可以采用以下兩種壓力校正的方法。 采用電氣校正回路進(jìn)行壓力校正。就是在水位差壓變送器后引入校正回路，圖 3.1 表 示單容平衡容器的測(cè)量系統(tǒng)。 從圖 3.1 中可以看出： 1 P= G h+ s a acbb hH 2 4 )( 2 2 P= a H 圖 3.1汽包水位測(cè)量系統(tǒng) Pb汽包壓力；H汽水連通管之間的垂直距離，即最大變化范圍； h汽包水位高度；P1、P2加在差壓變送器兩側(cè)的壓力； s g飽和蒸汽的密度； G g飽和水的密度； a g汽包外平衡容器內(nèi)凝結(jié) 水的密度。 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 hHhHPPP ssGa 12 =hH sGsa )()( sG sa PH h )( (3-1) 當(dāng) H 一定時(shí)，水位 h 是差壓和汽、水密度的函數(shù)。密度 a 與環(huán)境溫度有關(guān)，一般可取 50時(shí)水的密度。在鍋爐啟動(dòng)過(guò)程中，水溫略有增加，但由于同時(shí)壓力也升高，兩種因素 對(duì) a 的影響基本上可抵消， 即可近似地認(rèn)為 a 是恒值。 而飽和水和飽和汽的密度 G 和 s 均 為為汽包壓力 Pb的函數(shù)，即 )( basa Pf )( bbsG Pf 所以式（3-1）可以改寫為 )( )( bb ba Pf PHPf h （3-2） 按照式（3-2） ，可以設(shè)計(jì)出水位壓力自動(dòng)校正線路，如圖 3.2 所示。圖 3.2 中函數(shù)組 件 f 1（x） 、f 2（x）分別模擬式（3-2）中的 fa（Pb）和 fb（Pb） 。計(jì)算和試驗(yàn)表明，密度與 汽包壓力之間的函數(shù)曲線如圖 3.3 所示。 從圖 3.3 中曲線可以看出， a s 與 P b 的關(guān)系在較大范圍內(nèi)可近似地認(rèn)為是線性關(guān) 系即 bsa Pkk 2 1 )( )()( 2 1bsa PkkHH bsa PkkH 21 )( 圖 3.2水位壓力自動(dòng)校正線路之一圖 3.3密度與汽包壓力的關(guān)系曲線 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 則式（3-l）可改寫為 )( 21 bb b Pf PPkk h (3-3) 按式（3-3）可設(shè)計(jì)出較為簡(jiǎn)便的水位自動(dòng)校正線路，如圖 3.4 所示。 （2）采用具有雙室平衡容器的水位取樣裝置進(jìn)行水位校正，這種裝置本身基本上可 以補(bǔ)償啟動(dòng)或停止過(guò)程中的水位測(cè)量誤差，校正原理如圖 3.5 所示。 這種測(cè)量裝置中，水位表達(dá)式為 sG P h (3-4) H 為正壓取壓管管口水位到負(fù)壓管水平的中心線之間的距離， 式 （3-4） 中沒有式 （3-1） 中的 as 項(xiàng)，故 a 隨溫度變化的影響消除了。 3.1.2 過(guò)熱蒸汽流量信號(hào)的壓力、溫度校正 過(guò)熱蒸汽流量測(cè)量通常采用標(biāo)準(zhǔn)噴嘴。這種噴嘴基本上是按定壓運(yùn)行額定工況 參數(shù)設(shè)計(jì)，在該參數(shù)下運(yùn)行時(shí)，測(cè)量精度是較高的。但在全程控制時(shí)，運(yùn)行工況不能基本 固定。當(dāng)被測(cè)過(guò)熱蒸汽的壓力和溫度偏離設(shè)計(jì)值時(shí)，蒸汽的密度變化很大，這就會(huì)給流量 測(cè)量造成誤差，所以要進(jìn)行壓力和溫度的校正。可以按下列公式進(jìn)行校正 100 61. 566. 1 100 57.18 2 .10 PT P PkPkD (3-5) 式中D熱蒸汽流量； P過(guò)熱蒸汽壓力； T過(guò)熱蒸汽溫度； 圖 3.4 水位壓力自動(dòng)校正線路之二 圖 3.5 采用雙室平衡容器的水位測(cè)量系統(tǒng) 和壓力自動(dòng)校正回路 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 P節(jié)流件差壓； 過(guò)熱蒸汽密度； k流量系數(shù)。 按（35）式可設(shè)計(jì)出過(guò)熱蒸汽流量信號(hào)的壓力，溫度自動(dòng)校正線路如圖 3.6 所示。 為了避免高溫高壓節(jié)流元件因磨損帶來(lái)的誤差， 可用汽機(jī)調(diào)速級(jí)壓力 P1代替蒸汽流量 信號(hào)。實(shí)驗(yàn)證明，這種方法是準(zhǔn)確和行之有效的，線路結(jié)構(gòu)如圖 4.7 所示。 3.1.3 給水流量信號(hào)的溫度校正 計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)給水溫度為100不變， 壓力在0.19619.6MPa范圍內(nèi)變化時(shí)， 給水流量的測(cè)量誤差為 0.47%;若給水壓力為 19.6MPa 不變，給水溫度在 100290范圍 內(nèi)變化時(shí)，給水流量的測(cè)量誤差為 13%。 所以，對(duì)給水流量測(cè)量信號(hào)可以只采用溫度校正， 其校正回路如圖 3.8 所示。若給水溫度變化不大，則不必對(duì)給水流量測(cè)量信號(hào)進(jìn)行校正。 圖 3.6過(guò)熱蒸汽流量信號(hào)的壓力、溫度自動(dòng)校正線路圖 圖 3.7用 P1 代替蒸汽流量測(cè)量校正線路圖 3.8給水流量信號(hào)溫度校正線路 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 3.2 給水泵安全特性要求 在給水系統(tǒng)全過(guò)程運(yùn)行中，保證給水泵總是工作在安 全工作區(qū)內(nèi)，是一個(gè)重要問題?，F(xiàn)代大型單元機(jī)組都采用 變速泵來(lái)控制給水流量。300MW 以下的單元機(jī)組多用電 動(dòng)變速泵做主給水泵，通過(guò)調(diào)整液力連軸器的勺管位置來(lái) 調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速。大于 300MW 的單元機(jī)組多采用汽動(dòng)變速 泵做主給水泵，再設(shè)置多臺(tái)電動(dòng)變速泵做啟動(dòng)給水泵并作 為系統(tǒng)的備用泵使用。無(wú)論哪種類型的變速泵，保證泵的 安全工作區(qū)是首先要考慮的問題。 圖 3.9 給水泵安全工作特性示意圖 變速給水泵的安全工作區(qū)可在泵的安全工作特性示意圖中看到，如圖 3.9 所示。變 速泵的安全工作區(qū)由六條曲線構(gòu)成：泵的上、下限特性、最高轉(zhuǎn)速 nmax和最低轉(zhuǎn)速 nmin， 泵出口最高壓力 Pmax和最低壓力 Pmin。 若泵的工作點(diǎn)在上限特性之外，則給水流量太小，將使泵的冷卻水量不夠而引起泵的 汽蝕，甚至震動(dòng)；若泵工作在下限特性之外，則泵的流量太大，將使泵的工作效率變低。 此外，變速泵的運(yùn)行還必須滿足鍋爐安全運(yùn)行的要求，即泵出口壓力（給水壓力）不得高 于鍋爐運(yùn)行的最高給水壓力 Pmax且不得低于最低給水壓力 Pmin。因此，采用變速泵的給水 全程控制系統(tǒng)，在控制給水流量過(guò)程中，必須保證泵的工作點(diǎn)落在安全區(qū)域內(nèi)。 在鍋爐啟動(dòng)、停爐或低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，泵的工作點(diǎn)有可能落入上限特性之外。為防止出 現(xiàn)這種情況，最有效的措施是增加低負(fù)荷時(shí)給水泵的流量。目前采用的方法是在泵出口至 除氧器水箱之間安裝再循環(huán)管道， 當(dāng)泵的流量低于某一設(shè)定的最小流 量時(shí)，再循環(huán)門自動(dòng)開啟，增加泵 體內(nèi)的流量，從而使低負(fù)荷階段給 水泵的工作點(diǎn)也在上限特性曲線之 內(nèi)。隨著機(jī)組負(fù)荷的逐漸增大，給 水流量也會(huì)逐漸增大，當(dāng)流量高于 某一值時(shí)，再循環(huán)門將自動(dòng)關(guān)閉。 變速泵下限特性決定了不同壓 力下水泵的最大負(fù)荷能力。當(dāng)鍋爐 負(fù)荷升到某一程度，即給水流量較 大時(shí)，如果安全工作區(qū)較窄，則工作點(diǎn)可能會(huì)移到下限特性曲線之外，因此，需要采取措 施加以防止。目前采用的方法是提高上水管道的阻力，即關(guān)小泵出口流量調(diào)節(jié)閥門，以提 圖 3.10 給水泵出口壓力調(diào)整時(shí)的工況 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 高泵的出口壓力，使工作點(diǎn)重新移入安全區(qū)內(nèi)。如圖 3.10 所示?；瑝哼\(yùn)行時(shí)，設(shè)給水泵工 作點(diǎn)在 a 點(diǎn)外，甭轉(zhuǎn)速為 n1,甭出口壓力為 p1，給水流量為 W1。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷增大，給水流 量要求為 W2 時(shí)，如果水泵仍在 a1 轉(zhuǎn)速運(yùn)行下去，通過(guò)開大給水閥門來(lái)增大給水流量，則 工作點(diǎn)將沿 n1 曲線由 a1 點(diǎn)移到 c 點(diǎn)，落到水泵安全工作區(qū)外，這是不允許的。解決問題 的辦法是關(guān)小給水調(diào)節(jié)閥門，使泵的出口壓力升高，同時(shí)使水泵轉(zhuǎn)速由 n1 增至 n2，當(dāng)給 水流量達(dá)到負(fù)荷要求數(shù)值時(shí)，工作點(diǎn)將由 a 點(diǎn)移到 b 點(diǎn)，不會(huì)滑到安全工作區(qū)以外，保證 了給水泵的安全運(yùn)行。 另外，給水泵有最低轉(zhuǎn)速 nmin的要求，這樣在水泵已接近 nmin時(shí)就不能以繼續(xù) 降低轉(zhuǎn)速的方式來(lái)調(diào)節(jié)給水量，這就需要改變上水道阻力（即設(shè)置給水調(diào)解閥）的方式， 使泵工作在安全區(qū)內(nèi)。由于兼用改變轉(zhuǎn)速和上水通道阻力兩種方式調(diào)節(jié)給水涼，增加了全 程給水自動(dòng)控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。 總之，采用變速泵構(gòu)成全程給水自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)包括以下三個(gè)子系統(tǒng)： （1） 給水泵轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。根據(jù)鍋爐負(fù)荷要求，控制給水泵轉(zhuǎn)速，改變給水流 量。 （2） 給水泵最小流量控制系統(tǒng)。低負(fù)荷時(shí)，通過(guò)增大水泵再循環(huán)流量的辦法來(lái) 維持水泵流量不低于設(shè)計(jì)要求的最小流量值，以保證給水泵工作點(diǎn)不落在上限特性 曲線的外面。 （3） 給水泵出口壓力控制系統(tǒng)。通過(guò)控制給水調(diào)節(jié)閥的開度來(lái)維持給水泵的出 口壓力，保證給水泵工作點(diǎn)不落在最低壓力 Pmin線下和下限特性工作曲線之外。 3.3 切換問題 3.3.1 給水流量的測(cè)量裝置的切換問題 在全程控制中給水流量測(cè)量信號(hào)的準(zhǔn)確性與壓力、溫度的校正精度有關(guān)，但主要取決 于高、低負(fù)荷時(shí)流量測(cè)量的精度。一般，大型單元機(jī)組的給水管路系統(tǒng)如圖 3.11 所示。 圖 3.11 單元機(jī)組給水管路 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 上面的一路為主給水，在高負(fù)荷時(shí)使用；下面一路為流量較小的旁路給水，鍋爐啟 停過(guò)程中及低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)用它供水；中間一路為輔助給水，當(dāng)主給水管路發(fā)生故障或因水 壓過(guò)低而主給水供不應(yīng)求時(shí)使用。圖中 1、2、3 為截止閥，4、5、6 為調(diào)節(jié)閥，7 為總截止閥。旁路給水管路中的最大流量只有主給水管路流量的 30%左右，如果采用一個(gè) 孔板測(cè)量給水流量，在低負(fù)荷時(shí)必然會(huì)產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差。為此，給水系統(tǒng)中安裝了 1、 2 兩個(gè)孔板。在鍋爐啟停及低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)用旁路孔板 2 測(cè)量給水量，高負(fù)荷時(shí)用主管路孔 板 l 測(cè)量給水量。對(duì)于這種采用兩個(gè)測(cè)量元件的給水流量測(cè)量系統(tǒng)，需要用一個(gè)流量信號(hào) 運(yùn)算回路，如圖 3.12 所示。 由于旁路給水管路中的實(shí)際流量為主給水管路的 1/4 左右，因此測(cè)量旁路給水流量的 變送器輸出信號(hào)要用乘法器乘以 0.25 系數(shù)， 以使使旁路給水流量信號(hào)與主給水流量信號(hào)具 有同樣的變化范圍。 在比較器1 中， 主給水流量信號(hào) W1 減去旁路給水流量信號(hào) 0.25W 2， 此差使信號(hào)在另一乘法器中乘可變系數(shù) k，乘法器的輸出為 k（W1-0.25 W2） ，k 值由比例 偏置器調(diào)整。當(dāng)給水流量大于 25%時(shí)，k 值由 l 向零逐漸變小，如圖（b）中曲線所 示。當(dāng)流量達(dá)到 30%時(shí) k=0，這時(shí)旁路給水流量信號(hào)消失，轉(zhuǎn)入主給水管路的給水流量測(cè) 量?？梢姳容^器2 的輸出信號(hào)為 112 (0. 25)WWkWW=- 式中W總給水流量信號(hào)； W 1主給水流量信號(hào)； W2旁路給水流量信號(hào)。 由上式可見，當(dāng)k=l 時(shí)，W=0.25W2當(dāng)k=0 時(shí)，W=W1，這樣就實(shí)現(xiàn)了在低負(fù)荷時(shí)用旁 路管路上的孔板 2 測(cè)量給水流量，高負(fù)荷時(shí)用主給水管路上的孔板 1 測(cè)量給水量的要求， 圖 3.12 給水流量信號(hào)運(yùn)算回路 （a）運(yùn)算回路； （b）可變系數(shù)k的變化曲線 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 從而提高了測(cè)量精度。 3.3.2 大小調(diào)節(jié)閥門的切換問題 在給水全程控制中，低負(fù)荷時(shí)通常用旁路閥門（即小閥門）調(diào)節(jié)給水流量，高負(fù)荷時(shí) 用主給水閥門（即大閥門）調(diào)節(jié)給水流量。在負(fù)荷變化時(shí)，大小閥門就需要進(jìn)行無(wú)擾切換。 圖 3.13 表示的是這種切換的線路原理。 從圖 3.13 中可以看出，在低負(fù)荷時(shí)，繼電器接點(diǎn) KJ 斷開，定值組件 GH 發(fā)出 l0V 的 階躍信號(hào)，經(jīng)過(guò)加法器，直接送到小閥回路中的乘法器，即 小 b=l0V。小閥回路乘法器輸出 小 u c ab小 10 10 a a 其中 （c =10V） 。a 信號(hào)即為調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)，所以小閥回路中的控制信號(hào)即為調(diào) 節(jié)器輸出信號(hào)，小閥處于工作狀態(tài)。 與此同時(shí)，大閥門處于關(guān)閉狀態(tài)。這是因?yàn)?KJ 斷開，限速組件的輸出信號(hào) b 為 0， 則大閥回路中的乘法器輸出 大 U= c ab小 = 0 10 a =0 當(dāng)機(jī)組負(fù)荷增加，給水流量增大到一定值時(shí)，絕對(duì)值報(bào)警組件 H/ L 動(dòng)作，使繼電組件 KJ 激勵(lì)，接點(diǎn) KJ 閉合。這時(shí)，限速組件輸入為一個(gè) l0V 的階躍信號(hào)，其輸出 b 變?yōu)樾逼?信號(hào)，當(dāng)斜坡信號(hào)達(dá)到 l0 V 時(shí)， 大 Uab c 10 10 a a 圖 3.13 大小調(diào)節(jié)閥無(wú)擾切換原理圖 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 即大閥門逐漸開大，最后變?yōu)檎{(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)，大閥門參與工作。 與此同時(shí)，加法器的輸出信號(hào)，即小閥門回路中的 小 b信號(hào)如圖中所示，為一個(gè)由大到 小的斜坡信號(hào)。當(dāng) 小 b信號(hào)降為零時(shí)，小閥門回路的乘法器輸出 大 U c ab小 0 10 a 0 即在大閥門開大時(shí)，小閥門相應(yīng)關(guān)小，直到全部關(guān)閉。 由于兩個(gè)閥門的流通量是不同的，所以兩個(gè)閥門的開關(guān)速度應(yīng)該是不同的（如圖 3.14 所示） ，而流量應(yīng)該保持相等，這可以通過(guò)比例系數(shù)和偏置值進(jìn)行調(diào)整。 繼電組件 KJ 是由給水流量控制的組件，為了防止啟停過(guò)程中造成閥門的多次反復(fù)切 換，切換點(diǎn)電壓應(yīng)具有一定的滯環(huán)值。 調(diào)節(jié)閥的切換與截門的切換應(yīng)密切配合，截門應(yīng)在調(diào)節(jié)閥投入工作之前打開。 3.3.3 系統(tǒng)的無(wú)擾切換問題 串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng) 由汽包鍋爐給水控制對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的特點(diǎn)， 可以確定給水控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一些基本思 想： （1） 由于對(duì)象的內(nèi)擾動(dòng)態(tài)特性存在一定的遲延和慣性，所以給水控制系統(tǒng)若采用以 水位為被調(diào)量的單回路系統(tǒng)， ，則控制過(guò)程中水位將出現(xiàn)較大的動(dòng)態(tài)偏差，給水 流量波動(dòng)較大。因此，對(duì)給水內(nèi)擾動(dòng)動(dòng)態(tài)特性遲延和慣性大的鍋爐應(yīng)考慮采用 串級(jí)或其他控制方案。 （2） 由于對(duì)象在蒸汽負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)，有虛假水位現(xiàn)象，因此給水控制若采用以水位為 被調(diào)量的單回路系統(tǒng)，則在擾動(dòng)的初始階段，調(diào)解器將使給水流量向與負(fù)荷變 化相反的方向變化，從而擴(kuò)大了鍋爐進(jìn)出流量的不平衡。 （3） 所以在設(shè)計(jì)給水控制系統(tǒng)時(shí)， 應(yīng)考慮采用以蒸汽流量 D 為前饋信號(hào)的前饋控制， 以改善給水控制系統(tǒng)的品質(zhì)。 總之，由于給水控制系統(tǒng)被控對(duì)象的特點(diǎn)，決定了采用單回路反饋控制系統(tǒng)不能滿足 圖 3.14 大小閥門開度變化曲線 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 生產(chǎn)對(duì)控制品質(zhì)的要求，所以電站起爆鍋爐的給水自動(dòng)控制普遍采用三沖量給水自動(dòng)控 制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)圖如圖 3.1 所示。 串級(jí)三沖量控制系統(tǒng)的控制任務(wù)由兩個(gè)調(diào)節(jié)器來(lái)完成，主調(diào)節(jié)器 PI1 采用比例積分控 制，保證水位無(wú)靜態(tài)偏差。主調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)和給水流量、蒸汽流量信號(hào)都作用到副調(diào) 節(jié)器 PI2，一般副調(diào)節(jié)器都采用比例控制規(guī)律，以保證副調(diào)節(jié)回路的快速性。 串級(jí)系統(tǒng)主副調(diào)節(jié)器控制任務(wù)不同， 副調(diào)節(jié)器的任務(wù)是用以消除給水壓力 波動(dòng)等因素引起的給水流量的自發(fā)性 擾動(dòng)以及當(dāng)蒸汽負(fù)荷改變時(shí)迅速調(diào)節(jié) 給水流量， 以保證給水流量和蒸汽流量 平衡；主調(diào)節(jié)器的任務(wù)是校正水位偏 差。這樣，當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，水位穩(wěn)定值 是靠主調(diào)節(jié)器 PI1 來(lái)維持的， 并不要求 進(jìn)入副調(diào)節(jié)器的蒸汽流量信號(hào)的作用 強(qiáng)度按靜態(tài)配比來(lái)進(jìn)行整定， 卻可以根 據(jù)對(duì)象在外繞下虛假水位的嚴(yán)重程度 來(lái)適當(dāng)加強(qiáng)蒸汽流量信號(hào)的作用強(qiáng)度， 從而改變負(fù)荷擾動(dòng)下的水位控制品質(zhì)。 所以，三沖量系統(tǒng)有很好的控制品質(zhì)。 鍋爐在不同的負(fù)荷和參數(shù)下，其給水被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性是不同的。低負(fù)荷時(shí)，由于 蒸汽參數(shù)低，負(fù)荷變化小，虛假水位現(xiàn)象不太嚴(yán)重，對(duì)維持水位恒定的要求又不太高，所 以允許采用單沖量給水控制系統(tǒng)。 此時(shí)如果采用多種自動(dòng)校正措施， 則會(huì)使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 整定困難，同時(shí)仍然存在誤差。于是出現(xiàn)了低負(fù)荷時(shí)采用單沖量，高負(fù)荷時(shí)采用三沖量的 給水全程控制系統(tǒng)，如圖 3.15 所示。 圖 3.15 單沖量系統(tǒng)與三沖量系統(tǒng)相互切換和跟綜線路 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 圖中 PIl 是低負(fù)荷時(shí)的單沖量給水調(diào)節(jié)器，它只接受經(jīng)過(guò)自動(dòng)校正后（圖中未表示水 位信號(hào)的自動(dòng)校正回路）的水位信號(hào)。高負(fù)荷時(shí)采用串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)，其中 PI2 為主調(diào)節(jié)器，接受水位信號(hào) PI3 為副調(diào)節(jié)器，除接受主調(diào)節(jié)器校正信號(hào)外，還接受蒸汽流 量信號(hào) D 及給水流量信號(hào) W。兩套控制系統(tǒng)的切換是根據(jù)鍋爐負(fù)荷（蒸汽流量）的大小進(jìn) 行的。蒸汽流量信號(hào)送入偏差報(bào)警繼電器 KJ，控制繼電器接點(diǎn) lC 和 3C。當(dāng)單沖量系統(tǒng)運(yùn) 行時(shí)，lC 閉合，3C 斷開。當(dāng)要求三沖量系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，3C 閉合，lC 斷開。系統(tǒng)的切換在 25% 負(fù)荷左右進(jìn)行。為了防止因負(fù)荷波動(dòng)造成系統(tǒng)反復(fù)切換，切換值應(yīng)有 10%的滯環(huán)值，就是 說(shuō)出單沖量系統(tǒng)切換為沖量系統(tǒng)是在 30%負(fù)荷下進(jìn)行的，由三沖量系統(tǒng)切換為單沖量系統(tǒng) 是在 20%負(fù)荷下進(jìn)行的。設(shè)計(jì)跟蹤系統(tǒng)的基本原則是：當(dāng)三沖量系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，要求 PI1 調(diào) 節(jié)器的輸出跟蹤 PI3 調(diào)節(jié)器的輸出；單沖量系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，要求 PI3 調(diào)節(jié)器的輸出跟蹤 PI1 調(diào)節(jié)器的輸出；主調(diào)節(jié)器 PI2 的輸出應(yīng)保證加法器的輸出跟蹤給水流量信號(hào)。 4 給水自動(dòng)控制系統(tǒng)方案 由于在低負(fù)荷是虛假水位現(xiàn)象并不嚴(yán)重，所以僅用簡(jiǎn)單的單沖量就可以達(dá)到控制效 果，并且一般在低負(fù)荷時(shí)都是通過(guò)調(diào)節(jié)小閥來(lái)控制水位，當(dāng)負(fù)荷升高到一定程度，才通過(guò) 調(diào)節(jié)電動(dòng)泵或氣動(dòng)泵來(lái)調(diào)節(jié)給水量，所以現(xiàn)在電廠通常采用的給水控制系統(tǒng)是低負(fù)荷使用 單回路控制，高負(fù)荷使用三沖量控制。即所謂兩段控制，兩段控制方式是指給水控制系統(tǒng) 用兩套獨(dú)立的系統(tǒng)，分別指揮自己的執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)完成給水全程控制的方式。 全程控制的方案有很多，主要有以下幾種： 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 方案一 如圖 4.1 所示。這是一個(gè)兩段調(diào)節(jié)的方案，用改變調(diào)節(jié)閥門的開度來(lái)控制給水 量。低負(fù)荷時(shí)用小閥門單沖量系統(tǒng)（PI1） ，高負(fù)荷時(shí)用大閥門三沖量系統(tǒng)（PI2） 。在兩種 情況下，都用調(diào)節(jié)器 PI3，既保證調(diào)速泵在安全轉(zhuǎn)速內(nèi)工作，又使給水閥門兩端差壓保持 為定值。當(dāng)閥門兩端差壓一定時(shí)，其流量與開度的關(guān)系可以近似成線性關(guān)系，故調(diào)節(jié)性能 較好。但由于高低負(fù)荷都采用閥門調(diào)節(jié)，特別是高負(fù)荷時(shí)節(jié)流損失大，經(jīng)濟(jì)性較差。 方案二 如圖 4.2 所示。這也是一個(gè)兩段調(diào)節(jié)的方案。調(diào)節(jié)器 PI1、PI2 調(diào)節(jié)閥門開度， 控制給水流量，小負(fù)荷采用單沖量系統(tǒng)，大負(fù)荷采用三沖量系統(tǒng)。調(diào)節(jié)器 PI3 保證調(diào)速泵 出口壓力為一定值 Ps（要求 Ps Pb+Hp+ k 2 G） ， （Pb為汽包壓力、Hp為泵出口到汽包的壓 力損失，k 2 G為阻力） ，既保證調(diào)速泵工作在安全區(qū)內(nèi)，同時(shí)又使泵在熱態(tài)啟動(dòng)和冷態(tài)啟動(dòng) 時(shí)有相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。這個(gè)方案結(jié)構(gòu)較方案一簡(jiǎn)單，但仍都采用閥門調(diào)節(jié)，故經(jīng)濟(jì)性仍差。 方案三 如圖 4.3 所示。這個(gè)方案中，低負(fù)荷時(shí)通過(guò)大值選擇器和調(diào)節(jié)器 PI3，使泵運(yùn) 行在安全工作的最低轉(zhuǎn)速 nmin， 通過(guò) PIl 改變閥門開度來(lái)實(shí)現(xiàn)給水量調(diào)節(jié)， 所以這時(shí)為兩段 調(diào)節(jié)。而在高負(fù)荷時(shí)，閥門開到最大，三沖量調(diào)節(jié)器 PI2 的輸出大于 nmin值，故它的輸出 去改變 PI3 的輸出，使泵的轉(zhuǎn)速改變，從而調(diào)節(jié)給水量，所以這時(shí)是一段調(diào)節(jié)。此方案中， 在變負(fù)荷時(shí)用改變泵轉(zhuǎn)速控制給水量，保持水位，經(jīng)濟(jì)性大大改善。但由于有系統(tǒng)、調(diào)節(jié) 段、閥門等三種切換，線路復(fù)雜，不易掌握，可靠性也相應(yīng)下降。 圖 4.1方案系統(tǒng)示意圖 圖 4.2方案二系統(tǒng)示意圖 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 方案四 如圖 4.4 所示。此方案在低負(fù)荷時(shí)用 PI1 調(diào)節(jié)器改變閥門開度來(lái)改變給水量， 保持水位。同時(shí)，使用泵前壓力調(diào)節(jié)器 PI3 控制壓力，既使泵工作在安全工作區(qū)內(nèi)，又保 證安全供水所需的必要的泵出口壓力。在高負(fù)荷時(shí)切到三沖量控制系統(tǒng)，這時(shí)閥門開到最 大，PI2 的輸出直接改變變速泵轉(zhuǎn)速，達(dá)到改變給水量、保持水位的目的。此時(shí)泵負(fù)荷增 大，即自然工作在安全區(qū)內(nèi)，故不需 PI3 再進(jìn)行工作。此方案經(jīng)濟(jì)性好，切換簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn) 方便。但由于系統(tǒng)切換與調(diào)節(jié)段切換是同時(shí)進(jìn)行的，而這兩者的要求又是不同的，往往因 為要滿足一種切換的要求條件而不能滿足另一種切換的要求條件，系統(tǒng)與調(diào)節(jié)段兩種切換 集中在同一時(shí)刻進(jìn)行，危險(xiǎn)性集中，對(duì)安全運(yùn)行不利。 方案五 如圖 4.5 所示。這個(gè)方案中，低負(fù)荷時(shí)采用單沖量系統(tǒng)（PI1） ，高負(fù)荷時(shí)采用 三沖量系統(tǒng)（PI2） ，而且都是通過(guò)改變調(diào)速泵轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)給水量的調(diào)節(jié)。為了保證給水泵 工作在安全工作區(qū)內(nèi)，設(shè)計(jì)了一個(gè)給水泵出口壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)（PI3） ，通過(guò)改變閥門開度來(lái) 改變泵的出口壓力。在給水泵出口和高壓加熱器出口分別取給水壓力信號(hào)送入小值選擇 器。當(dāng)機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，高壓加熱器出口的給水壓力總是低于泵的出口壓力。這時(shí)，應(yīng)選 高壓加熱器出口給水壓力作為壓力測(cè)量值，使泵的實(shí)際工作點(diǎn)在泵下限特性曲線偏左一 些，確保泵工作在安全工作區(qū)內(nèi)。當(dāng)機(jī)組熱啟動(dòng)時(shí)，高壓加熱器出口的給水壓力高于泵的 圖 4.3方案三系統(tǒng)示意圖 圖 4.4方案四系統(tǒng)示意圖 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 出口壓力，小選組件輸出為泵出口壓力，保證泵出口給水壓力升壓過(guò)程中，兩個(gè)調(diào)節(jié)閥門 均處于關(guān)閉狀態(tài)，直到泵出口壓力大于高壓加熱器出口給水壓力時(shí)，才按高壓加熱器出口 的給水壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制兩個(gè)閥門的開度。這個(gè)方案結(jié)構(gòu)合理，經(jīng)濟(jì)性好，切換較簡(jiǎn)單， 安全可靠性也較好。不足之處是壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)和水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)互相影響，同時(shí)兩個(gè)系統(tǒng)切 換動(dòng)作頻繁，使調(diào)節(jié)閥磨損較快。 方案六如圖 4.6 所示。這是一個(gè)一段調(diào)節(jié)的方案，在低負(fù)荷時(shí)采用 PI1 單沖量系 統(tǒng)，這時(shí)調(diào)速泵由大值選擇器的輸出（GH1）值來(lái)控制，使泵維持在允許的最低轉(zhuǎn)速。此 時(shí)給水量是通過(guò)改變調(diào)節(jié)閥開度來(lái)調(diào)節(jié)的。高負(fù)荷時(shí)，閥門開到最大，為了減小阻力，把 并聯(lián)的調(diào)節(jié)閥也開到最大，三沖量調(diào)節(jié)器 PI2 的輸出大于 GH1 的值，故可直接改變調(diào)速泵 轉(zhuǎn)速控制給水量。 在冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)，GH1 起作用，即讓泵工作在最低轉(zhuǎn)速。在熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)取決于 Pb值， 泵可以直接工作在較高的轉(zhuǎn)速。 這個(gè)方案中沒有專門設(shè)計(jì)泵出口壓力安全調(diào)節(jié)系統(tǒng)，解決給水泵在安全工作區(qū)的辦法 是利用調(diào)速泵運(yùn)行的自然特性，即在定壓運(yùn)行時(shí)用兩臺(tái)泵同時(shí)給水的方法，使每臺(tái)泵的負(fù) 荷不超過(guò) 86%，這樣泵就自然工作在安全區(qū)內(nèi)。 這個(gè)方案結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，系統(tǒng)和調(diào)節(jié)段兩種切換互相錯(cuò)開，Pb是開環(huán)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)段是無(wú) 觸點(diǎn)自由過(guò)渡，安全性能好，是一個(gè)好方案。 圖 4.5方案五系統(tǒng)示意圖 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 由以上分析可以看出，方案四、五、六都是較好的方案，特別是方案五、六，優(yōu)點(diǎn)更 多些。 5 給水全程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5.1 全程給水系統(tǒng)說(shuō)明 全程給水 sama 圖見附錄 邏輯信號(hào)說(shuō)明 邏輯信號(hào) 1：給水手動(dòng)或負(fù)荷30%，PID3 跟蹤 邏輯信號(hào) 2：當(dāng) 1PI 處于跟蹤狀態(tài)時(shí)，給水手動(dòng)并且旁閥開度90%，PID1 跟蹤信號(hào) V；否則跟蹤 A 泵和 B 泵中轉(zhuǎn)速較大的值。 邏輯信號(hào) 3：給水手動(dòng)或負(fù)荷30%，PID2 跟蹤。 邏輯信號(hào) 4：給水手動(dòng)或負(fù)荷30%，PID1 跟蹤。 圖 4.6方案六系統(tǒng)示意圖 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 邏輯信號(hào) 5：旁閥雙回路跟蹤時(shí)，將接通旁閥位置反饋信號(hào)；否則，接通手動(dòng)給定值。 邏輯信號(hào) 6：旁閥雙回路跟蹤或手動(dòng)時(shí)，接通反饋值；否則，接通控制信號(hào)。 邏輯信號(hào) 7：給水手動(dòng)時(shí)，接通 A 泵轉(zhuǎn)速反饋值；否則，接通控制信號(hào) PID2 輸出。 邏輯信號(hào) 8：A 泵雙回路跟蹤時(shí)，接通 A 泵轉(zhuǎn)速反饋值；否則，接通手動(dòng)給定值。 邏輯信號(hào) 9：A 泵手動(dòng)時(shí)，接通轉(zhuǎn)速反饋值或者手動(dòng)給定值；否則，接通控制信號(hào)。 邏輯信號(hào) 10：A 泵轉(zhuǎn)速信號(hào)反饋值與給定值偏差太大時(shí)報(bào)警。 邏輯信號(hào) 12：B 泵雙回路跟蹤時(shí)，接通 B 泵轉(zhuǎn)速反饋值；否則，接通手動(dòng)給定值。 邏輯信號(hào) 13：B 泵手動(dòng)時(shí)，接通轉(zhuǎn)速反饋值或者手動(dòng)給定值；否則，接通控制信號(hào)。 邏輯信號(hào) 14：A 泵轉(zhuǎn)速信號(hào)反饋值與給定值偏差太大時(shí)報(bào)警。 控制系統(tǒng)的跟蹤與切換 當(dāng)負(fù)荷小于 30%時(shí)， 采用單回路輸出信號(hào)來(lái)控制閥門開度， 此時(shí)三沖量主調(diào)節(jié)器 PID1 跟蹤總給水流量與主蒸汽流量 SW 之差，三沖量副調(diào)節(jié)器 PID2 的輸入信號(hào)即為 0，PID2 輸出跟蹤單回路控制器 PID3 的輸出，并產(chǎn)生控制信號(hào)去控制閥門和電泵。 當(dāng)負(fù)荷增加到 30%后，采用三沖量進(jìn)行控制此時(shí)，PID1 停止跟蹤，該將水位給定值 H 和測(cè)量值進(jìn)行偏差運(yùn)算并進(jìn)行調(diào)節(jié)，其結(jié)果經(jīng)過(guò)高低限幅運(yùn)算與主蒸汽流量一同送入副調(diào) 節(jié)器 PID2，此時(shí) PID2 也停止跟蹤，進(jìn)行調(diào)節(jié)工作，輸出控制信號(hào)。由于在負(fù)荷30%時(shí)， PID2 的輸出是跟蹤 PID3 的，所以切換是無(wú)擾動(dòng)的。PID3 這時(shí)轉(zhuǎn)為跟蹤 PID2 輸出的控制 信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)由三沖量向單沖量的切換也能無(wú)擾進(jìn)行。 泵和閥門的運(yùn)行 從 3PI 輸出的控制信號(hào)經(jīng)過(guò) f1(x)運(yùn)算后，轉(zhuǎn)化為使旁閥開度在 0100%時(shí)，符合可以 從 030%變化的信號(hào)。并由位置變送器 ZT 將旁閥位置反饋回來(lái)，如果反饋值和位置信號(hào) 相差過(guò)大，則出現(xiàn)旁閥閥位偏差報(bào)警。 3PI 的輸出經(jīng)過(guò) f2(x)運(yùn)算后變?yōu)榭梢栽?0100%負(fù)荷調(diào)節(jié)給水量的信號(hào)去控制 A 泵轉(zhuǎn) 速。該信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)低限幅模塊后，在符合小于 30%時(shí)，不動(dòng)作，電泵維持在最低轉(zhuǎn)速。 只有當(dāng)負(fù)荷升高到一定程度，控制信號(hào)經(jīng) f2(x)運(yùn)算后大于給定值時(shí)，才能作為泵的轉(zhuǎn)速給 定值去控制泵的給水流量。同時(shí)，轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置會(huì)將泵的轉(zhuǎn)速反饋回來(lái)，若和給定值偏差 過(guò)大，則會(huì)出現(xiàn) A 泵轉(zhuǎn)速偏差報(bào)警。B 泵同理。 手/自動(dòng)切換問題 當(dāng)給水手動(dòng)控制時(shí)，也存在跟蹤問題。PID3 在手動(dòng)并且旁閥開度大于 30%時(shí)，會(huì)跟蹤 A 泵和 B 泵轉(zhuǎn)速信號(hào)中的較大值， 在手動(dòng)并且旁閥開度小于 30%時(shí)， 會(huì)跟蹤旁閥位置信號(hào)。 此時(shí)，PID2 跟蹤 PID3 的輸出信號(hào)。PID1 跟蹤給水流量與蒸汽流量 SW 之差，當(dāng)旁閥硬手 操時(shí)，則處于雙回路跟蹤狀態(tài)，這時(shí)控制信號(hào)直接跟蹤旁閥位置變送器的輸出值。如果旁 閥處于手動(dòng)，則跟蹤手動(dòng)給定值。A 泵和 B 泵同理。由于這些跟蹤，使得在手/自動(dòng)切換時(shí) 得以無(wú)擾進(jìn)行。 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 6 仿真及整定 采用的仿真軟件為 MATLAB，在其 Simulink 工具箱中搭建仿真框圖進(jìn)行仿真。 6.1 子系統(tǒng)仿真 搭建單回路仿真框圖如圖 6.1： 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 圖 6.1 單回路仿真框圖 其中， 1 2 1 ( ) 58 w Gs ss 為給水流量在低負(fù)荷時(shí)對(duì)汽包水位的傳遞函數(shù)。 經(jīng)整定得 P= 5 ，I=0.4 系統(tǒng)在給定值擾動(dòng)下的階躍響應(yīng)曲線如圖 6.2： 圖 6.2 單回路系統(tǒng)在給定值單位階躍擾動(dòng)下的響應(yīng)曲線 指標(biāo)超調(diào)量衰減率調(diào)節(jié)時(shí)間穩(wěn)態(tài)誤差 結(jié)果30%90%103s0 搭建串級(jí)三沖量