MW火電機組給水控制系統(tǒng)的設計要點

1、目錄1選題背景 .21.1引言 .21.2設計目的及要求 .22方案論證 .32.1方案一 .32.2方案二 .43過程論述 .53.1總體設計 .53.2詳細設計 .63.2.1信號的測量部分 .63.2.2單沖量控制方式 .103.2.3串級三沖量控制方式 .113.3信號監(jiān)測 .123.3.1給水旁路調(diào)節(jié)閥控制強制切到手動.123.3.2電動給水泵強制切到手動.133.3.3汽動給水泵強制切到手動.133.4工作方式 .133.5切換與跟蹤 .133.5.1切換 .133.5.2跟蹤 .143.6控制器選型 .144結(jié)論.145課程設計心得體會 .156參考文獻 .151 選題背景：1.

2、1 引言火電廠在我國電力工業(yè)中占有主要地位， 大型火力發(fā)電機組具有效率高， 投資省，自動化水平高等優(yōu)點， 在國內(nèi)外發(fā)展很快， 如今隨著科技的進步， 大型火力發(fā)電廠地位顯得尤為重要。 但由于其內(nèi)部設備組成很多， 工藝流程的復雜， 管道縱橫交錯，有上千個參數(shù)需要監(jiān)視、 操作和控制， 這就需要有先進的自動化設備和控制系統(tǒng)使之正常運行， 并且電能生產(chǎn)要求高度的安全可靠和經(jīng)濟性。 大型發(fā)電單元機組是一個以鍋爐， 高壓和中、 低壓汽輪機和發(fā)電機為主體的整體。 鍋爐作為電廠中的一個重要設備， 起著重要的作用， 根據(jù)生產(chǎn)流程又可以分為燃燒系統(tǒng)和汽水系統(tǒng)。其中，汽包鍋爐給水及水位的調(diào)節(jié)已經(jīng)完全采用自動的方式加以

3、控制。給水全程控制系統(tǒng)是一個能在鍋爐啟動、 停爐、低負荷以及在機組發(fā)生某些重大事故等各種不同的工況下， 都能實現(xiàn)給水自動控制的系統(tǒng)而且從一種控制狀態(tài)到另一種控制狀態(tài)的判斷、轉(zhuǎn)換、故障檢測也常?？肯到y(tǒng)本身自動完成。1.2 設計目的及要求本次課程設計的要求是根據(jù)大型火電機組的生產(chǎn)實際設計出功能較為全面的300 MW火電機組全程給水控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)的設計任務是使給水量與鍋爐的蒸發(fā)量相適應，維持汽包水位在規(guī)定的范圍內(nèi)。設計要求：(1) 設計功能基本全面的全程給水控制系統(tǒng)，要求圖紙采用 SAMA標準圖例，系統(tǒng)布局規(guī)范。(2) 參考輸入?yún)?shù)：汽包水位、汽包壓力、給水流量、給水溫度、汽機第一級壓力、主汽

4、溫度、過熱減溫水流量等信號。(3) 參考輸出參數(shù)： A 、B 汽動泵轉(zhuǎn)速、 電動給水泵轉(zhuǎn)速、 給水旁路調(diào)節(jié)閥開度。(4) 信號準確性：考慮汽包水位、給水流量和蒸汽流量等信號的修正。信號監(jiān)測與報警：重要信號需要監(jiān)測與報警，同時注意信號的可靠性，(5) 考慮冗余。(6) 工作方式：給水旁路閥單沖量控制、電動泵單級單沖量控制、電動泵串級三沖量控制、汽動泵串級三沖量控制。(7) 切換與跟蹤：電動泵運行時大小給水閥門、電動泵、汽動泵之間；單、三沖量；單、串級之間的切換。跟蹤原則：(1) 電動泵單級單沖量工作時，電動泵三沖量副調(diào)跟蹤單沖量調(diào)節(jié)器輸出；(2) 電動泵三沖量工作時，單沖量調(diào)節(jié)器跟蹤閥位信號（電

5、動泵手動） ；(3) 電動泵手動時， 單沖量調(diào)節(jié)器跟蹤副調(diào)輸出（電動泵自動） ；(4) 汽動泵手動工作時，三沖量主調(diào)跟蹤給水流量信號，副調(diào)跟蹤閥位信號。(5) 注意泵的安全經(jīng)濟工作區(qū)。(6) 控制部分：控制方案考慮采用單回路、串級、前饋等控制，控制器的控制規(guī)律（ PI 、 PID、PD、P）選擇準確，調(diào)節(jié)器可共用。(7) 邏輯關(guān)系準確全面。2 方案論證2.1 方案一給系統(tǒng)設計如圖 1。在這個方案中，低負荷時采用但沖量系統(tǒng)（ PI1 ）高負荷時采用三沖量系統(tǒng) （ PI2 ），而且都是通過改變調(diào)速泵轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)給水的調(diào)節(jié)。 為了保證給水泵工作在安全工作區(qū)內(nèi)，設計了一個給水泵出口壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)（ PI3

6、 ），通過改變閥門開度來改變泵的出口壓力。 高壓加熱器出口分別取給水壓力信號送入小值選擇器。 當機組正常運行時， 高壓加熱器出口的給水壓力總是低于泵的出口壓力。這時，應選高壓加熱器出口給水壓力作為壓力測量值， 使泵的實際工作點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)。 當機組熱態(tài)啟動時，高壓加熱器出口的給水壓力高于泵的出口壓力， 小組選件輸出為泵出口壓力， 保證泵出口給水壓力升壓過程中， 兩個調(diào)節(jié)閥門均處于關(guān)閉狀態(tài)， 直到泵出口壓力控制大于高壓加熱器出口給水壓力時才按高壓加熱器出口的給水壓力進行調(diào)節(jié)，兩個閥門開度。1 方案一系統(tǒng)示意圖圖 這個方案結(jié)構(gòu)合理， 經(jīng)濟性好，切換較簡單，

7、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， 同時兩個系統(tǒng)切換動作頻繁，使調(diào)節(jié)閥磨損較快。2.2 方案二如圖 2 所示。這是一個一段調(diào)節(jié)的方案，在低負荷時采用 PI1 單沖量系統(tǒng)， GH1 值經(jīng)大值選擇器來控制調(diào)速泵， 是泵維持在允許的最低轉(zhuǎn)速。 此時給水量是通過改變調(diào)節(jié)閥開度來調(diào)節(jié)的。高負荷時，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)啟動時， GH1起作用，既讓泵工作在最低轉(zhuǎn)速。在熱態(tài)啟動時取決于 Pd 值，泵可以直接工作在較高的轉(zhuǎn)速。 該方案中午專門設計泵的出口壓力安全

8、調(diào)節(jié)系統(tǒng)，解決給水泵在安全工作取得辦法是利用調(diào)速泵運行的自然特性， 即在定壓運行使用兩臺泵同時給水地方法，使每臺泵的負荷不超過 86%，可使泵工作在安全區(qū)內(nèi)。2 方案系統(tǒng)示意圖圖該方案結(jié)構(gòu)最簡單， 系統(tǒng)和調(diào)節(jié)段兩種切換相互錯開，Pd 是開換調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)段是無觸點自由過度，安全性能好，是一個好方案。3 過程論述3.1 總體設計典型的 300MW機組給水熱力系統(tǒng)如圖 3 所示。每臺機組拍有一臺 50%容量的電動給水泵和兩臺均為 50%容量的啟動給水泵。在機組啟動階段，由于需要的給水流量小，且沒有穩(wěn)定的汽源，汽動給水泵無法使用，故先用電動給水泵。為滿足機組啟動過程中最小控制流量的需要， 在電動泵出口至

9、水母管之間裝有兩條并聯(lián)的管路，一條支路上裝有主給水截止閥， 另一條之路上裝有給水旁路截止閥和一只約 15%容量的給水旁路調(diào)節(jié)閥。啟動時通過給水旁路調(diào)節(jié)閥控制汽包水位，旁路閥接近全開時， 打開主給水截止閥， 調(diào)整電動給水泵的轉(zhuǎn)速控制器包水位， 電動給水泵轉(zhuǎn)速通過液力耦合器調(diào)整。 兩臺汽動給水泵由給水泵汽輪機驅(qū)動， 給水泵汽輪機電液控制系統(tǒng)（ MEH）接受鍋爐給水控制系統(tǒng)的指令，獨立完成汽動給水泵的轉(zhuǎn)速控制任務。給水全程控制系統(tǒng)通常采用變結(jié)構(gòu)控制， 隨負荷變化進行單沖量和三沖量控制方式的切換，同時，給水泵的運行方式以及控制作用方式也進行相應的切換。 需設計較為復雜的跟蹤回路，以實現(xiàn)系統(tǒng)之間的勿擾切

10、換。通常的設計原則為：在單沖量調(diào)節(jié)器工作 ( 低負荷 ) 時，三充量調(diào)節(jié)器的主調(diào)跟蹤給水流量信號， 副調(diào)跟蹤閥位信號；在三沖量調(diào)節(jié)器工作 （高負荷）時，單沖量調(diào)節(jié)器跟蹤閥位信號。機組給水熱力系統(tǒng)圖3 300MW 圖 3.2 詳細設計汽包水位決定于汽包中的儲水量和水面下的氣泡容積。 因此凡是引起汽包中儲水量變化和水面下的氣泡容積變化的各種因素都是給水控制對象的擾動， 給水對象的主要擾動包括： 給水流量擾動、 蒸汽負荷擾動和爐膛熱負荷擾動。 為了實現(xiàn)全程給水控制，需要設計的系統(tǒng)要克服以上的擾動。信號的測量部分鍋爐從啟動到正常運行或是從正常運行到停爐的過程中， 蒸汽參數(shù)和負荷在很大的范圍內(nèi)變化，這就

11、使水位、給水流量和蒸汽流量的測量準確性受到很大影響。為了實現(xiàn)全程給水自動控制， 要求這些測量信號能夠自動的進行溫度、 壓力校正。測量信號自動校正的基本方法是： 先推導出被測參數(shù)隨溫度， 壓力變化的數(shù)學關(guān)系，然后利用各種功能模塊進行運算，實現(xiàn)自動控制。（ 1）汽包水位的測量和校正汽包鍋爐通常利用壓差原理來測量其水位，而鍋爐從啟、停到正常負荷的整個運行范圍內(nèi)，汽包內(nèi)飽和蒸汽和飽和水密度隨壓力變化，這樣就不能直接用壓 差信號來代表水位，需對測量信號進行壓力校正。 由單室平衡容器取樣裝置的水位測量原理可知：?g?)L(P?（ 1） sa ?H?)?(gs w ?為飽和蒸汽式中： 為輸入差壓變送器的壓差

12、； 為飽和水的密度；P?s w?為汽包外平衡容器內(nèi)水的密度；g 的密度；是重力加速度。a?與環(huán)境溫度有關(guān)。是差壓和汽、水密度的函數(shù)。密度有上式可見，水位Ha ?的影響基本上可以抵消，在鍋爐啟動過程中，水溫略有升高，這兩方面變化對a ?是恒值。飽和水和飽和蒸汽的密度均為汽包壓力的函數(shù)，既可以近似的認為a ?）與汽包壓力可近似為線性關(guān)系， 19.6MPa在汽包壓力小于的范圍內(nèi)， （ sa ?）與汽包壓力為非線性關(guān)系。這樣水位表達式可寫成：而（s wK?KP?Pb 12H?（ 2） f (P)bb 由以上校正原理，可設計汽包水位的測量部分如圖4。為了提高測量的準確性，采用三路汽包水位測量信號分別經(jīng)過

13、壓力補償，采取“三取中”的方法。選取中間值作為系統(tǒng)控制使用的汽包水位測量信號 H。為防止變送器故障，將信號 H 分別與三路補償后的水位信號進行比較， 如果偏差值超限， 產(chǎn)生高低值報警的邏輯信號，使系統(tǒng)切手動，同時發(fā)出聲光報警，待故障切除后，系統(tǒng)才正常工作。汽包水位測量信號4 圖）蒸汽流量的測量和校正2（但當被測這種設計的測量精度高，采用標準節(jié)流裝置測量過熱蒸汽流量。所以需進工質(zhì)密度變化會造成流量測量誤差，工質(zhì)的壓力、溫度偏離設計值時， 的校正公式如下：行壓力、溫度校正。蒸汽流量 D（3）為節(jié)為過熱蒸汽壓力；為過熱蒸汽溫度， p 式中： D為過熱蒸汽流量 ; p 為過熱蒸汽密度； K 是流量系數(shù)

14、。流件壓差；采用節(jié)流裝置測利用汽輪機調(diào)節(jié)級后壓力或級組壓力差測量主蒸汽流量。目前大容量火電機組多量蒸汽流量會造成一定的節(jié)流損失，降低機組的經(jīng)濟性， 采用汽輪機調(diào)節(jié)級后壓力或級組壓力差測量主蒸汽流量。采用汽輪機調(diào)節(jié)級后壓力測量主蒸汽流量的基本理論公式是弗留格爾公式：p 1K?D （4）T1 為調(diào)節(jié)級后 p1、T1 式中： K 為當量比例系數(shù)，由汽機類型和設計工況確定；在調(diào)節(jié)級后各通流部該式成立的條件是：調(diào)節(jié)級后流通面積不變；氣壓和汽溫。實際汽輪機運在不同流量條件下，流動過程相同。分的汽壓均比例于蒸汽流量；即使測得也不能行中不能完全滿足上訴條件，同時不易直接測量調(diào)節(jié)級后汽溫，代表調(diào)節(jié)級后的平均氣溫

15、， 一次一般用主汽參數(shù)相關(guān)的量推算級后溫度。其導出用壓力機組前后壓力測量主蒸汽流量的方法也是基于弗留格爾公式，22pp ?21KD?形式為：）（5力級后的壓力。2 ，T1T2 推算由于調(diào)節(jié)級后溫度1 T1p式中：為第一壓T1 難以測量，可通過測量第一級抽汽溫度T?KT 根據(jù)2T122pp ?21?D（6）則 KT2 主蒸汽流量信號如圖五， 由以上校正原理可設計主蒸汽流量信號測量部分。 的獲取采用了兩種方法： 一種是采用汽輪機就調(diào)節(jié)級壓力經(jīng)主氣溫修正后形成主蒸汽流量 D；另一種方法是采用調(diào)節(jié)級壓力和一級抽汽壓力經(jīng)主汽溫修正后形成主蒸汽流量 D，當高壓旁路投入時，主蒸汽流量信號還要加上旁路蒸汽流量

16、。主蒸汽流量測量信號圖5（ 3）給水流量信號的測量和校正計算表明：當給水溫度為 100 攝氏度時，壓力在 0.19619.6MPa 范圍內(nèi)變化時，給水流量的測量誤差為 0.47%；壓力 19.6MPa不變，給水溫度在 100290攝氏度范圍內(nèi)變化時，給水流量的測量誤差為 13%。也就是說，對給水流量的測量只需采取溫度校正。給水流量測量信號如圖六。 省煤器前給水流量的測量值經(jīng)給水溫度修正后， 匯總過熱器一、二級減溫器的噴水量和鍋爐連續(xù)排污流量后， 形成控制使用的給 。W水流量測量信號給水流量測量信號6 圖 單沖量控制方式在單沖量給水控制系統(tǒng)中， 是一個只采用汽包水位信號和一個調(diào)節(jié)器的反饋控制系統(tǒng)

17、。系統(tǒng)中，水位信號經(jīng)平衡容器轉(zhuǎn)換成差壓， 再經(jīng)差壓變送器轉(zhuǎn)換成電信號。當汽包水位發(fā)生變化時，如水位下降，則差壓增加，電信號增大，調(diào)節(jié)器的輸入偏差變大，經(jīng)過控制器運算，產(chǎn)生的輸出信號作用到執(zhí)行機構(gòu)， 使閥門開度變大，給水流量增加，水位回升，差壓減小，使調(diào)節(jié)器的輸入變差減小。當偏差逐步消失時，調(diào)節(jié)器的輸出不再變化，實現(xiàn)了無差調(diào)節(jié)。單沖量給水控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單， 但對于內(nèi)繞延遲大， 外擾有明顯虛假水位， 存在一定的不足， 在低負荷階段， 由于鍋爐疏水和排污等因素的影響， 使給水流量和蒸汽流量存在著嚴重的不平衡， 且流量太小， 測量誤差較大， 低負荷時的汽包壓力低且虛假水位也不嚴重，在機組啟、停及低負荷

18、運行工況，采用單沖量控制。單沖量控制系統(tǒng)如圖七所示。通過單沖量調(diào)節(jié)器 PI1 控制給水旁路閥和電動泵。給水旁路閥及每臺給水泵操作回路均配有手動 / 自動（M/A）操作站。汽包水位測量值 H 與汽包水位設定值進行比較，其偏差經(jīng)單沖量調(diào)節(jié)器、切換器、比例器K2 和 M/A操作站去控制給水旁路調(diào)節(jié)閥， 此時電動泵保持一定轉(zhuǎn)速， 以滿足時，自動打開主給 95%啟動和低負荷下給水流量的需求。當旁路調(diào)節(jié)閥開度大于水電動門，電動泵可進入自動方式運行。 此階段仍采用單沖量控制方式， 單沖量調(diào)節(jié)器 PI1 和 M/A 操作站控制電動給水泵轉(zhuǎn)速， 以維持其包水位， 由于采用旁路閥水位控制系統(tǒng)與電動泵轉(zhuǎn)速水位控制系

19、統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)不同， 采用了不同的比例系數(shù) K1 和 K2。單沖量控制方式7 圖 串級三沖量控制方式本次設計中，在負荷大于 30%時，采用串級三沖量控制方案，該水系統(tǒng)有主、副兩個調(diào)節(jié)器和三個沖量（汽包水位、蒸汽流量、給水流量）構(gòu)成。于單級三沖量相比，該系統(tǒng)多采用了一個調(diào)節(jié)器，兩個調(diào)節(jié)器分工明確、串聯(lián)工作。主調(diào)節(jié)器 PI2 根據(jù)水位偏差產(chǎn)生給水流量校正信號。 系統(tǒng)中電動泵副調(diào)節(jié)器 PI3 和氣動泵副調(diào)節(jié)器 PI4 共用一個主調(diào)節(jié)器 PI2 。系統(tǒng)控制方式如圖八。在給水流量和蒸汽流量信號測量可靠，且蒸汽流量大于或等于30%時，系統(tǒng)可切換到三沖量控制方式。這是一個以汽包水位為主信號，以蒸汽流量為控制信

20、號，一給水流量為反饋信號的串級三沖量控制系統(tǒng)。三沖涼主調(diào)節(jié)器輸出加上蒸汽流量信號 D 作為副調(diào)節(jié)器的給定信號，給水流量W是反饋信號。在負荷由30%繼續(xù)升到 100%滿負荷階段，均采用串級三沖量控制方案。在氣動泵未運行前，采用電動泵控制給水流量，三沖量主調(diào)PI2 和電動泵副調(diào)PI3 構(gòu)成串級三沖量電動控制方式。當負荷繼續(xù)升高到30%40%時，氣動泵小汽機開始沖轉(zhuǎn)、升速，當氣動泵轉(zhuǎn)速進一步上升、氣動泵流量逐步提高，電動泵流量逐漸下降后，可投入氣動泵自動， 使電動泵退回到手動。 當負荷升到 40%50% 時，啟動第二臺氣動泵運行。 這時，三沖量主調(diào) PI2 和氣動泵副調(diào) PI4 構(gòu)成串級三沖量氣動泵

21、控制方式， MEH系統(tǒng)以氣動泵轉(zhuǎn)速控制信號控制小汽機轉(zhuǎn)速。串級控制系統(tǒng)圖圖83.3信號監(jiān)測給水旁路調(diào)節(jié)閥控制強制切到手動當出現(xiàn)下列情況之一時，給水旁路調(diào)節(jié)閥控制強制切到手動：(1) 汽包水位設定值與實際值偏差大；(2) 汽包水位信號故障；(3) 汽包壓力信號故障；(4) 給水旁路調(diào)節(jié)閥控制指令與反饋偏差大；(5) 選擇電泵控制水位信號；(6) 給水旁路調(diào)節(jié)閥前截止閥關(guān)閉；(7) 給水旁路調(diào)節(jié)閥后截止閥關(guān)閉。 電動給水泵強制切到手動當出現(xiàn)下列情況之一時，電動給水泵強制切到手動：(1) 汽包水位設定值與實際值偏差大；(2) 汽包水位信號故障；(3) 電泵未運行；(4) 電泵入口流量信號故障；(5)

22、 三沖量調(diào)節(jié)時，給水流量信號故障；(6) 三沖量調(diào)節(jié)時，過熱器噴水流量信號故障；(7) 三沖量調(diào)節(jié)時，蒸汽流量信號故障；(8) 電泵轉(zhuǎn)速指令與反饋偏差大；(9) 電泵入口流量指令與反饋偏差大。汽動給水泵強制切到手動汽動給水泵和電動給水泵切手動條件基本相同，具體可見邏輯圖。3.4 工作方式給水旁路閥單沖量控制、 電動泵單級單沖量控制、 電動泵串級三沖量控制、 汽動泵串級三沖量控制。3.5 切換與跟蹤切換在機組啟、停及低負荷運行工況（機組負荷 <X%時， X 由電廠自定，一般為 30），采用電動泵單沖量控制， 當機組負荷 >X%時，先轉(zhuǎn)為電動泵串級三沖量控制， 后轉(zhuǎn)為氣動泵串級三沖量控

23、制。 跟蹤跟蹤原則為：(1) 電動泵單級單沖量工作時，電動泵三沖量副調(diào)跟蹤單沖量調(diào)節(jié)器輸出；(2) 電動泵三沖量工作時，單沖量調(diào)節(jié)器跟蹤閥位信號（電動泵手動） ；(3) 電動泵手動時， 單沖量調(diào)節(jié)器跟蹤副調(diào)輸出（電動泵自動） ；(4) 汽動泵手動工作時，三沖量主調(diào)跟蹤給水流量信號，副調(diào)跟蹤閥位信號3.6 控制器選型均選 PID 控制器。根據(jù)需要可將積分時間置無窮或?qū)⑽⒎謺r間置零。4 結(jié)論經(jīng)過這段時間的學習， 答疑，以及資料查詢， 能夠部分理解了 300MW發(fā)電廠的給水控制系統(tǒng)工藝流程。 給水全程自動控制系統(tǒng)是指對鍋爐的給水量在機組正常運行、負荷變化以及啟停過程中均能進行自動控制的系統(tǒng)。 顯然，給水全程控制系統(tǒng)要比常規(guī)給水控制系統(tǒng)復雜。 汽包鍋爐給水自動控制的任務是維持汽包水位在一定的范圍內(nèi)變化。 隨著鍋爐參數(shù)的提高和容量的擴大， 對給水控制提出了更高要