200MW鍋爐給水DCS控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上目錄第1章 緒論1.1課題的背景與意義給水全程控制系統(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，其可靠運(yùn)行直接關(guān)系到整個安全系統(tǒng)的安全問題。汽包水位是汽包鍋爐非常重要的運(yùn)行參數(shù)，同時它還是衡量鍋爐汽水系統(tǒng)是否平衡的標(biāo)志。維持汽保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。水位過高會影響汽水分離器的正常運(yùn)行，蒸汽品質(zhì)變壞，使過熱器過熱器管壁和汽輪機(jī)葉片結(jié)構(gòu)。嚴(yán)重時，會導(dǎo)致蒸氣帶水，造成汽輪機(jī)水沖擊而損壞設(shè)備。水位過低會破壞水循環(huán)，嚴(yán)重時將引起水冷壁管道破裂。此及時而準(zhǔn)確地把水位控制在允許的范圍之內(nèi)，并能適應(yīng)各種工況的運(yùn)行，是保證機(jī)爐安全運(yùn)行的重要條

2、件。1.1.1鍋爐給水控制的任務(wù) 使鍋爐的給水量適應(yīng)鍋爐的蒸發(fā)量，維持汽包水位在規(guī)定的范圍內(nèi)，同時保持穩(wěn)定的給水流量。具體要求：（1）維持汽包水位在規(guī)定的范圍內(nèi)。（2）保持穩(wěn)定的給水流量。1.1.2動態(tài)特性分析汽包水位是由汽包中儲水量和水下面的汽包容積決定的，因此凡是引起汽包中儲水量變化和水下面的汽包容積的變化的各種因素都是給水控制對象的擾動。其中主要的擾動有：給水流量W、鍋爐蒸發(fā)量D、汽包壓力Pb、爐膛熱負(fù)荷等。給水控制對象的動態(tài)特性是指上述引起水位變化的各種擾動與汽包水位間的動態(tài)關(guān)系。給水流量擾動下水位的動態(tài)特性 給水流量是調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)所改變的控制量，給水流量擾動是來自控制側(cè)的擾動，又稱內(nèi)擾。

3、給水流量擾動下水位的階躍響應(yīng)曲線如圖圖 給水流量階躍擾動下水位響應(yīng)曲線當(dāng)給水流量階躍增加W后，水位H的變化如圖曲線H所示。水位控制對象的動態(tài)特性表現(xiàn)為有慣性的無自平衡能力的特點(diǎn)。當(dāng)給水流量突然增加后，給水流量雖然大于蒸汽流量，但由于給誰溫度低于汽包內(nèi)飽和水的溫度，給誰吸收了原有飽和水中的部分熱量使水面下汽包容積減少，實(shí)際水位響應(yīng)曲線可視為H1和H2兩條曲線疊加而成，所以擾動初期水位不會立即增高，當(dāng)水面下汽包容積的變化逐漸平衡，水位就反映出由于汽包中儲水量的增加而逐漸上升的趨勢，最后當(dāng)水面下汽包容積不再變化時，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。這種特性可有下列近似傳遞函數(shù)表示

4、：由此可見，隨著鍋爐容量的增大和參數(shù)的提高，水位內(nèi)擾特性的遲延時間減少，響應(yīng)速度也略有下降，對水位H的控制是有利的。但按鍋爐容量的增大來計(jì)算響應(yīng)速度，則得到的相對速度逐漸增大，說明隨著鍋爐容量和參數(shù)的提高，對水位H控制的要求也越高。蒸汽流量擾動下水位的動態(tài)特性蒸汽流量擾動主要來自汽輪發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷變化，屬外部擾動。在蒸汽流量D擾動水位變化的階躍響應(yīng)曲線如圖。當(dāng)蒸汽流量突然階躍增大時，從而使水位升高，因蒸發(fā)強(qiáng)度的增加是有一定限度的，故汽包容積增大而引發(fā)的水位變化可用慣性環(huán)節(jié)特性倆描述，如圖中H2曲線所示，實(shí)際的水位變化曲線H則為H1和H2的合成，由圖可以看出，當(dāng)鍋爐蒸汽負(fù)荷變化時，汽包水位的變化

5、具有特殊形式：當(dāng)負(fù)荷突然增加時，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，反之亦然。這種現(xiàn)象成為“虛假水位”現(xiàn)象。這是因?yàn)樵谪?fù)荷變化的初期階段，水面下汽包的體積變化很快，他對水位的變化起主要影響作用的緣故，因此水位隨汽包體積增大而上升。只有當(dāng)汽包體積與負(fù)荷適應(yīng)而不再變化時，水位的變化就僅由物質(zhì)平衡關(guān)系來決定，這是水位就隨負(fù)荷增大而下降，呈無自平衡特性。蒸汽流量擾動下的水位響應(yīng)特性可用下屬近似傳遞函數(shù)表示：圖 蒸汽流量階躍擾動下水位響應(yīng)曲線爐膛熱負(fù)荷擾動下水位的動態(tài)特性當(dāng)燃料量擾動時，例如燃料量增加使?fàn)t膛熱負(fù)荷增加，從而使鍋爐蒸發(fā)量增大，若此時汽輪機(jī)負(fù)荷未增加，則汽

6、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包容積增大，因此也會出現(xiàn)虛假水位現(xiàn)象。燃料量擾動下的水位階躍響應(yīng)曲線如圖，由圖可看出，這種擾動下的“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汽壓也增大了，因而使汽包體積的增加比蒸汽流量擾動時要小，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滯，如圖虛線所示，這就導(dǎo)致遲延時間較長。圖 燃燒量擾動下的水位特性對汽包水位的第四種擾動是汽包壓力的變化，汽包壓力對汽包水位的影響是通過汽包內(nèi)部汽水系統(tǒng)在壓力升高時“自凝結(jié)過程

7、”和壓力降低時的“自蒸發(fā)”過程起作用的。上述四種擾動在鍋爐運(yùn)行中可能經(jīng)常發(fā)生，給水流量擾動作為內(nèi)部擾動，汽包水位對其影響的動態(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擾動作為外部擾動，會造成水位波動。蒸汽流量D和燃料量B的變化時產(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信號作為前饋信號，以改善外部擾動時的控制品質(zhì)，而這也是目前大型鍋爐給水控制系統(tǒng)采用三沖量的根本原因。1.2給水控制系統(tǒng)中需要注意的問題1.2.1對測量信號進(jìn)行壓力溫度校正鍋爐從啟動到正常運(yùn)行或是從正常運(yùn)行到停爐的過程中，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

8、蒸汽流量測量信號的準(zhǔn)確性受到影響。為了實(shí)現(xiàn)全程自動控制，要求這些測量信號能夠自動地進(jìn)行壓力、溫度校正。測量信號自動校正的基本方法是，先推導(dǎo)出被測參數(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)出不同的自動校正方案。 如，在鍋爐啟停過程中，汽壓變化很大，汽包水位不僅與平衡容器式水位計(jì)測得的差壓有關(guān)，同時還是主汽壓力的函數(shù)，因此需要設(shè)計(jì)用主汽壓力對水位差壓進(jìn)行校正的線路。同樣，主汽溫度和壓力在全過程中變化也很大，需要對主蒸汽流量進(jìn)行校正。 過熱蒸汽流量信號的壓力、溫度校正 過熱蒸汽流量測量通

9、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，測量精度是較高的。但在全程控制時，運(yùn)行工況不能基本固定。當(dāng)被測過熱蒸汽的壓力和溫度偏離設(shè)計(jì)值時，蒸汽的密度變化很大，這就會給流量測量造成誤差，所以要進(jìn)行壓力和溫度的校正?？梢园聪铝泄竭M(jìn)行校正 圖1-1給水流量信號的溫度校正 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，給水流量的測量誤差為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，給水流量的測量誤差為13%。所以對給水流量測量信號可以只采用溫度校正，其校正回路如圖所示。若給水溫度變化不大，

10、則不必對給水流量測量信號進(jìn)行校正。圖1-2給水流量的溫度校正A單室平衡容器水位測量圖1-3單室平衡容器水位測量由于汽包中飽和水和飽和蒸汽的密度隨壓力變化，所以影響水位測量的準(zhǔn)確性。B單室平衡容器水位測量校正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，圖表示單容平衡容器的測量系統(tǒng)。圖1-4單室平衡容器水位測量校正1.2.2保證給水泵工作在安全工作區(qū)內(nèi)給水泵的安全工作區(qū)如圖所示。圖中陰影區(qū)由泵的上、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，泵出口最高壓力Pmax和最低低壓力Pmin圍成。給水泵不允許在安全工作區(qū)以外工作。為了滿足上

11、限特性要求，在鍋爐負(fù)荷很低時，必須打開再循環(huán)門，以增加通過泵的流量。這樣，在所需的相同的泵出口壓力條件下，可使泵進(jìn)入上限特性右邊的安全區(qū)工作，泵工作點(diǎn)由a1移到b1點(diǎn) 由于給水泵有最低轉(zhuǎn)速nmin的要求，在給水泵已接近nmin時就不能以繼續(xù)降低轉(zhuǎn)速的方式來調(diào)節(jié)給水量。這就需要用改變上水通道阻力，即設(shè)置給水調(diào)節(jié)閥的方式，使泵工作在安全區(qū)內(nèi)。由于兼用改變泵轉(zhuǎn)速和上水通道阻力兩種方式調(diào)節(jié)給水量，增加了全程給水自動控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。在鍋爐負(fù)荷升到一定程度，即泵流量較大時，為了不使泵在下限特性右邊區(qū)域工作，也需適當(dāng)提高上水通道阻力，以使泵出口壓力提高，這樣給水調(diào)節(jié)門又保證了泵在下限特性左邊安全區(qū)工作。如

12、圖泵工作點(diǎn)由a 2移至b2。 圖1-5給水泵工作參數(shù)特性1.2.3保證控制系統(tǒng)切換應(yīng)該是安全無擾的由于機(jī)組在高、低負(fù)荷下呈現(xiàn)不同的對象特性，要求控制系統(tǒng)能適應(yīng)這樣的特性。即隨著負(fù)荷的變化，系統(tǒng)要從單沖量過渡到三沖量系統(tǒng)，或從三沖量過渡到單沖量系統(tǒng)，由此產(chǎn)生了系統(tǒng)的切換問題，并且必須有兩套系統(tǒng)相互無擾切換的控制線路。在多種調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的復(fù)雜切換過程中，給水全程控制系統(tǒng)都必須保證無干擾。高低負(fù)荷需用不同的調(diào)節(jié)閥門，必須解決切換問題，調(diào)節(jié)閥門的切換伴隨著有關(guān)截止門的切換，而截止門的切換過程需要一定的時間，導(dǎo)致了水位保持的困難。在低負(fù)荷時采用改變閥門的開度來保持泵的出口壓力，高負(fù)荷時用改變調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速保持

13、水位，這又產(chǎn)生了閥門與調(diào)速泵間的過渡切換問題。點(diǎn)火后，在升溫升壓過程中，由于鍋爐沒有輸出蒸汽量，給水量及其變化量都很小，此時單沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)也不十分理想，就需要用開啟閥門的方法（雙位調(diào)節(jié)方式）進(jìn)行水位調(diào)節(jié)。在這些切換中，系統(tǒng)都必須有相應(yīng)的安全可靠的系統(tǒng)，保證給水泵工作在安全工作區(qū)內(nèi)。由于全程控制系統(tǒng)的工作范圍較寬，對各個信號的準(zhǔn)確測量提出了更嚴(yán)格的要求。例如，在高低負(fù)荷不同工況下，給水流量a的數(shù)值相差很大，必須采用不同的孔板進(jìn)行測量，這樣就產(chǎn)生了給水流量測量裝置的切換問題. 1.2.4 適應(yīng)工況適應(yīng)機(jī)組過渡運(yùn)行與滑壓運(yùn)行工況，必須適應(yīng)冷態(tài)啟動和熱態(tài)啟動工況。第2章 汽包鍋爐給水的控制方式在鍋爐給

14、水控制系統(tǒng)中，由于機(jī)組在高低負(fù)荷下運(yùn)行時具有不同的對象特性，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。它有單沖量和三沖量兩個調(diào)節(jié)回路組成全程給水控制，當(dāng)負(fù)荷大于30%時為三沖量，當(dāng)負(fù)荷小于30%或啟?；蛉龥_量變送器故障時為單沖量。給水泵出口設(shè)計(jì)了兩個調(diào)節(jié)閥，目的是在鍋爐啟動過程中得到一個平滑的流量調(diào)節(jié)過程，給水控制方式如圖2-1所示設(shè)計(jì)為全程自動控制。圖2-1全程自動控制2.1單沖量控制啟動階段當(dāng)蒸汽流量小于30%額定流量時，采用單沖量控制，啟動副給水控制器PID1對設(shè)定值和水位測量值進(jìn)行PI運(yùn)算，自動控制指令由軟手操控制器輸出，去控制副給水調(diào)節(jié)閥LC1106b的開度，改進(jìn)進(jìn)入汽包的

15、給水，最終使水位等于給定值。當(dāng)運(yùn)行工況和設(shè)備發(fā)生異常時，軟手操控制器1強(qiáng)制為手動控制，同時把狀態(tài)信號DV發(fā)送給副給水控制器PID1,退出自動狀態(tài)，以保證鍋爐安全運(yùn)行。2.2三沖量控制負(fù)荷繼續(xù)升高后，僅用PID這個單沖量調(diào)節(jié)器，已難以改善調(diào)節(jié)品質(zhì)，當(dāng)負(fù)荷（蒸汽流量）大于30%以后，將采用三沖量控制方案。PID調(diào)節(jié)器3（又稱為主給水流量調(diào)節(jié)器）接受給水流量FT1101反饋信號，當(dāng)給水流量因?yàn)閿_動而發(fā)生波動時，該調(diào)節(jié)器會快速地調(diào)節(jié)主給水調(diào)節(jié)閥的開度，有效克服給水波動。用蒸汽流量信號作為主給水流量調(diào)節(jié)器PID3的設(shè)定值的一部分（前饋），是為了使進(jìn)入鍋爐的給水量與流出鍋爐的蒸汽量隨時保持平衡。（不嚴(yán)格地

16、講，只要能保持兩者平衡，就能保持水位不變），這樣就可以有效地客服虛假水位對調(diào)節(jié)品質(zhì)的影響，為了使水位保持在定值上，PID調(diào)節(jié)器2（稱為三沖量水位調(diào)節(jié)器）將對水位與其定值的偏差進(jìn)行PI運(yùn)算，其輸出成為給水量設(shè)定值的另一部分（串級）。PI調(diào)節(jié)器2最終將水位維持在設(shè)定值。同樣當(dāng)運(yùn)行工況或設(shè)備發(fā)生異常時，軟手操控制器2強(qiáng)制為手動控制，同事把狀態(tài)信號DV發(fā)送給汽包水位三沖量控制器PID2和PID3，退出自動狀態(tài)，以保證鍋爐安全運(yùn)行。第3章 DCS的應(yīng)用DCS是分散控制系統(tǒng)（Distributed Control System）的簡稱，國內(nèi)一般稱為集散控制系統(tǒng)。它是一個由過程控制級和過程監(jiān)控級組成的以通信

17、網(wǎng)絡(luò)為紐帶的多級計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，綜合了計(jì)算機(jī)（Computer）,通訊(Communication)，顯示(CRT)和控制（Control）等4C技術(shù)，其基本思想是分散控制，集中操作，分級管理，配置靈活，組態(tài)方便。按圖3-1的邏輯控制方案，DCS的算法邏輯控制組態(tài)如下：3.1單沖量控制算法組態(tài)：圖3-1圖3-1中，LT1106A/B/C是經(jīng)過壓力補(bǔ)償?shù)娜齻€汽包水位值，三取中是判斷三個水位值品質(zhì)的好壞，可取中，高選，低選，平均或三個水位值中的一個，一階慣性是起濾波作用，并使得輸出對輸入有反饋?zhàn)饔?，以得到一個有效的水位測量值LT1106PV。LT1106SP1是水位給定值，LT1106B是副給水調(diào)節(jié)閥

18、閥位控制信號。手操器1中：RM是工作狀態(tài)信號，“0”是自動，“1”是手動，數(shù)據(jù)類型為位類型；FM值是強(qiáng)制手動開關(guān)信號，為“1”時把手操器強(qiáng)制由自動變?yōu)槭謩?。PID1中：DA值是偏差報警位，RM值是工作狀態(tài)信號，“0”是手動，“1”是自動，“2”是串級，“3”是手動跟蹤，數(shù)據(jù)類型也是位類型。類型轉(zhuǎn)換器1是把手操器1中的RM值由位類型轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)型，以便于下面的比較器和1.000比較輸出，供信號選擇器1和2判斷輸出；類型轉(zhuǎn)換器2是把PID1中的RM值由浮點(diǎn)型轉(zhuǎn)換為位類型，以供PID1識別工作方式。信號選擇器1和2中：當(dāng)IG=0時，AV=I1；當(dāng)IG=1時，AV=I2。偏差報警和副值報警分別是對汽包水

19、位的給定和測量，閥位的控制和反饋以及汽包的水位值是否異常作出判斷并報警輸出。3.2三沖量控制算法組態(tài)圖3-2圖3-2中FT1101是主給水流量，F(xiàn)T1101PV是一階慣性后的給水流量測量值，F(xiàn)T1108AM是經(jīng)過溫壓補(bǔ)償后的主蒸氣流量，LC1106A是主給水調(diào)節(jié)閥控制信號，LZ1106A是閥位反饋信號。PID2中輸入信號OC是對控制量進(jìn)行補(bǔ)償，即如果OC端有輸入信號，則控制量要加上OC端的值（前饋控制）。其他功能塊的作用詳見圖（2）中的說明。組態(tài)完畢，進(jìn)行PID參數(shù)整定，一般是按照工程經(jīng)驗(yàn)先用實(shí)驗(yàn)方法設(shè)定，然后在實(shí)際運(yùn)行中加以調(diào)整和完善。注意在做定值擾動實(shí)驗(yàn)時，三沖量控制要先整定PID3參數(shù)，

20、后整定PID2參數(shù)，調(diào)節(jié)品質(zhì)一般是衰減率0.750.9。我廠現(xiàn)PID參數(shù)整定如下：PID調(diào)節(jié)作用PID1 600 100 反PID2 80 40 0 反PID3 160 30反第4章傳感器的選型及系統(tǒng)圖4.1傳感器的選型4、儀表的選用本次課程設(shè)計(jì)所用的儀表可分為四大類。下面就具體的類型做具體介紹。4.1 檢測類儀表檢測類儀表是對所要控制的點(diǎn)的具體位置的進(jìn)行檢測，以便為其他類儀表提供數(shù)據(jù)支持以便于做具體控制。本次設(shè)計(jì)用到了壓力，液位，流量等檢測儀表。4.1.1壓力儀表的選型ST3000-S900系列 STD940壓力變送器 標(biāo)準(zhǔn)型 測量范圍： 34033430K PaSTD960壓力變送器 標(biāo)準(zhǔn)型 測量范圍： 68613700K Pa4.1.2液位儀表的選型SBUT外浮筒液位變送器主要技術(shù)參數(shù)：輸出: 420mA DC 二線制;精度: -1.0%+1.0%FS;電源: 24V DC;測量液比重: 0.51.5;溫度范圍: -2580;4.1.3流量儀表的選型SBLB 靶式流量變送器主要技術(shù)參數(shù)：輸出: 4-20mA DC 二線制;精度: -0.50.5%（掛重） -11.0%