大機(jī)組汽包鍋爐給水控制系統(tǒng)

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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(wèn)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(mǎn)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(wèn)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。

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?P?P2?P1??aH??Gh??sH??sh=(?a??s)H?(?G??s)h

h?(?a??s)H??P(3-1)

?G??s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

?a??s?fa(Pb)?G??s?fb(Pb)

所以式（3-1）可以改寫(xiě)為

h?fa(Pb)H??P（3-2）

fb(Pb)依照式（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f1（x）、f2（x）分別模擬式（3-2）中的fa（Pb）和fb（Pb）。計(jì)算和試驗(yàn)說(shuō)明，密度與汽包壓力之間的函數(shù)曲線如圖3.3所示。

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

從圖3.3中曲線可以看出，?a－?s與Pb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

''(?a??s)?k1?k2Pb

''H(?a??s)?H(k1?k2Pb)H(?a??s)?k1?k2Pb

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則式（3-l）可改寫(xiě)為

h?k1?k2Pb??P(3-3)

fb(Pb)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)或中止過(guò)程中的水位測(cè)量誤差，校正原理如圖3.5所示。

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

這種測(cè)量裝置中，水位表達(dá)式為

h??P(3-4)

?G??sH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(méi)有式（3-1）中的a－s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)量尋常采用標(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?？梢园匆韵鹿竭M(jìn)行校正

D?k?P???k10.2?P18.57PTP?1.66?5.61100100(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；

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?P——節(jié)流件差壓；

?——過(guò)熱蒸汽密度；k——流量系數(shù)。

按（3－5）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。

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

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)。試驗(yàn)證明，這種方法是確鑿和行之有效的，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)果說(shuō)明當(dāng)給水溫度為100℃不變，壓力在0.196～19.6MPa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100～290℃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，

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

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。

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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(wèn)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)理泵的轉(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(lèi)型的變速泵，保證泵的安全工作區(qū)是首先要考慮的問(wèn)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)行還必需滿(mǎn)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，必需保證泵的工作點(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)這種狀況，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(mén)自動(dòng)開(kāi)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(mén)將自動(dòng)關(guān)閉。

變速泵下限特性決定了不同壓

圖3.10給水泵出口壓力調(diào)整時(shí)的工況力下水泵的最大負(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)，假使安全工作區(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)理閥門(mén)，以提

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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)，假使水泵仍在a1轉(zhuǎn)速運(yùn)行下去，通過(guò)開(kāi)大給水閥門(mén)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(wèn)題的方法是關(guān)小給水調(diào)理閥門(mén)，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)理給水量，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)理給水涼，增加了全程給水自動(dòng)控制系統(tǒng)的繁雜性。

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)流量的方法來(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)理閥的開(kāi)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Pm