300MW單元機組給水全程控制系統(tǒng)設計熱工課程設計

300MW單元機組給水全程控制系統(tǒng)

設計熱工課程設計

學校代碼

4ndno

力孝關文摹

課程設計說明書

內蒙古工業(yè)大學課程設計(論文)任務書

課程名稱：熱工控制系統(tǒng)專業(yè)課程設計學院:

班級:__________

學生姓名：學號：指導教師:_

一、題目

300MW單元機組給水全程控制系統(tǒng)設計

二、目的與意義

本設計是針對“熱工控制系統(tǒng)”課程開設的課程設計，是培養(yǎng)學生綜合運用所學

理論知識分析問題、解決問題的一個重要的教學環(huán)節(jié)。通過本課程設計，使學生能更好

的掌握熱工控制系統(tǒng)的組成、控制方式和控制過程，使學生得到一次較全面、系統(tǒng)的獨

立工作能力的培養(yǎng)。

三、要求

已知條件：

(1)單級三沖量給水控制系統(tǒng)方框圖如圖「1所示，控制對象的特性參數(shù)為：

4—九?叫($)

Q”，

>

->0—叫⑸卜K"-~\~~4|』%.(S)|0

代t------——------

4，yw

---------------------九<

圖1-1

加九?（；

￡=0.037z7/z）TTW=30s?K2=3.6mm?⑴h）"?5=15s

調節(jié)器的傳遞函數(shù)為:叫⑸=:(1+;)

O/內

“，，、H(S)￡0.037

控制對象的傳遞函數(shù)為：％，「($)=五荷=訴了=正兩

.../、H(s)K)￡3.60.037

叫⑸—二言?丁不^-丁

給水流量與蒸汽流量的測量變送器的傳遞函數(shù)為:幾=九=0.。75加兒(〃/?尸

水位的測量變送器的傳遞函數(shù)為:n=0.033mA-mm'

給水流量反饋裝置和蒸汽流量前饋裝置都用比例環(huán)節(jié)，即：叱,。)=%；此(s)=%

(2)300MW單元機組給水熱力系統(tǒng):從除氧器出來的給水，由給水泵送入高壓加熱器,

再經省煤器進入汽包。給水泵包括一臺電動泵和一臺汽動泵，電動泵容量為50%額

定給水流量，汽動泵容量為100%額定給水流量。在啟動和低負荷工況下電動泵運

行，正常工況下汽動泵運行。

主要內容：

1.根據(jù)圖1-1及已知參數(shù)完成三沖量給水控制系統(tǒng)參數(shù)的整定。

2.根據(jù)已知的300MW單元機組給水熱力系統(tǒng)設計給水全程控制系統(tǒng)。

要求：

L嚴格遵守作息時間，在規(guī)定地點認真完成設計；設計共計一周。

2.按照統(tǒng)一格式要求，完成設計說明書一份。

四、工作內容、進度安排

1、根據(jù)圖1-1及已知參數(shù)完成三沖量給水控制系統(tǒng)參數(shù)的整定；(1天)

2、根據(jù)已知的300MW單元機組給水熱力系統(tǒng)設計給水全程控制系統(tǒng):確定控制系統(tǒng)的方

案，畫出控制系統(tǒng)結構圖，說明系統(tǒng)的組成，分析系統(tǒng)各部分的作用及工作原理；

(3天)

3、編寫課程設計說明書。(1天)

五、主要參考文獻

[1]羅萬金.《電廠熱工過程自動調節(jié)》.中國電力出版社.1991.

[2]王志祥、朱祖濤.《熱工控制設計簡明手冊》.水利電力出版社.1995.

審核意見

系（教研室）主任（簽字）

指導教師下達時間年月日

指導教師簽字:

摘要

電站汽包鍋爐的給水自動控制普遍采用三沖量給水自動控制系統(tǒng)方案。因此，此次課

程設計要求設計的便是采用單級三沖量的300MW單元機組給水全程控制系統(tǒng)。

本文首先介紹了給水自動控制系統(tǒng)的單級三沖量給水控制系統(tǒng)，對其的工作原理和靜

態(tài)特性進行了分析，并對具體的實際控制系統(tǒng)進行了分析和整定。其次，還對給水調節(jié)對

象進行了動態(tài)特性分析。最后根據(jù)要求設計了300MW單元機組給水全程控制系統(tǒng)，分別分

析了給水控制系統(tǒng)的組成及工作原理，包括了給水熱力系統(tǒng)簡介、給水全程控制系統(tǒng)原理、

實例設計、控制過程分析、控制過程中的跟蹤與切換等幾部分。

關鍵詞：300MW單元機組給水全程控制系統(tǒng)單級三沖量給水調節(jié)對象

目錄

第一章給水自動控制系統(tǒng)的整定.............................錯誤!未定義書簽。

給水自動控制系統(tǒng)概述....................................錯誤!未定義書簽。

單級三沖量給水控制系統(tǒng)的結構和工作原理..................錯誤!未定義書簽。

單級三沖量給水調節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)特性........................錯誤!未定義書簽。

單級三沖量給水系統(tǒng)的分析和整定..........................錯誤!未定義書簽。

內回路的整定..........................................錯誤!未定義書簽。

主回路的整定..........................................錯誤!未定義書簽。

前饋通道的整定........................................錯誤!未定義書簽。

三沖量給水控制系統(tǒng)參數(shù)的整定實例......................錯誤!未定義書簽。

第二章給水調節(jié)對象動態(tài)特性分析..........................錯誤!未定義書簽。

給水流量擾動對水位的影響................................錯誤!未定義書簽。

負荷擾動對水位的影響....................................錯誤!未定義書簽。

燃料量擾動對水位的影響..................................錯誤!未定義書簽。

測量信號的自動校正......................................錯誤!未定義書簽。

汽包水位的校正........................................錯誤!未定義書簽。

蒸汽流量的校正........................................錯誤!未定義書簽。

給水流量的校正........................................錯誤!未定義書簽。

給水泵安全運行特性要求..................................錯誤!未定義書簽。

第三章300MW單元機組給水全程控制系統(tǒng)設計..................錯誤!未定義書簽。

給水熱力系統(tǒng)簡介........................................錯誤!未定義書簽。

給水全程控制系統(tǒng)熱工信號的測量..........................錯誤!未定義書簽。

水位信號..............................................錯誤!未定義書簽。

給水流量信號..........................................錯誤!未定義書簽。

主蒸汽流量信號........................................錯誤!未定義書簽。

.......................................................錯誤!未定義書簽。

控制系統(tǒng)工作過程分析....................................錯誤!未定義書簽。

啟動，沖轉及帶25%負荷...............................錯誤!未定義書簽。

升負荷25%?30%......................................................................................錯誤!未定義書簽。

30%?100%負荷階段.....................................錯誤!未定義書簽。

減負荷過程............................................錯誤!未定義書簽。

控制過程中的跟蹤與切換..................................錯誤!未定義書簽。

系統(tǒng)間的無擾切換......................................錯誤!未定義書簽。

閥門和泵的運行及切換..................................錯誤!未定義書簽。

電動泵與汽動泵的切換..................................錯誤!未定義書簽。

執(zhí)行機構的手、自動切換................................錯誤!未定義書簽。

該給水全程控制系統(tǒng)的特點................................錯誤!未定義書簽。

參考文獻???????????????????????????????????????????????????f日!未Ati乂書°

第一章給水自動控制系統(tǒng)的整定

控制系統(tǒng)整定是根據(jù)被控對象的特性選擇最佳的整定參數(shù)（控制器參數(shù)、各信號間的

靜態(tài)配合、變送器斜率等），其中主要是整定控制器參數(shù)。對于一個已安裝好的控制系統(tǒng),

各元件特性已經確定的情況下，能否使系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)主要取決于系統(tǒng)參數(shù)整定得是

否合適。[1]

調節(jié)器的參數(shù)能夠通過理論計算求得，也能夠通過現(xiàn)場試驗調整求取。理論計算方法

是，預先給定穩(wěn)定裕量（或給定衰減率，或給定誤差積分準則），通過計算求出最佳整定

參數(shù)。由于表征調節(jié)對象動態(tài)特性的傳遞函數(shù)是近似的，所以最佳整定參數(shù)的理論計算結

果是大致正確的。最終選用的最佳參數(shù)是通過實際現(xiàn)場得到的，理論計算數(shù)據(jù)只能作為試

驗調整時的參考數(shù)據(jù)。⑵

給水自動控制系統(tǒng)概述

鍋爐給水調節(jié)的任務是使鍋爐的給水量適應鍋爐的蒸發(fā)量，維持汽包水位在規(guī)定的范

圍內。汽包水位反映了汽包鍋爐蒸汽負荷與給水量之間的平衡關系，是鍋爐運行中一個非

常重要的監(jiān)控參數(shù)，保持汽包水位正常是保證鍋爐和汽輪機安全運行的必要條件。隨著鍋

爐容量和參數(shù)的提高，汽包的容積相對減小，鍋爐蒸發(fā)受熱面的熱負荷顯著提高，因此，

加快了負荷變化時水位的變化速度。企圖用人工調節(jié)給水量來保持汽包水位不僅操作繁

重，而且是非常困難的，所以，鍋爐運行中迫切要求對給水實現(xiàn)自動調節(jié)。

三沖量給水調節(jié)系統(tǒng)，就是在雙沖量給水調節(jié)系統(tǒng)的基礎上，在引入給水流量信號。

由水位蒸汽流量D和給水流量W構成的給水調節(jié)系統(tǒng)。其優(yōu)點在于能快速消除給水側的擾

動。根據(jù)汽包鍋爐給水控制對象動態(tài)特性的特點，我們能夠提出確定給水控制系統(tǒng)結構的

一些基本思想：

（1）由于對象的內擾動態(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

位為被調量的單回路系統(tǒng)，則控制過程中水位將出現(xiàn)較大的動態(tài)偏差，給水流量波動較大。

因此，對給水內擾動態(tài)特性遲延和慣性大的鍋爐應考慮采用串級或其它控制方案。

（2）由于對象在蒸汽負荷擾動時，有“虛假水位”現(xiàn)象。因此給水控制若采用以水位

為被調量的單回路系統(tǒng)，則在擾動的初始階段，調節(jié)器將使給水流量向與負荷變化方向相

反的方向變化，從而擴大了鍋爐進、出流量的不平衡。

所以在設計給水控制系統(tǒng)時，應考慮采用以蒸汽流量。為前饋控制，以改善給水控制

系統(tǒng)的控制品質。

總之，由于電廠鍋爐水位控制對象的特點，決定了采用單回路反饋控制系統(tǒng)不能滿足

生產對控制品質的要求，所以電站汽包鍋爐的給水自動控制普遍采用三沖量給水自動控制

系統(tǒng)方案。⑵

單級三沖量給水控制系統(tǒng)的結構和工作原理

圖1-1為常用的單級三沖量給水系統(tǒng)圖。給水調節(jié)器接受汽包水位〃、蒸汽流量。和

給水流量卬三個信號（所以稱三沖量控制系統(tǒng)）。其輸出信號去控制給水流量，其中汽包

水位是被調量，所以水位信號稱為主信號。但僅僅根據(jù)水位信號調節(jié)給水流量的反饋調節(jié),

并不能滿足生產對調節(jié)品質的要求。因為引起汽包水位變化的主要擾動是蒸汽流量和給水

流量，所以為了使汽包水位在運行中偏差較小，在調節(jié)系統(tǒng)中引入了蒸汽流量的前饋調節(jié)

和給水流量的反饋調節(jié)，這樣組成的三沖量給水調節(jié)系統(tǒng)是一個前饋一反饋調節(jié)系統(tǒng)。

圖1-1單級三沖量給水控制系統(tǒng)圖

當蒸汽流量增加時，調節(jié)器立即動作，相應的增加給水流量，能有效的克服或減小虛

假水位所引起的調節(jié)器誤動作。因為調節(jié)器輸出的控制信號與蒸汽流量信號的變化方向相

同，所以調節(jié)器入口處，主蒸汽流量信號％正極性的。當給水流量發(fā)生自發(fā)性擾動時，調

節(jié)器也能立即動作，控制給水流量使給水流量迅速恢復到原來的數(shù)值，從而是汽包水位基

本不變。見給水流量信號作為反饋信號，其主要作用是快速消除來自給水側的內部擾動，

因此在調節(jié)器入口處，給水流量信號九為負極性的。

當汽包水位”增加時，為了維持水位，調節(jié)器的正確操作應使給水流量減小，反之亦

然，即調節(jié)器操作給水流量的方向與水位信號的變化方向相反，因此調節(jié)器入口處水位信

號與應定義為負極性。但由于汽包鍋爐的水位測量裝置—平衡容器本身已具有反號的靜

特性，所以進入調節(jié)器的水位變送器信號/應為正極性，如圖所示。在單級三沖量給

水控制系統(tǒng)中，水位、蒸汽流量和給水流量對應的三個信號與、%、兀都送到PI調

節(jié)器，在靜態(tài)時，這三個輸入信號與代表水位給定值的信號％相平衡。⑶

單級三沖量給水調節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)特性

給水調節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)特性是值被調量H與鍋爐負荷D的靜態(tài)關系。對于單信號水位調

節(jié)系統(tǒng)，只要采用比例積分調節(jié)器，不論負荷如何變化，靜態(tài)時的水位”將始終等于其給

定值，即被調量沒有靜態(tài)偏差。但當調節(jié)器接受多個輸入信號時，”與。之間的靜態(tài)關系

就不是這樣簡單了。

為了討論多信號時調節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)特性，首先應確定送入調節(jié)器的各信號極性。圖1-2

所示為單級三沖量給水調節(jié)系統(tǒng)，圖中示出了輸入信號及其極性。

DHW

u

圖1-2單級三沖量給水系統(tǒng)

當蒸汽負荷增加時，為了保持汽包水位的恒定，調節(jié)器的正確操作動作應增大給水流

量，即調節(jié)器輸出控制信號應與蒸汽流量信號的變化方向相同，所以蒸汽流量信號定

為“+”號:給水流量信號是反饋信號，它是為穩(wěn)定給水流量而引入調節(jié)系統(tǒng)的，所以冊，定

為“-”號。

當汽包水位H增加時，為了維護水位，調節(jié)器的正確操作應使給水流量減??；水位降

低時應增加給水流量，即調節(jié)器操作給水流量的方向應與水位信號的變化方向相反，因此

水位信號為應規(guī)定為“-”號。但由于汽包鍋爐的水位測量裝置一一平衡容器本身已具有

反號的靜特性，所以進入調節(jié)器的水位變送器信號的應定為“+”號。

在單級三沖量給水調節(jié)系統(tǒng)中，水位、蒸汽流量和給水流量對應的三個信號。小

％’都送到P/調節(jié)器，在靜態(tài)時，這三個輸入信號應與水位給定值信號bz平衡。

即：aD~(7W+(TH=Orz

或：az~(JH=(TD-(Jw=YDafi-y修￥

上式表明，如果使送入調節(jié)器的蒸汽流量信號b“與給水流量信號5欠相等，則在靜態(tài)

時的水位信號就等于給定值，給水調節(jié)系統(tǒng)將是無靜差的。如果在靜態(tài)時。。。巧丫，則汽

包的水位穩(wěn)定值將不等于給定值，給水調節(jié)系統(tǒng)將是有靜態(tài)偏差的。在給水調節(jié)系統(tǒng)中，

一般都取7D=/W，而在靜態(tài)時，即鍋爐負荷不變，水位也不波動，這時給水流量W應等

于蒸汽流量。，則單級三沖量給水調節(jié)系統(tǒng)水位H有無靜態(tài)偏差將完全由蒸汽流量和給水

流量的分流系數(shù)OCD、網(wǎng)的取值大小來決定。

當取時，在任何負荷下，水位的靜態(tài)值是無偏差的；當取時，水

位的靜態(tài)偏差是正值，且偏差隨著負荷的增加而增大；當取a,>V%”時，水位的靜態(tài)偏

差是負值，且偏差隨著負荷的增加而增大。

一般情況下，都希望調節(jié)系統(tǒng)的具有無差的靜態(tài)特性，這時在蒸汽流量測量變送設備

的斜率人的前提下，應取，0=%叱⑷

單級三沖量給水系統(tǒng)的分析和整定

單級三沖量給水控制系統(tǒng)的原理框圖如圖1-3所示，能夠看出該系統(tǒng)由兩個閉合的反

饋回路及前饋部分組成：

(1)由調節(jié)器叼⑶、執(zhí)行機構七、調節(jié)閥勺,、給水流量變送器晨和給水流量反饋

裝置組成的內回路。

(2)由水位控制對象叱“(s)、水位變送器為和內回路組成的外回路。

(3)由蒸汽流量信號。及蒸汽流量測量裝置加、蒸汽流量前饋裝置即構成的前饋控

制部分。

圖1-3單級三沖量給水控制系統(tǒng)的原理框圖

下面對兩個閉合回路及前饋控制部分進行分析和整定：

內回路的整定

調節(jié)器的參數(shù)可根據(jù)系統(tǒng)內回路來整定,根據(jù)圖卜4所示的方框圖，能夠把內回路作為

一般的單回路系統(tǒng)進行分析。

如果把調節(jié)器以外的環(huán)節(jié)等效地看作被控對象，那么被控對象動態(tài)特性近似為比例環(huán)

節(jié)。

△V=VH+Vo

yw

圖『4三沖量給水控制系統(tǒng)的內回路方框圖

因此調節(jié)器的比例帶3和積分時間7；都能夠取的很小。b和7；的具體數(shù)值能夠用試探

方法決定以保證內回路不振蕩為原則，一般gWlOs。在試探時，給水流量反饋信號的傳

遞系數(shù)可任意設置一個數(shù)值，得到滿意的6值，如果以后有必要改變，則應相應

的改變6值，使%/5保持試探時的值，以保證內回路的開環(huán)放大倍數(shù)不變。

主回路的整定

在內回路經過正確整定后，其控制過程時非?？斓摹＿@是因為調節(jié)器為比例積分特性,

b和工又設置的較小，故它能快速動作。當外來控制信號AV改變時調節(jié)器幾乎立即成比

例地改變給水流量W,使=即：

AV=awywW或—=―--

這樣，圖1-4中的內回路就能夠用圖1-5來近似表示。，主回路也可看作是一個單回

路系統(tǒng)。如果被控對象以給水流量變化W作為輸入而以水位測量變送單元的輸出電壓％作

為對象的輸出，那么內回路的傳遞函數(shù)l/@w加）就相當于主回路調節(jié)器的傳遞函數(shù)，所以

主回路的等效調節(jié)器是一個具有比例特性的調節(jié)器。

它的等效比例帶：5*=2“./卬。

AVw

1

%九，

圖1-5圖1-4的近似方框圖

圖1-6三沖量給水控制系統(tǒng)的主回路等效方框圖

根據(jù)以上的分析，在整定主回路時，應用試驗方法求得到對象的階躍響應曲線。對象

的輸入信號為給水流量變化W(f//z),輸出信號為水位測量變送單元的輸出力”/〃〃”)，

從階躍響應曲線上求得遲延時間r(s)和響應速度￡[v-i,據(jù)響應曲線法可得下述

計算公式：

3*=￡T

則：Ywaw二￡T

ST

或：aw=一

/w

由此可見，當變送器的斜率已經確定后，增大給水流量的靈敏度&W，等于增加主回

路調節(jié)器的比例帶，因而使給水流量動作減慢，增加主回路的穩(wěn)定性。但是對內回路來說,

增加々W就增加了內回路的開環(huán)放大倍數(shù)，因而增加了內回路振蕩的傾向，因此由于提高

主回路的穩(wěn)定性而增加&W時，必須相應地增加調節(jié)器的比例帶，以保持內回路的穩(wěn)定性。

前饋通道的整定

對于圖1-3所示的單級三沖量給水控制系統(tǒng)，當反饋回路經過正確整定，確定了給水

流量反饋裝置的傳遞系數(shù)%,及調節(jié)器參數(shù)，和（的數(shù)值后，系統(tǒng)的方框圖就能夠用圖『7

來表示。蒸汽流量前饋環(huán)節(jié)（力、aD）不在控制系統(tǒng)反饋回路之內，因此，它們的動態(tài)

特性即取值大小不會影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，故能夠根據(jù)蒸汽流量D擾動時使水位H不發(fā)

生變化的原則來確定前饋環(huán)節(jié)的參數(shù)。

1

YD?D7"/叱）w（S）+%（S）=O

vv/W

由此可見，前饋環(huán)節(jié)不是一個簡單的比例環(huán)節(jié)，而是一個復雜的動態(tài)環(huán)節(jié)，要從物理上實

現(xiàn)上式所表征的動態(tài)特性在技術上也是困難的。

但是由于控制系統(tǒng)中已有了反饋控制，而且也容許汽包水位在一定范圍內變化，因此

蒸汽流量前饋環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)能夠取比較簡單的近似形式，以便于實現(xiàn)。

實踐證明，前饋環(huán)節(jié)只要取用比例特性，就能使在負荷變化時的水位保持在允許范圍內，

通常都用蒸汽流量信號和給水流量信號靜態(tài)配合的原則選擇?

如果要求在不同負荷時，水位的穩(wěn)定值不變，則

YD劭一加斯

一般蒸汽流量變送設備的斜率加等于給水流量變送設備的斜率加，則：

aD=a\V

即蒸汽流量前饋裝置的傳遞系數(shù)劭等于給水流量反饋裝置的傳遞系數(shù)O

圖1-7由圖『3簡化的三沖量給水控制系統(tǒng)方框圖

三沖量給水控制系統(tǒng)參數(shù)的整定實例

已知條件:

單級三沖量給水控制系統(tǒng)方框圖如圖1-1所示，控制對象的特性參數(shù)為:

圖1-3單級三沖量給水控制系統(tǒng)的原理框圖

-1-1-1

=0.037mm-5-(r//?)；TW=30S?K2=3.6mm-(Z/Zz)?T2=15s

調節(jié)器的傳遞函數(shù)為:%⑸=:(1+；)

O

/、HG)￡0.037

控制對象的傳遞函數(shù)為：u心/，仆)=胃==/礪

,、H(s)K,￡3.60.037

%⑸==----=--------

Qd(s)1+n5S1+155S

給水流量與蒸汽流量的測量變送器的傳遞函數(shù)為:幾=九=0.075加4-(〃〃尸

1

水位的測量變送器的傳遞函數(shù)為:yh=0.033/Mmm-

給水流量反饋裝置和蒸汽流量前饋裝置都用比例環(huán)節(jié)，即：叱,(s)=4.；%(s)=4

試整定6、(、aw>aDo

解：

(1)的整定值

根據(jù)圖1-6所示的主回路的等效方框圖可列出主回路的特征方程為:

"含叱"即:—^=0

awyw5(l+n)

代入具體數(shù)值后得：2.25s?+0.075V+。。37=0。33=。

設。為相應的阻尼系數(shù)，則：aw=l.95f

取整定指標〃=0.9貝!JJ=0.344=1.95x(0.344)2*0.23

(2)求調節(jié)器參數(shù)6、(的整定值。

調節(jié)器的參數(shù)可根據(jù)系統(tǒng)的內回路來整定，內回路方框圖如圖1-4所示。在這個回路

中，除調節(jié)器外的其余部分近似為比例環(huán)節(jié)。如果按這個特點來求調節(jié)器的參數(shù)，那么6

和刀都能夠取盡可能小的數(shù)值也不可能發(fā)生振蕩。但實際上各環(huán)節(jié)都有慣性甚至非線性，

因此內回路是會出現(xiàn)振蕩的，調節(jié)器的參數(shù)只能用試驗方法確定。

試驗時，先設置好a”,值(令即=023)，并令1=105,然后設置一個較大的6值(例

如b=50%),觀察內回路的動態(tài)過程，逐漸減小b值至內回路開始振蕩(9>0.9時為止)，

此時的b值即為調節(jié)器的整定參數(shù)。

試驗結果：6=30%,(=6s

(3)蒸汽流量前饋裝置a0的整定：

根據(jù)無靜差原則，^:aD=^=aw=0.23

YD

上述整定參數(shù)要經過現(xiàn)場投試的檢驗，如果在控制過程中主回路衰減率過高或過低

時，應改變給水流量反饋裝置的參數(shù)a“值。例：當主回路衰減率偏低時，應增加見,值，

反之則應減?。?值。在調整a“.值時，應注意同時改變調節(jié)器的參數(shù)6值，使%,/b的比

值不變，以保證內回路能夠保持試驗整定時所選定的穩(wěn)定裕量。⑶

第二章給水調節(jié)對象動態(tài)特性分析

給水流量擾動對水位的影響

給水量的擾動是給水自動控制系統(tǒng)中影響汽包水位的主要擾動之一，因為它是來自控

制側的擾動，又稱內擾。在給水流量w的階躍擾動下，水位〃的響應曲線能夠用圖2-1來

說明。若把汽包及水循環(huán)系統(tǒng)當做單容水槽，水位的響應曲線應該如圖中的直線lo但是

在實際情況中，當給水流量突然增加的時候，因為給水溫度低于汽包內的飽和水溫度，當

它進入汽包后吸收了原有的飽和水中的一部分熱量，使鍋爐的蒸汽產量下降，水面以下的

汽泡總體積匕也就相應減小，導致水位下降。匕對水位的影響能夠用圖中的曲線2表示。

水位〃（即曲線3）的實際響應曲線是曲線1和曲線2的總和。這種分析方法是分別從兩

個角度進行分析的:；。

負荷擾動對水位的影響

蒸汽流量擾動主要來自汽輪發(fā)電機組的負荷變化，屬外部擾動。在汽機耗汽量。的階

躍擾動下，水位”的響應過程能夠用圖2-2來說明。當汽機耗汽量。突然階躍增加時，如

果只從物質平衡的角度來講，一方面改變了汽包內的物質平衡狀態(tài)，使得水位下降，如圖

2-2中的曲線lo但當鍋爐蒸發(fā)量突然增加時，迫使鍋內汽泡的增多，燃料量維持不變，

汽包壓力p”下降，使水面以下的蒸汽泡膨脹，總體積匕增大，從而使得汽包水位的上升,

如圖2-2的曲線2所示。因此汽包水位”的實際響應曲線（圖2-2中圖3所示）是曲線1

與曲線2疊加的結果。只有當汽包體積與負荷適應而不再變化時，水位的變化就僅由物質

平衡關系來決定，這時水位就隨負荷增大而下降，而這種反常的現(xiàn)象，通常被稱為“虛假

水位“虛假水位”現(xiàn)象主要是來自于蒸汽量的變化，顯然蒸汽量是一個不可調節(jié)的量

（對調節(jié)系統(tǒng)而言），但它是一個可測量，所以在系統(tǒng)中引入這些擾動信息來改善調節(jié)品

質是非常必要的。

燃料量擾動對水位的影響

當燃料量B擾動時，必然會引起蒸汽量。的變化，燃料量增加會使爐膛熱負荷增加，

鍋爐吸收更多的熱量蒸發(fā)強度增加，若此時，汽輪機所帶負荷不變，那么隨著爐膛熱負荷

的增加，鍋爐出口壓力P”提高，蒸汽流量就會相應的增加上去，然后蒸汽量的變化就會造

圖2-1給水擾動下的水位響應曲線

D

Do

圖2-2汽機耗汽量。階躍擾動下的水位響應曲線

成“虛假水位”的現(xiàn)象，即水位先上升，隨后再下降，響應曲線如圖2-3所示。但是燃料

量B的增大只能使。緩慢增大，而且外還慢慢上升，它將使汽泡體積減小。因而，燃料

量擾動下的假水位比負荷擾動下要緩和得多。

由以上分析可知，給水量擾動下水位響應過程具有純延遲；負荷擾動下水位響應過程

具有假水位現(xiàn)象；燃料量擾動也會出現(xiàn)假水位現(xiàn)象。所以在給水控制系統(tǒng)里常常引入。、

3信號作為前饋信號，以改善外部擾動時的控制品質，而這也是當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。⑶

測量信號的自動校正

測量信號自動校正的基本方法時先推導出被測參數(shù)隨溫度，壓力變化的模型,然后運

用功能組件進行校正運算,便可實現(xiàn)信號自動校正。

汽包水位的校正

由于汽包中飽和水和飽和蒸汽的密度隨壓力變化，所以影響水位測量的準確性，通常

能夠采用電氣校正回路進行壓力校正。即在水位差壓變送器后引入校正回路。圖2-4表示

單室平衡容器的測量系統(tǒng)。

從圖2-4中能夠看出：P\=PGH+PS(L-H)

Pl=PaL

2=P2-PI=P?L-pcH-psL+pf

=31P)LTPG-P)H

H_L(p「Ps)-kP

(…)

式中：AP—輸入差壓變送器的壓差(AP=6-6)

々一飽和水的密度

〃一飽和蒸汽的密度

￡一汽包外平衡容器內凝結水的密度

由上式可見，水位H是壓差和汽、水密度的函數(shù)。密度0,水溫略有升高，壓力也同時

升高，這兩方面變化對pu的影響基本上能夠抵消，即能夠近似認為4是恒值。飽和水和

飽和蒸汽的密度PG，PS均為汽包壓力吊的函數(shù)即：

=

PG-PsfbW

所以可最終改寫為：”='"一"

fb（Pb）

據(jù)分析在P,<196MP范圍內，（心-處）與Pd的關系可近似為線性關系，可用

下式表示：

L（P?_P*）=K\_KFd

式中：與一汽包壓力，Kr,K2一常數(shù)。

fg

上式表明，汽包水位”不僅與取樣裝置輸出的壓差AP有關，而且還與汽包壓力Pd

有關。只有當與不變時，〃才完全取決于AP；實現(xiàn)上式運算原理的框圖如2-5所示：

△，

II

圖2-5水位的壓力自動校正原理框圖

蒸汽流量的校正

大容量高參數(shù)鍋爐的過熱蒸汽流量通常采用標準節(jié)流裝置進行測量，被測流量與裝置

輸出差壓間的關系如式：

D=K?=K何"

\，+16管6—5；.61/2

式中：D過熱蒸汽流量（kg/h）

P--過熱蒸汽壓力（MPa）

e--過熱蒸汽溫度（°C）

△p—節(jié)流件壓差（MPa）

P—過熱蒸汽密度（kg/〃廣）

當被測工質的壓力,溫度偏離設計值時,工質的密度變化會造成流量測量誤差,所以需

要進行壓力,溫度校正。根據(jù)設計的過熱蒸汽的壓力,溫度自動校正回路如圖2-6所示：

e△P

圖2-6過熱蒸汽流量的壓力、溫度校正

給水流量的校正

△F

e

圖2-7給水流量的溫度校正

計算結果表明：當給水溫度為100℃,壓力在0.196-\9.6MPa范圍內變化時,給水流量

的測量誤差為0.47%;壓力為19.6加&不變,給水溫度在100-290℃范圍內變化時，13%對

給水流量的測量只需采取溫度校正,其校正回路如圖2-7所示。當然,若給水溫度變化也不

大的話,則可不必對給水流量進行校正。

給水泵安全運行特性要求

為了提高大型火電廠機組的熱效率，節(jié)約廠用電及提高經濟效益，采用小型汽輪機代

替電動機驅動鍋爐給水泵是有效的措施之一。汽動給水泵具有較高的經濟性。而電動給水

泵具有系統(tǒng)結構簡單、啟動迅速、可靠性高等優(yōu)勢，所以大容量機組的給水系統(tǒng)泵組的設

計是由電動給水泵和汽動給水泵共同構成，充分利用兩種泵的優(yōu)勢，使在正常工況下機組

具有較高的經濟性，又能在啟停和異常事故工況下使機組具備良好的適應性和快速響應功

能。但是無論使用哪種方案，在給水系統(tǒng)全過程運行中，保證給水泵總是工作在安全工作

區(qū)內，始終是一個重要問題。

給水泵的安全工作區(qū)如圖2-8所示，圖中陰影區(qū)由泵的上、下限特性（。疝“、。皿）、

最高轉速及max和最低轉速"min、最高壓力（泵出口）和最低壓力Enin所圍成，給水泵不

允許在安全工作區(qū)以外工作。

為了滿足上限特性要求，在鍋爐負荷很低的時候，須打開再循環(huán)門，以增加通過泵的

流量，這樣在所需的相同泵出口壓力條件下，可使泵進入上限特性右邊的安全區(qū)工作，如

圖2-8中,泵的工作點由al點移到bl點。

由于給水泵有最低轉速〃強的要求，這樣在給水泵已接近招皿時就不能以繼續(xù)降低轉

速方式來調節(jié)給水量，這就需要用改變上水通道阻力（即設置給水調節(jié)閥）的方式，使泵

工作在安全區(qū)內。由于兼用改變泵轉速和上水通道阻力兩種方式調節(jié)給水量，增加了全程

給水自動控制系統(tǒng)的復雜性。

在鍋爐負荷開到一定程度的時候，即泵流量較大時，為了不使在下限特性右邊區(qū)域工

作，也須適當提高上水通道阻力，以使泵出口壓力提高，這樣給水調節(jié)門又起到保證泵在

下限特性左邊安全工作的作用。如圖中泵工作點由a2移至b2點。

為了防止泵的工作點落入上限特性之外，當前采取的辦法是在泵出口至除氧器之間安

裝再循環(huán)管道，當泵的流量低于設定的最小流量時，再循環(huán)門自動開啟，增加泵體內的流

量，讓一部分水回到除氧器中，從而使低負荷階段的給水泵工作點也在上限特性曲線之內，

隨著機組負荷的增加，給水流量也增大，當泵的流量高于設定的最大流量時，再循環(huán)門將

自動關閉。⑹

第三章300MW單元機組給水全程控制系統(tǒng)設計

所謂全程控制系統(tǒng)是指機組在啟停過程和正常運行時均能實現(xiàn)自動控制的系統(tǒng)。全程

控制包括啟?？刂坪驼＿\行工況下控制兩方面的內容。常規(guī)控制系統(tǒng)一般只適用于機組

帶大負荷工況下運行，在啟停過程和低負荷工況下，一般要由手動進行控制，而全程控制

系統(tǒng)能使機組在啟動、停機、不同負荷工況下自動運行。

蒸

汽

流

量

去

汽

輪

機

圖3T給水熱力系統(tǒng)示意圖

給水熱力系統(tǒng)簡介

圖3-1為給水熱力系統(tǒng)示意圖。從除氧器出來的給水，由給水泵送入高壓加熱器，再

經省煤器進入汽包。給水泵包括一臺電動泵和一臺汽動泵，電動泵容量為50%額定給水流

量，汽動泵容量為100%額定給水流量。

在啟動和低負荷工況下電動泵運行，正常工況下汽動泵運行。正常工況下氣動泵運行,

倆臺電動泵的另一個功能是作為氣動泵的備用。每臺泵都有再循環(huán)管路，當系統(tǒng)工作再低

負荷時再循環(huán)管路的閥門能自動打開，保證泵出口有足夠的流量，防止汽蝕。低負荷運行

時旁路閥工作，調節(jié)鍋爐給水量，控制水位，同時電動泵維持在最低轉速運行，保證泵的

安全特性，此時為兩段調節(jié)。高負荷時，閥門開到最大，為減少阻力主給水電動門也打開,

給水全程控制系統(tǒng)熱工信號的測量

水位信號

圖3-2為水位信號測量線路圖。在圖3-2中增加了壓力補償環(huán)節(jié)，根據(jù)汽、水密度與

汽包壓力的函數(shù)關系，得到水位校正系統(tǒng)的運算公式為：

H_f\(Pb)-Z>

於Pb)

式中：Pb一一汽包壓力，工；

Ap一—汽包水位差壓變送器兩側壓差，工。

汽包水位測取了左、中、右三個測點。正常情況下通過切換開關T的NC點，對三個

信號(H“i=l,2,3)求平均值作為汽包水位的測量信號H。當任一差壓變送器故障時艮和

H相差很大，可發(fā)出聲光報警。同時在邏輯信號作用下T切換至NO,將故障前的H作為本

路測量值風，暫時維持H變化不大，控制系統(tǒng)切手動，待值班人員切除故障變送器后，系

統(tǒng)再正常運行。

圖3-3全程給水控制原理圖

給水流量信號

給水流量的測量采用雙變送器，正常情況下切換開關T的NC點通，選A、B兩個測量

信號中較大的一個經過給水溫度的補償和慣性阻尼環(huán)節(jié)，作為給水流量測量信號。當任一

變送器故障時，通過邏輯線路使T切向NO,將該路變送器輸出置零，同時發(fā)出聲、光報警,

系統(tǒng)切手動，待切除故障變送器后系統(tǒng)才正常運行。總的給水流量中還包括了一、二、三

級減溫水量。

主蒸汽流量信號

主蒸汽流量D的測量可采取兩種方法：

,一級抽汽壓力P2和一級抽汽溫度與，采用下述公式求?。?/p>

Q—J〃一〃2「

ya+e為

式中a、b為設定值，當高壓加熱器關閉時，b值要重新設定。

,經主蒸汽溫度。校正來代替D。當高壓旁路閥開啟時所測得D還要加上旁路蒸汽流

量。在4和的測量中均采取了雙變送器冗余設置，可靠性高。

給水全程控制系統(tǒng)設計圖

根據(jù)設計要求，從除氧器出來的給水，由給水泵送入高壓加熱器，再經省煤器進入

汽包。給水泵包括一臺電動泵和一臺汽動泵，電動泵容量為50%額定給水流量，汽動泵容

量為100微定給水流量。在啟動和低負荷工況下電動泵運行，正常工況下汽動泵運行。

300MW單元機組給水全程控制系統(tǒng)原理圖如圖3-3所示。

控制系統(tǒng)工作過程分析

控制過程表

給水控制系統(tǒng)單沖量三沖量單沖量

控制手段啟動給水旁電動泵電/汽并列汽動泵電動泵旁路閥

路閥電動電汽并列電動泵

泵

啟動，沖轉及帶25%負荷

此階段采用單沖量系統(tǒng)通過控制給水旁路閥門開度來維持汽包水位在給定范圍內，電

動給水泵維持在最低轉速，汽動給水泵手/自動操作1AM強迫為手動狀態(tài)，T5切換至NO

使汽動泵超馳全關，主給水電動門也關閉，給水旁路閥從。?100%控制。

單沖量調節(jié)器PI4的輸入為水位測量值H和給定值“。的偏差，其輸出竟3AM手/自

動操作器去控制給水旁路閥，同時可進行閥位顯示。三沖量電動泵的副調節(jié)器（PI3）也

處于自動跟蹤狀態(tài)，通過切換開關T2的NC點使PI3的輸出跟蹤函數(shù)發(fā)生器/（x）的輸

出，再通過2AM手/自動操作器使電動泵維持在最低轉速〃而°運行。

升負荷25%?30%

此階段采用單沖量系統(tǒng)控制電動給水泵轉速。此時三沖量系統(tǒng)尚不能使用，給水旁路

門已全開，只能提高給水泵轉速來滿足給水量的增加，T2仍接NC點，工（x）的輸出值隨

控制信號（PI4的輸出）變化。通過PI3的自動跟蹤去控制電動泵轉速，實現(xiàn)由閥門控制

到電動泵轉速控制給水量的無擾過渡。由于單沖量調閥系統(tǒng)對象特性不同，且調節(jié)器整定

參數(shù)不同，所以PI4為變參數(shù)調節(jié)器。

30%?100%負荷階段

此階段采用三沖量系統(tǒng)控制給水泵轉速方案，這是控制系統(tǒng)的正常工況。給水旁路閥

鎖定在全開位置不在關閉，以減少系統(tǒng)不必要的擾動。

(1)負荷達W％,電動泵轉速為巴時打開主給水電動門。此時泵的轉速已提高，當

主給水電動門打開以后，管道阻力突然減少，控制系統(tǒng)使泵轉速自動下降一些時，泵轉速

已有可能下降。另外，在三沖量系統(tǒng)投運情況下開主給水電動門，由于三沖量系統(tǒng)抗內擾

的能力比單沖量系統(tǒng)強的多，所以控制質量能得到保證。

(2)30%?A%負荷階段采用電動泵控制給水量。T3切至N0(100%),3AM跟蹤T3的輸

出從而使給水旁路閥超馳全開。此時系統(tǒng)為三沖量電動泵控制，PI3(電動泵副調節(jié)器)

不再跟蹤PI4的輸出，而是處于自動控制狀態(tài)，通過2AM手/自動操作器控制電動泵轉速。

三沖量主調節(jié)器PI1接受水位及其給定值的偏差，其輸出和蒸汽流量D的前饋信號求和作

為副調節(jié)器PI3的給定信號，同時PI3還接受給水流量W的反饋信號。

(3)D>A%負荷時，開始啟動汽動泵，完成汽動泵和電動泵的轉換之后，汽動泵取代電

動泵運行，電動泵處于超馳全關狀態(tài)，直到滿負荷運行。此時，PI2(汽動泵副調節(jié)器)