【正文】 水沖擊而損壞設(shè)備。水位過低則會(huì)破壞水循環(huán)，嚴(yán)重時(shí)將引起水冷壁管道破裂。 另一方面，隨著鍋爐參數(shù)的提高和容量的增大，汽包的相對容積減 少，負(fù)荷變化和其他擾動(dòng)對水位的影響將相對增大。這必將加大水位控制的難度，從而對水位控制系統(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 的 火電機(jī)組還很少。因此，對全程給水控制進(jìn)行優(yōu)化，增強(qiáng)給水系統(tǒng)的控制效果和適應(yīng)能力成為迫切需要解決 的問題。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀綜述 國內(nèi)現(xiàn)狀綜述 目前，隨著單元機(jī)組容量的增大和參數(shù)的提高，機(jī)組在啟停過程中需要監(jiān)視和控制的項(xiàng)目越來越多，因此，為了機(jī)組的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，必須實(shí)現(xiàn)鍋爐給水從機(jī)組的啟動(dòng)到正常運(yùn)行，又到停爐冷卻全部過程均能實(shí)現(xiàn) 。 我 國大型火電機(jī)組的給水控制基本上還是采用經(jīng)典的 PID 控制算法。不同的控制公司在給水控制策略的設(shè)計(jì)上雖然各有特點(diǎn)差異，但基本上還是遵循了單沖量和三沖量控制相結(jié)合的控制模式，采用的也基本上是調(diào)閥和調(diào)泵相結(jié)合的控制方法。雖然從理論上講，現(xiàn)有的控制方法應(yīng)該可以實(shí)現(xiàn)機(jī)組的全程給水自動(dòng)。但是，實(shí)際上由于給水系統(tǒng)和機(jī)組運(yùn)行的復(fù)雜性，機(jī)組在啟動(dòng)和低負(fù)荷時(shí)往往投不上自動(dòng)。另外，機(jī)組在高負(fù)荷時(shí)，雖然可以實(shí)現(xiàn)三沖量給水自動(dòng)且正常情況時(shí)效果也不錯(cuò)。但其控制系統(tǒng)的魯棒性較差，適應(yīng)異常工況的能力和出現(xiàn)設(shè)備故障的情況時(shí)的自調(diào)整能力也較差。 因此，如何真正實(shí)現(xiàn)全程給水控制是現(xiàn)今控制工程人員急于解決的一個(gè)課題。 鍋爐全程給水控制系統(tǒng)通常采用以下兩種控制方案： 一 是兩段式全程給水控制 , 采用變速給水泵控制給水母管壓力 ,采用給水調(diào)節(jié)閥控制汽包水位 ,這一方案從熱力系統(tǒng)上將給水控制系統(tǒng)和汽包水位控制系統(tǒng)分段 ,一定程度上華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 克服了兩系統(tǒng)之間的相互影響 ,但不利于機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和給水泵的安全運(yùn)行 ,特別是不能適應(yīng)較大的負(fù)荷變化。 二 是一段式給水控制 ,采用變速給水泵控制汽包水位 ,采用給水調(diào)節(jié)閥控制給水母管壓力 ,這一方案將給水控制系統(tǒng)和汽包水位控制系統(tǒng)作為一個(gè)整體來考慮 ,這樣更有利于機(jī)組效率的提高和給水泵的安全、高效運(yùn)行 ,但必須克服兩系統(tǒng)之間的相互影響。 總的來說，國內(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兩個(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。 由于不同容量的機(jī)組其給水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不一樣，其控制方式及控制設(shè)備也有區(qū)別，因而實(shí) 現(xiàn)給水全程自動(dòng)系統(tǒng)的方案也有不同，這就要求在考慮方案時(shí)，要結(jié)合具體的控制對象進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，同時(shí)參考其它同類型機(jī)組一些成功的設(shè)計(jì)、調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，重新完善原汽包水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及組態(tài)，最終選定一種合理且切實(shí)可行的設(shè)計(jì)方案，來實(shí)現(xiàn)鍋爐給水自動(dòng)系統(tǒng)的全程控制。 國外現(xiàn)狀綜述 以 西門子公司設(shè)計(jì)的 某 350MW 機(jī)組全程給水控制系統(tǒng) 為例，系統(tǒng) 分為給水啟動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)和給水泵轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)兩部分。給水啟動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)實(shí)際上就是給水壓力控制系統(tǒng) 。 這是一個(gè)前饋 反饋控制系統(tǒng)。其作用是當(dāng)鍋爐啟動(dòng)及低負(fù)荷工況時(shí)，維持給 水泵出口母管壓力在安全工作范圍 內(nèi) ，同時(shí)協(xié)助給水泵轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)穩(wěn)定汽包水位。其控制特點(diǎn)是：在三沖量控制系統(tǒng)中引入了汽包壓力的負(fù)微分前饋和蒸汽流量的微分前饋。運(yùn)行過程中，蒸汽流量變動(dòng) (即機(jī)組負(fù)荷調(diào)整 )和爐膛熱負(fù)荷干擾都會(huì)引起汽包壓力的變化。若負(fù)荷增加，汽包壓力就會(huì)下降，其負(fù)微分前饋信號(hào)要求加大給水流量，蒸汽微分前饋也要求加大給水流量，以克服虛假水位對系統(tǒng)的影響。 總體來說，國外關(guān)于全程給水控制方案的設(shè)計(jì)及全程給水控制系統(tǒng)的投運(yùn)在熱工自動(dòng)控制領(lǐng)域內(nèi)已比較成熟。能順利實(shí)現(xiàn)全程給水控制，這一方面得益于其合理、完善的設(shè) 計(jì)，另一方面在于其 DCS 控制系統(tǒng)的先進(jìn)性、可靠性，為實(shí)現(xiàn)其控制策略提供了軟、硬件上的保證。 論文的主要工作 本文圍繞單元機(jī)組給水全程控制系統(tǒng)這一主題，對火電廠給水系統(tǒng)構(gòu)成、給水控制系統(tǒng)的作用、現(xiàn)狀和發(fā)展有一個(gè)基本的認(rèn)識(shí)和了解后 ， 針對豐城電廠 300MW 機(jī)組 ， 結(jié)合仿 真實(shí)習(xí)， 對給水控制系統(tǒng) 邏輯 進(jìn)行深入分析 。 具體要求如下： 1) 通過參考資料的查閱，對火電廠給水系統(tǒng)構(gòu)成、給水控制系統(tǒng)的作用、現(xiàn)狀和發(fā)展有一個(gè)基本的認(rèn)識(shí)和了解。 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 2) 結(jié)合仿真實(shí)習(xí)，熟悉給水系統(tǒng)構(gòu)成、啟動(dòng)過程中給水系統(tǒng)的主要操作、控制系統(tǒng)基本原理和 實(shí)現(xiàn)方法。 3) 對給水系統(tǒng)的控制邏輯進(jìn)行詳細(xì)地分析。 4) 通過整個(gè)研究畢業(yè)設(shè)計(jì)，掌握從事工程技術(shù)工作時(shí)分析問題、解決問題的一般思路和基本方法。 5) 通過閱讀相關(guān)文獻(xiàn)資料和撰寫畢業(yè)論文，了解科技論文的基本撰寫模式。 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 2 給水全程控制 系統(tǒng) 給水調(diào)節(jié)對象的動(dòng)態(tài)特性 給水?dāng)_動(dòng)對水位的影響 給水量的擾動(dòng)是給水自動(dòng)控制系統(tǒng)中影響汽包水位的主要擾動(dòng)之一，因?yàn)樗莵碜钥刂苽?cè)的擾動(dòng)，又稱內(nèi)擾。在給水流量 W 的階躍擾動(dòng)下，水位 H 的響應(yīng)曲線可以用圖 來說明。若把汽包及水循環(huán)系統(tǒng)當(dāng)做單容水槽，水位的響應(yīng)曲線應(yīng)該如圖中 的直線 1。但是在實(shí)際情況中，當(dāng)給水流量突然增加的時(shí)候，因?yàn)榻o水溫度低于汽包內(nèi)的飽和水溫度，當(dāng)它進(jìn)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(chǎn)量下降，水面以下的汽泡總體積 sV 也就相應(yīng)減小，導(dǎo)致水位下降。 sV 對水位的影響可以用圖中的曲線 2 表示。水位 H（ 即曲線 3） 的實(shí)際響應(yīng)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(gè)角度進(jìn)行分析的： ； 圖 給水?dāng)_動(dòng)下的水位響應(yīng)曲線 負(fù)荷擾動(dòng)對水位的影響 蒸汽流量擾動(dòng)主要來自汽輪發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷變化，屬外部擾動(dòng)。在汽機(jī)耗汽量 D 的階躍擾動(dòng)下，水位 H 的響應(yīng)過程可以用圖 來說明。當(dāng)汽機(jī)耗汽量 D 突然階躍增加時(shí)，如華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 果只從物質(zhì)平衡的角度來講，一方面改變了汽包內(nèi)的物質(zhì)平衡狀態(tài)，使得水位下降，如圖 中的曲線 1。 但 當(dāng)鍋爐蒸發(fā)量突然增加時(shí)，迫使鍋內(nèi)汽泡的增多，燃料量維持不變，汽 包壓力 dp 下降， 使 水面以下的蒸汽泡膨脹，總體積 sV 增大，從而使得汽包水位的上升，如圖 的曲線 2 所示。因此汽包水位 H 的實(shí)際響應(yīng)曲線（圖 中圖 3 所示）是曲線 1與曲線 2 疊加的結(jié)果。只有當(dāng)汽 包 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)系來決定，這時(shí)水位就隨負(fù)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(gè)不可調(diào)節(jié)的量（對調(diào)節(jié)系統(tǒng)而言），但它是一個(gè)可測量，所以在系統(tǒng)中引入這些擾動(dòng)信息來改善調(diào)節(jié)品質(zhì)是非常必要的 。 圖 汽機(jī)耗汽量 D 階躍擾動(dòng)下的水位響應(yīng)曲線 燃料量擾動(dòng)對水位的影響 當(dāng)燃料量 B 擾動(dòng)時(shí)，必然會(huì)引起蒸汽量 D 的變化 ，燃料量增加會(huì)使?fàn)t膛熱負(fù)荷增加，鍋爐吸收更多的熱量蒸發(fā)強(qiáng)度增加，若此時(shí)，汽輪機(jī)所帶負(fù)荷不變，那么隨著爐膛熱負(fù)荷的增加，鍋爐出口壓力 dp 提高，蒸汽流量就會(huì)相應(yīng)的增加上去，然后蒸汽量的變化就會(huì)造成“虛假水位”的現(xiàn)象，即水位先上升，隨后再下降，響應(yīng)曲線如圖 所示。 但是燃料量 B 的增大只能使 D 緩慢增大，而且 dp 還慢 慢上升，它將使汽泡體積減小。因而，燃料量華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 擾動(dòng) 下的假水位比負(fù)荷擾動(dòng)下要緩和得多。 由以上分析可知，給水量擾動(dòng)下水位響應(yīng)過程具有純延遲；負(fù)荷擾動(dòng)下水位響應(yīng)過程具有假水位現(xiàn)象；燃料量擾動(dòng)也會(huì)出現(xiàn)假水位現(xiàn)象。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。 圖 燃料量擾動(dòng) B下的水位響應(yīng)曲線 測量信號(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。要求這些測量信號(hào)能夠自動(dòng)的進(jìn)行壓力、溫度校正。 測量信號(hào)自動(dòng)校正的基本方法是： 先推 導(dǎo) 出被測參數(shù)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。而在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，這些補(bǔ)償公式中一些參數(shù)的確定要依據(jù)理論計(jì)算及現(xiàn)場調(diào)試綜合求取，通過動(dòng)態(tài)補(bǔ)償回路確保上述信號(hào)在負(fù)荷變化時(shí)的精度。 水位信號(hào)的壓力校正 B B? t 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 對汽包鍋爐通常利用差壓原理來測量其水位，鍋爐從啟、停到正常負(fù)荷的整個(gè)運(yùn)行 范圍內(nèi)，汽包壓力變化很大，汽包內(nèi)飽和蒸汽和飽和水密度的變化也很大，這樣就不能直接用差壓信號(hào)來代表水位，而必須對其進(jìn)行壓力修正。根據(jù)很多大型機(jī)組運(yùn)行的情況反映，大容量機(jī)組汽 包 水位的測量不宜采用帶中間抽頭式（即雙室平衡容器）的測量筒，而要采用單室平衡容器取樣裝置。 圖 表示 單 容平衡容器的測量系統(tǒng)。 設(shè) ： bP — 汽包壓力（ aP ） L— 汽水連通管之間的垂直距離，即最大的變化范圍（ M） h— 汽包水位高度 ?21,PP 加在差壓變送器兩側(cè)的壓力（ aP ） ?s? 飽和蒸汽的 重度 （ 3mN ） ?W? 飽和水的 重度 （ 3mN ） ?C? 汽包外平衡容器內(nèi)水柱的 重度 （ 3mN ） 從圖 中可看出： 1P = W? *h+ s? *(Lh) 2P = C? *L P? = 2P 1P = C? *L W? *h s? *(Lh) SWsc PLh ???? ? ????? *)( （ ） 當(dāng) L 一定時(shí) ,水位 h 時(shí)差壓和汽、水密度的函數(shù)。密度 C? 與環(huán)境溫度有關(guān)，一般可取50℃時(shí)水位的密度。在鍋爐啟動(dòng)過程中，水溫略有增加，但由于同時(shí)壓力也升高，兩種因素對 C? 的影響基本上可以抵消，即可近似地認(rèn)為 C? 是恒值。而飽和水和飽和蒸汽的 重 度W? 和 s? 均為汽包壓力 bP 的函數(shù)，即： C? s? = F( bP ) W? s? = f( bP ) 所以式（ ）可寫成 ： 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 h=)()( bb Pf PPF ?? () 根據(jù)上式即可設(shè)計(jì)出水位壓力的自動(dòng)校正線路。 C?變 送 器LW?bP s?P 1P 2+h 圖 汽包水位單容平衡容器的測量系統(tǒng) 過熱蒸汽流量信號(hào)壓力、溫度校正 大容量高參數(shù)鍋爐的過熱蒸汽流量通常采用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置進(jìn)行測量。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)被測蒸汽壓力和溫度偏離設(shè)計(jì)值時(shí)，蒸汽度的密度變化很大，這就會(huì)給測量造成誤差，所以要 進(jìn)行壓力和溫度的校正。 一般按下式進(jìn)行校正： D= Pk? =K???????????????PTPP () 式（ ）中： D過熱蒸汽流量 (Kg/H)； P過熱蒸汽壓力 (MPa)； T過熱蒸汽溫度 (C