【正文】 ................................................................................................................................ 47 參考文獻 .................................................................................................................................. 48 致謝 .......................................................................................................................................... 49 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 1 第一章 引言 電力行業(yè)發(fā)展現狀與趨勢 火電廠是 利用煤、石油、天然氣等固體、液體燃料燃燒所產生的熱能轉換為動能以生產電能的工廠。 本設計結合鍋爐的生產工藝要求，針對鍋爐汽包水位的動態(tài)特性，具體分析了單沖量、雙沖量、三沖量鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)，并對其性能特點進行深入的分析和比較，最終選擇了三沖量。區(qū)域性電廠裝機容量較大，一般建造在燃 料基地，如大型煤礦附近 ， 又稱坑口電廠 ， 其電能通過長距離的輸電線路供給用戶。 從電 力生產情況看， 2020 年全國發(fā)電量達到 28344 億千瓦時。 SIS 主要處理全廠實時數據，完成廠級生產過程的監(jiān)控和管理，廠級故障診斷和分析，廠級性能計算、分析和經濟負荷調度等； MIS 主要為全廠運營、生產和行政的管理工作服務，主要完成設備和維 修管理、生產 經營管理 (包括電力市場報價子系統(tǒng) )、財務管理等。 ㈡ 單元機組自動化將展現新的特點 火電廠單元機組的自動化水平，無論國外和國內，都是比較高的 。目前有的公司推出的 DCS， CPU 采用 22 冗余 (由于計算機技術發(fā)展，成本增加很小 )，可靠性進一步提高。 熱力發(fā)電廠生產流程 [2] 熱力發(fā)電是利用煤、石油、天然氣等固體、液體、氣體燃料燃燒時產生的熱能，通過發(fā)電動力裝置（包括電廠鍋爐、汽輪機和發(fā)電機及其輔助裝置）轉換成電能的一種發(fā)電方式?；痣姀S的容量大小各異，具體形式也不盡相同，但就其生產過程來說卻是相似的。 在除氧器水箱內的水經過給水泵升壓后通過高壓加熱器送入省煤器。高速流動的蒸汽推動汽輪機轉子轉動，形成機械能。 生產過程雖然較為繁雜，但從能量轉換的角度看卻很簡單，即燃料的化學能→蒸汽的熱勢能→機械能→電能。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 6 皮 帶 秤煙囪鍋爐排 粉 風 機磨煤機除 塵 器引 風 機送 風機灰 渣 泵P1P2煤斗煤煤粉熱空氣熱 空 氣沖 灰 水 煙氣爐渣細灰至 灰 場 冷空氣 空 氣 預 熱 器 圖 燃燒系統(tǒng)流程 ㈡ 汽水系統(tǒng) 熱力發(fā)電廠的汽水系統(tǒng)是由鍋爐、汽輪機、凝汽器、高低壓加 熱器、凝結水泵和給水泵等組成，他包括汽水循環(huán)、化學水處理和冷卻系統(tǒng)等。 在汽水系統(tǒng)中的蒸汽和凝結水，由于疏通管道很多并且還要經過許多的閥門設備，這樣就難免產生跑、冒、滴、漏等現象，這些現象都會或多或少地造成水的損失，因此必須不斷的向系統(tǒng) 中補充經過化學處理過的軟化水，這些補給水一般都補入除氧器中 。 鍋爐設備的工藝 鍋爐設備是由鍋爐本體和輔助設備兩大部分構成： ㈠ 鍋爐本體：鍋爐本體是由鍋和爐兩大部分組合在一起構成的。送、引風設備包括送風機、引風機、冷風道、熱風道、煙道和煙囪等。除塵、脫硫、脫硝設備包括重力除塵器、慣性力除塵器、離心力除塵器等。 ㈣ 按燃料方式分類，火床燃燒鍋爐、火室燃燒鍋爐、流化床燃燒鍋爐。對于大型鍋爐，這種危險尤為突出。如果不考慮水面下汽泡容積的變化 ,則當給水流量擾動時 ,水位的反應曲線如圖 中的直線 1 所示 。當燃料量 M 增加時 ,爐膛熱負荷隨著增加 ,水循環(huán)系統(tǒng)內的汽水混合物的汽泡比例增加 ,蒸發(fā)強度增強。雙沖量實際上是前饋與反饋調節(jié)相結合的調節(jié)系統(tǒng)。 當蒸汽流量增加時 ,調節(jié)器立即動作 ,相應地增加給水流量 ,能有效地減小虛假液位所引起的調節(jié)器誤動作。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)。對象的輸入信號為給水流量變化 W, 輸出信號為水位測量變送單元的輸出 VH,從階躍響應曲線上求得延遲時間 τ 和響應速度 ε ,根據響應曲線法可得下述計算公式 : ???? （ 21） ???? ?WW （ 22） WW ???? ? （ 23） 由此可見 ,當 變送器的斜率已經確定后 ,增大給水量的靈敏度 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緩慢 ,增加主回路的穩(wěn)定性 (減少主回路的振蕩 ) 。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 20 串級三沖量給水控制系統(tǒng)的分析和整定 ㈠ 控制原理 : 串級三沖量給水控制系統(tǒng)的控制原理如圖 所示。這時 ,主回路等效為一個單回路控制系統(tǒng)。 ㈣ 蒸汽流量前饋裝置的傳遞函數 D? 的選擇 在串級三沖量給水控制系統(tǒng)中 , 水位偏差完全由主調節(jié)器來校正 ,使靜態(tài)水位值總是等于給定值。串級系統(tǒng)主副調節(jié)器的任務不同 ,副調節(jié)器的任務是用以消除給水壓力波動等因素引起的給水流量的自發(fā)性擾動以及當蒸汽負荷改變時迅速調節(jié)給水流量 ,以保證給水流量和蒸汽流量的平衡 。從上水開始到帶滿負荷的全過程，汽包水位的控制都由調節(jié)閥完成。對于 300MW 及以上機組，每臺鍋爐配有一臺 50%容量的電動調速泵和一臺 100%容量的汽動給水泵，或者兩臺每臺容量各為50%的汽動泵。 DCS 以 CPU 群為核心，這些功能強弱不同的微處理器有的對子系統(tǒng)的設備或工藝流程進行控制，有的對子系統(tǒng)與子系統(tǒng)間進行協(xié)調控制，有的完成系統(tǒng)和子系統(tǒng)間的控制，還有的進行系統(tǒng)間的協(xié)調控制，即整個機組的控制目標和任務事先按一定方式分配給各個微處理器，形成功能上的分級，而各個 CPU 通過數字通信網絡進行聯系，交換信息，實現 CPU 控制作用分散、顯示和操作以及管理集中的有機結合，實現信息資源共享。 ? 預處理：指 I/O 模件對來自現場的信號進行先期處理，經過處理的信號才能被內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 27 CPU 或計算機識別接受。過程控制級，直接與生產過程相連，這一級的 CPU 通過通信方式對來自現場各被監(jiān)控設備實施監(jiān)視和控制，同時向上一級，即第二級傳送采集到的實時數據，并接受來自第二級的操作和組態(tài)信息。 第一級和第二級的簡化結構框圖如圖 所示， I / O 擴 展 總 線控 制 通 道操 作 員 站 工 程 師 站工 廠 環(huán) 網通 信 接 口 通 信 接 口多 功 能處 理 器 多 功 能處 理 器I / O 模 件 I / O 模 件現 場 被 監(jiān) 控 對 象第二級第一級 (a) INFI 系統(tǒng) 操 作 員 站 工 程 師 站監(jiān) 控 網 絡服務器服務器系 統(tǒng) 網 絡主 控 單 元主 控 單 元I / O 模 塊 I / O 模 塊現 場 被 監(jiān) 控 對 象第2級第1級 (b) MACS 系統(tǒng) 圖 第一級和第二級的簡化結構框圖 其中 （ a） 是美國 ABB 貝利公司生產的 INFI 系統(tǒng)的結構框圖，圖中工廠環(huán)網、通信接口模件、控制通道、多功能處理器都采用了冗余配置。 對圖 （ b） ， I/O 模件對信號預處理，通過控制網絡傳送到主控單元。在工程師站，用專用組態(tài)軟件工具可對過程控制單元進行控制邏輯的在線和離線組態(tài)，并具有對控制邏輯組態(tài)進行監(jiān)視、調整及維護的功能。內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 30 I/O 模件在主控模件的控制下，輸入模件對輸入信號進行預處理后，輸出到主控模件；輸出模件對主控模件的輸出數據進行后處理，輸出到執(zhí)行機構或提供給顯示、記錄儀表。根據不同被控設備的特性，每個現場控制站由一些具有不同功能的模件像搭積木一樣，通過插接方式組裝而成，模件間無需內部接線。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 31 汽包水位控制系統(tǒng) 硬件圖 汽 包 水 位 變 送 器主 給 水 流 量 變 送 器主 蒸 汽 流 量 變 送 器A I 模 塊 主 控 模 件控 制 通 道服 務 器以 太 網 計 算 機 及 C R T集 控 室A O 模 件電 動 執(zhí) 行 機 構現 場 就 地 設 備主 給 水 調 節(jié) 閥至 汽 包主 給 水I / O 擴 展 總 線現 場 控 制 站電 子 間圖 汽包水位控制系統(tǒng)硬件圖 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 32 ? ? ?? ? ?? ? ?? ? ? ......A I模 件A O模件主 控 模 件服務器計 算 機和 C R T①①②②③③⑤⑤④④I / O 擴 展 總 線 控 制 通 道 以 太 網I / O 擴 展 總 線汽 包 水 位 變 送 器 內 部 端 子主 給 水 流 量 變 送 器 內 部 端 子主 汽 流 量 變 送 器 內 部 端 子電 動 執(zhí) 行 機 構 內 部 端 子至 汽 包主 給 水 調 節(jié) 閥主 給 水 圖 主要信號線路的端子連接示意圖 DCS 系統(tǒng)的組態(tài)從其硬件的選擇便已經在進行中了。 ? 軟件的模塊化 生產 DCS 的各廠家為用戶提供了豐富的功能軟件模塊和至少一種高級語言，以便用戶從事應用程序 的開發(fā)。 分散控制系統(tǒng)基本功能 DCS 具有數據采集及處理、手動 /自動控制和系統(tǒng)通信等基本功能。它一般由機柜、主控模件、 I/O 模件、電源等組成。服務器根 據主控單元的請求提供服務，這些服務包括對數據的采集、核對、存儲、共享和集中管理。圖 （ b） 是北京和利時公司生產的 MACS 系統(tǒng)的結構框圖，圖中監(jiān)控網絡、服務器、系統(tǒng)網絡、主控單元也是采用了冗余配置?？刂乒芾砑墸饕刹僮鲉T站，工程師站和高速通信網線組成。 ? 通信網絡的節(jié)點：指連接在通信網絡上參與通信的硬件設備。 DCS 控制方式符合熱電生產的熱工過程基本特征，因此在新廠建設和老廠技術改造中，獲得了大力推廣和廣泛應用。小汽輪機的轉速是以微處理器為核心組成的小汽輪機的轉速從零升到某一臨界轉速，當達到這一轉速后小汽輪機的轉速給定值由給水控制系統(tǒng)設置，此后小汽輪機只相當于給水控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構。這種系統(tǒng)每臺鍋爐配備兩臺容量各為 100 的電動調速泵，運行時，一臺工作，另一臺熱備用，跟蹤工作泵。這樣 , 當負荷變化時 ,水位穩(wěn)定值是靠主調節(jié)器 PI1 來維持的，在這里可以根據對象在外擾下虛假水位的嚴重程度來適當加強蒸汽流量信號的作用強度 ,從而改變負荷擾動下的水位控制品質。一般使蒸汽流量信號大于給水流量信號 ,即 wwDD K ???? ? K 1 （ 214） 如果給水流量變送器和蒸汽流量變送器的斜 率相等 ,則 wD K?? ? K 1 （ 215） 由于在負荷擾動時 ,水位的最大偏差 (第一個波幅 ) 往往出現在擾動發(fā)生后不久 (虛 假內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 23 水位現象造成 ),這個水位最大偏差的數值決定于擾動的大小 , 擾動的速度和鍋爐的特性 , 蒸汽流量信號加強后的控制作用對水位的最大偏差起不了多大作用。 等效主調節(jié)器的積分時間 *11T 就是 PI1 調節(jié)器的積分時間 11T 。 ② 由被控對象 ? ?SWOW ,水位測量變送器 H? ,主調節(jié)器 PI1 和副回路組成主回路。 ④ 前饋通道的分析和整定 對于圖 所示的串級三沖量給水 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 W? 及調節(jié)器參數 δ , Ti 的數值后 , 系統(tǒng)的方框圖就可以用圖 來表示。 δ 和 Ti的數值以保證內回路不振蕩為原則 , 一般 Ti≤ 100 s?？梢娊o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。但是如果給水壓力本身有波動時 ,雙沖量控制也不能克服給水量波動的影響。隨著汽包壓力的升高 ,汽水混合物中汽泡的比例將減小