【正文】 ............................................................................................... 37 給水系統(tǒng) SAMA 圖 3......................................................................................................... 38 給水系統(tǒng)邏輯圖 1 .............................................................................................................. 39 給水系統(tǒng)邏輯圖 2 .............................................................................................................. 40 給水系統(tǒng)邏輯圖 3 .............................................................................................................. 41 給水系統(tǒng)邏輯圖 4 .............................................................................................................. 42 鐵嶺電廠 3機組 汽包水位控制系統(tǒng)設計 1 1 引 言 課題背景及選題意義 隨著電力事業(yè)的飛速發(fā)展，火電廠機組容量的不斷擴大，參數(shù)不斷提高，如何保護單元機組 的安全、經(jīng)濟運行，減少事故，提高設備的可靠性和運行的經(jīng)濟性，是十分重要的問題。 目前生產(chǎn)過程自動化的程度已成為衡量工業(yè)企業(yè)現(xiàn)代化水平的一個重要標志，這在電力行業(yè)更為突出。可以說，自動化系統(tǒng)已成為與機、爐、電等主設備不可分割，而且同等重要的組成部分。只有電力產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展才有可能保證整個國民經(jīng)濟的迅速而穩(wěn)步的發(fā)展 [1]。熱力發(fā)電廠包括燃化石燃料（煤、油、氣）的火力發(fā)電廠與使用核燃料的核動力電廠，迄今為止，熱力發(fā)電廠在世界大多數(shù)國家中仍占著各種發(fā)電形式中的主導地位，我國的火力發(fā)電占 70%左右，而 且根據(jù)我國國情，火力發(fā)電廠基本是燃煤電廠。電力工業(yè)中電廠熱工生產(chǎn)過程自動化技術(shù)相對于其它民用工業(yè)部門有較長的歷史和較高的自動化水平，電廠熱工自動化水平的高低是衡量電廠生產(chǎn)技術(shù)的先進與否和企業(yè)現(xiàn)代化的重要標志 [2]。這些控制系統(tǒng)大多分散在鍋爐和汽機車間就地 安裝，整個電廠的機、爐、電也是分散控制的。 火電廠自動化的內(nèi)容 火電廠自動化的范圍是極其廣泛的，它包括主機、輔助設備、公用系統(tǒng)等的自動化，沈陽工程學院畢業(yè)設計（論文） 2 大致可以分為四個基本內(nèi)容： (1)自動檢測。它相當于人和自動化的“眼睛”。檢測所采用的裝置有測量儀表、記錄儀表、巡回檢測裝置、工業(yè)電視等。自動調(diào)節(jié)一般是指正常運行時操作的自動化，即在一定范圍內(nèi)自動地適應外界負荷變化或其他條件變化，使生產(chǎn)過程正常進行。將程序控制技術(shù)、邏輯功能和保護同自動調(diào)節(jié)結(jié)合起來，可以實現(xiàn)全程控制，即在機組啟動、停止及正常運行的全過程中，實現(xiàn)自動控制，如水位全程控制。遠方控制是通過開關(guān)或按鈕，對生產(chǎn)過程中重要的調(diào)節(jié)機構(gòu)和截止機 構(gòu)實現(xiàn)遠距離控制。 (4)自動保護。 火電廠的自動保護對象主要有鍋爐、汽輪發(fā)電機本體、輔助設備、局部工藝過程等。微型計算機可靠、 價廉，還有很強的計算、邏輯判斷、記憶功能，它能快速計算機組在正常運行時以及啟停過程中的重要數(shù)據(jù)，進行事故分析、處理。 本設計研究的主要內(nèi)容 本文設計的題目是 300MW 機組汽包水位控制系統(tǒng)設計。 機組采用的分散控制系統(tǒng)是 Ovation 系統(tǒng)。 其主要內(nèi)容： (1)針對 300MW 大型火力發(fā)電機組汽包水位控制的工藝過程，研究生產(chǎn)實際中常用的鍋爐給水控制策略。 鐵嶺電廠 3機組 汽包水位控制系統(tǒng)設計 3 火電廠基本生產(chǎn)過程 圖 凝汽式燃煤電廠的生產(chǎn)過程示意圖 在除氧器水箱內(nèi)的水經(jīng)過給水泵升壓后通過高壓加熱器送入省煤器。在鍋爐爐膛四周密布著水管，稱為水冷壁。部分水在冷壁中被加熱沸騰后汽化成水蒸汽，這些飽和蒸汽由汽包上部流出進入過熱器中。過熱蒸汽有很高的壓力和溫度，因此有很大的熱勢能。高速流動的蒸汽推動汽輪機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，形成機械能。乏汽在凝汽器內(nèi)被循環(huán)水泵送入凝汽器的冷卻水冷卻，從新凝結(jié)成水，此水成為凝結(jié)水。在循環(huán)過程中難免有汽水的泄露，即汽水損失，因此要適量地向循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)補給一些水，以保證循環(huán)的正常進行。 以上分析雖然較為繁雜，但從能量轉(zhuǎn)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。爐、機、電是火電廠中的主要設備，亦稱三大主機。主機與輔沈陽工程學院畢業(yè)設計（論文） 4 機及其相連的管道、線路等稱為系統(tǒng)。 除了上述的主要系統(tǒng)外，火電廠還有其它一些輔助生產(chǎn)系統(tǒng)，如燃煤的輸送系統(tǒng)、水的化學處理系統(tǒng)、灰漿的排放系統(tǒng)等。大型火電廠的保證這些設備的正常運轉(zhuǎn)，火電廠裝有大量的儀表，用來監(jiān)視這些設備的運行狀況，同時還設置有 自動控制裝置，以便及時地對主輔設備進行調(diào)節(jié)。這些控制系統(tǒng)可以對整個生產(chǎn)過程進行控制和自動調(diào)節(jié)，根據(jù)不同情況協(xié)調(diào)各設備的工作狀況，使整個電廠的自動化水平達到了新的高度。 1. 4 汽包水位控制系統(tǒng)簡介 目前大多數(shù)鍋爐分為汽包鍋爐和直流鍋爐兩種。汽包鍋爐給水自動控制系統(tǒng)的任務是維持汽包水位在設定數(shù)值。 對于汽包水位控制系統(tǒng)來說，有三種基本結(jié)構(gòu)如下圖： (1)單沖量控制系統(tǒng) 其基本結(jié)構(gòu)如圖 （ 1）所示，該系統(tǒng)是一個只采用汽包水位信號和一個 PI 調(diào)節(jié)器的反饋控制系統(tǒng)。 (2)單級三沖量控制系統(tǒng) 其基本結(jié)構(gòu)如圖 （ 2）所示，該系統(tǒng)采用一個 PI 調(diào)節(jié)器，并根據(jù)汽包水位、蒸汽流量和給水流量三個信號的變化去控制給水流量。事實上由于檢測、變送設備的誤差等因素的影響，蒸汽流量和給水流量這兩個信號的測量值在穩(wěn)態(tài)時難以做到完全相等，且單級三沖量控制系統(tǒng)一個調(diào)節(jié)器參數(shù)整定需兼顧較多的因素，所以，現(xiàn)實中很少采用單級三沖量給水控制系統(tǒng)。與單級三沖量系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)多采用了一個 PI 調(diào)節(jié)器，兩個調(diào)節(jié)器分工明確、串聯(lián)工作，主調(diào)節(jié)器 PI1 為水位調(diào)節(jié)器，它根據(jù)水位偏差產(chǎn)生給水流量給定值，副調(diào)節(jié)器 PI2 為給水流量調(diào)節(jié)器，它根據(jù)給水流量偏差控制給水流量，并消除給水側(cè)的擾動；蒸汽流量信號作為前饋信號用來維持負荷變動時的物質(zhì)平衡，由此構(gòu)成的是一個前饋－反饋雙回路控制系統(tǒng)。 鐵嶺電廠 3機組 汽包水位控制系統(tǒng)設計 5 H A D H W A D A H W (1)單沖量控制 (2)單級三沖量控制 (3)串級三沖量控制 圖 汽包水位控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 目前，大機火電機組，特別是 300MW 及以上的機組，其汽包水位控制系統(tǒng) 大都采用給水全程控制系統(tǒng)。 沈陽工程學院畢業(yè)設計（論文） 6 2 給水被控對象的動態(tài)特性 在討論汽包水位控制系統(tǒng)之前，必須先分析被控對象的動態(tài)特性，然后才能設計出一個合理的給水控制系統(tǒng)。汽包水位是汽包中儲水量和水面下汽泡容積的綜合反映。從水位反映儲水量來看，調(diào)節(jié)對象是一個無自平衡能力的對象，這是因為儲水量的變化是由給水流量和蒸汽流量變化引起的，而水位變化后既不能影響給水流量，又不能影響蒸發(fā)量，所以說水位調(diào)節(jié)對象是沒有自平衡能力的。 汽包水位的動態(tài)特性 工業(yè)鍋爐的汽包水位是正常運行的重要指標之一，水位過高，產(chǎn)生蒸汽帶水現(xiàn)象，影響用汽單位的正常生產(chǎn)。因此，鍋爐運行中，保持汽包水位在一定范圍是十分重要的自動控制問題。燃煤量對水位變化的影響是非常緩慢的，比較容易克服。鍋爐水位調(diào)節(jié)對象的原理結(jié)構(gòu)如圖 所示。當擾動為階躍擾動時，對象的動態(tài)特性稱為階躍響應曲線。 鐵嶺電廠 3機組 汽包水位控制系統(tǒng)設計 7 各種擾動下水位變化的動態(tài)特性 給水流量擾動下對象的動態(tài)特性 圖 為給水量擾動下水位階躍響應曲線。 圖 給水量擾動下水位階躍響應曲線 在給水流量突然增加的瞬間，鍋爐的蒸發(fā) 量還未改變，給水流量大于蒸發(fā)量，但水位一開始并不立即增加，這是因為溫度較低的給水進入省煤器及水循環(huán)系統(tǒng)的流量增加了，從原有的飽和汽水混合物中吸取了一部分熱量，使水面下的汽泡容積有所減少。在此過 程中，負荷還未變化，汽包中水仍在蒸發(fā)，因此水位也有下降趨勢。下面簡單介紹一下水位在給水擾動下的傳遞函數(shù)。 沈陽工程學院畢業(yè)設計（論文） 8 圖 給水擾動傳遞函數(shù) 方框圖 蒸汽流量擾動下對象的動態(tài)特性 蒸汽流量擾動下水位的階躍起反應曲線如圖 所示。水位實際變化曲線是 H1和 H2 之和。虛假水位的變化情況和鍋爐的特性有關(guān)，燃料突然減小時（如鍋 爐滅火），“虛假水位”約在 2～ 4分鐘內(nèi)即鐵嶺電廠 3機組 汽包水位控制系統(tǒng)設計 9 達到最低值。汽輪機甩負荷擾動下的“虛假水位”現(xiàn)象是相當嚴重的，這給組成水位自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)帶來了困難。 爐膛熱負荷擾動下對象的動態(tài)特性 當燃料 M 增加時，爐膛熱負荷隨著增加，水循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的汽水混合物的氣泡比例增加，蒸發(fā)強度增加。隨著汽包壓力的升高，汽水混合物中汽泡的比例將減小，又使得汽水總?cè)莘e下降；其次，在汽壓升高時，汽的比容變小，水的比容變大，總的效果是汽水混合物的比容變化不大。由于熱慣性的原因，這種“虛假水位”沒有蒸汽流量擾動下的“虛假水位”那樣嚴重。 從各種擾動下水位的動態(tài)特性可估計到水位調(diào)節(jié)的一些缺點：由于存在延遲，等到水位偏離規(guī)定值后再去進行調(diào)節(jié)，水位必然會有較大的變化（尤其是水位反應快的鍋爐），水位的偏差也大；在負荷變化時，由于“虛假水位”現(xiàn)象，水位將迅速變化，這種變化幅度不可能用調(diào)節(jié)給水量來減小。 沈陽工程學院畢業(yè)設計（論文） 10 3 鐵嶺電廠 3 機組汽包水位控制系統(tǒng)設計 汽包水位控制系統(tǒng)總體方案的確定 為保證機組的安全運行 ， 我們對給水控制系統(tǒng)提出了很高的要求：在控制設備正常的條件下，不需要操作人員干涉，就能保證汽包水位在允許范圍內(nèi)，這是一個比較復雜的過程，因此對給水控制系統(tǒng)提出以下要求： (1)在給水控制系統(tǒng)中，不僅要滿足給水 調(diào)節(jié)的要求，同時還要保證給水泵工作在安全區(qū)內(nèi)，這往往需要有兩套控制系統(tǒng)來完成，及所謂的兩段調(diào)節(jié)。隨著負荷的增長或降低，系統(tǒng)要能從單沖量過度到三沖量，或從三沖量過度到單沖量系統(tǒng)，由此產(chǎn)生了系統(tǒng)的切換問題，并且必須保證兩套系統(tǒng)相互切換的控制線路。 (4)在多種調(diào)節(jié)機構(gòu)的復雜切換過程中，給水控制系統(tǒng)都必須保證無擾。 (5)給水自動控制還必須適應機組的定壓運行和滑壓運行工況，必須適應冷態(tài)啟動和熱態(tài)啟動的情況。因此加快了負荷變化時水位的變化速度。所以，鍋爐運行中迫切要求對給水實現(xiàn)自動控制。鍋爐的水位是影響安全運行的重要因素。水位過低，則會破壞汽水正常循環(huán)，以致燒壞受熱面。所以，正常運行時汽包水位應在給定值的 ? 15mm上下范圍波動。給水量穩(wěn)定，有助于省煤器和給水管道的安全運行。實踐證明，無論是電站鍋爐，或者是工業(yè)鍋爐，用人工操作調(diào)節(jié)水位，既不安全，也不經(jīng)濟，其最有效的方法是實現(xiàn)給水自動調(diào)鐵嶺電廠 3機組 汽包水位控制系統(tǒng)設計 11 節(jié)?？刂品桨覆捎脝?/三沖量結(jié)合，在小負荷時采用單沖量控制，在高負荷時采用三沖量控制。水位與定值發(fā)生偏差時，經(jīng)比例、積分運算后去控制旁路給水閥。主調(diào)節(jié)器的輸出加上蒸汽流量信號，作為負調(diào)節(jié)器的設定值，與給水流量比較，經(jīng)過比例、積分運算后，輸出控制電動給水泵轉(zhuǎn)速。 汽包的工作原理 汽包水位是鍋爐運行中一個重要的監(jiān)控參數(shù)。汽包水位過高，會影響汽包內(nèi)汽水分離裝置的正常工作，造成出口蒸汽水分過多而使過熱器管壁結(jié)垢，容易燒壞過熱器。汽包水位過低，則可能破壞鍋爐水循環(huán)，造成水冷壁管燒壞而破裂。 如下圖為 300MW 電廠給水熱力系統(tǒng)示意簡圖： 圖 給水熱力系統(tǒng)示意圖 影響汽包水位變化的因素 鍋爐在運行中，水位是經(jīng)常變化的。 (1)鍋爐負荷 汽包水位是否穩(wěn)定首先取決于鍋爐負荷的變化及其變化的速度，例如，鍋爐的負荷突然升高