热工控制系统课程设计要点.pdf
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1、300MW机组给水全程控制系统设计 I 摘 要 目前,大型火电单元机组都采用机、炉联合启动的方式,锅炉、汽轮机按照启动曲线 要求进行滑参数启动。随着机组容量的增大和参数的提高,机组在启停过程中需要监视和 控制的项目也就越来越多,因此人工操作、监视的方式已远远不能满足运行的要求,而必 须在启停过程中实现自动控制。这就需要有全程控制系统。 汽包锅炉水位是锅炉运行中一个重要的监控参数。它间接的表示了锅炉蒸汽负荷和给 水量之间的平衡关系。维持汽包水位正常是保正汽轮机和锅炉安全运行的重要条件。锅炉 汽包水位过高,会影响汽包内汽水分离装置的正常工作,造成出口蒸汽水分过多而使过热 器管壁结垢,容易烧坏过热器
2、。汽包出口蒸汽水分过多,也会使过热气温产生急剧变化, 直接影响机主运行的安全性和经济性。汽包水位过低,则可能破坏锅炉水循环,造成水冷 壁管烧坏而破裂。本论文结合元宝山发电厂的实际情况对其给水系统进行了全程控制设 计,论文比较详细的论述了控制系统的工作原理及特点,控制对象的动态特性,控制系统 的构成以及具体的控制方案与策略。 关键词: 给水全程控制系统、汽包水位控制、串级三冲量控制 热工过程控制系统课程设计 II Abstract Current, large fire electricity unit machine a way for all adopting machine, boiler
3、 uniting starting, boiler, vapor a machine according to start the curve request proceed the slippery parameter starts. Along with the aggrandizement of the machine a capacity with the exaltation of the parameter, machine an item for in start and stop process needing keeping watch on with control too
4、 more and more, the for this reason artificial operates, the monitoring way cant satisfy the request of the movement already and far and far, but must realizes in start and stop process the auto control. This need the whole distance control system. The vapor a boiler water level is a boiler to circu
5、late inside to supervise and control the parameter importantly. It meant indirectly that the boiler steam carries with the equilibrium relation of the amount of water applied. Maintaining the vapor a water level normal is an important term to protect the positive vapor a machine to circulate with th
6、e boiler safety. Boiler vapor a water level over high, will affect the normal work that vapor an inside soda separate equip, making exit steam humidity excessive but made the hot machine take care of the wall knot dirty mark, burn easily bad over hot machine. A safety for exporting steam humidity ex
7、cessively, and also would making hot air temperature producing nasty upheaval turning, directly affecting machine lord circulating with economic. Vapor a water level over low, then may break the boiler water circulates, resulting in the cold wall in water tube burns bad but break. The actual circums
8、tance of the combinative coin in this thesis mountain power plant as to its water supply system proceeded whole distance control design, detailed treatise in thesis control work principle and characteristicses of the systems, control the dynamic characteristic of the object, control the composing of
9、 the system and in a specific way of control project and strategy. Key words: feed water whole distance control system, drum water level control, serial class three element control 300MW机组给水全程控制系统设计 III 目 录 摘 要 . . I Abstract . II 目 录 . . III 1 给水全程控制系统综述. 1 1.1 给水全程控制系统的目的及意义. 1 1.2 给水全程控制系统的国内外现状及
10、发展趋势. 1 1.3 给水调节对象的动态特性. 1 1.3.1 给水扰动对水位的影响. 1 1.3.2 负荷扰动对水位的影响. 2 1.3.3 燃料量扰动对水位的影响. 3 1.4 测量信号的自动校正 . 3 1.4.1 水位信号的压力校正 . 3 1.4.2 过热蒸汽流量信号压力、温度校正. 5 1.4.3 给水流量测量信号的温度校正. 5 3 汽包水位三冲量给水控制系统. 6 3.1 三冲量控制系统结构原理. 6 3.2 汽包水位的串级控制系统. 6 4 控制系统组态分析 . 8 4.1 INFI-90分散控制系统概述. 8 4.2 控制系统组态分析 . 9 4.3 硬件配置说明 . 9
11、 4.4 控制系统的仿真 . 9 5 西屋公司 300MW 机组锅炉给水控制系统分析. . 11 5.1 给水控制系统 SAMA 图分析 . 11 5.1.1 PID调节器的运用 11 5.1.2 水位信号的压力校正 . . 11 5.1.3 给水流量信号控制 . . 11 总 结 . 12 致 谢 . 13 参考文献 . . 14 附 录 . 15 300MW机组给水全程控制系统设计 1 1 给水全程控制系统综述 1.1 给水全程控制系统的目的及意义 汽包锅炉给水自动控制的目的是使锅炉的给水量适应锅炉的蒸发量,以维持 汽包水位在规定的范围内。 汽包水位是锅炉运行中一个重要的监控参数。它间接反
12、映了锅炉蒸汽负荷与 给水量之间的平衡关系, 维持汽包水位正常是保证锅炉和汽轮机安全运行的必要 条件,汽包水位过高, 会影响汽包内汽水分离装置的正常工作,造成出口蒸汽水 分过多而使过热器管壁结垢, 容易烧坏过热器。 汽包出口蒸汽中水分过多, 也会 使过热汽温产生急剧变化, 直接影响机组运行的安全性和经济性。 汽包水位过低, 则可能破坏锅炉水循环,造成水冷壁管烧坏而破裂。 随着锅炉容量和参数的提高, 汽包的容积相对减小, 锅炉蒸发受热面的热负 荷显著提高。因此加快了负荷变化时水位的变化速度。 企图用人工控制给水量来维持汽包水位不仅操作繁重,而且是非常困难的。 所以,锅炉运行中迫切要求对给水实现自动
13、控制。 1.2 给水全程控制系统的国内外现状及发展趋势 目前,国内外汽包水位控制策略采用三冲量控制,模糊控制及PID 自校准 与自调整的比较多, 特别是前 2种,其中模糊控制主要是朝智能化方向发展,表 现在模糊控制与智能控制的结合,采用遗传算法优化模糊控制等。 主要解决的问 题是:规则的完整性、 自校正主要采用不同的优化方法对参数进行自调整;预测 函数控制、广义预报自适应控制、 模型参考自适应控制等基于模型的控制方法发 展的比较少,具体在实际应用过程中应用的则更少。 1.3 给水调节对象的动态特性 1.3.1 给水扰动对水位的影响 给水量的扰动是给水自动控制系统中影响汽包水位的主要扰动之一,因
14、为它 是来自控制侧的扰动,又称内扰。在给水流量W 的阶跃扰动下,水位H 的响应 曲线可以用图 1 来说明。若把汽包及水循环系统当做单容水槽,水位的响应曲线 热工过程控制系统课程设计 2 应该如图中的直线1。但是在实际情况中,当给水流量突然增加的时候,因为给 水温度低于汽包内的饱和水温度, 当它进入汽包后吸收了原有的饱和水中的一部 分热量,使锅炉的蒸汽产量下降, 水面以下的汽泡总体积 sV也就相应减小, 导致 水位下降。 sV对水位的影响可以用图中的曲线2 表示。水位 H(即曲线 3)的实 际响应曲线是曲线1 和曲线 2 的总和。这种分析方法是分别从两个角度进行分析 的:1.仅从物质平衡角度来分
15、析;2.仅从热平衡角度来分析。 图 1 给水扰动下的水位响应曲线 1.3.2 负荷扰动对水位的影响 蒸汽流量扰动主要来自汽轮发电机组的负荷变化,属外部扰动。在汽机耗汽 量 D的阶跃扰动下, 水位 H的响应过程可以用图2 来说明。当汽机耗汽量 D突然 阶跃增加时, 如果只从物质平衡的角度来讲, 一方面改变了汽包内的物质平衡状 态,使得水位下降,如图2 中的曲线 1。但当锅炉蒸发量突然增加时,迫使锅内 汽泡的增多,燃料量维持不变,汽包压力 d p下降,使水面以下的蒸汽泡膨胀, 总体积 s V增大,从而使得汽包水位的上升, 如图 2 的曲线 2 所示。因此汽包水位 H的实际响应曲线是曲线1 与曲线
16、2 叠加的结果。 只有当汽包体积与负荷适应而 不再变化时, 水位的变化就仅由物质平衡关系来决定,这时水位就随负荷增大而 下降,而这种反常的现象,通常被称为“虚假水位”。 “虚假水位”现象主要是 来自于蒸汽量的变化,显然蒸汽量是一个不可调节的量(对调节系统而言),但 它是一个可测量,所以在系统中引入这些扰动信息来改善调节品质是非常必要 的。 图 2 汽机耗汽量D阶跃扰动下的水位响应曲线 300MW机组给水全程控制系统设计 3 1.3.3 燃料量扰动对水位的影响 当燃料量 B 扰动时,必然会引起蒸汽量D 的变化,燃料量增加会使炉膛热 负荷增加,锅炉吸收更多的热量蒸发强度增加,若此时,汽轮机所带负荷
17、不变, 那么随着炉膛热负荷的增加,锅炉出口压力dp提高,蒸汽流量就会相应的增加 上去,然后蒸汽量的变化就会造成“虚假水位”的现象,即水位先上升,随后再 下降,响应曲线如图3 所示。但是燃料量B 的增大只能使 D 缓慢增大,而且dp 还慢慢上升, 它将使汽泡体积减小。 因而,燃料量扰动下的假水位比负荷扰动下 要缓和得多。 由以上分析可知, 给水量扰动下水位响应过程具有纯延迟;负荷扰动下水位 响应过程具有假水位现象; 燃料量扰动也会出现假水位现象。所以在给水控制系 统里常常引入 D、B 信号作为前馈信号,以改善外部扰动时的控制品质,而这也 是目前大型锅炉给水控制系统采用三冲量或多冲量的根本原因。
18、图 3 燃料量扰动B下的水位响应曲线 1.4 测量信号的自动校正 锅炉从启动到正常运行或是从正常运行到停炉的过程中,蒸汽参数和负荷在 很大的范围内变化, 这就使水位、 给水流量和蒸汽流量的准确性受到影响。为了 实现全程自动控制。要求这些测量信号能够自动的进行压力、温度校正。 测量信号自动校正的基本方法是:先推导出被测参数温度、 压力变化的数学 模型,然后利用各种元件构成运算电路进行运算,便可实现自动校正。 而在实际 应用时,这些补偿公式中一些参数的确定要依据理论计算及现场调试综合求取, 通过动态补偿回路确保上述信号在负荷变化时的精度。 1.4.1 水位信号的压力校正 对汽包锅炉通常利用差压原理
19、来测量其水位,锅炉从启、停到正常负荷的整 B B t 热工过程控制系统课程设计 4 个运行范围内,汽包压力变化很大,汽包内饱和蒸汽和饱和水密度的变化也很大, 这样就不能直接用差压信号来代表水位,而必须对其进行压力修正。 根据很多大 型机组运行的情况反映, 大容量机组汽包水位的测量不宜采用带中间抽头式(即 双室平衡容器) 的测量筒, 而要采用单室平衡容器取样装置。图 4 表示单容平衡 容器的测量系统。 设: b P汽包压力( a P) L汽水连通管之间的垂直距离,即最大的变化范围(M) h汽包水位高度 21, P P加在差压变送器两侧的压力( a P) s和蒸汽的重度( 3 mN) W饱和水的重
20、度( 3 mN) C汽包外平衡容器内水柱的重度( 3 mN) 从图 4 中可看出: 1 P = W*h+s*(L-h) 2 P = C*L P=2 P - 1 P= C*L-W*h-s*(L-h) SW sc PL h *)( (1) 当 L 一定时 , 水位 h 时差压和汽、水密度的函数。密度 C与环境温度有关, 一般可取50时水位的密度。在锅炉启动过程中,水温略有增加,但由于同时 压力也升高,两种因素对 C 的影响基本上可以抵消, 即可近似地认为 C 是恒值。 而饱和水和饱和蒸汽的重度 W 和 s均为汽包压力b P的函数,即: C-s= F(b P) W - s= f(b P) 所以式(
21、1)可写成: h= )( )( b b Pf PPF (2) 根据上式即可设计出水位压力的自动校正线路。 300MW机组给水全程控制系统设计 5 C - 变送器 L W b P s P1 P2 + h 图 4 汽包水位单容平衡容器的测量系统 1.4.2 过热蒸汽流量信号压力、温度校正 大容量高参数锅炉的过热蒸汽流量通常采用标准节流装置进行测量。这种喷 嘴基本上是按定压运行额定工况参数设计,在该参数下运行时, 测量精度是较高 的。但在全程控制时, 运行工况不能基本固定, 当被测蒸汽压力和温度偏离设计 值时,蒸汽度的密度变化很大, 这就会给测量造成误差, 所以要进行压力和温度 的校正。一般按下式进
22、行校正: D=Pk=K 100 61.566.1 100 57.18 2 .10 PT P P(3) 式(3)中: D过热蒸汽流量 (Kg/H);P过热蒸汽压力 (MPa);T过热蒸汽温度 ( C ); p节流件差压 (MPa);K流量系数;过热蒸汽重度 ( 3 mN)。 1.4.3 给水流量测量信号的温度校正 计算结果表明:当给水温度为100不变,压力在0.19619.6MPa范围内 变化时,给水流量的测量误差为0.47%;若给水压力位 19.6MPa不变,给水温度 在 100290范围内变化时, 给水流量的测量误差为13% 。所以,对给水流量测 量信号可以只采用温度校正, 若给水温度变化不
23、大, 则不必对给水流量测量信号 进行校正。 热工过程控制系统课程设计 6 3 汽包水位三冲量给水控制系统 3.1 三冲量控制系统结构原理 所谓三冲量, 指的是引入了三个测量信号: 汽包水位、给水流量、蒸汽流量。 这个系统对上述两种方案取长补短,极大地提高了水位控制质量。例如,当耗汽 量 D 突然阶跃增大时,一方面由于假水位现象水位会暂时升高,它使调节器错 误地指挥调节机构减小给水量; 另一方面, D 的增大又通过比值控制作用指挥调 节机构增加给水量。 实际给水量是增大还是减小,取决于系统参数的整定。 当假 水位现象消失后, 水位和蒸汽信号都能正确地指挥调节机构动作。只要参数整定 合适,当系统恢
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