MW火電機組給水控制系統(tǒng)的設(shè)計

1、300MVWC電機組給水控制系統(tǒng)的設(shè)計0引言隨著發(fā)電機組容量的增大和參數(shù)的不斷提高，機組的控制與運行管理變得越來越復(fù) 雜和困難。為了減輕運行人員的勞動強度，保證機組的安全運行，要求實現(xiàn)更為先進， 適用范圍更寬，功能更為完備的自動控制系統(tǒng)，這就產(chǎn)生了全程控制系統(tǒng)。而給水控制 系統(tǒng)在電廠運行中有著非常重要的作用。在全程給水控制系統(tǒng)中，汽包水位是汽包鍋爐 運行中一個重要的監(jiān)控參數(shù)，它反應(yīng)鍋爐蒸汽負荷與給水量之間的平衡關(guān)系。維持其包 水位在一定范圍內(nèi)是保證鍋爐和汽輪機安全運行的必要條件。給誰全程控制系統(tǒng)是一個 能在鍋爐啟動、停爐、低負荷以及在機組發(fā)生某些重大事故等各種不同的工況下，都能 實現(xiàn)給水自動控

2、制的系統(tǒng)而且從一種控制狀態(tài)到另一種控制狀態(tài)的判斷、轉(zhuǎn)換、故障檢 測也常?？肯到y(tǒng)本身自動完成。1.設(shè)計目的及要求本次課程設(shè)計的要求是根據(jù)大型火電機組的生產(chǎn)實際設(shè)計出功能較為全面的300MW火電機組全程給水控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù)是使給水量與鍋爐的蒸發(fā)量相 適應(yīng)，維持其包水位在規(guī)定的范圍內(nèi)。設(shè)計要求：(1)設(shè)計功能基本全面的全程給水控制系統(tǒng)，要求圖紙采用SAM廂準圖例，系統(tǒng)布局規(guī)范。(2)參考輸入?yún)?shù)：汽包水位、汽包壓力、給水流量、給水溫度、汽機第一級壓力、 主汽溫度、過熱減溫水流量等信號。(3)參考輸出參數(shù)：A、B汽動泵轉(zhuǎn)速、 電動給水泵轉(zhuǎn)速、 給水旁路調(diào)節(jié)閥開度。(4)信號準確性：考慮汽

3、包水位、給水流量和蒸汽流量等信號的修正。(5)信號監(jiān)測與報警：重要信號需要監(jiān)測與報警，同時注意信號的可靠性，考慮冗余。(6)工作方式：給水旁路閥單沖量控制、電動泵單級單沖量控制、電動泵用級三沖量 控制、汽動泵用級三沖量控制。(7)切換與跟蹤：電動泵運行時大小給水閥門、電動泵、汽動泵之間；單、三沖量； 單、用級之間的切換。跟蹤原則：1）電動泵單級單沖量工作時，電動泵三沖量副調(diào)跟蹤單沖量調(diào)節(jié)器輸出；2）電動泵三沖量工作時，單沖量調(diào)節(jié)器跟蹤閥位信號（電動泵手動） ；3）電動泵手動時，單沖量調(diào)節(jié)器跟蹤副調(diào)輸出（電動泵自動）；4）汽動泵手動工作時，三沖量主調(diào)跟蹤給水流量信號，副調(diào)跟蹤閥位信號。（8）注意

4、泵的安全經(jīng)濟工作區(qū)。（9）控制部分：控制方案考慮采用單回路、用級、前饋等控制，控制器的控制規(guī)律（PI、 PID、PD P）選擇準確，調(diào)節(jié)器可共用。（10）邏輯關(guān)系準確全面。2.設(shè)計內(nèi)容設(shè)計方案2.1.1方案一給系統(tǒng)設(shè)計如圖一。在這個方案中，低負荷時采用但沖量系統(tǒng)（PI1）高負荷時采用三沖量系統(tǒng)（PI2）,而且都是通過改變調(diào)速泵轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)給水的調(diào)節(jié)。為了保證給水泵 工作在安全工作區(qū)內(nèi)，設(shè)計了一個給水泵出口壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)（PI3）,通過改變閥門開度來改變泵的出口壓力。高壓加熱器出口分別取給水壓力信號送入小值選擇器。當(dāng)機組正 常運行時，高壓加熱器出口的給水壓力總是低于泵的出口壓力。這時，應(yīng)選高壓加熱器

5、 出口給水壓力作為壓力測量值，使泵的實際工作點在泵下限特性曲線偏左一些，確保泵 工作在安全工作區(qū)內(nèi)。當(dāng)機組熱態(tài)啟動時，高壓加熱器出口的給水壓力高于泵的出口壓 力，小組選件輸出為泵出口壓力，保證泵出口給水壓力升壓過程中，兩個調(diào)節(jié)閥門均處 于關(guān)閉狀態(tài)，直到泵出口壓力大于高壓加熱器出口給水壓力時才按高壓加熱器出口的給 水壓力進行調(diào)節(jié)，控制兩個閥門開度。圖一方案一系統(tǒng)示意圖這個方案結(jié)構(gòu)合理，經(jīng)濟性好，切換較簡單，安全可靠性也較好，不足之處是壓力 調(diào)節(jié)系統(tǒng)和水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)互相影響，同時兩個系統(tǒng)切換動作頻繁，使調(diào)節(jié)閥磨損較快。2.1.2方案二如圖2所示。這是一個一段調(diào)節(jié)的方案，在肌膚何時采用PI1單沖量系統(tǒng)

6、，GH1值經(jīng)大值選擇器來控制調(diào)速泵，是泵維持在允許的最低轉(zhuǎn)速。此時給水量是通過改變調(diào)節(jié) 閥開度來調(diào)節(jié)的。高負荷時，閥門開到最大，為了減小阻力，把并聯(lián)的調(diào)節(jié)閥也開到最 大,三沖量調(diào)節(jié)器PI2的輸出大于GH1的值，故可直接改變調(diào)速泵轉(zhuǎn)速控制給水量。在冷態(tài)啟動時，GH1起作用，既讓泵工作在最低轉(zhuǎn)速。在熱態(tài)啟動時取決于 Pd值, 泵可以直接工作在較高的轉(zhuǎn)速。該方案中午專門設(shè)計泵的出口壓力安全調(diào)節(jié)系統(tǒng)，解決 給水泵在安全工作取得辦法是利用調(diào)速泵運行的自然特性，即在定壓運行使用兩臺泵同 時給水地方法，使每臺泵的負荷不超過 86%,可使泵工作在安全區(qū)內(nèi)。圖2方案系統(tǒng)示意圖該方案結(jié)構(gòu)最簡單，系統(tǒng)和調(diào)節(jié)段兩種切

7、換相互錯開，Pd是開換調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)段是無觸點自由過度，安全性能好，是一個好方案。總體設(shè)計典型的300MW機組給水熱力系統(tǒng)如圖3所示。每臺機組拍有一臺50%容量的電動 給水泵和兩臺均為50%容量的啟動給水泵。在機組啟動階段，由于需要的給水流量小， 且沒有穩(wěn)定的汽源，汽動給水泵無法使用，故先用電動給水泵。為滿足機組啟動過程中 最小控制流量的需要，在電動泵出口至水母管之間裝有兩條并聯(lián)的管路，一條支路上裝 有主給水截止閥，另一條之路上裝有給水旁路截止閥和一只約15%容量的給水旁路調(diào)節(jié)閥。啟動時通過給水旁路調(diào)節(jié)閥控制汽包水位，旁路閥接近全開時，打開主給水截止閥， 調(diào)整電動給水泵的轉(zhuǎn)速控制器包水位，電動給水

8、泵轉(zhuǎn)速通過液力耦合器調(diào)整。兩臺汽動 給水泵由給水泵汽輪機驅(qū)動，給水泵汽輪機電液控制系統(tǒng)（ MEH）接受鍋爐給水控制系 統(tǒng)的指令，獨立完成汽動給水泵的轉(zhuǎn)速控制任務(wù)。給水全程控制系統(tǒng)通常采用變結(jié)構(gòu)控制，隨負荷變化進行單沖量和三沖量控制方式 的切換，同時，給水泵的運行方式以及控制作用方式也進行相應(yīng)的切換。需設(shè)計較為復(fù) 雜的跟蹤回路，以實現(xiàn)系統(tǒng)之間的勿擾切換。通常的設(shè)計原則為：在單沖量調(diào)節(jié)器工作（低 負荷）時，三充量調(diào)節(jié)器的主調(diào)跟蹤給水流量信號，副調(diào)跟蹤閥位信號；在三沖量調(diào)節(jié)器 工作（高負荷）時，單沖量調(diào)節(jié)器跟蹤閥位信號。圖3 300MW機組給水熱力系統(tǒng)圖詳細設(shè)計汽包水位決定于汽包中的儲水量和水面下的

9、氣泡容積。因此凡是引起其保中儲水量 變化和水面下的氣泡容積變化的各種因素都是給水控制對象的擾動，給水對象的主要擾 動包括：給水流量擾動、蒸汽負荷擾動和爐膛熱負荷擾動。為了實現(xiàn)全程給水控制，需 要設(shè)計的系統(tǒng)要克服以上的擾動。2.3.1信號的測量部分鍋爐從啟動到正常運行或是從正常運行到停爐的過程中，蒸汽參數(shù)和負荷在很大的 范圍內(nèi)變化，這就使水位、給水流量和蒸汽流量的測量準確性受到很大影響。為了實現(xiàn) 全程給水自動控制，要求這些測量信號能夠自動的進行溫度、壓力校正。測量信號自動 校正的基本方法是：先推導(dǎo)出被測參數(shù)隨溫度，壓力變化的數(shù)學(xué)關(guān)系，然后利用各種功 能模塊進行運算，實現(xiàn)自動控制。（1）汽包水位的

10、測量和校正汽包鍋爐通常利用壓差原理來測量其水位，而鍋爐從啟、停到正常負荷的整個運行 范圍內(nèi)，汽包內(nèi)飽和蒸汽和飽和水密度隨壓力變化，這樣就不能直接用壓差信號來代表 水位，需對測量信號進行壓力校正。由單室平衡容器取樣裝置的水位測量原理可知：(D(a s)Lg P(w s)g式中：P為輸入差壓變送器的壓差；w為飽和水的密度；s為飽和蒸汽的密度；a 為汽包外平衡容器內(nèi)水的密度；g是重力加速度。有上市可見，水位H是差壓和汽、水密度的函數(shù)。密度 a與環(huán)境溫度有關(guān)。在鍋爐啟動過程中，水溫略有升高，這兩方面變化對a的影響基本上可以抵消，既可以近似的認為a是恒值。飽和水和飽和蒸汽的密度均為汽包壓力的函數(shù)，在汽包

11、壓力小于的范圍內(nèi)，（a s）與汽包壓力可近似為線性關(guān)系，而（w s）與汽包壓力為非線性關(guān)系Ki K2PbPfb(Pb)這樣水位表達式可寫成:(2)由以上校正原理，可設(shè)計汽包水位的測量部分如圖四。為了提高測量的準確性，采 用三路汽包水位測量信號分別經(jīng)過壓力補償，采取“三取中”的方法。選取中間值作為 系統(tǒng)控制使用的汽包水位測量信號 Ho為防止變送器故障，將信號 H分別與三路補償后 的水位信號進行比較，如果偏差值超限，產(chǎn)生高低值報警的邏輯信號，使系統(tǒng)切手動， 同時發(fā)出聲光報警，待故障切除后，系統(tǒng)才正常工作。圖4汽包水位測量信號(2)蒸汽流量的測量和校正)D =K 10-2Ap采用標(biāo)準節(jié)流裝置測量過熱

12、蒸汽流量。這種設(shè)計的測量精度高，但當(dāng)被測工質(zhì)的 壓力、溫度偏離設(shè)計值時，工質(zhì)密度變化會造成流量測量誤差，所以需進行壓力、溫度 校正。蒸汽流量D的校正公式如下：8p1,66 5.61上(3)100100式中：D為過熱蒸汽流量；p為過熱蒸汽壓力；&為過熱蒸汽溫度， p為節(jié)流件壓 差；。為過熱蒸汽密度；K是流量系數(shù)。利用汽輪機調(diào)節(jié)級后壓力或級組壓力差測量主蒸汽流量。采用節(jié)流裝置測量蒸汽 流量會造成一定的節(jié)流損失，降低機組的經(jīng)濟性，目前大容量火電機組多采用汽輪機調(diào) 節(jié)級后壓力或級組壓力差測量主蒸汽流量。采用汽輪機調(diào)節(jié)級后壓力測量主蒸汽流量的基本理論公式是弗留格爾公式：(4)式中：K為當(dāng)量比例系

13、數(shù)，由汽機類型和設(shè)計工況確定；pl、T1為調(diào)節(jié)級后氣壓和汽溫。該式成立的條件是：調(diào)節(jié)級后流通面積不變；在調(diào)節(jié)級后各通流部分的汽壓均比 例于蒸汽流量；在不同流量條件下，流動過程相同。實際汽輪機運行中不能完全滿足上 訴條件，同時不易直接測量調(diào)節(jié)級后汽溫，即使測得也不能代表調(diào)節(jié)級后的平均氣溫， 一次一般用主汽參數(shù)相關(guān)的量推算級后溫度。用壓力機組前后壓力測量主蒸汽流量的方法也是基于弗留格爾公式，其導(dǎo)出形式為:22D K1 ?p2-(5)1 ,: I式中：P2為第一壓力級后的壓力。由于調(diào)節(jié)級后溫度 T1難以測量，可通過測量第一級抽汽溫度T2推算T1,根據(jù)TiKtT22 2則 DJP(6):KT2由以上校

14、正原理可設(shè)計主蒸汽流量信號測量部分。如圖五，主蒸汽流量信號的獲取 采用了兩種方法：一種是采用汽輪機就調(diào)節(jié)級壓力經(jīng)住氣溫修正后形成主蒸汽流量D;另一種方法是采用調(diào)節(jié)級壓力和一級抽汽壓力經(jīng)主汽溫度修正后形成主蒸汽流量D,當(dāng)高壓旁路投入時，主蒸汽流量信號還要加上的旁路蒸汽流量。圖5主蒸汽流量測量信號(3)給水流量信號的測量和校正計算表明：當(dāng)給水溫度為100攝氏度時，壓力在范圍內(nèi)變化時，給水流量的測量誤 差為;壓力不變，給水溫度在100290攝氏度范圍內(nèi)變化時，給水流量的測量誤差為 13%。也就是說，對給水流量的測量只需采取溫度校正。給水流量測量信號如圖六。省煤氣前給水流量的測量值經(jīng)給水溫度修正后，匯

15、總過 熱器一、二級減溫器的噴水量和鍋爐連續(xù)排污流量后，形成控制使用的給水流量測量信 號Wo圖6給水流量測量信號2.3.2 單沖量控制方式在單沖量給水控制系統(tǒng)中，是一個只采用汽包水位信號和一個調(diào)節(jié)器的反饋控制系 統(tǒng)。系統(tǒng)中，水位信號經(jīng)平衡容器轉(zhuǎn)換成差壓，再經(jīng)差壓變送器轉(zhuǎn)換成電信號。當(dāng)汽包 水位發(fā)生變化時，如水位下降，則差壓增加，電信號增大，調(diào)節(jié)器的輸入偏差變大，經(jīng) 過控制器運算，產(chǎn)生的輸出信號作用到執(zhí)行機構(gòu)，使閥門開度變大，給水流量增加，水 位回升，差壓減小，使調(diào)節(jié)器的輸入變差減小。當(dāng)偏差逐步消失時，調(diào)節(jié)器的輸出不再 變化，實現(xiàn)了無差調(diào)節(jié)。單沖量給水控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，但對于內(nèi)繞延遲大，外擾有明顯

16、虛假水位，存在一 定的不足，在低負荷階段，由于鍋爐疏水和排污等因素的影響，使給水流量和蒸汽流量 存在著嚴重的不平衡，且流量太小，測量誤差較大，低負荷時的汽包壓力低且虛假水位 也不嚴重，在機組啟、停及低負荷運行工況，采用單沖量控制。單沖量控制系統(tǒng)如圖七所示。通過單沖量調(diào)節(jié)器PI1控制給水旁路閥和電動泵。給水旁路發(fā)及每臺給水泵操作回路均配有手動/自動（M/A）操作站。汽包水位測量值H與 汽包水位設(shè)定值進行比較，其偏差經(jīng)但沖涼調(diào)節(jié)器、切換器、比例器 K2和M/A操作站 去控制給水旁路調(diào)節(jié)閥，此時電動泵保持一定轉(zhuǎn)速，以滿足啟動和低負荷下給水流量的 需求。當(dāng)旁路調(diào)節(jié)閥開度大于 95%時，自動打開主給水電

17、動門，電動泵可進入自動方式 運行。此階段仍采用單沖量控制方式，單沖量調(diào)節(jié)器 PI1和M/A操作站控制電動給水泵 轉(zhuǎn)速，以維持其包水位，由于采用旁路閥水位控制系統(tǒng)與電動泵轉(zhuǎn)速水位控制系統(tǒng)的執(zhí) 行機構(gòu)不同，采用了不同的比例系數(shù) K1和K2。圖7單沖量控制方式2.3.3 串級三沖量控制方式本次設(shè)計中，在負荷大于 30%時，采用用級三沖量控制方案，給系統(tǒng)有主、副兩個 調(diào)節(jié)器和三個沖量（汽包水位、蒸汽流量、給水流量）構(gòu)成。于單級三沖量相比，給系 統(tǒng)多采用了一個調(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PI2根據(jù)水位偏差產(chǎn)生給水流量校正信號。系統(tǒng)中電動泵副調(diào)節(jié)器PI3和氣動泵副調(diào)節(jié)器PI4共用一個主調(diào)

18、節(jié)器PI2。系統(tǒng)控制方式如圖八。在給水流量和蒸汽流量信號測量可靠，且蒸汽流量大于或等于30%時，系統(tǒng)可切換到三沖量控制方式。這是一個以汽包水位為主信號，以蒸汽流量為控制信號，一給水流 量為反饋信號的申級三沖量控制系統(tǒng)。三沖涼主調(diào)節(jié)器輸出加上蒸汽流量信號D作為副調(diào)節(jié)器的給定信號，給水流量W是反饋信號。在負荷由30%繼續(xù)升到100%滿負荷階段， 均采用申級三沖量控制方案。在氣動泵未運行前，采用電動泵控制給水流量，三沖量主調(diào)PI2和電動泵副調(diào)PI3構(gòu)成用級三沖量電動控制方式。當(dāng)負荷繼續(xù)升高到30%40%時，氣動泵小汽機開始沖轉(zhuǎn)、 升速，當(dāng)氣動泵轉(zhuǎn)速進一步上升、氣動泵流量逐步提高，電動泵流量逐漸下降后

19、，可投 入氣動泵自動，使電動泵退回到手動。當(dāng)負荷升到40%50%時，啟動第二臺氣動泵運行。 這時，三沖量主調(diào)PI2和氣動泵副調(diào)PI4構(gòu)成用級三沖量氣動泵控制方式， MEH系統(tǒng)以 氣動泵轉(zhuǎn)速控制信號控制小汽機轉(zhuǎn)速。圖8用級控制系統(tǒng)圖信號監(jiān)測3.4.1給水旁路調(diào)節(jié)閥控制強制切到手動當(dāng)出現(xiàn)下列情況之一時，給水旁路調(diào)節(jié)閥控制強制切到手動:(1)汽包水位設(shè)定值與實際值偏差大；(2)汽包水位信號故障；(3)汽包壓力信號故障；(4)給水旁路調(diào)節(jié)閥控制指令與反饋偏差大；(5)選擇電泵控制水位信號；(6)給水旁路調(diào)節(jié)閥前截止閥關(guān)閉；1.1.1 旁路調(diào)節(jié)閥后截止閥關(guān)閉。1.1.2 電動給水泵強制切到手動當(dāng)出現(xiàn)下列

20、情況之一時，電動給水泵強制切到手動：(1)汽包水位設(shè)定值與實際值偏差大；(2)汽包水位信號故障；(3)電泵未運行；(4)電泵入口流量信號故障；(5)三沖量調(diào)節(jié)時，給水流量信號故障；(6)三沖量調(diào)節(jié)時，過熱器噴水流量信號故障；(7)三沖量調(diào)節(jié)時，蒸汽流量信號故障；(8)電泵轉(zhuǎn)速指令與反饋偏差大；(9)電泵入口流量指令與反饋偏差大。1.1.3 汽動給水泵強制切到手動汽動給水泵和電動給水泵切手動條件基本相同，具體可見邏輯圖工作方式給水旁路閥單沖量控制、電動泵單級單沖量控制、電動泵用級三沖量控制、汽動泵 審級三沖量控制。切換與跟蹤3.6.1 切換在機組啟、停及低負荷運行工況(機組負荷 <X%寸，X由電廠自定，一般為30),采 用電動泵單沖量控制，當(dāng)機組負荷>X8M,先轉(zhuǎn)為電動泵用級三沖量控制，后轉(zhuǎn)為氣動泵 審級三沖量控制。3.6.2 跟蹤跟蹤原則為：(1)電動泵單級單沖量工作時，電動泵三沖量副調(diào)跟蹤單沖量調(diào)節(jié)器輸出；(2)電動泵三沖量工作時，單沖量調(diào)節(jié)器跟蹤閥位信號(電動泵手動)；(3)電動泵手動時，單沖量調(diào)節(jié)器跟蹤副調(diào)輸出(電動泵自動)；(4)汽動泵手動工作時