2022年2022年火力发电厂给水自动控制系统 .pdf

《2022年2022年火力发电厂给水自动控制系统 .pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2022年2022年火力发电厂给水自动控制系统 .pdf（11页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第 1 页火力发电厂给水自动控制系统季明彬（烟台发电厂，山东烟台 264002 ） 摘要 本设计结合中小型火电机组母管制给水系统设备的实际情况，及动态特性， 以自动控制理论与计算机技术为基础，利用新华控制公司软件组态设计而成的，具有稳定性，准确性和快速性的特点，能够在线，实时采集过程参数，实时对系统信息进行加工处 理，结 果能迅速反馈 给系统， 完成自动 调节 和控制，以及在 不同工 况下的无扰切换 ，使机组在 安全经济运 行， 减少事故 ，提高 设备 可靠 性及 运行效率方面 进一步得到保证。 关键词 母管制给水自动组态1、给水控制系统总体方案的确定为保证 机组的 安全运 行， 我们 对给水

2、控制系统提出了很高 的要求： 在控制设备 正常 的条件 下，不需要操作人员干涉，就能保证汽包 水位在允许范围内 ，这是一个比较复杂的过程， 因此 对给水控制系统 提出 以下要求：l 在给水控制系统中，不仅要满足 给水 调节 的要求 ，同时 还要保证 给水 泵工作 在安全区内 ，这往往需要 有两套 控制系统 来完 成，及 所谓 的两段调节。l 由于 机组在 不同 的负荷下呈 现不同 的对 象特性， 要求 控制系统能 适应 这样 的特性 。随着负荷 的 增长或降低 ，系统 要能从单冲量 过 度到三冲量 ，或从三冲量 过度到单冲量 系统， 由此产生 了系统的 切换 问题 ，并且必须 保证两套 系统

3、相互 切换 的控制线 路。l 由于 给水自动控制范围较 宽，对 各个信号的准确 测量 提出了 更高的， 更严格 的要求。l 在多种 调节 机 构的复杂切换 过程中，给水控制系统都必须 保证无扰。 另外 ，点火 后升温升压 过程中， 由于 锅炉没 有输出蒸汽流量 ，给水 量及其变化量都 很小，此时单冲量 调节 系统也不 十分 理想，就需要 开启阀门 的方法（双位调节方 式）进行水 位调节。l 给水自动控制还必须适应 机组的定 压运 行和 滑压 运行工 况，必须适应冷 态启动和 热态启动的情况 。在给水自动控制系统中，有一段 控制和 两段 控制 之分 ，所谓 “段” ，是指完成给水自动控制的系统的

4、 套数，因此所谓两段控制 方 式就是 指给水控制系统用两套 独立 的系统， 分别指挥 自己的执行机构来完 成给水 全程控制的 方 式。给水控制系统的控制方式很 多，考虑 到应用系统的实际设备情况和各方面因 素 ，设计 决定采用如图 1 所示的控制 方案。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 11 页 - - - - - - - - - 第 2 页5要 求 (Pb+Hp+Kd)图 1： 两段 控制 方案这是一个两段调节方案，用 改变 调节 阀门 的 开度 来控制给

5、水 流量 ，低负荷 时，用 单冲量 控制系统（PI1） ，高负荷 时，用 三冲量 控制系统（ PI2） ， 调节 阀门根据 运行情况，在1、5 两个调节 阀门中间进行 主观选择 ，3 调节 阀门 在紧急 情况 或其 他阀门 故障时，作为手动备用 。在两种情况 下，都采用 PI3 调节 器，其输 出经 过一个 逻辑判断回 路来决定受控给水 泵及其台数， PI3 保证 给水 泵的出口压力为一定值（ Pb+Hp+KD2，Pb 为汽包 压力，Pb为给水 泵出口到汽包 的压力损失 ， KD2为阻力 ） ，即在保证调 速给水 泵工作 在安全区 ，同时又使给水 泵 在热态启动和 冷态启动时有 相应 的转速。

6、本文重点讨论前半部 分 ，即汽包 水位 控制 部分。2、给水控制系统设计2.1 汽包水位控制系统基本要求汽包 锅炉 给水自动 调节 的主 要任务 是维持 汽包 水位在允许范围内 变化。影响水位变化的主要因素有锅炉 的蒸发 量、 给水 流量 和燃烧 率等。当蒸汽流量 突然 增大时， 由于汽包 水位对象 是无 自平衡 能力的， 这时水位应按积分规律下降。但是当锅炉蒸 发 量突然 增加时，汽包 水面下 的汽泡容积 也迅速增大，即锅炉的蒸发强度增 加，从而使水位升高。因蒸 发强度的增加是 有一定限度的，故汽 泡容积 增大而引起 的水位变化 是惯性环节的特性 。实际水 位变化 的趋势 是两 种 特性的

7、迭加。由此可 以看出，当锅炉蒸 汽负荷 变化 时，汽包 水位的变化 具有特 殊 的形式：在负荷 突然 增加时，虽然 锅炉 的给水 流量小于蒸发量，但开始阶 段的水位不仅不下 降，反 而迅速上升（ 反之，当负荷 突然 减小时，水 位反 而先下降） ，这种现象 就是 “虚假水位”现象 。另外 ，给水 流量 和燃烧 率扰 动由于 水面下汽 泡的原因，也能产生虚假 水位，因此给水控制系统 不能单单 以汽包 水位为 被调量，为了减少 或抵消虚假 水位现象 ，就必须采用 三冲量 调节系统。所谓 三冲量 ，就是 指汽包 水位 、蒸汽流量 和给水 流量。蒸汽流量 和给水 流量是引起 水位变化的原因，蒸汽流量

8、作 为水 位调节 的前 馈信号，当蒸汽 流量改变 时，调节 器立即动作，相应 地改变 给水流量 ，而当给水 流量 自发 地变化 时， 调节 器也立 即 动作，使给水流量 恢复到原来数值，这样就有效控制 了虚假 水位 的影响 。给水控制 是串级 调节 系统， 主调节 器接受 水位信号，对水 位起校 正作 用，是细调；其输 出作 为副调节 器的给定 值，副调节 器的 被调量是给水流量 ，目的是快速 消除 来自水侧的扰动。为了提高 给水控制系统的可靠 性，汽包 水位测量 使用了三个变送器。三个经 压力校 正后的汽包名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - -

9、- - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 11 页 - - - - - - - - - 第 3 页水位信号取中间 值，作为控制系统的 被调量，当水位测量信号平均值超 过 300mm ，而 且任意两个水位测量 信号越限 280mm 时，发 出汽包 水位 MFT信号。当给水 温度 不变，而压力在 某个范围 变化 时，给水 流量的测量 误差很小，若给水 压力不变，给水温度 在某个范围内 变化 时，给水 流量 的测量 误差 较大，所以对给水 流量 信号只采取温度 校正。蒸汽流量 采用 汽机调节 级压 力的测量 来表示 ，调节 级压力经过温度修正后，可近似代表

10、 蒸汽流量测量 值。如果采用 标准喷嘴 测量蒸 汽流量 ，一方面 在高温高压下节 流喷嘴容易磨损，检修 维护也困难 ，测量 误差 较 大，另一方面节 流损失 也大，一般不采用 此种方法。当用蒸汽流量 转换出负荷 小于 40% 时， 送至给水控制系统，切 为三冲量 调节汽包 水位。2.2 控制系统原理框图l 串级 三冲量 控制系统串级 三冲量 控制系统的 原理 框图如图 2 所示 ，这个 系统有 三个回路，即为副回 路，为主回路，为前馈回路 ，副回 路的作用 主要为快速 消除 内扰 ，主回路用于校正水位偏差，而前馈通道则用于补偿 外扰， 主要用于克服 “虚假 水位”现象 。WT1(S)rH-rG

11、IW T2(S)+KzIIWD1(S)KfIII+W2(S)rDDC(S)+Ig图 2： 串级 三冲量 控制系统的 原理框图l 单冲量 控制系统在低负荷 时（ 主汽流量 D40% ） ，系统设计为 单冲量 控制系统， 其原理框图如图 3 所示。+H0rHW T(S)KzWD(S)KfC(S)W2(S)D图 3： 单冲量 控制系统 原理框图在单冲量 控制系统中对 于内扰 给水 量的变化 ，系统 调节 能够 消除 内扰的影响 ，但调节不 及时，迟延 时间长 。而对 于克服 外扰， 由于 “虚假 水位 ”的存在， 使系统调节 超调量大，调门大幅变化 ，对系统的 安全 性 不利。但是在起停机组过程中

12、或在低 负荷时（主汽流量 D40% 时，由单冲量 控制系统 切换为串级 三冲量 控制系统 ；主蒸 汽流量 40% 时， 由串级 三冲量 控制系统 切换 为 单冲量 控制系统 。在组态中， 单/ 三冲量 控制系统的 切换是 通过切换 模块 SFT实现 的。串级 三冲量 控制系统的 输出作 为该模块 的 X1输入，单冲量 控制系统的 输出作 为该模块 的 X2输入，主汽流量 信号经函数模块 F（X）修 正后，输入高限 为 40 的 高低限转 换模块 HLALM ，高低限转 换 模块 HLALM 的输出作 为切换 模块 SFT的切换 开 关 Z 输入， 也就是 当 主蒸 汽流量 大于 百分之 四十时

13、，HLALM 置 1 输出， 切换 模块 SFT接收到 1 后，选择 X1值作为输出值，即控制系统 切 入串级 三冲量 控制 。当主蒸 汽流量 小于百分之 四十时， HLALM 输出 0， SFT的切换 开关 Z 接收 0 后，选择 X2作为输出值，这时控制系统 切换 为单冲量控制系统 。2.3.5 手/ 自动的 切换在一些特殊 情况 下，调节 系统 必须 切手动运 行，以 保护调节 设备 或保证 锅炉 给水的 正常 供 应。在两个 软手 操面 板上均 有 “手动”按钮，如果操作员需要手动调节 ，单 击面板上的“M ”键，系统自动 调节 退 出，操作人员可 凭经验手动调节。设计 考虑 到 自动

14、 调节 的连续 性和稳定性， 对于一 些自动 不能实 现的特 殊情况，给 出了切 手动的组态 逻辑 。给水 调节 阀 反馈 阀位信号与控制系统 输出信 号，即软手操 S/MA的 输出信号通过 DEV作偏差运算， 其开 关量输 出值作为或运算 模块 OR的 Z2输入 ，Z1信号引自给定 值与汽包 水位反馈 信号经偏差运算模块 DEV开 关量输 出，或运算 模块 OR的输出值作为软 手操 S/MA的强制手操接口 TOM 输入。也就是 说在调节 阀阀 位信号与软 手 操输出的指令的 偏差过大时，汽包 水 位信号的反馈 值与给定 值偏差过大时， 或调节 给水 门前后的 分道电动 门关闭 的情况 下，系

15、统自动 切手动运 行。设计为能够参与自动调节 的 主给水电动 调节 门、大旁路电动 调节 门，组态 了两套 相同的切手动逻辑 ，在 此就不 再赘述 。在组态中， 设计对自动 状态下 的输出制定 了高 限。分道电动 门的状态与 调节 器的 状态输出分别作为与 运算模块 AND的 Z1、Z2输入，与 运算的 输出作 为转换模块 SFT的切换 开关 Z，X1的规定值为100，即在分道电动 门开启 和调节 器的自动的 状态下， 调节 器的输出不 能高于 100。2.3.6 跟踪 技术为了实现控制系统的 单冲量 回路/ 三冲量 回路之间 ，手 动/ 自动 之间 的无扰切换 ，组态设计 了跟踪回路。串级

16、三冲量 控制系统的 跟踪 由下 述模块 实现 ，主汽流量 信 号经函数模块 F（X）输入高 限为 40低限为 0 的高 低限转 换模块 HLALM ，其输 出开关 量经过非运算 模块 后，作为或 运算模块 OR的一个输入量，另一个 输 入是两个 软手操 S/MA的 状态输出的与 运 算结 果，或运算 OR的输出即跟踪 切换 开关。也就是 在控制系统 切手动 或主蒸 汽流量 小 于百分之 四十 时， 串级 三冲量 控制 切跟踪 。串级 三冲量 控制系统的 被跟踪 量由以下模块 和逻辑 实现，分 道电动 门 1 的状 态， 分道电动 门 5名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - -

17、- - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 11 页 - - - - - - - - - 第 8 页的状态的 求反 值 ，分别 作为或运 算模块 OR的两个 输入量，OR的输出开关量作为切换 模块 SFT的切换开关 Z 输入，切换 模块 SFT的输 X1、X2入值分别 两个 软手操 S/MA的输出值，SFT的输出就是 被跟踪量 TR值，即在分道电动 门 1 开，分道电动 门 1 电动 门 5 关的状态下跟踪 主给水 调节门的输出值；在分道电动 门 1 关，分道电动 门 5 开的状态下 ，系统 跟踪 大旁路给水调节 门的输出值

18、。单冲量 控制系统的 跟踪 逻辑 是这 样的，前面所提到 的高低限转 换模块 HLALM 的输出开关量作为或运算模块 OR的 Z1输入，两个 软手操的状态输出 开关量作与运算后，作为或运算模块 OR的 Z2输入，或运算结 果作 为单冲量 控制系统的 跟踪 切换 开 关。简单说，也就是 当主蒸汽流量 大于总流量的百分之 四十时或 控制系统 切手动时， 单冲量 控制系统 切跟踪 ，它的被跟踪 量是大旁路给水调节 门的输出值。2.3.7 PI参数 整定单冲量 控制系统的P、I 参数 整定，采用与 前面所 述的给水母管 压力控制系统 调节 器相同的方法，即在锅炉低 负荷 的仿真状 态 图 5 用以 试

19、凑 为主的经验法整定，最终 的到的调节器比例系数 KP为 1.2 ，积分时间 Ti 为 90S。图 5：仿真 结果曲线图下面 进行 串级 三冲量 控制系统 正副调节 器 P 、 I 参数的 整定。串级 三冲量 控制系统与 常规三冲量给水控制系统整定是有区别 的， 主要有下面两个方面：l 在串级 控制系统中， 副回 路和主回路的整 定基本 是各自独立 的，调节器整定参数 作用非常清晰 ， 整定步骤明确 。l 在常规 三冲量 给水控制系统中， 对主蒸 汽流量 信号和给水 流量 信号的静态配合方面要求很严格 ， 如果静态配合不 准， 就会引起 汽包 水位的静态偏差。这是 三冲量 控制系统的 缺点，而

20、串级 三冲量 控制系统 不存 在这方面 问题 。如果水位对象外 扰特性的 虚假 水位现象严 重时， 那么 还可 以加大 流量 信号作用强度，来改善调节 过程的 品质 。系统的 副回 路与 单级情况 一样 ，可作 为一个 随 动系统， 其等效方 框图如图 6 所示。KzIT1IGrGZDWT2(S)Kf名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 11 页 - - - - - - - - - 第 9 页图 6：副回 路控制 等效方 框图把调节 阀和管 道系统 作为 被调对

21、象，则作 为 Kf以外的环节都作为等效调节 器。W*T2(S)= G(S)U(S)=rGkz WT2(S) 公 式【2-1 】由于 设计中的WT2(S)采用 KP2（1+1/Ti2S）的 PI 调节 规律则W*T2(S) =G(S)U(S)=rGkzKP2（1+1/Ti2S）公式【2-2 】式中: KP2 副调节 器的比例系数Ti2 副 调节 器的积分 时间副回 路的对 象为 Kf，可近似 为比例环节，所以调节 器的比例带（比例系数的 倒数）和 积分时间都可整定的 很小，在 我们 的设计系统中rG 、kz可通过现场实验获得，因此副调节 器也是整定 KP2、Ti2的问题 ，整定一 般也是用试探法

22、 求得 ，经现场经 验法设计确定 副调节 器的比例系数 KP2为 2.5 ，积分时间 Ti2为 105S。主回路的整 定是建立在副回 路可等效为一个 快速 比例环节的基础 之上的，它的示意图如图 7 所示。其中 1/rG为等效的副回 路。1/rGrHIgWT1(S)DWD(S)H图 7： 控制 回路等效方 框图把 WD1(S)看 成被控对 象，其 余环节可 看作 等效调节 器。W*T1(S) =H(S)G(S) = （ rH/rG）*WT1(S)公式【2-3 】在此，WT1(S)=KP1（ 1+1/Ti1S）则 W*T1(S)= （rH/rG） KP1（1+1/Ti1S）也是一个 PI 规律

23、的 调节 器。KP1*=（rH/rG）KP1Ti1*=Ti1rH和 rG为已知 ，所以外回 路只是整定 KP1和 Ti1的问题 ，常用的近似整 定计算公 式为：KP1*=1/1.1 公式 【2-4 】Ti1*=3.3 其中：为 飞升速度， 为迟延 时间。现场试验表 明， 当给水 内扰 特性为 一个一 阶惯 性环节和一个 积分环节相串联，调节器采用PI名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 11 页 - - - - - - - - - 第 10 页调节 规律 时，

24、使 用上述参数的 调节 过程过 于稳定，用 下述近似 公式较为合 适。KP1*=1/0.65 ，=0.9 公式 【2-5 】Ti1*=5.7 即 KP1=rG/ （0.6 rH ）Ti1=5.7 用上述近似 公式计算 是足 够准确的， 把控制系统中的 调节 组件 都投入 自动，用水 位定值扰动试验再 加以修正整 定参数 。最后 设计确定 比例系数 KP1为 4.8 ，积分时间 Ti1为 230S。在线 整定参数 后， 汽包 水位调节 品质 明显改善， 从给水调节 门阀 位反馈 开度 实时 曲线图 8 所示，给水 调节 门的线性 品质 也有了 大幅好转，抖动明 显消失。图 8： 给水 调节 门阀

25、 位反馈3、结论利用 XDPS的组态技术， 按实际系统的 要求 进行 逻辑 设计， 克服 了以往模拟组合 仪表实现调节的诸多缺点，对生产 过程实 现了分 散控制 、集中 操作 、分级管理、分而自 治和综合协调的功能。PID设计 是本次设计的 主要内 容和 关键 核心 ，能够 很好的实现顺序 控制和给水的自动化调节。汽包 水位控制系统的组态设计以串级 三冲量 控制理论和 单冲量 控制理论为基础， 采用了三个比例积分调节 器（串级 三冲量 系统的 主副调节 器、单冲量 系统的 调节器） ，通过 PI 参数的 修正以及控制系统的 无扰切换 和可靠 的跟踪 技术，实现了低负荷 时采用 单冲量 控制系统

26、， 高负荷 时采用 三冲量控制系统， 并在特 殊情况 或按操作人员 的要求切 手 动的各方面要求。 克服了给水系统 内扰 、外扰的影响 ，在“虚假 水 位”的情况 下，能够进行 可靠 准确的自动 调节。 通过水 位给定 值根据 负荷 的自动给定， 使控制 更 合理 更客观，自动 化水平进一步提高。考虑 整个设计， 它也存在 一些有待完善的 环节，主要有以 下几个方面：1) 给水母管 压力控制系统与 汽包 水位控制系统的 协调控制问题2) 给水母管 压力控制系统给定 值自动给定的 问题 。3) 调节 门 大小阀门 的切换 问题 。4) 进一步减少节 流损失 的问题 。综上所述， 本设计实 现了中

27、小机组的给水自动化 要求 ，满足了 母管制 运行的特 殊要求 ， 是高效 、安全 、可靠 的，一 定会在中小型火电机组得到 广泛 应用。同时，设计 也需要 在实践中不断改进，不名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 11 页 - - - - - - - - - 第 11 页断完善。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 11 页 - - - - - - - - -