300MW单元机组汽包水位控制系统分析、设计与仿真毕业论文.doc

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1、300MW300MW 单元机组汽包水位控制系统分析单元机组汽包水位控制系统分析、设设计与仿真计与仿真毕业论文毕业论文目录摘摘 要要错误！未定义书签。错误！未定义书签。ABSTRACTABSTRACT错误！未定义书签。错误！未定义书签。1 1 绪论绪论 1 11.1 课题背景与其意义 11.2 锅炉给水控制系统的发展和现状 12 2 汽包锅炉给水控制系统汽包锅炉给水控制系统 8 82.1 锅炉给水全程自动控制系统的概念 82.2 给水全程自动控制系统的任务 82.3 给水全程自动控制系统的要求 82.4 给水控制对象的动态特性 92.5 给水全程控制的基本方案 122.6 300MW 机组全程给

2、水自动控制系统的设计与分析 162.7 给水 RB 分析 193 3 汽包水位控制系统的汽包水位控制系统的 MM ATLABATLAB 仿真仿真 20202/353.1 控制系统的分析和整定 213.2 汽包水位控制系统 SIMULINK模型设计 213.3 汽包水位控制系统仿真 21结论结论 2323参考文献参考文献 2424致致 谢谢 25251/351 1 绪论绪论1.1 课题背景与其意义随着电力需求的增长，我国的火力发电开始向建设大容量、高参数的大型机组方向发展。扩大单机容量可使发电容量迅速增长以适应生产发展的需要，同时可使基建投资下降、设备费用降低、减少运行费用以与节约金属材料消耗。

3、但是，火电机组越大，其设备结构就越复杂，自动化程度要求也越高。我国最近几年新建的 300MW，600MW 火电机组基本上都采用国外最先进的分散控制系统（DCS），对全厂各个生产过程进行集中监视和分散控制。汽包水位是汽包锅炉非常重要的运行参数，同时它还是衡量锅炉汽水系统是否平衡的标志。汽包水位维持在一定允许围，是保证锅炉和汽轮机安全运行的必要条件。水位过高会影响汽水分离器的正常运行，蒸汽品质变坏，使过热器管壁和汽轮机叶片结垢。严重时会导致蒸汽带水，造成汽轮机水冲击而损坏设备。水位过低则会破坏水循环，严重时将引起水冷壁管道变形爆裂11。因此，汽包水位控制一直受到很高的重视。另一方面，随着锅炉参数的

4、提高和容量的增大，汽包的相对容积减小，负荷变化和其它扰动对水位的影响将相对增大。这必将加大水位控制难度，从而对水位控制系统提出了更高的要求。但是，由于给水系统的复杂性，真正能实现全程给水控制的火电机组还很少22。因此，对全程给水控制系统进行全面的学习和掌握，是本文的重点容。全程给水控制在控制汽包水位满足要求过程中发挥着不可估量的作用，没有一个好的给水全程控制系统，不但不能满足水位控制的要求、降低经济效益，有时甚至会带来灾难性的后果。因此，对给水全程控制系统的研究，在电力生产过程中有着重大的作用。当前，电力行业正在进行“场网分离，竞价上网”的市场改革，同时电网要求各大型机组的负荷能够承受电网调度

5、直接遥调（AGC），这些对机组的运行提出了更高的要求。完善和优化全程给水控制无疑是一个非常具有现实意义的课题。1.2 锅炉给水控制系统的发展和现状现在随着单元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越来越多，因此，为了机组的安全和经济运行，必须实现锅炉给水从机组的启停到正常运行，又到停炉冷却全部过程均能实现自动控制。锅炉在不同负荷和参数时，给水被控对象的动态特性是不同的，低负荷时由于蒸汽参数低，负荷变化小，虚假水位现象不太严重，通常对维持水位恒定的要求又不高，因此，一般可采用给水调节阀调节汽包水位，给水泵维持给水差压相结合的控制方式和单冲量给水控制方式。在高负荷时，由于

6、水位动态特性复杂，且汽包存在着严重的“虚假水位”现象，为了保证给水系统的安全可靠，高负荷时2/35大多采用串级三冲量控制系统3-53-5。1.2.1 西门子公司全程给水系统设计方案西门子公司设计的 350MW 机组全程给水控制系统分为给水启动调节阀控制系统和给水泵转速控制系统两部分。给水启动调节阀控制系统实际上就是给水压力控制系统，其工作原理简化方框图如图1.1 所示。显然这是一个前馈反馈控制系统。其作用是当锅炉启动与低负荷工况时，维持给水泵出口母管压力在安全工作围，同时协助给水泵转速控制系统稳定汽包水位。它有如下几个特点：1给水压力测量信号是根据三台给水泵出口压力的最大值与给水母管压力经小选

7、与一阶惯性环节滤波后的输出。这样设计的目的主要是为了在冷态启动和正常运行以与热态启动时，给水泵都能安全工作。机组正常运行和冷态启动，主给水母管压力总是小于给水泵出口压力。所以此时启动阀控制系统的被调量为给水母管压力测量信号，启动调节阀开度的改变是为了维持给水母管压力等于其设定值。当机组处于热态启动工况时主给水母管压力大于给水泵口压力。此时，选择工作给水泵出口压力的最大值作为启动阀控制系统的被调3/35量，这样在给水泵升压过程中，就可以使启动阀处于关闭状态，直到给水泵出口压力大于主给水母管压力时为止。从而保证给水泵在热态启动过程中安全运行：2为了保证锅炉正常供水与给水泵的安全运行，给水压力设定值

8、是根据四个信号中的最大值所决定的。3该系统引入了给水泵转速控制偏差信号的微分前馈。当给水泵转速偏差大，且该偏差变化速度也大时，说明实际水位低于设定值较多，应很快增加给水流量，此时，该前馈信号增大，使给水启动阀开大，以协助转速控制系统增加给水流量。4系统根据给水泵出口至省煤器入口之间差压值的大小，形成一个锅炉给水启动阀开度校正系数。该差压越大，说明给水流量越大，此时给水启动阀开度校正系数减小，启动调节阀控制系统的开环增益下降，给水启动调整阀门开度的动作快慢，是给水流量在满足要求的条件下尽可能稳定。给水泵转速控制系统实际上就是汽包水位控制系统。其工作原理示意图如图 1.2所示。该系统由单/三冲量信

9、号形成与它们的切换回路、给水泵安全保护回路、给水泵出力同步回4/35路与给水泵转速控制回路等组成。其控制特点是，在三冲量控制系统中引入了汽包压力的负微分前馈和蒸汽流量的微分前馈。运行过程中，蒸汽流量变动（即机组负荷调整）和炉膛热负荷干扰都会引起汽包压力的变化。若负荷增加，汽包压力就会下降，其负微分前馈信号要求加大给水流量，蒸汽微分前馈也要求加大给水流量，以克服虚假水位对系统的影响。可见，该系统的设计方案与国其他设计相比有其独特之处。但是，值得指出的是，如果炉膛热负荷增加时，汽包压力就会上升，其负微分前馈信号要求减少给水流量，是虚假水位降低，而降低的水位信号又会要求给水流量增加。这两个相反的控制

10、信号作用到 PI调解器上，如果参数整定不适宜，将使给水泵的转速造成大的变化而引起汽包水位波动6-86-8。1.2.2 ABB 贝利公司全程给水系统设计方案ABB 贝利公司设计的给水控制系统采用两段式给水控制模式，即在启动和低负荷时通过控制给水旁路阀和给水泵转速来维持汽包水位和给水压力；在高负荷时通过控制两台汽动给水泵转速来调节给谁流量，从而控制汽包水位。这与西门子公司的设计有所不同。在高负荷时，采用串级三冲量给水控制模式对两台汽动给水泵进行控制，而电动给水泵则处于热备用的状态。串级三冲量给水控制是指系统利用汽包水位偏差、给水流量、以与蒸汽流量作为串级 PID 的输入，以汽包系统的物质平衡和能量

11、平衡为调节目标的控制方5/35式。两台汽动给水泵具有多输出系统功能。经过串级 PID 调节输出的给水控制指令，平均分配后送至汽动给水泵控制回路，调节汽动给水泵的转速来调节给水流量9,109,10。其控制回路如图 1.4 所示。1.2.3FOXBORO 公司全程给水系统设计方案FOXBORO 公司设计的给水控制系统与 ABB 贝利公司设计的又有所不同。该公司设计的给水控制系统也是在启动和低负荷时，通过控制给水旁路阀和给水泵转速来维持汽包水位和给水压力；高负荷时通过控制两台汽动给水泵转速来控制汽包水位。虽然给水控制模式相同，但控制策略有所改变。在启动和低负荷时，单冲量汽包水位控制通过采用同时调节电

12、动给水泵转速和给水旁路阀的开度来调节给水流量。对给水压力没有设计专门的控制回路，对电动给水泵和给水旁路阀谁负责调节给水流量和谁负责调节给水压力，没有做出明确的分工。其控制示意图如图 1.5 所示。6/35在自动工况时发，汽包水位信号与来自电动泵手/自动操作站由运行人员设置的水位给定值信号进行比较，如两者出现偏差，则驱动单冲量控制器输出调节指令。通过切换器输出的给水流量指令进行比例分配后分别送至给水旁路阀和电动给水泵控制回路，以控制旁路阀的开度和电动泵的转速。此控制设计对给水旁路阀和电动给水泵的协调配合要求较高，合理的指令分配系数是控制效果好坏的主要因素之一。在高负荷阶段的给水控制策略与 ABB

13、 公司的设计方案基本相似，如图 1.6 所示。其区别主要在于：在串级 PID 调节输出的给水控制指令和汽动给水泵控制回路之间增加了一个纯积分的控制回路。采用起平衡放大器作用的纯积分块和起平均作用的运算块来实现多台执行器之间分别投自动时实现无7/35平衡、无扰动切换。当系统自动时，给水控制指令作为纯积分调节器的远方给定，两台汽动给水泵的实际输出指令之和的平均值作为纯积分调节器的测量信号输入。当系统由自动切换到手动时，纯积分调解器的作用是可调其输出，使串级三冲量副调的输出自动跟踪信号，避免了调节器因偏差信号长期存在而进入积分饱和段。目前，我国大型火电机组的给水控制基本上还是采用经典的 PID 控制

14、算法。不同的控制公司在给水控制策略的设计上虽然各有特点，各有差异，但基本上还是遵循了单冲量和三冲量控制相结合的控制模式，采用的也基本上是调阀和调泵相结合的控制方法。虽然从理论上讲，现有的控制方法应该可以实现机组的全程给水自动。另外，机组在高负荷时，8/35虽然可以实现三冲量给水自动且正常情况时效果也不错。但其控制系统的鲁棒性较差，适应异常工况的能力和出现设备故障情况时的自调整能力也较差。因此，如何实现全程给水控制是现今控制工程人员急于解决的问题11-1311-13。2 2 汽包锅炉给水控制系统汽包锅炉给水控制系统2.1 锅炉给水全程自动控制系统的概念顾名思义，给水全程自动控制应该是在锅炉给水全

15、过程中都是自动控制的，即能在控制设备正常的条件下，不需要操作人员的干涉，就能保持汽包水位在允许的围。因为随着发电机组容量和参数的不断提高，机组的控制与运行管理变的越来越复杂和困难。尤其当机组承当变动负荷时，不仅用电负荷剧烈变化，而且机组的启停次数也增加了。机组在启停过程中，需要监视的参数多，而且操作控制的项目也大大增加。这时运行人员更需要各个自动化系统能发挥作用，用以减轻运行人员的劳动强度，保证机组的安全运行。10因此，现代大容量单元机组迫切需要在不同负荷和工况下都能起良好控制作用的自动控制系统，这就产生了全程给水控制系统1414。2.2 给水全程自动控制系统的任务汽包锅炉给水控制的任务是使给

16、水量适应锅炉蒸发量，并使汽包中的水位保持在一定围，具体要求有以下两个方面：维持汽包水位在一定围。汽包水位是影响锅炉安全运行的重要因素，水位过高，会破坏汽水分离装置的正常工作，严重时会导致蒸汽带水增多，从而增加在过热器管壁上和汽轮机叶片上的结垢，甚至使汽轮机发生水冲击而损坏叶片；水位过低，则会破坏水循环，引起水冷壁的破裂。正常运行时的水位波动围：（30-50）mm异常情况：200mm事故情况：350mm保持稳定的给水量。稳定工况下，给水量不应该时大时小地剧烈波动，否则，将对省煤器和给水管道的安全运行不利。15152.3 给水全程自动控制系统的要求给水全程自动控制比常规给水控制要复杂的多，因此，对

17、给水全程自动控制系统提出9/35以下要求：实现全程控制可以采用改变调节阀门的开度，但由于在大型机组中给水泵消耗功率多，不经济，故一般多采用改变给水泵转速来改变给水量，在全程控制中，不仅要满足给水量调节的要求，同时还要保证给水泵工作在安全区。由于机组在高、低负荷呈现出不同的对象特征，要求控制系统能适应这种特性，随着负荷的增长和下降，系统要从单冲量过渡到三冲量系统，或从三冲量过渡单冲量系统，由此产生了系统的切换问题，并且必须有保证实现相互无扰切换。由于全程控制系统的工作围较宽，对各个信号的准确测量提出了更严格的要求，例如，在高低负荷不同的情况下，给水流量的数值相差很大，必须采用不同的孔板测量，这样

18、就产生了给水流量测量装置切换的问题。在各种调节机构的工作过程中，给水全程控制系统都必须保证无干扰，随着负荷大小的变化，需要不同的调节阀门调节给水，这就要求解决切换问题，在低负荷时采用改变阀门的开放来保持泵的出口压力，高负荷时采用改变调速泵的转速来保持水位，这又产生了阀门与调速泵间的切换问题。点火后升温升压过程中，由于锅炉没有输出蒸汽量、给水量与其变化量很小，此时单冲量调节系统也不十分理想，就需要用开启阀门的方法（双位调节方式）进行水位调节，在这些切换中，系统都必须在相应的安全可靠性，才能保证给水泵工作在安全工作区。给水全程控制还必须适应机组定压运行和滑压运行工况。必须适应冷态起动和热态起动。1

19、5,315,32.4 给水控制对象的动态特性汽包锅炉给水自动控制的任务是维持汽包水位在一定围变化。汽包锅炉给水控制对象的结构如图2.1所示。汽包水位是由汽包中的贮水量和水面下的汽包容积所决定的，因此凡是引起汽包中贮水量变化和水面下的汽泡容积变化的各种因素都是给水控制对象的扰动。其中主要的扰动有:给水流量W、蒸汽流量D、汽包压力Pb、炉膛热负荷等，其中以给水扰动、蒸汽流量和炉膛热负荷较为严重。实际生产中，应用给水流量调节作为控制汽包水位的手段，即采用给水流量作为汽包水位控制系统的控制变量。蒸汽流量和炉膛热负荷的扰动视为外扰。下面着重讨论在给水量W、蒸汽流量D、炉膛热负荷Q扰动下的水位变化的动态特

20、性。15-1715-1710/352.4.1 给水量扰动下水位变化的动态特性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，因为它是来自控制侧的扰动，又称扰。在给水量扰动下水位变化的阶跃响应曲线如图2.2所示。图中H1为不考虑水下面蒸汽蒸发面以下的蒸汽容积变化的响应曲线，这个水位变化是由于水和汽的物质不平衡引起的。虚线H2为给水过冷度所引起的水位变化曲线（即给水温度低于汽包饱和水温度），给水的过冷度越大，H2的变化幅度越大。H为水位受到给水阶跃扰动后的实际响应曲线，可以认为是由H1和H2合成的。由H曲线可以清楚地看出给水被控对象的特点是：给水扰动刚刚加入时，由于给水过冷度的影响，水

21、位变化很慢，经过一段时间之后其变化速度才逐渐增加，最后变为按一定速率直线上升。这时就是物质不平衡起主要作用了，如果给水量和蒸汽流量不能平衡，水位将不能稳定。由给水阶跃响应曲线可以求出滞后时间和响应速度。延长H曲线的直线段与时间轴的交点为A，与纵坐标的交点为B，则：调节阀给水母管省煤器汽包水循环管路过热器图2.1 汽包炉给谁控制对象的结构图11/35OAHOB大小与锅炉省煤器的构造形式与锅炉容量的大小有关。对于300MW非沸腾炉应为30s到100s之间。水位在给水扰动下的传递函数可表示如下：水位对象可近似认为是一个积分环节和一个惯性环节并联的形式。2.4.2 蒸汽流量扰动下水位变化的动态特性蒸汽

22、流量扰动主要来自汽轮发电机组的负荷变化，属于外部扰动，这是一个经常发生的扰动。在蒸汽流量发生扰动的情况下，水位的阶跃响应曲线如图2.3所示。汽轮机的用汽量突然增加（假定锅炉供热量与时跟上）时，锅炉的蒸发量大于给水量，从汽包的储水量来看，水位变化应如图中H1所示。但是，当锅炉的蒸发量突然增加时，由于蒸发面以下饱和水迅速汽化而使水位变化曲线如H2所示，而实际显示出的水位响应曲线如H所示。从图上可以看出，当负荷增加时，虽然汽包的进水量小于蒸发量，但是在一开始汽包水位不仅不下降，反而迅速上升，这就是“虚假水位”现象。当汽包的容积已与负荷相适应而达到稳定后，水位就主要随物质不平衡的关系而下降。蒸汽流量扰

23、动时，水位变化的动态特性传递函数为：可近似认为是一个积分环节和惯性环节并联而成。ssssssWsH11)()(ssTKsDsH221)()(12/35图 2.3 所示的蒸发量扰动下的水位阶跃响应曲线只是定性地说明水位变化的特点，实际进行动态试验时是很难造成蒸汽流量阶跃扰动的。如果只改变用汽量，就会引起汽压的变化，这时“虚假水位”会更严重些。2.4.3 炉膛热负荷扰动下水位变化的动态特性此处的炉膛热负荷扰动即是指燃烧率 M 的扰动。当燃烧率扰动时，例如燃料量增加使炉膛热负荷增加，这时锅炉蒸发强度增大而气压升高，即使汽机调节气门开度不变，蒸汽流量也会有所增加。这样，蒸汽流量大于给水流量，水位应该下

24、降。但蒸发强度增时也使汽包水面下汽泡体积增大，因此也会出现“虚假水位”现象。只是在这种情况下，蒸汽流量增加的时候汽压也增大了，因而使汽泡体积的增加比蒸汽流量扰动时要小，所以，“虚假水位”在幅值和变化速度上都相对较小，但其持续时间长。其响应曲线图和图 2.3 相似，但是水位上升较少，而滞后时间M较大，这时由于燃料量增加使发热量增加的同时，汽压P 也增加，使汽泡体积增加较少，从而使水位上升较少；另一方面，由于蒸发量随燃料量的增加有惯性和时滞，这就导致M较大。2.5 给水全程控制的基本方案2.5.1 单冲量给水控制系统锅炉在低负荷（一般在 25%45%额定负荷以下）运行时，“虚假水位”现象并不太严重

25、，对维持水位恒定的要求不高，所以允许采用单冲量给水控制系统（即控制器指承受汽包水位一个被控参数）。单冲量给水控制系统的基本原理如图 2.4 所示。该系统是一个只采用汽包水位信号和一个调节器的反馈控制系统。在这个系统中，水位信号经过平衡容器转换成差压、再经差压变送器转换成电信号 Ih。假设由于某种原因使汽包水位发生变化，如水位 h 下降时，则差压增加（这是双室平衡容器的特性），Ih 增大，Ih 大于其给定值 Ih0，调节器（一般为比例13/35积分调节器）的输入偏差大于零，调节器的输出 It 增加，阀门开度增大，给水流量增加，水位 h 上升，差压减小，Ih 减小，使调节器的输入偏差减小。当偏差逐

26、渐消失时，调节器的输出便不在变化，这就实现了无差调节。但是，对于扰迟延大和外扰时“虚假水位”明显的水位现象，该系统存在严重不足，简述如下：假使某时刻发生负荷扰动，蒸汽流量增加D，蒸汽流量大于给水流量，正确的控制作用应与时增加给水流量。但是由于“虚假水位”的存在使水位不是下降而是上升。于是Ih下降，调节器输入偏差小于零，It 下降，阀门开度减小，W 减少，使本来已有的流量不平衡进一步扩大了。不难想象，虚假水位过后紧接着的是水位急剧下降。这就扩大了动态偏差，延长了调节过程时间。另一方面，水位下降后，在控制作用下增加给水流量时，由于给水扰通道有较大的迟延，调节效果不能与时反映出来。这就是说，即使给水

27、流量增加到大于蒸汽流量，被调量水位并不能马上上升，调节器输入偏差持续大于零。这可能使给水流量反过来大于蒸汽流量，加剧了系统的震荡，延长了调节过程的时间，甚至不能满足生产过程的要求。所以，对于大、中型锅炉不宜采用单冲量控制系统。单冲量给水控制系统结构简单，可用于扰迟延小，外扰时“虚假水位”不严重的小型锅炉，也可用于大型机组的低负荷阶段的给水控制中。这是因为在低负荷阶段由于锅炉疏水和排污等因素的影响，使给水流量和蒸汽流量存在着严重的不平衡，且流量太小，测量误差教大。同时，因汽包压力低虚假水位也不严重，不宜采用三冲量控制。2.5.2 单级三冲量给水控制系统单级三冲量控制系统的基本结构如图 2.5 所

28、示。该系统采用一个调节器（一般为 PI 调给水调节阀给水调节阀差压变送器差压变送器调节器调节器执行器执行器过热器过热器Ih+Ir u给定给定Ih0图2.4 单冲量给水控制系统原理图14/35节器）其输入为汽包水位信 Ih、汽包水位定 Ih0、蒸汽流量信号 Id 和给水流量信号 Iw。调节器的输入偏差信号为e=Ih-Ih0+Id-Iw在平衡状态下，汽包水位 h 等于水位给定值 h0、蒸汽流 D 等于给水流量 W，故hI=0hI，dI=wI，调节器输入偏差 e 等于零，输出保持不变。蒸汽流量信号dI的引入是为了克服虚假水位引起的调节器误动作。例如，当蒸汽流量 D 增加时，由于虚假水位的影响，使水位

29、上升，hI下降，这将使调节器的输入偏差 e 变负，tI下降，使给水流量减小。但与此同时，加入调节器输入端的前馈信号dI也增加了。dI的作用是要增加给水流量。显然，如果dI的大小整定得当，就可抵消虚假水位的影响。给水流量wI的引入可以克服给水流量扰，与时反映控制效果，改善调节品质。例如，当某种原因引起给水流量增加时，由于扰通道的迟延，水位不能立即上升，但wI增加了，这使调节器的输入偏差 e 变为负值，调节器的输出使阀门开度变小，与时减小了给水流量，这就大大降低了给水流量扰对水位的影响。这个克服给水流量扰的控制过程是在给水流量变送器、调节器、执行器、调节阀组成的闭合回路中进行的，该回路称为回路，或

30、局部反馈回路。因为回路不包括有迟延的水位对象，所以动作很快，可以迅速消除扰。由汽包水位信号形成的闭合回路是给水控制系统的主回路，或称外回路。这个回路包括水位变送器、调节器、执行器、调节阀和汽包水位对象含（省煤器）。无论外扰还是扰使汽包水位偏离给定值时，都会使调节器的输入偏差发生变化，从而改变调节器的输出，改变调节阀的开度，改变给水流量，使水位朝着减小和消除被调量偏差的方向变化。并最终使汽包水位等于给定值（假定稳定时dI等于wI）。15/3515-1815-18与单冲量控制系统相比，该系统引入了用于克服虚假水位的蒸汽流量信号dI（前馈信号）和用于抑制给水扰的给水流量信号wI（局部反馈信号），所以

31、称为三冲量系统。当蒸汽流量改变时，通过前馈控制作用，可与时改变给水流量，力图维持进出锅炉的物质平衡，这有利于克服虚假水位现象；当给水流量发生自发性扰动时，通过局部反馈控制作用，可抑制这种扰动对给水流量以与汽包水位的影响。有利于减少汽包水位的波动。因此，三冲量给水控制系统在克服扰动维持汽包水位稳定和提高给水控制质量方面优于单冲量给水控制系统。原则上，在负荷达到一定值以上、疏水和排污阀逐渐关闭、汽和水趋于平衡、流量逐渐增大、测量误差逐渐减小时，可采用三冲量控制方式。但由 e=hI-0hI+dI-wI可以看出，单级三冲量控制系统要求蒸汽流量和给水流量的测量值在稳态时必须相等，否则汽包水位将存在偏差，

32、因为只有当dI等于wI，才能保证调节器偏差为零时被调量水位等于给定值。事实上由于检测、变送设备的误差等等因素的影响，蒸汽流量和给水流量这两个信号的检测值在稳态时难以作到完全相等，而且前馈信号dI的大小还应按尽可能克服虚假水位的影响来整定，单级三冲量控制系统采用一个调节器，参数整定时难以兼顾较多的因素，所以，在目前已较少采用单级三冲量给水控制系统。122.5.3 串级三冲量给水控制系统串级三冲量给水控制系统的基本结构如图 2.6 所示。该系统由主副两个调节器和三个冲量（汽包水位、蒸汽流量、给水流量）构成。与单16/35级三冲量相比，该系统多用了一个调节器，两个调节器分工明确、串联工作。主调节器为

33、PI 调节器，也称水位调节器，它根据水位偏差产生给水流量给定值。主调节器输出稳定的必要条件是hI=0hI，故系统能实现无差调节副调节器为给水流量调节器，它根据给水流量偏差控制给水流量，蒸汽流量信号作为前馈信号用来维持负荷变动时的物质平衡，由此构成的是一个前馈反馈双回路控制系统。回路是由给水流量变送器、副调节器、执行器、调节阀组成的闭合回路，由于回路不包括迟延较大的水位对象，副调节器的比例积分作用可以整定的很强。当给水流量扰时，通过回路的作用可以迅速消除；当蒸汽流量外扰时，通过回路的作用可以使给水流量迅速跟踪蒸汽流量变化。该系统结构复杂，但各调节器的任务比较单纯，系统参数整定相对单级三冲量系统要

34、容易些，而且该系统不要求稳态时给水流量和蒸汽流量信号严格相等，可保证稳态时汽包水位无稳态偏差，其控制品质较高，是现场广泛采用的给水控制系统。2.6 300MW 机组全程给水自动控制系统的设计与分析2.6.1 信号测量（1）汽包水位。三个汽包水位检测信号首先分别通过压力补偿，然后通过“选择逻辑通道”，选择恰当的值作为最终的汽包水位信号，其测量原理 SAMA 图如图 2.7 所示。（2）给水流量。由省煤器前给水流量最终测量值加上过热器、级喷水减温器的减温水流量测量值后，减去锅炉连续排污流量测量值，形成给水流量信号。其测量原理SAMA 图如图 2.8 所示。（3）主蒸汽流量。三个汽轮机调节级压力信号

35、经温度修正和“三选一”通道处理后，再经函数器转换，并加上旁路流量，形成主蒸汽流量信号。其测量原理 SAMA 图如图 2.9所示。6.2 给水控制系统结构（1）汽泵控制系统 SAMA 图如图 2.10 所示。（2）电泵和旁路阀控制系统 SAMA 图如图 2.11 所示。（3）各种逻辑形成 SAMA 图如图 2.12、2.13 所示。（4）运行方式如图 2.14 所示。2.6.3 系统工作原理（1）启动、冲转与带 25%负荷。此阶段采用单冲量系统通过调节给水旁路阀开度来维持汽包水位在给定围，电动给水泵维持在最低转速，汽动给水泵手/自动操作器 1AM 强迫为手动状态，汽动泵超驰全关，主给水电动门也关

36、闭，给水旁路阀从 0%100%调节。单冲量调节器 4PI（IE）的输入为水位测量值 H 和给定值 Ho 的偏差，其输出经 3AM手/自动操作器去控制给水旁路阀，同时可进行阀位显示。三冲量电动泵的副调节器（3PI）17/35处于自动跟踪状态，通过切换开关 T2 的 NC 点使 3PI 的输出跟踪函数发生器 F1（X）的输出，再通过 2AM 手/自动操作器使电动泵维持在最低转速minn运行。（2）升负荷 25%30%。此阶段采用单冲量系统调节电动给水泵转速。此时三冲量系统尚不能使用，给水旁路阀已全开，只能提高给水泵转速来满足给水量的增加，T2 仍接NC，F1（X）的输出值随调节信号变化，通过 3P

37、I 的自动跟踪使调节信号控制电动泵转速，实现由阀门控制到电动泵转速控制给水量的无扰过渡。由于单冲量调阀系统与单冲量调泵系统对象特性不同，且调节器整定参数不同，所以4PI 为变参数调节器。（3）30%100%阶段。此阶段采用三冲量系统调节给水泵转速方案。这是调节系统的正常工况。给水旁路阀锁定在全开位置不再关闭，以减少系统不必要的扰动。负荷达 W%，电动泵转速为xn时打开主给水电动门。此时泵的转速已提高，当主给水电动门打开以后，管道阻力突然减少，调节系统使泵转速自动下降一些时，泵转速已有可能下降。另外，在三冲量系统投运情况下开主给水电动门，由于三冲量系统抗扰能力比单冲量系统强得多，所以调节质量能得

38、到保证。30%A%负荷阶段采用电动泵控制给水量。此时系统为三冲量电动泵调节，3PI（3E电动副调节器）不再跟踪 4PI（1E）的输出，而是处于自动调节状态，通过 2AM 手/自动操作器控制电动泵转速。三冲量主调节器 1PI 在 0%30%负荷阶段或手操阶段一直跟踪（G-D）信号（G 为给水流量），从而防止三冲量系统投放自动时副调节器积分饱和。（相当于副调节器的给定信号跟踪给水流量 G）1PI 的输出和蒸汽量前馈信号求和作为副调节器给定信号，同时副调节器还承受给水流量反馈信号 G。DA%负荷时，开始启动汽动泵，完成汽动泵和电动泵的转换之后，汽动泵取代电动泵运行，电动泵通过 T 的切换和 2AM

39、的跟踪处于超驰全关状态，直到满负荷运行。此时，2PI（3E 汽动泵副调节器）处于自动调节状态，通过 1AM 手/自动操作器控制汽动转速，同时可以进行转速显示。若执行机构发生故障可发出逻辑信号使泵切手动。在减负荷过程中控制顺序与上述相反，同时各负荷的切换点考虑了 2%的不灵敏区，避免由于负荷波动系统在切换处来回切换。15152.6.4 控制过程中的跟踪与切换（1）系统间的无扰切换。当负荷低于 30%MCR 时采用单冲量控制系统。此时电动泵三冲量副调节器 3PI 的输出通过函数组件 F1（X）以与切换开关 T2 一直跟踪单冲量调节器4PI 的输出，当蒸汽流量30%或电泵手动时 T2 切换，系统由单

40、冲量切换到三冲量是无扰动的。D30%时采用三冲量系统。单冲量调节器 4PI 通过 T1 的常闭点 NC 跟踪三冲量电动18/35泵副调节器 3PI 的输出，便于系统由三冲量切换到单冲量时 4PI 的输出迅速跟踪三冲量的前一时刻值，所以由三冲量切换到单冲量也是无扰的。10（2）阀门和泵的运行与切换。低负荷时采用旁路阀调节，高负荷时采用改变泵的转速来调节，两者的无扰切换是通过函数组件 F1（X）切换开关 T2 与 3PI 的跟踪实现的。因为 F1（X）产生连续函数，而 3PI 通过 T2 的 NC 点跟踪 F1（X）的输出，但当阀门开足时才开始调泵的转速，所以由调阀到调泵的切换是无扰的。（3）电动

41、泵与汽动泵的切换。以电动泵运行，汽动泵取代电动泵为例。正常倒换电动泵操作器处在自动位置，汽动泵操作处在手动位置。把汽动泵的操作器调至最低转速时启动汽动泵，然后再慢慢升速。电动泵会由于调节系统的调节作用而自动降低，待两泵出口流量相同时，把汽动泵操作器投自动，电动泵操作器切手动，并慢慢把电动泵降至最低转速后停泵，这样切换扰动量最小。两泵操作器均处于手动状态进行泵的切换时，两泵转速与水量由运行人员控制。（4）执行机构的手、自动切换。旁路阀门手动时 T1 切至 NO，单冲量调节器 4PI 跟踪旁路阀操作器 3AM 的输出，保证切换回手动时无扰的。汽动泵手动时，汽动泵三冲量副调节器 2PI 的输出跟踪，

42、汽动泵操作器 1AM 的输出，所以汽动泵调节切回自动时是无扰的。电动泵手动时分两种情况：D30%时，采用三冲量系统，电动泵手动时 T2 至 NO 点，电动泵副调节器 3PI 的输出，跟踪 2AM 的输出，保证由于手动切换自动时是无扰的。2.6.5 逻辑信号的形成（1）1PI 跟踪信号：当蒸汽量30%或汽泵、电泵均手动。（2）2PI 跟踪信号：当蒸汽量30%或旁路阀手动但未开到最大或蒸汽量30%或电泵手动。（9）3PI 跟踪信号：蒸汽量30%。（11）2AM 跟踪：电泵跳。2.7 给水 RB 分析2.7.1 给水泵 RB 的定义机组在较高负荷下运行时,两台运行中的给水泵任一台跳闸,备用给水泵不能

43、快速投入时,应启动 RB 系统快减负荷,使机组度过最严峻的“变工况”而重新稳定运行,我们称这一过程为给水泵的 RB。2.7.2 给水泵 RB 过程给水泵 RB 过程中,变化最剧烈且最重要的参数是汽包水位、主汽流量(负荷)与给水流量,其变化过程如图 2.15 所示。图 2.15汽包水位、主汽流量与给水流量变化过程注:图中ACMF蒸汽流量线;ABEDCG给水流量线;RPN汽包水位线当机组发生给水泵 RB 工况时，即运行中的某台给水泵突然跳闸，给水流量随即快速下降。保证物质平衡的方法可是：快速启动备用的电动给水泵上水。对于采用 250%汽泵+150%电泵（备用）的配置的锅炉，其中一台汽动泵突然跳闸,

44、电泵紧急自启的切换在带正常负荷时,电泵的自动回路时刻跟踪运行的汽动给水泵的出力,并使电泵勺管开度维持电泵在此出力下的勺管位置,作好电泵自启准备。自动系统只要承受到气泵跳闸信号,激活电泵自启功能,维持汽包水位稳定运行。另外,考虑到一台汽泵跳闸后,电泵有可能因故障不能自起,因而在机组快速减负荷回路(RUNBACK 功能)中,只要承受到一台汽泵跳闸,而电泵又不能自起,激活 RUNBACK 功能使机组负荷指令快速降到一台汽泵的出力,通过保证给水的可20/35靠性,来达到提高整个机组的安全性。一般地，电动给水泵能在 40 s 完成启动至带满负荷过程。也就是说在 40 s 后，给水流量已可以大于锅炉的蒸发

45、量，锅炉自然不会因缺水而MFT，使给水全程控制实现更容易。2.7.3 给水泵 RB 逻辑分析ANDOROR（远程控制）备用电动泵汽动泵A停止运行汽动泵B停止运行负荷信号大于50%备用电泵启动NOT退出给水全程控制图 2.16 给水泵 RB 逻辑图如图 2.16 所示，当一台汽动泵故障时，备用的电动泵立即启动；电动泵也可以通过远方人为控制启动。一旦电动泵也故障不能与时启动，立即退出给水全程控制，同时还引入了负荷信号，防止两台汽动泵无故障正常运行没有电动泵启动信号时造成误操作而退出给水全程控制系统。3 3 汽包水位控制系统的汽包水位控制系统的 MM ATLABATLAB 仿真仿真根据三冲量串级给水

46、控制系统的工作原理,整定系统控制参数,设计Simulink 系统仿21/35真模型,在MATLAB 环境中进行控制系统模拟仿真。3.1控制系统的分析和整定1)回路的分析和整定根据串级控制系统的分析整定方法,应将回路处理为具有近似比例特性的快速随动系统,以使回路具有快速消除扰与快速跟踪蒸汽流量的能力。用试探的方法选择副调节器的比例带,以保证回路不振荡为原则。在试探时,给水流量反馈装置的传递函数可设置为任意数值,以得到满意的比例带值。如果传递函数以后需要改变,则应相应地改变比例带值,使传递函数与比例带的比值保持为试探时的值,以保证回路的稳定性。2)主回路的分析和整定在主回路中,如果把回路近似看作为

47、比例环节,则主回路等效为一个单回路控制系统。如果以给水流量作为被控对象的输入信号,水位变送单元的输出为输出信号,可以把主调节器与回路两者看作等效主调节器。主回路仍按单回路系统的整定方法整定,如通过试验方法求取主回路被控对象的阶跃响应曲线,并由曲线求得等效调节器的整定参数。3)蒸汽流量前馈装置传递函数的选择三冲量串级给水控制系统中的水位偏差完全由主调节器来校正,不要求送到副调节器的蒸汽流量信号等于给水流量信号。因此,前馈装置的传递函数选择将不受静态特性无差条件的限制,而可根据锅炉“虚假水位”的严重程度来确定。通常使蒸汽流量信号大于给水流量信号,从而改善负荷扰动时控制过程的质量,缩短控制过程的时间

48、。为了获得满意的调节效果,选择适宜的调节器参数,选取的参数为:主调节器Tp=0.9,Ti=0.08,Td=0.2;副调节器T p=4,T i=0.005,Td=0.1。3.2汽包水位控制系统 Simulink 模型设计经过系统分析和整定,合理选取系统的调节参数,经过拟定后的三冲量串级汽包水位控制系统仿真模型如图3 所示。图3汽包水位控制系统Simulink 设计图3.3汽包水位控制系统仿真设定汽包水位的高度为2,通过仿真,得到的锅炉汽包水位控制曲线如图4 所示;在系统运行到600 s 时,给系统设置一个阶跃扰动,得到锅炉汽包22/35水位控制曲线,如图5 所示。23/35从图4 可知,一旦设定

49、了锅炉汽包水位高度,三冲量串级汽包水位控制系统能做出快速反应并到达平稳状态,维持汽包水位的稳定;从图5 可知,对影响因素的干扰使三冲量串级汽包水位控制系统也能快速调整,达到稳定平衡状态。结论结论1.由以上分析可以看出此 300MW 机组给水全程控制系统能满足从启动到额定负荷和从额定负荷到停炉全过程的给水控制，是一个给水全程控制系统。2.这个系统的总体方案是低负荷时控制阀门开度改变给水量，同时保证泵的最低转速。高负荷时改变泵的转速来改变给水量，控制水位，能减少节流损失，充分发挥给水调节泵的经济效益。3.单冲量时采用变参数调节器，并通过函数组件 F1（X）满足旁路阀全开24/35后再调泵的转速方案

50、，从而泵在最低转速下运行时间最大，经济效益最正确。4.该系统测量信号采用“三选一”方案，系统切换与逻辑报警线路设计合理全面，具有较高的可靠性。整个系统的构成从理论上讲是比较合理和完善的，各控制子系统的分工也较合理,系统工作方式的切换和其它的一些功能试用确实可行。但上述系统采用一台 50%MCR 的电动泵和一台 100%MCR 的汽动泵，当汽动泵出现故障时，需要切换到电动泵，使电泵的负荷较大，而电泵运行要有电动机的驱动，耗费大量的能源。若改为采用一台 50%MCR 的电动泵和两台 50%MCR 的汽动泵，当一台汽动泵出现故障时，还有一台汽动泵和备用泵同时承当负荷，汽动泵由小汽机直接驱动，通过控制