课 程 设 计 说 明 书
学生姓名:
学 号： 0
学 院: 自动化工程学院
班 级:
题 目: 300MW火电机组给水控制系统的设计
指导教师： 张利辉、王秋平 职称: 教授
2011 年 12 月 22 日
目录
1设计背景 .................................................................................................. 3 2主要参数及设计思想 ............................................................................. 3 2.1主要参数 ........................................................................................... 3 2.2设计思想 ........................................................................................... 3 2.3三冲量控制系统 ............................................................................... 4 2.4给水流量的调节的实现方法 ........................................................... 5 2.5运行方式 ........................................................................................... 5 3过程论证 .................................................................................................. 7 3.1 三冲量与单冲量之间的无扰切换 .................................................. 7 3.2 阀门与泵的运行及切换 .................................................................. 7 3.3 电动泵与汽动泵间的切换 .............................................................. 8 3.4 执行机构的手、自动切换 .............................................................. 8 4结论 .......................................................................................................... 8 5课程设计心得体会 ................................................................................. 9 参考文献 ................................................................................................... 10
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1设计背景
随着电力需求的增长，以及能源和环保的要求，我国的火电建设开始向大容量、高参数的大型机组靠拢。但是，火电机组越大，其设备结构就越复杂，自动化程度也要求越高。我国最近几年新建的300MW、600MW火电机组基本上都采用国内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控制。
为了实现电能生产的“高效、洁净、经济、可靠、安全”的要求，火电厂汽轮机的参数经历了低压、中压、高压、超高压、亚临界和超临界参数的发展阶段，目前正向超临界和超超临界参数的方向发展。影响水位的因素主要有锅炉蒸发量、给水量、炉膛热负荷及汽包压力，除此之外，还有给水压力、汽轮机调节汽门开度、二次风分配等。汽包锅炉给水控制系统的任务是使给水量适应锅炉蒸发量，并使汽包中水位保持在一定的范围内。保证水位控制在给定的范围内，对提高蒸汽品质、减少设备损耗、运行损耗和确保整个网络安全运行都具有重要意义。因此，汽包水位是影响整个机组安全经济运行的重要因素，需要有一整套较好的控制方案，来实现汽包锅炉水位的自动控制。
2主要参数及设计思想
2.1主要参数
（1）输入参数：汽包水位、汽包压力、给水流量、给水温度、汽机第一级压力、主汽温度等信号。
（2）输出参数：A、B汽动泵转速、电动给水泵转速、给水旁路调节阀开度。 2.2设计思想
实现给水全程控制可以采用改变调节门开度，即改变给水管路阻力的方法来改变给水量，也可以采用改变给水泵转速，即改变给水压力的方法来改变给水量。前一种方法节流损失大，给水泵的消耗功率多，不经济，故在一般单元机组的大
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型锅炉中都采用改变给水泵转速来实现给水控制，在给水控制系统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工作区内。这就需要有两套给水控制系统来完成，即单冲量和三冲量给水控制系统。
串级三冲量系统具有以下特点：两个调节器任务不同，参数整定相对独立。副调节器的任务是当给水扰动时，迅速动作使给水量保持不变；当蒸汽量扰动时，副调节器迅速改变给水量，保持给水和蒸汽量平衡。主调节器的作用是校正水位，这比单级三冲量给水控制系统的工作更为合理，故串级系统的调解质量比单级系统要好一些。在负荷变化时，水位静态值是靠主调节器来维持的，并不要求进入副调节器的蒸汽流量信号的作用强度按所谓“静态对比” 来进行整定。恰巧相反，在这里可以根据对象在外扰下虚假水位的严重程度来适当加强蒸汽流量信号的作用强度，以便在负荷变化时，使蒸汽流量信号能更好地补偿虚假水位的影响，从而改变蒸汽负荷扰动下的水位控制质量。对于虚假水位现象较严重的被控对象，这一点就显得更有意义。当给水流量信号和蒸汽流量信号这两个信号中由于变送器故障而失去一个信号，或变送器特性发生变化，和平衡关系失去时，主调节器由于积分作用可补偿失去平衡的电流，使系统暂时维持工作；而单级系统当变送器特性发生变化或因产生故障而失去时，则无法控制水位在额定值，因此，串级系统的安全性较好。串级系统还可以接入其他冲量信号形成多参数的串级系统。
2.3三冲量控制系统
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，当系统恢复平衡状态以后，给水流量必然等于蒸汽流量，水位H也就会维持在设定值。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
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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。
但必须指出，引入蒸汽流量信号只是削弱了假水位期间调节机构的误动作，但并不能消除假水位现象，并且由于水位H对负荷（蒸汽量）扰动D的响应速度要比对基本扰动W的响应速度快得多，因此，在外部扰动下被调量的变化幅度还是比较大，必须对负荷变化的幅度加以限制。 2.4给水流量的调节的实现方法
其一是通过改变调节阀门的开度来改变给水流量（即改变给水管道阻力的方法），特点：节流损失大，给水泵消耗功率多，不经济。
其二是通过改变给水泵转速来改变给水流量（即改变给水压力的方法），特点：经济，节流损失小，但要保证给水泵工作在安全工作区内。 2.5运行方式
我们将如图所示从以下四种情形来分析给水控制系统的运行方式：
图2-1 给水全程控制系统
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（1）给水控制系统设计有给水旁阀、电动泵及两台汽动泵。全程给水控制系统投入之前，应使系统除高加旁路电动门之外的其它电动门处于关闭状态。 电动门不参与切换过程的控制，只用于系统故障时事故处理切换过程各泵的流量依靠其后的逆止阀前后的差压控制，这样做不仅简化了切换逻辑，缩短了切换时间，而且有利于切换过程的平稳过渡。
（2）锅炉启动及低负荷且小于15%时，由电泵维持给水压力。手动调整到需求的流量维持最低转速，旁路阀可自动调节水位。在旁路阀开度达95%以上及负荷大于15%时，电泵可投入自动。电泵一旦投入自动，旁路即切至手动操作。如旁路阀在手动状态，电泵投自动条件不受旁阀开度限制。考虑到旁阀与电泵工作特性不一致，采用了不同的比例系数K1和K2。此上均采用了单冲量控制方案。
（3）当负荷达到30% 时，小调阀切大调阀电泵由单冲量控制自动切换至三冲量控制，提高了水位调节品质。此时三冲量控制是一个以水位信号为主信号，以蒸汽流量信号为前馈信号，以给水流量为反馈信号的串级控制系统。三冲量主调节器的输出加上蒸汽流量信号D作为副调节器的给定信号。在汽动泵未运行之前采用电动泵控制给水流量，三冲量主调和电泵副调构成串级三冲量控制方式。当负荷升高到30%-40%时，汽动泵小奇迹开始冲转、升速，当汽动泵转速进一步上升、汽动泵流量逐步提高，电动泵流量逐步下降后，可投入汽动泵自动，使电动泵退回手动。当负荷升到40%-50%时，启动第二台汽动泵运行。这时，三冲量主调和汽动泵副调构成串级三冲量汽动泵控制方式，MEH系统以汽动泵转速控制信号控制小汽机转速。
（4）两台汽泵均投入自动后，电动泵切至手动，由运行人员减小电泵负荷，直至处于热备用状态。 正常运行时为两台汽泵运行。降负荷时：
a.负荷低于 50%时，启动电泵停汽泵切换到大调阀调整水位 (若2台电泵运行，停其中1 台) ；
b. 负荷低于30% ,三冲量切单冲量。
根据负荷及给水泵状态，电动泵可单泵运行，也可与汽动泵并列运行，即电动泵可工作在单冲量方式也可工作在三冲量方式。切换点都有滞环特性，避免由于负荷波动而使切换过程反复，对水位造成较大的扰动。在每一切换过程中，仅
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有一套自动控制系统控制水位。例如三冲量控制的大调阀向汽泵控制系统切换的过程时，首先三冲量控制的大调阀处于自动状态，汽泵控制处于跟踪状态，当汽泵出口流量高于某一值时，汽泵控制处于自动状态，大调阀以一定速率迫关，当大调阀关闭，电泵停后，切换结束。另外联锁保护逻辑要优先于全程给水的逻辑。
3过程论证
3.1 三冲量与单冲量之间的无扰切换
锅炉在不同负荷和参数时，其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，负荷变化下，假水位现象不太严重，对维持水位恒定的要求又不高，所以允许采用单冲量给水控制系统。在低负荷时如果采用各种自动校正措施，则会使系统结构复杂，整定困难，同时仍然存在误差。于是出现了低负荷时采用单冲量，高负荷时采用三冲量的给水全程控制系统。PI1是低负荷时的单冲量给水调节器，它只接受经过自动校正后的水位信号。高负荷时采用串级三冲量给水控制系统，其中PI2为主调节器，接受水位信号；PI3为副调节器，除接受主调节器校正信号外，还接受蒸汽流量信号及给水流量信号G。两套控制系统的切换时根据锅炉负荷（蒸汽流量）大小进行的。
1）单冲量控制系统到三冲量控制系统的切换：此时三冲量主调节器PI1的输出跟踪（D-W）信号，同时电动泵三冲量副调节器PI3的输出通过 f1(x)和T2跟踪单冲量调节器PI4的输出。
2）三冲量控制系统到单冲量控制系统的切换：此时单冲量调节器PI4的输出通过T1跟踪电动泵三冲量副调节器PI3的输出。 3.2 阀门与泵的运行及切换
低负荷时采用旁路阀门控制给水流量，高负荷时采用改变泵的转速控制给水流量。两者间的无扰切换通过f1(x)、T2和电动泵三冲量副调节器PI3的跟踪而实现。
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3.3 电动泵与汽动泵间的切换
以电动泵切换到汽动泵为例：把汽动泵调至最低转速时启动汽动泵，然后慢慢升速。电动泵在控制系统的控制下自动降速，当两泵出口流量相同时，汽动泵投自动，电动泵切手动，并逐渐把电动泵降至最低转速后停泵。三泵间设计有平衡回路，并具有各自的软、硬手操器，在软手操器上可以进行偏置设定，在上级具有一个给水总操。 3.4 执行机构的手、自动切换
旁路阀门的手、自动切换：此时T1切换到NO，单冲量调节器PI4通过 f4(x) 跟踪小阀操作器3AM的输出。
汽动泵的手、自动切换：此时汽动泵三冲量副调节器PI2的输出跟踪汽动泵操作器1AM的输出，如果此时电动泵也处于手动，则三冲量主调节器PI1的输出跟踪（D-W）信号。
电动泵的手、自动切换：
当D<30％时电动泵处于手动状态，T2切至NO，电动泵副调节器PI3的输出跟踪电动泵操作器2AM的输出，同时T1的NC点接通，单冲量调节器PI4通过 f3(x)跟踪PI3的输出。当切回自动时PI3继续通过 f1(x)和T2的NC点跟踪PI4的输出。
当D>30％时,采用三冲量系统，T2切至NO，电动泵副调节器PI3的输出跟踪电动泵操作器2AM的输出，如果此时汽泵也处于手动，则PI1跟踪（ D-W ）信号。
4结论
这次我的课程设计题目是“300MW火电机组给水控制系统的设计”， 经过资料查询，了解了300MW发电厂的给水控制系统工艺流程。通过对锅炉汽包给水控制系统的结构和动态特性的分析，提出采用单冲量和三冲量给水控制系统，单冲量给水控制系统结构比较简单，运行可靠，三冲量给水控制系统结构较复杂，
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但调节质量比较高。通过对三冲量控制系统的研究实现给水水位自动控制的要求。使我对所学的知识有了更进一步的理解。
5课程设计心得体会
通过本次课程设计更加让我认识到过程控制在实际生产生活中的广泛应用和重要作用，它是一门十分重要的课程。这次的课程设计，不仅巩固了我以前所学习的理论知识，更加深了理解，我们学习的目的是要学以致用，学习理论知识用于实践，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计过程中通过查找资料，同学间的讨论让我学到了很多知识。这学期由于之前面临就业，考研，所以做这次课设的时间有点紧张，在设计方面有些不足的地方。经过努力实现了设计要求，达到了预期目标。这次课程设计让我在对书本上纯理论的知识有了更深层的认识，使我收获颇多。
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参考文献
[1] 王建国等编.电厂热工过程自动控制.北京：中国电力出版社，2009
[2] 于鹏娟，王付生. 三冲量给水控制系统实际应用分析[J]. 山东电力技术，2003(2):44-45.
[3] 罗洋. 汽泵全程给水在国产300MW机组上的应用[J]. 贵州电力技术，2008，9：27-28
[4] 金瑞，周鹏. 330MW机组给水全程控制的优化组合[J]. 2000，18(1):4-9. [5] 林文孚等编著.单元机组自动控制技术.北京: 中国电力出版社，2008 [6] 张磊编. 超超临界火电机组集控运行. 北京: 中国电力出版社，2008.9
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