《给水全程控制系统》设计专业：自动化班级：B120410学号：B12041014姓名：陈修鹤本文在讨论给水调节系统的被控对象动态特性、热工测量信号、调节机构特性的基础上，分析了三冲量给水控制系统的结构及工作原理，提出了实现单元制给水全程控制系统应考虑的问题及控制方案。

随着锅炉朝大容量、高参数发展，给水系统采用自动控制系统是必不可少的，它可以减轻运行人员的劳动强度，保证锅炉的安全运行。

对于大容量高参数锅炉，其给水系统是非常复杂和完善的。

针对目前发电厂给水系统的现状及其存在的问题，结合发电厂300MW 机组配置,发电厂300MW 机组给水全程调节系统的构成原理和控制功能，分析了系统的总体结构、工作原理、控制过程、系统切换方式、控制逻辑、调试及参数整定原则。

关键词：给水全程，给水控制，控制系统，汽包水位，自动调节摘要 (I)第一章汽包水位全程控制的介绍 (1)第二章给水控制对象的动态特性 (2)2.1 给水流量扰动下水位的动态特性 (2)2.1.1 给水流量扰动下水位的动态特性 (2)2.1.2 蒸汽流量扰动下水位的动态特性 (2)2.1.3 炉膛热负荷扰动下水位的动态特性 (3)第三章热工测量信号 (5)3.1 水位信号 (5)3.2 蒸汽流量信号 (6)3.3 给水流量信号 (6)第四章调节阀和调速泵的特性 (7)4.1调节阀门的静特性 (7)4.2调速泵的安全特性 (7)第五章控制过程分析 (9)5.1水位调节主回路及电动给水泵跟随系统 (9)5.2汽动给水泵副回路控制系统 (9)5.3锅炉单冲量三冲量无扰切换和汽泵转速控制系统 (10)5.4流量测量信号 (11)5.5旁路辅助及保护回路 (12)5.6汽包水位自动失灵切手动保护 (13)结论 (15)参考文献 (16)第一章汽包水位全程控制的介绍目前，大型火电单元机组都采用机、炉的联合启动的方式，锅炉、汽轮机按照启动曲线要求进行滑参数启动。

具有中间再热的单元机组多采用定压法进行滑参数启动。

随着机组容量的增大、参数的提高，在启动和停机过程中需要监视和操作的项目增多，操作的频率也增高，采用人工调节已不适应生产要求，而必须在启、停过程中也实现自动控制。

所谓全程控制系统是指机组在启停过程和正常运行时均能实现自动控制的系统。

全程控制是相对常规控制系统而言的，全程控制包括启停控制和正常运行工况下控制两方面的内容。

常规控制系统一般只适用于机组带大负荷工况下运行，在启停过程或低负荷工况下，一般要用手动进行控制，而全程控制系统能使机组在启动、停机、不同负荷工况下自动运行。

以给水控制系统为例，常规串级三冲量给水系统只能在负荷达到额定负荷70%时，才能投入自动，在此以前全部为手动操作，而全程给水系统从锅炉点火启动开始便可以投入自动。

第二章给水控制对象的动态特性2.1 给水流量扰动下水位的动态特性汽包水位是由汽包中的储水量和水面下的汽泡容积决定的，因此凡是引起汽包中储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、锅炉蒸发量D、汽包压力Pb、炉膛热负荷等。

给水控制对象的动态特性是指上述引起水位变化的各种扰动与汽包水位间的动态关系。

汽包水位动态特性较为复杂，一是对汽包水位扰动有四个来源，二是“虚假水位”问题的存在，特别是后一个问题使得人们设计出“三冲量”给水控制系统。

了解、掌握汽包水位动态特性是保证给水自动控制系统顺利投入的基本要求。

2.1.1 给水流量扰动下水位的动态特性给水流量是调节机构所改变的控制量，给水流量扰动是来自控制侧的扰动，又称内扰。

给水流量扰动下水位的阶跃响应曲线如图2.1 所示。

当给水流量阶跃增加ΔW 后，水位H 的变化如图中曲线H 所示。

水位控制对象的动态特性表现为有惯性的无自平衡能力的特点。

当给水流量突然增加后，给水流量虽然大于蒸汽流量，但由于给水温度低于汽包内饱和水的温度，给水吸收了原有饱和水中的部分热量使水面下汽泡容积减少，实际水位响应曲线可视为由H1 和H2 两条曲线叠加而成，所以扰动初期水位不会立即升高。

当水面下汽泡容积的变化过程逐渐平衡，水位就反应出由于汽包中储水量的增加而逐渐上升的趋势，最后当水面下汽泡容积不再变化时，由于进、出工质流量不平衡，水位将以一定的速度直线上升。

图2.1 给水流量阶跃扰动下水位响应曲线2.1.2 蒸汽流量扰动下水位的动态特性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。

在蒸汽流量D 扰动下水位变化的阶跃响应曲线如图2.2 所示。

当蒸汽流量突然阶跃增大时，由于汽包水位对象是无自平衡能力的，这时水位应下降，如图2.2 中H1 曲线所示。

但当锅炉蒸发量突然增加时，汽包水下面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可用惯性环节特性来描述，如图2.2 中H2 曲线所示。

实际的水位变化曲线H 则为H1 和H2 的合成。

由图2.2 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，在负荷突然减少时，水位反而先下降），这种现象称为“虚假水位”现象。

这是因为在负荷变化的初期阶段，水面下汽泡的体积变化很快，它对水位的变化起主要影响作用的缘故，因此水位随汽泡体积增大而上升。

只有当汽泡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，呈无自平衡特性。

虚假水位现象与锅炉参数及蒸汽负荷变化大小有关，对于100～670t/h 中、高压锅炉，当负荷阶跃变化10%时，虚假水位可达30～40mm。

图2.2 蒸气流量阶跃扰动下水位响应曲线2.1.3 炉膛热负荷扰动下水位的动态特性当燃料量扰动时，例如燃料量增加使炉膛热负荷增强，从而使锅炉蒸发强度增大。

若此时汽轮机负荷未增加，则汽轮机侧调节阀开度不变。

随着炉膛热负荷的增大，锅炉出口压力提高，蒸汽流量也相应增加，这样蒸汽流量大于给水流量，水位应该下降。

但是蒸发强度增大同样也使水面下汽泡容积增大，因此也会出现虚假水位现象。

燃料量扰动下的水位阶跃响应曲线如图2.3 所示，由图可以看出，这种扰动下的“虚假水位”现象不太严重，这是因为蒸汽流量增加的同时汽压也增大了，因而使汽泡体积的增加比蒸汽流量扰动时要小，从而使水位上升幅度较小。

另外，由于蒸发量随燃料量的增加有惯性和时滞，如图2.3 虚线所示，这就导致迟延时间τ较长。

对汽包水位的第四种扰动是汽包压力的变化，汽包压力对汽包水位的影响是通过汽包内部汽水系统在压力升高时“自凝结过程”和压力降低时的“自蒸发”过程起作用的。

图2.3 燃烧量阶跃扰动下水位响应曲线上述四种扰动在锅炉运行中都可能经常发生，给水流量扰动作为内部扰动，汽包水位对其响应的动态参数（τ、ε）是给水控制系统调节器参数整定的依据。

蒸汽流量D、燃料量B 和汽包压力Pb 扰动作为外部扰动，会造成水位波动。

蒸汽流量D 和燃料量B 的变化是产生“虚假水位”的根源。

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。

第三章热工测量信号锅炉从启动到正常运行的过程中，蒸汽参数和负荷在很大范围内变化，这就使水位、给水流量和蒸汽流量测量的准确性受到影响。

为了实现给水全程自动控制，必须对这些测量信号自动进行压力、温度校正（补偿）。

在实际应用时，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。

3.1 水位信号由于汽包中饱和水和饱和蒸汽的密度随压力变化，因而影响水位测量的准确性。

这里拟考虑采用电气校正回路进行压力校正，即在差压变送器后引入校正回路。

图3.1燃烧量阶跃扰动下水位响应曲线式子中：△P为平衡容器输出的差压，ρc，ρw，ρs分别是平衡容器内水的密度，汽包内饱和水的密度，汽包内饱和蒸汽的密度。

当L、A 一定时，水位h 是差压和汽、水密度的函数。

密度c . 与环境温度有关，一般可取60℃时水的密度。

在锅炉启动过程中，水温稍有增加，但同时由于压力也升高，两种因素对c . 的影响基本上可抵消，即可近似地认为c . 是恒值。

而饱和水和饱和蒸汽的密度w . 和s . 均为汽包压力的函数。

根据上式，即可实现水位的压力自动校正功能。

3.2 蒸汽流量信号过热蒸汽流量测量通常采用标准喷嘴，这种喷嘴基本上是按定压运行额定工况的参数设计，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。

当被测过热蒸汽的压力和温度偏离设计值时，蒸汽的密度变化很大，这就会给流量测量造成误差，所以要进行压力和温度的校正。

一般可以按下列经验公式进行校正：式子中，D-过热蒸汽的流量，P-过热蒸汽的压力，T-过热蒸汽的温度，△P-节流件差压，K-流量系数。

为了避免高温高压节流元件因磨损带来的误差，美国Leeds & Northrup 公司提出了用汽机调节级压力P1 的温度补偿信号来代替蒸汽流量信号，如图3.2 所示。

实验证明，这种方法是准确和行之有效的。

3.3 给水流量信号计算和试验结果表明：当给水温度为100℃不变，压力在0.196～19.6MPa 范围变化时，给水流量的测量误差为0.47%；若给水压力为19.6MPa 不变，给水温度在100～290℃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，如图3.2所示。

若给水温度变化不大，则可不必对给水流量测量信号进行校正。

图3.2 用P1代替蒸汽流量信号及给水流量温度矫正第四章调节阀和调速泵的特性当机组容量很大时,用调节门的开度控制给水流量时,因给水调节门的节流而造成的能量损耗也随之增大。

而且高压水流对调节阀的冲击也不可忽视。

为了降低损耗提高机组的效率，延长设备的使用寿命，往往采用调节给水泵的转速的方法来控制给水流量。

或者低负荷时用调节门控制给水量，高负荷时用泵的速度控制。

因此有必要对调节阀门的静特性和调速泵的安全特性进行了解。

4.1调节阀门的静特性调节阀静特性的好坏直接影响到控制系统的调节品质。

一般控制系统对阀门静特性的要求主要体现在以下六个方面[23]。

在条件允许的情况下应进行调节阀静特性试验，以保证控制系统能正常投入运行。

⑴最大流量：在调节阀门全开时，其流量应满足额定负荷的要求，并应具有10%～30%的裕量；⑵漏流量：调节阀门全关时，其漏流量一般应要求小于调节门最大流量的10%；⑶线性工作段：一般要求调节阀门特性曲线的线性工作段应大于全行程的70%；⑷线性比：在调节阀开度为15%～85%的范围内，最大斜率与最小斜率之比不超过2；⑸回程误差：一般应小于最大流量的3%；⑹饱和区：流量变化的饱和区应出现在开度85%以上的范围内。