300MW单元机组给水全程控制系统设计热工课程设计

学校代码： 10128 学 号：

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热工控制系统课程设计说明书

内蒙古工业大学课程设计（论文）任务书

课程名称：热工控制系统专业课程设计 学院： 班级： 学生姓名： 学号： 指导教师：

一、题目 300MW单元机组给水全程控制系统设计 二、目的与意义 本设计是针对“热工控制系统”课程开设的课程设计，是培养学生综合运用所学理论知识分析问题、解决问题的一个重要的教学环节。通过本课程设计，使学生能更好的掌握热工控制系统的组成、控制方式和控制过程，使学生得到一次较全面、系统的独立工作能力的培养。 三、要求 已知条件： （1）单级三冲量给水控制系统方框图如图1-1所示，控制对象的特性参数为： Qw1Ig Qd?d?d Qw2 W0d(s) QwW0w(s) H WT(s) Kz K??w?w ?h 图1-1 ??0.037mm?s?1?(t/h)?1；?w?30s；K2?3.6mm?(t/h)?1；T2?15s 调节器的传递函数为：WT(s)?1(1?1) Tis?控制对象的传递函数为：W0w(s)?H(s)?0.037??Qw(s)s(1??ws)s(1?30s) W0d(s)?K2H(s)?3.60.037???? Qd(s)1?T2ss1?15ss热工控制系统课程设计说明书

?1给水流量与蒸汽流量的测量变送器的传递函数为：?w??d?0.075mA?(t/h) ?1水位的测量变送器的传递函数为：?h?0.033mA?mm 给水流量反馈装置和蒸汽流量前馈装置都用比例环节，即：Ww(s)??w；Wd(s)??d （2）300MW单元机组给水热力系统：从除氧器出来的给水，由给水泵送入高压加热器，再经省煤器进入汽包。给水泵包括一台电动泵和一台汽动泵，电动泵容量为50%额定给水流量，汽动泵容量为100%额定给水流量。在启动和低负荷工况下电动泵运行，正常工况下汽动泵运行。 主要内容： 1.根据图1-1及已知参数完成三冲量给水控制系统参数的整定。 2.根据已知的300MW单元机组给水热力系统设计给水全程控制系统。 要求： 1.严格遵守作息时间，在规定地点认真完成设计；设计共计一周。 2.按照统一格式要求，完成设计说明书一份。 四、工作内容、进度安排 1、根据图1-1及已知参数完成三冲量给水控制系统参数的整定；（1天） 2、根据已知的300MW单元机组给水热力系统设计给水全程控制系统：确定控制系统的方案，画出控制系统结构图，说明系统的组成，分析系统各部分的作用及工作原理；（3天） 3、编写课程设计说明书。（1天） 五、主要参考文献 [1] 罗万金.《电厂热工过程自动调节》. 中国电力出版社.1991. [2] 王志祥、朱祖涛.《热工控制设计简明手册》.水利电力出版社.1995. 审核意见 系（教研室）主任（签字） 指导教师下达时间 年 月 日 指导教师签字：_______________

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摘 要

电站汽包锅炉的给水自动控制普遍采用三冲量给水自动控制系统方案。因此，此次课程设计要求设计的便是采用单级三冲量的300MW单元机组给水全程控制系统。 本文首先介绍了给水自动控制系统的单级三冲量给水控制系统，对其的工作原理和静态特性进行了分析，并对具体的实际控制系统进行了分析和整定。其次，还对给水调节对象进行了动态特性分析。最后根据要求设计了300MW单元机组给水全程控制系统，分别分析了给水控制系统的组成及工作原理，包括了给水热力系统简介、给水全程控制系统原理、实例设计、控制过程分析、控制过程中的跟踪与切换等几部分。 关键词：300MW单元机组 给水全程控制系统 单级三冲量 给水调节对象

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目 录

第一章 给水自动控制系统的整定 ............................................... 1 1.1 给水自动控制系统概述 .................................................. 1 1.2 单级三冲量给水控制系统的结构和工作原理 ................................ 2 1.3 单级三冲量给水调节系统的静态特性 ...................................... 3 1.4 单级三冲量给水系统的分析和整定 ........................................ 4 1.4.1 内回路的整定....................................................... 5 1.4.2 主回路的整定....................................................... 6 1.4.3 前馈通道的整定..................................................... 7 1.4.4 三冲量给水控制系统参数的整定实例................................... 8 第二章 给水调节对象动态特性分析 ........................................... 10 2.1 给水流量扰动对水位的影响 ............................................. 10 2.2 负荷扰动对水位的影响 ................................................. 11 2.3 燃料量扰动对水位的影响 ............................................... 11 2.4 测量信号的自动校正 ................................................... 13 2.4.1 汽包水位的校正.................................................... 13 2.4.2 蒸汽流量的校正.................................................... 15 2.4.3 给水流量的校正.................................................... 16 2.5 给水泵安全运行特性要求 ............................................... 16 第三章 300MW单元机组给水全程控制系统设计................................... 19 3.1 给水热力系统简介 ..................................................... 19 3.2 给水全程控制系统热工信号的测量 ....................................... 20 3.2.1 水位信号.......................................................... 20 3.2.2 给水流量信号...................................................... 21 3.2.3 主蒸汽流量信号.................................................... 22 3.2.4给水全程控制系统设计图 ............................................ 22 3.3 控制系统工作过程分析 ................................................. 22 3.3.1 启动，冲转及带25﹪负荷 ........................................... 22 3.3.2 升负荷25%～30% ................................................... 23 3.3.3 30%～100%负荷阶段................................................. 23 3.3.4 减负荷过程........................................................ 24 3.4 控制过程中的跟踪与切换 ............................................... 24 3.4.1 系统间的无扰切换.................................................. 24 3.4.2 阀门和泵的运行及切换.............................................. 24 3.4.3 电动泵与汽动泵的切换.............................................. 25 3.4.4 执行机构的手、自动切换............................................ 25 3.5 该给水全程控制系统的特点 ............................................. 24 参考文献 ................................................................... 25

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第一章 给水自动控制系统的整定

控制系统整定是根据被控对象的特性选择最佳的整定参数（控制器参数、各信号间的静态配合、变送器斜率等），其中主要是整定控制器参数。对于一个已安装好的控制系统，各元件特性已经确定的情况下，能否使系统工作在最佳状态主要取决于系统参数整定得是否合适。[1]

调节器的参数可以通过理论计算求得，也可以通过现场试验调整求取。理论计算方法是，预先给定稳定裕量（或给定衰减率，或给定误差积分准则），通过计算求出最佳整定参数。由于表征调节对象动态特性的传递函数是近似的，所以最佳整定参数的理论计算结果是大致正确的。最终选用的最佳参数是通过实际现场得到的，理论计算数据只能作为试验调整时的参考数据。[2]

1.1 给水自动控制系统概述

锅炉给水调节的任务是使锅炉的给水量适应锅炉的蒸发量,维持汽包水位在规定的范

围内。汽包水位反映了汽包锅炉蒸汽负荷与给水量之间的平衡关系，是锅炉运行中一个非常重要的监控参数，保持汽包水位正常是保证锅炉和汽轮机安全运行的必要条件。随着锅炉容量和参数的提高，汽包的容积相对减小，锅炉蒸发受热面的热负荷显著提高，因此，加快了负荷变化时水位的变化速度。企图用人工调节给水量来保持汽包水位不仅操作繁重，而且是非常困难的，所以，锅炉运行中迫切要求对给水实现自动调节。

三冲量给水调节系统，就是在双冲量给水调节系统的基础上，在引入给水流量信号。由水位蒸汽流量D和给水流量W构成的给水调节系统。其优点在于能快速消除给水侧的扰动。根据汽包锅炉给水控制对象动态特性的特点，我们可以提出确定给水控制系统结构的一些基本思想：

（1）由于对象的内扰动态特性存在一定的迟延和惯性，所以给水控制系统若采用以水位为被调量的单回路系统，则控制过程中水位将出现较大的动态偏差，给水流量波动较大。因此，对给水内扰动态特性迟延和惯性大的锅炉应考虑采用串级或其他控制方案。 （2）由于对象在蒸汽负荷扰动时，有“虚假水位”现象。因此给水控制若采用以水位为被调量的单回路系统，则在扰动的初始阶段，调节器将使给水流量向与负荷变化方向相反的方向变化，从而扩大了锅炉进、出流量的不平衡。

所以在设计给水控制系统时，应考虑采用以蒸汽流量D为前馈控制，以改善给水控制

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系统的控制品质。

总之，由于电厂锅炉水位控制对象的特点，决定了采用单回路反馈控制系统不能满足生产对控制品质的要求，所以电站汽包锅炉的给水自动控制普遍采用三冲量给水自动控制系统方案。[2]

1.2 单级三冲量给水控制系统的结构和工作原理

图1-1为常用的单级三冲量给水系统图。给水调节器接受汽包水位H、蒸汽流量D和给水流量W三个信号（所以称三冲量控制系统）。其输出信号去控制给水流量，其中汽包水位是被调量，所以水位信号称为主信号。但仅仅根据水位信号调节给水流量的反馈调节，并不能满足生产对调节品质的要求。因为引起汽包水位变化的主要扰动是蒸汽流量和给水流量，所以为了使汽包水位在运行中偏差较小，在调节系统中引入了蒸汽流量的前馈调节和给水流量的反馈调节，这样组成的三冲量给水调节系统是一个前馈—反馈调节系统。

过热器 D ?p ?p ?D省煤器 PI W KZ ?W?p

图1-1 单级三冲量给水控制系统图

当蒸汽流量增加时，调节器立即动作，相应的增加给水流量，能有效的克服或减小虚假水位所引起的调节器误动作。因为调节器输出的控制信号与蒸汽流量信号的变化方向相

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同，所以调节器入口处，主蒸汽流量信号VD正极性的。当给水流量发生自发性扰动时，调节器也能立即动作，控制给水流量使给水流量迅速恢复到原来的数值，从而是汽包水位基本不变。见给水流量信号作为反馈信号，其主要作用是快速消除来自给水侧的内部扰动，因此在调节器入口处，给水流量信号VW为负极性的。

当汽包水位H增加时，为了维持水位，调节器的正确操作应使给水流量减小，反之亦然，即调节器操作给水流量的方向与水位信号的变化方向相反，因此调节器入口处水位信号VH应定义为负极性。但由于汽包锅炉的水位测量装置——平衡容器本身已具有反号的静特性，所以进入调节器的水位变送器信号VH应为正极性，如图1-1所示。在单级三冲量给水控制系统中，水位、蒸汽流量和给水流量对应的三个信号VH、VD、VW都送到PI调节器，

[3]在静态时，这三个输入信号与代表水位给定值的信号V相平衡。 O1.3 单级三冲量给水调节系统的静态特性

给水调节系统的静态特性是值被调量H与锅炉负荷D的静态关系。对于单信号水位调

节系统，只要采用比例积分调节器，不管负荷如何变化，静态时的水位H将始终等于其给定值，即被调量没有静态偏差。但当调节器接受多个输入信号时，H与D之间的静态关系就不是这样简单了。

为了讨论多信号时调节系统的静态特性，首先应确定送入调节器的各信号极性。图1-2所示为单级三冲量给水调节系统，图中示出了输入信号及其极性。

D H W

?D?D ?H ?W?W ?D ?H?W定值 ＰＩ u

图1-2 单级三冲量给水系统

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当蒸汽负荷增加时，为了保持汽包水位的恒定，调节器的正确操作动作应增大给水流

量，即调节器输出控制信号应与蒸汽流量信号的变化方向相同，所以蒸汽流量信号?D定为“+”号：给水流量信号是反馈信号，它是为稳定给水流量而引入调节系统的，所以?W定为“-”号。

当汽包水位H增加时，为了维护水位，调节器的正确操作应使给水流量减小；水位降低时应增加给水流量，即调节器操作给水流量的方向应与水位信号的变化方向相反，因此水位信号?H应规定为“-”号。但由于汽包锅炉的水位测量装置——平衡容器本身已具有反号的静特性，所以进入调节器的水位变送器信号?H应定为“+”号。

?D、在单级三冲量给水调节系统中，水位、蒸汽流量和给水流量对应的三个信号?H、

?W都送到PI调节器，在静态时，这三个输入信号应与水位给定值信号?Z平衡。 即： ?D-?W+?H=?Z

或： ?Z-?H=?D-?W=?D?DD??W?WW

上式表明，如果使送入调节器的蒸汽流量信号?D与给水流量信号?W相等，则在静态时的水位信号就等于给定值，给水调节系统将是无静差的。如果在静态时?D≠?W，则汽包的水位稳定值将不等于给定值，给水调节系统将是有静态偏差的。在给水调节系统中，一般都取?D??W，而在静态时，即锅炉负荷不变，水位也不波动，这时给水流量W应等于蒸汽流量D，则单级三冲量给水调节系统水位H有无静态偏差将完全由蒸汽流量和给水流量的分流系数?D、?W的取值大小来决定。

当取?D=?W时，在任何负荷下，水位的静态值是无偏差的；当取?D＞?W时，水位的静态偏差是正值，且偏差随着负荷的增加而增大；当取?D＜?W时，水位的静态偏差是负值，且偏差随着负荷的增加而增大。

一般情况下，都希望调节系统的具有无差的静态特性，这时在蒸汽流量测量变送设备的斜率?D??W的前提下，应取?D=?W。[4]

1.4 单级三冲量给水系统的分析和整定

单级三冲量给水控制系统的原理框图如图1-3所示，可以看出该系统由两个闭合的反馈回路及前馈部分组成：

（1）由调节器WT(s)、执行机构Kz、调节阀K?、给水流量变送器?w和给水流量反馈装置?w 组成的内回路。

（2）由水位控制对象W01(s)、水位变送器?H和内回路组成的外回路。

（3）由蒸汽流量信号D及蒸汽流量测量装置?D、蒸汽流量前馈装置?D构成的前馈控

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制部分。

Q d?d?d Q w2Qw1QwW0d(s) H W0w(s) Ig WT(s) Kz K??w?w ?h 图1-3 单级三冲量给水控制系统的原理框图

下面对两个闭合回路及前馈控制部分进行分析和整定：

1.4.1 内回路的整定

调节器的参数可根据系统内回路来整定,根据图1-4所示的方框图，可以把内回路作为一般的单回路系统进行分析。

如果把调节器以外的环节等效地看作被控对象，那么被控对象动态特性近似为比例环节。

△V=VH+VoW()W1KKμW2Wαw γW

图1-4 三冲量给水控制系统的内回路方框图

因此调节器的比例带?和积分时间Ti都可以取的很小。?和Ti的具体数值可以用试探

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制侧的扰动，又称内扰。在给水流量W的阶跃扰动下，水位H的响应曲线可以用图2-1来说明。若把汽包及水循环系统当做单容水槽，水位的响应曲线应该如图中的直线1。但是在实际情况中，当给水流量突然增加的时候，因为给水温度低于汽包内的饱和水温度，当它进入汽包后吸收了原有的饱和水中的一部分热量，使锅炉的蒸汽产量下降，水面以下的汽泡总体积Vs也就相应减小，导致水位下降。Vs对水位的影响可以用图中的曲线2表示。水位H（即曲线3）的实际响应曲线是曲线1和曲线2的总和。这种分析方法是分别从两个角度进行分析的：1.仅从物质平衡角度来分析；2.仅从热平衡角度来分析。

2.2 负荷扰动对水位的影响

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。在汽机耗汽量D的阶跃扰动下，水位H的响应过程可以用图2-2来说明。当汽机耗汽量D突然阶跃增加时，如果只从物质平衡的角度来讲，一方面改变了汽包内的物质平衡状态，使得水位下降，如图2-2中的曲线1。但当锅炉蒸发量突然增加时，迫使锅内汽泡的增多，燃料量维持不变，汽包压力pd下降，使水面以下的蒸汽泡膨胀，总体积Vs增大，从而使得汽包水位的上升，如图2-2的曲线2所示。因此汽包水位H的实际响应曲线（图2-2中图3所示）是曲线1与曲线2叠加的结果。只有当汽包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，而这种反常的现象，通常被称为“虚假水位”。“虚假水位” 现象主要是来自于蒸汽量的变化，显然蒸汽量是一个不可调节的量（对调节系统而言），但它是一个可测量，所以在系统中引入这些扰动信息来改善调节品质是非常必要的。

2.3 燃料量扰动对水位的影响

当燃料量B扰动时，必然会引起蒸汽量D的变化，燃料量增加会使炉膛热负荷增加，锅炉吸收更多的热量蒸发强度增加，若此时，汽轮机所带负荷不变，那么随着炉膛热负荷的增加，锅炉出口压力pd提高，蒸汽流量就会相应的增加上去，然后蒸汽量的变化就会造

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图2-1 给水扰动下的水位响应曲线

图2-2 汽机耗汽量D阶跃扰动下的水位响应曲线

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成“虚假水位”的现象，即水位先上升，随后再下降，响应曲线如图2-3所示。但是燃料量B的增大只能使D缓慢增大，而且pd还慢慢上升，它将使汽泡体积减小。因而，燃料量扰动下的假水位比负荷扰动下要缓和得多。

由以上分析可知，给水量扰动下水位响应过程具有纯延迟；负荷扰动下水位响应过程具有假水位现象；燃料量扰动也会出现假水位现象。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。[3]

B ?Bt

图2-3 燃料量扰动B下的水位响应曲线

2.4 测量信号的自动校正

测量信号自动校正的基本方法时先推导出被测参数随温度,压力变化的模型,然后运用功能组件进行校正运算,便可实现信号自动校正。

2.4.1 汽包水位的校正

由于汽包中饱和水和饱和蒸汽的密度随压力变化，所以影响水位测量的准确性，通常可以采用电气校正回路进行压力校正。即在水位差压变送器后引入校正回路。图2-4表示

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单室平衡容器的测量系统。

从图2-4中可以看出： p1??GH??s(L?H)

p2??aL

?p?p2?p1??aL??GH??sL??sH ?(?a??s)L?(?G??s)H

H?L(?a??s)??P

(?G??s)式中：?P--输入差压变送器的压差（?P?P2?P1） ?G--饱和水的密度 ?s--饱和蒸汽的密度

?a--汽包外平衡容器内凝结水的密度

由上式可见,水位H是压差和汽、水密度的函数。密度?a 与环境温度有关.在锅炉启动过程中,水温略有升高,压力也同时升高,这两方面变化对 ?a 的影响基本上可以抵消,即可以近似认为?a 是恒值。饱和水和饱和蒸汽的密度 ?G,?s 均为汽包压力Pd 的函数即： ?a??s=fa(pb)

?G??s=fb(pb)

fa(pb)L??p

fb(pb)所以可最终改写为： H?据分析在 Pd?19.6MPa 范围内, (?a??s)与 Pd 的关系可近似为线性关系,可用下式表示:

L(?a??s)=K1?K2Pd

式中：Pd—汽包压力， K1,K2—常数。

H L

图2-4 汽包水位测量系统

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这样，水位表达式可以写成： H?K1?K2pd??P

f(pd)上式表明,汽包水位H不仅与取样装置输出的压差 ?P 有关,而且还与汽包压力 Pd 有关。只有当 Pd不变时, H才完全取决于?P；实现上式运算原理的框图如2-5所示：

△

K1∑K2

f

÷Hf图2-5 水位的压力自动校正原理框图

2.4.2 蒸汽流量的校正

大容量高参数锅炉的过热蒸汽流量通常采用标准节流装置进行测量,被测流量与装置输出差压间的关系如式:

D?K?p?g?K10.2?p式中： D---过热蒸汽流量（kg/h） p---过热蒸汽压力（MPa） ?---过热蒸汽温度（℃） ?p---节流件压差（MPa） ?---过热蒸汽密度（kg/m3）

1857p

??166?5.61p当被测工质的压力,温度偏离设计值时,工质的密度变化会造成流量测量误差,所以需要进行压力,温度校正。根据设计的过热蒸汽的压力,温度自动校正回路如图2-6所示：

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θ △K1∑÷√

图2-6 过热蒸汽流量的压力、温度校正

2.4.3 给水流量的校正

θ△√xW

图2-7 给水流量的温度校正

计算结果表明:当给水温度为100℃ ,压力在0.196?19.6MPa范围内变化时,给水流量的测量误差为0.47﹪;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﹪.这就说明,对给水流量的测量只需采取温度校正,其校正回路如图2-7所示。当然,若给水温度变化也不大的话,则可不必对给水流量进行校正。

2.5 给水泵安全运行特性要求

为了提高大型火电厂机组的热效率，节约厂用电及提高经济效益，采用小型汽轮机代替电动机驱动锅炉给水泵是有效的措施之一。汽动给水泵具有较高的经济性。而电动给水

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泵具有系统结构简单、启动迅速、可靠性高等优势，所以大容量机组的给水系统泵组的设计是由电动给水泵和汽动给水泵共同构成，充分利用两种泵的优势，使在正常工况下机组具有较高的经济性，又能在启停和异常事故工况下使机组具备良好的适应性和快速响应功能。但是无论使用哪种方案，在给水系统全过程运行中，保证给水泵总是工作在安全工作区内，始终是一个重要问题。

给水泵的安全工作区如图2-8所示，图中阴影区由泵的上、下限特性(Qmin、Qmax)、最高转速nmax和最低转速nmin、最高压力（泵出口）Pmax和最低压力Pmin所围成，给水泵不允许在安全工作区以外工作。

为了满足上限特性要求，在锅炉负荷很低的时候，须打开再循环门，以增加通过泵的流量，这样在所需的相同泵出口压力条件下，可使泵进入上限特性右边的安全区工作，如图2-8中，泵的工作点由a1点移到b1点。

由于给水泵有最低转速nmin的要求，这样在给水泵已接近nmax时就不能以继续降低转速方式来调节给水量，这就需要用改变上水通道阻力（即设置给水调节阀）的方式，使泵工作在安全区内。由于兼用改变泵转速和上水通道阻力两种方式调节给水量，增加了全程

图2-8 给水泵安全工作示意图

给水自动控制系统的复杂性。

在锅炉负荷开到一定程度的时候，即泵流量较大时，为了不使在下限特性右边区域工作，也须适当提高上水通道阻力，以使泵出口压力提高，这样给水调节门又起到保证泵在下限特性左边安全工作的作用。如图中泵工作点由a2移至b2点。

为了防止泵的工作点落入上限特性之外，目前采取的办法是在泵出口至除氧器之间安装再循环管道，当泵的流量低于设定的最小流量时，再循环门自动开启，增加泵体内的流量，让一部分水回到除氧器中，从而使低负荷阶段的给水泵工作点也在上限特性曲线之内，

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随着机组负荷的增加，给水流量也增大，当泵的流量高于设定的最大流量时，再循环门将自动关闭。[6]

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第三章 300MW单元机组给水全程控制系统设计

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，在启停过程和低负荷工况下，一般要由手动进行控制，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。

凝结水 电动截门 启动旁阀 过热器 除氧器 再循环省煤器 汽包 蒸汽流量 给水泵 3.1 给水热力系统简介

图3-1为给水热力系统示意图。从除氧器出来的给水，由给水泵送入高压加热器，再经省煤器进入汽包。给水泵包括一台电动泵和一台汽动泵，电动泵容量为50%额定给水流量，汽动泵容量为100%额定给水流量。

在启动和低负荷工况下电动泵运行，正常工况下汽动泵运行。正常工况下气动泵运行，俩台电动泵的另一个功能是作为气动泵的备用。每台泵都有再循环管路，当系统工作再低负荷时再循环管路的阀门能自动打开，保证泵出口有足够的流量，防止汽蚀。低负荷运行时旁路阀工作，调节锅炉给水量，控制水位，同时电动泵维持在最低转速运行，保证泵的安全特性，此时为两段调节。高负荷时，阀门开到最大，为减少阻力主给水电动门也打开，

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主给水电动门 去汽轮机 给水流量 减温水阀 高加

图3-1 给水热力系统示意图

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通过调节给水泵转速直接控制给水流量，为一段调节。

?p?p?ppb1V1V 1V ? ÷ ? ÷ ? f(x) ÷ f(x) ?T ? No Nc No ? Nc No A Nc T T ?3 H 图3-2 水位压力自动校正线路

3.2 给水全程控制系统热工信号的测量 3.2.1 水位信号

图3-2为水位信号测量线路图。在图3-2中增加了压力补偿环节，根据汽、水密度与汽包压力的函数关系，得到水位校正系统的运算公式为：

H?式中：

f1(pb)??p

f2(pb)pb——汽包压力，Pa；

?p——汽包水位差压变送器两侧压差，Pa。

汽包水位测取了左、中、右三个测点。正常情况下通过切换开关T的NC点，对三个

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信号（Hi,i=1,2,3）求平均值作为汽包水位的测量信号H。当任一差压变送器故障时Hi和H相差很大，可发出声光报警。同时在逻辑信号作用下T切换至NO，将故障前的H作为本路测量值Hi，暂时维持H变化不大，控制系统切手动，待值班人员切除故障变送器后，系统再正常运行。

图3-3 全程给水控制原理图

3.2.2 给水流量信号

给水流量的测量采用双变送器，正常情况下切换开关T的NC点通，选A、B两个测量

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信号中较大的一个经过给水温度的补偿和惯性阻尼环节，作为给水流量测量信号。当任一变送器故障时，通过逻辑线路使T切向NO，将该路变送器输出置零，同时发出声、光报警，系统切手动，待切除故障变送器后系统才正常运行。总的给水流量中还包括了一、二、三级减温水量。

3.2.3 主蒸汽流量信号

主蒸汽流量D的测量可采取两种方法：

1.测得汽轮机调速级压力p1，一级抽汽压力p2和一级抽汽温度?2，采用下述公式求取：

D?p12?p22a??2b 式中a、b为设定值，当高压加热器关闭时，b值要重新设定。

2.用汽轮机调速级压力p1，经主蒸汽温度?校正来代替D。当高压旁路阀开启时所测得D还要加上旁路蒸汽流量。在?2和p2的测量中均采取了双变送器冗余设置，可靠性高。

3.2.4 给水全程控制系统设计图

根据设计要求，从除氧器出来的给水，由给水泵送入高压加热器，再经省煤器进入汽包。给水泵包括一台电动泵和一台汽动泵，电动泵容量为50%额定给水流量，汽动泵容量为100%额定给水流量。在启动和低负荷工况下电动泵运行，正常工况下汽动泵运行。300MW单元机组给水全程控制系统原理图如图3-3所示。

3.3 控制系统工作过程分析

控制过程表

给水控制系统 单冲量 三冲量 单冲量 控制手段 启动给水旁电动泵 电/汽并列 汽动泵 电动泵 旁路阀 路阀 电动电汽并列 电动泵 泵 3.3.1 启动，冲转及带25﹪负荷

此阶段采用单冲量系统通过控制给水旁路阀门开度来维持汽包水位在给定范围内，电动给水泵维持在最低转速，汽动给水泵手/自动操作1AM强迫为手动状态，T5切换至NO使

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汽动泵超驰全关，主给水电动门也关闭，给水旁路阀从0～100%控制。

单冲量调节器PI4的输入为水位测量值H和给定值H0 的偏差，其输出竟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（PI3）也处于自动跟踪状态，通过切换开关T2的NC点使PI3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nmin 运行。

图3-4 控制过程曲线

3.3.2 升负荷25%～30%

此阶段采用单冲量系统控制电动给水泵转速。此时三冲量系统尚不能使用，给水旁路门已全开，只能提高给水泵转速来满足给水量的增加，T2仍接NC点，f1 (x)的输出值随控制信号（PI4的输出）变化。通过PI3的自动跟踪去控制电动泵转速，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对象特性不同，且调节器整定参数不同，所以PI4为变参数调节器。

3.3.3 30%～100%负荷阶段

此阶段采用三冲量系统控制给水泵转速方案，这是控制系统的正常工况。给水旁路阀锁定在全开位置不在关闭，以减少系统不必要的扰动。

（1）负荷达w%，电动泵转速为 nx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，控制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，由于三冲量系统抗内扰的能力比单冲量系统强的多，所以控制质量能得到保证。

（2）30%～A%负荷阶段采用电动泵控制给水量。T3切至NO（100%），3AM跟踪T3的输

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出从而使给水旁路阀超驰全开。此时系统为三冲量电动泵控制，PI3（电动泵副调节器）不再跟踪PI4的输出，而是处于自动控制状态，通过2AM手/自动操作器控制电动泵转速。三冲量主调节器PI1接受水位及其给定值的偏差，其输出和蒸汽流量D的前馈信号求和作为副调节器PI3的给定信号，同时PI3还接受给水流量W的反馈信号。

（3）D>A%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，电动泵处于超驰全关状态，直到满负荷运行。此时，PI2（汽动泵副调节器）处于自动控制状态，通过1AM手/自动操作器控制汽动泵转速，同时可进行转速显示。若执行机构发生故障可发出逻辑信号使泵切手动。

3.3.4 减负荷过程

在减负荷过程中控制顺序与上述相反，同时负荷的切换的切换点考虑了2%的不灵敏区，避免由于负荷波动系统在切换点处来回切换。

3.4 控制过程中的跟踪与切换 3.4.1 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的输出通过函数组件f1?x?以及切换开关T2一直跟踪单冲量调节器PI4的输出，所以系统由单冲量切换到三冲量是无扰动的。

D＞30%时采用三冲量系统。单冲量调节器PI4通过T1的常闭点NC跟踪三冲量电动泵副调节器PI3的输出，所以由三冲量切换到单冲量也是无扰动的。

3.4.2 阀门和泵的运行及切换

低负荷时采用旁路阀控制给水流量，高负荷时采用改变泵的转速来控制，两者的无扰切换时通过函数组件f1?x?、切换开关T2及PI3的跟踪实现的。因为f1?x?产生连续函数，而PI3通过T2的NC点跟踪f1?x?的输出，且当阀门开足时才开始调泵的转速，所以从调阀到调泵的切换是无扰的。

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3.4.3 电动泵与汽动泵的切换

以电动泵运行，汽动泵取代电动泵为例。

（1）正常倒换，即电动泵操作处于自动位置，汽动泵操作处在手动位置时进行泵的切换。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。电动泵会由于控制系统的控制作用而自动降速，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。

（2）两泵操作器均处于手动状态进行泵的切换时，两泵转速及给水量完全由运行人员控制。

3.4.4 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PI4通过f4?x?跟踪小阀操作器3AM的输出，保证切回自动时是无扰动的。

汽动泵手动时，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。如果此时电动泵也手动，则三冲量主调PI1的输出跟踪（D-W）信号，所以汽动泵控制切回自动时是无扰动的。

由以上分析可以看出，此300MW单元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。系统的总体方案是低负荷时控制阀门开度改变给水流量，同时保证泵的最低转速，此时为两段调节。高负荷时通过改变泵的转速来改变给水量，控制水位，是一段调节的方案，能减少节流损失，充分发挥给水调节泵的经济效益。同时该系统测量信号补偿，系统无扰切换及逻辑报警线路设计合理全面，并用N-90网络实现，具有较高的可靠性。

3.5 该给水全程控制系统的特点

该锅炉给水全程控制系统可以不需要运行人员参与而自动完成锅炉启、停和正常运行

工况下对给水热力系统中全部设备的自动控制，以保持汽包水位在设定的允许范围以内。而且，该系统给水泵包括一台电动泵和一台汽动泵，电动泵容量为50%额定给水流量，汽动泵容量为100%额定给水流量。在启动和低负荷工况下电动泵运行，正常工况下汽动泵运行。因此，其控制过程具有以下主要特点：

1. 锅炉从启动到正常运行的过程中，汽水参数和负荷在很大范围内变化，因此需要对

水位、流量等测量信号自动进行压力和温度的校正。

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2. 在给水全程控制系统中不仅要满足给水量控制的要求，同时还要保证变速给水泵工

作在安全工作区内。

3. 由于锅炉给水调节对象的动态特性与负荷有关，在低负荷时可以采用以汽包水位为

反馈信号的单回路控制系统；在高负荷时为克服“虚假水位”需要采用三冲量控制系统，因此在锅炉负荷变化时要保证两种控制系统之间的双向无扰切换。

4. 在低负荷时采用改变阀门开度来保持水位，高负荷时用改变给水泵的转速保持水位，

因此产生了阀门与给水泵间的过渡切换问题。

5. 给水全程控制系统要适应机组定压运行和滑压运行工况，以及机组的冷态启动和热

态启动工况。

6. 汽动泵不仅调节特性好，而且可直接将蒸汽的的热能转变成机械能；电动泵要经过

两次能量的转换，即蒸汽热能由汽轮发电机变成电能，电能再经电动泵变成机械能，所以汽动泵比电动泵有更高的效率。但是，汽动泵也有它的不足之处，因为驱动小汽轮机的蒸汽是主汽轮机高压缸的抽汽，而在机组启动和低负荷时，汽轮机高压缸的抽汽汽压太低，无法维持汽动泵的运行。所以在机组启动和低负荷时配了容量为50%额定给水流量的电动泵。[6]

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参考文献

[1] 王建国，孙灵芳，张利辉. 电厂热工过程自动控制［M］. 中国电力出版社.2009 [2] 罗万金.电厂热工过程自动调节［M］.中国电力出版社.1991

[3] 王志祥，朱祖淘. 热工控制设计简明手册［M］.水利电力出版社.1995 [4] 边立秀，周俊霞. 热工控制系统［M］.中国电力出版社.2002 [5] 文群英，潘汪杰. 热工自动控制系统［M］.中国电力出版社.2006 [6] 张子栋，王怀彬.

锅炉自动调节［M］.哈尔滨工业大学出版社.1994

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