1、鍋爐汽包水位測(cè)量系統(tǒng)綜述在火力發(fā)電廠，最基本的工藝過(guò)程是利用鍋爐產(chǎn)生蒸汽，使汽輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。鍋爐控制是火力發(fā)電生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的重要組成部分。將鍋爐汽包水位控制在一個(gè)允許范圍內(nèi)，是鍋爐安全運(yùn)行的一個(gè)重要指標(biāo)，也是鍋爐能提供符合質(zhì)量要求得蒸汽負(fù)荷的必要條件。如果汽包水位過(guò)低，則汽包內(nèi)的水量較少，當(dāng)蒸汽負(fù)荷很大時(shí)，水的汽化速度和水量變化速度都很快，如果不及時(shí)控制，可能使汽包內(nèi)的水全部汽化，導(dǎo)致鍋爐燒壞或爆炸；相反，當(dāng)水位過(guò)高則會(huì)影響汽包的水位分離，產(chǎn)生蒸汽帶液現(xiàn)象，使過(guò)熱器管壁結(jié)垢而損壞，影響運(yùn)行的安全性與經(jīng)濟(jì)性。心得體會(huì)本設(shè)計(jì)首先對(duì)電廠鍋爐汽包水位過(guò)程控制的任務(wù)進(jìn)行研究和討論。同時(shí)

2、，設(shè)計(jì)也需要在實(shí)踐中不斷改進(jìn)，不斷完善。在本設(shè)計(jì)中運(yùn)用了很多電子器件和自動(dòng)化器件，讓我認(rèn)識(shí)到了過(guò)程控制在 自動(dòng)化領(lǐng)域的重要性。在設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到了很多困難，同時(shí)也增長(zhǎng)了許多在課堂上沒(méi)學(xué)到的知識(shí)，使我大開(kāi)眼界。同時(shí)我也在自動(dòng)化的過(guò)程控制設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中學(xué)到了許多新的知識(shí)。結(jié)論汽包水位控制系統(tǒng)的組態(tài)設(shè)計(jì)以串級(jí)三沖量控制理論和單沖量控制理論為基礎(chǔ)，采用了三個(gè)比例積分調(diào)節(jié)器（串級(jí)三沖量系統(tǒng)的主副調(diào)節(jié)器、單沖量系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器），通過(guò)PI 參數(shù)的修正以及控制系統(tǒng)的無(wú)擾切換和可靠的跟蹤技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了低負(fù)荷時(shí)采用單沖量控制系統(tǒng)，高負(fù)荷時(shí)采用三沖量控制系統(tǒng)，并在特殊情況或按操作人員的要求切手動(dòng)的各方面要求。克服了給水系統(tǒng)

3、內(nèi)擾、外擾的影響，在“虛假水位”的情況下，能夠進(jìn)行可靠準(zhǔn)確的自動(dòng)調(diào)節(jié)。通過(guò)水位給定值根據(jù)負(fù)荷的自動(dòng)給定，使控制更合理更客觀，自動(dòng)化水平進(jìn)一步提高。 汽包水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.1 汽包水位控制系統(tǒng)基本要求汽包鍋爐給水自動(dòng)調(diào)節(jié)的主要任務(wù)是維持汽包水位在允許范圍內(nèi)變化。影響水位變化的主要因素有鍋爐的蒸發(fā)量、給水流量和燃燒率等。當(dāng)蒸汽流量突然增大時(shí)，由于汽包水位對(duì)象是無(wú)自平衡能力的，這時(shí)水位應(yīng)按積分規(guī)律下降。但是當(dāng)鍋爐蒸發(fā)量突然增加時(shí)，汽包水面下的汽泡容積也迅速增大，即鍋爐的蒸發(fā)強(qiáng)度增加，從而使水位升高。因蒸發(fā)強(qiáng)度的增加是有一定限度的，故汽泡容積增大而引起的水位變化是慣性環(huán)節(jié)的特性。實(shí)際水位變化的趨勢(shì)是

4、兩種特性的迭加。由此可以看出，當(dāng)鍋爐蒸汽負(fù)荷變化時(shí)，汽包水位的變化具有特殊的形式：在負(fù)荷突然增加時(shí)，雖然鍋爐的給水流量小于蒸發(fā)量，但開(kāi)始階段的水位不僅不下降，反而迅速上升（反之，當(dāng)負(fù)荷突然減小時(shí)，水位反而先下降），這種現(xiàn)象就是“虛假水位”現(xiàn)象。另外，給水流量和燃燒率擾動(dòng)由于水面下汽泡的原因，也能產(chǎn)生虛假水位，因此給水控制系統(tǒng)不能單單以汽包水位為被調(diào)量，為了減少或抵消虛假水位現(xiàn)象，就必須采用三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)。所謂三沖量，就是指汽包水位、蒸汽流量和給水流量。蒸汽流量和給水流量是引起水位變化的原因，蒸汽流量作為水位調(diào)節(jié)的前饋信號(hào)，當(dāng)蒸汽流量改變時(shí)，調(diào)節(jié)器立即動(dòng)作，相應(yīng)地改變給水流量，而當(dāng)給水流量自發(fā)地

5、變化時(shí)，調(diào)節(jié)器也立即動(dòng)作，使給水流量恢復(fù)到原來(lái)數(shù)值，這樣就有效控制了虛假水位的影響。給水控制是串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，主調(diào)節(jié)器接受水位信號(hào)，對(duì)水位起校正作用，是細(xì)調(diào)；其輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定值，副調(diào)節(jié)器的被調(diào)量是給水流量，目的是快速消除來(lái)自水側(cè)的擾動(dòng)。為了提高給水控制系統(tǒng)的可靠性，汽包水位測(cè)量使用了三個(gè)變送器。三個(gè)經(jīng)壓力校正后的汽包水位信號(hào)取中間值，作為控制系統(tǒng)的被調(diào)量，當(dāng)水位測(cè)量信號(hào)平均值超過(guò)±300mm，而且任意兩個(gè)水位測(cè)量信號(hào)越限±280mm 時(shí)，發(fā)出汽包水位MFT信號(hào)。當(dāng)給水溫度不變，而壓力在某個(gè)范圍變化時(shí)，給水流量的測(cè)量誤差很小，若給水壓力不變，給水溫度在某個(gè)范圍內(nèi)變化時(shí)，

6、給水流量的測(cè)量誤差較大，所以對(duì)給水流量信號(hào)只采取溫度校正。蒸汽流量采用汽機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)壓力的測(cè)量來(lái)表示，調(diào)節(jié)級(jí)壓力經(jīng)過(guò)溫度修正后，可近似代表蒸汽流量測(cè)量值。如果采用標(biāo)準(zhǔn)噴嘴測(cè)量蒸汽流量，一方面在高溫高壓下節(jié)流噴嘴容易磨損，檢修維護(hù)也困難，測(cè)量誤差較大，另一方面節(jié)流損失也大，一般不采用此種方法。當(dāng)用蒸汽流量轉(zhuǎn)換出負(fù)荷小于40%時(shí)，送至給水控制系統(tǒng)，切為三沖量調(diào)節(jié)汽包水位。1.2 三沖量控制系統(tǒng)三沖量控制系統(tǒng)的原理框圖如圖2所示，這個(gè)系統(tǒng)有三個(gè)回路，即為副回路，為主回路，為前饋回路，副回路的作用主要為快速消除內(nèi)擾，主回路用于校正水位偏差，而前饋通道則用于補(bǔ)償外擾，主要用于克服“虛假水位”現(xiàn)象。圖1： 三

7、沖量控制系統(tǒng)的原理框圖1.3 雙沖量控制系統(tǒng)在汽包水位控制中最主要的干擾是蒸汽負(fù)荷的變化，如果根據(jù)蒸汽流量的變化來(lái)校正虛假水位的誤動(dòng)作，就能使調(diào)節(jié)閥動(dòng)作準(zhǔn)確及時(shí)，減少水位的波動(dòng)，改善控制質(zhì)量1.4 單沖量控制系統(tǒng)在低負(fù)荷時(shí)（主汽流量D40%），系統(tǒng)設(shè)計(jì)為單沖量控制系統(tǒng)，其原理框圖如圖3所示圖2： 單沖量控制系統(tǒng)原理框圖在單沖量控制系統(tǒng)中對(duì)于內(nèi)擾給水量的變化，系統(tǒng)調(diào)節(jié)能夠消除內(nèi)擾的影響，但調(diào)節(jié)不及時(shí)，遲延時(shí)間長(zhǎng)。而對(duì)于克服外擾，由于“虛假水位”的存在，使系統(tǒng)調(diào)節(jié)超調(diào)量大，調(diào)門(mén)大幅變化，對(duì)系統(tǒng)的安全性不利。但是在起停機(jī)組過(guò)程中或在低負(fù)荷時(shí)（主汽流量D40%），由于蒸汽參數(shù)低，負(fù)荷變化小，“虛假水位

8、”現(xiàn)象不太嚴(yán)重，對(duì)于維持水位恒定的要求又不高，所以允許采用單沖量給水控制系統(tǒng)。在低負(fù)荷時(shí)，若采用各種自動(dòng)校正措施，則會(huì)使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，整定困難，同時(shí)仍然存在誤差。1.5 CFB鍋爐汽包水位過(guò)程特性圖3是鍋爐汽包的一個(gè)簡(jiǎn)單示意圖，水位控制的要求就是維持汽包內(nèi)水位在某個(gè)要求的范圍內(nèi)(一般要求穩(wěn)定工況在±30mm內(nèi)，特殊波動(dòng)在±50mm)。主要通過(guò)調(diào)節(jié)給水量來(lái)控制水位的穩(wěn)定。圖3 鍋爐汽包簡(jiǎn)單示意圖W鍋爐廢水 D產(chǎn)生的蒸汽W1爐膛下降水冷管 W2爐膛上升水冷管從質(zhì)量平衡的觀點(diǎn)來(lái)看，在調(diào)節(jié)過(guò)程中如能一直保證靜態(tài)平衡，給水量=蒸發(fā)量，即WD(質(zhì)量流量)，則水位就能一直維持在“0”位。

9、但實(shí)際系統(tǒng)是動(dòng)態(tài)的，給水壓力、主蒸汽壓力在調(diào)節(jié)中一直在不斷的變化，而且流量的溫壓補(bǔ)償通常也只是經(jīng)驗(yàn)的、近似的。因?yàn)橄到y(tǒng)太復(fù)雜，無(wú)法求得實(shí)時(shí)精確的給水及蒸汽質(zhì)量流量，所以我們通過(guò)汽包水位來(lái)間接地反映水系統(tǒng)的質(zhì)量平衡。 控制汽包水位在要求的值的一個(gè)首要條件是必須得到真實(shí)的汽包水位測(cè)量值。遺憾的是，汽包水位控制中存在著明顯的“虛假水位”現(xiàn)象。要設(shè)計(jì)滿(mǎn)意的控制器必須對(duì)其進(jìn)行深入分析。對(duì)于鍋爐汽包，負(fù)荷升高時(shí)，蒸汽流量D增大，導(dǎo)致汽包內(nèi)水蒸汽壓力突然降低，水的沸點(diǎn)也相應(yīng)降低，沸騰加劇，水面下氣泡容積增大，從而導(dǎo)致水位突然升高；另一方面，給水流量突然增加時(shí)，溫度較低的給水從原有的飽和汽水混合物中吸取一部分

10、熱量，使水面下氣泡容積減少，水位下降。這種在蒸汽流量或結(jié)水流量變化初期，汽包水位沿著相反方向變化的現(xiàn)象人們稱(chēng)之位“虛假水位”。從控制上來(lái)講，“虛假水位”實(shí)際上就是非最小相位系統(tǒng)。我們以蒸汽流量的增加對(duì)汽包的影響為例進(jìn)行分析。在給水不變的情況下，負(fù)荷提升，導(dǎo)致蒸汽流量增加，如果不考慮其它因素的影響，則汽包水位由于蒸汽流量大于給水流量而直線下降。如圖2曲線c所示；蒸汽量增大初期，因水中氣泡容積增大導(dǎo)致水位暫時(shí)先上升，由于氣泡容積只能增大到汽包壓力水平，故這種上升是有限的，一段時(shí)間后，汽包壓力就達(dá)到穩(wěn)定，水位也不再1緒論11選題背景及其意義隨著電力需求的增長(zhǎng)，我國(guó)的火力發(fā)電開(kāi)始向建設(shè)大容量、高參數(shù)的

11、大型機(jī)組方向發(fā)展。火電機(jī)組越大，其設(shè)備結(jié)構(gòu)就越復(fù)雜，自動(dòng)化程度要求也越高。我國(guó)最近幾年新建的350MW，600MW火電機(jī)組基本上都采用國(guó)內(nèi)外最先進(jìn)的分散控制系統(tǒng)(DCS)，對(duì)全廠各個(gè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行集中監(jiān)視和分散控制。汽包水位是汽包鍋爐非常重要的運(yùn)行參數(shù)，同時(shí)它還是衡量鍋爐汽水系統(tǒng)是否平衡的標(biāo)志。汽包水位維持在一定允許范圍內(nèi)，是保證鍋爐和汽輪機(jī)安全運(yùn)行的必要條件。水位過(guò)高會(huì)影響汽水分離器的正常運(yùn)行，蒸汽品質(zhì)變壞，使過(guò)熱器管壁和氣輪機(jī)葉片結(jié)垢。嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致蒸汽帶水，造成汽輪機(jī)水沖擊而損壞設(shè)備。水位過(guò)低則會(huì)破壞水循環(huán)，嚴(yán)重時(shí)將引起水冷壁管道變形爆裂【ll。因此，汽包水位控制一直受到很高的重視。另一方面

12、，隨著鍋爐參數(shù)的提高和容量的增大，汽包的相對(duì)容積減少，負(fù)荷變化和其他擾動(dòng)對(duì)水位的影響將相對(duì)增大。這必將加大水位控制的難度，從而對(duì)水位控制系統(tǒng)提出了更高的要求。但是，由于給水系統(tǒng)的復(fù)雜性，真正能實(shí)現(xiàn)全程給水控制火電機(jī)組還很少【2】。因此，對(duì)全程給水控制進(jìn)行優(yōu)化，增強(qiáng)給水系統(tǒng)的控制效果和適應(yīng)能力成為迫切需要的問(wèn)題。本課題以華能大連電廠二期機(jī)組為研究對(duì)象，以現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研為基礎(chǔ)，對(duì)大連電廠的全程給水控制投自動(dòng)困難且應(yīng)對(duì)事故情況能力不強(qiáng)的問(wèn)題提出了新的思考。并且針對(duì)這些問(wèn)題，以實(shí)現(xiàn)機(jī)組全程給水控制的高效、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行為目的，利用多變量解耦控制方法實(shí)現(xiàn)低負(fù)荷階段給水控制的優(yōu)化設(shè)計(jì)并且創(chuàng)新性的將協(xié)調(diào)控制方法應(yīng)用于給

13、水泵的控制中。當(dāng)前，電力行業(yè)正在進(jìn)行“廠網(wǎng)分離，競(jìng)價(jià)上網(wǎng)”的市場(chǎng)化改革，同時(shí)電網(wǎng)要求各大型機(jī)組的負(fù)荷能夠接受電網(wǎng)調(diào)度直接遙調(diào)(AGC)，這些對(duì)機(jī)組的運(yùn)行提出了更高的要求。完善和優(yōu)化全程給水控制無(wú)疑是一個(gè)非常具有現(xiàn)實(shí)意義的課題。目錄前言第1章 緒論1.1 鍋爐汽包水位測(cè)量的重要性1.2 鍋爐汽包水位測(cè)量的基本要求第2章 鍋爐汽包水位測(cè)量的對(duì)象特性2.1 概述2.2 鍋爐汽包水位測(cè)量對(duì)象的靜態(tài)特性2.3 鍋爐汽包水位測(cè)量對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性2.4 鍋爐汽包正常水位的確定第3章 鍋爐汽包水位測(cè)量的方法及誤差3.1 概述3.2 聯(lián)通管式鍋爐汽包水位計(jì)3.3 差壓式鍋爐汽包水位計(jì)3.4 鍋爐汽包水位測(cè)量系統(tǒng)誤差的評(píng)定第4章 當(dāng)前鍋爐汽包水位測(cè)量技術(shù)的進(jìn)展4.1 概述4.2 無(wú)盲區(qū)低偏差雙色水位計(jì)4.3 電極式測(cè)量裝置4.4 差壓式測(cè)量參比水柱引起誤差的減少技術(shù)4.5 “多測(cè)孔接管”技術(shù)第5章 鍋爐汽包水位測(cè)量系統(tǒng)的配置5.1 鍋爐汽包水位測(cè)量系統(tǒng)配置原則5.2 鍋爐汽包水位測(cè)量系統(tǒng)配置設(shè)計(jì)第6章 鍋爐汽包水位測(cè)量系統(tǒng)的安裝、調(diào)試和運(yùn)行維護(hù)6.1 概述6.2 鍋爐汽包水位測(cè)量系統(tǒng)的安裝6.3