200MW锅炉给水DCS控制系统设计概述.docx

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200MW锅炉给水DCS控制系统设计概述

第1章绪论

1.1课题的背景与意义

给水全程控制系统是火力发电厂单元机组协调控制中的主要子系统之一，其可靠运行直接关系到整个安全系统的安全问题。

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。

维持汽保水位在一定允许范围内，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，使过热器过热器管壁和汽轮机叶片结构。

严重时，会导致蒸气带水，造成汽轮机水冲击而损坏设备。

水位过低会破坏水循环，严重时将引起水冷壁管道破裂。

此及时而准确地把水位控制在允许的范围之内，并能适应各种工况的运行，是保证机炉安全运行的重要条件。

1.1.1锅炉给水控制的任务

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，同时保持稳定的给水流量。

具体要求：

（1）维持汽包水位在规定的范围内。

（2）保持稳定的给水流量。

1.1.2动态特性分析

汽包水位是由汽包中储水量和水下面的汽包容积决定的，因此凡是引起汽包中储水量变化和水下面的汽包容积的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。

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

图给水流量阶跃扰动下水位响应曲线

当给水流量阶跃增加△W后，水位H的变化如图曲线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，但由于给谁温度低于汽包内饱和水的温度，给谁吸收了原有饱和水中的部分热量使水面下汽包容积减少，实际水位响应曲线可视为H1和H2两条曲线叠加而成，所以扰动初期水位不会立即增高，当水面下汽包容积的变化逐渐平衡，水位就反映出由于汽包中储水量的增加而逐渐上升的趋势，最后当水面下汽包容积不再变化时，由于进、出工质流量不平衡，水位将以一定的速度直线上升。

这种特性可有下列近似传递函数表示：

由此可见，随着锅炉容量的增大和参数的提高，水位内扰特性的迟延时间减少，响应速度也略有下降，对水位H的控制是有利的。

但按锅炉容量的增大来计算响应速度，则得到的相对速度逐渐增大，说明随着锅炉容量和参数的提高，对水位H控制的要求也越高。

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扰动水位变化的阶跃响应曲线如图。

当蒸汽流量突然阶跃增大时，从而使水位升高，因蒸发强度的增加是有一定限度的，故汽包容积增大而引发的水位变化可用惯性环节特性俩描述，如图中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形式：

当负荷突然增加时，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，反之亦然。

这种现象成为“虚假水位”现象。

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

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，这是水位就随负荷增大而下降，呈无自平衡特性。

蒸汽流量扰动下的水位响应特性可用下属近似传递函数表示：

图蒸汽流量阶跃扰动下水位响应曲线

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加，从而使锅炉蒸发量增大，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包容积增大，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，由图可看出，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，因而使汽包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，如图虚线所示，这就导致迟延时间较长。

图燃烧量扰动下的水位特性

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。

上述四种扰动在锅炉运行中可能经常发生，给水流量扰动作为内部扰动，汽包水位对其影响的动态参数（

）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的变化时产生“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的根本原因。

1.2给水控制系统中需要注意的问题

1.2.1对测量信号进行压力温度校正

锅炉从启动到正常运行或是从正常运行到停炉的过程中，蒸汽参数和负荷在很大的范围内变化，这就使水位、给水流量和蒸汽流量测量信号的准确性受到影响。

为了实现全程自动控制，要求这些测量信号能够自动地进行压力、温度校正。

测量信号自动校正的基本方法是，先推导出被测参数随温度、压力变化的数学模型，然后利用各种元件构成运算电路进行运算，便可实现自动校正。

按参数变化范围和要求的校正精度不同，可建立不同的数学模型，因而可设计出不同的自动校正方案。

如，在锅炉启停过程中，汽压变化很大，汽包水位不仅与平衡容器式水位计测得的差压有关，同时还是主汽压力的函数，因此需要设计用主汽压力对水位差压进行校正的线路。

同样，主汽温度和压力在全过程中变化也很大，需要对主蒸汽流量进行校正。

过热蒸汽流量信号的压力、温度校正

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。

可以按下列公式进行校正

图1-1给水流量信号的温度校正

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范围内变化时，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，其校正回路如图所示。

若给水温度变化不大，则不必对给水流量测量信号进行校正。

图1-2给水流量的温度校正

A．单室平衡容器水位测量

图1-3单室平衡容器水位测量

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。

B．单室平衡容器水位测量校正

采用电气校正回路进行压力校正。

就是在水位差压变送器后引入校正回路，图表示单容平衡容器的测量系统。

图1-4单室平衡容器水位测量校正

1.2.2保证给水泵工作在安全工作区内

给水泵的安全工作区如图所示。

图中阴影区由泵的上、下限特性、最高转速nmax和最低转速nmin，泵出口最高压力Pmax和最低压力Pmin，泵出口最高压力Pmax和最低低压力Pmin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，在锅炉负荷很低时，必须打开再循环门，以增加通过泵的流量。

这样，在所需的相同的泵出口压力条件下，可使泵进入上限特性右边的安全区工作，泵工作点由a1移到b1点

由于给水泵有最低转速nmin的要求，在给水泵已接近nmin时就不能以继续降低转速的方式来调节给水量。

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，增加了全程给水自动控制系统的复杂性。

在锅炉负荷升到一定程度，即泵流量较大时，为了不使泵在下限特性右边区域工作，也需适当提高上水通道阻力，以使泵出口压力提高，这样给水调节门又保证了泵在下限特性左边安全区工作。

如图泵工作点由a2移至b2。

图1-5给水泵工作参数特性

1.2.3保证控制系统切换应该是安全无扰的

由于机组在高、低负荷下呈现不同的对象特性，要求控制系统能适应这样的特性。

即随着负荷的变化，系统要从单冲量过渡到三冲量系统，或从三冲量过渡到单冲量系统，由此产生了系统的切换问题，并且必须有两套系统相互无扰切换的控制线路。

在多种调节机构的复杂切换过程中，给水全程控制系统都必须保证无干扰。

高低负荷需用不同的调节阀门，必须解决切换问题，调节阀门的切换伴随着有关截止门的切换，而截止门的切换过程需要一定的时间，导致了水位保持的困难。

在低负荷时采用改变阀门的开度来保持泵的出口压力，高负荷时用改变调速泵的转速保持水位，这又产生了阀门与调速泵间的过渡切换问题。

点火后，在升温升压过程中，由于锅炉没有输出蒸汽量，给水量及其变化量都很小，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，系统都必须有相应的安全可靠的系统，保证给水泵工作在安全工作区内。

由于全程控制系统的工作范围较宽，对各个信号的准确测量提出了更严格的要求。

例如，在高低负荷不同工况下，给水流量a的数值相差很大，必须采用不同的孔板进行测量，这样就产生了给水流量测量装置的切换问题.

1.2.4适应工况

适应机组过渡运行与滑压运行工况，必须适应冷态启动和热态启动工况。

第2章汽包锅炉给水的控制方式

在锅炉给水控制系统中，由于机组在高低负荷下运行时具有不同的对象特性，一般控制系统采用单冲量、三冲量控制等变结构控制方案。

它有单冲量和三冲量两个调节回路组成全程给水控制，当负荷大于30%时为三冲量，当负荷小于30%或启停或三冲量变送器故障时为单冲量。

给水泵出口设计了两个调节阀，目的是在锅炉启动过程中得到一个平滑的流量调节过程，给水控制方式如图2-1所示设计为全程自动控制。

图2-1全程自动控制

2.1单冲量控制

启动阶段当蒸汽流量小于30%额定流量时，采用单冲量控制，启动副给水控制器PID1对设定值和水位测量值进行PI运算，自动控制指令由软手操控制器输出，去控制副给水调节阀LC1106b的开度，改进进入汽包的给水，最终使水位等于给定值。

当运行工况和设备发生异常时，软手操控制器1强制为手动控制，同时把状态信号DV发送给副给水控制器PID1,退出自动状态，以保证锅炉安全运行。

2.2三冲量控制

负荷继续升高后，仅用PID这个单冲量调节器，已难以改善调节品质，当负荷（蒸汽流量）大于30%以后，将采用三冲量控制方案。

PID调节器3（又称为主给水流量调节器）接受给水流量FT1101反馈信号，当给水流量因为扰动而发生波动时，该调节器会快速地调节主给水调节阀的开度，有效克服给水波动。

用蒸汽流量信号作为主给水流量调节器PID3的设定值的一部分（前馈），是为了使进入锅炉的给水量与流出锅炉的蒸汽量随时保持平衡。

（不严格地讲，只要能保持两者平衡，就能保持水位不变），这样就可以有效地客服虚假水位对调节品质的影响，为了使水位保持在定值上，PID调节器2（称为三冲量水位调节器）将对水位与其定值的偏差进行PI运算，其输出成为给水量设定值的另一部分（串级）。

PI调节器2最终将水位维持在设定值。

同样当运行工况或设备发生异常时，软手操控制器2强制为手动控制，同事把状态信号DV发送给汽包水位三冲量控制器PID2和PID3，退出自动状态，以保证锅炉安全运行。

第3章DCS的应用

DCS是分散控制系统（DistributedControlSystem）的简称，国内一般称为集散控制系统。

它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机（Computer）,通讯（Communication），显示（CRT）和控制（Control）等4C技术，其基本思想是分散控制，集中操作，分级管理，配置灵活，组态方便。

按图3-1的逻辑控制方案，DCS的算法逻辑控制组态如下：

3.1单冲量控制算法组态：

图3-1

图3-1中，LT1106A/B/C是经过压力补偿的三个汽包水位值，三取中是判断三个水位值品质的好坏，可取中，高选，低选，平均或三个水位值中的一个，一阶惯性是起滤波作用，并使得输出对输入有反馈作用，以得到一个有效的水位测量值LT1106PV。

LT1106SP1是水位给定值，LT1106B是副给水调节阀阀位控制信号。

手操器1中：

RM是工作状态信号，“0”是自动，“1”是手动，数据类型为位类型；FM值是强制手动开关信号，为“1”时把手操器强制由自动变为手动。

PID1中：

DA值是偏差报警位，RM值是工作状态信号，“0”是手动，“1”是自动，“2”是串级，“3”是手动跟踪，数据类型也是位类型。

类型转换器1是把手操器1中的RM值由位类型转换为浮点型，以便于下面的比较器和1.000比较输出，供信号选择器1和2判断输出；类型转换器2是把PID1中的RM值由浮点型转换为位类型，以供PID1识别工作方式。

信号选择器1和2中：

当IG=0时，AV=I1；当IG=1时，AV=I2。

偏差报警和副值报警分别是对汽包水位的给定和测量，阀位的控制和反馈以及汽包的水位值是否异常作出判断并报警输出。

3.2三冲量控制算法组态

图3-2

图3-2中FT1101是主给水流量，FT1101PV是一阶惯性后的给水流量测量值，FT1108AM是经过温压补偿后的主蒸气流量，LC1106A是主给水调节阀控制信号，LZ1106A是阀位反馈信号。

PID2中输入信号OC是对控制量进行补偿，即如果OC端有输入信号，则控制量要加上OC端的值（前馈控制）。

其他功能块的作用详见图

（2）中的说明。

组态完毕，进行PID参数整定，一般是按照工程经验先用实验方法设定，然后在实际运行中加以调整和完善。

注意在做定值扰动实验时，三冲量控制要先整定PID3参数，后整定PID2参数，调节品质一般是衰减率0.75~0.9。

我厂现PID参数整定如下：

PID调节作用

PID1600100反

PID280400反

PID316030反

第4章传感器的选型及系统图

4.1传感器的选型

4、仪表的选用

本次课程设计所用的仪表可分为四大类。

下面就具体的类型做具体介绍。

4.1检测类仪表

检测类仪表是对所要控制的点的具体位置的进行检测，以便为其他类仪表提供数据支持以便于做具体控制。

本次设计用到了压力，液位，流量等检测仪表。

4.1.1压力仪表的选型

ST3000-S900系列STD940压力变送器标准型

测量范围：

3403~3430KPa

STD960压力变送器标准型

测量范围：

686~13700KPa

4.1.2液位仪表的选型

SBUT外浮筒液位变送器

主要技术参数：

输出:

4~20mADC二线制;

精度:

-1.0%~+1.0%FS;

电源:

24VDC;

测量液比重:

0.5~1.5;

温度范围:

-25

~80

;

4.1.3流量仪表的选型

SBLB靶式流量变送器

主要技术参数：

输出:

4-20mADC二线制;

精度:

-0.5~0.5%（挂重）-1~1.0%（水标定）;

电源:

24VDC;

温度范围:

-25

~+80

电源电压:

24VDC;

安装方式:

轨道式，轨道宽度35mm;

4.2节阀的选型

流量调节阀

电子式电动单座小型调节阀

型号：

ZDLJp-16B;

压力调节阀

双座调节阀

型号：

ZKZN-64;

4.2I/O点清单

表4-1

序号

位号

描述

I/O

类型

量程/ON描述

单位/OFF描述

1

FT1011

主蒸汽流量

AI

配电4~20mA

0~180

t/h

2

FT1021

主给水流量

AI

配电4~20mA

0~180

t/h

3

LT1016A

汽包液位

AI

配电4~20mA

-300~+300

mm

4

LT1106B

汽包液位

AI

配电4~20mA

-300~+300

mm

5

LT1106C

汽包液位

AI

配电4~20mA

-300~+300

mm

6

LC1106A

主给水调节阀阀位

AO

配电4~20mA

100%

7

LC1106B

副给水调节阀阀位

AO

配电4~20mA

100%

4.2汽包炉单元机组给水控制系统

图4-1给水热力系统图

4.3结论

综上所述，可见用DCS进行控制，由于系统功能完善，结构先进合理，综合性强，人际界面友好，自动化程度高，大大降低了操作者的劳动强度，而且由于其能耗小，扩展灵活，便于维护，安全可靠性高，极大地提高了企业的生产效率和经济效益。

参考文献

【1】北京和利时，Smatrpro系统使用手册

【2】盛伟，电厂热力设备及运行北京：

中国电力出版社，2007.

【3】刘玲，汽包锅炉给水调节系统单/三冲量切换方案

【4】李遵基。

热工自动控制系统北京中国电力出版社。

1997:

113-134

【5】胡寿松自动控制原理北京科技出版社2001:

214-266