600MW超临界机组低压加热器水位控制系统设计

目录

一摘要 (2)

二关键字 (3)

三设计要求 (4)

四低压加热器系统相关介绍 (6)

4.1 低压加热器 (6)

4.2 低加控制系统 (10)

五设计思路 (14)

六低加控制系统框图 (15)

七主要仪表选型 (16)

7.1 变送器 (16)

7.2 控制器 (17)

7.3 执行器 (19)

7.4 显示器 (19)

八附图 (20)

九总结 (24)

十致谢 (25)

十一参考文献 (26)

教师批阅：一摘要

现在大中型汽轮机都采用抽气回热循环，采取在不同

压力下从汽轮机中抽取一部分已部分做功的蒸汽引至会惹加

热器中加热给水，提高水的温度，减少了汽轮机排往凝汽器

中的蒸汽量，降低了能源损失，提高了热力系统的循环效率。

本次设计任务是完成对600MW超临界机组低压加热器水位控制

系统设计。本设计根据低压加热器水位控制相关要求，结合热工

控制仪表相关知识对低压加热器水位控制系统进行设计，基本达

到了设计任务书相关要求。

教师批阅：二关键词

低压加热器控制系统水位测量

教师批阅：三设计要求

600MW超临界机组低压加热器水位控制系统设计

课题内容与要求

1.针对机组运行要求，利用所学知识，设计低压加热器水位控

制系统的总体方案。内容包括：合理选择传感器、变送器、

调节器和执行器等。并根据自己方案编写主要模块的组态，

实现对低压加热器水位的控制。该控制系统要求的功能：

1)维持低压加热器水位为要求值，并实现保护调节功

能；

2)能显示低压加热器水位测量值；

3)能记录低压加热器水位测量值；

4)能显示和记录执行器阀位值；

5)可在线设置或修改参数和组态，实现控制功能。

2.设计内容：

1)选择传感器，执行器、调节器等，设计总体方案；

2)画出系统框图及接线图；

3)设计调节器组态；

4)设计模拟量输出/输入通道；

5)画出控制系统SAMA图；

6)撰写设计说明书，要求字迹清楚，图表规范。

已知技术条件与参数

系统误差：满足控制指标要求

使用环境：温度：传感器-30℃～＋80℃，

变送器执行器：-30℃～＋80℃，

教师批阅：调节器记录显示仪表：0℃～40℃，相对湿度：≤90%

电源：交流220V(＋10%、－15%)，50Hz

课题完成后应提交的文件（设计说明书、图表、图纸）

（1）总体方案

（2）接线图

（3）组态图、SAMA图

（4）设计说明书

教师批阅: 四低压加热器系统相关介绍

4.1低压加热器

在回热系统中，一般将除氧器和凝汽器之间的加热器之间称

为低压加热器，加热器的换热面一般用黄铜管或无缝钢管制成的

直管束或U形管束组成。低压加热器与高压加热器的基本结构相

同，主要区别在于没有过热蒸汽冷却区，只有凝结段和疏冷段。

因其压力较低，故其结构比高加简单一些，管板和壳体的厚度也

薄一些。管材均采用不锈钢材料，在所有加热器的疏水、蒸汽进

口设有保护管子的不锈钢缓冲挡板。低压加热器结构见图4－1。

其中7A号和8A号低压加热器合并而成一个同壳加热器安装

在高压凝汽器的颈部，7B号和8B号低压加热器合并而成一个同

壳加热器安装在低压凝汽器的颈部，该低压加热器由壳体、管系、

水室等部分组成，低压加热器壳体内设有一垂直的大分隔板将低

压加热器分隔为左右互不相通的两个腔室，7A/B号、8A/B号低

压加热器的管系就分别装在这两个腔室内。管系分别由支撑板支

撑，并引导蒸汽沿管系流动，各管系内的疏水冷却段由包壳密封，

以保证疏水畅通流动，凝结水从8号低加水室进口进入管系进行

加热后，流入出口水室，在水室转向后进入7号低加管系，经7

号低加管系的升温后再进入水室，最后从水侧出口管离开低压加

热器到上一级低压加热器。图4－2为7号、8号同壳加热器侧视

图。

15

1314

12

11

10

9

8

76

5

4

3

2

1

1、凝结水入口

2、人孔

3、给水出口

4、事故疏水、

5、水室

6、管板

7、蒸汽入口

8、防冲板

9、凝结段 10、管束 11、上级疏水入口、12、管子支撑板 13、疏水段 14、疏水冷却段密封件 15、疏水出口

图4－1低压加热器的结构

2

3

4

5

6

1

7

8

9

10

11

1213

15

14

1、8号低加

2、8号低加疏水出口

3、凝结水进口

4、8号低加抽空气出口

5、8号低加蒸汽进口

6、8号低加汽侧放气门

7、8号低加汽侧放水门

8、7号低加

9、7号低加疏水出口 10、7号低加抽空气口 11、凝结水出口 12、7

教师批阅:

教师批阅: 号低加蒸汽进口13、7号低加汽侧放气门14、7号低加汽侧放

水门15、中间隔板

图4－2 7号、8号同壳加热器侧视图

图4－3 低压加热器系统图

教师批阅: 装设在凝汽器颈部是因为该两段抽汽流量大，压力低，蒸汽

的比容很大，如果加热器布置在凝汽器外面，需要引出很大的抽

汽管，在管道布置、保温层的铺设、安装上都存在难度，而布置

在凝汽器喉部，则可节省空间、利于布置。同时由于以上原因且

蒸汽压力较低，该两段抽汽出口没装逆止阀和截止阀，为防止蒸

汽倒入汽机，在加热器蒸汽入口设有防闪蒸的挡板，当汽机跳闸

时，可防止过多的蒸汽倒入汽轮机。

凝结水旁路采用大小旁路相结合的方式：其中5号、6号低压

加热器采用小旁路，5号、6号低压加热器可单独解列；合体低压

加热器（7A号、8A号）与合体低压加热器（7B号、8B号）共

用一个大旁路，7A号、8A号或7B号、8B号合体低压加热器能

单独解列。

低压加热器正常疏水采用逐级自流的方式，即5号低压加热

器疏水流到6号低压加热器，然后进入7号低压加热器，再进入

8号低压加热器，最后疏水经8号低压加热器进入凝汽器。

每个低压加热器均设置事故疏水管路，在事故情况或低负荷

工况时，疏水可直接进入凝汽器。图4－3为低压加热器系统。

每个低压加热器配有2个双室平衡容器，低压加热器水位的

变化由平衡容器输出，经差压变送器转变为4～20mA的电信号进

DCS，在操作台显示出低压加热器的实时液位，并且由DCS控制

低压加热器疏水调节阀的开度，以控制低压加热器的水位在正常

的水位波动范围内。

另外，每个低压加热器配一个磁翻板就地液位显示器，此类

磁式液位显示器的测量筒内装有磁浮球，测量筒通过上、下平衡

连通管与低加相连，磁浮球随被测容器内液面的变化而上、下浮

动，吸引显示支架内的磁式翻板翻转，红色一面翻出表示有液位，

红色面的上边缘指示液位，明亮金属色翻出表示无液位。在磁式

液位显示器的适当位置配有数个磁动开关，可作为低加水位的远

传联锁和报警信号用。图4－4为低加磁翻板式液位计、平衡容器

教师批阅: 连接示意图。

图4－4低加磁翻板式液位计、平衡容器连接示意图

4.2低加水位控制系统

4.2.1 概述

机组一般配备四级共六台串/并联工作（7#A、8#A串联组与

7#B、8#B串联组并联）的低压加热器系统。

其乏汽凝结水正常情况下通过各级低加正常疏水阀逐级疏

放。即5#疏至6#，6#疏至7#A 和7#B，7#A疏至8#A，7#B疏至

8#B，8#A疏至低背压凝汽器A，8#B疏至高背压凝汽器B。

故障情况下，关闭故障低加正常疏水阀，打开故障低加事故

疏水阀，5#、6#、7#A、8#A向凝汽器疏水扩容器I（低背压凝汽

器侧）紧急疏水；7#B、8#B向凝汽器疏水扩容器II（高背压凝

汽器侧）紧急疏水

教师批阅: 4.2.2 5#/7#A/7#B/8#A/8#B低加水位正常疏水阀调节系统

5#/7#A/7#B/8#A/8#B低加水位正常疏水阀控制设计为相互

独立、结构完全相同的五套单回路PID调节系统。它们均以调整

低加正常疏水阀开度，以改变向下一级低加疏水流量为手段，保

证该级低加水位为要求值。

低加水位为系统的被调量。其设定值是低加水位正常疏水阀

控制站SP口提供的。系统在手动态时，SP口跟踪低加水位实际

值；自动态时， SP口切换为运行设定态，低加水位设定值可在

操作画面上设定或修改。

系统被调量（PV）与目标值（SP）求差， PID运算，输出

低加正常疏水阀调节指令。

当下一级低加水位（对于8#A为低背压凝汽器A水位，8#B

为高背压凝汽器B水位）高II值时，本级低加控制站输出按设定

速率跟踪全关；

当低加正常疏水阀控制站为手动时，或下一级水位高II值

时，回路PID输出跟踪本级低加正常疏水阀控制站输出指令。因

此，系统自/手动状态始终一致，从而保证了自/手动状态的无扰

动切换。

当下列任一条件发生时，低加正常疏水阀控制站强制为手动：

——低加水位信号输入故障；

——低加水位调节故障报警；

——低加正常疏水阀控制站输出故障报警；

4.2.3 6#低加水位正常疏水阀调节系统

正常情况下6#低加乏汽凝结水同时疏至低加7#A 和7#B。因

此，6#低加水位正常疏水阀调节回路设计为单PID调节、双阀门

平衡驱动控制系统。它分别调整至6#A 和6#B低加正常疏水阀开

度，从而改变向7#A 和7#B低加疏水流量，保证6#低加水位为要

教师批阅: 求值。

6#低加水位为系统的被调量。其目标值是由6#低加A- M/A

站SP口提供的。系统在手动态（6#低加A/B- M/A站均为手动）

时，SP口跟踪6#低加水位测量值；当系统在自动态（6#低加A/B-

M/A站至少有一台为自动）时，SP口定值切换为运行设定态，运

行可根据工况需要在操作画面上设定或调整6#低加水位目标值。

系统被调量（PV）与目标值（SP）求差， PID运算，输出

6#低加疏水阀A/B调节指令。

由于调节输出同时控制6#低加疏水阀A、B，在6#低加疏水

阀A、B控制站均为自动时，运行根据需要在6#低加疏水阀B控

制站的SP口，可设定两台6#低加疏水阀开度的偏置。

系统在手动态时，6#低加水位PID调节输出跟踪6#低加水位

A/B- M/A站输出指令之均值，确保了系统实现无扰动自/手动状

态切换。

当7#A低加水位高II值时，6#低加水位A - M/A站置手动，

且输出按设定速率跟踪全关。此时若6#低加水位B - M/A站在自

动态，可通过控制站偏置量跟踪和系统PID调节完成6#低加水位

A - M/A站负荷向的

B - M/A站转移。

当7#B低加水位高II值时，6#低加水位B - M/A站置手动，

且输出按设定速率跟踪全关。此时若6#低加水位A - M/A站在自

动态，可通过控制站偏置量跟踪和系统PID调节完成6#低加水位

B - M/A站负荷向A - M/A站转移。

当下列任一条件发生时，6#低加正常疏水A阀控制站强制为

手动：

——6#低加水位信号输入故障；

——6#低加水位调节故障报警；

——6#低加正常疏水A阀控制站输出故障报警；

——7#A低加水位高II值时。

教师批阅: 当下列任一条件发生时，6#低加正常疏水B阀控制站强制为

手动：

——6#低加水位信号输入故障；

——6#低加水位调节故障报警；

——6#低加正常疏水B阀控制站输出故障报警；

——7#B低加水位高II值时。

4.2.4 5#/6#/7#A/7#B/8#A/8#B低加水位事故疏水阀调节系统

5#/6#/7#A/7#B/8#A/8#B低加水位事故疏水阀控制设计为相

互独立、结构完全相同的六套单回路PID调节系统。它们均是在

该级低加水位控制事故状态下，调整低加事故疏水阀开度，改变

向凝汽器疏水扩容器疏水流量，保证该级低加水位为要求值。

低加水位为系统的被调量。事故疏水设定值是低加水位事故

疏水阀控制站SP口提供的。系统在手动态时，SP口跟踪低加水

位正向40MM偏置值；自动态时， SP口切换为运行设定态，低加

事故疏水水位设定值可在操作画面上设定或修改。但其设定下限，

受低加正常疏水阀控制系统水位设定值的适配限制。

系统被调量（PV）与目标值（SP）求差， PID运算，输出

低加事故疏水阀调节指令。

当本级或下一级低加水位（对于8#A为低背压凝汽器A水位，

8#B为高背压凝汽器B水位）高II值时，本级低加事故疏水控制

站输出按设定速率跟踪全开；

当低加事故疏水阀控制站为手动时，或本级或下一级（对于

6#低加为7#A或7#B）水位高II值时，回路PID输出跟踪本级低

加事故疏水阀控制站输出指令。因此，系统自/手动状态始终一致，

从而保证了自/手动状态的无扰动切换。

当下列任一条件发生时，低加事故疏水阀控制站强制为手动：

——低加水位信号输入故障；

——低加事故疏水阀控制站输出故障报警；

教师批阅: 五设计思路

根据设计要求，此控制系统采用投入式液位变送器将低加水

位转换成相应的统一标准信号（4~20mA)，该信号送到控制器与

给定值相比较。控制器按照比较后得出的偏差，以一定的控制规

律发出控制信号，控制执行器的动作，改变水位高低，直至水位

值与给定值相等。显示器接收变送器输出信号经相关处理后输出

低加液位。同时，变送器输出还送到报警控制器。

六 低加控制系统框图

根据任务要求，该设计主要有三个功能：水位控制、水位显示、水位报警。由此可得控制系统框图如下：

图6-1 低加控制系统框图

教师批阅:

低加液位 变送器 PID 控制器

电机 显示器

报警控制

报警器

给定值

教师批阅:七主要仪表选型

7.1变送器：此设计中变送器的任务是将液位转换成相对应的标

准电信号（4~20mA DC）。

根据相关环境条件可选择24VDCCBM-2100/CBM-2700投入式

液位变送器。静压投入式液位变送器（液位计）适用于石油化

工、冶金、电力、制药、供排水、环保等系统和行业的各种

介质的液位测量。精巧的结构，简单的调校和灵活的安装方

式为用户轻松地使用提供了方便。4～20mA DC、0～5v DC、

0～10mA DC等标准信号输出方式由用户根据需要任选。这

里选择4～20mA DC.

当液位变送器投入到被测液体中某一深度时，传感器迎

液面受到的压力公式为：Ρ = ρ .g.H + Po式中：

P ：变送器迎液面所受压力

ρ：被测液体密度

g ：当地重力加速度

Po ：液面上大气压

H ：变送器投入液体的深度

同时，通过导气不锈钢将液体的压力引入到传感器的正

压腔，再将液面上的大气压Po 与传感器的负压腔相连，以

抵消传感器背面的Po ，使传感器测得压力为：ρ .g.H ，显

然, 通过测取压力P ，可以得到液位深度。

主要技术特点：

1.稳定性好，满度、零位长期稳定性可达 0.１%FS/ 年。

在补偿温度 0 ～70 ℃范围内，温度飘移低于 0.１%FS ，

在整个允许工作温度范围内低于 0.３%FS 。

2.具有反向保护、限流保护电路，在安装时正负极接反不

会损坏变送器，异常时送器会自动限流在 35mA 以内。

3.固态结构，无可动部件，高可靠性，使用寿命长。

4.安装方便、结构简单、经济耐用。

5.工艺: 扩散硅 陶瓷电容 蓝宝石 电容任选。分体式一体式可选。

6.供电：24v DC 。

7.2控制器

控制器将来自变送器的测量值与给定值相比较后产生的偏差进行PID 运算，并输出统一标准信号，去执行执行机构的动作，以实现对低压加热器水位的自动控制。

()s

K T

s T K s

F

T

s FT F

K s W D

D I I D I P ++++

=1111

式中: F ——控制器变量之间的相互干扰系数； F K P ——考虑相互干扰系数后的实际比例增益 ； I FT ——考虑相互干扰系数后的实际积分时间；

F T D

——考虑相互干扰系数后的实际微分时间 ；

I K ——积分增益； D K ——微分增益。

PID 控制既有比例作用的及时迅速，又有积分作用的消除余差能力，还有微分作用的超前控制功能。当偏差阶跃出现时，微分立即大幅度动作，抑制偏差的这种跃变；比例也同时起消除偏差的作用，使偏差幅度减小，由于比例作用是持久和起主要作用 的控制规律，因此可使系统比较稳定；而积分作用慢慢把余差克服。只要三个作用的控制参数选择得当，便可充分发挥三种控制规律的优点，得到较为理想的控制效果。因此，选具有PID 参数自整定功能的可编程序调节器KMM211。

教师批阅:

7.3执行器：根据能源、介质的工艺要求、安全、控制系统的精度等级、经济效益和现场情况等因素进行综合考虑，因此选择角行程电动执行机构。其工作原理如下：

伺服放大器将输入信号I

i 和反馈信号I

f

相比较，所得差值信

号经放大后，驱使两相伺服电机转动，带动输出轴改变转角θ。

若差值为正，伺服电机正转，输出轴转角增大；当差值为负时，

伺服电机反转，输出转角减小。输出转角与输入信号I

i

关系为：

θ=KI

i

式中K为比例系数。其中还设有自动操作和手动操作的相互切换。

当操作器的的切换开环切向“手动”时，有正反操作按钮直接控

制电机电源，以实现执行器的输出为正转和反转。执行机构是接

受伺服放大器或操作器的输出信号，是执行其输出?0～?

90。其

原理框图如下：

图7-1 执行器结构图

7.4显示器:在机组运行过程中，不仅要求整个控制回路保持很好

的工作状态，而且还要求它的显示仪表能安全稳定显示。因此，

所选显示仪表不但要精度等级高，还要工作性能好，有时为了安

全起见还会装多个仪表。所以，选择精密数字压力计作为

显示仪表，精度等级为0.5级，外接电源220V,50Hz。

教师批阅：

教师批阅：八附图

8．1控制系统接线图

图8-1控制系统接线图

8．2调节器的组态图

教师批阅：图8-2调节器的组态图