火电厂给水控制系统仿真

第一章绪论

1.1课题的研究背景及意义

火力发电厂在我国电力工业中占有主要的地位，是我国的重点能源工业之一。大型火力发电具有效率高、投资省、自动化水平高等优点，在国内外发展快。随着电力需求的日益增长，以及能源和环保的要求，我国的火电建设开始向大容量、高参数的大型机组靠拢。但是，火电机组越大，其设备结构就越复杂，自动化程度也要求越高。

给水控制系统是火电厂非常重要的控制子系统。汽包水位是锅炉安全运行的重要参数，同时他还是衡量锅炉汽水系统物质是否平衡的标志。

随着机组容量的增大，运行参数的不断提高，对汽包水位的的控制品质要求也会越高，为了机组的安全、经济运行，需要采用设计更合理、功能更完善的控制系统，给水自动控制系统可以大大减轻人员的劳动强度，汽包水位的稳定性也得到极大的提高，保障了几组的安全、稳定运行。

为了实现电能生产的“高效‘洁净、经济、可靠、安全”的要求，火电厂汽轮机的参数经历了低压、中压、高压、超高压、亚临界和超临界参数的发张阶段，目前正向超临界参数的方向发展。

1.2国内外的发展状况

我国自上世纪80年代引进亚临界火电机组技术以来，虽在改进、优化和发展取得一定的经验，并使300MW、600MW的亚临界火电机组成为我国火力发电的主力机组，但这种亚临界机组依然存在重大问题，这已成为制约我国电力工业发展的瓶颈。因此，借鉴国际上最先进的技术，研究并发展600MW~1000MW超临界火电机组，是提高电机机组的热效率，实现节能降耗和改善环保状况的有效途径。

随着火电机组的参数的提高，水的饱和温度相应提高，气化潜热减少；当压力提高倒22.115MPa时，气化潜热为零，气和水的密度差也等于零，该压力成为临界压力。在临界点时，饱和水与饱和蒸汽之间不再有汽、水共存的两相区存在。当机组工作参数高于这一临界状态参数时，称之为超临界机组。对蒸汽动力装置

循环的理论分析表明，提高循环蒸汽的初始参数和降低循环的终结参数都可以提高循环的热效率。实际上，蒸汽动力装置的发展和进步一直都是沿着提高工作参数的方向进行的。超临界火电技术是目前唯一先进、成熟和达到商业化应用的洁净煤发电技术。随着火电机组容量的提高及参数的增加，机组在启停过程中需要坚实的参数及控制的项目越来越多。超临界机组锅炉给水控制系统是超临界机组控制系统中的重点和难点。我国火电机组的单容量不足20MW,平均供电煤耗达到399g（kw/h），比国外先进水平高70~80g(kw/h),高出25%以上，资源浪费严重，从而也加大了对大气的污染。因此，超临界机组锅炉给水控制系统的研究至关重要。近年来，我国通过研究超临界机组给水系统并建立了一些超临界火电机组给水系统的数学模型。

1.3本课题设计的内容

主要介绍火电厂给水控制系统的安全稳定运行、节能优化运行，最终实现一套比较完善的给水控制系统策略。结合火里发电厂单机组的控制系统，设计出锅炉给水控制系统的数学模型。汽包水位串级冲量非线性PID控制系统是针对锅炉汽包水位控制的特点，在串级控制中，内回路采用P控制以快速消除给水扰动，该控制策略结构和算法简单，相对于PI-P控制方案，该方案具有良好控制品质和较强的鲁棒性，可有效克服蒸汽流量扰动和给水量扰动。且在对象参数变化大时仍能获得稳定的调节。通过汽包水位串级冲量非线性PID控制系统完成锅炉给水控制系统的数学模型。

第二章锅炉的给水控制系统

2.1锅炉概述

锅炉由汽锅和炉子组成。炉子是指燃烧设备，为化石燃料的化学能转化成热能提供必备的燃烧空间。汽锅是为汽水循环和汽水吸热以及水汽分离提供必需的吸热和分离空间。

锅炉作为一种把煤、石油和天然气等化石燃料所储藏的化学能转化成水蒸气的热能的重要设备，长期以来在工业生产中占有重要地位。它已有两百多年的历史了，国外的锅炉控制工业在50~60年代发展很快，70年代达到高峰。我国的锅炉工业是在新中国成立后才建立和发展起来的，1953年上海首创了上海锅炉厂，再生产和生活中起着不同的作用。锅炉控制问题伴随着锅炉的出现也就相应的出现了，伴随着控制理论和控制技术的发展，锅炉自动化控制的水平也在逐步提高。随着计算机在控制中的应用以及此后计算机和通讯技术的迅猛发展，计算机逐步进入了锅炉控制领域。先进的控制理论和控制算法是过路的发展达到了一个新的高度。

从系统角度看，锅炉包括燃烧系统、:气温控制系统系统、给水控制系统和辅助控制系统。其结构如图2-1：

图1-1锅炉控制系统总图

锅炉汽包水位是锅炉安全运行的一个重要参数，水位过高会使水蒸气带水，

严重影响蒸汽品质，严重影响生产和安全；水位过低又将破坏部分水冷壁的水循环，引起水冷壁局部过热而损坏，尤其是大锅炉，一旦控制不当，容易使汽包满水或汽包内的水全部气化，造成重大事故。故锅炉汽包给水系统的任务是保证汽包水位在允许的范围内。

汽包水位是锅炉运行安全的重要参数，同时它还是衡量锅炉汽水系统物质是否平衡的标志。因此水位控制系统更是锅炉安全运行的重中之重。

随着锅炉参数的提高和容量的扩大，对给水控制提出了跟高的要求，其主要原因有：

（1）汽包的个数和体积减小，使汽包的蓄水量和蒸发面积减小，从而加快了汽包水位的变化速度；

（2）锅炉的容量的增大，显著提高了锅炉蒸发受热面的热负荷，使锅炉负荷对水位的影响加剧；

（3）提高了锅炉的工作压力，使给水调节阀和水管系统相应复杂，调节阀的流量特性更不易满足控制系统的要求。

2.2锅炉给水控制系统的主要设备

锅炉给水控制系统的设备包括：给水泵、给水调节器、汽包、管路、过热器、蒸汽管等。

2.3给水调节的任务

给水自动调节的主要任务是：

维持锅炉水位在运行的范围内，使锅炉的给水量适应于蒸发量。锅炉的水位是影响按全运行的重要因素。水位过高会影响汽水分离装置的正常工作，严重时会导致蒸汽带水增加，水过热器管壁和汽轮机叶片结垢，造成事故；对于锅炉工业蒸汽带水量过多，也要影响用户的某些工艺过程。水位过低，则会破坏汽水正常循环，以致烧坏受热面。水位过高或过低，都是不允许的。所以，正常运行时汽包水位应在给定值的 15mm上下范围波动。

水位控制系统主要指调节给水量，使蒸汽量达到一个可以使锅炉安全运行的控制量。锅炉给水调节的对象如图2.3，给水调节器控制给水量W，汽轮机耗气量D是由汽轮机控制器来控制的。

图2.3 给水调节对象

给水调节对象的动态特性是指汽包水位的变化与引起水位变化的各种因素之间的动态关系。汽包水位是指汽包中储水量和水面下汽包容积的综合反映。所以水位的变化不仅受汽包储水量变化的影响，而且还受汽水混合物中汽包容积变化的影响。从水位反映储水量来看，调节对象是一个无力自我平衡的对象，这是因为储水量的变化是由给水量和蒸发量一起的变化，而水位变化后不仅即不能影响给水流量，又不能影响蒸发量，所以水位调节对象是没有自动平衡能力的。影响汽包水位变化的因素有：蒸汽流动量D，给水量W，燃烧量M，汽包压力P等。

工业锅炉的汽包水位是正常运行的重要指标之一，水位过高，产生蒸汽带水，影响用气单位的正常运行。汽包水位过低，会影响过路的汽水自然循环，如不及时调节，就会使汽包里的水全部气化，造成锅炉爆炸。因此，锅炉运行中，保持汽包水位在一定范围内是十分重要的自动控制问题。

影响汽包水位变化的因素很多，主要有燃烧量、给水量和蒸汽流动量。燃烧量对水位的变化影响较缓慢，比较容易克服。给水量和蒸汽流动量对水位的影响比较重要。

给水调节对象的动态特性是指各种扰动下汽包水位随时间变化的特性。当扰动位阶跃扰动时，对象的动态特性称为阶跃相应曲线。

2.3.1给水量扰动下的给水量动态特性

在给水量W 的阶跃扰动下，水位H 的相响应曲线如图2.3-1，如果把汽包及水循环系统当做水槽，水位的响应曲线应如图中的直线H 1,当给水温度低于汽包内的饱和水温度，给水量进入汽包后吸收了一部分原饱和水中的一部分热量，使锅炉的蒸汽产生下降，水面下的汽包总

图2.3-1 给水扰动下的水位响应曲线

体积V S 也就相应减小，导致水位下降。V S 对水位的影响可以用H 2表示。水位H 的实际响应曲线是H 1和H 2的总和。从图中可知，响应过程有一段延时τ ，给水的温度越低，延迟时间越大。给水扰动下的传递函数表示为

G 1(S)= e s 1

ε -

τs (2.3.1) 其中ε1为水位的变化速度。

在给水量突然增加的瞬间，锅炉的蒸发量还未改变，给水量大于蒸发量，但水位一开始并不立即增加，因为温度较低的给水进入水循环的流量增加了，从原有的饱和汽水混合物中洗去了一部分热量，使水面下的汽包容积减小。实际上也是给水有一定的冷去作用，使一部分汽变成了水。减轻了汽包内的沸腾，因此使水位降低，经过一段延迟，水才能经过水管进入汽包使水位上升。在此过程中，负荷未发生变化，汽包内的水仍在蒸发。由H 曲线可以看出给水控制对象内绕的特点是：给水扰动刚刚加入，由于水的温度过低，水位的变化H 变化很慢，

经过一段时间后水位开始按一定的速度上升，如果不能是给水量和蒸发量平衡，那水位也就不能确定。

水位在给水扰动下的传递函数可表示为：

W h (s)=τs)s(1ετs 1ετs ε+=+-=W H

其扰动传递方框图如2.3-2，可近似认为是一个几分环节和一个惯性环节的串联和并联的两种形式。

图2.3-2给水扰动传递方框图

2.3.2蒸汽扰动下的给水动态特性

在汽机耗气量D 的阶跃扰动下，水位H 的响应过程如图2.3-2.当汽机耗气量D 突然阶跃增加时，一方面改变了汽包内的物质平衡状态，使水位下降，图中H 1表示把汽包当作电脑为对象时水位应有的变化；另一方面，由于耗气量D 的增加，迫使锅炉内气泡增多；同时由于燃烧量维持不变，汽包内的压力P d 下降，使水面下的蒸汽泡膨胀，总体积V S 增大，从而

导致汽包的水位上升，如图中H 2所示。汽包水位H 的实际响应过程是H=H 1+H 2.对于大型锅炉来说后者的影响要大于前者，因此在负荷阶跃增加后的一段时间内水位不但不下降，反而明显上升。这种反常现象通常称为“假水位”现象。

图2.3—2汽机耗气量D 阶跃扰动下的水位响应曲线

负荷扰动下汽包水位的传递函数可表示为：

G 2(s)=－( s ε2

－ Ts K

1 )

式中，ε2为反映物质平衡关系的水位上升速度，T 和K 分别代表图2.3—2中曲线H 2的时间常数和增益。H 1表示只考虑储水量变化的水位反映曲线；H 2表示水面下汽泡容积变化的水位反映曲线；H 表示实际水位反应曲线（H=H 1+H 2） 两曲线的叠加，即图中的曲线H ，由图可知，负荷变化时汽包水位的动态特性具有特殊的形式：负荷增加时，蒸发量大于给水量，但水位不降反而迅速上升；负荷突然减小时，水位先下降，然后迅速上升，这是“虚假水位”现象。虚假水位的变化和锅炉的特性有关。

所以，汽包水位调节对象的动态特性有以下几点：

（1）调剂通道中存在延迟和惯性，并且无自我平衡能力。延迟和惯性的存在使给水调节机构的动作相对于水位的变化影响存在滞后，因此调节过程中将会出现动态偏差。无自我平衡能力的响应速度ε越大，水位对扰动反应越敏感，调节难度也相应增大，调节过程中的水位偏差也将增大。

（2）蒸汽负荷扰动时，存在虚假水位现象。虚假水位现象是不能通过闭环

控制系统用给水调节的办法来减小的，这也增大了水位调节的难度。由于虚假水位的出现，所以不能只根据水位H的信号进行调节。

因此，大型汽包锅炉的给水调节多采用三冲量控制系统，即水位H作为系统的被调信号，以蒸汽流量D作为系统的前馈信号，给水流量W构成系统的辅助被调量，形成三冲量给水控制系统。

第三章汽包水位的三冲量控制方案

3.1单冲量控制系统

从负反馈的控制思想来看，很自然的会认为水位信号H作为被控调量，给水量作为调节量，构成单回路负反馈系统（通常称为水位单冲量控制系统）。这种系统是一个基本的控制方案，对于小容量的锅炉来说，它的储水量较大，水面下的旗袍体积所占比例不是很大。因此给水容积延迟和虚假水位的现象不明现，所以小型锅炉可采用单冲量控制系统。对于大型超高压（接近临界压力）锅炉来说也可采用这种控制系统，因为在超高压下汽和水的密度相差不大，但假水位现象显著。所以，对于大量的大型锅炉来说，单冲量控制系统不能满足其生产需要。因为汽机耗气量改变所产生的假水位会引起给水调节机构的失误操作，致使汽包水位激烈的上下波动，严重影响设备的寿命和安全生产。所以大型锅炉不能采用单冲量控制系统。

从物质平衡的观点来看，只要保证给水量永远等于蒸发量，就可以保证汽包水位大致不变，因此可采用图3.1-1所示的比值控制系统：

图3.1-1 比值控制系统

其中流量调节器为PI调节器，并用其极的耗气量D为调节系统的设定值，是给水量W跟踪蒸汽量D.