第7章汽包锅炉给水调节

能源与动力工程学院SchoolofEnergy&PowerEngineering华中科技大学本科生专业课程《热工过程自动化》2013-11-291第7章汽包锅炉给水自动调节能源与动力工程学院SchoolofEnergy&PowerEngineering华中科技大学本科生专业课程《热工过程自动化》2013-11-292本章主要内容7.2被调对象的动态特性7.3给水调节系统分析和整定7.4给水调节系统实例7.1概述能源与动力工程学院SchoolofEnergy&PowerEngineering华中科技大学本科生专业课程《热工过程自动化》2013-11-293发电机主变压器输电塔低压加热器高压加热器除氧器原煤斗下降管汽包水冷壁过热器过热器锅炉送风机引风机除尘器烟囱空气预热器省煤器再热器冷灰斗喷燃器排粉机磨煤机输煤皮带给水泵凝结水泵凝汽器汽轮机冲灰沟汽包锅炉给水系统示意能源与动力工程学院SchoolofEnergy&PowerEngineering华中科技大学本科生专业课程《热工过程自动化》2013-11-294锅炉给水调节的主要任务是：（1）使锅炉的给水量跟踪锅炉的蒸发量，保证锅炉进出的物质平衡和正常运行所需的工质。对于汽包锅炉来说，就是维持汽包水位在允许范围内变化。一、给水调节的任务与意义汽包锅炉水位间接地反映了锅内物质平衡状况，它是表征锅炉、汽轮机安全运行的重要参数之一。汽包水位过高，会降低汽水分离装臵的分离效果，导致出口蒸汽带水严重、含盐浓度增大，使过热器受热面结垢而导致过热器烧坏；同时还会使过热汽温产生急剧变化；而且汽轮机叶片易于结垢，降低汽轮机的出力，甚至会使汽轮机产生水冲击造成叶片断裂等事故；7.1概述能源与动力工程学院SchoolofEnergy&PowerEngineering华中科技大学本科生专业课程《热工过程自动化》2013-11-295汽包水位过低，则会破坏锅炉水循环，以致某些水冷壁管束得不到炉水冷却而烧坏，甚至引起锅炉爆炸事故。当水位较低时，大量给水会大大降低锅炉的汽压，这时为保证负荷就得增加燃料和燃烧设备的负担，可能使锅炉排烟损失和不完全燃烧损失增加。当给水不稳定时，省煤器中的水温随之周期性变化，给水量偏小时，水温提高，将使温差降低，导致排烟温度提高，降低锅炉效率；而且，不稳定的间断给水，对省煤器等的安全运行也是不利的。（2）使锅炉的给水连续均匀、相对稳定，从而使锅炉汽压稳定，省煤器安全，保证锅炉在合适的参数下稳定运行，且具有较高的运行效率，提高锅炉运行的经济性。能源与动力工程学院SchoolofEnergy&PowerEngineering华中科技大学本科生专业课程《热工过程自动化》2013-11-296汽包体积相对减小，使汽包的相对蓄水量和蒸发面积减少，从而加快了汽包水位的变化速度；容量的增大，显著地提高了锅炉蒸发受热面的热负荷，使锅炉负荷变化对汽包水位的影响加剧了；锅炉工作压力的提高，使给水调节阀和给水管道系统相应复杂，调节阀的流量特性更不易满足控制系统的要求。对于高参数，大容量的锅炉，由于：因此，大机组锅炉给水自动调节的必要性和重要性更为突出。能源与动力工程学院SchoolofEnergy&PowerEngineering华中科技大学本科生专业课程《热工过程自动化》2013-11-297二、给水调节手段及特点1、电动定速泵+调节阀早期投产的中小型机组，通常采用电动定速给水泵，通过调节给水调节阀开度来维持汽包水位为给定值。此方案的特点：定速泵的功耗大；调节阀承受的压力大；调节阀易磨损和损坏；机组启停和低负荷运行时节流损失大。能源与动力工程学院SchoolofEnergy&PowerEngineering华中科技大学本科生专业课程《热工过程自动化》2013-11-298高加给水旁路调节阀给水旁路截止阀主给水电动阀W给水流量2、电动调速泵+调节阀电动调速给水泵由定速电动机+液力耦合器+给水泵组成。给水泵的转速调节是通过控制液力耦合器中的油位高度予以实现的。80年代及以后投产的200MW机组，大都采用该形式调节汽包水位。即：低负荷阶段，用给水调节阀（或旁路阀）调节汽包水位；高负荷阶段，用电动调速泵调节汽包水位。此方案的特点：减少了阀的节流损失，但电动机始终在运行，消耗高品位的电能，效率较低。能源与动力工程学院SchoolofEnergy&PowerEngineering华中科技大学本科生专业课程《热工过程自动化》2013-11-299高加给水旁路调节阀给水旁路截止阀主给水电动阀W给水流量电动泵汽动泵汽动泵12汽动调速泵是指由专用的小型汽轮机拖动的给水泵。给水泵的转速是通过控制小汽轮机的蒸汽流量予以实现的。3、汽动调速泵+电动调速泵+调节阀汽动调速泵直接采用能量品位较低的蒸汽热能转变为机械能驱动给水泵，其效率高，但它在机组启停或低负荷时不能正常投入运行。此方案的特点：机组启停或低负荷时，利用电动调速泵+调节阀的易控特性，高负荷时，利用汽动调速泵的高效特性，优化了调节给水手段。能源与动力工程学院SchoolofEnergy&PowerEngineering华中科技大学本科生专业课程《热工过程自动化》2013-11-2910高加给水旁路调节阀给水旁路截止阀主给水电动阀W给水流量电动泵汽动泵汽动泵12在低负荷阶段利用电动调速泵保证泵出口与汽包之间的差压，由给水调节阀（或给水旁路阀）来控制汽包水位；在负荷超过某一值（对应的给水流量需求接近调节阀的最大通流能力）且汽动给水泵未启动时，由电动调速给水泵来控制汽包水位；在汽动给水泵启动后，逐步由电动调速给水泵过渡到由汽动给水泵来控制汽包水位。可克服了前两种方案的缺点即：能源与动力工程学院SchoolofEnergy&PowerEngineering华中科技大学本科生专业课程《热工过程自动化》2013-11-29114、给水热力系统实例(调节阀)二台汽动调速泵一台电动调速泵某机组配有一台50%容量的电动调速给水泵；两台各50%容量的汽动调速给水泵；一台给水调节阀；15%容量的旁路截止阀和调节阀各一台。(调节阀)15%100%能源与动力工程学院SchoolofEnergy&PowerEngineering华中科技大学本科生专业课程《热工过程自动化》2013-11-2912三、变速泵的特性与应用电动调速泵和汽动调速泵，皆属于变速泵。变速泵运行时，其工作点必须在安全区域内。变速泵的特性曲线如图所示：转速压力流量变速泵安全工作区域内在蓝线范围内。当泵运行在a点(P1、q1、n1)时，工作在安全区内；当锅炉压力p下降、泵转速n不变时，工作点从a移到c,进入非安全区；——关小阀门，减小流量至q1、压力升高、转速升至n2，将工作点从c移到b,回到安全区；变速泵的操控相对定速泵要复杂些。能源与动力工程学院SchoolofEnergy&PowerEngineering华中科技大学本科生专业课程《热工过程自动化》2013-11-2913采用变速泵的给水调节系统如图所示：改变转速，调节给水流量，维持汽包水位在规定范围内。改变给水调节阀开度，控制给水泵出口压力，保证泵在安全区域内工作。控制再循环水阀门的开与关，保证给水泵流量规定的最小流量。本章重点讨论内容！能源与动力工程学院SchoolofEnergy&PowerEngineering华中科技大学本科生专业课程《热工过程自动化》2013-11-29147.2被调对象的动态特性W省煤器过热器D给水被调对象示意QH给水被调对象为：一个被调量：H(汽包水位)三个影响因素：W(给水流量)D(蒸汽流量)Q(燃烧率)汽包水位变化原因示意HG01(s)G02(s)G03(s)WDQ若用动态环节表示其因果关系，有：各通道的特性分析如下：被调对象的动态特性是自动调节系统设计的依据之一。能源与动力工程学院SchoolofEnergy&PowerEngineering华中科技大学本科生专业课程《热工过程自动化》2013-11-2915一、给水流量W扰动时的动态特性tWtH给水量阶跃扰动时水位的响应曲线W01从物质平衡分析，W阶跃变化(增加)，若D不变，H是等速上升的——曲线1。汽包容积越大，上升速度越慢。从能量传递分析，低温的W会吸收汽水混合物的热量，水面下汽泡体积收缩，H随之下降，直至新的热平衡状态——曲线2。23实际水位的变化，是上述两种情况的综合——曲线1+曲线2=曲线3。能源与动力工程学院SchoolofEnergy&PowerEngineering华中科技大学本科生专业课程《热工过程自动化》2013-11-2916W扰动下，被调对象具有迟延、惯性和无自平衡能力。其动态数学模型为：01()11HsGsWsssss可近似认为一个积分环节和一个惯性环节串联的形式。ses式中：ζ——迟延时间；ε——飞升速度。由阶跃响应曲线获得：曲线1曲线2tH特征参数的图解τB0A00;[/]/tOAdHdtOBOAWWW0为给水阶跃扰动量能源与动力工程学院SchoolofEnergy&PowerEngineering华中科技大学本科生专业课程《热工过程自动化》2013-11-2917二、蒸汽流量D扰动时的动态特性从物质平衡分析，D阶跃变化(增加)，若W不变，H是等速下降的——曲线1。汽包容积越大，上升速度越慢。蒸汽量阶跃扰动时水位的响应曲线tDtHD012从能量传递分析，D增加会使汽包内压力下降，水面下汽泡体积膨胀，H随之上升，直至新的热平衡状态——曲线2。3实际水位的变化，是上述两种情况的综合——曲线1+曲线2=曲线3。能源与动力工程学院SchoolofEnergy&PowerEngineering华中科技大学本科生专业课程《热工过程自动化》2013-11-2918D扰动下，被调对象具有迟延和惯性，无自平衡能力，存在着“虚假水位”。其动态数学模型为：02()1HsKGsDsTss为一个惯性环节和一个积分环节并联。式中：K——比例系数；T——时间常数;ε——飞升速度.由阶跃响应曲线获得：曲线2曲线12001;[/]tHKDTOAdHdtDD0为给水阶跃扰动量蒸汽量阶跃扰动时水位的响应曲线tH123H2=K·D0T0A能源与动力工程学院SchoolofEnergy&PowerEngineering华中科技大学本科生专业课程《热工过程自动化》2013-11-2919三、燃烧率Q扰动时的动态特性Q扰动时，被调对象的动态特性与D扰动时相似，只是迟延和惯性更大。四、给水调节基本策略1、对于被调量H而言：D的改变取决于汽轮机的工况——为外部扰动；Q的改变取决于机组负荷需求——为间接外扰；W的改变直接调整所供的物质——可作为调节变量。不可作为调节手段2、“虚假水位”的影响主要来自于可测量的D扰动，所以给水调节系统应引入D信号参与调节，以改善调节品质。3、选择W—H为调节通道时，还应考虑如何克服给水母管压力扰动对H的影响。能源与动力工程学院SchoolofEnergy&PowerEngineering华中科技大学本科生专业课程《热工过程自动化》2013-11-29207.3给水调节系统分析和整定1、基本结构（如图所示）该系统只采用一个PI调节器(单级)和一个汽包水位信号(单冲量)构成单回路反馈调节系统。汽包锅炉给水自动调节系统有单级单冲量、单级三冲量、串级三冲量三种结构形式。一、单级单冲量给水自动调节系统单级单调量给水调节系统D变送器PI调节器执行器WΔ水位给定值H0+K∫-H能源与动力工程学院SchoolofEnergy&PowerEngineering华中科技大学本科生专业课程《热工过程自动化》2013-11-2921(1)系统结构简单，整定方便，适用于低参数、小容量、且调节质量要求不高的汽包锅炉。也可用于大机组低负荷阶段的给水调节。(2)不能克服D扰动初期“虚假水位”造成的误动作。会使H大幅度波动，调节时间加长；单级单调量给水调节系统D变送器PI调节器执行器WΔ水位给定值H0