给水系统

目录目录1.1火力发电厂水系统的主要工艺流程和主要控制点1.2水系统各关键设备的作用和工作原理1.3保护和连锁实现的技术手段1.4简单容器的自动调节系统1.5汽包锅炉水位控制系统1.1火力发电厂水系统的主要工艺流程和主要控制点我厂200MW机组的主工艺系统图（汽水循环工艺图）1.1火力发电厂水系统的主要工艺流程和主要控制点汽包为蒸汽和水的分界点，这里应该说明一点，现在的高参数发电机组没有汽包这样的设备，但是工艺原理没有区别。无论是什么机组，汽水转化的过程是能量输送的过程，也是电力生产的核心工艺过程。1.1火力发电厂水系统的主要工艺流程和主要控制点汽轮汽机获得的机械能带动发电机，完成了机械能到电能的转化。电能通过输变电系统送到用户手中。由于输变电控制的特殊性，一般过程控制专业不把这部分作为重点方向，教学上有电力自动化专业专门研究这部分内容。1.2水系统各关键设备的作用和工作原理1）凝汽器1.2水系统各关键设备的作用和工作原理2）高加和低加1.2水系统各关键设备的作用和工作原理A.高加水侧设计最大工作压力B.高加汽测水位高低极限C.高加汽测水位自动调节D.高加蒸汽凝结水的回收E.高加换热效率监视F.蒸汽侧监控和控制是高加监控的重点G.高加水位保护和联动2）高加和低加1.2水系统各关键设备的作用和工作原理3）高压脱氧器A.高脱和凝汽器和锅炉汽包构成了串联方式的简单容器系统。B.凝汽器水位自动调节系统通过改变“双蝶阀”的开度来调节出水量实现凝汽器水位工作在合理位置，但是高脱水量就会发上变化。C.如何实现锅炉给水和凝汽器之间的物质平衡问题。通过高脱水位自动调节系统，来控制补水量，保证物质平衡关系。D.高脱温度控制系统。E.高脱联动和保护（正常（关闭放水）、高I（报警）、高II（开放水门））。1.2水系统各关键设备的作用和工作原理4）给水泵A.给水泵的作用B.给水泵正常工作条件的保证C.调速方式1.2水系统各关键设备的作用和工作原理5）锅炉汽包1.2水系统各关键设备的作用和工作原理6）总结系统中出现了5个重要的容器类对象。A.高加和低加是简单的容器对象。B.凝汽器、高脱、汽包串联的简单容器构成了相当复杂的系统。*该系统和实际系统的对应关系。*该系统中的主要的自动调节系统，各自动调节系统目标量（被调参数）和执行机构。*该系统如何实现物质（水）平衡关系。*系统中设计的主要保护和连锁，主要功能是什么？1.2水系统各关键设备的作用和工作原理C.高加和凝汽器、高压脱氧器、汽包也是串联关系，为什么高加和它们没有形成串联关系？D.由于汽包的工作温度、压力的特殊性，汽包是系统最复杂单容器对象。1.3保护和连锁实现的技术手段为了避免锅炉“干锅”，或者锅炉“满水”事故发生，重要的自动调节对象都设计相应的自动保护系统。锅炉水位保护系统的作用就是在水位不能维持在安全范围时，采用停炉措施来保证安全生产。那么这些功能如何通过技术手段来实现，就是热工专业研究的具体技术问题。保护和连锁关系的某个物理量的极限值，因此我们把这些极限的物理量看作逻辑量来处理。也就我们说的“是”、“否”，“0”、“1”，也就工程上常说的开关量。例如一个简单容器的控制对象（如图）。水位开关量取出主要有三种方式：直接接电输出（电节点液位计）模拟量测量：A）计算机判断输出B）动圈表节点输出这些开关量信号经过热工的逻辑处理后，送到D1或者D2去联动设备，这样就起到了保护作用。1.3保护和连锁实现的技术手段这是一个最简单的联动（保护）的例子。往往是几个系统要复杂的多。测量仪表测量数据要经过多次处理（逻辑处理或者经计算处理）才能够输出到下一个设备，进行正确的动作。1.3保护和连锁实现的技术手段A.高加的水位自动调节和水位保护系统（汽测）如图：1.4简单容器的自动调节系统1.4简单容器的自动调节系统下图是高压加热器主要热工保护和自动调节系统*高加水位自动调节系统的被调对象是什么？*高加水位自动调节系统调节执行机构是什么？主要调节手段是什么？*我厂高加安装了几套水位测量装置？主要工作原理和用途是什么？*影响机组和高加安全运行的主要参数有哪些？采取的保护手段是什么？1.4简单容器的自动调节系统B.汽包水位测量。汽包水位测量是通过在汽包上安装单室平衡容器，取出汽包液位差压信号。在DCS系统中，经过压力和温度进行全补偿获得准确的水位信号。PID调节器计算后输出到水流量调节系统。1.4简单容器的自动调节系统1.5汽包锅炉水位控制系统汽包锅炉是通过燃烧的手段，完成化学能到热能的转换，通过水蒸气的传输向汽轮机提供能源，并保证发电量和锅炉释放的化学能之间的平衡关系。锅炉最重要的三个相对独立的控制系统给水自动控制系统(主要介绍)燃烧控制系统汽温控制系统汽包给水控制系统的任务是通过控制给水的上水量来保证与蒸发量的平衡，并保证汽包水位在规定的范围内。1.5汽包锅炉水位控制系统1.锅炉给水系统的动态特性分析损害过热器危及汽轮机水冷壁温度高损坏锅炉汽包水位过高过低汽包水位主要受锅炉容积和锅炉内介质体积所决定。注意“介质”这个词而没有用“水”这个词，是因为汽包以下的介质不是单一的水，锅炉在蒸发过程中水面以下是饱和蒸汽和水的混合物，因此水位受压力波动的影响比较大。因此这个系统除了要控制给水和蒸气的平衡外，还要对其过渡过程能够快速反应。1.5汽包锅炉水位控制系统汽包锅炉给水系统的工艺流程图三个主要扰动：给水流量扰动W蒸汽扰动D锅炉热负荷扰动Q虽然锅炉比较复杂，但是还是可以看作一个简单容器的动态特性，也就是输入和输出之间呈线性的特点。而且该简单容器水位不能实现自平衡，给水量的阶跃变化将会被积分呈现线性增长。1.5汽包锅炉水位控制系统给水量阶跃扰动下的水位响应1）给水流量阶跃扰动下的水位响应动态特性单纯温度扰动下的水位特性单纯给水阶跃扰动下的水位特性蒸汽量阶跃变化，这种扰动主要在汽轮机调门大幅度开关的情况发生，相当于简单容器流出介质流量阶跃变化，如果其它过程都没有变化，它将呈现持续水位下降的积分效应，和给水扰动正好相反。但是蒸汽量突然增加会导致汽包压力突然下降，压力下降会导致蒸发过程加剧，1.5汽包锅炉水位控制系统2）蒸汽量阶跃扰动下的水位响应动态特性蒸汽流量阶跃扰动下的水位响应动态曲线汽水混合物中饱和蒸汽体积突然变大。这样，汽包水位就会因为突然的蒸汽流量增大，出现水位不降反增的现象，这个现象称为“虚假水位”。响应曲线如右图。锅炉燃料量突然增加导致锅炉蒸发量上升，在汽轮机调门开度不变的情况下，蒸汽压力和蒸汽流量会上升，在给水流量不变的情况下水位应该急剧下降。但是，由于锅炉内汽水的温度会先于输出蒸汽的流量和压力上升，因此首先表现为锅炉汽包水面下汽泡受热膨胀，出现水位短时1.5汽包锅炉水位控制系统3）燃烧阶跃扰动下的水位响应动态特性燃烧阶跃扰动下的水位响应动态曲线间上升的“虚假水位”现象，然后由于供水水量和蒸汽量失去平衡导致的水位持续下降。这里的“虚假水位”由于汽压的抑制作用，没有蒸汽流量扰动那么明显。曲线如右图。1）当给水量发生扰动时，由于水位变化有明显的滞后，控制系统只要考虑这种滞后控制品质就能得到保证。需要考虑的问题是：不同负荷下延迟是不一样的。2）当蒸汽流量发生变化同时会引起蒸汽压力和锅炉汽水系统压力发生快速变化，产生“虚假水位现象”。如果仅仅依靠水位信号作为被调量，就会产生问题。为了克服这样问题，供水自动调节系统常常进入蒸汽流量作为前馈信号，以改善调节品质。3）单容对象水位自动调节基本原理就是保证输入介质和输出介质之间物质的平衡，虽然发电厂锅炉非常复杂，但是它还是归结为单容器对象。发电厂锅炉自动调节系统由于其对象高参数就要求自动调节系统不但保证输入水量和输出蒸汽之间的物质平衡关系，而且还要具备处理虚假过渡过程的能力。这就是为什么高参数锅炉给水自动调节系统引入了汽包水位、给水流量和蒸汽流量这三个冲量的原因。1.5汽包锅炉水位控制系统2.汽包锅炉给水系统动态特性总结1）给水流量测量。通过安装在主给水管路上的孔板和差压变送器，测量由于给水流量变化产生的差压，同时测量给水温度，把这两个信号送入DCS系统，按照温度补偿的计算方法测得给水流量信号。2）汽包水位测量。汽包水位测量是通过在汽包上安装单室平衡容器，取出汽包液位差压信号。在DCS系统中，经过压力和温度进行全补偿获得准确的水位信号。3）主汽流量。通过安装在蒸汽管道上的喷嘴获得差压信号，同主汽压力和主汽温度一起送到DCS系统进行补偿，得到主汽流量信号。1.5汽包锅炉水位控制系统3.给水自动调节系统的参数测量1.5汽包锅炉水位控制系统节流控制方式4.给水自动调节系统执行机构电机定速水泵调速的方式另外大容量机组一般采用小型汽轮机驱动的给水泵，由于汽轮机调速通过调节进气量就能实现，但蒸汽泵的动力来源于主蒸汽的抽汽，机组启动初期和停机的时候，蒸汽不能满足给水泵的要求，大机组会采用电动调速泵和蒸汽给水泵混合的方式，就是汽泵设计100%给水负荷，电泵一般能够承担50%负荷。1.5汽包锅炉水位控制系统新建设300MW以上大容量机组一般都是用电动给水泵、汽动给水泵、给水调整门三种方式混合使用，在不同工况下使用不同调节方式，或者混合使用。这主要为了满足全程给水自动投入的要求。1.5汽包锅炉水位控制系统5.汽包锅炉给水自动调节系统控制策略单冲量给水自动调节系统控制结构图1)单冲量给水控制系统1.5汽包锅炉水位控制系统单级三冲量系统控制结构图2)单级三冲量自动调节系统1.5汽包锅炉水位控制系统2)单级三冲量自动调节系统自动调节框图1.5汽包锅炉水位控制系统串级三冲量系统控制结构图3)串级三冲量自动调节系统1.5汽包锅炉水位控制系统3)串级三冲量自动调节系统串级三冲量汽包水位自动调节框图1.5汽包锅炉水位控制系统全程给水系统是指锅炉启动和停止及正常运行中都能够投入的给水自动调节系统。非全程给水自动调节系统是在锅炉定参数后才能投入给水自动。6.汽包锅炉全程给水自动调节系统全程给水自动调节系统主要考虑问题1、测量精度问题4、系统和锅炉水位安全保护问题2、自动调节算法切换问题3、执行机构的切换问题1.5汽包锅炉水位控制系统7.有必要解释的概念----前馈前馈控制是一种按干扰进行控制的开环控制方法，当干扰出现以后，被控变量还未变化时，前馈控制器（也称前馈补偿装置）就根据干扰的幅值和变化趋势对操纵变量进行控制，来补偿干扰对被控变量的影响，所以相对于反馈控制，前馈控制是比较及时的。在逻辑上讲系统某个参数发生变化后，输出还没有发生响应，通过离线分析，该参数变化对输出的影响是可预知的，那么就可以通过前馈先于系统输出而动作，改善调节品质。可以看出汽包锅炉蒸汽量变化对水位的影响符合这样要求，因此，可以使用前馈，一般前馈的控制参数都是通过经验和试凑的方式获得。1.5汽包锅炉水位控制系统8.锅炉汽包水位自动保护系统为了避免锅炉“干锅”，或者锅炉“满水”事故发生，重要的自动调节对象都设计相应的自动保护系统。锅炉水位保护系统的作用就是在水位不能维持在安全范围时，采用停炉措施来保证安全生产。锅炉水位保护最核心问题是水位的精确测量问题。汽包水位保护的被保护对象在火力发电生产中相当重要，结合国家电网公司《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》中关于“防止锅炉汽包满水和缺水事故”的要求，介绍这些要求如何在技术上实现的。1.5汽包锅炉水位控制系统1)基于差压原理的连续水位测量连续水位测量原理图1.5汽包锅炉水位控制系统2)基于连通器原理的电节点液位测量系统汽包内部饱和水的温度和连通器取出水的温度：温度有差异温度无差异1.5汽包锅炉水位控制系统3)对于锅炉汽包水位保护系统的水位测量方式国际上一直有两个流派，一个流派认为自动调节和保护全使用差压式测量方式，配置两套完全一样的系统，经过全补偿，一套送DCS系统作为调节信号，另外一套送保护系统，经过判断输出开关量作为保护输出。另外一个流派认为，自动调节和保护使用样的测量原理存在安全风险，应该配备另外一个基本原理不同的测量方式作为保护输出，这也就是现在还大范围使用电节点液位计的原因。《