大容量汽包锅炉给水全程分层递阶控制系统设计与分析.pdf

第2 7卷／ 2 0 0 7年第 3 期 湖南电力 研究与试验 大容量汽包锅炉给水全程分层递阶控制 系统设计与分析 * 潘 维加 ，鲁峰 ( 1 ．长沙理工大学能源与动力工程 学院，湖南 长沙4 1 0 0 7 6 ； 2 ．湖南华电长沙发 电有限公 司，湖南 长沙4 1 0 2 0 0 ) 摘要：指 出了大容量汽 包锅炉给水全程控制系统在设计与分析 中存在的问题 ，根据大 容 量 汽 包锅 炉给 水 系统的 工 艺流程 和控 制任务 ，采 用大 系统分层 递阶控制 思想 ，提 出 了 大容量 汽 包锅 炉给水全程 分 层 递阶控 制 系统设计 与分析 的新 方法 。 关 键词 ：给 水 ；全程控 制 ；锅 炉 ；分 层递 阶 中 图分类号 ：TK3 2 3 文献 标识 码 ：A 文章编 号 ：1 0 0 8 — 0 1 9 8 ( 2 0 0 7 ) 0 3 — 0 0 0 1 — 0 3 De s i g n a nd a na l y s i s o f f e e d- wa t e r f u l l - p r o c e s s h i e r a r c h i c a l c o nt r o l s y s t e m f o r l a r g e — c a p a c i t y d r u m b o i l e r PAN W e i - j i a 。L U Fe n g ( 1 ．Co l l e g e o f En e r g y a n d Po we r En g i n e e r i n g ， C h a n g s h a Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y。 C h a n g s h a 4 1 0 0 7 6 ， Ch i n a ； 2 ． Hu a d i a n Ch a n g s h a P o we r Ge n e r a t i o n Co ．， Lt d， C h a n g s h a 4 1 0 2 0 0。 C h i n a ) Ab s t r a c t ： Th e e xi s t i n g d e s i g n p r o blems o f f e e d — wa t e r f ul l — p r o c e s s c on t r o l s y s t e m f o r l a r g e — c a p a c i t y d r u m b o i l e r we r e a n a lyz e d ． Ac c o r d i n g t o t h e t e c h n o l o gic a l pr oc e s s a nd c o nt r o l t a s k， t h e ne w d e s i g n a n d a n a l y s i s me t h o d o f f e e d — wa t e r f u l l —-pr o c e s s h i e r a r c hic a l c o n t r o l s y s t e m f o r l a r g e —- c a p a c i t y d r u m b o i l e r wa s p r o p o s e d b y a d o p t i n g h i e r a r c h i c a l c on t r o l s t r a t e g y ． I t i s c o r r e c t i n t h e o r y a n d c l e a r i n g r a d a t i o n a n d c on v e n i e nt f o r u n d e r s t a n d i n g． I t o f f e r e d r e f e r e n c e s t o i mp r o v i n g a u t o ma t i c r a t i o o f l a r ge —- c a p a c i t y d r um bo i l e r f e e d —- wa t e r f u l l —- p r o c e s s c o n t r o l s y s t e m a n d t o d e s ign a n d a n a l y s is o f l a r g e - c a p a c i t y dr u m b o i l e r f e e d — wa t e r f u l l — p r o c e s s c o n t r o l s y s t e m ． Ke y wo r d s；f e e d — wa t e r f ul l — p r o c e s s c o nt r o l s y s t e m ； s y s t e m d e s i g n a n d a n a l ys i s ；b o i l e r f e e d — wa t e r c o n t r o l s y s t e m ； h i e r a r c h i c al c o n t r o l s y s t e rn 锅炉给水全程控制系统是大容量汽包锅炉的主 要控制系统之一，由于其工艺流程复杂 ，现有控制 系统的设计与分析方法存在一些问题 ，故现有的控 制系统难于理解和掌握，其 自动投入率较低。文中 就这一问题进行了深入研究 ，提出了大容量汽包锅 炉给水全程控制系统设计与分析的新方法。该方法 突破了以往汽包锅炉给水全程控制 系统设计与分析 方法，采用了大系统分层递阶控制思想 。 1 锅炉给水 系统简介 锅炉给水系统通常采用 3台变速给水泵来改变 *湖南省教育厅科研基金项 目 ( 0 5 C 2 2 5 ) 收稿 日期 ：2 0 0 7 — 0 3 — 2 1 给水流量，维持汽包水位。变速给水泵分为电动泵 和汽 动泵 ， 电动泵 由驱动 电动机经 液力联 轴器驱 动 ， 通过改变联轴器中勺管的径向行程来改变联轴器的 工作油量 ，实现电动泵转速的改变。汽动泵由小汽 轮机直接驱动 ， 通过控制小汽轮机调速汽门开度 ， 调 整小汽轮机的进汽量来改变汽动泵的转速。 机组启动和低负荷时采用旁路调节阀来改变给 水量 ，电动泵定速运行 ；当旁路调节阀开度达到一 定时，进行阀门切换 ，主给水阀全开 ，电动泵变速 改变给水量 ； 当锅炉负荷升到一定时， 进行泵切换 ， 由汽动泵来改变给水量；机组正常运行时，主给水 阀全开 ， 由2台汽动泵同时控制给水量， 保证汽包水 维普资讯 研 究与试验 湖 南电 力 第2 7卷／ 2 0 0 7 年第3期 位在一定范围内，此时电动泵作为备用。 2 控制系统设计 与分析中存在 的问题 目前，大容量汽包锅炉给水全程控制系统设计 与分析一直是沿袭上个世纪7 0年代所使用的方法 。 即根据锅炉负荷大小 ， 将系统分段进行设计和分析。 启动和低负荷时，采用旁路阀单 冲量控制方式，按 单 回路控制系统设计和分析方法进行 ；当主给水阀 全开时，采用电动泵变速单冲量控制方式 ，也按单 回路控制系统设计和分析方法进行；当锅炉负荷达 到一定时，采用电动泵三冲量串级控制方式 ，这时 按串级控制系统设计和分析方法进行；当锅炉负荷 达到汽动泵运行条件时，采用汽动泵三冲量串级控 制方式，这时也按串级控制系统设计和分析方法进 行 ；这里 ，各阶段 的设计 与分析都 把执 行机构 部分 ( 如调 节 阀、电动泵 和汽 动泵 )看成 比例环 节 。 显 然 这样的设计与分析是存在问题的，尤其是对电动泵 和汽动泵来讲 ，它们本身已构成一个控制系统 ，且 在系统中起着关键作用 ，将其看成比例环节进行设 计与分析，这很难保证给水控制系统的控制质量 。 由于该系统比较复杂，信号较多，不仅涉及到 测量信号修正、阀门切换和泵切换，而且还涉及到 控制方案的切换 ， 因此， 该系统是一个多执行机构、 变结构的复杂控制系统 。如果仍按现有资料介绍的 常规方法 ，即只设计与分析各阶段的单冲量和三冲 量给水控制系统 ，不设计与分析电动泵和汽动泵控 制系统 ( 这部分工作通常由电动泵、汽动泵厂家完 成)以及它们之间的关系，那么该系统的设计与分 析不全面，将会造成专业工作人员只知道给水控制 指令送 到 电动泵或 汽动泵控 制 系统 ，至 于 电动 泵或 汽动泵控制系统如何控制了解甚少的局面，文中认 为这是该系统 自动投入率低的主要原因之一。 3大容量汽包锅炉给水全 程分层递阶 控制系统的设计与分析 为了使从事给水全程控制的专业人员更好地全 面掌握大容量汽包锅炉给水全程控制系统 ，采用大 系统分层递 阶控制思想，提出了大容量汽包锅炉给 水全程分层递阶控制系统，如图 1 所示。 该系统共分 2层 ，上层是给水全程分层递 阶控 制系统的指令系统，主要负责测量信号处理、运行 方式切换与控制等任务，称为给水全程协调控制系 2 。 汽包水位 调谏蛳 F i； 力 给水流量 给 水全程 胁调控制系统 i i 滕 i 现场给水控制系统 旁路调节阀开摩 电动泵勺管位置 汽动泵调节阀开 图 1给 水全程 分层递 阶控制 系统示 意图 统 ； 下层 是 给水全程 分层递 阶控 制系统 的执行 系统 ， 主要任务是根据上层发出的控制指令 ， 实现旁路阀、 电动泵和汽动泵的控制，称为现场给水控制系统 。 3 ． 1 给 水全 程协调 控 制系统 给水全程协调控制系统主要 由测量信号处理 回 路和给水主控制器回路组成 ， 如图2所示。 测量信号 量 篓 I i 女 陵I l 一 i 芋 淬 ： I 黼 l 鼹 1 l 棚 磷’ 亩 幽 ： l 网 ．向 I萃 一 三 ! l ： ⋯ i _1． ⋯ 一 ⋯⋯ 一 I l_ ． ⋯一 图 2给水 全程协调 控制 系统 处 理 回路 主 要包括 汽包水 位 信号的处理 回路 、调速 级压力信号的处理回路和给水流量信号 的处理回 路 。其中：汽包水位信号的处理 叵路的主要作用是 通过汽包水位信号进行汽包压力修正、高限和低限 的监视和报警处理 ；调速级压力信号的处理回路的 主要作用是通过 调速级压力进行主汽温度修正处 理；给水流量信号的处理回路的主要作用是通过给 水流量进行给水温度修正处理。 给水主控制器回路主要由旁路 阀单冲量控制回 路、电动泵单冲量控制回路 、电动泵三冲量控制回 路和汽动泵三冲量控制回路组成 。其中：旁路阀单 维普资讯 2 00 7 NO ．3 HU NAN ELECTRI C POW ER Vo 1 ． 2 7 冲量控制 回路和电动泵单 冲量控制回路主要负责启 动和低负荷时水位控制 ；电动泵三冲量控制回路和 汽动泵三冲量控制回路主要负责 中等负荷和高负荷 时的水位控制。 根据给水工艺流程， 该 回路设有5 种 运行方式，即旁路 阀单冲量控制方式、电动泵单冲 量控制方式、电动泵三冲量控制方式、汽动泵三冲 量控制方式和手动指令设置控制方式 。这 5种运行 方式 由控制逻辑实现无扰 自动切换 ，其中：旁路阀 单冲量控制回路 与电动泵单 冲量控 制回路互相跟 踪；电动泵单冲量控制回路与电动泵三冲量控制回 路互相跟踪；电动泵三冲量控制回路与汽动泵三冲 量控 制 回路 互 相跟踪 。 3 ． 2 现场 给水 控制 系统 现场给水控制系统主要组成如图3所示 。 ●州●一■瑚 陌^陌^ ^M^ M-M- M- M- ” 一聃 一脱_ 脱州脯-黛鞭 蠢 肆t —槐一髓 图 3 现 场给水控 制 系统 示意 图 旁路阀控制回路为简单控制 回路 ，旁路调节阀 开度为被调量，主要任务是根据旁路调节阀开度指 令改变旁路调节阀开度 ，控制锅炉的给水量 。 电动泵控制 回路 主要包括 电动泵转速控 制回 路、电动泵出 口压力控制回路和电动泵最小流量控 制回路 。电动泵转速控制回路为串级控制回路 ，电 动泵转速为主被调量 ，液力联轴器勺管径向行程位 移为副被调量 ， 其主要任务是根据电动泵转速指令 ， 改 变液 力联轴 器勺 管径 向行程 位 移 ，控 制锅炉 的给 水量 ，使电动泵转速等于电动泵转速指令 ；电动泵 出口压力控制回路为简单控制 回路 ，电动泵出口压 力为被调量 ，电动泵出口调节阀开度为调节量，其 主要任务是保证电动泵在任何给水流量下工作点都 不会落到下限特性 曲线右侧 ；电动泵最小流量控制 回路也为简单控制 回路 ，电动泵流量为被调量，电 动泵再循环调节阀开度为调节量 ，其主要任务是保 证电动泵的工作点不落在上限特性曲线 的左侧 。 汽 动泵 A ( 或 B )控 制 回路 主要 包 括汽 动泵 A ( 或B )转速控制回路、汽动泵A ( 或B)出口压力控 制 回路和汽动泵A( 或B) 最小流量控制回路。 这里， 汽动泵A ( 或B )转速控制 回路为串级控制回路 ，汽 动泵 A ( 或B)的转速为主被调量 ，小汽轮机A ( 或 B) 调节阀开度为副被调量， 其主要任务是根据汽动 泵A ( 或 B )的转速指令，改变汽动泵 A ( 或 B )调 节阀开度，控制锅炉的给水量，使汽动泵转速等于 汽动泵转速指令 ； 汽动泵A ( 或B )出口压力控制回 路为简单控制回路 ，汽动泵A ( 或B )出 口压力为被 调 量 ，汽 动泵 A ( 或 B )出 口调节 阀开度为 调节 量 ， 其主要任务是保证汽动泵A ( 或B ) 在任何给水 流量 下工作点都不会落到下限特性 曲线右侧 ；汽动泵 A ( 或B )最小流量控制回路为简单控制回路 ， 汽动泵 A ( 或B)的流量为被调量 ，汽动泵 A ( 或B )的再 循环调节阀开度为调节量 ，其主要任务是保证汽动 泵 的工作点不落在上限特性曲线的左侧 4 结 论 大容量汽包锅炉给水全程控制系统比较复杂， 由于现有的设计和分析方法存在一些问题 ，致使该 系统的 自动投入率较低。文中从系统观点出发，采 用大系统分层递阶控制思路，提出了大容量汽包锅 炉给水全程分层递阶控制系统的设计和分析方法。 该方法解决 了现有设计和分析方法中存在的问题 ， 综合考虑了锅炉给水控制系统、电动泵控制系统和 汽动泵控制系统三者之间的相互关系。该方法结构 清晰，层次清楚 ，容易理解 ，是设计和分析大容量 汽包锅炉 给水 全程 控 制系统 的新方 法 。 参 考 文 献 [ 1 ] 肖大雏．控制设备及系统[ M] ．中 国电力 出舨社 ，2 0 0 6 ． [ z ]边立秀 ，等．热工控制系统 [ M] ． 中国电力 出舨社 ，2 0 0 2 ． [ 3 ] 刘吉臻 ． 协嗣控制与绘水全程控制 [ M] ． 中国电力出版社 ， 1 9 9 5 ． ( 4 ]李遵基．热工 自动控制系统 [ M] ．中国电力出版社，1 9 9 7 ． [ 5 ]潘维加 ，等．汽包锅炉绘水全程控制 系统分析的几个关键问题 [ J ] ．长沙理 工大学学报( 自然科学舨) ，2 0 0 5( z ) ． ( 6 ]孙德友 ， 等．锅 炉给水泵 汽轮机控制系统研究与应用 [ J ) ．汽轮 机技术 ，2 0 0 0( 1 ) ． ( 7 3庄建华，等．6 0 0 MW 机组 全程给水 自动词节系统的量新控制策 略 [ J ] ．黑龙 江电力 ，2 0 0 4 ( 1 ) ． 作者 简介 ： 潘维加( 1 9 5 9 一 ) ，教 授，研究所所长 ，从事火 电厂生产过程检测 与控制研究。 3 维普资讯