1、重庆电力高等专科学校毕业设计说明书 设计题目：基于虚拟DCS的300MW亚临界机组给水控制系统分析研究报告 专 业： 工业热工控制技术 班 级： 热控1011班 学 号： 201002040143 姓 名： 黄 超 指导教师： 向贤兵 重庆电力高等专科学校动力工程系二一三年六月目 录毕业设计任务书1引 言2一、概述3（一）给水控制系统的意义3（二）汽包炉给水控制的特点3（三）给水控制系统方法原理3二、300MW亚临界机组给水控制方案4（一）给水控制系统的目的4（二）前馈反馈串级三冲量控制系统41.系统结构和工作原理5三、300MW亚临界机组给水控制系统动态特性仿真试验5（一）给水调节对象的动态
2、特性51.给水量扰动下的给水动态特性52.蒸汽量扰动下的给水动态特性73.负荷扰动下的给水动态特性9四、300MW亚临界机组给水控制系统组态与调试11（一）300MW亚临界机组给水控制系统组态111.给水控制对象组态112.三冲量给水控制回路组态12（二）给水对象控制回路调试131.自动下水位定值扰动调试142.自动下蒸汽扰动调试趋势曲线图153.自动下给水扰动调试164.强制手动调试17工 作 小 结19致 谢20参考文献：21毕业设计任务书一、毕业设计（论文）任务的具体内容与要求（一）设计任务目前,计算机技术、通信技术、网络技术、可视化技术、多媒体技术、虚拟现实技术、分布处理技术和高性能数
3、据库技术等现代信息技术的迅猛发展,为电站DCS 仿真技术的更新提供了丰富的实现手段和强有力的支持。同时,随着火电机组装机容量的不断增大,在电站普遍应用的分散控制系统（DCS）功能更加强大和复杂,逻辑保护越来越多。因此,利用仿真系统进行DCS 的组态验证、研究控制策略,优化控制器参数和运行规程,实现对新的控制、保护算法的研究、开发,有助于学生对电站实际生产过程、设备原理进行更加深刻的认识。本课题主要利用基于虚拟DCS的仿真系统进行控制方案分析和控制策略研究。（二）设计成品1设计说明书一份：(1) 毕业设计说明书要条理清楚、文字通顺、整齐美观、格式规范；(2) 设计说明书不少于15000字,并有必
4、要的图表,设计图不少于5张；（三）基本要求1能正确分析机组热力系统；2能正确分析机组的控制方案；3能正确进行控制策略研究。二、推荐的主要参考文献1刘禾等编著火电厂热工自动控制技术及应用M中国电力出版社,20092向贤兵、曾蓉编著华电四川珙县发电有限责任公司600MW机组超临界机组系列培训教材热工自动化分册M重庆电力高等专科学校,20083肖大雏主编超超临界机组控制设备及系统M中国电力出版社,20084肖大雏主编控制设备及系统M中国电力出版社,20065林文孚,胡燕编著单元机组自动控制技术（第二版）M北京：中国电力出版社,2008 指导教师（签字） 向 贤 兵 签发日期 2013 年 6 月 6
5、 日基于虚拟DCS的300MW亚临界机组给水控制系统分析研究报告摘要：锅炉是典型的复杂控制系统,汽包水位是锅炉安全、稳定运行的重要指标,是一个非常重要的被控变量。影响汽包水位的因素主要有锅炉蒸发量、给水量、炉膛负荷、汽包压力。给水调节的任务是使给水量适应锅炉蒸发量,维持汽包水位在允许的范围内。本文分析了汽包锅炉给水控制对象的动态系统分析和三冲量给水控制系统的整定分析,以300MW单元机组全程给水系统为例,全面系统的介绍了全程给水控制系统的原理,控制过程分析以及各种信号的测量,还有各种阀之间的相互切换。关键词：给水控制系统 虚假水位 汽包水位 三冲量给水控制Based on Virtual DC
6、S 300 MW Subcritical Unit Feed Water Control System Analysis Study Abstract : Boiler is a typical complex control system the secure and stable operation of the boiler steam drum water level is an important indicator is a very important controlled variable. Mainly include the factors that affect the
7、steam drum water level and water boiler capacity load and the steam drum pressure chamber of a stove or furnace. Feed water regulation of the task is to adapt to water to the boiler capacity maintain the steam drum water level in the allowed range. Drum boiler feed water control objects are analyzed
8、 in this paper the dynamic system analysis and the analysis of three impulse water supply control system of the setting the entire water supply system for 300 MW units as an example the comprehensive system is introduced to the feed water control system principle control process analysis as well as
9、a variety of signal measurement and the interaction between the various valve switch.Key word：Feed water control system,The false water level,The drum water level,Three element control system引 言随着电力需求的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。我国最近几年新建的300MW、600MW火电机组基本上都采用国内外最
10、先进的分散控制系（DCS）,对全厂各个生产过程进行集中监视和控制。影响水位的因素主要有锅炉蒸发量、给水量、炉膛热负荷及汽包压力,除此之外,还有给水压力、汽轮机调节汽门开度、二次风分配等。汽包锅炉给水控制系统的任务是使给水量适应锅炉蒸发并使汽包中水位保持在一定的范围内。因此,汽包水位是影响整个机组安全经济运行的重要因素,需要有一整套较好的控制方案,来实现汽包锅炉水位的自动控制。一、概述 （一）给水控制系统的意义汽包炉给水控制是保证锅炉的给水量适应锅炉的蒸发量,以维持汽包水位在规定的范围内。汽包水位是锅炉安全运行的一个重要参数,它反映了锅炉蒸汽负荷与给水量之间的平衡关系,维持汽包水位在一定范围内是
11、保证锅炉和汽机安全运行的必要条件,汽包水位过高会影响汽水分离装置的工作,严重时会导致汽轮机进水;汽包水位过低,会破坏锅炉的水循环,甚至引起爆管。随着锅炉容量的增大和参数的提高,汽包容积相对缩小,而锅炉蒸发受热面的热负荷提高,加快了负荷变化时水位变化的速度,因此对汽包炉的给水控制提出了更高的要求。（二）汽包炉给水控制的特点由于给水温度低于汽包内的饱和水温度,在有给水流量扰动时,给水进入汽包后吸收了原有的饱和水中的一部分热量,使锅炉的蒸汽量下降,水面以下的汽泡总体积也就相应减小,从而导致水位下降。2) 在汽机蒸汽流量的扰动下,若汽机蒸汽流量突然增加,一方面改变了汽包内的物质平衡状态,使水位下降;另
12、一方面,由于蒸汽流量的增加,锅炉内的汽泡数量增多,同时由于燃料量维持不变,汽包压力下降,使汽包水面下的汽泡膨胀,总体积增大,从而导致汽包水位上升。当后者的影响大于前者时,在负荷增加后的一段时间内水位不但不下降,反而明显上升,这种反常现象就是“虚假水位”现象。3) 燃料量的扰动必然引起蒸汽量的变化,因此同样有虚假水位现象。但是由于汽包和水循环系统中有大量水,汽包和水冷壁金属管道也会储存大量的热量,因此有一定热惯性。燃料量的增大只能使蒸汽量缓慢增大,而且汽包压力还慢慢上升,它将使汽泡体积减小。因而,燃料量扰动下的虚假水位比负荷扰动下要和缓得多。由以上分析可知,给水量扰动下水位响应过程具有纯迟延,负
13、荷扰动下水位响应过程具有虚假水位现象,燃料量扰动下也会出现虚假水位现象,这些特性使控制汽包水位的任务变得比较困难和复杂。（三）给水控制系统方法原理给水控制系统设计有给水旁阀、电动泵及两台汽动泵。全程给水控制系统投入之前,应使系统除高加旁路电动门之外的其它电动门处于关闭状态。电动门不参与切换过程的控制,只用于系统故障时事故处理切换过程各泵的流量依靠其后的逆止阀前后的差压控制,这样做不仅简化了切换逻辑,缩短了切换时间,而且有利于切换过程的平稳过渡。锅炉启动及低负荷且小于15%时,由电泵维持给水压力。手动调整到需求的流量维持最低转速,旁路阀可自动调节水位。在旁路阀开度达95%以上及负荷大于15%时,
14、电泵可投入自动。电泵一旦投入自动,旁路即切至手动操作。如旁路阀在手动状态,电泵投自动条件不受旁阀开度限制。考虑到旁阀与电泵工作特性不一致,采用了不同的比例系数K1和K2。此上均采用了单冲量控制方案。 （3）当负荷到达30时,小调阀切大调阀电泵由单冲量控制自动切换至三冲量控制,提高了水位调节品质。此时三冲量控制是一个以水位信号为主信号,以蒸汽流量信号为前馈信号,以给水流量为反馈信号的串级控制系统。三冲量主调节器的输出加上蒸汽流量信号D作为副调节器的给定信号。在汽动泵未运行之前采用电动泵控制给水流量,三冲量主调和电泵副调构成串级三冲量控制方式。当负荷升高到30%-40%时,汽动泵小奇迹开始冲转、升
15、速,当汽动泵转速进一步上升、汽动泵流量逐步提高,电动泵流量逐步下降后,可投入汽动泵自动,使电动泵退回手动。当负荷升到40%-50%时,启动第二台汽动泵运行。这时,三冲量主调和汽动泵副调构成串级三冲量汽动泵控制方式,MEH系统以汽动泵转速控制信号控制小汽机转速。（4）两台汽泵均投入自动后电动泵切至手动由运行人员减小电泵负荷,直至处于热备用状态。正常运行时为两台汽泵运行。降负荷时：a.负荷低于50%时启动电泵停汽泵切换到大调阀调整水位若2电泵运行,停其中1台)；b.负荷低于30% 三冲量切单冲量。根据负荷及给水泵状态电动泵可单泵运行也可与汽动泵并列运行即电动泵可工作在单冲量方式也可工作在三冲量方式
16、。切换点都有滞环特性,避免由于负荷波动而使切换过程反复,对水位造成较大的扰动。在每一切换过程中,仅有一套自动控制系统控制水位。例如三冲量控制的大调阀向汽泵控制系统切换的过程时,首先三冲量控制的大调阀处于自动状态,汽泵控制处于跟踪状态,当汽泵出口流量高于某一值时,汽泵控制处于自动状态,大调阀以一定速率迫关,当大调阀关闭,电泵停后,切换结束。另外联锁保护逻辑要优先于全程给水的逻辑。二、300MW亚临界机组给水控制方案（一）给水控制系统的目的使锅炉的给水量适应锅炉的蒸发量,以维持汽包水位在规定的范围内,同时保持稳定的给水流量。（二）前馈反馈串级三冲量控制系统对于给水控制通道迟延和惯性较大的锅炉采用串
17、级控制系统将具有较好的控制质量,调试整定也比较方便,因此,在大型汽包锅炉上可采用串级三冲量给水控制系统。1.系统结构和工作原理串级三冲量给水控制系统如图所示。串级三冲量给水控制系统：其给水控制的任务由两个调节器来完成,主调节器PI采用比例积分控制规律,以保证水位无静态偏差。主调节器的输出信号和给水流量、蒸汽流量信号的都作用到副调节器PI2。一般串级控制系统的副调节器可采用比例调节器,以保证副回路的快速性。串级系统主、副调节器的任务不同,副调节器的任务是用以消除给水压力波动等因素引起的给水流量的自发性扰动以及蒸汽负荷改变时迅速调节给水流量,以保证给水流量和蒸汽流量的平衡；主调节器的任务是校正水位
18、偏差。这样,当负荷变化时,水位稳定值是靠主调节器PI1来维持的,并不要求进入副调节器的蒸汽流量信号的作用强度按所谓“静态配比”来进行整定。恰恰相反,在这里可以根据对象在外扰下“虚假水位”的严重程度来适当加强蒸汽流量信号的作用强度,从而改变负荷扰动下的水位品质。可见,串级三冲量系统比单级三冲量系统的工作更合理,控制品质要好一些。三、300MW亚临界机组给水控制系统动态特性仿真试验（一）给水调节对象的动态特性1.给水量扰动下的给水动态特性图1 给水量扰动时水位阶跃响应曲线图1中曲线1 为沸腾式省煤器情形下水位的动态特性曲线2 为非沸腾式省煤器情形下水位的动态特性。从物质平衡的观点来看 加大了给水量
19、G水位应立即上升但实际上并不是这样而是经过一段迟延甚至先下降后升这是因为给水温度远低于省煤器的温度即给水有一定的过冷度水进入省煤器后使一部分汽变成了水特别是沸腾式器给水减轻了省煤器内的沸腾度省煤器内的汽泡总容积减少因此进入省煤器内的水首先用来填补省煤器中因汽泡破减少而降低的水位 经过一段迟延甚至水位下降后 才能因给水量不断从省煤器进入汽包而使水位上升7。在此过程中负荷还未发生变化汽包中水仍然在蒸发因此水位也有下降趋势。沸腾式省煤器的延迟时间T 为100200s。非沸腾式省煤器的延迟时间T 为30100s。水位在给水扰动下的传递函数可表示为: （1-1）当时,上式可变为： （1-2）水位对象可近
20、似认为是一个积分环节和一个惯性环节并联形式。用一阶近似表示时： （1-3）300MW仿真运行给水扰动下得动态特性试验阀门开度汽包水位给水流量图2给水扰动动态特性曲线调试图响应速度（mm/s）=1.23滞后时间(s)传递函数2.蒸汽量扰动下的给水动态特性图3 蒸汽量D 扰动下的水位阶跃响应曲线如果只从物质平衡的角度来看 蒸发量突然增加D时蒸发量高于给水量汽包水位是无自平衡能力的 所以水位应该直线下降如图2-3中H1(t)所示那样但实际水位是先上升后下降这种现象称为“虚假水位”现象如图2-3中H（t）所示。其原因是由于负荷增加时在汽水循环回路中的蒸发强度也将成比例增加 水面下汽泡的容积增加得也很快
21、此时燃料量M 还来不及增加汽包中汽压Pb下降汽包膨胀使汽泡体积增大而水位上升。如图2-3 中H(t)所示。在开始的一段时间H(t)的作用大与H1(t)。当过了一段时间后当汽泡容积和负荷相适应而达到稳定后水位就要反映出物质平衡关系而下降。因此 水位的变化应是上述两者之和 即 (1-4)传递函数也为两者的代数和： （1-5）式中的时间常数,约为1020s；的放大系数；飞升速度。一般100230t/h的中高压炉,负荷突然变化10%时,虚假水位化现象可使水位变化达3040mm。21300MW仿真运行蒸汽流量扰动下的动态特性蒸汽流量汽包水位阀门开度图4蒸汽扰动动态特性调试图时间常数(S)滞后时间(S)响
22、应速度(mm/s)传递函数3.负荷扰动下的给水动态特性图5 燃料量扰动下水位的阶跃反应曲线当燃料量扰动时,例如燃料量增加使炉膛热负荷增强,从而使锅炉蒸发强度增大。若此时汽轮机负荷未增加,则汽轮机侧调节阀开度不变。随着炉膛热负荷的增大,锅炉出口压力提高,蒸汽量也相应增加,这样蒸汽量大于给水流量,水位应该下降。但是蒸汽强度增大同样也使水面下汽泡容积增大,而且这种现象必然先于蒸发量增加之前发生,从而使汽包水位先上升,因此也会出现虚假水位现象。当蒸发量与燃烧量相适应时,水位便会迅速下降,这种“虚假水位”现象比蒸汽量扰动时要小一些,但其持续时间长。燃料量扰动下的水位阶跃响应曲线如图2-4所示,它和图2-
23、3有些相似。只是在这种情况下,蒸汽流量增加的同时汽压也增大了,因而使汽泡体积的增加比蒸汽流量扰动时要小,从而使水位上升较少。但锅炉负荷变化受到检测反馈时间长、燃料的不稳定的局限和反应时间较慢,不便参与自动控制的调整。以上三种扰动在锅炉运行中都可能经常发生。但是由于控制通道在给水侧,因此蒸汽流量D和燃料量M习惯上称为外部扰动,它们只影响水位波动的幅度。而给水量G扰动在控制系统的闭合回路里产生,一般称为内部扰动。因此,汽包水位对于给水扰动的动态参数是给水控制系统调节器参数整定的依据,此外,由于蒸汽流量D和燃料量M的变化也是经常发生的外部扰动8。所以常引入D、M信号作为给水控制系统里的前馈信号,以改
24、善外部扰动时的控制品质。影响水位的因素除上述之外,还有给水压力、汽包压力、汽轮机调节汽门开度、二次风分配等。不过这些因素几乎都可以有D、M、W的变化体现出来。为了保证汽压的稳定,燃料量和蒸发量必须保持平衡,所以这两者往往是一起变化的,只是先后的差别。给水扰动是内扰,其它事外扰。负荷扰动下的动态特性汽包水位燃料量阀门开度图6 负荷扰动动态特性调试图时间常数（s）响应速度(mm/s) 传递函数四、300MW亚临界机组给水控制系统组态与调试（一）300MW亚临界机组给水控制系统组态1.给水控制对象组态图7 对象组态图2.三冲量给水控制回路组态图8 三冲量给水控制回路组态图（二）给水对象控制回路调试
25、图9 主PID参数调试图 图10 副PID参数调试图 图11 对象参数调试图 1.自动下水位定值扰动调试水位阀位给定值图12 自动下给定值由25mm减小到15mm的扰动调试曲线结果阀位水位图13自动下给定值由15mm增加到20mm的扰动调试曲线结果2.自动下蒸汽扰动调试趋势曲线图蒸汽流量水位给定值给定值图14自动下蒸汽流量由980t/h减小到960t/h的扰动调试结果蒸汽流量水位给定值图15自动下蒸汽流量由990t/h增加到1000t/h的扰动调试结果3.自动下给水扰动调试给水流量水位给定值图16自动下给水流量由950t/h增加到970t/h的扰动调试结果给水流量给定值水位图17自动下给水流量
26、由1000t/h减小到980t/h的扰动调试结果4.强制手动调试阀位水位图18手动状态下阀位由45%调到60%后的水位曲线调试结果水位阀位 图19手动状态下阀位由50%调到30%后的水位曲线调试结果 结论分析:试验主要是通过以汽包水位对象进行的串级三冲量系统组态分析,仿真机进行汽包水位动态特性试验,OVATION系统进行的对象控制逻辑图组态与调试。了解到汽包水位的自动调节是火电厂最重要的自动调节系统之一,一方面它的执行机构动作非常频繁,水位对执行机构的动作也很敏感,一不小心就有可能出现极其严重的危险情况；另一方面它对整个机组的运行安全至关重要：汽包水位过高,会使蒸汽内含水成分较多,造成蒸汽带水
27、。水位过低,会造成“干锅”,可能严重烧坏锅炉设备。汽包水位三冲量自动调节系统主要是汽包水位、给水流量、蒸汽流量参数进行的自动调节,同时汽包水位动态的特性具有延迟性、具有“虚假水位”现象、是无自平能力的。在上机进行OVATION调试组主要是以自动状态下进行的调试和手动状态下调试。如在做手动状态下调节水泵,水位出现有惯性、无自平衡能力的现象,在做OVATION组态时加入比例积分环节使阀位输出产生无自平的现象,但仿真上随着时间的推移,阀位定值-比例积分=比例积分环节,这中间比例积分环节变弱会使曲线人为肉眼观察趋于有自平衡现象,其实这是比例积分环节中积分变弱,需要人为增加积分做用是趋势图水位呈现无自平
28、衡能力。在做自动下蒸汽和给水扰动下特性趋势时,串级三冲量中蒸汽流量是前馈控制效果明显,所以直接在对象逻辑图左边添加一个蒸汽扰动比例积分环节也就是蒸汽扰动的动态特性函数,能过及时调节时系统提高抗外扰动的能力克服“虚假水位”造成的反向控制现象,对于给水控制通道延迟和惯性较大的锅炉,采用串级控制系统将具有较好的控制质量,所以此试验能较好控制扰动现象。工 作 小 结本设计主要是针对仿真机三冲量动态特性曲线试验,以及DCS上做仿真试验,为了验证串级三冲量给水控制系统两个调节器任务不同,参数整定相对独立。副调节器的作用是当给水扰动时,迅速动作使给水量保持不变,当蒸汽流量扰动时,副调节器迅速改变给水量,保持
29、给水和蒸汽平衡。主调节器的任务是校正水位,这比单级三冲量控制系统的工作更为合理。故串级系统比单级系统要好一些。同时在本次设计中了解到了仿真对象如何组态,如何建立三冲量控制回路的组态,以及如何调试PID上各个参数使调试曲线真是可靠,在做不同扰动下曲线时为了使扰动曲线呈现不同的扰动规律,这里运用了各种对对象添加函数,在做给水扰动时,因为是内扰所以直接在给水泵和扰动量的绝对值求和等时输出的水位产生不同。在做蒸汽扰动的时候,因为蒸汽量主要是因为负荷的原因所以属于外绕,这时添加一处蒸汽扰动的对象函数,使给水扰动与蒸汽扰动同时参与影响水位的因素,同时又使这2个扰动对水位影响波动图有所不同。同时在整个设计中
30、了解到了PID的整定,与了解到PID输出的归一化问题,时输出不产生一高值,影响到整体PID的运算范围,同时了解到在添加一些函数的时候运用PID自带的函数功能块是最好的,比如在加入一个积分环节时,只需将PID参数中的比例增益,微分增益等调到0,只需将需要的积分时间添加进去,这是PID的作用就形成了积分的做用,总之在此毕业设计的过程中是边学变做,学到了很多,在以后的工作中我想运用起来也相当上手不会茫然失措。致 谢三年的读书生活在这个季节即将划上一个句号,而于我的人生却只是一个逗号,我将面对又一次征程的开始。三年的求学生涯在师长、亲友的大力支持下,走得辛苦却也收获满囊,在设计即将付梓之际,思绪千,心
31、情久久不能平静。伟人、名人为我所崇拜,可是我更急切地要把我的敬意和赞美献给一位平凡的人,我的指导导师。我不是您最出色的学生,而您却是我最尊敬的老师。您治学严谨,学识渊博,思想深邃,视野雄阔,为我营造了一种良好的精神氛围。授人以鱼不如授人以渔,置身其间,耳濡目染,潜移默化,使我不仅接受了全新的思想观念,树立了宏伟的学术目标,领会了基本的思考方式,从设计题目的选定到设计写作的指导经由您悉心的点拨再经思考后的领悟常常让我有“山重水复疑无路柳暗花明又一村”。题到论文的顺利完成,有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助,在这里请接受我诚挚谢意！同时也感谢学院为我提供良好的做毕业设计的环境。最后再一次
32、感谢所有在毕业设计中曾经帮助过我的良师向贤兵和同学张佳佳,以及在设计中被我引用或参考的论著的作者。本研究及学位论文是在我的指导导师向贤兵副教授的亲切关怀和悉心指导下完成的。他深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成,向老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。两年多来,向教授不仅在学业上给我以精心指导,同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀,在此谨向向老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 参考文献：1 向贤兵,杜礼春合编.热工控制系统运行与维护.北京：中国电力出版社,2012年2 向贤兵、曾蓉编著华电四川珙县发电有限责任公司600MW机组超临界机组系列培训教材热工自动化分册M重庆电力高等专科学校,2008年3 边立秀等编著.热工控制系统.北京: 中国电力出版社,2002年4 D. E. Seborg 等著.过程的动态特性与控制.北京：电子工业出版社,2006年5 谢碧蓉主编.热工过程自动控制技术.北京: 中国电力出版社,2007年6 王建国等编.电厂热工过程自动控制.北京：中国电力出版社,2009年
