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              第六章 汽包給水控制系統試驗(2)
              發布日期:2018-09-13 來源:  瀏覽次數:

              一、給水控制對象的動態特性

              (一)      給水流量擾動下汽包水位的動態特性

              在給水流量階躍擾動作用下,水位控制對象的動態特性表現為有起始慣性的無自平衡能力的特點,如圖6-6(a)所示。

              第六章 汽包給水控制系統試驗(2)
              圖6-6   給水流量擾動下汽包水位的動態特性

               

              當給水量增加時,雖然給水流量大于蒸汽流量,但汽包水位一開始卻并不立即增加,而要呈現出一段起始慣性。這是由于給水溫度低于汽包內飽和水的溫度,給水吸收了原有飽和水中一部分熱量,使得水面下汽泡容積減少。當水面下汽泡容積的變化過程逐漸平衡時,水位才由于汽包中儲水量的增加而逐漸上升,最后當水面下汽泡容積不再變化時,水位變化就完全反映了由于儲水量的增加而逐漸上升。

              圖6-6(a)中,H為給水流量擾動下汽包水位的實際變化曲線,可以認為是曲線H1和曲線H2合成的結果。H1為不考慮水面下汽泡容積的變化,僅考慮汽水物質不平衡時的水位反應曲線;H2為不考慮汽水物質不平衡,僅考慮給水過冷度引起的水面下汽泡容積變化時的水位反應曲線。因此,給水流量擾動下汽包水位的動態特性可用傳遞函數表示為:

                             第六章 汽包給水控制系統試驗(2)        (6-11)

              傳遞函數方框圖如6-6(b)所示。

              式中:τ—遲延時間,秒(s);

              ε—響應速度,單位給水流量改變時水位的變化速度[第六章 汽包給水控制系統試驗(2)]。

              6-11式也可寫成:

              第六章 汽包給水控制系統試驗(2)              (6-12)

              傳遞函數方框圖如6-6(c)所示,6-12式是試驗研究中常用的形式。

              響應速度ε也稱飛升速度,可從階躍響應曲線中求?。?/span>

              第六章 汽包給水控制系統試驗(2)         (6-13)

              飛升速度ε與擾動量的大小無關,只與鍋爐的結構、容量有關,鍋爐的容量越大,ε越大。遲延時間τ與省煤器的形式有關,非沸騰式省煤器τ較小,沸騰式省煤器τ較大?,F代大型機組多采用非沸騰式省煤器,τ較小。給水溫度的變化對遲延τ影響較大,給水溫度越低,遲延τ越大,如機組運行中高加解列后會增加給水控制對象的遲延。


              (二)      蒸汽流量擾動下汽包水位的動態特性

              在蒸汽流量階躍擾動作用下,水位控制對象的動態特性表現為起始階段帶有“虛假水位”的無自平衡能力的特點,如圖6-7(a)所示。

              當蒸汽流量突然增加時,由于汽包壓力的下降,汽包內水的沸騰突然加劇,使水中汽泡容積迅速增加而呈現出“虛假水位”的現象:雖然鍋爐的給水量小于蒸發量,但在一開始時,水位不僅不下降反而上升,然后再下降;反之,當蒸汽流量突然減少時,水位不僅不上升反而下降,然后再上升?!疤摷偎弧钡淖兓日扔谡舭l量擾動大小和壓力變化速度。當“虛假水位”消失后,水位按積分規律變化,呈現出無自平衡的特點。

              圖6-7(a)中,H為蒸汽流量擾動下汽包水位的實際變化曲線,可以認為是曲線H1和曲線H2合成的結果。H1為不考慮水面下汽泡容積的變化,僅考慮汽水物質不平衡時的水位反應曲線;H2為不考慮汽水物質不平衡,僅考慮給水過冷度引起的水面下汽泡容積變化時的水位反應曲線。因此,蒸汽流量擾動下汽包水位的動態特性可用傳遞函數表示為:

              第六章 汽包給水控制系統試驗(2)             (6-14)

              式中:K2—曲線H2的放大倍數;

              T2—曲線H2的時間常數;

              ε—曲線H1響應速度,單位蒸汽流量改變時水位的變化速度[(mm/s)/(t/h)]。

              傳遞函數方框圖如6-7(b)所示。

              第六章 汽包給水控制系統試驗(2)
              圖6-7   蒸汽流量擾動下汽包水位的動態特性
               

               

              (三)      燃料量擾動下汽包水位的動態特性

              當燃料量突然變化時,水位控制對象的動態特性與蒸汽流量擾動下汽包水位的動態特性非常相似,同樣表現為起始階段帶有“虛假水位”的無自平衡能力的特點。不同的是,無論是增加或是減少燃料量,“虛假水位”現象都沒有蒸汽流量擾動下嚴重,而且遲延時間較長。

               

              二、汽包水位動態特性的特點

              汽包水位動態特性有以下三個特點:

              (1)      具有遲延(遲延時間τ):給水量改變后,水位并不立即改變,遲延時間τ與省煤器的形式和給水溫度有關,非沸騰式省煤器τ較小,沸騰式省煤器τ較大;給水溫度越低,遲延τ越大。

              (2)      具有“虛假水位”現象:負荷增加時,蒸發量大于給水量,但水位不是下降反而迅速上升;負荷突然減少時,蒸發量小于給水量,水位不是上升而是先下降,然后再迅速上升。虛假水位的變化情況與鍋爐的特性有關,與負荷變化的形式和速度有關。在鍋爐發生MFT以及在汽機甩負荷時,虛假水位現象特別嚴重。

              (3)      水位對象無自平衡能力(自平衡系數ρ=0)。單位階擾下,水位的最大變化速度ε與鍋爐的結構和容量有關,機組容量越大,ε越大,水位變化快,更難控制。

               

              三、汽包水位動態特性試驗的基本方法

              給水流量擾動下汽包水位動態特性試驗的基本方法如下:

              (1)      保持機組負荷穩定、鍋爐燃燒率不變;

              (2)      給水控制置手動,手操并保持在下限水位穩定運行2min左右;

              (3)      一次性快速改變給水調節門開度,使給水流量階躍增加15%額定流量左右;

              (4)      保持其擾動不變,記錄試驗曲線;

              (5)      待水位上升到上限水位附近,手操并保持在上限水位穩定運行;

              (6)      一次性快速改變給水調門開度,使給水流量階躍減小15%額定流量左右;

              (7)      保持其擾動不變,記錄試驗曲線;

              (8)      待水位降到下限水位附近結束試驗。

              重復上述試驗2~3次,分析給水流量階躍擾動下汽包水位變化的飛升特性曲線,求得其動態特性參數e(飛升速度)和t(遲延時間)。

               

              四、引進型300MW機組汽包水位控制對象的動態特性模型

              (一)      給水流量擾動下汽包水位的動態特性

              考慮到在給水流量擾動試驗過程中對機組運行安全性的影響,選擇在250MW負荷工況下進行試驗。在此工況下,給水泵出力有較大的裕量,若試驗中汽包水位下降過快,運行人員可及時進行干預。選擇10%的擾動量,不會影響機組的安全運行,又能獲得比較明顯的試驗效果。

              在250MW負荷工況下,汽包水位控制切為手動控制;手操迅速改變汽泵轉速,使給水流量迅速減少92t/h(10%),記錄給水流量擾動試驗曲線。通過試驗曲線求得汽包水位控制對象在給水流量擾動下的遲延時間τ和響應速度ε,從而求出汽包水位控制對象在給水流量擾動下的傳遞函數為:

              第六章 汽包給水控制系統試驗(2)

               

              (二)      蒸汽流量擾動下汽包水位的動態特性

              為了盡量使蒸汽流量擾動試驗為階躍擾動,切除DEH的功率和一級壓力控制回路,把DEH切至硬手操,并用快速回路操作,直接改變調門開度來改變蒸汽流量。在不同負荷工況下分別進行開調門和關調門的擾動試驗,根據試驗曲線求得的汽包水位控制對象傳遞函數見表6-3。

              表6-3   蒸汽流量擾動下汽包水位的傳遞函數

              試驗工況

              虛假水位mm

              ε

              T2

              K2

              傳遞函數

              1

              +39.6

              1.35

              15.3

              0.582

              第六章 汽包給水控制系統試驗(2)

              2

              -54

              3

              20.7

              0.554

              第六章 汽包給水控制系統試驗(2)

              試驗工況1:調門開度24%30%;負荷217MW250MW;蒸汽流量改變136t/h。

              試驗工況2:調門開度30%22%;負荷250MW178MW;蒸汽流量改變225t/h。

              從試驗結果來看,蒸汽流量擾動下汽包水位控制對象的特征時間常數T2和響應速度ε,在降負荷過程中比升負荷過程中要大。

               

              (三)      燃料量擾動下汽包水位的動態特性

              試驗前,負荷為221MW, 總燃料量為98.7t/h,汽包水位控制置手動;切除磨煤機D (15.1t/h),擾動量為15.3%;記錄擾動試驗曲線。

              從燃料量擾動試驗曲線上看,虛假水位現象并不嚴重 ,而且滯后時間很短(τD=16s)。說明300MW機組的鍋爐具有一定的熱慣性,燃料量擾動下汽包水位的虛假水位并不嚴重,因此不必在汽包水位控制回路中引入燃料量微分前饋信號。

               

               

              五、給水調節閥的流量特性試驗

              (一)  給水調節閥的流量特性

              給水調節閥的流量特性是指流過調節閥門的流量與閥門開度之間的關系,可用相對量表示為:

              第六章 汽包給水控制系統試驗(2)            (6-15)

              式中:W—給水流量(t/h);

              μ—給水調節閥的閥門開度;

              調節閥的流量特性由調節閥的結構特性所決定,但流過調節閥的流量不僅決定于調節閥的開度,而且也決定于調節閥前后的壓差以及整個給水管路系統的工作情況。

               

              (二)  調節門流量特性質量要求

              新投入使用或檢修后的調節門(給水泵出口調節門、啟動給水泵出口旁路調節門)都應進行流量特性試驗,滿足以下質量要求是調節系統獲得較好調節品質的基礎:

              (1)      給水泵出口調節門全開時的最大流量應滿足單臺給水泵最大負荷要求,并有10%的裕量;啟動給水泵出口旁路調節門全開時的最大流量應滿足30%機組負荷下的流量要求,并有10%的裕量。

              (2)      調節門全關時,漏流量應小于調節門最大流量的10%。

              (3)      調節門特性曲線的線性工作段應大于全行程的70%,其回程誤差不大于調節門最大流量的3%。

              (4)      調節門的死行程應小于全行程的5%。

               

              (三)  給水調節門流量特性試驗的基本方法

              給水調節門流量特性試驗的基本方法如下:

              (1)      試驗前檢查調整門全開時給水壓力是否達到額定值,否則應通過調整抬高給水壓力;

              (2)      試驗時,置給水調節于手動控制方式;

              (3)      在機組運行工況穩定的情況下,手動單方向間斷地開大調節閥,每次以10%幅度為宜,直至調節閥全開;

              (4)      然后再以同樣方式關小,直至全關;

              (5)      每次減小或開大操作都必須待流量穩定后進行。

               

              六、給水閥擾動時給水量對象的動態特性

              給水調節門在線性工作段變化時給水量的變化可以看作一階慣性環節:

              第六章 汽包給水控制系統試驗(2)         (6-15)

              式中:K—被控對象放大系數;

                        Tc—被控對象時間常數;

              根據水位和給水量動態特性試驗得到的參數及對象的傳遞函數,可以通過在計算機上進行系統仿真,初步求得調節系統主副回路調節器的參數。

               

              第四節   給水控制系統的投入及擾動試驗

               

              一、汽包鍋爐給水調節的控制方式

              給水系統一般配置3臺50%B-MCR容量的調速給水泵,給水泵組有兩種組合形式,200MW及以下等級的機組3臺全部配置為電動調速給水泵,300MW及以上等級的機組一般配置2臺汽泵、1臺電泵,2臺汽泵作為機組正常運行時的投用,1臺電泵在機組啟動時投用并作為汽動給水泵投用時的事故備用。

              圖6-8為某600MW機組的給水控制系統圖

              第六章 汽包給水控制系統試驗(2)
              6-8   給水控制系統圖

              給水調節閥則與調速給水泵相配合參與汽包水位控制,給水調節閥門組通常由低負荷調節閥(給水旁路調節閥)和高負荷調節閥(主給水調節閥)組成。

              汽包水位控制系統還包括單沖量汽包水位控制和三沖量汽包水位控制2種控制方式。

              給水調節的控制方式隨著鍋爐負荷的變化而進行改變,以滿足汽包水位全程自動控制的需要。

              在低負荷運行期間,必須由給水泵對給水壓力進行控制,汽包水位則由給水調節閥門組來控制。

              在0%~15%負荷時,由給水旁路調節閥改變給水流量來控制汽包水位,主給水調節閥全關。由于低負荷下蒸汽流量和給水流量測量誤差較大,而且熱力系統中汽水流量也不平衡,所以這期間采用汽包水位的單沖量控制。單沖量控制系統沒有給水流量反饋,也沒有主汽流量前饋,水位調節的品質是不高的。

              在15%~20%負荷中的某一點,控制系統從單沖量控制方式自動切換為三沖量控制方式;在 20%負荷以上,控制系統保持三沖量控制方式。

              在20%負荷時,主給水調節閥釋放,參與汽包水位調節。

              在25%~35%負荷期間,給水旁路閥的工作點逐漸下移,由100%最終關至0%。主給水調節閥的參與調節和給水旁路閥的退出調節,控制系統是平滑而無擾動的。

              在25%負荷時,給水壓力自動切換為給水調節閥門組控制,汽包水位由給水泵調速控制。

              在40%負荷以上,主給水調節閥全開。

              當一臺電泵和一臺汽泵并列運行投入自動控制時,由于電泵和汽泵的工作特性曲線不一樣,如果用一套PID參數同時去控制,很容易導致電泵和汽泵的不穩定運行,出現搶水現象(并列運行的電泵和汽泵由于出口壓力不同,而導致每臺泵的出口流量相差較大),這將會影響機組的安全運行。因此,對電泵和汽泵的控制宜采用不同的PID控制器,并且針對給水泵對象特性的差異設置不同的PID參數,以取得更好的控制效果。

               

               

              二、單沖量和三沖量水位控制方式切換

              單沖量控制系統采用汽包水位一個參數進行控制,如圖6-9(a)所示,它是汽包水位自動控制中最簡單、最基本的一種形式,是典型的單回路定值控制系統。單沖量水位控制系統不能克服負荷變化時產生的“虛假水位”,將使調節器反向動作,調節品質不好。單沖量水位控制系統負荷變化時的調節不及時,要等到水位產生偏差后調節器才動作,滯后時間太長;當給水系統發生擾動時(如給水泵壓力變化),也要等到水位產生偏差時調節器才動作。

              三沖量控制系統引入蒸汽流量信號,不僅可以補償“虛假水位”所引起的誤動作,而且使給水調節動作及時;引入給水流量信號,可以補償調節閥的非線性工作特性。

              第六章 汽包給水控制系統試驗(2)
              圖6-9   單沖量和三沖量汽包水位控制

               

              如圖6-9(b)為常見的串級三沖量汽包水位控制方案,汽包水位控制系統設計為在給水流量反饋控制基礎上引入蒸汽流量前饋沖量而構成的。它包含給水流量控制回路和汽包水位控制回路兩個控制回路,實質上是蒸汽流量前饋與水位—流量串級系統組成的復合控制系統。當蒸汽流量變化時,鍋爐汽包水位控制系統中的給水流量控制回路可迅速改變給水量以完成粗調,然后再由汽包水位調節器完成水位的細調。

              調試時,應該檢查單沖量/三沖量切換的邏輯是否正確設置。采用給水流量信號作為單沖量/三沖量切換的條件是不正確的,因為機組在低負荷階段給水流量變化較大,將導致單沖量/三沖量頻繁切換,使得汽包水位控制效果不佳。

               

              三、給水壓力與給水流量控制結構的轉換

              低負荷階段,由給水泵控制給水壓力,汽包水位由給水調節閥控制;當負荷(蒸汽流量)大于某設定值(如25%)以后,由給水泵控制汽包水位,給水壓力由給水調節閥控制。

              圖6-10是給水壓力與給水流量控制結構轉換的一種實現方案,在西門子公司的給水控制策略中經常采用。當蒸汽流量小于25%時,大選模塊輸出>0,限制器對控制偏差不起作用;給泵控制器得到的是給水壓力控制偏差信號,調節閥控制器得到的是水位控制偏差信號。當蒸汽流量大于25%以后,大選模塊輸出等于0,限制器對控制偏差起作用,限制器輸出均為0;給泵控制器得到的是水位控制偏差信號,調節閥控制器得到的是給水壓力控制偏差信號。

              第六章 汽包給水控制系統試驗(2)

              圖6-10   給水壓力與給水流量控制結構的轉換

               

              四、給水調節閥的切換

              給水調節閥門組由低負荷調節閥(給水旁路調節閥)和高負荷調節閥(主給水調節閥)組成,在低負荷情況下則由旁路閥調節,高負荷時切換至主給水調節閥進行調節。給水調節閥門組可以接受水位控制偏差信號,也可以接受給水壓力控制偏差信號,控制方式的切換取決于負荷工況,參見“給水壓力與給水流量控制結構的轉換”。

              圖6-11是給水調節閥門組根據負荷進行控制切換的一種實現方案。當負荷小于20%時,a點信號為負值,主給水調節閥保持全關,由旁路閥進行調節;當負荷大于20%以后,a點信號為正值,小選模塊允許三沖量控制或給水壓力控制偏差信號b傳遞給主調門控制器。

              主調門的可調范圍隨負荷升高而成比例擴大,負荷從20%升至30%時,主調門的可調范圍由0%擴大至100%。

              當負荷為20%~25%時,給水調節閥門組的兩個閥門都參與調節;當負荷大于25%以后,旁路閥的開度逐漸減小,其可調范圍隨負荷升高而成比例減??;負荷大于35%以后,c點信號為負值,旁路閥全關。

              若旁路閥故障切手動,T1置B,將K1=25%加至小選回路,使a點信號為正值,讓主調門進行調節;若主調門故障切手動,T2置B,將K2=30%加至小選回路,使c點信號為正值,讓旁路閥進行調節。

               

              第六章 汽包給水控制系統試驗(2)
              圖6-11   給水調節閥的切換

               

              五、汽包水位控制系統定值擾動試驗

              機組負荷大于25%以后,汽包水位由兩臺汽動調速給水泵控制,控制系統為三沖量控制方式。

              汽包水位定值擾動試驗步驟:

              (1)      檢查軟件組態和定值及參數設置,確認調節器作用正確,參數合理。

              (2)      通過模擬試驗分別檢查各子系統內回路設定值生成回路。

              (3)      確認該系統各信號變送器投入運行,工作正常。

              (4)      待機組運行工況滿足自動系統投運要求,汽包水位接近設定值,將系統投入自動,系統調節穩定。

              (5)      汽包水位穩定在設定值15分鐘后,開始進行定值擾動試驗。

              (6)      解除系統設定值的速率限制,階躍改變汽包水位設定值(擾動量為:300MW等級以下機組40mm,300MW等級及以上機組60mm),觀察系統調節閥響應情況及汽包水位的變化趨勢,記錄試驗結果。

              (7)      計算汽包水位的最大動態偏差、最大穩態偏差、穩定時間并記錄。

              (8)      恢復系統設定值的速率限制,結束試驗。

              圖6-12為一臺300MW機組汽包水位定值擾動的試驗曲線,擾動量為60 mm。擾動試驗表明:水位控制的過渡過程衰減率Ψ=0.8,穩定時間為4~5 min,水位靜態偏差為10mm,調節品質符合要求。

               

               第六章 汽包給水控制系統試驗(2)

              1—水位設定值;2—汽包水位;3—給水流量

              圖6-12  汽包水位定值擾動試驗 


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