基于XDPS组态的火电机组给水控制系统的设计与仿真毕业设计.docx
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基于XDPS组态的火电机组给水控制系统的设计与仿真毕业设计
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1引言
汽包水位是锅炉运行中的重要参数，它间接地表示了锅炉负荷和给水量的平衡关系。
维持汽包水位是保持机组安全运行的重要条件，给水调节的任务是使给水量适应锅炉蒸发量，并维持汽包水位在允许范围内变化。
锅炉汽包水位过高，影响汽包内汽水分离装置的正常工作，造成出口蒸汽中水分过多，结果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，直接影响机组运行的经济性和安全性；汽包水位过低，则可能使锅炉水循环工况破坏，造成水冷壁管供水不足而烧坏。
因此加快了负荷变化时水位的变化速度，对给水控制也提出了更高的要求，但若企图用人工控制给水量来维持汽包水位不仅操作繁重，而且是非常困难的。
所以，对200MW以上的单元机组，都要求设计具有能实现全程调节的给水自动调节系统，这种控制系统扩大了调节范围，是具有逻辑保护功能的调节系统，是程序控制、保护和自动调节相结合的综合性调节系统，比常规调节系统功能更全，更先进，特别适用于调峰机组和启动频繁的锅炉[1]。
所以，为减轻运行人员的劳动强度，保证锅炉的安全稳定运行，提高机组的效率，实现给水系统的全程自动控制也是非常必要的。
1．1火电机组给水控制的发展现状和意义
锅炉是一种受压又直接受火的特种设备，是工业生产中的常用设备。
对锅炉生产如果操作不合理，管理不善，处理不当，往往会引起事故，轻则停炉影响生产，重则造成爆炸，造成人身伤亡，损坏厂房、设备，后果十分严重。
因此，锅炉的安全问题是一项非常重要的问题，必须引起高度重视[2]。
工业锅炉中最常见的事故有：
锅内缺水，锅炉超压，锅内满水，炉管爆破，炉膛爆破，二次燃烧，锅炉灭火等，其中以锅炉缺水事故比例最高。
这些事故中的大部分是由于锅炉水位控制不当引起的，可见锅炉汽包水位控制在锅炉设备控制系统中的重要性。
电机组全程给水控制系统，在机组启停过程、正常运行以及负荷变化的过程中都能实现锅炉给水的自动控制。
锅炉是人类供热，取暖的主要来源，随着生产力的发展和对锅炉容量、参数要求的不断提高，锅炉技术也得到长足发展。
随着我国国民经济快速发展，我国电力发展迅速，利用大容量、高参数机组的新技术生产出一批大容量火电机组。
发电机组工作时，锅炉给水流量波动会对机组负荷、温度、主蒸汽压力、蒸汽流量等重要参数产生影响，锅炉给水控制成为控制锅炉主蒸汽温度的一个重要手段。
随着单元机组容量的增大和参数的提高，随着生产机组的参数提高和容量增大，机组在生产过程中需要被监控的地方开始增多，为了机组安全经济运行，实现锅炉给水全程自动控制来得迫切而有必要。
近几年，我国350MW、600MW的火电机组都已经开始采用先进的分散控制系统，对整个生产过程进行监视与控制，保证生产过程的安全。
我们都知道，锅炉的负荷与参数不同，会影响被控对象的动态特性。
低负荷时，蒸汽参数也低，“虚假水位”现象不明显，对水位平衡的要求低，因此可以采用单冲量给水控制系统，使用调节阀对水位进行适当调节。
高负荷会造成水位动态特性的繁杂，汽包水位存在严重的“虚假水位”，这时要采用三冲量给水控制系统对锅炉水位进行适当调节。
下面以我国外高桥在该领域的发展做一个介绍。
在我国，上海外高桥是世界上第一个冲破实际运行供电煤耗280克/千瓦时整数关口的发电厂，这是值得所有人骄傲的事。
该公司2008年公布，两台机组在负荷率仅为74%，实际运行供电煤耗就达到了287.4克/千瓦。
2009年供电煤耗实现282.16克/千瓦时，2010年突破280克/千瓦时大关，大大领先世界其他国家，成为世界火电行业的节能减排新标杆的同时，同时推动了经济发展。
目前，许多发电厂的汽包锅炉给水全程控制系统在机组启动和低负荷阶段，自动投入率不高，原因有两方面，一方面是控制方案不够完善，另一方面，是被空对象可控性差。
因此，发电厂对汽包锅炉给水全程控制系统的研究都在控制系统的启动、低负荷和高负荷等阶段进行改进。
由此可见，在火力发电行业，所有企业都不断在为了节能这一不变的课题在研究，而节能之后，紧随而来地锅炉给水控制也同样要随之改变。
我们都知道，生产过程自动控制化是降低成本、保证安全、提高劳动生产率的重要手段，锅炉汽包水位是影响锅炉安全运行的重要因素，锅炉汽包水位又受到到锅炉蒸发量、炉膛热负荷以及汽包压力这三要素的影响，最后，燃料供给的多少则会直接影响这三要素的变化，所以，在我们竭尽全力节能的同时，保证锅炉全程自动给水的安全性决不可忽视。
所以，本课题研究的意义实际上是为了实现锅炉汽包水位的自动控制，从而提高生产效率，进而达到经济增长的最终目的。
锅炉全程给水控制系统通常采用以下两种控制方案：
1.一段式给水控制
同样是通过变速给水泵控制汽包水位，利用给水调节阀控制给水母管压力，这一方案的优点是将汽包水位控制系统和给水控制系统结合成为一个整体来考虑，这样做与两段式全程给水控制相比更有利于提高机组的效率以及给水泵安全、高效运行。
利用这种控制方案需要克服汽包水位控制系统和给水控制系统两系统之间的相互影响。
2.两段式全程给水控制
利用给水调节阀控制汽包水位，通过变速给水泵控制给水母管压力，这一方案在一定程度上克服了给水控制系统和汽包水位控制系之间的相互影响，稍显不同的地方是，这种方案不利于机组的经济运行和给水泵的安全运行，最重要的是无法适应较大的负荷变化。
目前，我国将火电建设的重点放在大容量、高参数、高自动化、高效益的机组上来，因而对电厂控制设备可靠性的要求越来越高。
大型机组的控制与运行管理相当复杂，尤其是当机组承担调峰任务时，负荷波动频繁，而且机组的起停次数相应增加。
这时，运行人员要依靠自动化系统的功能，保证机组的安全运行。
因此，大容量发电机组要求具有在不同负荷和工况下，都能充分发挥控制作用的自动调节系统，这就产生了全程给水调节系统。
给水全程控制是现代控制理论发展的必然趋势，它最大程度地节省锅炉从点火升压到带满负荷及至事故状态下紧急停炉的繁杂操作，可以实现对汽包水位又一个高速度、高稳定性的控制过程，提高系统的调节品质。
汽包水位控制系统在国内新建机组中基本都实现了水位全程调节，但是由于当时老机组的控制仪表较落后，技术条件也不够成熟，所以在老机组的控制系统中大多只能实现在高负荷时水位的自动调节，真正实现锅炉全程给水控制的机组还不多。
在最近几年，通过对老机组的技术改造，特别是分散控制系统（DCS）的改造成功，已经使机组的自动化水平上了一个台阶。
一些在常规仪表中无法实现的功能，由于DCS系统的灵活组态及计算机控制技术的优越性已完全可以实现，因而实现对机组各控制系统的全程调节已完全成为可能，这不仅减轻了运行人员的劳动强度，还能够保证锅炉的安全稳定运行，提高机组的效率，可见实现给水系统的全程自动控制的必要性。
1．2本文研究内容及手段
本文主要研究火电机组给水控制系统的设计与仿真，实际上就是研究锅炉汽包水位的控制，基于该目的，以下几个方面地工作是我们要做的：
首先，了解火电厂给水系统的工作特性，明确锅炉汽包水位控制方法。
其次，根据有效分析，明确设计思路，设计有效的方案并进行斟酌再确定。
基于所确定的设计方案，了解整个设计流程并确定算法。
最后，利用MATLAB软件对自动控制过程进行仿真，并利用XDPS组态软件完成全程给水控制系的工程实现，合理设置模拟量报警限值，利用XDPS组态画面同步显示报警记录的归档与查询，并给水三冲量给水控制系统的SAMA图。
2全程给水控制系统
2．1汽包水位简介
汽包水位是汽包锅炉非常重要的运行参数，同时它还是衡量锅炉汽水系统是否平衡的标志，并间接反映了锅炉负荷和给水的平衡关系。
汽包水位维持在一定允许范围内，是保证锅炉和汽轮机安全运行的必要条件。
锅炉汽包水位过高会影响汽水分离器的正常运行，蒸汽品质变坏，使过热器管壁和气轮机叶片结垢导致过热器烧坏，同时蒸汽还会带水，使汽轮机遭受水冲击而损坏设备，严重时过热汽温会产生急剧变化，直接影响机组运行的经济性和安全性。
汽包水位过低则可能使锅炉水循环工况破坏，造成水冷壁管供水不足而烧坏。
尤其是大型锅炉，一旦停止给水，汽包存水会在很短的时间内完全汽化造成重大事故，甚至引起爆炸[3]。
另一方面，锅炉汽包水位还受这几个方面的影响：
随着锅炉工作压力的提高，给水调节阀和给水管道系统相对变得复杂，调节阀的流量特性更不易满足控制系统的要求；随着汽包的个数和体积的减小，使汽包的蓄水量和蒸发面积减少，从而加快了汽包水位的变化速度；随着锅炉容量的增大，负荷变化和其他扰动对水位的影响将相对增大。
由此可见，随着锅炉技术的日益提高，对锅炉给水系统的要求也日渐提高，而目前我国真正能实现全程给水控制的火电机组还很少，因此对全程给水控制进行优化，增强给水系统的控制效果日益迫切。
使给水系统自动化可以减轻运行人员的劳动强度，保证锅炉安全运行[4~5]。
工业锅炉的汽水系统结构如图2-1所示。
图2-1工业锅炉汽水结构
1—
给水母管；2—调节阀；3—省煤器；4—汽包
5—下水管；6—上升管；7—过热器；8—蒸汽母管
汽包及蒸发母管中贮藏着蒸汽和水，贮藏量的多少是以被控制量水位表征的，汽包的流入量是给水量，流出量是蒸汽量，当给水量等于蒸汽量时，汽包水位就恒定不变。
引起水位变化的主要扰动就是蒸汽流量的变化和给水流量的变化。
如果只考虑主要扰动，那么，汽包水位对象的动态特性可用方程式表示为：
（2-1）
式中T1、T2为时间常数，Tw为给水流量项时间常数，Td为蒸汽流量项时间常数，Kw为给水流量项放大系数，Kd为蒸汽流量项放大系数。
2．2被控对象的动态特性
2.2.1给水扰动下汽包水位的动态特性
给水量W的扰动是给水自动控制系统中影响汽包水位的主要扰动之一，因为它是来自控制侧的扰动，又称内扰。
把汽包和给水看作单容量无自衡对象，水位响应曲线应为一条直线。
但由于给水温度比汽包内饱和水的温度低，所以给水量变化后，使汽包内气泡含量减少，导致水位下降。
即当突然加大给水量后，汽包水位一开始并不增加而要呈现一段起始惯性段[6]。
图2-2所示是给水流量作用下，水位的阶跃响应曲线。
把汽包和给水看作单容量无自衡过程，水位阶跃响应曲线如图中H1线。
图2-2给水扰动下汽包水位的动态特性
但是由于给水温度比汽包内饱和水的温度低，所以给水流量增加后，从原有饱和水中吸取部分热量。
这使得水位下汽包容积有所减少，使水位下降，单考虑这个因数，水位的变化如图中曲线H2，相当于一个惯性环节，实际上水位H的响应为H1与H2的和。
当水位下汽包容积的变化过程逐渐平衡时，水位变化就完全反映了由于汽包中储水量的增加而逐渐上升。
最后当水位下汽包容积不再变化时，水位变化就完全反映了由于储水量的增加而直线上升。
因此，实际水位曲线如图2-2中间的曲线。
即当给水量作阶跃变化后，汽包水位一开始不立即增加，而是呈现出一段起始惯性段。
用传递函数来描述时，它近似于一个积分环节和时滞环节的串联。
可表示为：
（2-2）
式中
为迟延时间（s），
为响应速度。
2.2.2蒸汽流量扰动下汽包水位的动态特性
蒸汽流量（蒸汽负荷）对水位的影响，即干扰通道的动态特性在蒸汽流量扰动下，水位响应曲线如图2-3。
从图上可以看出，在燃烧不变的情况下，蒸汽用量突然增加，瞬间必然导致汽包压力下降，汽包内水的沸腾突然加剧，水中气泡迅速增加，将整个水位抬高，形成虚假的水位上升现象，即所谓“虚假水位”现象。
“虚假水位”是由两个原因造成的：
（1）由于锅炉蒸汽负荷增加，使炉管和汽包中汽水混合物的汽、水比例发生变化（蒸汽容积增加）而引起汽包水位上升，这是引起汽包“虚假水位”的主要原因。
（2）蒸汽流量增加，汽包内气压下降，炉水沸点下降，由于炉水为饱和水的汽化，从而使汽包水位随压力下降而升高。
图2-3蒸汽流量扰动下汽包水位的动态特性
当蒸汽流量D突然增加时，从锅炉的物料平衡关系来看，蒸汽量D大于给水量W，水位应下降，如图中直线H1所示。
但实际情况并非这样，由于蒸汽用量的增加，瞬间必然导致汽包压力的下降。
汽包内的水沸腾突然加剧，水中汽包迅速增加，由于汽包容积增加而使水位变化的曲线如图2-3中H2所示。
而实际显示的水位响应曲线H=H1+H2。
从图上可以看出，当蒸汽负荷增加时，虽然锅炉的给水量小于蒸发量，但在一开始时，水位不仅不下降，反而迅速上升，然后在下降（反之，蒸汽流量突然减少时，则水位先下降，然后上升）这种现象称之为“虚假水位”。
应该指出，当负荷变化时，水位下汽包容积变化而引起水位的变化速度是很快的，图中H2的时间常数只有10~20S。
蒸汽流量扰动时，水位变化的动态特性可用函数表示为：
（2-3）
式中，T2为曲线2的时间常数，K2为曲线2的放大系数，
为曲线H的响应速度。
“虚假水位”变化的幅度与锅炉的工作压力和蒸发量有关。
例如，一般100-200t/h的中高压锅炉，当负荷变化10％时，“虚假水位”可达30~40mm。
“虚假水位”现象属于反向特性，其变化与锅炉的气压和蒸发量的变化的大小有关，与给水流量无关[7]。
2.2.3燃料量扰动下汽包水位的动态特性
图2-4燃料量扰动下汽包水位的动态特性
当燃料量B扰动时，必然会引起蒸汽量D的变化，燃料量增加会使炉膛热负荷增加，锅炉吸收更多的热量蒸发强度增加，若此时，汽轮机所带负荷不变，那么随着炉膛热负荷的增加，锅炉出口压力Pd提高，蒸汽流量就会相应的增加上去，然后蒸汽量的变化就会造成“虚假水位”的现象，即水位先上升，随后再下降，响应曲线如图2-4所示。
但是燃料量B的增大只能使D缓慢增大，而且汽包水位还慢慢上升，它将使汽泡体积减小。
因而，燃料量扰动下的假水位比负荷扰动下要缓和得多。
由以上分析可知，给水量扰动下水位响应过程具有纯延迟；负荷扰动下水位响应过程具有假水位现象；燃料量扰动也会出现假水位现象。
所以在给水控制系统里常常引入D、B信号作为前馈信号，以改善外部扰动时的控制品质，而这也是目前大型锅炉给水控制系统采用三冲量或多冲量的根本原因。
2．3汽包水位控制方式
锅炉给水自动调节的任务是使给水量跟踪锅炉的蒸发量，并使汽包液位保持在工艺允许的范围内。
液位控制是有以下三种：
（1）单冲量控制，即以水位为唯一调节信号的单参数、单回路控制系统
（2）双冲量控制，即以蒸汽流量作为补充信号的双参数控制系统
（3）三冲量控制，即以给水流量、主蒸汽流量作为补充信号的三冲量控制系统。
其中，三冲量调节系统还可分为三冲量单级调节和三冲量串级调节。
本文主要讨论单冲量给水控制系统与三冲量给水控制系统的控制原理及过程。
2.3.1单冲量给水控制系统
单冲量给水控制系统是以汽包水位测量信号为唯一的控制信号，即水位测量信号经变送器送到水位调节器，调节器根据汽包水位测量值与给定值的偏差去控制给水调节阀，改变给水量以保持汽包水位在允许范围内。
单冲量给水控制系统是汽包水位控制系统中最简单最基本的一种形式[8]。
图2-5单冲量水位控制系统
如图2-5所示是单冲量给水控制系统。
这种控制结构简单，是单回路定制控制系统，在汽包内水的停留时间较长，负荷又比较稳定的场合下再配上一些锁报警装置就可以安全操作。
然而，在停留时间较短，负荷变化较大时，采用单冲量给水控制系统就不太合适。
这是由于：
①负荷变化时产生的“虚假水位”将使调节器反向错误动作，负荷增大时反向关小给水调节阀，一到闪急汽化平息下来，将使水位严重下降，波动厉害，动态品质很差。
②负荷变化时，控制作用缓慢。
即使“虚假水位”现象不严重，从负荷变化到水位下降要有一个过程，再有水位变化到阀动作已滞后一段时间。
如果水位过程时间常数很小，偏差必然相当显著。
系统方框图如下所示：
图2-6单冲量给水控制系统方框图
单冲量给水控制系统由汽包、变送器、调节器、执行器及调节阀等组成，这种控制系统是典型的单回路定值控制系统。
对于水在汽包内的停留时间较长，且负荷又比较稳定的情况，“虚假水位”现象不严重，采用单冲量控制系统，进行PID调节一般就能满足生产要求。
然而在其他的场合，尤其是在水停留时间较短且负荷变化较大的锅炉中，由于控制作用缓慢，不能及时克服干扰，采用单冲量控制系统就不太合适。
2.3.2双冲量给水控制系统
双冲量给水控制系统是在单冲量给水控制系统的基础上加入了以蒸汽流量信号为前馈信号的锅炉汽包水位控制系统。
如图2-7，由于引入了蒸汽流量前馈信号，当蒸汽量变化时，就有一个与蒸汽量同方向变化的给水流量信号，可以减少或抵消由于“虚假水位”现象而使给水量与蒸汽量相反方向变化的错误动作。
使调节阀一开始就向正确的方向动作。
因而能极大的减小给水量和水位的波动，缩短过程时间。
图2-7双冲量给水控制系统
双冲量控制由于有以上特点，所以能在负荷频繁变化的工程下较好的完成水位控制任务。
在给水流量比较平稳时，采用双冲量给水控制是能够达到控制要求。
双冲量给水控制系统方框图如下所示：
图2-8双冲量给水控制系统方框图
引入蒸汽流量来校正不仅可以补偿“虚假水位”所引起的误动作，而且能使给水调节阀的动作及时，从而提高控制质量。
但这里的前馈仅为静态前馈，若要考虑两条通道在动态上的差异，则还需要引入动态补偿环节。
在给水压力比较平稳时，采用双冲量控制就能达到控制要求。
双冲量给水控制系统存在的问题有：
一是对于给水系统的扰动不能直接补偿。
当给水量发生扰动时，要等到汽包水位信号变化时才能通过调节器操作执行调节，滞后时间长，水位波动大。
二是调节阀的工作特性不是完全线性的，因此要做到静态补偿就比较困难。
2.3.3三冲量给水控制系统
三冲量给水控制系统，以汽包水位为主控制信号，蒸汽流量为前馈控制信号，给水流量为反馈控制信号组成的控制系统。
三冲量水位控制系统组成原理图如图2-9。
图2-9三冲量控制系统
现代工业锅炉都向着大容量高参数的方向发展，一般锅炉容量越大，汽包的容水量就相对越小，允许波动的蓄水量就更少。
如果给水中断，可能在很短的时间内就会产生危险水位；如果仅是给水量和蒸汽量不相适应，也可能在几分钟内出现缺水和满水事故，这样对汽包水位要求就更高了。
三冲量给水控制系统采用蒸汽流量信号对给水流量进行前馈控制，当蒸汽负荷忽然变化时，蒸汽流量信号使给水调节阀一开始就向正确方向移动，即蒸汽流量增加，给水调节阀开大，抵消了“虚假水位”引起的反向动作，因而减小了水位和给水流量的波动幅度。
当由于水压干扰使给水流量改变时，调节器能迅速消除干扰。
如给水流量减少，调节器立即根据给水流量减小的信号，开大给水阀门，使给水流量保持不变。
火电机组给水系统设置有一台电动变速给水泵和两台汽动变速给水泵，电动给水泵作为启动和正常运行时的备用泵。
为了给水泵的安全，在各台泵出口至给水箱之间均安装有给水再循环调节阀，设计了相应的泵最小流量控制系统。
给水操作平台由锅炉给水启动调节阀和主给水电动门构成。
在启动过程中汽包水位主要通过省煤器入口启动调节阀来调节，此时电动给水泵维持一定的转速以克服给水系统的阻力。
机组在正常运行中，给水由三冲量进行调节，通过调节汽动给水泵的转速来维持汽包水位的设定值，此时电动给水泵处于热备用状态。
三冲量给水控制系统有单级三冲量和串级三冲量两种类型，二者都有三个控制回路。
不同之处在于：
单级三冲量只采用一个调节器，接受D、H、W三个信号；串级三冲量采用两个调节器，主调节器只接受水位H一个反馈信号，主要任务是校正水位；副调节器接受D、W信号。
在给水量W和蒸汽量D扰动下，迅速动作，保持汽包给水量与蒸汽量平衡，维持水位不变。
机组在正常运行中，给水由三冲量进行调节，通过调节汽动给水泵的转速来维持汽包水位的设定值，此时电动给水泵处于热备用状态。
整个运行范围，包括给水调节阀控制、汽动给水泵和电动给水泵转速控制及其运行切换，系统均保持稳定。
测量汽包水位的变送器，应为三重冗余，并有压力补偿、比较和选择，采用经温度补偿的汽机第一级压力加上高旁流量用作蒸汽流量测量。
对于大容量蒸汽锅炉水容相对很小，其保有水量越小，从锅炉断水到汽包干锅时间越短，从低水位保护值到危险水位时间也就很短。
水位过高，汽包中蒸汽和水分离不完全，蒸汽带水，少量水滴进入过热器。
会使蒸汽品质恶化，蒸汽含盐量提高，造成汽机叶片积盐。
相反，如果汽包水位较低，会造成锅炉汽包水循环恶化，导致汽包干锅和水冷壁烧损事故。
另外，汽包水位受“虚假水位”的影响也十分严重，如果给水流量与蒸汽流量不相适应，也会很快出现缺水或满水事故。
采用三冲量给水自动调节系统，蒸汽流量信号能克服蒸汽负荷变化引起的虚假水位造成误调节；给水流量信号能迅速消除给水侧扰动，稳定给水流量；汽包水位主信号能消除各种内外扰动对汽包水位的影响，保证汽包水位在允许的范围内。
因此给水控制系统设计有以下特点：
电动给水泵与给水启动调节阀为一组，两台汽动给水泵为一组。
汽动给水泵未运行时，由电动给水泵和给水启动调节阀共同控制，电动给水泵与调节阀同时投自动。
在启动阶段，电动给水泵维持在最低转速下运行。
当调节阀开至最大时，切换至电动给水泵调节。
给水控制的单/三冲量切换在电动泵调给水时实现。
汽动给水泵只设计了三冲量调节系统，并且两台汽动给水泵分别投自动时可以实现无平衡无扰动切换。
当汽动给水泵投自动后，电动给水泵、给水旁路阀均切至手动。
当给水主阀全开时，旁路阀应全关。
当一台汽动给水泵故障跳闸时，备用电动泵应自动投入且自动跟踪汽动泵指令[9~11]。
如图2-10所示为汽动给水泵控制回路原理图。
图2-10汽动给水泵控制回路原理图
当汽泵A或B处于自动方式时。
如果电动给水泵也在运行，则总给水流量指令中应减去电动给水泵运行提供的给水流量。
因此，从总给水流量指令中扣除电动给水泵承担的给水份额，其输出即为汽泵的给水流量指令。
从图中可以看出，给水流量指令平均分配给两台汽泵，汽泵接受给水指令后分别与各自的给水流量进行比较，其偏差送入各自的调节器进行调节从而控制各自给水流量。
另外，为了保证汽泵A、B
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