锅炉汽包水位串级三冲量控制系统设计与应用_张子才
2011年4月第30卷第4期
研究与开发
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锅炉汽包水位串级三冲量控制系统设计与应用
张子才 龚争理 黄良沛 王少力
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1
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2
(1. 湖南科技大学湖南省机械设备健康维护重点实验室 湘潭 411201;
2. 湖南中联重科专用车有限责任公司研发部 长沙 410007)
摘 要:针对锅炉汽包水位存在“虚假水位”的问题, 设计了基于锅炉汽包水位串级三冲量给水的控制系统。该系统结合P LC 技术和变频器技术在电厂启动锅炉系统中得以应用, 结果表明串级三冲量加前馈给水控制系统可以及时消除负荷(蒸汽量)
变化和给水流量波动的干扰, 较好地克服了虚假水位现象, 能够使汽包水位快速达到稳定运行要求, 从而对锅炉汽包水位实现了实时的最优控制。
关键词:虚假水位; 汽包水位串级三冲量; PID 中图分类号:T B114. 2 文献标识码:A
Design and application of boiler steam level
control system based on cascade three -impulse
Zhang Zicai 1 Gong Zhengli 1 H uang Liangpei 1 Wang Shaoli 2
(1. Hunan University of Science &Technology , Hunan Provincial Key Laboratory of Health M aintenance for Mechanical
Equipment , Xiangtan 411201, China ; 2. H unan Zoomlion Special Vehicle Co . , Ltd . R &D , Changsha 410007, China )
Abstract :In order t o solve the problem of false w ater level existed in boiler steam drum level , a boiler steam level con trol sy stem based on cascade three -impulse is p roposed . Together with PLC technology and f requency inverter technology , the sy stem has been used in p ractical application . The results show that th ree -impulse cascade plus feedf orw ard cont rol sys -tem can p romptly eliminate the interference of vapor load and rate f luctuation of feedw ater , and overcome the false w ater phenom enon . The sy stem can m ake the w ater keep stable operation , so it realize the real -time and optimal cont rol of boiler steam drum level . Ke ywords :f alse w ater level ; steam drum level cascade three -impulse ; PID
0 引 言
锅炉是发电和供热生产过程中的主要动力设备, 汽包水位则是确保安全生产、稳定性、经济性以及提供优质蒸汽的一个重要监控参数, 必须保持在某一期望值附近[1]。它反映了锅炉蒸发量和给水量之间的一种动态平衡关系。水位高会导致蒸汽带水进入过热器并在过热管内结垢, 使传热效率和蒸汽品质下降, 影响供气的质量; 过低时会破坏部分水冷壁的水循环, 影响省煤器运行效率, 甚至造成干锅和锅炉爆炸的危险。因此汽包水位必须控制在一定范围内, 而影响锅炉水位的因素很多, 最主要的是蒸发量
[2-4]
和给水量的波动。
汽包锅炉给水控制系统的作用是使锅炉的给水量自
动适应锅炉的蒸发量, 维持汽包水位在一定范围内波动, 这对机组的安全、稳定、经济运行有着重要的影响[5-6]。由于控制对象在给水量扰动时有一定的惯性, 而且在负荷扰动时又存在“虚假水位”, 采用串级三冲量给水控制系统能有效地消除这些扰动。该系统以汽包水位为主信号, 任何导致水位变化的扰动都会使调节器动作; 蒸汽流量是前馈信号, 它的作用是防止“虚假水位”引起的调节器的误动作, 改善蒸汽流量扰动时的调节质量; 给水流量是介质反馈信号, 因给水流量信号对给水流量变化的响应很快, 使调节器能够在水位还没变化时就对前馈信号的变化作出反应, 消除内扰, 使调节过程比较稳定, 充分保证了调节系
[7-9]
统的稳定运行。
收稿日期:2011-1
*基金项目:湖南科技大学研究生创新基金S090110资助项目
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1 三冲量调节系统工作原理
汽包水位是锅炉稳定运行的重要参数之一。如图1所示, 在稳定状态下, 锅炉里面的水位在理想情况下应保持为一个恒值, 但实际上不可能达到这种要求。一般控制汽包水位围绕设定值有小范围的波动, 波动越小, 越有利于锅炉的稳定运行。
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图2 汽包水位三冲量控制系统原理
由锅筒水位变送器、外回路调节器PID 和内回路组成的外回路, 其作用是校正水位偏差, 使水位等于设定值。采用以蒸汽流量D 为前馈信号的前馈控制, 其作用是使给水量很快跟踪蒸汽流量的变化, 克服虚假水位现象引起的变频器误动作和水位过大波动。
内回路采用PID 控制快速消除控制通道的给水扰动, 起粗调作用, 外回路采用预测PID 控制用以克服蒸汽流量变化产生的扰动, 起细调作用。2. 2 汽包水位三冲量串级控制系统硬件构成
由于在蒸发量、给水量发生变化时, 水位不能立即跟着作动态线性变化, 尤其在蒸发量发生较大突变时, 会发生虚假水位的现象, 针对汽包水位对象的这一特点, 经过综合考虑, 为天津北疆发电厂2台50t /h 蒸汽锅炉设计了基于PLC (Unity ) 和IFI X4. 0的锅炉三冲量串级给水控制系统, 该系统硬件构成如图3所示, 主要由PLC 控制器、3台水泵机组、变频器、各种传感器、各种调节阀、上位机部分等组成。
锅筒水位是用液位传感器进行检测, 液位传感器能够将液位信号开始转化为静压信号, 然后转化为标准电信号, 即4~20m A 的电流信号, 最后在程序中将电流信号转化成对应的0~16000的数字信号, 对现场进行控制。
锅筒水位共分6级, 从下至上分别是65m m 、-40m m 、-25m m 、0mm 、25m m 、70m m 。锅炉汽包的正常水
位一般在汽包中心线至其以下70m m 范围内, 运行中通常将水位波动限制在±70m m 范围内。当给水箱水位达到2时, 关泵; 达到3时, 则开泵、开阀; 当达到5时, 则关阀。汽包水位太高会使蒸汽大量带水; 水位太低可能使下降管带汽以至破坏水循环。随锅炉容量的增大, 汽包的容积相对也愈来愈小, 因而容许存水的变动量也就愈小。如果给水量与蒸发量不相适应, 几分钟内就可能发生缺水或满水事故。可见汽包水位采用自动调节控制很重要, 控制系统采用下位机(PLC ) 自动和手动控制、上位机(工控机) 自动、手动控制和就地手操相结合的方式, 来保证整个系统可靠地运行。下位机自动控制时, 通过执行施耐德程序, 实施对整套设备的控制和显示等。上位机自动、手动控制时, 能实时控制系统现场设备的生产过程。就地手操时, 相应的设备从整个系统中解列出来, 由操作人员在就地设备上进行操作。以上自动、手动和就地之间都是平滑无扰动的相互切换。
图1 汽包水位控制系统原理
在稳定状态下, 水位信号的测量值(电流信号I H ) 应等于锅炉水位设定值(I h ) , 蒸汽流量(I D ) 和给水流量(I W ) 则应达到一种动态的平衡关系。即满足如下关系:
I H +I D -I W -I h =0(1) 当给水流量信号I W 等于蒸汽流量信号I D 时, 则水位信号I H 就等于I h , 即汽包水位稳定在某一给定值, 此时, 阀门开度正好处于一个保持系统平衡的位置。而当锅炉负荷突然增大时平衡破坏, I D >I W , 则阀门开大, 增大给水流量的值。而与此同时也会随之出现“虚假水位”, 使水位输出信号随之增大, 两个反馈回路的作用能有效抵消这一变化, 这样就减小甚至消除了“虚假水位”对系统的影响。
当锅炉负荷下降时I D
2 三冲量串级给水控制系统设计
2. 1 汽包水位三冲量串级控制系统原理
根据三冲量串级调节系统原理设计的系统方框图如图2所示。
从图2可以看出, 3个冲量在系统中形成了2个闭合回路, 即由给水流量变送器、内回路调节器PID 、变频调节器、三台水泵电机组组成的内回路, 其作用是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当蒸汽负荷改变时迅速调节给水流量, 以保证给水流量和蒸发量平衡, 它是一个快速回路。
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图3 三冲量串级控制系统硬件构成
3 三冲量串级给水控制系统应用
整个启动锅炉控制系统分为下位机和上位机两部分, 通过以太网通讯, 实现下位机与上位机数据的高速交换。
下位机选用Schneider Q uantum Unity Pro 系统采集现场数据(如温度、液位、压力等) 和控制现场设备, 上位机
选用Intellu tion 公司的IFIX PL US SCA DA PA K 4. 0监
控软件以组态画面的形式实时显示生产过程的各种参数与报表、报警和历史查询信息, 通过设置工艺和监控参数实时控制锅炉工作过程, 锅炉控制系统主界面如图4所示。
图4 启动锅炉控制系统主界面
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串级加前馈三冲量给水控制是采用数字PID 位置式闭环反馈系统, 锅筒水位作为主参数, 并引入蒸汽流量来修正虚假水位, 同时引入给水流量来修正锅筒水位与蒸汽流量的计算误差。当锅筒水位处于某处位置时, 控制给水调节阀至相应位置, 从而控制锅筒的进水量, 使锅筒水位在小范围内变化, 实现连续给水, 有助于提高蒸汽品质, 减
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少水泵启停次数, 延长水泵使用寿命。
自己编写了A djvalve (调节阀) , Elvalve (电动阀) , M ot or (电动机控制) , Pmp (泵) , Spid (单PID ) , Thpid (三冲量PID ) 等多个DFB 和主程序S TRBOIL . PRJ 来实现联锁保护、实时采集现场数据和锅炉运行参数设置等, 参数设置图如图5所示。
图5 锅炉运行参数设置图
锅炉运行参数设置主要包括:汽包水位三冲量PID 内、外回路调节、减温水PID 调节以及引风门PID 调节。
1) 外回路(汽包水位调节) :当在上位机IFIX4. 0监控界面对PID 调节器选择自动或者手动时, 在另一台工控机上用Unity 软件同时进行在线监测, 将PID 调节器上的SV 值作为设定值, 实际水位测量值(PV ) 作过程值, SV 输入能够跟踪PV 输出的值, 可实现手动/自动之间的无扰切换。
2) 内回路(给水流量调节) :实际给水流量测量值作过程值(PV ) , 外回路的输出、水泵电机的参数和蒸汽量的扰动信号作设定值(SV ) , 外回路输出跟踪内回路输出设定值SV [10-12]。
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(下转第53页)
4 结束语
天津北疆发电厂2X1000MW 机组启动锅炉控制系统
通过实际运行检验, 该控制系统能及时跟踪汽包水位的动态特性, 改善其特定工况下的控制品质, 保证系统的快速负荷响应以及汽包水位安全性。控制比较稳定, 数据传输实时可靠, 监控程序功能完善, 预警功能突出, 系统调试与维护方便, 具有很强的实践推广价值。
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再与常开触点0104(二号马达加强电) 串联, 输出0600(二号功放加强电) 。图3与图2的不同点是故障屏蔽点0015为常开触点, 说明正常时0015不导通, 故障屏蔽键为弹起状态, 只有热保作用。当需屏蔽时, 按下此键使之导通, 0006、0007将不起作用而被屏蔽掉。所以我们设置的故障屏蔽键既可以屏蔽急停、拔清、±15V 电源联锁、仓门等主故障, 又可以屏蔽电机热保护故障。3. 3 方法比较
对上述两方法进行比较我们可以发现, 电路屏蔽法虽然简单, 但要准备很多短接线, 当执行任务时需把其短接, 引出线太多而且容易引起回路故障, 任务结束后我们还必须恢复, 工作程序比较繁琐; PLC 程序屏蔽法不仅简单, 而且快捷方便
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作者简介
。
4 结束语
我们所作的应急处理方法需不断改进, 才能确保海上
每一次测控任务的圆满成功; 目前天线控保所用PLC 的输入输出点还有很多余量, 现行逻辑控制软件尚不完美, 有待在今后的实践中进一步完善。希望本文所述方案能够起到一定的参考价值。
参考文献
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(上接第46页)
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作者简介
张子才, 硕士, 研究方向为机械系统动态监测与控制。黄良沛, 教授, 主要从事机电液控制、信号测试方面的研究工作。
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