GBZ21193.2-2008矿物燃烧蒸汽发电站汽包水位控制.pdf 12页

'ICS25．040．40：27．100N18a雷中华人民共和国国家标准化指导性技术文件GB／Z21193．2--2008／IECTR62140-2：2002矿物燃烧蒸汽发电站第2部分：汽包水位控制Fossil—firedsteampowerstations--Part2：Drum—levelcontrol2008-06-18发布(IECTR62140—2：2002，IDT)2009—01_01实施中华厶民共和国国塞质量监督检验检疫总局岩右中国国家标准化管理委员会及111 刖吾GB／Z21193．2--2008／IECTR62140—2：2002GB／Z21193{矿物燃烧蒸汽发电站》分为如下几部分：——第l部分：限幅控制；——第2部分：汽包水位控制；——第3部分：蒸汽温度控制。本指导性技术文件为GB／Z21193的第2部分。本指导性技术文件等同采用IEC／TR62140—2：2002《矿物燃烧蒸汽发电站第2部分：汽包水位控制》(英文版)。为便于使用，对IEC／TR62140—2：2002做了下列编译性修改：——“技术报告”一词改为“指导性技术文件”；——删除IEC／TR62140—2：2002的前言；——删除IEC／TR621402：2002的引言。本指导性技术文件由中国机械工业联合会提出。本指导性技术文件由全国工业过程测量和控制标准化技术委员会第二分技术委员会归IEl。本指导性技术文件负责起草单位：西南大学。本指导性技术文件参加起草单位：机械工业仪器仪表综合技术经济研究所、中国四联仪器仪表集团、西安热工研究院有限公司、北京机械工业自动化研究所、上海工业自动化仪表研究所。本指导性技术文件主要起草人：赵亦欣、潘东波、祝培军。本指导性技术文件参加起草人：冯晓升、刘进、周明、谢兵兵、陈诗恩。 GB／Z21193．2--2008／IECTR62140-2：2002引言本指导性技术文件是一个系列指导性技术文件中的一部分，它包含了对矿物燃烧发电站在控制回路上的正确设计和运行方面的建议。它们是基于目前所采用的技术解决方案，同时为了正确地理解，本指导性技术文件也提出了必要的背景信息。本指导性技术文件提出或包含了特殊的技术解决方案，主要是针对满足相似的用户需求功能，形成一个公认的方法来表示矿物燃烧发电厂操作人员和供应商功能性需要。在给出的时间内，本指导性技术文件被严格地视同为特定的技术解决方案例子，其目的是为了鼓励在该专题上观点统一而促进讨论。本系列里有两种类型的指导性技术文件。第一种类型的指导性技术文件涉及到锅炉的特殊控制回路，如汽包水位控制或蒸汽温度控制，以及它们所处于的正常运行条件。第二种类型的指导性技术文件指出了在限制条件下确保正常运行的特殊方法，例如在上升和下降期间，或者在异常运行状况中，或者它们与机炉主控系统有关，如负荷控制系统或频率控制系统。这些指导性技术文件通常把发电站单元归为一个整体。这个系列中的每个指导性技术文件都是相互独立的，然而，它们的内容很大程度上是相互协调的。这个系列是可以补充的。 GB／Z21193．2--2008／IECTR62140-2：2002矿物燃烧蒸汽发电站第2部分：汽包水位控制1范围本指导性技术文件的主题是自然循环或强制循环的矿物燃烧蒸汽发电站汽包水位控制。本指导性技术文件首先是被控系统的描述、结构及设计、稳态特性、过渡过程特性和扰动特性，然后介绍了必要的控制结构，接下来给出了三种已被验证过的控制回路组态，并给出了各自的应用现场。本指导性技术文件的最后是构成控制回路所必须的各种测量元件和执行器的必要条件。还要依照特殊的国家法定要求，如关于汽包水位的监视及安全装置要求，这也是必须要考虑到的。2被控系统2．1被控系统描述给水是以自然循环或者强制循环的方式流人锅炉的循环系统，并排出饱和蒸汽和最终的软水。如果流人和排出的质量流量之间有差异，循环系统的容量就发生变化，因此，容量的变化是质量流量之差的时间积分。通常，只有循环系统的上汽包水位可用作锅炉容量的测量值，在一些锅炉中有可能存在下汽包，下汽包通常是完全充满了水，因此，与本指导性技术文件没有更多的关系。只要质量流量之间有偏差，上汽包(以后就称为汽包)的水位就会发生变化，因此，汽包水位控制的任务是对应蒸汽流量来调节给水流量，以保证汽包水位在某个界限之内。用于对过热蒸汽减温的喷水流量旁路了汽包水流量，它和为了消除杂质的汽包排污水流量，都应被考虑成扰动变量。然而，主扰动变量是由锅炉产生的蒸汽流量。另外，其他扰动变量，如蒸汽压力、给水压力和炉膛输出也会间接地产生作用。2．2结构和设计被控系统的特性受到下列技术尺寸的影响。2．2．1汽包的大小汽包所要求的最小尺寸通常是由从循环水中分离饱和蒸汽的任务来决定。与锅炉容量有关的汽包越小，水位控制变得越困难，这是由于受到控制特性方面水位最大变化率的影响。2．2．2汽包水位设定点的位置水位设定点是由汽包设计所决定的。水位设定点应设定在使水位的变化率尽可能小的位置。例如，水平圆筒型汽包的中心线处。2．2．3省煤器的大小和位置进入到汽包中的水的焓值应尽可能接近饱和流体的焓值。2．3稳态和过渡特性2．3．1理想控制特性定义一个简单的水位被控系统显示出“积分”特性，可被看作为“非自衡被控制系统”[见图la)]。它可以采用积分时间T。来描述。2．3．2理想控制特性的差异由于各种原因，水位的实际控制特性是与理想控制特性有差异的。然而，并不要求很精确地确定水位的实际控制特性，一个近似值通常已能满足对控制特性的描述。这种差异是基于蒸发介质是水、汽混合物的实际情况而产生。流体的体积量与压力和温度都有关，因此，类似于延迟时间现象的各种现象可能会出现。1 GB／Z21193．2--2008／IECTR62140-2：2002如果省煤器中的预热投有达到沸点温度，控制流量南FW的增加将减少蒸发系统的空隙容量，这会导致水位f的瞬时下降[见图lb)]，这种初始不规则的特性(非最小相位响应，I、m。，是非最小相位响应的时间常数)很难描述，并且，对于实际控制和理论处理都带来了困难。．生．L!．ja)理想特性b)实际特性图1水位的控制特性2．3，3扰动特性为了设计控制结构和装置，并预测可达到的控制性能，除了控制特性以外，还必须要了解扰动特性以及扰动变量在大小、方向和随时间变化的波动情况。主要的扰动变量有：——蒸汽流量变化m。；——蒸汽压力变化p；一t炉膛输出变化mr。图2显示了这些扰动变量可能产生的影响，与它们的传递函数一致。2a)蒸汽流量m。单位阶跃变化mF厂＼b)蒸汽压力p单位阶跃变化c)炉膛输出删，单位阶跃变化图2水位的扰动特性E 3控制任务的系统阐述GB／Z21193．2--2008／IECTR62140-2：20023．1控制设定值期望的运行水位构成了被控变量的设定值(见图3)，它可由操作人员来调节。允许的稳态偏差和瞬时偏差随锅炉的设计而定。任何时候，实际值都不能降到低于许可的最低水位，也不能超过设计允许的最高水位。为了避免控制任务的不必要恶化，最低水位和最高水位之间的距离应设成设计阶段所允许的大小。至少有一个测量设备的测量范围始终大于最低水位和最高水位之间的范围，并且应包括设计的允许限制幅值。平街容器水位撮低的蒸汽提取位设定值盛高的下彳亍管连接位差压引压管必须被考虑的或者j盅拽规定的安全距离最大允许相关的设(P)控制图3汽包的测量和控制范围3．2控制性能要求3．2．1控制性雏定义在汽包水位控制中，控制性能主要是通过稳态控制偏差和瞬时控制偏差(超调量宽度)来表征。3．2．2对控制性能的影响控制性能受到所选择的控制回路配置(见第4章)、被控系统的控制过渡过程特性(见2．3．1和2．3．2)、被控系统的扰动过渡过程特性、特别大和特别快的负荷变化(见2．3．3)，以及测量设备的特性(见5．1)和控制设备的特性(见5．2)的影响。3．2．3控制性能要求稳态控制偏差或瞬时控制偏差不能超过图3中指明的限制，这也适用于负荷变化的情况下，过度严格的要求不会产生运行的有利条件。控制特性应该是完全衰减的。随机波动也被描述为“噪声”，对于处在满负荷和最小负荷之间负荷范围内的控制流量影响，不会大于满负荷流量±2％。4控制回路配置建议按下列条件来选择控制回路配置。a)汽包水位的传递函数(见图1)。b)要求的锅炉负荷变化速度。c)炉膛的时间响应和通过加热面的热传递。d)给水流量控制阀处出现的差压波动。e)实际阀门特性与期望阀门特性之间的差异(见5．2．1．3)。f)汽包水位的恒定要求。3 GB／Z21193．2--2008／IECTR62140—2：2002已采用的控制配置考虑了四个变量：——汽包水位z一被控变量——执行器的位置y一调节变量——给水流量赢FW一控制流量——蒸汽流量m一主扰动变量通常，控制回路按所采用的变量个数和它们的连接结构来区分。4．1单冲量控制仅仅一个冲量，即水位变量。它与设定值进行比较[见图4a)]，水位差值送到比例(P)或者比例一积分(PI)控制器，调节控制给水流量。在负荷变化大和快速的情况下，以及在4a)～4f)所给条件中的某些限制被超出时，这种简单的控制回路将导致很大，甚至不允许的瞬态控制偏差。4．2三冲量控制三冲量控制具有三个变量，即：给水流量、水位偏差和蒸汽流量。将它们送到一个PI控制器。三个变量按比例分配控制给水流量，发挥了校正水位偏差的作用。尽管如此，蒸汽流量或给水流量测量中的误差，可能产生较大的水位稳态控制偏差。因为该回路的简单性，仍被部分项目采用[见图4b)]。4．3三冲量串级回路控制此种调节方式存在二个串连的PI调节回路。一个比例一积分(PI)调节器，称为给水流量控制器，它按照蒸汽流量的函数调节给水流量。另一个比例一积分(PI)调节器，称为水位控制器，依照实际的水位偏差，校正蒸汽流量对于给水流量的影响。两个PI调节器串级连接，如图4c)所示。4a)单冲量控制b)三冲量控制c)三冲量串级回路控制图4控制回路配置 5控制回路的实现GB／Z21193．2--2008／IECTR62140—2：20025．1测量元件最重要的检测变量是汽包水位的高度(被控变量)。因为热力学和流动过程的原因，汽包中有虚假水位。因此每个测量设备只能显示所表现的平均水位。另外，多数测量技术还受制于系统误差。如果有两个并排的就地水位表存在，那么远程水位测量的取样孔应设在两个就地水位表之间。如果只有一个就地水位表存在，远程水位测量应就近安装。实际中可供选择的方法是采用汽包两端两个测量值的平均值。当设计取样孔位置时，下行管、上行管和给水人口的影响也必须被考虑。即使采用高精度测量设备，由于各个测量过程中的系统误差，本身存在的水位和外部测量的水位之间的偏差还是会存在。当设计控制范围时，它们必须被考虑到。5．1．1物理测量技术差压技术作为在电站中的一种测量方法已获得广泛的接受。在汽包水位测量时，汽包水位和平衡容器水位之间的静压差被用到(见图3)。该方法意味着，即使在稳态条件下，汽包内部的密度变化通常也会引起测量误差，平衡容器水位的高取样点应该只稍稍高于被测的最高水位，低取样点应该只稍稍低于被测的最低水位，差压取样管路必须安装，以便从低取样点的高度得到一个尽可能稳定的温度。如果这些设计规范没有被遵守，即使环境温度轻微的变化，也会因为测量管路中的密度变化，而导致明显的测量误差。推荐对管路进行绝热。其他的测量技术，如依照浮力原理，在汽包中或一个分离容器中用一个位移体来测量水位的方法，被用于小型电厂。5．1．2稳态特性通常，测量设备的测量误差小于汽包水位测量所描述的系统测量误差。如果测量设备的运行状态偏离了设计状态，尤其是在锅炉启动期间，或者在滑压运行情况下，由于密度值偏离了设计状态，使得指示范围变宽和漂移，这将导致出现相当大的测量误差。在这种情况下，必须采用相应的校正措施。5．1．3时间响应测量设备的时间延迟应尽可能小，以便快速响应汽包水位的变化。如果变化范围是在可能最大的变化速率之内，建议测量设备设计成可以显示最大控制范围的10％的偏差来设计(见图3)。5．1．4蒸汽流量和给水流量的测量传感器常用的流量测量设备可被用到。尽管系统误差对于稳态特性是次要的，但是灵敏度必须高且滞后必须小。在某种环境下，如在变化压力运行情况下，应该对蒸汽流量测量提供状态校正。蒸汽流量和给水流量的传感器延迟时间相对于运行期间所产生的流量变化率必须要短到可被忽略。5．2调节给水流量的执行器被要求输送给水进入锅炉的输出压力，是由一个或多个满负荷或部分负荷给水泵产生的。给水流量可以通过节流阀或者改变给水泵转速来调节，除了尽可能减少能源消耗之外，给水流量的控制元件也应被量化，以便于它们满足控制要求。所有给水系统的组件必须依照相应规范来设计。5．2．1常规性质5．2．1．1系统和泵的特性曲线下列特性曲线对于执行器的设计具有决定性(见图5)。线a表示了锅炉常压点上的压力。给水特性睦线b表示了锅炉进水点压力，它被看作水流量的一个函数。线口和线b之间的差对应了进水点和常压点之间的流阻。线b和线C之间的差表示了在泵和进水点之间给水管道和仪表中的压降，它被看作水流量的一个函数。线c和线d之问的差对应了给水泵和过热器出口之间的测量高度差。系统特性曲线d表示了所要求给水泵出口的压力，它被看作为水流量的一个函数，尽管它没有包含给水控制阀上的压降，该压降在某种环境下是被要求的。5 GB／Z21193．2--2008／IECTR62140-2：2002泵的特性曲线e表示了在运行条件下给水泵出口压力，它被看作在一个设定速度下通过泵(输送)的水流量的函数，该压力是由给水泵进口压力加上在运行温度下泵所提高的压力而得到的。给水流量是泵的输出流量扣除了通过泵最小流量阀和喷水流量所分流的流量之后而得到的流量。线d和线e之差表示了给水控制阀上的压差。qR出常压点上的压力(例如锅炉出口处)泵输送量m。给水控制阀的△P测量高度差管道的△p锅炉的Ap图5在恒定转速和泵最小流量阀关闭的情况下系统和泵的特性曲线5．2．1．2控制范围控制范围必须包括下列限制：——如果专用于启动和停止的控制阀存在，主执行器和其他执行器的控制范围应被设计成被控最小流量处于最低负荷20％附近，该最低负荷低于锅炉的最低负荷，在某些环境下也处于降低运行压力的最低负荷(给水控制元件应尽量不成为低锅炉出力限制的决定因素)。——对于启动和停止如果没有附加的执行器存在，给水执行器必须能控制给水流量降至零。——执行器必须能够提供锅炉在最高允许汽包压力下最高连续出力所需要的给水流量。——计算误差的影响、损耗、控制性能的容差，以及对于所要求最大给水流量的理想调节，在对执行器以及其他执行器设计时都应被考虑到。5．2．1．3执行器特性曲线执行器特性曲线或者阀调节特性曲线，表示控制流量是不同压力下执行器位置的函数，它随着相应的系统和泵特性曲线变化。在锅炉的最大负荷和最小负荷之间的范围内，该特性曲线应尽可能成线性(如果需要，仪表结构的非线性应被考虑)。5．2．1．4控制时间相对于扰动变量的变化率，在考虑了行程时间的条件下，控制时间应可调，30S被设为标准值。5．2．2通过改变泵转速控制给水流量是通过改变泵或者泵组的转速来调节的，因此，泵的特性曲线"一e，按照所要求的泵输送与系统特性曲线d相交(见图6)。6 ≈R出GB／Z21193．2--2008／IECTR02140-2：2002泵输送量m。图6泵速可调特性曲线族5．2．2．1驱动装置存在一系列具有特殊性能的变速驱动装置，应从控制和经济两个方面选择驱动装置。5．2．2．2特性曲线预设输送压力下，泵的转速和泵的输送量之间的关系为常数，而不是线性关系。被调节变量和相应的负荷下驱动机构速度之间的关系是明显的非线性关系，所以，被调变量与泵输送量之比的特性曲线也常偏离所希望的线性关系。线性特性曲线的近似可以通过执行装置和驱动装置之间的机械或电子的线性化手段，或者通过适当的中间变量反馈来得到，如：转速或输送量。因此，现代的转速可变驱动装置，几乎都有内部的电子速度控制。5．2．3通过节流阀的控制给水流量是通过带有节流阀的执行器(给水控制阀)改变不受控制给水泵和锅炉进口之间的流阻来调节，因此泵的特性曲线e按所要求的泵输送量与改变后的系统特性曲线d，⋯出相交(见图7)。tR出泵输送量m。图7节流阀特性族5．2．3．1特性曲线代表行程和给水流量之比的控制阀特性曲线应是线性的。与行程有关的阀的截面口径计算基础 GB／Z21193．2--2008／IECTR62140—2：2002是压差和给水流量之间的关系，它由泵的特性曲线(见图5中的曲线e)和系统特性曲线(曲线d)给出。对于各种类型的阀，线性特性只能在有限的范围内实现，该线性范围包括锅炉连续负荷的被控最小值和最大值。如果一个阀由于变化的运行状态，必须按相同的控制流量运行在大幅变化的压差下，每种运行状态的线性特性曲线都要确定。阀门设计的特性曲线应由不同运行状态的不同特性曲线构成，以便它能满足各种要求，并包括极端的情况。在使用电气仪表系统时，与期望特性曲线的偏差也应该被电气修正，如，采用函数发生器。5．2．3．2要求的压差阀门全开的给水控制阀压降依赖于设计。对于所给出的常规连接宽度，流通口径截面不能做成同期望的一样大。实际的阀门特性曲线明显地偏离了期望的基本形状，尤其是在关闭点附近。在低于最小行程时，特性曲线的允许斜坡误差被超出，理想的控制已不再可能，最小行程依赖于阀的特性曲线和阀的设计。各种情况下，检查都必须进行，以确保阀的行程在运行时不会降到最小行程以下。为此，最好确定阀所要求的工作范围b。为：心篆·√舞·√慕pm=器F·总～m。。～△p。～，。一卢m．。其中：p是阀门的流量校正值，P是给水的密度，F是流通口径截面，△p是压差。下标100对应于最大连续负荷。所选择的阀的允许工作范围是由阀的制造厂商标明，它必须大于所要求的工作范围6。：良<6。。在上式中，当控制流量和密度比由于运行条件而固定时，通过选择带有阶跃的流量压力特性曲线或带有平滑的流量一压力特性曲线的给水泵，压差比会受到影响。阀的适当压差△pm必须在此假定。所选择压力余量越充足，控制任务就越容易完成。但是，这会导致能量损耗不断增加。5．2．3．3阀运行范围的减小如果锅炉处于较小局部负荷运行，或者一个执行器被要求具有较大的工作范围，或者在满负荷时，执行器上很大的压降必须被允许，或者附加的差压控制器被安装，在这些情况中，控制器可用来保持在满负荷下给水控制阀上的压差尽可能低，因此，要求阀的运行范围b。被压缩(△p⋯就变为△户-”)。由于5．2．3．2已考虑可允许的最低压差，然而，可允许的最小值通常是由差压控制器允许的最小比例带所产生。处在非常低的局部负荷运行，可以很容易地采用一个附加的低负荷控制阀来完成，该阀与主控制阀并行安装。两个阀都可以连续地打开或者关闭。5．2．3．4确定阀尺寸的数据为了阀能够被选定尺寸，对于各自不同的运行状态，下列数据应被提供(按5．2．3．1给出的细节)：——阀前压力；——阀后压力；——疬⋯赢。、疬一的水温以及至少有两个中间值。最好按图表格式提供数据。法规规范应被考虑。5．2．3．5小给水流量如果阀的设计允许，阀芯可以不在线性特性范围内，那么在降低汽包压力运行时，例如：启炉和停炉期间，非常小的给水流量也可以调节。5．2．3．6无泄漏的关闭在运行时，阀的无泄漏关闭是所希望的。长期以来，绝对的无泄漏只有单座阀能达到。通常，单座8 GB／Z21193．2--2008／IECTR62140—2：2002阀要求了大的驱动功率。双座阀虽然通常它们并不保证绝对的无泄漏，但是双座阀要求的驱动功率小弥补了单座阀的不足。在这种情况下，额外的截止阀必须被提供。5．2．4泵速可调和给水控制阀节流的组合控制给水流量是通过给水控制阀的节流和给水泵通过调速在给水控制阀上设置一个恒定压差来调节。如果选择了线性特性曲线(t。～赢)，给水控制阀的位置与流量成正比。该解决方案提供经济运行，并特别适合于可控制的快速加热，例如一个燃油或燃气的锅炉。9'