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摘要：本文主要介绍300MW机组给水控制系统的控制原理和控制策略，对其特点加以分析，并结合设计和现场调试经验，提出自己的一些看法。
关键词：汽包水位，给水流量，单冲量，三冲量
Abstract: this paper mainly introduces the 300 MW unit water supply control system and the control principle of the control strategy, the analysis of its characteristics, and combining the design and commissioning experience, and puts forward some views.
Key words: the drum water level, water flow, single impulse and three impulse
中图分类号：TU991.41 文献标识码：A文章编号：
一、概述
锅炉给水控制的主要任务是使锅炉的给水量适应锅炉的蒸发量，把汽包水位控制在允许的范围内，汽包水位正常是保证机组安全运行的必要条件。水位过高，会破坏汽水分离装置的正常工作，导致蒸汽带水，增加过热器壁管和汽机叶片的结垢，甚至使汽轮机发生水冲击而损坏叶片；水位过低，会破坏水循环，引起水冷管壁爆管。汽包水位调节还要保持给水流量的稳定，这对于省煤器和给水管道的的安全运行有重要意义。
二、控制原理
1．主要信号的获取
（1）水位信号
汽包水位的准确测量是保证锅炉安全运行的重要条件之一。现在对于大型锅炉的汽包水位测量，一般都采用单室平衡容器，为了使测得的差压值能够准确的反映汽包的实际水位高度，需要测量装置的就地安装正确外还需根据汽包压力信号对测得的水位信号进行补偿。
锅炉汽包水位测量原理图如图1所示。差压式水位表和汽包水位之间的关系如下所示：
图1汽包水位测量原理图
ΔP*103= H*ρa-(A-h)* ρs-((H-(A-h))* ρw
= H*(ρa-ρw)+(A-h)* (ρw-ρs) ………………………（1）
ΔP*103= H*ρa-(B+h)* ρw-((H-(B+h))* ρs
= H*(ρa-ρs)-(B+h)* (ρw-ρs) ………………………（2）
式中：H………水侧取样孔与平衡容器的距离，mm;
A………平衡容器与汽包正常水位的距离，mm;
B………水侧取样孔与汽包正常水位的距离，mm;
h……… 汽包水位偏离正常水位的值，mm;
ΔP………对应汽包水位的差压值，mmH2O;
ρs………饱和蒸汽的密度，kg/m3;
ρw………饱和水的密度，kg/m3;
ρa………参比水柱的密度，kg/m3;
上式中，H、A和B都是常数；ρw、ρs是汽压的函数，在特定汽压下均为定值；平衡容器内汽水的密度ρa与其散热条件和环境温度有关。在锅炉启动过程中，水温略有升高，压力也同时升高，这两方面的变化对ρa的影响基本上抵消，可以近似认为ρa是恒值。
根据（1）有如下：
h = A-ΔP*(103/(ρw-ρs))+H*(ρa-ρw)/ (ρw-ρs)
=A-(ΔP-H*(ρa-ρw)/103 )*(103/(ρw-ρs)) …………………(3)
根据（2）有如下：
h = H*(ρa-ρs)/ (ρw-ρs)- ΔP*103/(ρw-ρs) –B
= （H*(ρa-ρs)/103 -ΔP ）（103/(ρw-ρs)）-B………………(4)
令F1（x）=(ρa-ρw)/103; F2（x）=103/(ρw-ρs);
F3（x）=(ρa-ρs)/103代入（3）式得：
h = A-(ΔP-H* F1（x）)* F2（x） ………………………（5）
代入（2）式得：
h =（H* F3（x）- ΔP）* F2（x）–B ………………………（6）
环境温度取60℃，计算函数发生器的参数表1所示。
表1函数发生器参数表
（2）主蒸汽流量信号：
流出锅炉的主蒸汽流量，包括进入汽轮机的蒸汽和进入高压旁路的蒸汽流量。根据费留格尔公式，流经汽轮机汽流量是汽机一级压力函数，因此不再需要在主蒸汽管道上加装流量测量元件，从而可以避免用测量孔板而产生的节流损失。
（3）给水流量：
图3总给水流量的计算
总给水流量信号按照图3的原理求得。
计算总的给水流量的目的，是为了与前述主蒸汽流量相比较，因为蒸汽流量中不但包括流出汽包的蒸汽量还包括减温水转换成的蒸汽量，所以，为了反映进、出汽包的水、汽质量的平衡，这里总的给水流量不仅包括从主给水管道测出的进入锅炉汽包的给水流量，还应包括减温水量，每一只减温水阀的流量都由测量元件测出。
减温水量＝1级＋2级左＋2级右＋3级左＋3级右。
2.给水控制对象的动态特性
汽包水位动态特性有以下两个特点：
（1）具有延时性：表现为给水量改变后，水位并不立即改变，延时时间主要与给水温度有关，给水温度越低，延时时间越大。
（2）具有“虚假水位”现象：在负荷增加时，蒸发量大于给水量，但水位不是下降反而迅速上升；负荷突然减少时，蒸发量小于给水量，但水位不是上升而是先下降，然后迅速上升。这是因为汽轮机用汽量增加导致汽包压力下降，汽包中的饱和水大量汽化，产生大量汽泡，使得水位升高；同样由于用汽量减少，汽包压力升高，将导致水位暂时下降。
3．给水控制系统的控制方式
300MW及以上等级的机组的给水系统一般配置2台汽泵、1台电泵，2台汽泵作为机组正常运行时的投用，1台电泵在机组启动是投用并作为汽泵投用是的事故备用。给水调节阀门组通常由给水旁路调节阀主给水门组成。和整个系统如图4所示。
图4 给水系统流程图
图5 给水系统控制逻辑图
（1）从启动带低负荷阶段，即机组启动到15%额定负荷这一阶段，蒸汽参数低，负荷变化小，虚假水位现象不太严重，系统对维持水位在恒定值的要求也不高。因此，为简化调节系统，多采用给水旁路调阀单冲量控制方式。在这一阶段，由于给水流量较小，通常采用给水旁路阀来调节汽包水位，电泵为定速、手动状态，如图5 PID1控制回路所示。
（2）当负荷>15%，或给水旁路阀开度>90%时，随着负荷升高，给水压力已升得较高，给水旁路调节阀承受的节流压差也越来越大，当调节阀已开到90％以后，可以将电动给水泵转速控制投自动，给水旁路阀则自动地切成手动,以防止责任不分,互相干扰。此时 应手动打开主给水门,作为调节型阀门,不能长期处于一个高温高压环境中，所以当主给水门全开后，则发出一个脉冲,超驰关闭给水旁路阀。如图5 PID2控制回路所示。
（3）当负荷大于30％以后，电泵将自动切换為三冲量控制方式，三冲量控制方式以汽包水位作为主调节器PID4的被调量，主调节器PID4的输出为给水流量设定加上蒸汽流量信号作为副调节器PID3的设定值，给水流量作为副调节器的反馈。
（4）随着负荷继续升高，汽泵小汽轮机开始冲转升速，当小机转速>3000RPM时，小机可投入遥控方式，当汽泵泵的出口压头略大于给水母管压头时，打开汽泵出口门，并继续手动调节汽泵转速，使汽泵转速与电泵转速逐步接近。此时水位仍将由电泵自动维持。当汽泵和电泵流量相近时，可将汽泵投自动，此时汽动给水泵将按三冲量方案自动调节。当负荷升高到40%-50%时，启动第二台汽泵。同时将电动泵转速控制切手动，逐渐降低电泵转速，当其流量较低时，关闭其出口门，停电泵（若要将其作为备用泵，出口门可以不关）。
三、问题与优化
1.当负荷低于30%MCR时采用单冲量控制回路，此时三冲量主调节器PI4输出跟踪 主汽流量—给水流量信号，同时三冲量副调节器PI3应跟踪单冲量调节器PI2的输出，以保证系统由单冲量切换至三冲量时是无扰动的。
2.给水系统在三冲量控制模式下，如果给水流量或蒸汽流量出现坏质量，将自动切换至单冲量控制模式，保证给水调节连续进行。
3.可以将三冲量模式下主调节器与负调节器的PID参数设置为变参数，根据给水泵运行台数的不同，参数不同，以便适应不同情况下的工况。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：汽包水位，给水流量，单冲量，三冲量
Abstract: this paper mainly introduces the 300 MW unit water supply control system and the control principle of the control strategy, the analysis of its characteristics, and combining the design and commissioning experience, and puts forward some views.
Key words: the drum water level, water flow, single impulse and three impulse
中图分类号：TU991.41 文献标识码：A文章编号：
一、概述
锅炉给水控制的主要任务是使锅炉的给水量适应锅炉的蒸发量，把汽包水位控制在允许的范围内，汽包水位正常是保证机组安全运行的必要条件。水位过高，会破坏汽水分离装置的正常工作，导致蒸汽带水，增加过热器壁管和汽机叶片的结垢，甚至使汽轮机发生水冲击而损坏叶片；水位过低，会破坏水循环，引起水冷管壁爆管。汽包水位调节还要保持给水流量的稳定，这对于省煤器和给水管道的的安全运行有重要意义。
二、控制原理
1．主要信号的获取
（1）水位信号
汽包水位的准确测量是保证锅炉安全运行的重要条件之一。现在对于大型锅炉的汽包水位测量，一般都采用单室平衡容器，为了使测得的差压值能够准确的反映汽包的实际水位高度，需要测量装置的就地安装正确外还需根据汽包压力信号对测得的水位信号进行补偿。
锅炉汽包水位测量原理图如图1所示。差压式水位表和汽包水位之间的关系如下所示：
图1汽包水位测量原理图
ΔP*103= H*ρa-(A-h)* ρs-((H-(A-h))* ρw
= H*(ρa-ρw)+(A-h)* (ρw-ρs) ………………………（1）
ΔP*103= H*ρa-(B+h)* ρw-((H-(B+h))* ρs
= H*(ρa-ρs)-(B+h)* (ρw-ρs) ………………………（2）
式中：H………水侧取样孔与平衡容器的距离，mm;
A………平衡容器与汽包正常水位的距离，mm;
B………水侧取样孔与汽包正常水位的距离，mm;
h……… 汽包水位偏离正常水位的值，mm;
ΔP………对应汽包水位的差压值，mmH2O;
ρs………饱和蒸汽的密度，kg/m3;
ρw………饱和水的密度，kg/m3;
ρa………参比水柱的密度，kg/m3;
上式中，H、A和B都是常数；ρw、ρs是汽压的函数，在特定汽压下均为定值；平衡容器内汽水的密度ρa与其散热条件和环境温度有关。在锅炉启动过程中，水温略有升高，压力也同时升高，这两方面的变化对ρa的影响基本上抵消，可以近似认为ρa是恒值。
根据（1）有如下：
h = A-ΔP*(103/(ρw-ρs))+H*(ρa-ρw)/ (ρw-ρs)
=A-(ΔP-H*(ρa-ρw)/103 )*(103/(ρw-ρs)) …………………(3)
根据（2）有如下：
h = H*(ρa-ρs)/ (ρw-ρs)- ΔP*103/(ρw-ρs) –B
= （H*(ρa-ρs)/103 -ΔP ）（103/(ρw-ρs)）-B………………(4)
令F1（x）=(ρa-ρw)/103; F2（x）=103/(ρw-ρs);
F3（x）=(ρa-ρs)/103代入（3）式得：
h = A-(ΔP-H* F1（x）)* F2（x） ………………………（5）
代入（2）式得：
h =（H* F3（x）- ΔP）* F2（x）–B ………………………（6）
环境温度取60℃，计算函数发生器的参数表1所示。
表1函数发生器参数表
（2）主蒸汽流量信号：
流出锅炉的主蒸汽流量，包括进入汽轮机的蒸汽和进入高压旁路的蒸汽流量。根据费留格尔公式，流经汽轮机汽流量是汽机一级压力函数，因此不再需要在主蒸汽管道上加装流量测量元件，从而可以避免用测量孔板而产生的节流损失。
（3）给水流量：
图3总给水流量的计算
总给水流量信号按照图3的原理求得。
计算总的给水流量的目的，是为了与前述主蒸汽流量相比较，因为蒸汽流量中不但包括流出汽包的蒸汽量还包括减温水转换成的蒸汽量，所以，为了反映进、出汽包的水、汽质量的平衡，这里总的给水流量不仅包括从主给水管道测出的进入锅炉汽包的给水流量，还应包括减温水量，每一只减温水阀的流量都由测量元件测出。
减温水量＝1级＋2级左＋2级右＋3级左＋3级右。
2.给水控制对象的动态特性
汽包水位动态特性有以下两个特点：
（1）具有延时性：表现为给水量改变后，水位并不立即改变，延时时间主要与给水温度有关，给水温度越低，延时时间越大。
（2）具有“虚假水位”现象：在负荷增加时，蒸发量大于给水量，但水位不是下降反而迅速上升；负荷突然减少时，蒸发量小于给水量，但水位不是上升而是先下降，然后迅速上升。这是因为汽轮机用汽量增加导致汽包压力下降，汽包中的饱和水大量汽化，产生大量汽泡，使得水位升高；同样由于用汽量减少，汽包压力升高，将导致水位暂时下降。
3．给水控制系统的控制方式
300MW及以上等级的机组的给水系统一般配置2台汽泵、1台电泵，2台汽泵作为机组正常运行时的投用，1台电泵在机组启动是投用并作为汽泵投用是的事故备用。给水调节阀门组通常由给水旁路调节阀主给水门组成。和整个系统如图4所示。
图4 给水系统流程图
图5 给水系统控制逻辑图
（1）从启动带低负荷阶段，即机组启动到15%额定负荷这一阶段，蒸汽参数低，负荷变化小，虚假水位现象不太严重，系统对维持水位在恒定值的要求也不高。因此，为简化调节系统，多采用给水旁路调阀单冲量控制方式。在这一阶段，由于给水流量较小，通常采用给水旁路阀来调节汽包水位，电泵为定速、手动状态，如图5 PID1控制回路所示。
（2）当负荷>15%，或给水旁路阀开度>90%时，随着负荷升高，给水压力已升得较高，给水旁路调节阀承受的节流压差也越来越大，当调节阀已开到90％以后，可以将电动给水泵转速控制投自动，给水旁路阀则自动地切成手动,以防止责任不分,互相干扰。此时 应手动打开主给水门,作为调节型阀门,不能长期处于一个高温高压环境中，所以当主给水门全开后，则发出一个脉冲,超驰关闭给水旁路阀。如图5 PID2控制回路所示。
（3）当负荷大于30％以后，电泵将自动切换為三冲量控制方式，三冲量控制方式以汽包水位作为主调节器PID4的被调量，主调节器PID4的输出为给水流量设定加上蒸汽流量信号作为副调节器PID3的设定值，给水流量作为副调节器的反馈。
（4）随着负荷继续升高，汽泵小汽轮机开始冲转升速，当小机转速>3000RPM时，小机可投入遥控方式，当汽泵泵的出口压头略大于给水母管压头时，打开汽泵出口门，并继续手动调节汽泵转速，使汽泵转速与电泵转速逐步接近。此时水位仍将由电泵自动维持。当汽泵和电泵流量相近时，可将汽泵投自动，此时汽动给水泵将按三冲量方案自动调节。当负荷升高到40%-50%时，启动第二台汽泵。同时将电动泵转速控制切手动，逐渐降低电泵转速，当其流量较低时，关闭其出口门，停电泵（若要将其作为备用泵，出口门可以不关）。
三、问题与优化
1.当负荷低于30%MCR时采用单冲量控制回路，此时三冲量主调节器PI4输出跟踪 主汽流量—给水流量信号，同时三冲量副调节器PI3应跟踪单冲量调节器PI2的输出，以保证系统由单冲量切换至三冲量时是无扰动的。
2.给水系统在三冲量控制模式下，如果给水流量或蒸汽流量出现坏质量，将自动切换至单冲量控制模式，保证给水调节连续进行。
3.可以将三冲量模式下主调节器与负调节器的PID参数设置为变参数，根据给水泵运行台数的不同，参数不同，以便适应不同情况下的工况。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。