600MW发电机组除氧器压力控制系统.pdf

摘要 火力发电厂的热力除氧器是利用汽轮机的抽气加热锅炉给水，使得锅炉的给水达到该压力下的饱和温度，以除去溶于水中的氧气等气体，防止锅炉、汽轮机和管道等热力设备遭到腐蚀；另一方面除氧器是汽水直接接触式的加热器，他是给水加热系统中的一环，利用汽轮机的抽水加热锅炉给水，可以提高电厂的效率，节省燃料。除氧器是电厂重要的辅助设备之一，是电厂热力系统中不可缺少的环节。当除氧器内压力突然升高时，水温变化跟不上压力的变化，水温暂低于升高后压力下的饱和温度，因而水中的含氧量随之身高，待水升高至升高后压力的饱和温度时，水中的溶解氧才会降至合格的范围；当氧气压力突然降低时，由于水温高于该压力对应的饱和温度，除氧器内的凝结水会发生自发沸腾现象。严重时给水泵可能会发生汽蚀，导致重大事故。因此，在运行中应保持除氧器内压力的稳定。关键字：除氧器；除氧器压力；饱和温度；组态 Abstract The thermal deaeratorof thermal power plant heatboilerfeed water by the gas pumped from turbine to make the boilerfeed water reach the saturation temperature corresponding tothispressuretoremoveoxygenandothergasesdissolvedinthewaterand prevent corrosion of thermal equipment such asboilers,turbinesandpipes.Ontheotherhand,thedeaeratorisadirect-contact heater.Itis one part of the feedwaterheatingsystem.Itusethewaterpumpedfromturbinetoheatboilerfeedwater,thiscan improve the efficiency of the power plant andsavefuel.教师批阅：When thepressureinthedeaeratorsuddenrise,thechangeofthewatertemperature can notkeep up.Thewater temperaturewilltemporarilylowerthanthesaturationtemperatureundertheincreased pressure,and thus the oxygen content of thewaterthereupon rising until the water temperature was raised tothesaturation temperature corresponding to the elevated pressure,thedissolved oxygen in the water will be reduced to qualifiedrange;Whentheoxygenpressureissuddenlyreduced,asthewatertemperature is higher than the saturationtemperaturecorresponding to the pressure,thecondensationwaterinsidedeaeratorwillspontaneouslyboiling.Inseriouscondition,thecavitation phenomenon of feedwaterpump will resulting inamajor accident.Therefore we should maintain the stability ofthepressure within the deaerator inoperation.Key words:Deaerator;Deaeratorpressure；Saturationtemperature;Configuration 教师批阅：摘要.I Abstract .I 1、课程设计任务和内容.1 1.1 课程设计任务.2 1.2 本次课程设计内容.3 2、除氧器的简介.3 2.1 热力除氧的原理.4 2.2 除氧器的类型.5 2.3 除氧器的连接系统.6 3、除氧器压力控制.7 3.1 除氧器压力控制系统方案.7 3.2 除氧器压力控制系统参数整定.8 3.3 除氧器压力控制系统仿真.10 4、除氧器压力DCS 控制系统.11 4.1 控制总方案.12 4.2 一次仪表选型.12 4.3 一次仪表接线.16 4.4DCS 硬件组态.17 4.5DCS 控制组态.19 4.6 人机界面.20 5、课程设计总结和体会 .21 附 录一.22 附 录二.23 附 录三.24 参考文献.25 教师批阅：1、课程 设计任务和内容 1.1 课程设计任务 本课程设计是针对学生学习和运用专业知识的综合考核和检查，使学生接受工程类基本训练的重要环节，是自动化 （热工）专业的集散控制系统专业课程学习的必修内容之一。本课程设计的特点是，内容所涉及的知识面较一般习题广，有较强的系统性和综合性，在运算、绘图、编写设计文本方面有较高的要求。本课程实际应针对交通运算组织学课程涉及的相关理论与方法，结合具体实践背景，解决实际问题。要求：（1）根据工艺分析的控制要求，设计控制系统总体方案 （2）根据控制系统方案，选择、组态设计硬件系统结 构（3）根据控制系统方案进行设计组态，形成控制系统软件结构（4）设计组态控制系统操作界面 （5）说明定义、调整控制系统参数的方法（6）能考虑控制系统安装与调整、使用与维护、经济和安全等问题，对集散控制系统的安装技术要求进行设计（7）图面符合国家有关标准及行规，技术要求完整合理。课程设计的题目是 600MW 发电机组除氧器压力控制系 统应完成：总体方案图 1 张、接线图 1 张，组态图 3 张，SAMA 图 1张；设计说明书一份，说明书应包括：确定总体方案，选定 I /O 点，控制系统的组态图，SAMA 图等内容。教师批阅：1.2 本次课程设计内容 基于上述现状，本设计以 PI D 控制算法为基础，通过 PI D参数整定，确定了最优控制参数，并采用 MATLAB 软件对 PID控制进行了仿真研究，仿真结果表明 PI D 控制能够满足超调量小、调节时间短的要求。同时对一次仪表进行了选型，并实现与DC S控制板 I/O 连接，最后利用组态软件进行组态硬件、软件及界面仿真，构成了一整套的集散控制系统。2、除氧器的简介 除氧器的主要作用是除去给水中的氧气,保证给水的品质。水中溶解了氧气,就会使与水接触的金属腐蚀;在热交换器中若有气体聚集就会妨碍传热过程的进行,降低设备的传热效果。因此水中溶解有任何气体都是不利的,尤其是氧气,它将直接威胁设备的安全运行。教师批阅：图 2-1 除氧器工艺流程图 除氧器本身又是给水回热系统中的一个混合式加热器,同时高压加热器的疏水、化学补水及全厂各处水质合格的疏水、排气等均可通入除氧器汇总并加以利用,减少发电厂的汽水损失。当水和某种气体混合物接触时,就会有一部分气体融解到水中去。气体的溶解度就是表示气体溶解于水中的数量,以毫克/升计值,它和气体的种类以及它在水面的分压力、和 水的温度有关。在一定的压力下,水的温度越高,气体的溶解度就越小；反之,气体的溶解度就越大。同时气体在水面的分压力越高,其溶解度就越大,反之,其溶解度也越低。天然水中常含有大量溶解的氧气,可达 10 毫克/升。汽轮机的凝结水可能融有大量氧气,因为空气能通过处于真空状态下的设备不严密部分渗入进去.此外,补充水中也含有氧气及二氧化碳等其他气体。液面上气体混合物的全压力中,包括有液体蒸汽的分压力和液面上的全压力。将水加热时,液面附近水蒸气的分压力就会增加,相应的液面附近其他气体的分压力就会降低.当水加热到沸点时,蒸汽的分压力就会接近液面上的全压力,此时液面上其他气体的分压力几乎接近于零,于是这些气体将完全自水中清除出去。除氧器的工作原理即利用蒸汽对水进行加热,使水达到一定压力下的饱和温度,即沸点。这时除氧器的空间充满着水蒸汽,而氧气的分压力逐渐降低为零,溶 解于水的氧气将全部逸出,以保证给水含氧量合格。高参数的锅炉给水温度一般为 230250 摄氏度。采用高压除氧器,在机组高压加热器故障停用时,进入锅炉的给水温度仍可以维持在 150160 摄氏度,这样对锅炉的运行影响就可以小一点。此外,提高锅炉除氧器的压力,可以避免凝结水进入除氧器时产生沸腾现象,后者会使水泵进口产生汽蚀,这对水泵是不允许的。2.1 热力除氧的原理 1.亨利定律 描述：单位体积中溶解的气体量 b 与水面上该气体的分压力P 气体成正比。推论：教师批阅：如 P 气体 0，则 b 0。2.道尔顿定律 描述：混合气体的全压力P 全等于各组成气体的分压力之和。P P 气体+P 水蒸汽 推论：若 P P 水蒸汽，则 P 气体0。2.2 除氧器的类型 1.真空式除氧器描述：凝汽器内具备除氧的必要条件，在凝汽器底部两 侧加装适当的除氧装臵（如淋水盘、溅水板、抽气口等）即可除氧。特点：系统简单，但除氧效果达不到给水控制指标。2.大气式除氧器 描述：工作压力 0.118MPa，略高于大气压力以便于排出气体。特点：与高压除氧器相比无优势，常用于热电厂作为第 一级除氧。3.高压除氧器 描述：工作压力一般为 0.3430.784MPa。特点：（1）除氧器给水温度较高，可减少高压加热器的台 数；（2）高加切除时，锅炉给水温度变化幅度小，改善锅炉的运行条件；（3）工作温度高，给水中气体的溶解度降低，有利于提高除氧效果。（4）工作压力提高，给水在除氧器内的温升也提高，可避免除氧器的自生沸腾。（5）给水泵工作条件恶劣。教师批阅：2.3 除氧器的连接系统 1单独连接 图 2-2 除氧器连接图 特点：抽汽管上装设压力调节阀，低负荷时切换到高一级抽汽。正常运行时存在节流损失，低负荷切换到高一级抽汽时，节流损失更为严重。分析：加热蒸汽经过压力调节阀产生节流压降，除氧器给水温度低于抽汽口压力下的饱和温度，加热不足部分转移到相邻高压加热器，减少了本级较低压力抽汽，增加了相邻较高压力抽汽，热经济性下降。当抽汽切换到高一级抽汽时，压降更大，节流损失更大，并导致停用一段回热抽汽。2前臵连接 特点：单独连接改进型。增加一台高压加热器与除氧器 共用一段抽汽，该高压加热器出水温度不受压力调节阀的影响，无节流损失。分析：前臵连接既没抽汽量减少，也没导致低压抽汽量减少，故不存在节流损失。压力调节阀只起蒸汽流量分配作用。3.滑压运行连接描述：除氧器滑压运行指除氧器压力随机组的负荷与抽 汽压力的变动而变化。特点：（1）无节流损失；（2）低负荷时不用切换高一级抽汽和停用本级抽汽；(3)回热加热分配更接近等温升分配。教师批阅：（4）负荷突 然变化时存在除氧效果恶化和给水泵汽蚀问题。说明：定压运行除氧器在机组低负荷时，除氧器出水温度 不变，而前级低加出水温度下降，除氧器加热温升增大。同时，相邻高加出水温度下降，而进水温度不变，相邻高加的加热温升减少。二者都导致回热分配偏离等温升。3、除氧器压力控制 3.1 除氧器压力控制系统方案 教师批阅：图 3-1 除氧器压力控制方案图 由图 3-1 可知，这是一个简单的单回路控制系统，通过除氧器压力调整门调整蒸汽量来控制除氧器压力。其原理图如下：P1-+P0 凝 结水 除 氧器 教师批阅：图 3-2 除氧器压力控制原理图 其中，P1除氧器压力，P0除氧器压力设定值由上述的原理图对应可力以画出除氧器压控制系统的 S AMA 图，具体的图见附录三。并且由图可知：除氧器压力经过三个变送器测量得到的信号 PT，经过 S ELM 三选的选择后经过质量判断 QC，如果是坏的点，则报警 AL，同时在 CRT 上有显示 I。进过选择器选择的信号输出至 PID 调节器入口，同时做高低幅值报警输出。在调解器入口与手动设臵 A 模块的设定值进行比较，其偏差值送到 PID调节器进行比例、积分、微分运算后作为调节器的输出信号，这个信号在手动切换模块 T 通过 M/A 进行选择，如果切换为手动则选择 A手动设定一个值，如果不切换手动则向下进行另一个手动切换模块T，通过强制关闭除氧器压力调节阀来选 择，如果没有这个信号则向下经过 AO，自动信号送到除氧器压力调节阀进行调节，此调节回路为单回路调节系统，而且没有前馈信号。除氧器压力信号调节阀的阀位信号如果与调节发出的阀位指令偏差则自动切换为手动。3.2 除氧器压力控制系统参数整定 单回路控制系统主要由调节器和被控对象构成，通常被 汽 轮 机 抽 气 PID 控对象的动态特性是无法轻易改变的，要得到满意的调节效果，就要合理的设臵调节器的参数。因而，单回路控制系统的整定实际上就是调节器的参数整定。调节器的参数主要有三个，即比例调节规律的比例带、积分调节规律的积分时间和微分调节规律的微分时间。而对于除氧器压力控制的单回路控制系统，从资料 教师批阅：得知被控对象的传递函数为：G(s)=9.4 4.6s+1 4 变送 器的测量变送单元为1=0.1而执行器和调节阀的传递函 数是KZ=K=1，由响应曲线法根据被控对象的传递 函数求得对象的一组特征参数、（有自平衡能力的对象），然后按表 3 1 公式计算调节器的整定参数。表 3-1 衰减曲线法整定参数计算表（0.75）e 3.3 除氧器压力控制系统仿真 在除氧器的压力控制中我采用的是 PI控制器，在经过一系列的计算得出控制器的参数为：P=1/12.86 I=2.96 根据前面的控制系统原理图和得出的参数在 M ATLAB 中可以画出除氧器压力控制系统的 Si mulink 图如图 3-3 下：教师批阅：图 3-3 除氧器控制 Si mulink 仿真图仿真可以得到响应曲线如下：图 3-4 仿真响应曲线图 由响应曲线图 3-4可以得到系统的上升时间只有 150S 左右，也就意味着控制系统能够很快的达到给定值，并且稳定下来。在有内绕的情况下，控制系统的 Si muink 图和响应曲线依次如图 3-5：图 3-5 带 内 扰 的 Si mu l ink仿 真图 运行仿真可以得到带内扰的响应曲线如图 3-6：由上图可知，即使在有内绕的情况下，控制系统的超调量只有 9.3%，在 1 0 0 S 左右就会达到稳定，所以说，这个控制系统满足实际的要求。4、除氧器压力 DCS 控制系统 随着计算机过程控制技术的发展和国内电力企业自动控制水平的提高，集散控制系统 DCS 在电厂得到了广泛的应用。DCS的使用大大提高了机组运行的安全稳定性，改变了生产过程中传统的操作方式和管理现状，带来了显著的经济效益。随着计算机过程控制技术的发展和自动化控制水平的提高，集散控制系统 DC S 在现代化企业的生产过程中得到了广泛的应用。二十年来，我国电力企业 DCS 的应用工作取得了可喜成绩，企业自动化水平显著提高。应用 DC S 的生产流程越来越多，领域不断拓宽，DCS 技术的应用使过程控制发生了质的变化，保证了机组安全稳定运行，大大提高了生产自动化水平，同时为企业带来了良好的经济效益。教师批阅：4.1 控制总方案 教师批阅：图 4-1 除氧器控制总体方案图 4.2 一次仪表选型 压力变送器 我选择由天津欧柏仪表有限公司生产的 1151模拟型差压变送器，详细参数如下：基本参数：测量范围：0-0.25kPa 至 0-40MPa精度：0.2，0.25，0.5 静压：4、10、25、32MPa 安装影响：最大可产生约 0.24kPa的零点误差，稳定性：六个月内不超过最大量程的基本误差绝对值 振动影响：在任意轴向上，振动频率为 200Hz时，误差为最大测量范围上限的0.05/g。电源影响：小于输出量程的 0.005/V负载影响：电源如果稳定，无负载影响但可校正，对量程没有影响 电气参数：输出信号：420mADC 电气连接：M201.5 内螺纹带锁线头供电电源：1245VDC，一般为 24VDC 指示表：指针式：0100刻度和平方根指示0-10 刻度；31/2位 LCD液晶显示(0100线性)其他参数：结构材质 膜片：316L，可选：哈 C-276，蒙乃尔，钽排气/排液阀：316L,可选:哈 C-276,蒙乃尔法兰和接头：316L,可选:哈 C-276,蒙乃尔 O 形圈：丁腈橡胶，可选：氟橡胶灌充液：硅油或惰性油 螺栓：碳钢镀铬壳体材料：低铜铝合金 防爆：a.隔爆型 Ex dBT5；b.本安型 Ex iaCT6防护等级：IP65 量程和零位：外部连续可调 温度范围：放大电路：-25+70；测量元件：-40+104 阻尼：充硅油时一般在 0.2s 到 1.67s 之间连续可调。启动时间：2 秒，不需预热 重量：约 5.4kg(不带附件)图 4-2 压力变送器展示图 气动阀选型 这里我选择由上海明保阀门有限公司生产的Q641F 气动球阀，介绍如下：【产品用途及特点】：Q641F 气动球阀密封可靠，结构简单，维修方便，密封面与球面常在闭合状态，不易被介质冲蚀，在各个行业得到广泛的应用。Q641F 气动球阀只需要用旋转 90 度的操作和很小的转动力矩就能关闭严密。完全平等的阀体内腔为介质提供了阻力很小、直通的流道。通常认为球阀最适宜直接做开闭使用，但近来的发展已将球阀设计成使它具有节流和控制流量之用。Q641F 气动球阀的主要特点是本身结构紧凑，易于操作和维修，可分别适用于水、蒸汽、油品、液化气、天然气、煤气、硝酸、醋酸、氧化性介质、尿素等多种介质。1、流体阻力小，其阻力系数与同长度的管段相等。2、防静电功能：在球体、阀杆、阀体之间设臵弹簧，能将开关过程产生的静电导出。3、阀座密封性能好，采用聚四氟乙烯等弹性材料制成的密封 教师批阅：圈，结构易于密封，而 且球阀的阀封能力随着介质压力的增高而增大。4、操作方便，开闭迅速，从全开到全关只要旋转 90，便于远距离的控制。5、维修方便，球阀结构简单，密封圈一般都是活动的，拆卸更换都比较方便。6、在全开或全闭时，球体和阀座的密封面与介质隔离，介质通过时，不会引起阀门密封面的侵蚀。7、适用范围广，通径从小到几毫米，大到几米，从高真空至高压力都可应用。【执行机构技术参数】：Q641F 气动球阀采用新型系列 GT 型气动执行器，有双作用式和单作用式（弹簧复位），齿轮齿条传动，安全可靠；大口径阀门采用系列 AW型气动执行器拔叉式传动，结构合理，输出扭矩大，有双作用式和单作用式。根据不同控制和要求可选择下列附件：切断型附件：单电控电磁阀、双电控电磁阀、限位开关回讯器。调节型附件：电气定位器、气动定位器、电气转换器。气源处理附件：空气过滤减压阀、气源处理三联件。手动机构：HVSD手操机构1、齿轮式双活塞，输出力矩大，体积小可在,顶部、底部安装手动操作机构。2、气缸选用铝金材料，重量轻、外形美观,齿条式连接可调节开启角度、额定流量 3、执行器可选带电讯号反馈指示及各类附件以实现自动化操 作。4、IS05211标准连接为产品的安装更换提供了方便。5、两端调的节螺钉可使标准产品在 0和 90有4的可调范围。确保与阀门的同步精度。产品展示：图 4-3 气动阀产品图 教师批阅：表 4-1 阀 门性 能及零部件材料 公称通径 15-250 DN（mm）公称 压力 1.6 PN（MP a)公强称度 2.4 压试 力验 P N N i i 9 1 T 2 i M o2T i1C 1 r C 1 r 8 2 1 N C 球 8 ir 体 N 1 1 i 2 3 9 M T o i 2 T S i 密（1 封 M 1.76 C 试 P 1 r 验 a C 1 )r 8 2 材 C1 N 料 阀r 8 i 杆1 N1 材 CP R i 2 3 料 9 M 代 T o 号 i 2 Z Z G G 主 W1 0 要阀 C CC 零体 B r r 件 T i 增强聚 密 四氟乙 封 烯 对 圈 1 1 位聚苯 8 8 填聚四氟 料乙烯柔性石 墨 水、适 蒸 硝醋 用 汽 酸酸 适介、类类 用质 油 工 品 况 适-28 用 温 300 度 BAW系 列、GT 型 系列、号 执 SW 系 行 列 器气 源 0.4-0.压 7Mpa力 教师批阅：4.3 一次仪表接线 详 细的接线图见附录二 4.4 DCS 硬件组态 图 4-4 控制系统组态图 表 4-2 DCS 模块配臵表 教师批阅：主控制卡 SP000 数据 IO 可用的 DCS 信号 模块名 型号 模块 模块 IO 通道 转接板端子 称 地址 地址 地址 号 机柜 SP22 1 I/O 机 笼 SP24 3X 数据转 发卡 SP23 3 00 电源箱 SP31 00 02,03 NAI 3,N AI 4 机笼 3 SP31 00,01,NAI 5,N AI 6,电源 01 3 02,03 NAI 7,N AI 8 NAI 9,N AI 10 电源指 SP31 00,01,02 NAI 11,N AI 1 示卡 3 02,03 2 电流信 SP00 号输入 0 卡 电压信 SP31 号输入 02 04 6 卡 模拟信 SP31 03 05 00,01 Pt-3,PT-4 号输出 6 工程师 SP31 04 06 00,01 Pt-5,Pt-6 站 6 操作员 SP00 05 站 0 教师批阅：集线器 SP335 Scnet网 卡 SP322 09 03 NAO4 4.5 DCS 控制组态 使用 AI N 模拟量输入模块，PI D 调节模块和 AOUT模拟量输出模块构成但参数调节回路，AIN 模块将 FBM来的测量信号进行修正，标度，报警等处理，其输出被连到 PID 模块的测量输入参数 MEAS。PI D 模块根据测量值与设定值 SPT的偏差信号和 P、I、D整定参数的设臵进行运算，其输出被连接到AOUT 模块的输出 MEAS。AOUT 模块对信号进行输出修正后送到FBM 的输出点。图 4-5 控制组态图 教师批阅：4.6 人机界面 MCGS是一套基于 Wi ndows 平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，主要完成现场数据的采集与监测、前端数据的处理与控制。组态控制技术构成的计算机测控系统与一般的计算机测控系统在结构上没有本质的区别，他们由被控对象、传感器、I/O 接口、计算机和执行结构几部分组成。具有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的突出特点。通过与其他相关的硬件设备结合，可以快速、方便的开发各种用于现场采集、数据处理和控制的设备。用户只需要通过简单的模块化组态就可构造自己的应用系统，如可以灵活组态各种智能仪表、数据采集模块，无纸记录仪、无人值守的现场采集站、人机界面等专用设备。教师批阅：图 4-6 除氧器控制界面图 5、课程设计总结和体会 两周的课程设计一晃就过去了，此次 600MW发电机组除氧器压力控制系统课程设计，经过最初的确定总体方案，到一次仪表选型，再到控制系统的组态图，SAMA图的设计，再到 MATLAB 仿真，我学到了很多知识。其中包括回顾我的专业基础课程自动控制原理、控制仪表及装臵、控制系统及 MATLAB 仿真与设计等课程，以及收索我们未接触过的资料。另外此次课程设计为我接下来的毕业设计打下了良好的基础。当然此次课程设计也收获了很多。经过在图书馆、网上以及同学之间的相互探讨，我收集了很多的资料。其次，对于除氧器的工作原理和结构我有了深入的了解，更加培养了我对它的兴趣。此次课程设计围绕着 DC S来展开，DCS 作为本专业非常重要的一门学科，我们需要对它有细致的了解，随着科学技术的发展，DCS 在各个工业领域将会的到广泛的应用与发展。最后我要感谢此次课程设计之中给予我细心指导的老师，感谢同组的几位得力助手，感谢参考文献的编者。教师批阅：附 录一 除氧器压力控制系统总体方案图 教师批阅：除氧器压力控制系统 DCS 组态硬件图 教师批阅：附 录二 除氧器压力控制系统 DCS 组态软件图 教师批阅：附 录三 除氧器压力控制系统 SAMA图 参考文献 1 周荣富、陶文英主编，集散控制系统.北京大学出版社2011.1 2 印江、冯江涛编.，电厂分散控制系统.中国电力出版社2006 3 于海生、攀松峰等，微型计算机控制技术.北京、清华大学出版社 1999 4 王再英、刘淮霞、陈毅静，过程控制系统与仪表.北京机械工业出版社 2006 5 杨学熊主编，热电厂自动控制技术及发展趋努中国仪 器仪表 2001 6 吴勤勤主编，控制仪表及装臵（第三版）.化学工业出版社 2007.1 7 胡寿松主编，自动控制原理（第五版）.科学出版社 2007 8 杨佳、许强、徐鹏、余成波主编，控制系统 MATLAB 仿真与设计.清华大学出版社 2012.4 教师批阅：