鍋爐三沖量控制設(shè)計(jì)

1、鍋爐三沖量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)一概述1.1鍋爐概述鍋爐由汽鍋和爐子組成。爐子是指燃燒設(shè)備，為化石烯料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成熱能提供必要的燃燒空間。汽鍋是為汽水循環(huán)和汽水吸熱以及汽水分離提供必要的吸熱和分離空間。鍋爐作為一種把煤、石油或天然氣等化石燃料所儲藏的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成水或水蒸氣的熱能的重要設(shè)備，長期以來在工業(yè)生產(chǎn)和居民生活中都扮演著極其重要的角色，它已經(jīng)有二百多年的歷史了，但是鍋爐工業(yè)的迅猛發(fā)展卻是近幾十年的事情。國外的鍋爐控制工業(yè)5060年代發(fā)展最快，70年代達(dá)到高峰。我國的鍋爐工業(yè)是在新中國成立后才建立和發(fā)展起來的，1953年在上海首創(chuàng)了上海鍋爐廠,從其在生產(chǎn)和生活中所起的作用不同，鍋爐可分為電站鍋爐，

2、主要用于發(fā)電；工業(yè)鍋爐，主要用于直接供給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)或驅(qū)動機(jī)械能源；生產(chǎn)鍋爐，主要用于為居民提供熱水和供居民取暖。應(yīng)該說鍋爐控制問題伴隨著鍋爐的出現(xiàn)也就相應(yīng)的出現(xiàn)了，它長期以來就是控制領(lǐng)域的一個(gè)典型問題。伴隨著控制理論和控制技術(shù)的發(fā)展，鍋爐自動化控制的水平也在逐步提高。鍋爐的自動化控制，經(jīng)歷了三四十年代單參數(shù)儀表控制，四五十年代單元組合儀表綜合參數(shù)儀表控制，以及六十年代初期的計(jì)算機(jī)過程控制幾個(gè)階段，隨著六十年代第一臺計(jì)算機(jī)在控制中的應(yīng)用以及此后計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，計(jì)算機(jī)逐漸進(jìn)入了鍋爐控制領(lǐng)域并正在成為這一領(lǐng)域的主要角色。計(jì)算機(jī)很強(qiáng)的記憶功能，邏輯判斷功能以及快速計(jì)算功能為實(shí)現(xiàn)任意的控制算

3、法提供了可能，這樣，先進(jìn)的控制理論和控制算法進(jìn)入鍋爐控制已經(jīng)有了可能性。從系統(tǒng)角度看，鍋爐包括燃燒負(fù)荷控制系統(tǒng)、送引風(fēng)系統(tǒng)、給水控制系統(tǒng)和輔助控制系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)如圖1-1：圖1-1 鍋爐控制系統(tǒng)總圖鍋爐汽包水位是鍋爐安全運(yùn)行的一個(gè)主要參數(shù)，水位過高會使蒸汽帶水帶鹽，嚴(yán)重的將引起整體品質(zhì)下降，嚴(yán)重影響生產(chǎn)和安全；水位過低又將破壞部分水冷壁的水循環(huán)，引起水冷壁局部過熱而損壞，尤其是大型鍋爐，一旦控制不當(dāng)，容易使汽包滿水或汽包內(nèi)的水全部汽化，造成重大事故。故鍋爐汽包給水控制系統(tǒng)的任務(wù)是保證汽包水位在允許的范圍內(nèi)，并兼顧鍋爐的穩(wěn)定運(yùn)行。對蒸汽鍋爐來說，汽包水位是其正常運(yùn)行的主要指標(biāo)之一，是一個(gè)重要的被調(diào)

4、節(jié)參數(shù)。由于汽包水位在鍋爐運(yùn)行中占首要地位，所以這類鍋爐的生產(chǎn)自動化一般是從給水自動調(diào)節(jié)開始的。隨著鍋爐參數(shù)的提高和容量的擴(kuò)大，對給水控制提出了更高的要求，其主要原因有：（1）汽包的個(gè)數(shù)和體積減小，使汽包的蓄水量和蒸發(fā)面積減少，從而加快了汽包水位的變化速度；（2）鍋爐容量增大，顯著的提高了鍋爐蒸發(fā)受熱面的熱負(fù)荷，使鍋爐負(fù)荷對水位的影響加劇了；（3）提高了鍋爐的工作壓力，使給水調(diào)節(jié)閥和給水管道系統(tǒng)相應(yīng)復(fù)雜，調(diào)節(jié)閥的流量特性更不易滿足控制系統(tǒng)的要求。由此可見，隨著鍋爐朝大容量、高參數(shù)的發(fā)展，給水系統(tǒng)采用自動控制是必不可少的，它可以大大減輕運(yùn)行人員的勞動強(qiáng)度，保證鍋爐的安全運(yùn)行。1.2主要設(shè)備介紹汽

5、包：一般汽包采用夾層結(jié)構(gòu)，并且汽包上、下兩半部采用不等壁厚，以減輕汽包重量，節(jié)約鋼材。來自水冷壁的汽水混合物從汽包頂部兩側(cè)進(jìn)入汽包的內(nèi)夾層，沖刷汽包上半部內(nèi)壁，然后再進(jìn)入渦流式分離器，在分離器做第一次分離，每只分離器頂部都裝有立式波形板分離器，作為二次分離元件。汽包頂部還配有立式波形板分離器，作為三次分離元件，經(jīng)三次分離的飽和蒸汽由汽包頂部的引出管送到過熱器去，下降管安置于汽包最底部，在下降管入口處還裝有十字架，用來消除由于入口產(chǎn)生旋渦而將蒸汽帶入下降管的現(xiàn)象。此外，汽包內(nèi)還裝有給水管和連續(xù)排污管。變速泵：變速泵又分為電動變速泵和氣動變速泵。電動變速泵的驅(qū)動電動機(jī)經(jīng)液力聯(lián)軸器與水泵相連接，通過

6、改變液力聯(lián)軸器中勺管的徑向行程，改變聯(lián)軸器的工作油量，實(shí)現(xiàn)給水泵轉(zhuǎn)速的改變，氣動給水泵由小汽輪機(jī)直接驅(qū)動，通過控制小汽輪機(jī)的進(jìn)氣量，改變氣動泵的轉(zhuǎn)速。氣動給水泵可直接將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，有較高的效率。但由于驅(qū)動小汽輪機(jī)的蒸汽一般采用主汽輪機(jī)的抽汽，在機(jī)組啟動和低負(fù)荷時(shí)，汽輪機(jī)抽汽氣壓太低，無法維持氣動泵運(yùn)行，因此采用氣動給水泵的系統(tǒng)，一般都配有一定容量的電動泵，作為機(jī)組啟停和低負(fù)荷時(shí)使用以及氣動泵故障時(shí)的備用泵。圖1-2 變速泵的壓力-流量特性變速泵的壓力-流量特性如圖1-2所示，為了保證鍋爐和泵的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，泵必須工作在泵的上限特性、下限特性、鍋爐允許最高給水壓力和最低給水壓力以及泵

7、的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速包圍的區(qū)域，該區(qū)域稱為泵的安全工作區(qū)。泵的上限特性曲線亦稱為最小流量曲線，它表示給水泵在不同轉(zhuǎn)速下必須滿足的最小流量，正如前所述，低于這個(gè)流量，不但運(yùn)行效率很低，而且還會產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象。這是由于低流量時(shí)，泵內(nèi)機(jī)械能做功產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)帶走，使得給水加熱并汽化，導(dǎo)致汽蝕。泵的下限特性曲線，亦稱為最大流量曲線，它表示給水泵在不同轉(zhuǎn)速下允許的最大流量，大于這個(gè)流量，泵的工作效率降低，而且可能使泵內(nèi)靜壓最低值低于給水溫度下的飽和壓力，在流道靜壓最低值部分給水將發(fā)生汽化，導(dǎo)致汽蝕。因此采用變速泵的給水控制系統(tǒng)，在控制給水流量的過程中必須保證泵的工作點(diǎn)在安全工作區(qū)內(nèi)。一般采用的保護(hù)措施

8、是：當(dāng)工作點(diǎn)進(jìn)入上限特性曲線之外時(shí)，打開泵出口至除氧器再循環(huán)管路上的最小流量再循環(huán)閥，稱之為最小流量保護(hù)；當(dāng)工作點(diǎn)進(jìn)入下限特性之外時(shí)，關(guān)小管路的給水調(diào)節(jié)閥或提高水泵轉(zhuǎn)速，稱之為最大流量保護(hù)，從而保證泵的工作點(diǎn)始終在泵的安全經(jīng)濟(jì)工作區(qū)內(nèi)。1.3給水調(diào)節(jié)的任務(wù)給水自動調(diào)節(jié)也叫水位自動調(diào)節(jié)，其主要任務(wù)是：(1)維持鍋爐水位在允許的范圍內(nèi)，使鍋爐的給水量適應(yīng)于蒸發(fā)量。鍋爐的水位是影響安全運(yùn)行的重要因素。水位過高會影響汽水分離裝置的正常工作，嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致蒸汽帶水增加，使過熱器管壁和氣輪機(jī)葉片結(jié)垢，造成事故；對于工業(yè)鍋爐，蒸汽帶水量過多，也要影響用戶的某些工藝過程。水位過低，則會破壞汽水正常循環(huán)，以致燒壞

9、受熱面。水位過高或過低，都是不允許的。所以，正常運(yùn)行時(shí)汽包水位應(yīng)在給定值的15mm上下范圍波動。(2)保持給水量穩(wěn)定。給水量穩(wěn)定，有助于省煤器和給水管道的安全運(yùn)行。上述兩個(gè)任務(wù)中，第一個(gè)任務(wù)尤為重要。實(shí)踐證明，無論是電站鍋爐，或者是工業(yè)鍋爐，用人工操作調(diào)節(jié)水位，既不安全，也不經(jīng)濟(jì)，其最有效的方法是實(shí)現(xiàn)給水自動調(diào)節(jié)。二給水被控對象的動態(tài)特性在討論給水自動控制系統(tǒng)之前，必須先分析被控對象的動態(tài)特性，然后才能設(shè)計(jì)出一個(gè)合理的給水控制系統(tǒng)。給水調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性是指汽包水位的變化與引起水位變化的各種因素之間的動態(tài)關(guān)系。汽包水位是汽包中儲水量和水面下汽泡容積的綜合反映。所以，水位不僅受汽包儲水量變化的影

10、響，而且還受到汽水混合物中汽泡容積變化的影響。從水位反映儲水量來看，調(diào)節(jié)對象是一個(gè)無自平衡能力的對象，這是因?yàn)閮λ康淖兓怯山o水流量和蒸汽流量變化引起的，而水位變化后既不能影響給水流量，又不能影響蒸發(fā)量，所以說水位調(diào)節(jié)對象是沒有自平衡能力的。影響汽包水位變化的因素主要有：蒸汽流量D,給水量W，爐膛熱負(fù)荷（燃料量M）,汽包壓力P等。2.1汽包水位的動態(tài)特性工業(yè)鍋爐的汽包水位是正常運(yùn)行的重要指標(biāo)之一，水位過高，產(chǎn)生蒸汽帶水現(xiàn)象，影響用汽單位的正常生產(chǎn)。汽包水位過低，會影響鍋爐的汽水自然循環(huán)，如不及時(shí)調(diào)節(jié)，就會使汽包里的水全部汽化掉，可能導(dǎo)致鍋爐燒塌和爆炸事故。因此，鍋爐運(yùn)行中，保持汽包水位在一定

11、范圍是十分重要的自動控制問題。影響汽包水位變化的因素很多，主要有燃煤量、給水量和蒸汽流量。燃煤量對水位變化的影響是非常緩慢的，比較容易克服。因此，我們主要考慮給水量和蒸汽流量對水位的影響。鍋爐水位調(diào)節(jié)對象的原理結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。圖2-1 給水調(diào)節(jié)對象結(jié)構(gòu)圖1-給水母管；2-調(diào)節(jié)閥；3-省煤器；4-汽包；5-管路；6-過熱器；7-蒸汽管給水調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性是指各種擾動下的汽包水位隨時(shí)間變化的特性。當(dāng)擾動為階躍擾動時(shí)，對象的動態(tài)特性稱為階躍響應(yīng)曲線。影響水位變化的原因是很多的，其中鍋爐的蒸發(fā)量和給水流量的變化是主要的，其它還有爐膛熱負(fù)荷、汽包壓力的變化等原因。2.2各種擾動下水位變化的動態(tài)特性

12、給水流量擾動下對象的動態(tài)特性圖2-2為給水量擾動下水位階躍響應(yīng)曲線。圖2-2中曲線1為沸騰式省煤器情形下水位的動態(tài)特性，曲線2為非沸騰式省煤器情形下水位的動態(tài)特性。圖2-2 給水量擾動下水位階躍響應(yīng)曲線在給水流量突然增加的瞬間，鍋爐的蒸發(fā)量還未改變，給水流量大于蒸發(fā)量，但水位一開始并不立即增加，這是因?yàn)闇囟容^低的給水進(jìn)入省煤器及水循環(huán)系統(tǒng)的流量增加了，從原有的飽和汽水混合物中吸取了一部分熱量，使水面下的汽泡容積有所減少。事實(shí)上也就是因?yàn)榻o水溫度遠(yuǎn)低于省煤器的溫度，即給水有一定的過冷度，水進(jìn)入省煤器后，使一部分汽變成了水，特別是沸騰式省煤器，給水減輕了省煤器內(nèi)的沸騰度，省煤器內(nèi)汽泡總?cè)莘e減少，因

13、此，進(jìn)入省煤器內(nèi)的水首先用來填補(bǔ)省煤器中因汽泡破滅容積減少而降低的水位，經(jīng)過一段遲延甚至水位下降后，才能因給水不斷從省煤器進(jìn)入汽包而使水位上升。在此過程中，負(fù)荷還未變化，汽包中水仍在蒸發(fā)，因此水位也有下降趨勢。由H曲線可以清楚地看出給水被控對象內(nèi)擾的特點(diǎn)是：給水?dāng)_動剛剛加入時(shí)，由于給水的過冷度影響，水位H的變化很慢，經(jīng)過一段時(shí)間之后其變化速度才逐漸增加，最后變?yōu)榘匆欢ㄋ俣戎本€上升，這時(shí)就是物質(zhì)不平衡在起主要作用了，如果給水量和蒸汽量不能平衡，水位就不能確定。下面簡單介紹一下水位在給水?dāng)_動下的傳遞函數(shù)。水位在給水?dāng)_動下的傳遞函數(shù)可表示為：其擾動傳遞函數(shù)方框圖如圖2-3所示，可近似認(rèn)為是一個(gè)積分環(huán)

14、節(jié)和一個(gè)慣性環(huán)節(jié)的并聯(lián)或串聯(lián)的兩種形式。其擾動傳遞函數(shù)方框圖如圖2-3所示，可近似認(rèn)為是一個(gè)積分環(huán)節(jié)和一個(gè)慣性環(huán)節(jié)的并聯(lián)或串聯(lián)的兩種形式。圖2-3 給水?dāng)_動傳遞函數(shù)方框圖蒸汽流量擾動下對象的動態(tài)特性蒸汽流量擾動下水位的階躍起反應(yīng)曲線如圖2-4所示。當(dāng)蒸汽流量突然增加（假定供熱量及時(shí)跟上）時(shí)，鍋爐的蒸發(fā)量大于給水流量，汽包的貯水量應(yīng)等速下降，又因?yàn)槠菬o自平衡對象，所以水位的變化曲線應(yīng)如圖中曲線H1所示：實(shí)際上當(dāng)蒸發(fā)量突然增加時(shí)，在汽水循環(huán)系統(tǒng)中的蒸發(fā)強(qiáng)度也將成比例的增大，使汽水混合物中汽泡的容積增大；又因爐膛內(nèi)的發(fā)熱量并不能及時(shí)增加，從而使汽包壓力不斷下降，降低了飽和溫度，促使蒸發(fā)速度加快，

15、汽泡膨脹，加大了汽水混合物的總體積，使水位變化過程如圖中曲線H2所示。水位實(shí)際變化曲線是H1和H2 之和。 圖2-4 蒸汽流量擾動下水位階躍響應(yīng)曲線H1-只考慮貯水量變化的水位反應(yīng)曲線；H2-只考慮水面下汽泡容積變化的水位反應(yīng)曲線；H-實(shí)際水位反應(yīng)曲線（H=H1+H2）兩曲線的疊加，即圖中的曲線H，由圖可知，負(fù)荷變化時(shí)汽包水位的動態(tài)特性具有特殊的形式：負(fù)荷增加時(shí)，蒸發(fā)量大于給水量，但水位不是下降反而迅速上升；負(fù)荷突然減小時(shí)，水位卻先下降，然后迅速上升，這就是“虛假水位”現(xiàn)象。虛假水位的變化情況和鍋爐的特性有關(guān)，燃料突然減小時(shí)（如鍋爐滅火），“虛假水位”約在24分鐘內(nèi)即達(dá)到最低值。在外部負(fù)荷突然

16、減小時(shí)（如汽輪機(jī)甩負(fù)荷），“虛假水位”約在20秒內(nèi)即達(dá)到最低值，并且，“虛假水位”達(dá)到最低值的時(shí)間和負(fù)荷達(dá)到的最低值的時(shí)間基本相同。汽輪機(jī)甩負(fù)荷擾動下的“虛假水位”現(xiàn)象是相當(dāng)嚴(yán)重的，這給組成水位自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)帶來了困難。為了維持水位在允許的范圍內(nèi)，運(yùn)行中應(yīng)對負(fù)荷的一次變動量及負(fù)荷變化速度加以限制。爐膛熱負(fù)荷擾動下對象的動態(tài)特性當(dāng)燃料M增加時(shí)，爐膛熱負(fù)荷隨著增加，水循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的汽水混合物的氣泡比例增加，蒸發(fā)強(qiáng)度增加。如果負(fù)荷設(shè)備的進(jìn)氣閥不加調(diào)節(jié)，則汽包飽和壓力升高，蒸汽流出量增加，蒸發(fā)量大于給水量，水位應(yīng)該下降。隨著汽包壓力的升高，汽水混合物中汽泡的比例將減小，又使得汽水總?cè)莘e下降；其次，在汽壓升

17、高時(shí)，汽的比容變小，水的比容變大，總的效果是汽水混合物的比容變化不大。所以在燃料量擾動下，汽包水位也會因汽包容積的增加水位先上升，因此也會出現(xiàn)“虛假水位”現(xiàn)象，至蒸發(fā)量與燃料量相適應(yīng)時(shí)，水位才開始下降，即經(jīng)過了Tm時(shí)間后水位開始下降。由于熱慣性的原因，這種“虛假水位”沒有蒸汽流量擾動下的“虛假水位”那樣嚴(yán)重。圖2-5 燃料量擾動下水位階躍響應(yīng)曲線應(yīng)當(dāng)指出，蒸汽量、給水量和燃料量在運(yùn)行中是經(jīng)常變化的，為保持氣壓穩(wěn)定，燃料量與蒸發(fā)量必須相互適應(yīng)，因此這兩種擾動總是相伴發(fā)生，只是有先后發(fā)生的差別。從各種擾動下水位的動態(tài)特性可估計(jì)到水位調(diào)節(jié)的一些缺點(diǎn)：由于存在延遲，等到水位偏離規(guī)定值后再去進(jìn)行調(diào)節(jié)，水

18、位必然會有較大的變化（尤其是水位反應(yīng)快的鍋爐），水位的偏差也大；在負(fù)荷變化時(shí)，由于“虛假水位”現(xiàn)象，水位將迅速變化，這種變化幅度不可能用調(diào)節(jié)給水量來減小。為維持水位在允許的范圍內(nèi)，必須限制負(fù)荷的一次改變量和負(fù)荷變化速度；在負(fù)荷變化后的開始階段，給水流量和負(fù)荷的變化方向相反，如果忽視“虛假水位”現(xiàn)象的存在，盲目根據(jù)“水位”來調(diào)節(jié)給水量，將會擴(kuò)大鍋爐進(jìn)出流量的不平衡，使水位波動加劇，實(shí)際工作中應(yīng)當(dāng)防止和避免。三串級三沖量給水系統(tǒng)的信號校正與系統(tǒng)切換3.1鍋爐給水設(shè)備及管路連接鍋爐給水管路連接是和機(jī)爐連接方式相適應(yīng)的，可分母管制與單元制兩類。母管制給水系統(tǒng)是指具有全廠鍋爐共用的給水母管系統(tǒng)。全廠所有

19、的給水泵都連在給水母管上；而每臺鍋爐的給水調(diào)節(jié)則用各自連接在給水母管上的給水調(diào)節(jié)門進(jìn)行。典型的連接如圖3-1所示。圖3-1 母管制鍋爐給水系統(tǒng)示意圖在圖3-1中，#1門是主給水調(diào)節(jié)閥，#2門是備用主給水調(diào)節(jié)閥，這兩個(gè)閥門允許通過100%負(fù)荷的給水量；#3門是旁路給水調(diào)節(jié)閥，允許通過25%30%左右負(fù)荷的給水量。為了防止調(diào)節(jié)閥全閉時(shí)漏流，各條管路上都安裝了電動截止門#4，#5和#6。為了檢修方便，在主給水管路上又安裝了總的電動截門#7。此外還裝有鍋爐點(diǎn)火時(shí)省煤器用再循環(huán)門和事故放水電動截止門#8和#9。另一類是單元制給水系統(tǒng)，每臺單元機(jī)組都有自己獨(dú)立的給水管路系統(tǒng)。比較典型的有汽動泵、電動泵混合

20、型及單純電動泵組兩種。汽動泵電動泵混合型給水系統(tǒng)共有三臺主給水泵，其中兩臺是可變速的汽動泵，它們在高負(fù)荷時(shí)使用。另一臺是定速電動泵，在單元機(jī)組啟動及低負(fù)荷時(shí)使用。由于機(jī)組啟動階段還不能得到穩(wěn)定的氣源，汽動變速泵無法使用，故先用電動泵。這時(shí)電動泵通常是工作在定速工況，所以需用給水調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)給水量。為了保證泵在低負(fù)荷時(shí)出口有足夠的流量，防止給水泵產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象，安裝了再循環(huán)管路。電動泵組單元制給水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的典型形式是三臺可變速電動給水泵并聯(lián)，兩臺運(yùn)行一臺備用，泵的轉(zhuǎn)速變化依靠液壓聯(lián)軸節(jié)（靠背輪）滑差實(shí)現(xiàn)。為了保證泵的安全運(yùn)行特性，通常也裝有再循環(huán)門和調(diào)節(jié)閥門。3.2測量信號的自動校正鍋爐從啟動到正常

21、運(yùn)行或是從正常運(yùn)行到停爐過程中，蒸汽參數(shù)和負(fù)荷在很大范圍內(nèi)變化，這就使水位、給水流量和蒸汽流量測量信號的準(zhǔn)確性受到影響。為了實(shí)現(xiàn)全程自動控制，要求這些信號能夠自動地進(jìn)行壓力、溫度校正。測量信號自動校正的基本方法是：先推導(dǎo)出被測參數(shù)隨溫度、壓力變化的數(shù)學(xué)模型，然后利用各種元件構(gòu)成運(yùn)算電路進(jìn)行運(yùn)算，便可實(shí)現(xiàn)自動校正。按參數(shù)變化范圍和要求的校正精度不同，可建立不同的數(shù)學(xué)模型，因而可設(shè)計(jì)出不同的自動校正方案。1.水位信號的壓力校正由于汽包中飽和水和飽和蒸汽的密度隨壓力變化，所以影響水位測量的準(zhǔn)確性。通?？梢圆捎靡韵路椒ㄟM(jìn)行壓力校正。采用電氣校正回路進(jìn)行壓力校正，就是在水位差壓變送器后引入校正回路。圖3

22、-2 汽包水位測量系統(tǒng)-汽包壓力；H-汽水連通管之間垂直距離，即最大變化范圍；h-汽包水位高度； ，-夾在差壓變送器兩側(cè)的壓力；-飽和蒸汽的密度；-飽和水的密度；-汽包外平衡容器內(nèi)凝結(jié)水的密度圖3-2表示單元單容器平衡測量系統(tǒng)。從圖中可以看出：= （3-1）當(dāng)H一定時(shí)，水位h是壓差和汽、水密度的函數(shù)。密度與環(huán)境溫度有關(guān)，一般可取50時(shí)水的密度。在鍋爐啟動過程中，水溫略有增加，但由于同時(shí)壓力也升高，兩種因素對的影響基本上可抵消，即可近似地認(rèn)為時(shí)恒值。而飽和水和飽和蒸汽的密度和均為汽包壓力的函數(shù)，即由式（3-1）可以改寫成 （3-2）按照式（3-2）可以設(shè)計(jì)出水位壓力自動校正線路，如圖3-3所示。

23、圖3-3 水位壓力自動校正線路圖3-3中函數(shù)組件（x）、（x）分別模擬式（3-2）中和。計(jì)算和試驗(yàn)表明，密度與汽包之間的函數(shù)曲線可以看出與的關(guān)系在較大范圍內(nèi)可以近似地認(rèn)為是線性關(guān)系，即-則式（3-1）可以改寫為 （3-3）按式（3-3）可設(shè)計(jì)出較為簡便的水位自動校正線路，如圖3-4所示。圖3-4 水位壓力自動校正線路二2.過熱蒸汽流量信號的壓力、溫度校正過熱蒸汽流量測量通常采用標(biāo)準(zhǔn)噴嘴。這種噴嘴基本上是按定壓運(yùn)行額定工況參數(shù)設(shè)計(jì)，在該參數(shù)下運(yùn)行時(shí)，測量精度是較高的。但在對系統(tǒng)進(jìn)行控制時(shí)，運(yùn)行工況不能基本固定。當(dāng)被測過熱蒸汽的壓力和溫度偏離設(shè)計(jì)值時(shí)，蒸汽的密度變化很大，這就會給流量測量造成誤差，

24、所以要進(jìn)行壓力和溫度的校正。可以按下列公式進(jìn)行校正： （3-4）式中 D-過熱蒸汽流量； P-過熱蒸汽壓力； T-過熱蒸汽溫度； -節(jié)流件差壓； -過熱蒸汽密度； k-流量系數(shù)。按式（3-4）可設(shè)計(jì)出過熱蒸汽流量信號的壓力，溫度自動校正線路如圖3-5所示。 圖3-5 過熱蒸汽流量信號的壓力、溫度自動校正線路圖3.給水流量信號的溫度校正計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)給水溫度為100不變，壓力在0.196-19.6Mpa范圍內(nèi)變化時(shí)，給水流量的測量誤差為0.47%；若給水壓力為19.6Mpa不變，給水溫度在100-290溫度范圍內(nèi)變化時(shí)，給水量測量誤差為13%。所以，對給水流量測量信號可以只采用溫度校正，

25、其校正回路如圖3-6所示。若給水溫度變化不大，則不必對給水流量測量信號進(jìn)行校正。3.3 給水流量測量裝置切換系統(tǒng)圖3-6 給水流量信號溫度校正線路給水流量測量信號的準(zhǔn)確性與壓力、溫度的校正精度有關(guān)，但主要取決于高、低負(fù)荷時(shí)流量的測量精度。一般，大型單元機(jī)組的給水管路系統(tǒng)如圖3-7所示。上面的一路為主給水，在高負(fù)荷時(shí)使用；下面一路為流量較小的旁路給水，鍋爐啟停過程中及低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)用它供水；中間一路為輔助給水，當(dāng)主給水管路發(fā)生故障或因水壓過低而主給水供不應(yīng)求時(shí)使用。圖中#1，#2，#3為截止閥，#4，#5，#6為調(diào)節(jié)閥，#7為總截止閥。旁路給水管路中的最大流量只有主給水管路流量的30%左右，如果采

26、用一個(gè)孔板測量給水流量，在低負(fù)荷時(shí)必然會產(chǎn)生較大的測量誤差。為此，給水泵系統(tǒng)中安裝了1、2兩個(gè)孔板。在鍋爐啟停及低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，用旁路孔板2測量給水量，高負(fù)荷時(shí)用主管路孔板1測量給水量。對于這種采用兩個(gè)測量元件的給水流量測量系統(tǒng)，需要用一個(gè)流量信號運(yùn)算回路，如圖3-8所示。圖3-7 給水管路系統(tǒng)示意圖圖3-8 給水流量信號運(yùn)算回路由于旁路給水管路中的實(shí)際流量為主給水管路的1/4左右，因此測量旁路給水流量的變送器輸出信號要用乘法器乘以0.25的系數(shù)，以便使旁路給水流量信號與主給水流量信號具有同樣的變化范圍。在比較器中，主給水流量信號減去旁路給水流量信號，此差值信號在另一乘法器中乘可變系數(shù)，乘法器的

27、輸出為，值由比例偏置器調(diào)整。當(dāng)給水流量大于25%時(shí)，值由1向零逐漸變小，當(dāng)流量達(dá)到30%時(shí)，這時(shí)旁路給水流量信號消失，轉(zhuǎn)入主給水管路的給水流量測量?？梢姳容^器的輸出信號為 其中 -總給水流量信號； -主給水流量信號； -旁路給水流量信號。由上式可以看出，當(dāng)時(shí)，=0.25；當(dāng)時(shí)，=，這樣就實(shí)現(xiàn)了在低負(fù)荷時(shí)用旁路管路上的孔板2測量給水流量，高負(fù)荷時(shí)用主給水管路上的孔板1測量給水量的要求，從而提高了測量精度。圖3-9中表示的也是一個(gè)大小孔板測量切換的線路，大負(fù)荷時(shí)用大孔板，小負(fù)荷時(shí)用小孔板，高低負(fù)荷切換時(shí)，測得的流量信號也進(jìn)行無擾切換。圖3-9 給水流量測量信號系統(tǒng)在圖3-9中，-經(jīng)過大孔板的給水流

28、量；-經(jīng)過小孔板的給水流量； -大孔板、流量變送器、I/U轉(zhuǎn)換及開方器合在一起的測量系統(tǒng)總的系數(shù)； -小孔板等測量系統(tǒng)總的系數(shù)；-最后測得的給水流量信號，它如用指示表表示出來，系數(shù)值用（即按大孔板測量范圍作為指示儀表的測量范圍）； -01變化的系數(shù)。其他符號意義可從圖中看出。如果把圖3-9中各個(gè)環(huán)節(jié)參數(shù)配合恰當(dāng)，則可以得到以下結(jié)果： （3-5）圖3-9中用虛線框表示的部分，是一個(gè)比例限幅電路，通過恒流給定器GH輸出與大孔板測量信號比較，經(jīng)比例放大后，再限制其最大輸出值（n=010），使=01變化。的變化應(yīng)滿足以下的要求：當(dāng)截門還未打開，給水流量較小時(shí)，應(yīng)使=1，測量值以小孔板測量為準(zhǔn)，有；當(dāng)截

29、門全開，給水流量很大時(shí)，應(yīng)使，測量值應(yīng)以大孔板測量值為準(zhǔn)，有；當(dāng)截門剛開啟一部分，但流量較小時(shí)，大孔板測量值誤差較大，小孔板又只測得部分流量，此時(shí)應(yīng)使01，按式（3-5）可得到較精確的測量值?，F(xiàn)把實(shí)現(xiàn)式（1-5）的線路原理說明如下：當(dāng)GH值時(shí)，比例組件輸入為負(fù)值，反向截止使輸出N=0，由乘法器中，得到。當(dāng)值時(shí)，比例組件輸入為正值。由于選擇比例組件的放大倍數(shù)較大，比如為20，此時(shí)，輸出將大于10，經(jīng)限幅后，使=10V，。當(dāng)GH，并數(shù)值范圍在GM-0.5V時(shí)，輸出在0至10V范圍內(nèi)變化，使01。兩個(gè)乘法器的輸入輸出關(guān)系為加法器的輸出為 =因?yàn)?；所以 例如，當(dāng)流量較小，GH-=0.2V，可得到；即

30、從大孔板測量值取60%，從小孔板測量值取40%，構(gòu)成給水流量測量信號。3.4 大小給水調(diào)節(jié)閥門的切換在給水控制中，低負(fù)荷時(shí)通常用旁路閥門（即小閥門）調(diào)節(jié)給水流量，高負(fù)荷時(shí)用主給水閥門（即大閥門）調(diào)節(jié)給水流量。在負(fù)荷變化時(shí)，大小閥門就需要進(jìn)行無擾切換。圖3-10表示的是這種切換的線路原理。從圖3-10可以看出，在低負(fù)荷時(shí)，繼電器接點(diǎn)KJ斷開，定值組件GH發(fā)出10V的階躍信號，經(jīng)過加法器，直接送到小閥回路中的乘法器，即V。小閥回路乘法器輸出（V）。信號即為調(diào)節(jié)器的輸出信號，所以小閥回路中的控制信號即為調(diào)節(jié)器的輸出信號，小閥處于工作狀態(tài)。與此同時(shí)，大閥門處于關(guān)閉狀態(tài)。這是因?yàn)镵J斷開，限速組件的輸出

31、信號為0，則大閥回路中乘法器輸出。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷增加，給水流量增大到一定值時(shí)，絕對值報(bào)警組件H/L動作，使繼電組件KJ激勵，接點(diǎn)KJ閉合。這時(shí)，限速組件輸入為一個(gè)10V的階躍信號，其圖3-10 大小調(diào)節(jié)閥無擾切換原理圖輸出變?yōu)樾逼滦盘?，?dāng)斜坡信號達(dá)到10V時(shí)，即大閥門逐漸開大，最后變?yōu)檎{(diào)節(jié)器的輸出信號，大閥門參與工作。與此同時(shí)，加法器的輸出信號，即小閥門回路中的信號如圖中所示，為一個(gè)由大到小的斜坡信號。當(dāng)信號降為零時(shí)，小閥門回路的乘法器輸出。即在大閥門開大時(shí)，小閥門相應(yīng)關(guān)小，直到全部關(guān)閉。由于兩個(gè)閥門的流通量是不同的，所以兩個(gè)閥門的開關(guān)速度應(yīng)該是不同的，而流量應(yīng)該保持相等，這可以通過比例系數(shù)和偏置

32、值進(jìn)行調(diào)整。繼電組件KJ是由給水量控制的組件，為了防止啟停過程中造成閥門的多次反復(fù)切換，切換點(diǎn)電壓應(yīng)具有一定的滯環(huán)值。調(diào)節(jié)閥的切換與截門的切換密切配合，截門應(yīng)在調(diào)節(jié)閥投入工作之前打開。3.5 系統(tǒng)的無擾切換鍋爐在不同的負(fù)荷和參數(shù)下，其給水被控對象的動態(tài)特性是不同的。低負(fù)荷時(shí)，由于蒸汽參數(shù)低，負(fù)荷變化小，虛假水位現(xiàn)象不太嚴(yán)重，對維持水位恒定的要求又不高，所以允許采用單沖量給水控制系統(tǒng)。此時(shí)如果采用多種自動校正措施，則會使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，整定困難，同時(shí)仍然存在誤差。于是出現(xiàn)了低負(fù)荷時(shí)采用單沖量，高負(fù)荷時(shí)采用三沖量給水控制系統(tǒng)，如圖3-11所示。圖3-11 單沖量系統(tǒng)與三沖量系統(tǒng)相互切換和跟蹤線路圖中

33、PI1是低負(fù)荷時(shí)的單沖量給水調(diào)節(jié)器，它只接受經(jīng)過自動校正后的水位信號。高負(fù)荷時(shí)采用串級三沖量給水控制系統(tǒng)，其中PI2為主調(diào)節(jié)器，接受水位信號。PI3為副調(diào)節(jié)器，除接受主調(diào)節(jié)器校正信號外，還接受蒸汽流量信號D及給水流量信號W。兩套控制系統(tǒng)的切換是根據(jù)鍋爐負(fù)荷（蒸汽流量）的大小進(jìn)行的。蒸汽流量信號送入偏差報(bào)警繼電器1KJ，控制繼電器接點(diǎn)1C和3C。當(dāng)單沖量系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，1C閉合，3C斷開。當(dāng)要求三沖量系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，3C閉合，1C斷開。系統(tǒng)的切換在25%負(fù)荷左右進(jìn)行。為了防止因負(fù)荷波動造成系統(tǒng)反復(fù)切換，切換值應(yīng)有10%的滯環(huán)值，就是說由單沖量系統(tǒng)切換為三沖量系統(tǒng)是在30%負(fù)荷下進(jìn)行的，由三沖量系統(tǒng)切換為

34、單沖量系統(tǒng)是在20%負(fù)荷下進(jìn)行的。當(dāng)三沖量系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，要求PI1調(diào)節(jié)器的輸出跟蹤PI3調(diào)節(jié)器的輸出；單沖量系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，要求PI3調(diào)節(jié)器的輸出跟蹤PI1調(diào)節(jié)器的輸出；主調(diào)節(jié)器PI2的輸出應(yīng)保證加法器的輸出跟蹤給水流量信號。所謂比較線路是由比較器和積分器組成得線路。最簡單的原理圖如圖3-12所示。 （a） （b）圖3-12 負(fù)端輸入跟蹤線路原理圖（a）原理電路圖；（b）原理框圖圖3-12是由一個(gè)比較器和一個(gè)積分器組成的反饋線路，主動信號是A，從動信號是B。通過該線路可使B跟隨A變化，使B總與A相等。圖中比較器E可看成是放大倍數(shù)為的放大器，故在（AB）信號很小的情況下，有： 所以： 由于積分作用存在

35、，B最終一定要等于A。若A是變化量，則B信號跟隨A信號變化，始終保持B與A相等。圖3-12中閉環(huán)電路部分還應(yīng)符合負(fù)反饋原則。由于閉環(huán)反饋回路中信號B是從比較器正端輸入的，所以在比較器環(huán)節(jié)中輸入輸出關(guān)系不變，而在積分環(huán)節(jié)中輸入輸出關(guān)系則有一負(fù)號，所以整個(gè)閉環(huán)回路是負(fù)反饋形式。如果主動信號A從比較器正相輸入端輸入，為滿足閉環(huán)回路應(yīng)是負(fù)反饋的要求，則應(yīng)加一反向器，如圖3-13所示。圖3-13 正端輸入跟蹤線路原理圖（a）原理電路圖；（b）原理框圖如果在信號跟隨電路中客觀需要加入一些其他信號，例如圖3-11中，串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)要求副調(diào)節(jié)器給定信號跟隨給水流量信號W，在PI1調(diào)節(jié)的積分器后又加入了蒸汽流量信

36、號D，即中間加入了附加信號，仍能使從動信號跟隨主動信號。這是因?yàn)殡娐分杏蟹e分器和負(fù)反饋，并形成閉合回路，最后總能使比較器輸入信號代數(shù)和為零，始終使加法器輸出（即副調(diào)的給定值）跟蹤給水流量W值，保證副調(diào)節(jié)器入口偏差為零，從而保證無擾切換。3.6 給水泵安全特性要求給水泵的安全工作區(qū)如圖3-14所示，圖中陰影區(qū)由泵的上、下限特性、最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速，泵出口最高壓力和最低壓力圍成。為了滿足上限特性要求，在鍋爐負(fù)荷很低時(shí)，必須打開再循環(huán)門，以增加通過泵的流量。這樣在所需的相同的泵出口壓力條件下，可使泵進(jìn)入上限特性右邊的安全工作區(qū)工作，如圖3-14中，泵工作點(diǎn)由移到點(diǎn)。圖3-14 給水泵安全特性示意圖由

37、于給水泵有最低轉(zhuǎn)速的要求，在給水泵已接近時(shí)就不能以繼續(xù)降低轉(zhuǎn)速的方式來調(diào)節(jié)給水量。這就需要用改變上水通道阻力，即設(shè)置給水調(diào)節(jié)閥的方式，使泵工作在安全區(qū)內(nèi)。由于兼用改變泵轉(zhuǎn)速和上水通道阻力兩種方式調(diào)節(jié)給水量，增加了全程給水自動控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。在鍋爐負(fù)荷升高到一定程度，即泵流量較大時(shí)，為了不使泵在下限特性右邊區(qū)域工作，也需適當(dāng)提高上水通道阻力，以使泵出口壓力提高，這樣給水調(diào)節(jié)門又保證了泵在下限特性左邊安全區(qū)工作。如圖3-14泵工作點(diǎn)由移至點(diǎn)。第四章 串級三沖量給水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)現(xiàn)代大型鍋爐的水位動態(tài)特性復(fù)雜，汽包存在著嚴(yán)重的“虛假水位”現(xiàn)象，為了保證給水系統(tǒng)的安全可靠，設(shè)計(jì)了許多不同類型的控制系

38、統(tǒng)，但是無論采用何種調(diào)節(jié)手段，汽包鍋爐的給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)不外乎采用以下三種基本結(jié)構(gòu)：單沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、單級三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、串級三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。低參數(shù)小容量的鍋爐，相對于負(fù)荷來說，其水容積大，“虛假水位”現(xiàn)象不十分嚴(yán)重，對象的飛升速度比較小，對調(diào)節(jié)質(zhì)量要求不高，可采用圖4-1所示的單沖量單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)，采用比例調(diào)節(jié)規(guī)律，就能可靠地運(yùn)行。圖4-1 單沖量單回路自動調(diào)節(jié)這種系統(tǒng)的缺點(diǎn)是不能適應(yīng)較大的負(fù)荷擾動。在蒸汽流量突然減少時(shí)，調(diào)節(jié)器本應(yīng)減小給水量以保持物質(zhì)的平衡，但由于“虛假水位”的存在使得水位H下降，調(diào)節(jié)器根據(jù)這一信號，使給水量增加，甚至可能把調(diào)節(jié)閥門開到最大。經(jīng)過一段時(shí)間，蒸發(fā)量和給水

39、量的不平衡逐漸使水位回升并超過正常值，這時(shí)調(diào)節(jié)器又接受水位高的信號去減小給水量。由于水位回升很快，往往使水位的升高值比第一次“虛假水位”下降值大。水位的第二次升高值是調(diào)節(jié)器接受虛假水位信號后產(chǎn)生的誤動作造成的。另外，由于采用比例調(diào)節(jié)規(guī)律有靜差存在，鍋爐在大負(fù)荷時(shí)，水位保持低值，而在小負(fù)荷時(shí)，水位則保持高值，這種特性對鍋爐設(shè)備的運(yùn)行是不利的。在給水量產(chǎn)生擾動時(shí)，由于存在滯后，調(diào)節(jié)器不會及時(shí)動作，當(dāng)水位偏差信號超過調(diào)節(jié)器的不靈敏區(qū)后調(diào)節(jié)器開始動作，改變給水調(diào)節(jié)閥門的開度，從閥門動作改變給水流量到水位發(fā)生變化又需要一定時(shí)間，不能及時(shí)克服給水流量變化帶來的影響。當(dāng)給水控制閥開度不變時(shí)，若給水泵出口壓力

40、、管道阻力或汽包壓力變化，將引起控制閥前后的差壓變化，從而引起給水流量變化。當(dāng)給水流量自發(fā)變化時(shí)，要等到汽包水位變化后，才有信號輸入控制器?？刂破鞑拍茌敵鲂盘柛淖兛刂崎y開度，以抵消給水流量的自發(fā)擾動?？刂破鞯倪@種控制作用是不及時(shí)的。因此，當(dāng)調(diào)節(jié)對象的滯后時(shí)間和飛升速度較大時(shí)，調(diào)節(jié)過程將出現(xiàn)很大的動態(tài)偏差。雙沖量控制系統(tǒng)能消除內(nèi)擾，有效補(bǔ)償外擾引起的水位變化，克服“虛假水位”的影響，改善了控制質(zhì)量，但由于給水流量對水位的影響，其延遲要比蒸發(fā)量對水位影響大，用水位作為反饋信號去控制不及時(shí)，使得動態(tài)偏差增大。所以這種系統(tǒng)尚不能迅速消除給水流量的自發(fā)擾動，也不能及時(shí)體現(xiàn)控制效果。這種控制方案多用于中、

41、小型鍋爐的給水控制系統(tǒng)。總之，通過對給水控制系統(tǒng)的對象的動態(tài)性能分析可以看出，采用單回路控制系統(tǒng)是不能滿足生產(chǎn)對控制品質(zhì)的要求，所以電站汽包鍋爐的給水控制普遍采用三沖量給水控制方案。三沖量給水系統(tǒng)又分為單級三沖量和串級三沖量給水系統(tǒng)。所謂單級三沖量給水系統(tǒng)，是指系統(tǒng)中用了一個(gè)調(diào)節(jié)器，而調(diào)節(jié)器的輸入有三個(gè)，因此得名。這種系統(tǒng)與雙沖量給水系統(tǒng)相比，多了一個(gè)流量反饋信號。給水量發(fā)生變化時(shí)，流量信號自然要比水位信號快得多，從而大大的改善了控制質(zhì)量。但是，在系統(tǒng)參數(shù)整定時(shí)，內(nèi)外回路相互關(guān)聯(lián)相互影響，不容易確定參數(shù)，從而得不到希望的調(diào)節(jié)效果，且負(fù)荷變化時(shí)水位靜態(tài)值是根據(jù)“靜態(tài)對比”來進(jìn)行整定的。所以，又出

42、現(xiàn)了串級三沖量給水系統(tǒng)，此系統(tǒng)更進(jìn)一步完善了結(jié)構(gòu)，提高了控制質(zhì)量。串級三沖量給水控制系統(tǒng)和單級三沖量給水控制系統(tǒng)相比，有如下特點(diǎn)：1兩個(gè)調(diào)節(jié)器任務(wù)不同，參數(shù)整定相對獨(dú)立。副調(diào)節(jié)器的任務(wù)是當(dāng)給水?dāng)_動時(shí)，迅速動作使給水量不變；當(dāng)蒸汽流量擾動時(shí)，副調(diào)節(jié)器迅速改變給水量，保持給水量和蒸汽量平衡。主調(diào)節(jié)器的任務(wù)是校正水位，這比單級三沖量給水控制系統(tǒng)的工作更為合理，故串級系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量比單級系統(tǒng)要好一些。2在負(fù)荷變化時(shí)，水位靜態(tài)值是靠主調(diào)節(jié)器來維持的，并不要求進(jìn)入副調(diào)節(jié)器的蒸汽流量信號的作用強(qiáng)度按所謂“靜態(tài)配合”來進(jìn)行整定。恰巧相反，在這里可以根據(jù)對象在外擾下虛假水位的嚴(yán)重程度來適當(dāng)加強(qiáng)蒸汽流量信號的作用

43、強(qiáng)度，以便在負(fù)荷變化時(shí)，使蒸汽流量信號能更好的補(bǔ)償虛假水位的影響，從而改變蒸汽負(fù)荷擾動下的水位控制質(zhì)量。對于虛假水位較嚴(yán)重的被控對象，這一點(diǎn)就顯得更有意義。3當(dāng)給水流量信號和蒸汽流量信號兩個(gè)信號中由于變送器故障而失去一個(gè)信號，或變送器特性發(fā)生變化，和平衡關(guān)系失去時(shí)，主調(diào)節(jié)器由于積分作用可補(bǔ)償失去平衡的電流，使系統(tǒng)暫時(shí)維持工作；而單級系統(tǒng)當(dāng)或因產(chǎn)生故障而失去時(shí)，則無法控制水位在額定值，因此，串級系統(tǒng)的安全性較好。4串級系統(tǒng)還可以接入其他沖量信號（如燃料信號等）形成多參數(shù)的串級系統(tǒng)。但是，串級三沖量給水控制系統(tǒng)在汽機(jī)甩負(fù)荷時(shí)，它的過渡過程和響應(yīng)速度不如單級系統(tǒng)快。4.1 串級三沖量給水控制系統(tǒng)給水

44、控制系統(tǒng)概況鍋爐的汽包水位能夠間接反映鍋爐蒸汽負(fù)荷與給水量之間的平衡關(guān)系，維持汽包水位正常是保證鍋爐和汽輪機(jī)安全運(yùn)行的必要條件。汽包水位過高，會影響汽包內(nèi)汽水分離裝置的正常工作，造成出口的蒸汽水分含量過多，導(dǎo)致過熱器管壁結(jié)垢而被燒壞，也使過熱蒸汽溫度急劇變化，直接影響機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。汽包水位過低，可能破壞鍋爐水循環(huán)，導(dǎo)致水冷壁管被燒壞。汽包鍋爐給水控制系統(tǒng)地作用是使鍋爐的給水量自動適應(yīng)鍋爐的蒸發(fā)量，維持汽包水位在規(guī)定的范圍內(nèi)波動。汽包水位H是汽包中儲水量和水面下汽包容積的綜合體現(xiàn)，不僅受汽包儲水量變化的影響，還受汽水混合物中汽包容積變化的影響。其中主要的擾動為給水流量W、鍋爐蒸發(fā)量D、汽包壓力

45、、爐膛熱負(fù)荷等，其對水位的影響各不相同。其中給水流量和蒸汽流量是影響汽包水位的2種主要擾動，前者來自調(diào)節(jié)側(cè)，稱為內(nèi)擾，后者來自負(fù)荷側(cè)，稱為外擾。串級三沖量給水控制系統(tǒng)的工作原理國產(chǎn)300MW火力發(fā)電機(jī)組大型汽包鍋爐的控制對象具有給水內(nèi)擾動態(tài)特性延遲和慣性大的特點(diǎn)，且無自平衡能力，給水控制系統(tǒng)若采用以水位為被調(diào)量的單回路系統(tǒng)，控制過程中水位將出現(xiàn)較大的動態(tài)偏差，給水流量波動較大，應(yīng)此，應(yīng)考慮采用三沖量給水控制系統(tǒng)方案。另外，控制對象在蒸汽負(fù)荷擾動（外擾）時(shí)，存在“虛假水位”現(xiàn)象，應(yīng)此在擾動的初始階段，調(diào)節(jié)器將使給水流量向與負(fù)荷變化相反的方向變化，加劇了鍋爐的進(jìn)、出流量的不平衡。因此應(yīng)采用以蒸汽流

46、量D為前饋信號的前饋控制，從而能夠根據(jù)對象在外擾下虛假水位的嚴(yán)重程度來適當(dāng)加強(qiáng)蒸汽流量信號的作用強(qiáng)度，以改善蒸汽負(fù)荷擾動下的水位控制品質(zhì)。采用串級控制系統(tǒng)將具有更好的控制品質(zhì)，調(diào)試整定也比較方便，故在大型汽包爐上可采用串級三沖量給水控制系統(tǒng)。串級三沖量給水控制系統(tǒng)的原理圖如圖4-2和所示。圖4-2 串級三沖量給水控制系統(tǒng)原理方框圖這個(gè)系統(tǒng)有三個(gè)回路，為副回路，包括給水量W、副調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器放大系數(shù)、閥門系數(shù)、給水流量變送器斜率和給水流量分壓系數(shù)；為主回路，包括水位被控對象、水位變送器斜率、主調(diào)節(jié)器和副回路；位前饋通路，包括蒸汽流量變送器斜率和蒸汽流量分壓系數(shù)、副回路和被控對象。這個(gè)系統(tǒng)中使用了

47、兩個(gè)調(diào)節(jié)器，構(gòu)成串級控制系統(tǒng)。為保證被調(diào)量無靜差，主調(diào)節(jié)器采用PI控制規(guī)律，副調(diào)節(jié)器采用PI或P控制規(guī)律，副調(diào)節(jié)器接受三個(gè)輸入信號，信號之間有靜態(tài)配合問題，但系統(tǒng)的靜態(tài)特性由主調(diào)節(jié)器決定，因此蒸汽流量信號并不要求與給水流量信號相等。副回路的作用主要為快速消除內(nèi)擾，主回路用于校正水位偏差，而前饋通路則用于補(bǔ)償外擾，主要用于克服虛假水位現(xiàn)象。串級三沖量給水控制系統(tǒng)的SAMA圖 下圖為串級三沖量給水控制系統(tǒng)的SAMA圖：圖4-3 串級三沖量給水控制系統(tǒng)的SAMA圖4.2調(diào)節(jié)器的選擇調(diào)節(jié)規(guī)律是指調(diào)節(jié)器輸出信號與其輸入信號之間的動態(tài)關(guān)系，從理論上說可有各種形式的函數(shù)關(guān)系，然而在實(shí)踐中總結(jié)出三種基本調(diào)節(jié)關(guān)

48、系，廣為采用。這三種基本調(diào)節(jié)規(guī)律就是比例調(diào)節(jié)規(guī)律、積分調(diào)節(jié)規(guī)律、微分調(diào)節(jié)規(guī)律。三種調(diào)節(jié)規(guī)律的組合可設(shè)計(jì)出多種調(diào)節(jié)規(guī)律的調(diào)節(jié)器，如比例調(diào)節(jié)器、比例積分調(diào)節(jié)器、比例積分微分調(diào)節(jié)器等。調(diào)節(jié)器作為控制系統(tǒng)組成部分之一，其動態(tài)特性對控制過程有著很大的影響，因?yàn)閷ο蟮奶匦允遣蝗菀赘淖兊摹１壤{(diào)節(jié)規(guī)律的特點(diǎn)是控制及時(shí)，控制作用貫穿整個(gè)調(diào)節(jié)過程，因此它是基本的調(diào)節(jié)作用。然而比例調(diào)節(jié)不能保證系統(tǒng)無差。積分作用可以實(shí)現(xiàn)無差調(diào)節(jié)，只要偏差存在，積分控制作用一直增加；換言之，只有偏差為零時(shí)，積分作用才停止變化，這表明系統(tǒng)達(dá)到再次穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，被調(diào)量的偏差必然為零。積分調(diào)節(jié)規(guī)律的特點(diǎn)就是消除穩(wěn)態(tài)偏差，實(shí)現(xiàn)無差調(diào)節(jié)，其控制

49、作用體現(xiàn)在調(diào)節(jié)過程的后期。但是，具有積分調(diào)節(jié)規(guī)律的調(diào)節(jié)器不能完全消除偏差。比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律要比純積分調(diào)節(jié)規(guī)律優(yōu)越得多。因此工程中很少采用純積分調(diào)節(jié)器，廣泛采用的是比例積分調(diào)節(jié)器。然而在比例積分調(diào)節(jié)器中，積分作用的強(qiáng)弱要適當(dāng)，過強(qiáng)的積分作用可能使系統(tǒng)不穩(wěn)定，因?yàn)榉e分作用旨在消除偏差，但使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。因此與采用純比例調(diào)節(jié)器相比，比例積分調(diào)節(jié)器的比例帶應(yīng)適當(dāng)加大，以補(bǔ)償積分作用造成的穩(wěn)定性下降。微分調(diào)節(jié)規(guī)律是調(diào)節(jié)器輸出的控制作用與其偏差輸入信號的變化速度成正比。微分調(diào)節(jié)作用的大小僅與偏差信號的變化速度有關(guān)，而與偏差值大小無關(guān)。因此對象在受到較小的擾動后，被調(diào)量變化量及變化速度都將很小，微分作用

50、調(diào)節(jié)器同時(shí)由于自身動作的不靈敏區(qū)的存在而始終不動作;這樣經(jīng)過一段時(shí)間后，偏差將積累成一個(gè)較大的值。就是說純微分作用的調(diào)節(jié)器是不能單獨(dú)使用的，微分作用要與比例作用或比例積分作用相結(jié)合，形成比例微分調(diào)節(jié)規(guī)律或比例微分積分調(diào)節(jié)規(guī)律。微分作用的引入使系統(tǒng)控制過程的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性都得以提高，但它不能像積分作用那樣消除穩(wěn)態(tài)偏差。比例調(diào)節(jié)作用是最基本的調(diào)節(jié)作用，而積分和微分作用為輔助調(diào)節(jié)作用。比例作用貫徹于整個(gè)調(diào)節(jié)過程之中，積分作用則體現(xiàn)在調(diào)節(jié)過程的后期，用于消除靜態(tài)偏差，微分調(diào)節(jié)作用則體現(xiàn)在調(diào)節(jié)過程的初期。主、副回路調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇原則：（1）主參數(shù)控制質(zhì)量要求不十分嚴(yán)格，同時(shí)在對副參數(shù)的要求也不高的

51、情況下，為使兩者兼顧而采用串級控制方式時(shí)，主、副調(diào)節(jié)器均可采用比例控制。（2）要求主參數(shù)波動范圍很小，且不允許有余差（穩(wěn)態(tài)誤差），此時(shí)副調(diào)節(jié)器可采用比例控制，主調(diào)節(jié)器采用比例積分控制。（3）主參數(shù)要求高，副參數(shù)亦有一定的要求，這時(shí)主、副調(diào)節(jié)器均采用比例積分形式。4.3串級三沖量給水控制系統(tǒng)的參數(shù)整定主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定在串級三沖量給水控制系統(tǒng)中，副回路是一個(gè)調(diào)節(jié)器，一般用試探法整定副回路的和。主回路參數(shù)整定是把副回路等效成一個(gè)比例環(huán)節(jié)，然后用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行整定；前饋通路的選擇是基于“虛假水位”而定的。它主要是為了補(bǔ)償“虛假水位”現(xiàn)象。下面分別對它們進(jìn)行參數(shù)整定。副回路可看作一個(gè)隨動系統(tǒng)，如圖4

52、-4所示。圖4-4 副回路等效圖把調(diào)節(jié)閥和普通管道系統(tǒng)作為被調(diào)對象，則作為以外的環(huán)節(jié)都作為等效調(diào)節(jié)器。若采用型如的調(diào)節(jié)規(guī)律，則 （4-1）式中-副調(diào)節(jié)器比例帶； -副調(diào)節(jié)器積分時(shí)間。調(diào)節(jié)器的比例帶和積分時(shí)間 都應(yīng)該取得很小，給水流量信號和蒸汽流量信號的分壓系數(shù)、 一般均取為1。當(dāng)給水被控對象“虛假水位”嚴(yán)重時(shí)，需加大蒸汽流量信號的作用強(qiáng)度，以改善控制過程品質(zhì)，此時(shí)可取，并通過試驗(yàn)來減小，/ 最好為整數(shù)（一般為2，即=0.5）。由于內(nèi)回路快速隨動，故副調(diào)節(jié)器也可用純比例型調(diào)節(jié)器。 式（4-1）表明，副回路的等效調(diào)節(jié)器也可看作一個(gè)PI規(guī)律的調(diào)節(jié)器。 （4-2）副回路的對象為，可近似為比例環(huán)節(jié)，所以

53、調(diào)節(jié)器的比例帶和積分時(shí)間都可以整定得很小，實(shí)際應(yīng)用中，、可通過試驗(yàn)獲得；因此副回路也是整定和的問題，一般也用試探法求得。主回路的整定是建立在副回路可以等效為一個(gè)快速比例環(huán)節(jié)基礎(chǔ)上的。它的示意圖如圖4-5所示，其中為等效副回路。圖4-5 主回路等效圖把看成是被控對象，其余的環(huán)節(jié)可看成是等效調(diào)節(jié)器。若： 也是一個(gè)PI調(diào)節(jié)器。 （4-3）和為已知，所以回路只要整定、和的問題，用以下經(jīng)驗(yàn)公式整定： 所以 由式（4-2）和式（4-3）兩式可知：即當(dāng)增加時(shí)，內(nèi)回路穩(wěn)定性降低，外回路穩(wěn)定性增強(qiáng)，反之相反。一般取=1，則只需整定、和。則有 前饋通路的設(shè)計(jì) 前饋通路的簡化圖見圖4-6，通路中的選擇是基于“虛假水

54、位”情況而定的。圖4-6 前饋通路等效圖前饋通路中完全補(bǔ)償條件為： （4-4）若前饋通路的設(shè)計(jì)只考慮靜態(tài)補(bǔ)償，且與的靜態(tài)比值為一常數(shù)，則有：其中是虛假水位現(xiàn)象決定的常數(shù)，虛假水位現(xiàn)象嚴(yán)重時(shí)，值大，反之值小。負(fù)號表示前饋調(diào)節(jié)方向與虛假水位方向相反。由式（4-4）可得量的關(guān)系在負(fù)荷開始變化時(shí)，為使蒸汽流量信號更好地補(bǔ)償虛假水位現(xiàn)象，改善負(fù)荷擾動時(shí)調(diào)節(jié)過程的質(zhì)量，一般使蒸汽流量信號大大高于給水流量信號，即令。這時(shí)有 若，則 第五章 串級三沖量給水控制系統(tǒng)的仿真5.1 MATLAB概述火電廠是高度重視安全生產(chǎn)的企業(yè)之一，控制系統(tǒng)一旦投入運(yùn)行，是不允許無關(guān)人員隨便亂動的。因此，對控制系統(tǒng)的分析研究和自動

55、化人員生產(chǎn)技能的培訓(xùn)只能在仿真控制系統(tǒng)上進(jìn)行。以往的仿真控制系統(tǒng)主要是物理和半物理仿真，建立這樣的仿真控制系統(tǒng)投資大，安裝和維護(hù)費(fèi)用也大。尤其是自動化儀表發(fā)展如此之快，使這些仿真控制系統(tǒng)不得不進(jìn)行設(shè)備的更新改造，其經(jīng)濟(jì)損失是顯而易見的。MATLAB是Mathworks公司于1982年推出的一套高性能的數(shù)值計(jì)算和可視化軟件，它集數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算、信號處理和圖形顯示于一體，構(gòu)成了一個(gè)方便的、界面友好的用戶環(huán)境。利用MATLAB軟件中的SIMULINK功能可對自動控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，它的仿真結(jié)果將會對自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝調(diào)試和運(yùn)行維護(hù)有著重要的指導(dǎo)意義。在火電廠中，DEH(汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng))是汽輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的神經(jīng)中樞，該系統(tǒng)性能只能通過動態(tài)過程才能反映出來。為此，利用MATLAB仿真工具和VB開發(fā)界面，建立DEH仿真平臺，在不干擾生產(chǎn)的情況下，對DEH系統(tǒng)動態(tài)過程進(jìn)行分析研究，從而避免了對系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整的盲目性，使DEH系統(tǒng)各部分的動態(tài)過程完整地呈現(xiàn)出來。這對DEH系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行中參