熱工控制系統(tǒng)第十一章給水自動控制系統(tǒng)

1、第十一章 鍋爐給水(jshu)自動控制系統(tǒng)共四十三頁第一節(jié) 引言(ynyn) 汽包鍋爐給水自動控制的基本任務(wù)是使給水量適應(yīng)鍋爐蒸發(fā)量的變化，并且保證汽包水位處于設(shè)定的安全范圍(fnwi)以內(nèi)。汽包鍋爐給水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如下圖所示：汽包鍋爐給水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1給水泵；2高加；3省煤器；4汽包；5過熱器一、給水控制的任務(wù)共四十三頁二、 給水調(diào)節(jié)對象的動態(tài)(dngti)特性 汽包鍋爐給水調(diào)節(jié)對象的動態(tài)(dngti)特性是指各種引起汽包水位變化的原因與汽包水位變化之間的動態(tài)(dngti)關(guān)系。下面重點(diǎn)分析給水流量W、蒸汽流量D和煙氣熱量三種擾動下汽包水位 H 變化的動態(tài)特性：（1）給水流量W擾動下汽包水位變

2、化的動態(tài)特性 在給水流量W產(chǎn)生階躍擾動下，汽包水位 H 變化的響應(yīng)曲線如右圖所示： 給水流量擾動下汽包水位響應(yīng)曲線共四十三頁 給水流量W產(chǎn)生階躍擾動下，汽包水位(shuwi) H 變化的動態(tài)特性可用傳遞函數(shù)表示為：式中：遲延(chyn)時(shí)間； 汽包水位反應(yīng)速度，即給水量產(chǎn)生單位變化時(shí)汽包 水位的變化速度； 給水流量W擾動下，汽包水位調(diào)節(jié)對象沒有自平衡能力，但是具有一定的慣性和遲延，即給水流量W改變后不能立即引起汽包水位 H 的變化。 有時(shí)用汽包水位反應(yīng)速度的倒數(shù)Ta，即響應(yīng)時(shí)間作為反映汽包水位變化的參數(shù)，其定義為：當(dāng)擾動量為100時(shí)，水位變化100(跳爐所用的水位如220mm)所經(jīng)過的時(shí)間。共

3、四十三頁（2）蒸汽流量D擾動下汽包水位(shuwi)變化的動態(tài)特性 在蒸汽流量D產(chǎn)生階躍擾動下，汽包水位 H 變化(binhu)的響應(yīng)曲線如右圖所示：圖中：H1只考慮工質(zhì)儲量變化的汽包水位響應(yīng)曲線； H2只考慮水面下汽泡容積變化的汽包水位響應(yīng)曲線； H 實(shí)際汽包水位響應(yīng)曲線（ H H1 + H2 ）。 蒸汽流量擾動下汽包水位響應(yīng)曲線 在蒸汽流量D擾動下，汽包水位調(diào)節(jié)對象在調(diào)節(jié)過程中出現(xiàn)“虛假水位”現(xiàn)象，即蒸汽流量D 增大后汽包水位 H 由于汽包壓力突然下降先暫時(shí)上升，然后逐漸下降。共四十三頁 在蒸汽流量 D產(chǎn)生階躍擾動下，汽包水位 H 變化的動態(tài)特性(txng)可用傳遞函數(shù)表示為：式中：T2響

4、應(yīng)曲線 H2的時(shí)間常數(shù)(sh jin chn sh)，約1020s； K2響應(yīng)曲線 H2的傳遞系數(shù)； 響應(yīng)曲線 H1 的響應(yīng)速度。 因此，汽包鍋爐給水調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性可總結(jié)為：有慣性有遲延，無自平衡能力，并且具有虛假水位現(xiàn)象。共四十三頁（3）爐膛熱負(fù)荷(fh)擾動下汽包水位變化的動態(tài)特性 燃料量增加時(shí)，蒸發(fā)強(qiáng)度增大(zn d)，使汽水混和物中的汽泡容積增加，而且這種現(xiàn)象必然先于蒸發(fā)量增加之前發(fā)生，從而使汽包水位先上升，當(dāng)蒸發(fā)量與燃燒量相適應(yīng)時(shí)，水位便會迅速下降，這種水位先上升后下降的現(xiàn)象比蒸汽量擾動時(shí)要小一些，但其持續(xù)時(shí)間卻更長。 影響水位的因素除此之外，還有給水壓力，汽包壓力，汽輪機(jī)調(diào)速汽

5、門開度，二次風(fēng)分配等。但這些均可用W、D、Q的變化體現(xiàn)出來。共四十三頁三、給水自動(zdng)控制系統(tǒng)的基本要求 根據(jù)上述給水控制系統(tǒng)對象動態(tài)特性(txng)的分析，給水控制系統(tǒng)應(yīng)符合以下基本要求： （2）由于對象在蒸汽量D 擾動下，水位階躍反應(yīng)曲線表現(xiàn)出“虛假水位“現(xiàn)象，這種現(xiàn)象反應(yīng)速度比內(nèi)擾快，為了克服”虛假水位“現(xiàn)象對控制的不利影響，應(yīng)考慮引入蒸汽流量的補(bǔ)償信號。 （1）由于對象的內(nèi)擾動態(tài)特性存在一定的遲延和慣性，應(yīng)考慮采用串級或其他控制方案。同時(shí)由于給水壓力是有波動的，為了穩(wěn)定給水量，也應(yīng)考慮將給水量W信號作為反饋信號。 （3）給水控制系統(tǒng)的被調(diào)量H必需采用反饋控制方案。共四十三頁 目

6、前汽包鍋爐給水自動調(diào)節(jié)中普遍采用(ciyng)三沖量給水自動控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)器根據(jù)汽包水位H、蒸汽流量D和給水流量W三個(gè)信號的變化調(diào)節(jié)給水量，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如右圖所示：第二節(jié) 給水自動(zdng)控制系統(tǒng)一、單級三沖量給水控制系統(tǒng)（一）系統(tǒng)分析共四十三頁 上圖中汽包水位 H、蒸汽流量D和給水流量W三個(gè)信號同時(shí)送到PI調(diào)節(jié)器，在靜態(tài)(jngti)時(shí)三個(gè)信號VH、VD和VW 與給定值信號V0平衡，即：上述(shngsh)靜態(tài)平衡關(guān)系式意味著什么？思考：有PI調(diào)節(jié)器能否保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和消差。為什么？ 一般選擇VDVW ，則靜態(tài)時(shí)汽包水位信號VH 與汽包水位給定值信號V0 相等，從而使調(diào)節(jié)過程結(jié)束后的汽包

7、水位 H與汽包水位給定值H0相等。共四十三頁 對應(yīng)(duyng)的汽包鍋爐單級三沖量給水自動控制系統(tǒng)的原理方框圖如下圖所示：系統(tǒng)中未知參數(shù)PI調(diào)節(jié)器參數(shù)，分壓系數(shù)D、W。因此單級三沖量給水(jshu)控制系統(tǒng)的整定即為確定上述4個(gè)參數(shù)。共四十三頁（1）內(nèi)回路(hul)的分析整定內(nèi)回路(hul)原理方框圖 在內(nèi)回路中，可以把調(diào)節(jié)器以外的執(zhí)行機(jī)構(gòu)、調(diào)節(jié)閥、變送器和分壓器作為廣義調(diào)節(jié)對象處理，則其動態(tài)特性近似為比例環(huán)節(jié)，因此PI調(diào)節(jié)器的比例帶和積分時(shí)間Ti 可以取較小值，通過試驗(yàn)法進(jìn)行整定。當(dāng)給水流量分壓系數(shù)W 改變后，只需相應(yīng)改變PI調(diào)節(jié)器的比例帶使 保持不變，以保證內(nèi)回路開環(huán)放大倍數(shù)不變。（二）

8、單級三沖量給水控制系統(tǒng)的整定共四十三頁（2）主回路(hul)的分析整定 在主回路中可以把內(nèi)回路看作(kn zu)快速隨動系統(tǒng)處理，即輸入信號V 改變時(shí)調(diào)節(jié)器可以迅速改變給水流量W，使輸入信號V 與反饋信號VW 保持平衡，即：因此內(nèi)回路可以簡化為：共四十三頁主回路(hul)簡化方框圖在此基礎(chǔ)上可得主(d zh)回路簡化方框圖： 根據(jù)主回路簡化方框圖，主回路的等效調(diào)節(jié)器可以看作比例調(diào)節(jié)器，其等效比例帶為： 整定主回路時(shí)，以給水流量W作為輸入信號，汽包水位反饋信號IH作為輸出信號，做階躍擾動試驗(yàn)，在階躍響應(yīng)曲線上求得調(diào)節(jié)對象WOW(s)的遲延時(shí)間和飛升速度 ，建議采用以下公式計(jì)算主回路參數(shù)：共四十三

9、頁 增大給水流量分壓系數(shù)W ，相當(dāng)于增加主回路等效比例調(diào)節(jié)器的比例帶，使調(diào)節(jié)動作減慢，穩(wěn)定性提高；但對于內(nèi)回路，相當(dāng)于增加了內(nèi)回路開環(huán)放大系數(shù)，使內(nèi)回路穩(wěn)定性下降。因此(ync)當(dāng)增大給水流量分壓系數(shù)W 以提高主回路穩(wěn)定性時(shí)，必須相應(yīng)增加內(nèi)回路PI調(diào)節(jié)器的比例帶，以保持內(nèi)回路的穩(wěn)定。共四十三頁（3）前饋通道(tngdo)的分析整定 在完成了內(nèi)回路和主回路的整定后，三沖量給水自動控制系統(tǒng)簡化(jinhu)方框圖如下圖所示： 蒸汽流量前饋通道不在控制系統(tǒng)的閉環(huán)回路以內(nèi)，因此不會影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。可以根據(jù)蒸汽流量D擾動時(shí)使汽包水位H不發(fā)生變化的原則確定蒸汽流量分壓系數(shù)D ：共四十三頁 此時(shí)蒸汽流

10、量分壓系數(shù)D 是一個(gè)復(fù)雜的動態(tài)環(huán)節(jié)，在工程中很難實(shí)現(xiàn)。實(shí)踐證明D只要滿足比例特性，就可以保證在蒸汽流量D變化(binhu)時(shí)使汽包水位 H 穩(wěn)定在允許的范圍內(nèi)。通常采用蒸汽流量信號VD與給水流量信號VW靜態(tài)配合的原則確定D ，即：根據(jù)以上(yshng)原則可得：因此可得蒸汽流量分壓系數(shù)D ：共四十三頁二、串級三沖量給水(jshu)自動控制系統(tǒng)（一）系統(tǒng)分析 對于遲延和慣性較大的汽包鍋爐給水系統(tǒng)(xtng)，采用串級三沖量給水自動控制系統(tǒng)(xtng)可以提高控制品質(zhì)，其系統(tǒng)(xtng)結(jié)構(gòu)圖如下： 串級三沖量給水自動控制系統(tǒng)的組成： 內(nèi)回路 主回路 前饋通道共四十三頁 內(nèi)回路(hul)的分析整定

11、 整定方法(fngf)與前述單級三沖量給水自動控制系統(tǒng)相同。 主回路的分析整定 在主回路中內(nèi)回路是一個(gè)快速隨動系統(tǒng)，簡化方框圖如下圖所示： 整定主回路時(shí)，以給水流量W作為輸入信號，汽包水位反饋信號VH作為輸出信號，做階躍擾動試驗(yàn)，在階躍響應(yīng)曲線上求得調(diào)節(jié)對象W0W(s)的遲延時(shí)間和反應(yīng)速度 ，建議采用以下公式計(jì)算主回路比例積分調(diào)節(jié)器（PI1）的參數(shù)：共四十三頁 前饋通道(tngdo)的分析整定 在串級三沖量給水自動控制系統(tǒng)中，水位偏差由主回路中的比例積分調(diào)節(jié)器（PI 1）進(jìn)行校正，靜態(tài)時(shí)不存在偏差。因此可以根據(jù)鍋爐(gul)汽包中“虛假水位”的影響程度，按下式選擇合適的蒸汽流量分壓系數(shù)D ：共

12、四十三頁 給定不同的比例系數(shù)K（一般K1）可以通過改變蒸汽流量分壓系數(shù)D的大小調(diào)節(jié)前饋?zhàn)饔玫膹?qiáng)弱，以減小鍋爐(gul)運(yùn)行過程中負(fù)荷變化時(shí)“虛假水位”對汽包水位波動幅度的影響，縮短調(diào)節(jié)過程時(shí)間，提高控制品質(zhì)。三、單沖量給水(jshu)控制系統(tǒng) 大機(jī)組采用單沖量系統(tǒng)的原因：在低負(fù)荷階段：疏水、排污等影響導(dǎo)致給水流量和蒸汽流量嚴(yán)重不平衡；測量誤差大；虛假水位現(xiàn)象不明顯。 此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，適用于水容量大、飛升速度小、負(fù)荷變化也不大的小容量鍋爐。共四十三頁思考：在汽包鍋爐中為何采用水位進(jìn)行給水控制(kngzh)？！在直流爐中該采用哪種信號？共四十三頁第三節(jié) 給水全程自動控制系統(tǒng)(kn zh x tn)

13、簡介一、全程控制(kngzh)的概念 全程控制系統(tǒng)是指機(jī)組在啟停過程和正常運(yùn)行時(shí)均能實(shí)現(xiàn)自動控制的系統(tǒng)。全程控制包括啟停控制和正常運(yùn)行工況下控制兩方面的內(nèi)容。二、鍋爐給水全程控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 鍋爐給水全程控制系統(tǒng)可以不需要運(yùn)行人員參與而自動完成鍋爐啟、停和正常運(yùn)行工況下對給水熱力系統(tǒng)中全部設(shè)備的自動控制，以保持汽包水位在設(shè)定的允許范圍以內(nèi)，汽包爐給水系統(tǒng)熱力系統(tǒng)圖如下所示。其控制過程具有以下主要特點(diǎn)：共四十三頁汽包鍋爐給水(jshu)熱力系統(tǒng)圖共四十三頁（1）鍋爐從啟動到正常運(yùn)行的過程中，汽水參數(shù)和負(fù)荷在很大范 圍內(nèi)變化，因此需要對水位、流量等測量信號自動進(jìn)行壓力 和溫度的校正。（2）在給水全程

14、控制系統(tǒng)中不僅要滿足給水量(shu lin)控制的要求，同時(shí) 還要保證變速給水泵工作在安全工作區(qū)內(nèi)。（3）由于鍋爐給水調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性與負(fù)荷有關(guān)，在低負(fù)荷時(shí) 可以采用以汽包水位為反饋信號的單回路控制系統(tǒng)；在高負(fù) 荷時(shí)為克服“虛假水位”需要采用三沖量控制系統(tǒng)，因此在 鍋爐負(fù)荷變化時(shí)要保證兩種控制系統(tǒng)之間的雙向無擾切換。（4）在低負(fù)荷時(shí)采用改變閥門開度來保持保持水位，高負(fù)荷時(shí)用 改變給水泵的轉(zhuǎn)速保持水位，因此產(chǎn)生了閥門與給水泵間的 過渡切換問題。（5）給水全程控制系統(tǒng)要適應(yīng)機(jī)組定壓運(yùn)行和滑壓運(yùn)行工況，以 及機(jī)組的冷態(tài)啟動和熱態(tài)啟動工況。共四十三頁三、測量信號(xnho)的自動校正 在機(jī)組不同(b

15、 tn)運(yùn)行工況下汽水參數(shù)在很大范圍內(nèi)變化，為了保證鍋爐給水全程控制系統(tǒng)中汽包水位、給水流量和蒸汽流量測量的準(zhǔn)確性，需要對其自動進(jìn)行溫度和壓力的校正。（1）汽包水位測量信號的自動校正 汽包中飽和水和飽和蒸汽的密度隨壓力變化，會影響汽包水位測量信號H 的準(zhǔn)確性，汽包水位測量系統(tǒng)如右圖所示：共四十三頁由圖可得： 上式中凝結(jié)水密度a基本(jbn)不變，而飽和水和飽和蒸汽密度G和s均為汽包壓力的函數(shù)，即：共四十三頁 根據(jù)上式可以設(shè)計(jì)汽包水位信號壓力校正模塊(m kui)線路圖，其中密度與汽包壓力之間的函數(shù)曲線 fa(pb)和 fb(pb)如下圖所示：汽包水位信號(xnho)壓力校正模塊密度與汽包壓力函

16、數(shù)曲線共四十三頁（2）給水流量信號的溫度(wnd)校正 由于給水流量信號(xnho)隨壓力變化很小，因此對于給水流量測量信號W只需采用溫度校正，其校正模塊線路圖如下：給水流量信號溫度校正模塊共四十三頁（3）蒸汽流量信號的壓力、溫度(wnd)校正 當(dāng)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，使測量信號(xnho)產(chǎn)生較大誤差，所以需要對蒸汽流量測量信號D進(jìn)行壓力和溫度的校正，校正公式如下： 根據(jù)上式可以設(shè)計(jì)蒸汽流量信號壓力、溫度校正模塊線路圖如下圖所示：共四十三頁蒸汽(zhn q)流量信號壓力、溫度校正模塊共四十三頁四、變速給水泵的安全(nqun)工作區(qū) 目前在大型單元機(jī)組的給水系統(tǒng)中廣

17、泛采用變速給水泵來控制給水流量。變速給水泵的安全工作(gngzu)區(qū)可在泵的流量壓力特性曲線上表示出來，如下圖所示：在鍋爐啟動、停爐或低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，由于所需給水流量小，變速給水泵的工作點(diǎn)有可能處于上限特性曲線之外。為防止出現(xiàn)這種情況，最有效的措施是設(shè)置再循環(huán)管路，在低負(fù)荷時(shí)通過再循環(huán)增加給水泵的流量。共四十三頁變速給水泵有最低轉(zhuǎn)速nmin的限制，當(dāng)變速給水泵轉(zhuǎn)速接近nmin 時(shí)就不能以繼續(xù)降低轉(zhuǎn)速的方式調(diào)節(jié)給水流量，此時(shí)需用改變 上水管路阻力（即設(shè)置給水調(diào)節(jié)閥）的方式，使變速給水泵工 作在安全區(qū)以內(nèi)。變速給水泵下限特性(txng)決定了不同壓力下泵的最大負(fù)荷能力。當(dāng) 給水流量較大時(shí)，其工作點(diǎn)可

18、能會移到下限特性曲線之外，此 時(shí)需通過提高上水管路阻力（即關(guān)小泵出口流量調(diào)節(jié)閥）的方 式提高變速給水泵的出口壓力，以使其工作點(diǎn)重新移入安全區(qū) 以內(nèi)。工作點(diǎn)的移動過程如下圖所示：共四十三頁五、 給水全程控制(kngzh)中熱工信號的測量（1）汽包水位信號(xnho)的測量 左圖為汽包水位信號測量系統(tǒng)的電路原理圖，為了克服運(yùn)行過程中汽包壓力pb變化對汽、水密度的影響，提高汽包水位信號測量的準(zhǔn)確性，在測量系統(tǒng)中加入了汽包壓力補(bǔ)償環(huán)節(jié)，圖中汽包水位 H 的計(jì)算公式為：汽包水位壓差變送器壓差汽包壓力共四十三頁（2）給水流量信號(xnho)的測量 左圖為給水流量信號測量系統(tǒng)的電路原理圖，為了(wi le)

19、克服運(yùn)行過程中給水溫度變化對給水流量信號測量準(zhǔn)確性的影響，在測量系統(tǒng)中加入了給水溫度補(bǔ)償環(huán)節(jié)給水溫度補(bǔ)償環(huán)節(jié)共四十三頁（2）給水流量信號(xnho)的測量 左圖為給水流量信號測量系統(tǒng)的電路原理圖，為了克服運(yùn)行過程中給水溫度變化對給水流量信號測量準(zhǔn)確性的影響，在測量系統(tǒng)中加入了給水溫度補(bǔ)償(bchng)環(huán)節(jié)給水溫度補(bǔ)償環(huán)節(jié)共四十三頁設(shè)定(sh dn)系數(shù)（3）蒸汽流量信號(xnho)的測量 下圖為蒸汽流量信號測量系統(tǒng)的電路原理圖，圖中蒸汽流量D 的計(jì)算公式為：共四十三頁六、汽包鍋爐給水全程控制過程(guchng)分析（1）控制(kngzh)流程啟動、沖轉(zhuǎn)及帶25%負(fù)荷升負(fù)荷25 30%30 10

20、0%負(fù)荷階段單沖量控制單沖量控制三沖量控制負(fù)荷達(dá)到w,電動泵轉(zhuǎn)速為nx時(shí)打開主給水電動門30A%負(fù)荷階段由電動泵控制給水流量負(fù)荷A時(shí),啟動汽動泵，轉(zhuǎn)換完成后電動泵超馳全關(guān)共四十三頁 在減負(fù)荷過程中控制順序與上述相反，同時(shí)各負(fù)荷的切換點(diǎn)考慮了2的不靈敏區(qū)，以避免由于負(fù)荷波動使系統(tǒng)在切換點(diǎn)處來回切換。 在機(jī)組啟動、帶負(fù)荷運(yùn)行和減負(fù)荷過程的不同階段(jidun)中給水旁路閥門、主給水電動閥門的開度變化以及電動泵、汽動泵的運(yùn)行狀態(tài)如下圖所示：汽包鍋爐給水全程(qunchng)自動控制系統(tǒng)原理圖如下圖所示：共四十三頁汽包鍋爐給水(jshu)全程自動控制系統(tǒng)原理圖A/M共四十三頁（2）控制過程中的跟蹤(gnzng)與切換 控制系統(tǒng)間的跟蹤與切換(qi hun) 1、單沖量控制系統(tǒng)到三沖量控制系統(tǒng)的切換：此時(shí)三沖量主調(diào)節(jié)器PI1的輸出跟蹤（D-W）信號，同時(shí)電動泵三沖量副調(diào)節(jié)器PI3的輸出通過 f1(x)和T2跟蹤單沖量調(diào)節(jié)器PI4的輸出。 2、三沖量控制系統(tǒng)到單沖量控制系統(tǒng)的切換：此時(shí)單沖量調(diào)節(jié)器PI4的輸出通過T1跟蹤電動泵三沖量副調(diào)節(jié)器PI3的輸出。 閥門與泵的運(yùn)行及切換 低負(fù)荷時(shí)采用旁路閥門控制給水流量，高負(fù)荷時(shí)采用改變泵的轉(zhuǎn)速控制給水流量。兩者間的無擾切換通過f1(x)、T2和電動泵三沖量副調(diào)節(jié)器PI3的跟蹤而實(shí)現(xiàn)