【正文】 水分離裝置的正常工作，造成出口蒸汽水分過多而使過熱器管壁結(jié)垢，容易燒壞過熱器。汽包出口蒸汽中水分過多，也會使過熱器溫度產(chǎn)生急劇變化，直接影響機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。汽包水位過低，則可能破壞鍋爐水循環(huán)，造成水冷壁管燒壞而破裂。 正常運(yùn)行時的水位波動范圍： 177。150mm 異常情況： 177。200mm 事故情況： 177。350mm 保持穩(wěn)定的給水量。給水量不應(yīng)該 時大時小地劇烈波動，否則，將對省煤器和給水管道的安全運(yùn)行不利。 下面對 給水控制對象和各種擾動下水位變化的動態(tài)特性 進(jìn)行分析 。 給水控制的動態(tài)特性 汽包鍋爐給水控制對象的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 12所示。影響水位的因素主要有：鍋爐蒸發(fā)量（負(fù)荷 D ），給水量 G ，鍋爐熱負(fù)荷（燃燒率 M ），汽包壓力 bP 。 控制系統(tǒng)的物質(zhì)平衡方程為 dtDGD d tGd tdHA )()( 39。39。39。 ????? ?? （ 11） 將式（ 11）進(jìn)一步變換得 DGdtdHA ??? )( 39。39。39。 ?? 令 39。 39。39。()CA????，則上式變?yōu)? DGdtdHC ?? （ 12） 式中 ： H — 汽包水位 ， m 或 cm ； A — 汽水分離面積， 2m 或 2cm ； 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 8 D — 蒸發(fā)量， /th或 /kgs ； G — 給水量， /th或 /kgs ； C — 容量系數(shù)； 39。? — 水的密度， t / 3m 或 kg / 3cm ； 39。? — 蒸汽密度， t / 3m 或 kg / 3cm 。 容量系數(shù) C 是用來表征鍋爐結(jié)構(gòu)系數(shù)的，而它的動態(tài)特性則往往用飛升速度或飛升時間來表征。 圖 12 汽包鍋爐給水控制對象的結(jié)構(gòu)系統(tǒng) 對于汽包鍋爐來說，由飛升速度的定義知 m a xm a xm a xm a xm a x)(1HDGCHdtdHZdtdy ? ?????? ??????????????????? （ 13） 式中 ： ? —— 飛升速度， 1/s 。 把擾動量即水位變化量轉(zhuǎn)變成用相對量表示的水位變化范圍，通常的水位允許變化范圍為 ? 200mm ，這個范圍擾動量的相對極限值為 100%。式（ 13）中 m a xm a x )](1[)/( DGCdtdH ?? 右邊一項表示汽包內(nèi)工質(zhì)的變化量，當(dāng)給水量 0G? 時，而蒸發(fā)量 D 為最大時，內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 9 變化量最大，因此有 m a xm a x )/1()/( DCdtdH ?? （ 14） 可見這時的擾動量是下降的。故有 )(A1HDH139。39。39。m a xm a xm a xm a x??? ???????? DC （ 15） 式 中 ： maxD — 鍋爐最大的蒸發(fā)量； maxH? — 水位變化允許的最大范圍 。 1/aT ?? — 飛升時間 。 對于蒸發(fā)量為 100~230 /th的單汽包爐，當(dāng)水位變化 mm100? 時， 60 ~ 30aTs? ，對于蒸 發(fā) 量為更大的汽包爐 30aTs? ，它的意義在于當(dāng)鍋爐在滿負(fù)荷運(yùn)行時，如果突然停止供水，則由于蒸發(fā)量和給水量的不平衡造成水位迅速下降，在 s30 內(nèi)將下降mm200 ，或者換句話說，如果給水量減少 %10 ，經(jīng)過 s30 的時間，水位將下降 mm20 。 汽包水位 H是汽包中儲水量和水面下汽包容積的綜合反映 ， 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、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。 鍋爐熱負(fù)荷擾動下的水位動態(tài)特性 汽包水位的變化與鍋爐負(fù)荷的變化有密切關(guān)系，因為負(fù)荷的變化不僅影響蒸發(fā)受熱面中水的消耗量，而且由此引起汽壓變化，將使鍋 爐 水狀態(tài)發(fā)生變化 ， 其容積也相應(yīng)變化。汽包水位是否穩(wěn)定，取決于鍋爐負(fù)荷即蒸發(fā)量的變動量及其變化速度。當(dāng)負(fù)荷增加時，如果給水量不變或增加 不及時，則蒸發(fā)設(shè)備中的水量逐漸被消耗，其最終結(jié)果將使汽包水位下降；反之，其最終結(jié)果將使汽包水位上升。水位的變化反映了鍋爐蒸發(fā)量負(fù)荷與給水量之間的平衡關(guān)系。當(dāng)不考慮排污、漏水、漏氣等的影響時，如果給水量大于蒸發(fā)量，則水位上升；如果給水量小于蒸發(fā)量，則水位下降。只有給水量等于蒸發(fā)量，即蒸發(fā)設(shè)備中保持物質(zhì)平衡時，水位才能保持穩(wěn)定。 如圖 13所示 當(dāng)外界負(fù)荷突然增加，在給水量和燃燒工況不變的情況下，將引起鍋爐汽壓驟降，造成鍋爐水飽和溫度下降，汽包水空間內(nèi)部分水汽化，產(chǎn)生大量的汽泡，使汽包水位瞬間升高，形成虛假水位， 這時為了恢復(fù)汽壓而過分加強(qiáng)燃燒，會引起蒸汽帶水，惡化蒸汽品質(zhì)；反之，如果外界負(fù)荷突減，引起鍋爐汽壓驟升，汽包水內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 10 位驟減，如此時大大減弱燃燒，則促使水位更低，若安全門動作又會使水位升高。所以，當(dāng)負(fù)荷驟變時，必須嚴(yán)密監(jiān)視水位，預(yù)防水位事故的發(fā)生。 圖 13 燃料量擾動下水位階躍響應(yīng)曲線 在 負(fù)荷突然增加時，雖然鍋爐的給水流量小于蒸發(fā)量，但開始階段的水位不僅 不下降，反而迅速上升（反之，當(dāng)負(fù)荷突然減少時，水位反而先下降），這種現(xiàn)象稱為“ 虛假水位 ” 現(xiàn) 象。這顯然是因為在負(fù)荷變化的初始階段，水面下汽泡的體積變化很快 ， 由于 它對水位的變化起主要影響作用的緣故，因此水位隨汽泡體積增大而上升。 給水流量擾動下水位的動態(tài)特性 給水流量是調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)所改變的控制量，給水流量擾動是來自控制側(cè)的擾動，又稱內(nèi)擾。給水流量擾動下水位的 階躍 響應(yīng)曲線如圖 14 所示，當(dāng)給水流量階躍增加 W?后，水位的變化如圖 14 中曲線 2 所示。水位控制對象的動態(tài)特性表現(xiàn)為有慣性的無自平衡能力。當(dāng)給水流量突然增加后給水流量雖然大于蒸發(fā)量，但由于給水溫度低于汽包內(nèi)飽和水的溫度，給水吸收了原有飽和水中的部分熱量使水面下汽泡 容積減小，所以擾動初期水位不會立即升高。當(dāng)水面下汽泡容積的變化過程逐漸平衡，水位就反應(yīng)出由于汽包中 貯水量的增加而逐漸上升的趨勢，最后當(dāng)水面下汽泡容積不 再 變化時，由于進(jìn)、出工質(zhì)流量不平衡，水位將以一定的速度直線上升。圖 14 中曲線 1 為不考慮水面下汽泡容積變化，經(jīng)考慮物質(zhì)不平衡時的水位反映曲線，為積分環(huán)節(jié)的特性；曲線 3 為不考慮物質(zhì)不平衡關(guān)系，只考慮給水流量變化時水面下汽泡容積變化所引起的水位變化，可以認(rèn)為是慣性環(huán)節(jié)。在給水流量擾動下實際的水位變化曲線 2可以認(rèn) 為是曲線 1 和曲線 3 的合成 ??1 。 水位在給水 擾動下的傳遞函數(shù)可表示為： )1(1)( ssssWHsW h ?????? ?????? 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 11 式中 ? ——延遲時間， s； ? ——響應(yīng)速度，即給水流量變化一個單位流量時水位的變化速度。 圖 14 給水量擾動下水位階躍響應(yīng)曲線 其擾動傳遞函數(shù)方框圖如圖 15 所示，可近似認(rèn)為是一個積分環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié)的并聯(lián)或串聯(lián)的兩種形式。 圖 15 給水?dāng)_動傳遞函數(shù)方框圖 蒸汽流 量 擾動下的水位動態(tài)特性 蒸汽流量 擾動下水位的階躍起反應(yīng)曲線如圖 16 所示。當(dāng)蒸汽流量突然增加（假定供熱量及時跟上）時，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，又因為汽包是無自平衡對象，所以水位的變化曲線應(yīng)如圖中曲線 H1所示：實際上當(dāng)蒸發(fā)量突然增加時，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，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 16 中曲線 H2所示。水位實際變化曲線是 H1和 H2之和 H。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 12 圖 16 蒸汽流量擾動下水位階躍響應(yīng)曲線 兩曲線的疊加，即圖 16 中的曲線 H，由圖 16 可知，負(fù)荷變化時汽包水位的動態(tài)特性具有特殊的形式：負(fù)荷增加時，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，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（如鍋爐滅火）， “ 虛假水位 ”約在 2～ 4 分鐘內(nèi)即達(dá)到最低值。在外部負(fù)荷突然減小時（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)到最低值的時間和負(fù)荷達(dá)到的最低值的時間基本 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。 從上述三種擾動下水位變化的動態(tài)特性可以看出給水控制的某些特點(diǎn)。當(dāng)水位高于 給定值后再調(diào)節(jié)給水量，則由于給水量改變后有一定的滯后時間（或慣性）才能影響到水位，即從給水調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)動 做 到汽包水位變化存在著一定的滯后，因此水位必然要有較大的變化，尤其是水位響應(yīng)速度快的鍋爐，水位的偏差更大。在負(fù)荷變化時，由于產(chǎn)生 “ 虛假水位 ” 現(xiàn)象，水位將迅速變化，這個水 位暫時變化的幅度是不能靠控制給水量來減少的。對于虛假水位較為嚴(yán)重的鍋爐，為了在負(fù)荷變化時水位不超出允許范圍，必須限制負(fù)荷的一次突變量和變負(fù)荷速度。此外，由于影響汽包水位的因素很多，并且存在著 “ 虛假水位 ” ， 如果只根據(jù)水位控制給水量，那么在負(fù)荷變化的開始階段 “ 虛假水位 ” 增加，給水量的變化將與負(fù)荷變化的方向相反，因而擴(kuò)大了鍋爐進(jìn)出工質(zhì)的不平衡，這種情況在設(shè)計給水自動控制系統(tǒng)時是必須加以考慮的。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 13 第 二 章 給水自動控制系統(tǒng) 的介紹 根據(jù)汽包鍋爐給水控制對象 動 態(tài)特性的特點(diǎn)，我們確定給水控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。由于對象的內(nèi)擾動 態(tài)特性存在一定的延遲和慣性，所以給水控制系統(tǒng)若采用以水位為被調(diào)量的單回路系統(tǒng)，則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。因此，對給水內(nèi)擾動態(tài)特性遲延和慣性大的鍋爐應(yīng)考慮采用串級或其他控制方案 ， 或者由于對象在蒸汽員荷擾動（外擾）時，有 “ 虛假水位 ” 現(xiàn)象。因此給水控制若采用以水位為被調(diào)量的單回路系統(tǒng)，則在擾動的初始階段，調(diào)節(jié)器將使給水流量向與負(fù)荷變化方向相反的方向變化，從而擴(kuò)大了鍋爐進(jìn)、出流量的不平衡。 單級三沖量給水控制系統(tǒng) 三沖量控制給水就是水位作為主信號，蒸汽流量作為前饋信號，以制止 “ 虛假水位 ” 的調(diào)節(jié)偏差 ， 還考慮到改變給水流量到水位響應(yīng)有一定的延遲時間，再將給水流量信號作為反饋信號以保持給水流量與蒸汽流量的平衡；當(dāng)給水自發(fā)擾動時給水流量信號有前反饋調(diào)節(jié)的作用，可迅速消除內(nèi)擾。 所謂單回路控制系統(tǒng)，通常是指一個測量變送器、一個控制器、一個執(zhí)行器和一個被控對象所構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)，也稱為簡單控制系統(tǒng)。單回路控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較簡單，所需的自動化裝置數(shù)量少，操作維護(hù)也比較方便，因此在 熱工 自動化中使用很普遍，這類系統(tǒng)占控制回路的絕大多數(shù) ??2 。 圖 21 為 單級三 沖量給水控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，由圖可以看出，調(diào)節(jié)器 PI 接受了三個信號 (H、 G、 D)，其輸出通過阻尼器、控制器和執(zhí)行器 KZ 去控制給水流量 G，其中水位 H 是主要控制信號，水位高時應(yīng)減少給水流量，水位低時應(yīng)增加給水流量。蒸汽流量 D 和給水流量 G 的變化是引起水位變化的原因 （ 擾動信號 ） ，它們分別作為水位控制的前饋信號和反饋信號。當(dāng) D 改變時，調(diào)節(jié)器 PI 立即動作，適當(dāng)?shù)馗淖兘o水量 G，保證 D 和 G 比值不變；而當(dāng) G 自發(fā)地改變時， PI 也立即動作使 G 恢復(fù)原來數(shù)值，這樣就會有效地控制水位的變化。當(dāng)負(fù)荷變化而出現(xiàn) “ 虛假水位 ” 時，由于采用 “ 虛假水 位 ” 現(xiàn)象而使給水量與負(fù)荷相反方向變化的趨勢。給水量信號 G 能消除給水流量自發(fā)的擾動，因而當(dāng) G 發(fā)生自發(fā)性擾動時，水位可以基本不受影響。 串級三沖量 給水 控制系統(tǒng) 串級系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是兩個閉環(huán)，一個閉環(huán)在內(nèi)部，被稱為內(nèi)回路或副回路，在控制中起粗調(diào)的作用 ； 一個閉環(huán)在外部被稱為外回路或主回路，用于細(xì)調(diào)任務(wù)。無論主回 路還是副回路都有各自的控制對象，測量變送器和調(diào)節(jié)器。在主回路內(nèi)的控制對象、內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 14 被測參數(shù)和調(diào)節(jié)器分別被稱為主對象、主參數(shù)和主調(diào)節(jié)器。在副回路內(nèi)則相應(yīng)地被稱