【正文】 ，超調(diào)量小。汽包水位是汽包鍋爐非常重要的運(yùn)行參數(shù)，同時(shí)它還是衡量鍋爐汽水系統(tǒng)是否平衡的標(biāo)志。水位過低則會(huì)破壞水循環(huán)，嚴(yán)重時(shí)將引起水冷壁管道破裂。但是，由于給水系統(tǒng)的復(fù)雜性，真正能實(shí)現(xiàn)全程給水控制火電機(jī)組還很少。汽包水位控制系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)新建機(jī)組中基本都實(shí)現(xiàn)了水位全程調(diào)節(jié)，但在老機(jī)組的控制系統(tǒng)中由于存在各種客觀和主觀因素，真正實(shí)現(xiàn)鍋爐給水全程控制的機(jī)組還為數(shù)不多，大多數(shù)只實(shí)現(xiàn)了高負(fù)荷時(shí)水位自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的投入。在最近幾年，通過對(duì)老機(jī)組的技術(shù)改造，特別是分散控制系統(tǒng)（DCS）的改造成功，已經(jīng)使機(jī)組的自動(dòng)化水平上了一個(gè)臺(tái)階。給水系統(tǒng)一般采用經(jīng)濟(jì)性極佳的變速給水泵，除采用液力偶合器的電動(dòng)給水泵、汽動(dòng)給水泵外，還需要采用一套調(diào)節(jié)系統(tǒng)，保證給水泵工作在安全區(qū)域內(nèi)。本論文主要作了以下幾方面的研究工作:(I )深入分析給水對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，闡述了現(xiàn)今給水全程控制中存在的缺陷和不足。(3 )對(duì)給水控制的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行的分析，提出了自己思考的改進(jìn)辦法。隨著機(jī)組容量的增大、參數(shù)的提高，在啟動(dòng)和停機(jī)過程中需要監(jiān)視和操作的項(xiàng)目增多，操作的頻率也增高，采用人工調(diào)節(jié)已不適應(yīng)生產(chǎn)要求，而必須在啟、停過程中也實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。以給水控制系統(tǒng)為例，常規(guī)串級(jí)三沖量給水系統(tǒng)只能在負(fù)荷達(dá)到額定負(fù)荷 70%時(shí)，才能投入自動(dòng)，在此以前全部為手動(dòng)操作，而全程給水系統(tǒng)從鍋爐點(diǎn)火啟動(dòng)開始便可以投入自動(dòng)。汽包水位動(dòng)態(tài)特性較為復(fù)雜，一是對(duì)汽包水位擾動(dòng)有四個(gè)來源，二是“虛假水位”問題的存在，特別是后一個(gè)問題使得人們?cè)O(shè)計(jì)出“三沖量”給水控制系統(tǒng)。圖 給水流量階躍擾動(dòng)下水位響應(yīng)曲線當(dāng)給水流量階躍增加ΔW后，水位H的變化如圖中曲線H 所示。這種特性可由下列近似傳遞函數(shù)表示：式中： ε水位響應(yīng)速度，即單位給水量擾動(dòng)時(shí)，水位的變化速度， . ；1?τ 遲延時(shí)間，s。但按鍋爐容量的增大來計(jì)算響應(yīng)速度，則得到的相對(duì)響應(yīng)速度逐漸增大，說明隨著鍋爐容量和參數(shù)的提高，對(duì)水位H控制的要求也越高。但當(dāng)鍋爐蒸發(fā)量突然增加時(shí)，汽包水下面的汽泡容積也迅速增大，即鍋爐的蒸發(fā)強(qiáng)度增加，從而使水位升高，因蒸發(fā)強(qiáng)度的增加是有一定限度的，故汽泡容積增大而引起的水位變化可用慣性環(huán)節(jié)特性來描述，如圖 中 H2 曲線所示。只有當(dāng)汽泡體積與負(fù)荷適應(yīng)而不再變化時(shí)，水位的變化就僅由物質(zhì)平衡關(guān)系來決定，這時(shí)水位就隨負(fù)荷增大而下降，呈無自平衡特性。若此時(shí)汽輪機(jī)負(fù)荷未增加，則汽輪機(jī)側(cè)調(diào)節(jié)閥開度不變。另外，由于蒸發(fā)量隨燃料量的增加有慣性和時(shí)滯， 虛線所示，這就導(dǎo)致遲延時(shí)間τ較長(zhǎng)。蒸汽流量 D和燃料量B的變化是產(chǎn)生“虛假水位”的根源。測(cè)量信號(hào)自動(dòng)校正的基本方法是，先推導(dǎo)出被測(cè)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(dòng)校正。采用電氣校正回路進(jìn)行壓力校正。在鍋爐啟動(dòng)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(duì) 的影響基本上可抵消，即可近似地認(rèn)為 是恒值。計(jì)算和試驗(yàn)表明，密度與汽包壓力之間的函數(shù)曲線如圖 所示。39。 過熱蒸汽流量信號(hào)的壓力、溫度校正 過熱蒸汽流量測(cè)量通常采用標(biāo)準(zhǔn)噴嘴。可以按下列公式進(jìn)行校正 (35). PTPkD??????式中 D——熱蒸汽流量；P——過熱蒸汽壓力；T——過熱蒸汽溫度；?P——節(jié)流件差壓；?——過熱蒸汽密度； k——流量系數(shù)。圖 過熱蒸汽流量信號(hào)的壓力、溫度自動(dòng)校正線路圖 給水流量信號(hào)的溫度校正計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)給水溫度為 100℃不變，壓力在 ～ 范圍內(nèi)變化時(shí)，給水流量的測(cè)量誤差為 %。 給水泵安全特性要求在給水系統(tǒng)全過程運(yùn)行中，保證給水泵總是工作在安全工作區(qū)內(nèi)，是一個(gè)重要問題。無論哪種類型的變速泵，保證泵的安全工作區(qū)是首先要考慮的問題。此外，變速泵的運(yùn)行還必須滿足鍋爐安全運(yùn)行的要求，即泵出口壓力（給水壓力）不得高于鍋爐運(yùn)行的最高給水壓力 Pmax 且不得低于最低給水壓力 Pmin。目前采用的方法是在泵出口至除氧器水箱之間安裝再循環(huán)管道，當(dāng)泵的流量低于某一設(shè)定的最小流量時(shí)，再循環(huán)門自動(dòng)開啟，增加泵體內(nèi)的流量，從而使低負(fù)荷階段給水泵的工作點(diǎn)也在上限特性曲線之內(nèi)。目前采用的方法是提高上水管道的阻力，即關(guān)小泵出口流量調(diào)節(jié)閥門，以提高泵的出口壓力，使工作點(diǎn)重新移入安全區(qū)內(nèi)。解決問題的辦法是關(guān)小給水調(diào)節(jié)閥門，使泵的出口壓力升高，同時(shí)使水泵轉(zhuǎn)速由 n1 增至 n2，當(dāng)給水流量達(dá)到負(fù)荷要求數(shù)值時(shí)，工作點(diǎn)將由a 點(diǎn)移到 b 點(diǎn)，不會(huì)滑到安全工作區(qū)以外，保證了給水泵的安全運(yùn)行。根據(jù)鍋爐負(fù)荷要求，控制給水泵轉(zhuǎn)速，改變給水流量。通過控制給水調(diào)節(jié)閥的開度來維持給水泵的出口壓力，保證給水泵工作點(diǎn)不落在最低壓力 Pmin 線下和下限特性工作曲線之外。圖中 ＃ ＃ ＃ 3 為截止閥， ＃ ＃ ＃ 6 為調(diào)節(jié)閥， ＃ 7 為總截止閥。對(duì)于這種采用兩個(gè)測(cè)量元件的給水流量測(cè)量系統(tǒng)，需要用一個(gè)流量信號(hào)運(yùn)算回路，如圖 所示。當(dāng)流量達(dá)到 30%時(shí) k=0，這時(shí)旁路給水流量信號(hào)消失，轉(zhuǎn)入主給水管路的給水流量測(cè)量。在負(fù)荷變化時(shí)，大小閥門就需要進(jìn)行無擾切換。a 信號(hào)即為調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)，所以小閥回路中的控制信號(hào)即為調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)，小閥處于工作狀態(tài)。與此同時(shí)，加法器的輸出信號(hào)，即小閥門回路中的 信號(hào)如圖中所示，為一個(gè)由大小到小的斜坡信號(hào)。調(diào)節(jié)閥的切換與截門的切換應(yīng)密切配合，截門應(yīng)在調(diào)節(jié)閥投入工作之前打開。（3） 所以在設(shè)計(jì)給水控制系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)考慮采用以蒸汽流量 D 為前饋信號(hào)的前饋控制，以改善給水控制系統(tǒng)的品質(zhì)。主調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)和給水流量、蒸汽流量信號(hào)都作用到副調(diào)節(jié)器 PI2，一般副調(diào)節(jié)器都采用比例控制規(guī)律，以保證副調(diào)節(jié)回路的快速性。鍋爐在不同的負(fù)荷和參數(shù)下，其給水被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性是不同的。圖中 PIl 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(dòng)校正后（圖中未表示水位信號(hào)的自動(dòng)校正回路）的水位信號(hào)。當(dāng)單沖量系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，lC 閉合，3C 斷開。設(shè)計(jì)跟蹤系統(tǒng)的基本原則是：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(hào)。這是一個(gè)兩段調(diào)節(jié)的方案，用改變調(diào)節(jié)閥門的開度來控制給水量。但由于高低負(fù)荷都采用閥門調(diào)節(jié)，特別是高負(fù)荷時(shí)節(jié)流損失大，經(jīng)濟(jì)性較差。調(diào)節(jié)器 PI3 保證調(diào)速泵出口壓力為一定值 Ps（要求 Ps Pb +H p+ k ） ， （P b 為汽包壓力、H p 為泵出口到汽包的2G壓力損失，k 為阻力） ，既保證調(diào)速泵工作在安全區(qū)內(nèi)，同時(shí)又使泵在熱態(tài)啟動(dòng)和冷態(tài)2G啟動(dòng)時(shí)有相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。而在高負(fù)荷時(shí)，閥門開到最大，三沖量調(diào)節(jié)器 PI2 的輸出大于 nmin 值，故它的輸出去改變 PI3 的輸出，使泵的轉(zhuǎn)速改變，從而調(diào)節(jié)給水量，所以這時(shí)是一段調(diào)節(jié)。此方案在低負(fù)荷時(shí)用 PI1 調(diào)節(jié)器改變閥門開度來改變給水量，保持水位。此方案經(jīng)濟(jì)性好，切換簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便。為了保證給水泵工作在安全工作區(qū)內(nèi)，設(shè)計(jì)了一個(gè)給水泵出口壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)（PI3） ，通過改變閥門開度來改變泵的出口壓力。當(dāng)機(jī)組熱啟動(dòng)時(shí)，高壓加熱器出口的給水壓力高于泵的出口壓力，小選組件輸出為泵出口壓力，保證泵出口給水壓力升壓過程中，兩個(gè)調(diào)節(jié)閥門均處于關(guān)閉狀態(tài)，直到泵出口壓力大于高壓加熱器出口給水壓力時(shí)，才按高壓加熱器出口的給水壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制兩個(gè)閥門的開度。這是一個(gè)一段調(diào)節(jié)的方案，在低負(fù)荷時(shí)采用 PI1 單沖量系統(tǒng)，這時(shí)調(diào)速泵由大值選擇器的輸出（GH1）值來控制，使泵維持在允許的最低轉(zhuǎn)速。在熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)取決于 Pb 值，泵可以直接工作在較高的轉(zhuǎn)速。5 給水全程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)全程給水 sama 圖見附錄邏輯信號(hào)說明邏輯信號(hào) 1：給水手動(dòng)或負(fù)荷〉30%，PID3 跟蹤邏輯信號(hào) 2：當(dāng) 1PI 處于跟蹤狀態(tài)時(shí)，給水手動(dòng)并且旁閥開度 〈90% ，PID1 跟蹤信號(hào)V；否則跟蹤 A 泵和 B 泵中轉(zhuǎn)速較大的值。邏輯信號(hào) 6：旁閥雙回路跟蹤或手動(dòng)時(shí)，接通反饋值；否則，接通控制信號(hào)。邏輯信號(hào) 10：A 泵轉(zhuǎn)速信號(hào)反饋值與給定值偏差太大時(shí)報(bào)警?？刂葡到y(tǒng)的跟蹤與切換當(dāng)負(fù)荷小于 30%時(shí)，采用單回路輸出信號(hào)來控制閥門開度，此時(shí)三沖量主調(diào)節(jié)器PID1 跟蹤總給水流量與主蒸汽流量 SW 之差，三沖量副調(diào)節(jié)器 PID2 的輸入信號(hào)即為0，PID2 輸出跟蹤單回路控制器 PID3 的輸出，并產(chǎn)生控制信號(hào)去控制閥門和電泵。泵和閥門的運(yùn)行從 3PI 輸出的控制信號(hào)經(jīng)過 f1(x)運(yùn)算后，轉(zhuǎn)化為使旁閥開度在 0~100%時(shí)，符合可以從 0~30%變化的信號(hào)。只有當(dāng)負(fù)荷升高到一定程度，控制信號(hào)經(jīng) f2(x)運(yùn)算后大于給定值時(shí)，才能作為泵的轉(zhuǎn)速給定值去控制泵的給水流量。PID3 在手動(dòng)并且旁閥開度大于 30%時(shí)，會(huì)跟蹤 A 泵和 B 泵轉(zhuǎn)速信號(hào)中的較大值，在手動(dòng)并且旁閥開度小于 30%時(shí)，會(huì)跟蹤旁閥位置信號(hào)。A 泵和 B 泵同理。12()58wGss??經(jīng)整定得 P= 5 ，I=系統(tǒng)在給定值擾動(dòng)下的階躍響應(yīng)曲線如圖 ：圖 單回路系統(tǒng)在給定值單位階躍擾動(dòng)下的響應(yīng)曲線指標(biāo) 超調(diào)量 衰減率 調(diào)節(jié)時(shí)間 穩(wěn)態(tài)誤差結(jié)果 30% 90% 103s 0搭建串級(jí)三沖量控制系統(tǒng)仿真框圖如圖 ：圖 串級(jí)三沖量仿真框圖其中， 為給水流量在高負(fù)荷時(shí)對(duì)汽包水位的傳遞函數(shù)；321??sGw為蒸汽流量擾動(dòng)在高負(fù)荷時(shí)對(duì)汽包水位的傳遞函數(shù)；s??經(jīng)整定得 P=，I=；P1=4，I1=串級(jí)三沖量系統(tǒng)在給定值階躍擾動(dòng)下的響應(yīng)曲線如圖 ：圖 三沖量系統(tǒng)在給定值單位階躍擾動(dòng)下的響應(yīng)曲線指標(biāo) 超調(diào)量 衰減率 調(diào)節(jié)時(shí)間 穩(wěn)態(tài)誤差結(jié)果 49% 77% 370s 0串級(jí)三沖量系統(tǒng)在蒸汽階躍擾動(dòng)下的響應(yīng)曲線如圖 ：圖 串級(jí)三沖量系統(tǒng)在蒸汽單位階躍擾動(dòng)下的響應(yīng)曲線串級(jí)三沖量系統(tǒng)在給水流量單位階躍