【正文】 比較小時(shí)，測(cè)量誤差大，故在低負(fù)荷階段，很難采用三沖量調(diào)節(jié)方式，一般均采用單沖量調(diào)節(jié)方式。鍋爐汽包給水自動(dòng)控制系統(tǒng)的任務(wù)是使給水量適應(yīng)鍋爐蒸發(fā)量，并使汽包中水位保持在一定的范圍內(nèi)。其中，鍋爐汽包給水及水位的調(diào)節(jié)已經(jīng)完全采用自動(dòng)的方式加以控制，在不需要操作人員干預(yù)的情況下，可以很好的完成生 產(chǎn)過(guò)程中的給水及水位控制，大大提高了生產(chǎn)效率。目前工業(yè)控制急需一種系統(tǒng)簡(jiǎn)單，并且能夠控制 “ 虛假水位 ”現(xiàn)象，具有高性能的控制系統(tǒng)。 火電廠按照原動(dòng)機(jī)不同可分為汽輪機(jī)電廠、燃?xì)廨啓C(jī)電廠、蒸 汽 — 燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)電廠。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，發(fā)電機(jī)組已由中溫、中壓、中小容量發(fā)展到今天的大容量、高參數(shù)的單元機(jī)組。隨著技術(shù)的進(jìn)步，火電廠單元機(jī)組自動(dòng)化 系統(tǒng)的智能化將是一種趨勢(shì)，因此未來(lái)數(shù)年里，實(shí)現(xiàn)信息智能化的儀表與軟件將會(huì)在火電廠得到發(fā)展與應(yīng)用。電廠鍋爐以其容量大、參數(shù)（壓力、溫度）高區(qū)別于一般工業(yè)鍋爐。當(dāng)給水在水冷壁中受熱時(shí)，部分水會(huì)變?yōu)檎羝运浔谥械墓べ|(zhì) 為汽水混合物，而在不受熱的下降管中工質(zhì)則全部為水?？刂蒲h(huán)鍋爐的循環(huán)倍率約為3～ 10。當(dāng)鍋爐負(fù)荷超過(guò)本生點(diǎn)以上或在高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)， 由蒸發(fā)部分出來(lái)的是微過(guò)熱蒸汽，這時(shí)循環(huán)泵停運(yùn)，鍋爐按照純直流方式工作。蒸汽做功后從汽輪機(jī)下部排出。汽包水位過(guò)高，使汽包蒸汽空間高度減小，汽水分離效果下降，將會(huì)引起蒸汽帶水，使蒸汽品質(zhì)惡化，蒸汽含鹽量提高，以致在過(guò)熱器管內(nèi)產(chǎn)生鹽垢沉積，使管子過(guò)熱金屬?gòu)?qiáng)度降低而發(fā)生爆管，水位嚴(yán)重 過(guò)高時(shí)，蒸汽大量帶水，過(guò)熱汽溫急劇下降，蒸汽管道汽輪機(jī)等金屬溫度發(fā)生劇變，產(chǎn)生嚴(yán)重的熱應(yīng)力和熱變形，甚至發(fā)生水沖擊，造成設(shè)備損壞。 正常運(yùn)行時(shí)的水位波動(dòng)范圍： 177。 控制系統(tǒng)的物質(zhì)平衡方程為 dtDGD d tGd tdHA )()( 39。39。故有 )(A1HDH139。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(dòng)，前者來(lái)自調(diào)節(jié)側(cè)，稱為內(nèi)擾 ； 后者來(lái)自負(fù)荷側(cè)，稱為外擾。所以，當(dāng)負(fù)荷驟變時(shí)，必須嚴(yán)密監(jiān)視水位，預(yù)防水位事故的發(fā)生。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(shí)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(shí)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)。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 2～ 4 分鐘內(nèi)即達(dá)到最低值。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(jì)給水自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)是必須加以考慮的。 圖 21 為 單級(jí)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(gè)信號(hào) (H、 G、 D)，其輸出通過(guò)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(hào)，水位高時(shí)應(yīng)減少給水流量，水位低時(shí)應(yīng)增加給水流量。在副回路內(nèi)則相應(yīng)地被稱為副對(duì)象 、 副參數(shù)變量和副調(diào)節(jié)器。為保證被調(diào)量無(wú)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(hào)，信號(hào)之間有靜態(tài)配合問(wèn)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(hào)并不要求與給水流量信號(hào)相等。 與簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)相比，串級(jí)控制系統(tǒng)只是在結(jié)構(gòu)上增加了一個(gè)內(nèi)回路，卻能收到明顯的控制效果。但在串級(jí)系統(tǒng)中情況就不同了，負(fù)荷變化引起副回路內(nèi)各環(huán)節(jié)參數(shù)的變化，可以較少影 響 或不影響系統(tǒng)的控制質(zhì)量。對(duì)于 “ 虛假水位 ” 現(xiàn)象較嚴(yán)重的被控對(duì)象，這一點(diǎn)就顯得更有意義。 副回路應(yīng)包含被控對(duì)象所受到的主要干擾。由于串級(jí)系統(tǒng)中主、副回路是兩個(gè)相互獨(dú)立又密切相關(guān)的回路。 其次， 主調(diào)節(jié)器的選型 ， 主調(diào)節(jié)器的任務(wù)是準(zhǔn)確保持被調(diào)量符合生產(chǎn)要求。 單級(jí)三沖量 副回路的方框圖如圖 31所示。在遲延時(shí)間 ? 較大的情況下，可按下列近似公式整定 ??? ?外 （ 32） 又因?yàn)?GGn ??? ?? *外外 ，故有 /GGn ?? ?? （ 33） 從內(nèi)、外回路比例帶來(lái)看，給水流量的分壓系數(shù) Gn 對(duì)內(nèi)外回路影響正好是相反的， Gn 若增大，主回路穩(wěn)定性增強(qiáng)，副回路則減弱，反之則情況相反。 根據(jù)系統(tǒng)無(wú)靜差要求，整定 Dn 的值，使 DDGG nn ?? ? 。 調(diào)節(jié)器的比例帶 2? 和積分時(shí)間 2iT 都應(yīng)該取得很小，給水流量信號(hào)和蒸汽流量信號(hào)的分壓系數(shù) Gn 、 Dn 一般均取為 1。 )()( )()( 11 sWnsH sGsW TGG HT ???? ?? 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 23 若： )11(1)(111 sTsW iT ?? ? 也是一個(gè) PI 調(diào)節(jié)器。 H、 G、 D 分別是水位 、給水量、蒸汽流量。 Gn 初 始 試驗(yàn) 的整 定值 ： 根據(jù)圖 32 所示的主回路的等效方 框圖可列出主回路的特征方程式為 ： 1+ )(1 sWn DGGH??=0 帶入具體數(shù)值得 ： 1+ ? ?ssn G 301 ???=0 整理得 ： 3 3 32 ???? ?ss 設(shè) ? 為相應(yīng)的阻尼系數(shù)，則 ： ??Gn 取整定指標(biāo) ?? ，則 ?? ? ? ??Gn ≈ 根據(jù) 經(jīng)驗(yàn)法，將 2? 、 2iT 取的很小，一般情況下積分時(shí)間 2iT ≤ s10 ，試探過(guò)程中，設(shè)置 Gn 值 為 ， 以保證內(nèi)回路不振蕩為目的， 得 , 2iTs? ??。 圖 313 單級(jí)三沖量給水流量擾動(dòng)下 SIMULINK 結(jié)構(gòu)圖 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 29 圖 314 單級(jí)三沖量給水流量擾動(dòng)下 仿 真圖 圖 315 和圖 316 分別為有、無(wú)前饋裝置單級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)在蒸汽流量擾動(dòng)下 SINMULINK 結(jié)構(gòu)圖，對(duì)應(yīng)仿真圖分別為圖 317 和圖 318。 圖 319 串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng) 副回路的 SIMULINK 結(jié)構(gòu)圖 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 32 圖 320 串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng) 副回路的仿真圖 得到 2%2 22 ?? iT，? s,由仿真曲線可知，將副回路整定成快速隨動(dòng)系統(tǒng)。 可以得到 前饋通道 SIMULINK 結(jié)構(gòu)圖如 圖 324 所示， 由于給定值為 ， 水位測(cè)量變送器傳遞系數(shù) 為 ， 所以示波器輸出穩(wěn)定值為 100mm。圖 332 說(shuō)明對(duì)應(yīng)有前饋通道的系統(tǒng)能夠抵抗蒸汽流量擾動(dòng)，系統(tǒng)最后達(dá)到穩(wěn)定值 0，而圖 333 說(shuō)明對(duì)應(yīng)無(wú)前饋通道的系統(tǒng) 也 能夠抵抗蒸汽流量擾動(dòng)，系統(tǒng)穩(wěn)定值為 也為 0mm，這是因?yàn)榇?jí)三沖量給水系統(tǒng)水位偏差完全由主調(diào)節(jié)器校正，使靜態(tài)水位值總是等于給定值 ，但是加入前饋裝置的系統(tǒng)更為穩(wěn)定。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 40 圖 335 蒸汽流量擾動(dòng)下 仿真 曲線對(duì)比圖 單級(jí)和串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)的比較分析 （ 1） 單級(jí)給水控制系統(tǒng)里 PI 調(diào)節(jié)器要完成副回路和主回路兩者的控制任務(wù)，因此，在調(diào)節(jié)器參數(shù)整定方面要兼顧到兩個(gè)回路的控制質(zhì)量要求。 主調(diào)節(jié)器 PIl 采用比例積分控制規(guī)律，以保證水位無(wú)靜態(tài)偏差。當(dāng)為蒸汽流量擾動(dòng)時(shí)，串級(jí)系統(tǒng)波形的波動(dòng)比單級(jí)系統(tǒng)明顯要小，串級(jí)系統(tǒng)的抗擾性能優(yōu)于單級(jí)系統(tǒng)，所以串級(jí)系統(tǒng)被廣泛采用。在整個(gè)過(guò)程中對(duì)我提出的問(wèn)題都耐心解答，他的這種敬業(yè)精神值得我們這些即將走向工作崗位的每一個(gè)人學(xué)習(xí)，在此，再一次向席東 民 老師表示敬意和感謝。 本文通過(guò)仿真 進(jìn)行 了 串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng) 與 單級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng) 的 比較，串級(jí) 三沖量 給水控制系統(tǒng) 克服給 水流量擾動(dòng) 和 蒸汽流量擾動(dòng) 的效果更好，即串級(jí)三沖量抗擾性能強(qiáng)。并不要求進(jìn) 入 副調(diào)節(jié)器的蒸汽流量信號(hào)的作用強(qiáng)度按所謂的 “ 靜態(tài)配比 ”來(lái)進(jìn)行整定。 （ 3） 串級(jí)給水控制系統(tǒng)由于 有主調(diào)節(jié)器維持水位為給定值，因此，蒸汽流量信號(hào)可視鍋爐 “ 虛假水位 ” 而定，不一定與給水量信號(hào)相等，兩個(gè)信號(hào)的配合比較靈活。當(dāng)水位發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，汽包水位變化，系統(tǒng)立刻通過(guò)水位變送器將變化量反饋到主調(diào)節(jié)器，使主調(diào)節(jié)器動(dòng)作，進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而消除未進(jìn)入副回路的擾動(dòng)，穩(wěn)態(tài)時(shí)保持汽包水位等 于原來(lái)設(shè)定值，維持系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)行。 圖 326 微調(diào)后的串級(jí)三沖量 SIMULINK 結(jié)構(gòu)圖 圖 327 微調(diào)后的串級(jí)三沖量仿真圖 圖 327 表明整定后的系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和抗干擾性。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 33 圖 322 串級(jí)三沖量 給水控制系統(tǒng) 主回路的 SIMULINK 結(jié)構(gòu)圖 圖 323 串級(jí)三沖量 給水控制系統(tǒng) 主回路的仿真圖 從主回路 SIMULINK 仿真圖可以看出，曲線最終能達(dá)到穩(wěn)定值 100mm，主回路仿真曲線是一波半， 但是 動(dòng)態(tài)性能分析 ，超調(diào)為 51%， Ts 為 280s。 圖 316 無(wú) 前饋裝置的單級(jí)三沖量蒸汽流量擾動(dòng)下 SINMULINK 結(jié)構(gòu)圖 圖 317 有前饋裝置的單級(jí)三沖量蒸汽流量擾動(dòng)下 仿真圖 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 31 圖 318 無(wú)前饋裝置的單級(jí)三沖量蒸汽流量擾動(dòng)下仿真圖 串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)的 MATLAB仿真 副回路的仿真 調(diào)節(jié)器的比例帶 2? 和積分時(shí)間 2iT 都應(yīng)該取得很小，給水流量信號(hào)和蒸汽流量信號(hào)的分壓系數(shù) Gn 、 Dn 一般均取為 1。 在 600s 和 800s處分別加入給水流量和蒸汽流量擾動(dòng) ， 。如果傳遞函數(shù)以后需要改變，則應(yīng)相應(yīng)地改變比例帶值，使傳遞函數(shù)與比例帶的比值保持為試探時(shí)的值，以保證內(nèi)回路的穩(wěn)定性。前饋通路中完全補(bǔ)償條件為： )()()(1)(1212 sW sWnsWnsWnDDGGDGGDDD ??? ???? 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 24 )( )(12 sW sWnn DDD GGD ???? （ 38） 圖 36 前饋通路等效圖 若前饋通路的設(shè)計(jì)只考慮靜態(tài)補(bǔ)償，且 )(1sWD 與 )(2 sWD 的靜態(tài)比值為一常數(shù) K ，則有： Knn DGGD ???? 其中 K 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)， K 值大，反之 K 值小。 2222iiZGGTTKn??????? （ 36） 副回路的對(duì)象為 fK ，可近似為比例環(huán)節(jié)，所以調(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， ZK 、 G? 可通過(guò)試驗(yàn)獲得；因此副回路也是整定 Gn/? 和2iT 的問(wèn)題，一般也用試探法求得。下面分別對(duì)它們進(jìn)行參數(shù)整定。所以，實(shí)際上整定要做的工作就是確定分壓系數(shù) Dn 的值。 在試探時(shí)可將主回路開路，切除水位信號(hào)，使 V g=0，設(shè)置 iT 和 / Gn? 的值，手動(dòng)操作給水閥門，使給水量產(chǎn)生一個(gè)階躍變化后立即投入自動(dòng)，觀察給水量過(guò)渡過(guò)程曲線形狀，能快速穩(wěn)定即可。 下章通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)具體 分析 單級(jí)和串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)的 特點(diǎn) 。 要求主參數(shù)波動(dòng)范圍很小，且不允許有余差，此時(shí)副調(diào)節(jié)器可以采用比例控制，主調(diào)節(jié)器采用比例積分控制。副回路的范圍 也不是愈大愈好。 主、副回路的設(shè)計(jì)原則 副參數(shù)的選擇，應(yīng)使副回路的時(shí)間常數(shù)小，控制通道短，反應(yīng)靈敏。副調(diào)節(jié)器的任務(wù)是當(dāng)給水?dāng)_動(dòng)時(shí)，迅速動(dòng)作使給水量保持不變；當(dāng)蒸汽 流 量擾動(dòng)時(shí)，副調(diào)節(jié)器迅速改變給水量，保持給水和蒸汽量平衡。 眾所周知，生產(chǎn)過(guò)程往往包含一些非線性 因素 。主回路由調(diào)節(jié)對(duì)象 WD1(S)、水位變送器 γ H、主調(diào)節(jié)器 WT1(S)和副回路組成 ； 副回路由給水流量 G、給水流量變送器 γ G、給水流量信號(hào)分流系數(shù) nG、副調(diào)節(jié)器 WT2(S)、執(zhí)行器 KZ、調(diào)節(jié)工閥 Kf 組成；前饋部分由蒸汽流量信號(hào) D、蒸汽流量變送器 γ D、 蒸汽流量信號(hào)分流系數(shù) nD構(gòu)成。比 較串級(jí) 系統(tǒng)和簡(jiǎn)單系統(tǒng)，前者只比后者多了一個(gè)測(cè)量變送器和一個(gè)調(diào)節(jié)器，增加的儀表投資并不多，但控制效果卻有明顯的改善 ??3 。給水量信號(hào) G 能消除給水流量自發(fā)的擾動(dòng)，因而當(dāng) G 發(fā)生自發(fā)性擾動(dòng)時(shí)，水位可以基本不受影響。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(dòng)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。 從上述三種擾動(dòng)下水位變化的動(dòng)態(tài)特性可以看出給水控制的某些特點(diǎn)。 圖 15 給水?dāng)_動(dòng)傳遞函數(shù)方框圖 蒸汽流 量 擾動(dòng)下的水位動(dòng)態(tài)特性