【正文】 蒸汽流量 擾動(dòng)下水位的階躍起反應(yīng)曲線如圖 16 所示。給水流量擾動(dòng)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。 1/aT ?? — 飛升時(shí)間 。 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(dòng)態(tài)特性則往往用飛升速度或飛升時(shí)間來表征。39。給水量不應(yīng)該 時(shí)大時(shí)小地劇烈波動(dòng)，否則，將對省煤器和給水管道的安全運(yùn)行不利。它間接反映了鍋爐蒸汽負(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。給水泵以后的凝結(jié)水稱為給水。 汽水系統(tǒng)流程如圖 11 所示，包括鍋爐、汽輪機(jī)、凝汽器及給水泵等組成的汽水循環(huán)和水處理系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)等。 直流鍋爐 直流鍋爐沒有汽包， 工質(zhì)一次通過蒸發(fā)部分，即循環(huán)倍率為 1。單位時(shí)間內(nèi)的循環(huán)水量同生成蒸汽量之比稱為循環(huán)倍率。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 5 鍋爐的分類可以按循環(huán)方式、燃燒方式、排渣方式、運(yùn)行方式以及燃料、蒸汽參數(shù)、爐型、通風(fēng)方式等進(jìn)行分類，其中按循環(huán)方式的分類最為常見。 鍋爐的概述 鍋爐是火力發(fā)電廠的主要熱力設(shè)備之一，其作用是：燃料在爐膛內(nèi)燃燒將其化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊煔鉄崮?， 煙氣熱能加熱給水，水經(jīng)過預(yù)熱、汽化、過熱三個(gè)階段成為具有一定壓力、溫度的過熱蒸汽?，F(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，將改寫熱工調(diào)節(jié)系統(tǒng)的指標(biāo)。迄今為止，熱力發(fā)電廠在世界大多數(shù)國家中仍占著各種發(fā)電形式中的主導(dǎo)地位，我國的火力發(fā)電占 70%左右，而且根據(jù)我國國情，火力發(fā)電廠基本是燃煤電廠。然而串級三沖量調(diào) 節(jié)方式，采用主、內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 2 副兩個(gè)調(diào)節(jié)器。汽包嚴(yán)重滿水時(shí)，會(huì)造成蒸汽大量帶水，使蒸汽溫度急劇下降，同時(shí)還可能對蒸汽管道和汽輪機(jī)產(chǎn)生嚴(yán)重的水沖擊，甚至打壞汽輪機(jī)葉片。內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 1 引 言 自動(dòng)控制技術(shù)目前已廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸和國防建設(shè)。汽包水位過低，則可能破壞水循環(huán)，使水冷壁管的安全受到威脅，如果出現(xiàn)嚴(yán)重缺水又處理不當(dāng)時(shí)，則可能造成水冷壁爆管 。兩調(diào)節(jié)器的分工明確，參數(shù)整定相對容易，而且不要求穩(wěn)態(tài)時(shí)給水流量信號與蒸汽流量信號完全相等，易于得到較好的調(diào)節(jié)品質(zhì)，因此現(xiàn)場多采用 串級三沖量給水 控制方式。在電力行業(yè)中電廠熱工生產(chǎn)過程自動(dòng) 化技術(shù)相對于其它民用工業(yè)部門有較長的歷史和較高的自動(dòng)化水平，電廠熱工自動(dòng)化水平的高低是衡量電廠生產(chǎn)技術(shù)先進(jìn)與否和企業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，網(wǎng)絡(luò)化的保護(hù)及故障信息系統(tǒng)將會(huì)不斷發(fā)展，最終基 于網(wǎng)絡(luò)大容量數(shù)據(jù)傳輸可實(shí)現(xiàn)，遠(yuǎn)程專家監(jiān)控診斷系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用，火電廠檢修運(yùn)行維護(hù)的結(jié)構(gòu)將徹底改變，屆時(shí)僅需少量人員進(jìn)行機(jī)組的運(yùn)行維護(hù)，更多的是通內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 4 過遠(yuǎn)程專家監(jiān)控診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對機(jī)組的運(yùn)行監(jiān)控、維護(hù)和故障診斷、處理。 鍋爐由鍋爐本體和輔助設(shè)備構(gòu)成。 鍋爐按照循環(huán)方式可分為自然循環(huán)鍋爐、控制循環(huán)鍋爐和直流鍋爐。自然循環(huán)鍋爐的循環(huán)倍率約為 4～ 30。直流鍋爐的另一特點(diǎn)是在省煤器、蒸發(fā)部分和過熱器之間沒有固定不變的分界點(diǎn)，水在受熱蒸發(fā)面中全部轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝?，沿工質(zhì)整個(gè)行程的流動(dòng)阻力均由給水泵來克服。 水在鍋爐中加熱后蒸發(fā)成蒸汽， 經(jīng)過熱器進(jìn)一步加熱，成為具有規(guī)定壓力和溫度的過熱蒸汽，然后經(jīng)過管道送入汽輪機(jī)。汽水系統(tǒng)中的蒸汽和凝結(jié)水在循環(huán)過程中總有一些損失，因此，必須不斷向給水系統(tǒng)補(bǔ)充經(jīng)過化學(xué)處理的水。汽包水位過高，會(huì)影響汽包內(nèi)汽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。 下面對 給水控制對象和各種擾動(dòng)下水位變化的動(dòng)態(tài)特性 進(jìn)行分析 。39。 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 。 對于蒸發(fā)量為 100~230 /th的單汽包爐，當(dāng)水位變化 mm100? 時(shí)， 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(shí)，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(shí)間，水位將下降 mm20 。當(dāng)不考慮排污、漏水、漏氣等的影響時(shí)，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。水位控制對象的動(dòng)態(tài)特性表現(xiàn)為有慣性的無自平衡能力。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，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。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(shí)間（或慣性）才能影響到水位，即從給水調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)動(dòng) 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。 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(shí)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(dòng)時(shí)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。 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(gè)閉環(huán)，一個(gè)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(gè)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)。 圖 21 單級三沖量給水控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 串級三沖量給水控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖 22 所示。 圖 23 串級三沖量給水控制系統(tǒng)原理方框圖 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 16 給水控制任務(wù)由 2個(gè)調(diào)節(jié)器來完成 ， 主調(diào)節(jié)器采用比例積分控制規(guī)律 ， 保證水位無靜態(tài)偏差，其輸出信號、給水流量信號和蒸汽流量信號都作用到副調(diào)節(jié)器。因此，在一定負(fù)荷下 ， 即在確定的工作點(diǎn)情況下。主調(diào)節(jié)器的作用是校正水位，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。通常串級控制系統(tǒng)是被用來克服對象的容積遲延和慣性。太大了，副回路本身的控制性能就差，同時(shí)還可能使主回路的控制性能惡化。 參數(shù)要求高，副參數(shù)亦有一定要求時(shí)，主、副調(diào)節(jié)器均采用比例積分形式。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 19 第 三 章 給水三沖量 系統(tǒng)的 整定 及仿真 單級三沖量 給水控制系統(tǒng)的參數(shù) 整定 單級三沖量給水控制， 把內(nèi)回路作為一般的單回路系統(tǒng)進(jìn)行分析。主回路的方框圖如圖 32 所示。從式（ 34）可以看出， Dn 不是一個(gè)簡單的環(huán)節(jié)，而是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)，正因?yàn)槠鋸?fù)雜，一般按靜態(tài)特性進(jìn)行整定，即要求在負(fù)荷不同的情況下，水位均無靜差，如前所述，其條件為 ： DDGG nn ?? ? 通常有 DG ?? ? ，所以： DG nn ? 。 副回路可看作一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，如圖 34 所示。 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。負(fù)號表示前饋調(diào)節(jié)方向與虛假水位方向相反。因?yàn)檎{(diào)節(jié)通道放大系數(shù)較大，副調(diào)節(jié)回路可等效為反饋回路的倒數(shù)。 圖 312為單級三沖量給水控制系統(tǒng)的仿真圖，圖 312 表明整定后的系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和抗干擾性。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 Dn ＞ 1，并通過試驗(yàn)來減小Gn， Dn / Gn 最好為整數(shù)（一般為 2，即 Gn =）。 前饋通路的 仿真 在串級三沖量給水控制系統(tǒng)中，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 。下面具體分析串級三沖量給水控制系統(tǒng)在給水流量擾動(dòng)和蒸汽流量擾動(dòng)下的抗干擾性能。但這種擾動(dòng)發(fā)生后，系統(tǒng)是通過反饋?zhàn)饔脕磉M(jìn)行調(diào)節(jié)的，所以系統(tǒng)調(diào)節(jié)會(huì)存在一定的遲延，不如調(diào)節(jié)前饋擾動(dòng)量及時(shí) 。對于單級三沖量給水控制系統(tǒng)，如蒸汽流量信號與給水流量信號不相等，則將選成水位的靜態(tài)偏差。恰恰相反，在這里可以根據(jù)對象在外擾下 “ 虛假水位 ” 的嚴(yán)重程度來適內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 41 當(dāng)加強(qiáng)蒸汽流量信號的作用強(qiáng)度，從 而改變負(fù)荷擾動(dòng)下的水位控制品質(zhì)。在 串級三沖量給水控制系統(tǒng) 與 單級三沖量給水控制系統(tǒng) 的參數(shù)整定過程中，由于 串級 三沖量給水控制系統(tǒng) 主、副回路可以看成獨(dú)立工作的，而在 單級三沖量給水控制系統(tǒng) 中是相互影響的，因而 串級三沖量給水控制系統(tǒng) 的參數(shù)更容易整定 。同時(shí)非常感謝我的指導(dǎo)老師 席東民 ，在設(shè)計(jì)過程中，他給我提供了大量的資料，并進(jìn)行耐心細(xì)致的指導(dǎo)，在對我的設(shè)計(jì)思路、仿真實(shí)驗(yàn)和結(jié)果上都提出了很好的建議，為我能夠及時(shí)完成設(shè)計(jì)提供了莫大的幫助。 由仿真圖可知，串級系統(tǒng) 的抗擾性能要好。 總而言之， 單級三沖量給水控制系統(tǒng)與串級三沖量給水控制系統(tǒng)相比較，串級控制系統(tǒng)是 有兩個(gè)回路 ，以及當(dāng)蒸汽負(fù)荷改變時(shí)迅速調(diào)節(jié)給水流量 。 蒸汽流量擾動(dòng)是外擾，在三沖量給水控制系統(tǒng)中 當(dāng)蒸汽流量發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，蒸汽流量信號使給水調(diào)節(jié)閥一開始就向正方向移動(dòng)，保持給水量和蒸汽流量平衡，即蒸汽流量增加，給水調(diào)節(jié)閥開大，抵消了由于 “虛假水位 ”引起的反方向動(dòng)因而減少了水位和給水流量的波動(dòng)幅度 ， 就這一點(diǎn)來說串級三沖量給水控制系統(tǒng)優(yōu)于單級三沖量給水控制系統(tǒng) 。 圖 328 串級三沖量給水流量擾動(dòng)下 SIMULINK 結(jié)構(gòu)圖 圖 329 串 級 三沖量給水流量擾動(dòng)下 仿 真圖 圖 330 和圖 331 分別為有、無前饋裝置 串 級三沖量給水控制系統(tǒng)在蒸汽流內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 37 量擾動(dòng)下 SIMULINK 結(jié)構(gòu)圖，對應(yīng)仿真圖分別為圖 332 和 圖 333。 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(dòng)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，一般 K=2。 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 ，試探過程中，可以任意設(shè)置 Gn 值，就可以得到一個(gè)滿意的比例帶 2? 值 ： )11(1)( 222 sTsW iT ?? ? = 11(1 ) 2s? 串級三沖量給水控制系統(tǒng)的 副回路 SIMULINK 結(jié)構(gòu)圖及仿真圖見圖 319 和圖320。 圖 311 單級三沖量的 SINMULINK 結(jié)構(gòu)圖 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 28 圖 312 單級三沖量的仿真圖 單級三沖量 給水控制系統(tǒng)在 給水流量擾動(dòng)下 SIMULINK 結(jié)構(gòu)圖及仿真圖如圖313 和 314 所示，在給水流量的擾動(dòng)下，水位雖然有波動(dòng) ， 但是由于 內(nèi)回路特性抵抗了給水流量的擾動(dòng)，使系統(tǒng)最后達(dá)到穩(wěn)定值 0。一般取積 分時(shí)間 iT ≤10s，試探過程中，可以任意設(shè)置 Gn 值，得到一個(gè)滿意的比例帶 ? 值后，再次改變 Gn 值，改變時(shí)須使 Gn /? 保持不變，即保證內(nèi)回路的開環(huán)放大倍數(shù)不變。 這時(shí)有 ： GGGGDD nnKn ??? ?? 1?K 若 GD ?? ? ，則 ： GD Knn ? 1?K 單級三沖量給水控制系統(tǒng)的 MATLAB仿真 電廠水位對象研究中給水流量傳函和蒸汽流量傳函為： WD1(S)= ? ?? ?HSGS = )301( SS ?[ htmm/ ] WD2(S)= )( )(SDSH= S151 ? — [ htmm/ ] 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 25 水位測量變送器傳遞系數(shù)： H? =，給水變送器斜率： fK =2， 給水流量與蒸汽流量測量變送器傳遞系數(shù)： G? = D? =。 圖 35 主回路等效圖 把 )(1sWD 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。 )()( )()( 22 sWKnsG ssW TZGGT ?? ??? 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 22 若 )(2 sWT 采用型如 )11(122 sTi??的調(diào)節(jié)規(guī)律，則 )11()( )()( 222 sTKnsG ssW iZGGT ???? ??? （ 35） 式中 2? — 副調(diào)節(jié)器比例帶；