【正文】 2iT — 副調(diào)節(jié)器積分時間。 根據(jù)水位在內(nèi)擾時動態(tài)特性 1()DWs，整定外回路等效調(diào)節(jié)器的比例帶 外? ，即確定 Gn 的 值，在改變 Gn 值時，要保證已經(jīng)整定好的 / Gn? 比值不變。 另外， )(1sWD 的對象特性可用試驗方法測得，它實際上就是在水位 G 擾動下， HV的變化曲線，從曲線上可求出飛升速度 ? ，遲延時間 ? 。如果把調(diào)節(jié)器以外的環(huán)節(jié)等效地看作被控對象，那么被控對象動態(tài)特性近似為比例環(huán)節(jié)。 首先， 副調(diào)節(jié)器的選型 ， 副調(diào)節(jié)器的任務(wù)是要快速動作以迅速消除進(jìn)入 副回路內(nèi)的擾動，而且副參數(shù)并不要求無差，所以一般都選 P 調(diào)節(jié)器，也可采用 PD 調(diào)節(jié)器，但這增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，在一般情況下，采用 P 調(diào)節(jié)器就足夠了，如果主、副回路頻率相差很大，也可以考慮采用 PI 調(diào)節(jié)器。 主、副對象的時間常數(shù)應(yīng)適當(dāng)匹配。因此，在設(shè)計串級控制系統(tǒng)時，應(yīng)設(shè)法找到一個反應(yīng)靈敏的副參數(shù)，使得干擾在影響主參數(shù)之前就得到克服，副回路的這種超前控制作用，必然使控制質(zhì)量有很大的提高。恰巧相反， 在這里可以根據(jù)對象在外擾下 “ 虛假水位 ” 的嚴(yán)重程度來適當(dāng)加強蒸汽流量信號的作用強度，以便在負(fù)荷變化時，使蒸汽流量信號能更好地補償 “ 虛假水位 ” 的影響，從而改變蒸汽負(fù)荷擾動下的水位控制質(zhì)量。如果負(fù)荷變化過大，超出這個范圍，那么控制質(zhì)量就會下降，在單回路控制中若不采取其他措施是難以解決的。 下面簡單的介紹 串級 控制系統(tǒng)和 串級三沖量 控制 系統(tǒng) 的特點 。 這個系統(tǒng)中使用了兩個調(diào)節(jié)器，構(gòu)成串級控制系統(tǒng)。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。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 。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。 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。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。 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。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。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。 39。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 。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。 圖 11 汽水系統(tǒng)流程 圖 鍋爐給水控制系統(tǒng)的任務(wù) 保持汽包的正常水位是汽包鍋爐和汽輪機安全運行的重要條件之一。在膨脹過程中，蒸汽的壓力和溫度不斷降低。即在低負(fù)荷或者本生負(fù)荷以下運行時，由于經(jīng)過蒸發(fā)面的工質(zhì)不能全部轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝?，所以在鍋爐的汽水分離器中會有飽和水分離出來，分離出來的水經(jīng)過循環(huán)泵再輸送至省煤器的入口，這時流經(jīng)蒸發(fā)部分的工質(zhì)流量超過流出的蒸汽量，即循環(huán)倍率大于 1。在控制循環(huán)鍋爐中，循環(huán)流動壓頭要比自然循環(huán)時增強很多，可以比較自由地布置水冷壁蒸發(fā)面，蒸發(fā)面可以垂直布置也可以水平布置，其中的汽水混合物即可以向上也可以向下流動，所以可以更好地適應(yīng)鍋爐結(jié)構(gòu)的要求。蒸發(fā)系統(tǒng)包括汽包、不受熱的下降管、受熱的水冷壁以及相應(yīng)的聯(lián)箱等。 它利用燃料（如煤、重油、天然氣等）燃燒時產(chǎn)生的熱量使水變成具有一定溫度和壓力的過熱蒸汽，以驅(qū)動汽輪發(fā)電機發(fā)電。雖然許多智能化的監(jiān)視 、 控制軟件在國內(nèi)化工、冶金行業(yè)中都有較好的應(yīng)用并取得效益，可在我國電力行業(yè)直到近幾年才開始有所起步。這些控制系統(tǒng)大多分散在鍋爐和汽機車間就地安裝，整個電廠的機、電、爐也是分散控制的。只有電力產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展才有可能保 證整個國民經(jīng)濟的迅速而穩(wěn)步的 發(fā)展， 熱力發(fā)電廠是電力工業(yè)的重要組成部分。 從傳統(tǒng)的控制方式來看，它們要么系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單成本低，卻不能有效的控制鍋爐汽包 “ 虛假水位 ” 現(xiàn)象，要么能夠在一定程度上控制 “ 虛假水位 ” 現(xiàn)象，系統(tǒng)卻過于復(fù)雜，成本投入過大。 電力工業(yè)中電廠熱工生產(chǎn)過程自動化技術(shù)相對于其他民用工業(yè)部門有較長的歷史和較高的自動化水平， 電廠熱工自動化水平的高低是衡量電廠生產(chǎn)技術(shù)的先進(jìn)與否和企業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。 當(dāng)汽包水位過高時，蒸汽中攜帶的水分會增加，容易造成過熱器積鹽結(jié)垢，使管道過熱損壞。負(fù)荷達(dá)到一定值以上時，疏水和排污閥將逐漸關(guān)閉，汽、水趨于平衡，流量逐漸增大，測量誤差逐漸減小，這時原則上可采用三沖量調(diào)節(jié)方式。 熱力發(fā)電廠是電力工業(yè)的重要組成部分。 熱工自動化在電廠中 的應(yīng)用 熱工自動化系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是高速化、智能化、一體化和透明化。另一方面隨著廠級監(jiān)控和管理信息系統(tǒng) (SIS)、現(xiàn)場總線技術(shù)和基于現(xiàn)代控制理論的控制技術(shù)的應(yīng)用，給熱工自動化系統(tǒng)注入了新的活力。 鍋爐的構(gòu)成 鍋爐由鍋爐本體和輔助設(shè)備構(gòu)成， 鍋爐本體 包括燃撓器、爐膛、布置有受熱面的煙道 、 汽包、下降管、水冷壁、過熱器、再熱器、省煤器及空氣預(yù) 熱器等。這種循環(huán)流動是由于水冷壁的受熱而形成，沒有借助其他的能量消耗，所以稱為自然循環(huán)。汽包將省煤器、蒸發(fā)部分和過熱器分隔開，并使蒸發(fā)部分形成密閉的循環(huán)回路。飽和蒸汽經(jīng)頂棚過熱器、屏式過熱器和 對流過熱器升溫后，通過主蒸汽管道送入汽輪機作功。在凝汽器中，汽輪機的乏汽被冷卻水冷卻，凝結(jié)成水。 汽包鍋爐給水控制的任務(wù)是使給水量適應(yīng)鍋爐蒸發(fā)量，并使汽包的水位保持在一定范圍內(nèi)，具體要求有以下兩個方面： 維持汽包水位在一定范圍內(nèi)。200mm 事故情況： 177。39。? — 水的密度， t / 3m 或 kg / 3cm ； 39。39。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。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。 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。汽輪機甩負(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。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。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。應(yīng)該指出，系統(tǒng)中有兩個調(diào)節(jié)器，它們的作用各不相同。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 15 圖 22 串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)的原理方框圖如圖 23所示。 由于副回路的存在，改善了對象的動態(tài)特性提高了系統(tǒng)的工作頻率。當(dāng)負(fù)荷或操作條件發(fā)生變化時，主控制器能夠適應(yīng)這一變化及時地改變副控制器的給定值，使系統(tǒng)運行在新 的工作點上，從而保證在新的負(fù)荷和操作條件下，控制系統(tǒng)仍然具有較好的控制質(zhì)量。 串級系統(tǒng)還可以接入其他沖量信號（如燃料信號等）形成多參數(shù)的串級系統(tǒng)。但這將與要求副回路控制通道短，反應(yīng)快相矛盾，應(yīng)在設(shè)計中加以協(xié)調(diào)。為確保串級系統(tǒng)不受共振現(xiàn)象的威脅，一般取 ： ? ?123 ~ 10ddTT? (21) 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 18 式子中： 1dT 為主回路的振蕩周期； 2dT 為副回路振蕩周期，要滿足式子 (21)，除了在副回路設(shè)計中加以考慮之外，還與主、副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)有關(guān)。因此主調(diào)節(jié)器必須具有積分作用，一般都采用 PI 調(diào)節(jié)器。 如果把調(diào)節(jié)器、分壓系數(shù)以外的環(huán)節(jié)看作是調(diào)節(jié)對象，那么廣義調(diào)節(jié)對象為 GZfTGD KKsV sVsW ??? )( )()(*內(nèi) （ 31） 是一個近似比例環(huán)節(jié)，因此調(diào)節(jié)器的比例帶和積分時間都可以取得很小，它們的具體值可以通過試探法來決定，以保證副回路不振蕩為目的。 前饋部分對系統(tǒng)穩(wěn)定性沒有影響，因此在整定前饋通路時可以獨立考慮，從圖33 方框圖中可以求出完全補償?shù)臈l件。主回路參數(shù)整定是把副回路等效成一個比例環(huán)節(jié)，然后用經(jīng)驗公式進(jìn)行整定；前饋通路的 Dn 選擇是基于 “ 虛假水位 ” 而定的。由于內(nèi)回路快速隨動，故副調(diào)節(jié)器也可用純比例型調(diào)節(jié)器。一般取 Gn =1，則只需整定 1? 、 2? 、 1iT 和 2iT 。 用試探的方法選擇副調(diào)節(jié)器的比例帶，以保證內(nèi)回路不振蕩為原則。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 26 圖 37 單級三沖量 副回路的 SIMULINK 結(jié)構(gòu)圖 圖 38 單級三沖量 副回路的仿真圖 由副回路的參數(shù)整定可知，主回路的各參數(shù)為 ： 2?iT ， ?Gn ， ?? 根據(jù)主回路的方框圖 32所示，單級三沖量給水控制系統(tǒng)主 回路等效 SIMULINK結(jié)構(gòu)圖及仿真曲線如圖 39和圖 310所示，其中 ?? 與要求 ?? 近似相等。 圖 315 有前饋裝置的 單級三沖量蒸汽流量擾動下 SIMULINK 結(jié)構(gòu)圖 在蒸汽流量增加時，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下內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 30 降，反而迅速上升，這種 “ 虛假水位 ” 現(xiàn)象在圖 317 和圖 318 顯示非常明顯，對比而言有無前饋通道的系統(tǒng)還能減弱虛假水位現(xiàn)象。它的示意圖如圖 321 所示，其中 )/(1 GGn? 為等效副回路。 圖 324 串級三沖量 前饋通道 SIMULINK 結(jié)構(gòu)圖 圖 325 串級三沖量 前饋通道仿真圖 為了提高系統(tǒng)的性能，對串級三沖量水位控制系統(tǒng)的整定參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，圖 325所示為串級三沖量在外擾條件下的仿真圖，超調(diào) ? 為 51%， Ts 為 280s，因為超調(diào)量過大，所以要對系統(tǒng)進(jìn)行微調(diào)，同時對擾動進(jìn)行仿真分析。 圖 330 有前饋裝置的 串 級三沖量蒸汽流量擾動下 SIMULINK 結(jié)構(gòu)圖 圖 331 無前饋裝置的 串 級三沖量蒸汽流量擾動下 SIMULINK 結(jié)構(gòu)圖 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 38 圖 332 有前饋裝置的 串 級三沖量蒸汽流量擾動下仿真圖 圖 333 無前饋裝置的 串 級三沖量 蒸汽流量擾動下仿真圖 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)比較 單級三沖量與串級三沖量給水控制系統(tǒng)抗擾動 特性對比 單級三沖量給水控制系統(tǒng)和串級三沖量給水控制系統(tǒng)在給水流量擾動下的 仿真曲線對比圖如圖 334 所示，曲 線 1 為單級三沖量給水控制系統(tǒng)在給水流量擾動下的內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 39 仿真 曲線，曲線 2 為串級三沖量給水控制系統(tǒng) 在給水流量擾動下的 仿真 曲線，可以很明顯的看出串級三沖量給水控制系統(tǒng)對給水流量擾動的抵抗性更強，最大擾動量僅為 ?? mm。 （ 2） Gn 是單級給水控制系統(tǒng)等效比例帶，因此 Gn 的大小對主回路的穩(wěn)定性產(chǎn)生很大的影響，而對于串級三沖量給水控制系統(tǒng)， Gn 對水位 H 的穩(wěn)定性不起作用，因為還有主調(diào)節(jié)器 )(1 SWPI 在發(fā)揮作用。串級系統(tǒng)主副調(diào)節(jié)器的任務(wù)保持給水流量和蒸汽流量的平衡，主調(diào)節(jié)器的任務(wù)是校正水位偏差。為了克服汽包水位的波動，采用串級三沖量 給水控制系統(tǒng) 進(jìn)行抵抗 給水流量 和 蒸汽流量 等