【正文】 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) 進行抵抗 給水流量 和 蒸汽流量 等 擾動 。 （ 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。 圖 324 串級三沖量 前饋通道 SIMULINK 結構圖 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)進行微調(diào)，同時對擾動進行仿真分析。 圖 315 有前饋裝置的 單級三沖量蒸汽流量擾動下 SIMULINK 結構圖 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)大學本科畢業(yè)設計說明書 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。 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。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。 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。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。但這將與要求副回路控制通道短，反應快相矛盾，應在設計中加以協(xié)調(diào)。當負荷或操作條件發(fā)生變化時，主控制器能夠適應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，從而保證在新的負荷和操作條件下，控制系統(tǒng)仍然具有較好的控制質(zhì)量。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設計說明書 15 圖 22 串級三沖量給水控制系統(tǒng)結構圖 串級三沖量給水控制系統(tǒng)的原理方框圖如圖 23所示。當 D 改變時，調(diào)節(jié)器 PI 立即動作，適當?shù)馗淖兘o水量 G，保證 D 和 G 比值不變；而當 G 自發(fā)地改變時， PI 也立即動作使 G 恢復原來數(shù)值，這樣就會有效地控制水位的變化。汽輪機甩負荷擾動下的 “ 虛假水位 ” 現(xiàn)象是相當嚴重的，這給組成水位自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)帶來了困難。這顯然是因為在負荷變化的初始階段，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。39。39。 汽包鍋爐給水控制的任務是使給水量適應鍋爐蒸發(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)。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。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)。另一方面隨著廠級監(jiān)控和管理信息系統(tǒng) (SIS)、現(xiàn)場總線技術和基于現(xiàn)代控制理論的控制技術的應用，給熱工自動化系統(tǒng)注入了新的活力。 熱力發(fā)電廠是電力工業(yè)的重要組成部分。 當汽包水位過高時，蒸汽中攜帶的水分會增加，容易造成過熱器積鹽結垢，使管道過熱損壞。 從傳統(tǒng)的控制方式來看，它們要么系統(tǒng)結構簡單成本低，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)卻過于復雜，成本投入過大。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。 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，以驅動汽輪發(fā)電機發(fā)電。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鍋爐結構的要求。在膨脹過程中，蒸汽的壓力和溫度不斷降低。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。 39。其中主要的擾動為給水流量 W、鍋爐蒸發(fā)量 D、汽包壓力、爐膛熱負荷等，其對水位的影響各不相同。當水面下汽泡容積的變化過程逐漸平衡，水位就反應出由于汽包中 貯水量的增加而逐漸上升的趨勢，最后當水面下汽泡容積不 再 變化時，由于進、出工質(zhì)流量不平衡，水位將以一定的速度直線上升。對于虛假水位較為嚴重的鍋爐，為了在負荷變化時水位不超出允許范圍，必須限制負荷的一次突變量和變負荷速度。在主回路內(nèi)的控制對象、內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設計說明書 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。 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 。恰巧相反， 在這里可以根據(jù)對象在外擾下 “ 虛假水位 ” 的嚴重程度來適當加強蒸汽流量信號的作用強度，以便在負荷變化時，使蒸汽流量信號能更好地補償 “ 虛假水位 ” 的影響，從而改變蒸汽負荷擾動下的水位控制質(zhì)量。 主、副對象的時間常數(shù)應適當匹配。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)。 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。 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。一般取積 分時間 iT ≤10s，試探過程中，可以任意設置 Gn 值，得到一個滿意的比例帶 ? 值后，再次改變 Gn 值，改變時須使 Gn /? 保持不變，即保證內(nèi)回路的開環(huán)放大倍數(shù)不變。 根據(jù)經(jīng)驗法，將 2? 、 2iT 取的很小，一般情況下積分時間 2iT ≤ s10 ，試探過程中，可以任意設置 Gn 值，就可以得到一個滿意的比例帶 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 結構圖及仿真圖見圖 319 和圖320。 圖 328 串級三沖量給水流量擾動下 SIMULINK 結構圖 圖 329 串 級 三沖量給水流量擾動下 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)大學本科畢業(yè)設計說明書 37 量擾動下 SIMULINK 結構圖，對應仿真圖分別為圖 332 和 圖 333。 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 有兩個回路 ，以及當蒸汽負荷改變時迅速調(diào)節(jié)給水流量 。同時非常感謝我的指導老師 席東民 ，在設計過程中，他給我提供了大量的資料，并進行耐心細致的指導，在對我的設計思路、仿真實驗和結果上都提出了很好的建議，為我能夠及時完成設計提供了莫大的幫助。恰恰相反，在這里可以根據(jù)對象在外擾下 “ 虛假水位 ” 的嚴重程度來適內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設計說明書 41 當加強蒸汽流量信號的作用強度，從 而改變負荷擾動下的水位控制品質(zhì)。但這種擾動發(fā)生后，系統(tǒng)是通過反饋作用來進行調(diào)節(jié)的，所以系統(tǒng)調(diào)節(jié)會存在一定的遲延，不如調(diào)節(jié)前饋擾動量及時 。 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 。 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。負號表示前饋調(diào)節(jié)方向與虛假水位方向相反。 副回路可看作一個隨動系統(tǒng)，如圖 34 所示。主回路的方框圖如圖 32 所示。 參數(shù)要求高，副參數(shù)亦有一定要求時，主、副調(diào)節(jié)器均采用比例積分形式。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。因此，在一定負荷下 ， 即在確定的工作點情況下。 圖 21 單級三沖量給水控制系統(tǒng)結構圖 串級三沖量給水控制系統(tǒng)的結構圖如圖 22 所示。 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。當蒸汽流量突然增加（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如圖中曲線 H1所示：實際上當蒸發(fā)量突然增加時，在汽水循環(huán)系統(tǒng)中的蒸發(fā)強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。當不考慮排污、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。 圖 12 汽包鍋爐給水控制對象的結構系統(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 。 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 進行分析 。汽水系統(tǒng)中的蒸汽和凝結水在循環(huán)過程中總有一些損失，因此，必須不斷向給水系統(tǒng)補充經(jīng)過化學處理的水。直流鍋爐的另一特點是在省煤器、蒸發(fā)部分和過熱器之間沒有固定不變的分界點，水在受熱蒸發(fā)面中全部轉變?yōu)檎羝?，沿工質(zhì)整個行程的流動阻力均由給水泵來克服。 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。隨著計算機技術的進步，網(wǎng)絡化的保護及故障信息系統(tǒng)將會不斷發(fā)展，最終基 于網(wǎng)絡大容量數(shù)據(jù)傳輸可實現(xiàn)，遠程專家監(jiān)控診斷系統(tǒng)的開發(fā)應用，火電廠檢修運行維護的結構將徹底改變，屆時僅需少量人員進行機組的運行維護，更多的是通內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設計說明書 4 過遠程專家監(jiān)控診斷系統(tǒng)，實現(xiàn)對機組的運行監(jiān)控、維護和故障診斷、處理。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。內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設計說明書 1 引 言 自動控制技術目前已廣泛應用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運輸和國防建設。然而串級三沖量調(diào) 節(jié)方式，采用主、內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設計說明書 2 副兩個調(diào)節(jié)器?，F(xiàn)代控制理論的應用，將改寫熱工調(diào)節(jié)系統(tǒng)的指標。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設計說明書 5 鍋爐的分類可以按循環(huán)方式、燃燒方式、排渣方式、運行方式以及燃料、蒸汽參數(shù)、爐型、通風方式等進行分類，其中按循環(huán)方式的分類最為常見。 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。給水泵以后的凝結水稱為給水。給水量不應該 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行不利。 容量系數(shù) C 是用來表征鍋爐結構系數(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。水位的變化反映了鍋爐蒸發(fā)量負荷與給水量之間的平衡關系。 圖 15 給水擾動傳遞函數(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曲線如圖 16 所示。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荷變化方向相反的方向變化，從而擴大了鍋爐進、出流量的不平衡。比 較串級 系統(tǒng)和簡單系統(tǒng)，前者只比后者多了一個測量變送器和一個調(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 。 眾所周知，生產(chǎn)過程往往包含一些非線性 因素 。 主、副回路的設計原則 副參數(shù)的選擇，應使副回路的時間常數(shù)小，控制通道短，反應靈敏。 要求主參數(shù)波動范圍很小，且不允許有余差，此時副調(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。 在試探時可將主回路開路，切除水位信號，使 V g=0，設置 iT 和 / Gn? 的值，手動操作給水閥門，使給水量產(chǎn)生一個階躍變化后立即投入自動，觀察給水量過渡過程曲線形狀，能快速穩(wěn)定即可。下面分別對它們進行參數(shù)整定。前饋通路中完全補償條件為： )()()(1)(1212 sW sWnsWnsWnDDGGDGGDDD ??? ???? 內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設計說明書 24 )( )(12 sW sWnn DDD GGD ???? （ 38） 圖 36 前饋通路等效圖 若前饋通路的設計只考慮靜態(tài)補償，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) 象嚴重時， K 值大，反之 K 值小。 在 600s 和 800s處分別加入給水流量和蒸汽流量