【正文】 為了克服汽包水位的波動(dòng)，采用串級(jí)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 擾動(dòng) 。 （ 2） Gn 是單級(jí)給水控制系統(tǒng)等效比例帶，因此 Gn 的大小對(duì)主回路的穩(wěn)定性產(chǎn)生很大的影響，而對(duì)于串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)， Gn 對(duì)水位 H 的穩(wěn)定性不起作用，因?yàn)檫€有主調(diào)節(jié)器 )(1 SWPI 在發(fā)揮作用。 圖 324 串級(jí)三沖量 前饋通道 SIMULINK 結(jié)構(gòu)圖 圖 325 串級(jí)三沖量 前饋通道仿真圖 為了提高系統(tǒng)的性能，對(duì)串級(jí)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(jí)三沖量在外擾條件下的仿真圖，超調(diào) ? 為 51%， Ts 為 280s，因?yàn)槌{(diào)量過(guò)大，所以要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行微調(diào)，同時(shí)對(duì)擾動(dòng)進(jìn)行仿真分析。 圖 315 有前饋裝置的 單級(jí)三沖量蒸汽流量擾動(dòng)下 SIMULINK 結(jié)構(gòu)圖 在蒸汽流量增加時(shí)，雖然鍋爐的給水流量小于蒸發(fā)量，但開(kāi)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(jì)說(shuō)明書(shū) 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(duì)比而言有無(wú)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(dòng)，故副調(diào)節(jié)器也可用純比例型調(diào)節(jié)器。 前饋部分對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性沒(méi)有影響，因此在整定前饋通路時(shí)可以獨(dú)立考慮，從圖33 方框圖中可以求出完全補(bǔ)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(yīng)快相矛盾，應(yīng)在設(shè)計(jì)中加以協(xié)調(diào)。當(dāng)負(fù)荷或操作條件發(fā)生變化時(shí)，主控制器能夠適應(yīng)這一變化及時(shí)地改變副控制器的給定值，使系統(tǒng)運(yùn)行在新 的工作點(diǎn)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。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 15 圖 22 串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)的原理方框圖如圖 23所示。當(dāng) D 改變時(shí)，調(diào)節(jié)器 PI 立即動(dòng)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(shí)， PI 也立即動(dòng)作使 G 恢復(fù)原來(lái)數(shù)值，這樣就會(huì)有效地控制水位的變化。汽輪機(jī)甩負(fù)荷擾動(dòng)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(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)帶來(lái)了困難。這顯然是因?yàn)樵谪?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(duì)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(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(gè)方面： 維持汽包水位在一定范圍內(nèi)。飽和蒸汽經(jīng)頂棚過(guò)熱器、屏式過(guò)熱器和 對(duì)流過(guò)熱器升溫后，通過(guò)主蒸汽管道送入汽輪機(jī)作功。這種循環(huán)流動(dòng)是由于水冷壁的受熱而形成，沒(méi)有借助其他的能量消耗，所以稱(chēng)為自然循環(huán)。另一方面隨著廠級(jí)監(jiān)控和管理信息系統(tǒng) (SIS)、現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)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(dòng)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(dāng)汽包水位過(guò)高時(shí)，蒸汽中攜帶的水分會(huì)增加，容易造成過(guò)熱器積鹽結(jié)垢，使管道過(guò)熱損壞。 從傳統(tǒng)的控制方式來(lái)看，它們要么系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(guò)于復(fù)雜，成本投入過(guò)大。這些控制系統(tǒng)大多分散在鍋爐和汽機(jī)車(chē)間就地安裝，整個(gè)電廠的機(jī)、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(shí)產(chǎn)生的熱量使水變成具有一定溫度和壓力的過(guò)熱蒸汽，以驅(qū)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。在控制循環(huán)鍋爐中，循環(huán)流動(dòng)壓頭要比自然循環(huán)時(shí)增強(qiáng)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(dòng)，所以可以更好地適應(yīng)鍋爐結(jié)構(gòu)的要求。在膨脹過(guò)程中，蒸汽的壓力和溫度不斷降低。汽包水位過(guò)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(dòng)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(duì)水位的影響各不相同。當(dāng)水面下汽泡容積的變化過(guò)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(shì)，最后當(dāng)水面下汽泡容積不 再 變化時(shí)，由于進(jìn)、出工質(zhì)流量不平衡，水位將以一定的速度直線(xiàn)上升。對(duì)于虛假水位較為嚴(yán)重的鍋爐，為了在負(fù)荷變化時(shí)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。在主回路內(nèi)的控制對(duì)象、內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 14 被測(cè)參數(shù)和調(diào)節(jié)器分別被稱(chēng)為主對(duì)象、主參數(shù)和主調(diào)節(jié)器。 下面簡(jiǎn)單的介紹 串級(jí) 控制系統(tǒng)和 串級(jí)三沖量 控制 系統(tǒng) 的特點(diǎn) 。恰巧相反， 在這里可以根據(jù)對(duì)象在外擾下 “ 虛假水位 ” 的嚴(yán)重程度來(lái)適當(dāng)加強(qiáng)蒸汽流量信號(hào)的作用強(qiáng)度，以便在負(fù)荷變化時(shí)，使蒸汽流量信號(hào)能更好地補(bǔ)償 “ 虛假水位 ” 的影響，從而改變蒸汽負(fù)荷擾動(dòng)下的水位控制質(zhì)量。 主、副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)應(yīng)適當(dāng)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(duì)象，那么被控對(duì)象動(dòng)態(tài)特性近似為比例環(huán)節(jié)。 根據(jù)水位在內(nèi)擾時(shí)動(dòng)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(shí)，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(duì)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(shí)間 iT ≤10s，試探過(guò)程中，可以任意設(shè)置 Gn 值，得到一個(gè)滿(mǎn)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(kāi)環(huán)放大倍數(shù)不變。 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，可以任意設(shè)置 Gn 值，就可以得到一個(gè)滿(mǎn)意的比例帶 2? 值 ： )11(1)( 222 sTsW iT ?? ? = 11(1 ) 2s? 串級(jí)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(jiàn)圖 319 和圖320。 圖 328 串級(jí)三沖量給水流量擾動(dòng)下 SIMULINK 結(jié)構(gòu)圖 圖 329 串 級(jí) 三沖量給水流量擾動(dòng)下 仿 真圖 圖 330 和圖 331 分別為有、無(wú)前饋裝置 串 級(jí)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(shuō)明書(shū) 37 量擾動(dòng)下 SIMULINK 結(jié)構(gòu)圖，對(duì)應(yīng)仿真圖分別為圖 332 和 圖 333。 總而言之， 單級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)與串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)相比較，串級(jí)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 。同時(shí)非常感謝我的指導(dǎo)老師 席東民 ，在設(shè)計(jì)過(guò)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(duì)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。恰恰相反，在這里可以根據(jù)對(duì)象在外擾下 “ 虛假水位 ” 的嚴(yán)重程度來(lái)適內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 41 當(dāng)加強(qiáng)蒸汽流量信號(hào)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)。但這種擾動(dòng)發(fā)生后，系統(tǒng)是通過(guò)反饋?zhàn)饔脕?lái)進(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) 。 前饋通路的 仿真 在串級(jí)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(jí)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(fù)號(hào)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(gè)隨動(dòng)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(shí)，主、副調(diào)節(jié)器均采用比例積分形式。通常串級(jí)控制系統(tǒng)是被用來(lái)克服對(duì)象的容積遲延和慣性。因此，在一定負(fù)荷下 ， 即在確定的工作點(diǎn)情況下。 圖 21 單級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖 22 所示。 單級(jí)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(hào)，蒸汽流量作為前饋信號(hào)，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(hào)作為反饋信號(hào)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(hào)有前反饋調(diào)節(jié)的作用，可迅速消除內(nèi)擾。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(wú)自平衡對(duì)象，所以水位的變化曲線(xiàn)應(yīng)如圖中曲線(xiàn) 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(guò)程如圖 16 中曲線(xiàn) H2所示。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。 圖 12 汽包鍋爐給水控制對(duì)象的結(jié)構(gòu)系統(tǒng) 對(duì)于汽包鍋爐來(lái)說(shuō)，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(duì) 給水控制對(duì)象和各種擾動(dòng)下水位變化的動(dòng)態(tài)特性 進(jìn)行分析 。汽水系統(tǒng)中的蒸汽和凝結(jié)水在循環(huán)過(guò)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(guò)化學(xué)處理的水。直流鍋爐的另一特點(diǎn)是在省煤器、蒸發(fā)部分和過(guò)熱器之間沒(méi)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(lái)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(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(zhuān)家監(jiān)控診斷系統(tǒng)的開(kāi)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(shuō)明書(shū) 4 過(guò)遠(yuǎn)程專(zhuān)家監(jiān)控診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組的運(yùn)行監(jiān)控、維護(hù)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(duì)容易，而且不要求穩(wěn)態(tài)時(shí)給水流量信號(hào)與蒸汽流量信號(hào)完全相等，易于得到較好的調(diào)節(jié)品質(zhì)，因此現(xiàn)場(chǎng)多采用 串級(jí)三沖量給水 控制方式。內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 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(guó)防建設(shè)。然而串級(jí)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(shuō)明書(shū) 2 副兩個(gè)調(diào)節(jié)器?，F(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，將改寫(xiě)熱工調(diào)節(jié)系統(tǒng)的指標(biāo)。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 5 鍋爐的分類(lèi)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(lèi)，其中按循環(huán)方式的分類(lèi)最為常見(jiàn)。 直流鍋爐 直流鍋爐沒(méi)有汽包， 工質(zhì)一次通過(guò)蒸發(fā)部分，即循環(huán)倍率為 1。給水泵以后的凝結(jié)水稱(chēng)為給水。給水量不應(yīng)該 時(shí)大時(shí)小地劇烈波動(dòng)，否則，將對(duì)省煤器和給水管道的安全運(yùn)行不利。 容量系數(shù) C 是用來(lái)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(lái)表征。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。 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 蒸汽流量 擾動(dòng)下水位的階躍起反應(yīng)曲線(xiàn)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(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。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 。 眾所周知，生產(chǎn)過(guò)程往往包含一些非線(xiàn)性 因素 。 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。 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。 在試探時(shí)可將主回路開(kāi)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(mén)，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(xiàn)形狀，能快速穩(wěn)定即可。下面分別對(duì)它們進(jìn)行參數(shù)整定。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(shū) 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。 在 600s 和 800s處分別加入給水流量和蒸汽流量