【正文】 擾動(dòng) ， 。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 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。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。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。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。 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。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。 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(shū) 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)。 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? ??。 )()( )()( 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(shū) 23 若： )11(1)(111 sTsW iT ?? ? 也是一個(gè) PI 調(diào)節(jié)器。 根據(jù)系統(tǒng)無(wú)靜差要求，整定 Dn 的值，使 DDGG nn ?? ? 。 單級(jí)三沖量 副回路的方框圖如圖 31所示。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。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。 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。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。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(kāi)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 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)。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。39。 正常運(yùn)行時(shí)的水位波動(dòng)范圍： 177。蒸汽做功后從汽輪機(jī)下部排出?？刂蒲h(huán)鍋爐的循環(huán)倍率約為3～ 10。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。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。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)。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)。但從能量轉(zhuǎn)換觀點(diǎn)分析，其基本過(guò)程都是：燃料的化學(xué)能 → 熱能 → 機(jī)械能→ 電能。 現(xiàn)在是 “ 信息化帶動(dòng)工業(yè)化，工業(yè)化促進(jìn)信息化 ” 的時(shí)代， 隨著世界高科技的飛速發(fā)展和我國(guó)機(jī)組容量的快速提高，電廠熱工自動(dòng)化技術(shù)不斷地從相關(guān)學(xué)科中吸取最新成果而迅速發(fā)展和完善，近幾年更是日新月異，一方面作為機(jī)組主要控制系統(tǒng)的DCS，已在控制結(jié)構(gòu)和控制范圍上發(fā)生了巨大的變化。由于水的密度要大于汽水混合物的密度，所以在下降管和水冷壁之間就會(huì)產(chǎn)生壓力差，在這種壓力差的推動(dòng)下，給水和汽水混合物在蒸發(fā)系統(tǒng)中循環(huán)流動(dòng)。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 6 汽水循環(huán)系統(tǒng) 給水經(jīng)給水泵送入省煤器和汽包，然后進(jìn)入下降管、水冷壁，水在水冷壁中加熱后成為汽水混合物又回到汽包并經(jīng)汽、水分離，分離出的水繼續(xù)進(jìn)入下降管循環(huán)，分離出的飽和蒸汽離開(kāi)汽包進(jìn)入過(guò)熱器系統(tǒng)。內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 7 汽包水位過(guò)低，致使下降管進(jìn)口帶汽 ， 循環(huán)流動(dòng)壓頭降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起水循環(huán)的破壞，使水冷壁管超溫過(guò)熱 ， 嚴(yán)重缺水時(shí)還可能造成汽包干鍋和水冷壁燒損等嚴(yán)重事故，因此正確認(rèn)識(shí)汽包水位的影響因素加強(qiáng)對(duì)水位的監(jiān)視和調(diào)整對(duì)汽包鍋爐的安全運(yùn)行至關(guān)重要。39。39。 圖 13 燃料量擾動(dòng)下水位階躍響應(yīng)曲線 在 負(fù)荷突然增加時(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 不下降，反而迅速上升（反之，當(dāng)負(fù)荷突然減少時(shí)，水位反而先下降），這種現(xiàn)象稱為“ 虛假水位 ” 現(xiàn) 象。在外部負(fù)荷突然減小時(shí)（如汽輪機(jī)甩負(fù)荷）， “ 虛假水位 ” 約在 20 秒內(nèi)即達(dá)到最低值，并且， “ 虛假水位 ” 達(dá)到最低值的時(shí)間和負(fù)荷達(dá)到的最低值的時(shí)間基本 相同。蒸汽流量 D 和給水流量 G 的變化是引起水位變化的原因 （ 擾動(dòng)信號(hào) ） ，它們分別作為水位控制的前饋信號(hào)和反饋信號(hào)。副回路的作用主要為快速消除內(nèi)擾，主回路用于校正水位偏差，而前饋通路則用于補(bǔ)償外擾，主要用于克服虛假水位現(xiàn)象。 在串級(jí)控制系統(tǒng)中，主回路是一個(gè)定值系統(tǒng)，副回路卻是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)。串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)進(jìn)入副回路的擾動(dòng)有很強(qiáng)的克服能力，為發(fā)揮這一特殊作用，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，副參數(shù)的選擇應(yīng)使得副回路盡可能多的包括一些擾動(dòng)。凡是需采用串級(jí)控制的生產(chǎn)過(guò)程，對(duì)控制的品質(zhì)都是很高的，不允許被調(diào)量存在靜差。因此在整定外回路時(shí)若改變 Gn ，應(yīng)相應(yīng)改變 PI 調(diào)節(jié)器的比例帶 ? ，使兩者比值不變，以保證內(nèi)回路穩(wěn)定性。當(dāng)給水被控對(duì)象 “ 虛假水位 ” 嚴(yán)重時(shí)，需加大蒸汽流量信號(hào)的作用強(qiáng)度，以改善控制過(guò)程品質(zhì)，此時(shí)可取 Dn ＞ 1，并通過(guò)試驗(yàn)來(lái)減小Gn， Dn / Gn 最好為 整數(shù)（一般為 2，即 Gn =）。 下面分別對(duì) 主 、副 回路 進(jìn)行 整定 。 圖 317 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 318 說(shuō)明對(duì)應(yīng)無(wú)前饋通道的系統(tǒng)不能夠抵抗蒸汽流量擾動(dòng)，系統(tǒng)穩(wěn)定值為 ，存在靜態(tài)偏差。 在 600s 和 800s 處分別加內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 34 入給水流量和蒸汽流量擾動(dòng)。而串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)則由主 、副兩個(gè) PI 調(diào)節(jié)器分別控制兩個(gè)回路。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 42 結(jié) 論 本文介紹了發(fā)電廠的概況和熱工自動(dòng)化在電廠中的應(yīng)用，說(shuō)明了鍋爐水位控制的重要性，主要 掌握 了氣泡鍋爐給水控制對(duì)象 的動(dòng)態(tài)特性，分析了 給水流量擾動(dòng)下水位的動(dòng)態(tài)特性、蒸汽流量擾動(dòng)下的水位的動(dòng)態(tài)特性和爐膛熱負(fù)荷擾動(dòng)下水位的動(dòng)態(tài)特性 。通過(guò)仿真證明 了串級(jí)三沖量 給水控制系統(tǒng) 能夠有效的克服“虛假水位”現(xiàn)象和內(nèi)擾， 副回路 能 快速消除給水流量擾動(dòng)，前饋通路用于補(bǔ)償蒸汽流量擾動(dòng)，克服 “ 虛假水位 ” 現(xiàn)象 。因此， Gn 大小在單級(jí)和串級(jí)給水控制系統(tǒng)里產(chǎn)生的影響不一樣。調(diào)整后如圖 326 所示，在 600S 和 800s 處分別加入給水流量和蒸汽流量擾動(dòng)，如圖 327 超調(diào)為 45%， Ts 為內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 35 450s，顯然性能變好 ， 115, 11 ?? iT? s。所以前饋通道能夠抵抗蒸汽流量的擾動(dòng)，使系統(tǒng)性能良好。在試探時(shí)，給水流量反饋裝置的傳遞函數(shù)可設(shè)置為任意數(shù)值，以得到滿意的比例帶值。 式（ 35）表明，副回路的等效調(diào)節(jié)器也可看作一個(gè) PI 規(guī)律的調(diào)節(jié)器。 圖 33 前饋通路 令 ()B D DW s n ?? ，而 ( ) 1/T G GW s n ?? ，那么完全補(bǔ)償條件為 ： )()( )()( 12 sWsW sWsW DT DB ?? 把 ()BWs和 ()TWs的值代入得 ： )( )(12 sW sWnn DDD GGD ??? ?? （ 34） 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 21 在式（ 34）中，負(fù)號(hào)是由前饋裝置極性開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)， G? 、 D? 的值是變送器的斜率，一般是給定的。如果控制對(duì)象惰性區(qū)的容積數(shù)目較多，同時(shí)又有主要擾動(dòng)落在副回路以外的話，就可以考慮采用 PID 調(diào)節(jié)器。在具體情況下，副回路的范圍應(yīng)當(dāng)多大，取決于整個(gè)對(duì)象的容積分布情況以及各種擾動(dòng)影響的大小。 串級(jí)三沖量系統(tǒng) 有如下特點(diǎn)： 兩個(gè)調(diào)節(jié)器任務(wù)不同，參數(shù)整定相對(duì)獨(dú)立?？刂葡到y(tǒng)由 2個(gè)閉合 回路及 前饋調(diào)節(jié)部分組成。當(dāng)負(fù)荷變化而出現(xiàn) “ 虛假水位 ” 時(shí)，由于采用 “ 虛假水 位 ” 現(xiàn)象而使給水量與負(fù)荷相反方向變化的趨勢(shì)。為了維持水位在允許的范圍內(nèi)，運(yùn)行中應(yīng)對(duì)負(fù)荷的一次變動(dòng)量及負(fù)荷變化速度加以限制。 給水流量擾動(dòng)下水位的動(dòng)態(tài)特性 給水流量是調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)所改變的控制量，給水流量擾動(dòng)是來(lái)自控制側(cè)的擾動(dòng)，又稱內(nèi)擾。m a xm a xm a xm a x??? 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DC （ 15） 式 中 ： maxD — 鍋爐最大的蒸發(fā)量； maxH? — 水位變化允許的最大范圍 。 ????? ?? （ 11） 將式（ 11）進(jìn)一步變換得 DGdtdHA ??? )( 39。汽包水位是鍋 爐運(yùn)行中的一個(gè)重要的監(jiān)控參數(shù)。上述為汽水系統(tǒng)。在自然循環(huán)中，每千克水每循環(huán)一次只有一部分轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝?，或者說(shuō)每千克水要循環(huán)幾次才能完全汽化，循環(huán)水量大于生成的蒸汽量。 隨著國(guó)家法律對(duì)環(huán)保日 益嚴(yán)格的要求和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步，未來(lái)熱工系統(tǒng)將圍繞 “ 節(jié)能增效 、 可持續(xù)發(fā)展 ” 的主題，向智能化、網(wǎng)絡(luò)化、透明化和數(shù)據(jù)通信一體化發(fā)展，新的測(cè)量控制原理和方法不斷得以應(yīng)用，將使機(jī)組的運(yùn)行操作和故障處理 ，像操作普通計(jì)算機(jī)一樣方便。熱力發(fā)電廠包括燃化石燃料（煤、油、氣）的火力發(fā)電廠與使用核燃料的核動(dòng)力電廠。而且，鹽垢會(huì)引起傳熱惡化，經(jīng)濟(jì)性下降。因此，汽包水位是影響整個(gè) 機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要因素，所以就要有一套較好的控制方案，來(lái)實(shí)現(xiàn)汽包水位的控制。 早期的自動(dòng)控制系統(tǒng)因熱力發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量小，對(duì)控制系統(tǒng)要求也不高，結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，因此只需對(duì)給水、汽溫、汽壓和汽機(jī)的轉(zhuǎn)速作簡(jiǎn)單的控制即可。 鍋爐本體實(shí)際上就是一個(gè)龐大的熱交換器，由 “ 鍋 ” 和 “ 爐 ” 兩部分組成 的，鍋爐的輔助設(shè)備主要包括供給空氣的送風(fēng)機(jī)、排除煙氣的引風(fēng)機(jī)、煤粉制備系統(tǒng)以及除渣、除塵設(shè)備等。 控制循環(huán)鍋爐 在循環(huán)回路中加裝循環(huán)水 泵，就可以增加工質(zhì)的流動(dòng)推動(dòng)力，形成控制循環(huán)鍋爐。在汽輪機(jī)中，蒸汽不斷膨脹，高速流動(dòng)，沖擊汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子，以額定轉(zhuǎn)速（ 3000r/min）旋轉(zhuǎn)，將熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，帶動(dòng)與汽輪機(jī)同軸的發(fā)電機(jī)發(fā)電。汽包出口蒸汽中水分過(guò)多，也會(huì)使過(guò)熱器溫度產(chǎn)生急劇變化，直接影響機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。 ?? 令 39。 汽包水位 H是汽包中儲(chǔ)水量和水面下汽包容積的綜合反映 ， 不僅受汽包儲(chǔ)水量變化的影響，還受汽水混合 物中汽包容積變化的影響。當(dāng)給水流量突然增加后給水流量雖然大于蒸發(fā)量，但由于給水溫度低于汽包內(nèi)飽和水的溫度，給水吸收了原有飽和水中的部分熱量使水面下汽泡 容積減小，所以擾動(dòng)初期水位不會(huì)立即升高。在負(fù)荷變化時(shí)，由于產(chǎn)生 “ 虛假水位 ” 現(xiàn)象，水位將迅速變化，這個(gè)水 位暫時(shí)變化的幅度是不能靠控制給水量來(lái)減少的。無(wú)論主回 路還是副回路都有各自的控制對(duì)象，測(cè)量變送器和調(diào)節(jié)器。副調(diào)節(jié)器為保證副回路的 快速性可采用比例積分或比例調(diào)節(jié)器 ， 能消除給水流量的自發(fā)擾動(dòng) ， 當(dāng)蒸汽負(fù)荷改變時(shí)迅速調(diào)節(jié)給水流量 ， 保證給水流量和蒸汽流量的平衡。 在負(fù)荷變化時(shí)，水位靜態(tài)值是靠主調(diào)節(jié)器來(lái)維持的，并不要求進(jìn)入副調(diào)節(jié)器