【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 的工作狀況，使整個(gè)電廠的自動(dòng)化水平達(dá)到了新的高度。自動(dòng)控制裝置及系統(tǒng)已成為火電廠中不可缺少的部分 [4]。 1. 4 汽包水位控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介 目前大多數(shù)鍋爐分為汽包鍋爐和直流鍋爐兩種。他們的給水控制任務(wù)有些不同。汽包鍋爐給水自動(dòng)控制系統(tǒng)的任務(wù)是維持汽包水位在設(shè)定數(shù)值。直流鍋爐給水自動(dòng)控制系統(tǒng)的任務(wù)，是使用給水流量來(lái)控制鍋爐負(fù)荷或控制過(guò)熱器中間點(diǎn) 溫度。 對(duì)于汽包水位控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，有三種基本結(jié)構(gòu)如下圖： (1)單沖量控制系統(tǒng) 其基本結(jié)構(gòu)如圖 （ 1）所示，該系統(tǒng)是一個(gè)只采用汽包水位信號(hào)和一個(gè) PI 調(diào)節(jié)器的反饋控制系統(tǒng)。這種給水控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，整定方便，但使用它來(lái)調(diào)節(jié)水位，汽包水位波動(dòng)較大，穩(wěn)定性也較低。 (2)單級(jí)三沖量控制系統(tǒng) 其基本結(jié)構(gòu)如圖 （ 2）所示，該系統(tǒng)采用一個(gè) PI 調(diào)節(jié)器，并根據(jù)汽包水位、蒸汽流量和給水流量三個(gè)信號(hào)的變化去控制給水流量。與單沖量系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)引入了蒸汽流量信號(hào)和給水流量信號(hào)，引入的蒸汽流量信號(hào)（前饋信號(hào)）可以克服汽 包的虛假水位，引入給水流量信號(hào)可以抑制給水自發(fā)性擾動(dòng)，保持了給水流量的穩(wěn)定。事實(shí)上由于檢測(cè)、變送設(shè)備的誤差等因素的影響，蒸汽流量和給水流量這兩個(gè)信號(hào)的測(cè)量值在穩(wěn)態(tài)時(shí)難以做到完全相等，且單級(jí)三沖量控制系統(tǒng)一個(gè)調(diào)節(jié)器參數(shù)整定需兼顧較多的因素，所以，現(xiàn)實(shí)中很少采用單級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)。 (3)串級(jí)三沖量控制系統(tǒng) 其基本結(jié)構(gòu)如圖 （ 3）所示，該系統(tǒng)由主、副兩個(gè) PI 調(diào)節(jié)器和三個(gè)沖量（汽包水位、蒸汽流量、給水流量）構(gòu)成。與單級(jí)三沖量系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)多采用了一個(gè) PI 調(diào)節(jié)器，兩個(gè)調(diào)節(jié)器分工明確、串聯(lián)工作，主調(diào)節(jié)器 PI1 為水位調(diào)節(jié)器，它根據(jù)水位偏差產(chǎn)生給水流量給定值，副調(diào)節(jié)器 PI2 為給水流量調(diào)節(jié)器，它根據(jù)給水流量偏差控制給水流量，并消除給水側(cè)的擾動(dòng)；蒸汽流量信號(hào)作為前饋信號(hào)用來(lái)維持負(fù)荷變動(dòng)時(shí)的物質(zhì)平衡，由此構(gòu)成的是一個(gè)前饋－反饋雙回路控制系統(tǒng)?？梢?jiàn)，串級(jí)三沖量控制系統(tǒng)比單級(jí)三沖量控制系統(tǒng)的工作更合理，控制品質(zhì)要好，是現(xiàn)場(chǎng)廣泛采用的給水控制系統(tǒng) [5]。 鐵嶺電廠 3機(jī)組 汽包水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5 H A D H W A D A H W (1)單沖量控制 (2)單級(jí)三沖量控制 (3)串級(jí)三沖量控制 圖 汽包水位控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 目前，大機(jī)火電機(jī)組，特別是 300MW 及以上的機(jī)組，其汽包水位控制系統(tǒng) 大都采用給水全程控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)并不是某種單一的單沖量或三沖量控制系統(tǒng)，而是單沖量和三沖量控制系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合所構(gòu)成的給水控制系統(tǒng)，且具有完善的控制方式自動(dòng)切換和連鎖邏輯。 沈陽(yáng)工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 2 給水被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性 在討論汽包水位控制系統(tǒng)之前，必須先分析被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，然后才能設(shè)計(jì)出一個(gè)合理的給水控制系統(tǒng)。給水調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性是指汽包水位的變化與引起水位變化的各種因素之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。汽包水位是汽包中儲(chǔ)水量和水面下汽泡容積的綜合反映。所以，水位不僅受汽包儲(chǔ)水量變化的影響，而 且還受到汽水混合物中汽泡容積變化的影響。從水位反映儲(chǔ)水量來(lái)看，調(diào)節(jié)對(duì)象是一個(gè)無(wú)自平衡能力的對(duì)象，這是因?yàn)閮?chǔ)水量的變化是由給水流量和蒸汽流量變化引起的，而水位變化后既不能影響給水流量，又不能影響蒸發(fā)量，所以說(shuō)水位調(diào)節(jié)對(duì)象是沒(méi)有自平衡能力的。影響汽包水位變化的因素主要有：蒸汽流量D,給水量 W，爐膛熱負(fù)荷（燃料量 M） ,汽包壓力 P等。 汽包水位的動(dòng)態(tài)特性 工業(yè)鍋爐的汽包水位是正常運(yùn)行的重要指標(biāo)之一，水位過(guò)高，產(chǎn)生蒸汽帶水現(xiàn)象，影響用汽單位的正常生產(chǎn)。汽包水位過(guò)低，會(huì)影響鍋爐的汽水自然循環(huán)，如不及時(shí)調(diào)節(jié)，就會(huì)使汽包里的水全部汽化掉，可能導(dǎo)致鍋爐燒塌和爆炸事故。因此，鍋爐運(yùn)行中，保持汽包水位在一定范圍是十分重要的自動(dòng)控制問(wèn)題。 影響汽包水位變化的因素很多，主要有燃煤量、給水量和蒸汽流量。燃煤量對(duì)水位變化的影響是非常緩慢的，比較容易克服。因此，我們主要考慮給水量和蒸汽流量對(duì)水位的影響。鍋爐水位調(diào)節(jié)對(duì)象的原理結(jié)構(gòu)如圖 所示。 圖 給水調(diào)節(jié)對(duì)象結(jié)構(gòu)圖 1給水母管； 2調(diào)節(jié)閥； 3省煤器； 4汽包； 5管路； 6過(guò)熱器； 7蒸汽管 給水調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性是指各種擾動(dòng)下的汽包水位隨時(shí) 間變化的特性。當(dāng)擾動(dòng)為階躍擾動(dòng)時(shí)，對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性稱為階躍響應(yīng)曲線。影響水位變化的原因是很多的，其中鍋爐的蒸發(fā)量和給水流量的變化是主要的，其它還有爐膛熱負(fù)荷、汽包壓力的變化等原因。 鐵嶺電廠 3機(jī)組 汽包水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7 各種擾動(dòng)下水位變化的動(dòng)態(tài)特性 給水流量擾動(dòng)下對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性 圖 為給水量擾動(dòng)下水位階躍響應(yīng)曲線。圖 中曲線 1為沸騰式省煤器情形下水位的動(dòng)態(tài)特性，曲線 2 為非沸騰式省煤器情形下水位的動(dòng)態(tài)特性。 圖 給水量擾動(dòng)下水位階躍響應(yīng)曲線 在給水流量突然增加的瞬間，鍋爐的蒸發(fā) 量還未改變，給水流量大于蒸發(fā)量，但水位一開(kāi)始并不立即增加，這是因?yàn)闇囟容^低的給水進(jìn)入省煤器及水循環(huán)系統(tǒng)的流量增加了，從原有的飽和汽水混合物中吸取了一部分熱量，使水面下的汽泡容積有所減少。事實(shí)上也就是因?yàn)榻o水溫度遠(yuǎn)低于省煤器的溫度，即給水有一定的過(guò)冷度，水進(jìn)入省煤器后，使一部分汽變成了水，特別是沸騰式省煤器，給水減輕了省煤器內(nèi)的沸騰度，省煤器內(nèi)汽泡總?cè)莘e減少，因此，進(jìn)入省煤器內(nèi)的水首先用來(lái)填補(bǔ)省煤器中因汽泡破滅容積減少而降低的水位，經(jīng)過(guò)一段遲延甚至水位下降后，才能因給水不斷從省煤器進(jìn)入汽包而使水位上升。在此過(guò) 程中，負(fù)荷還未變化，汽包中水仍在蒸發(fā)，因此水位也有下降趨勢(shì)。由 H曲線可以清楚地看出給水被控對(duì)象內(nèi)擾的特點(diǎn)是：給水?dāng)_動(dòng)剛剛加入時(shí)，由于給水的過(guò)冷度影響，水位 H的變化很慢，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間之后其變化速度才逐漸增加，最后變?yōu)榘匆欢ㄋ俣戎本€上升，這時(shí)就是物質(zhì)不平衡在起主要作用了，如果給水量和蒸汽量不能平衡，水位就不能確定。下面簡(jiǎn)單介紹一下水位在給水?dāng)_動(dòng)下的傳遞函數(shù)。 其擾動(dòng)傳遞函數(shù)方框圖如圖 所示，可近似認(rèn)為是一個(gè)積分環(huán)節(jié)和一個(gè)慣性環(huán)節(jié)的并聯(lián)或串聯(lián)的兩種形式。 沈陽(yáng)工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 圖 給水?dāng)_動(dòng)傳遞函數(shù) 方框圖 蒸汽流量擾動(dòng)下對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性 蒸汽流量擾動(dòng)下水位的階躍起反應(yīng)曲線如圖 所示。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(guò)程如圖中曲線 H2所示 。水位實(shí)際變化曲線是 H1和 H2 之和。 圖 蒸汽流量擾動(dòng)下水位階躍響應(yīng)曲線 H1只考慮貯水量變化的水位反應(yīng)曲線； H2只考慮水面下汽泡容積變化的水位反應(yīng)曲線； H實(shí)際水位反應(yīng)曲線（ H=H1+H2） 兩曲線的疊加，即圖中的曲線 H，由圖可知，負(fù)荷變化時(shí)汽包水位的動(dòng)態(tài)特性具有特殊的形式：負(fù)荷增加時(shí)，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(shí)，水位卻先下降，然后迅速上升，這就是“虛假水位”現(xiàn)象。虛假水位的變化情況和鍋爐的特性有關(guān)，燃料突然減小時(shí)（如鍋 爐滅火），“虛假水位”約在 2～ 4分鐘內(nèi)即鐵嶺電廠 3機(jī)組 汽包水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 9 達(dá)到最低值。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。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。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。 爐膛熱負(fù)荷擾動(dòng)下對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性 當(dāng)燃料 M 增加時(shí)，爐膛熱負(fù)荷隨著增加，水循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的汽水混合物的氣泡比例增加，蒸發(fā)強(qiáng)度增加。如果負(fù)荷 設(shè)備的進(jìn)氣閥不加調(diào)節(jié)，則汽包飽和壓力升高，蒸汽流出量增加，蒸發(fā)量大于給水量，水位應(yīng)該下降。隨著汽包壓力的升高，汽水混合物中汽泡的比例將減小，又使得汽水總?cè)莘e下降；其次，在汽壓升高時(shí)，汽的比容變小，水的比容變大，總的效果是汽水混合物的比容變化不大。所以在燃料量擾動(dòng)下，汽包水位也會(huì)因汽包容積的增加水位先上升，因此也會(huì)出現(xiàn)“虛假水位”現(xiàn)象，至蒸發(fā)量與燃料量相適應(yīng)時(shí)，水位才開(kāi)始下降，即經(jīng)過(guò)了 Tm時(shí)間后水位開(kāi)始下降。由于熱慣性的原因，這種“虛假水位”沒(méi)有蒸汽流量擾動(dòng)下的“虛假水位”那樣嚴(yán)重。 圖 燃料量擾動(dòng)下水位階躍響應(yīng)曲線 應(yīng)當(dāng)指出，蒸汽量、給水量和燃料量在運(yùn)行中是經(jīng)常變化的，為保持氣壓穩(wěn)定，燃料量與蒸發(fā)量必須相互適應(yīng)，因此這兩種擾動(dòng)總是相伴發(fā)生，只是有先后發(fā)生的差別。 從各種擾動(dòng)下水位的動(dòng)態(tài)特性可估計(jì)到水位調(diào)節(jié)的一些缺點(diǎn)：由于存在延遲，等到水位偏離規(guī)定值后再去進(jìn)行調(diào)節(jié)，水位必然會(huì)有較大的變化（尤其是水位反應(yīng)快的鍋爐），水位的偏差也大；在負(fù)荷變化時(shí)，由于“虛假水位”現(xiàn)象，水位將迅速變化，這種變化幅度不可能用調(diào)節(jié)給水量來(lái)減小。為維持水位在允許的范圍內(nèi)，必須限制負(fù)荷的一次改變量和負(fù)荷變化速度； 在負(fù)荷變化后的開(kāi)始階段，給水流量和負(fù)荷的變化方向相反，如果忽視“虛假水位”現(xiàn)象的存在，盲目根據(jù)“水位”來(lái)調(diào)節(jié)給水量，將會(huì)擴(kuò)大鍋爐進(jìn)出流量的不平衡，使水位波動(dòng)加劇，實(shí)際工作中應(yīng)當(dāng)防止和避免。 沈陽(yáng)工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 3 鐵嶺電廠 3 機(jī)組汽包水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 汽包水位控制系統(tǒng)總體方案的確定 為保證機(jī)組的安全運(yùn)行 ， 我們對(duì)給水控制系統(tǒng)提出了很高的要求：在控制設(shè)備正常的條件下，不需要操作人員干涉，就能保證汽包水位在允許范圍內(nèi)，這是一個(gè)比較復(fù)雜的過(guò)程，因此對(duì)給水控制系統(tǒng)提出以下要求： (1)在給水控制系統(tǒng)中，不僅要滿足給水 調(diào)節(jié)的要求，同時(shí)還要保證給水泵工作在安全區(qū)內(nèi)，這往往需要有兩套控制系統(tǒng)來(lái)完成，及所謂的兩段調(diào)節(jié)。 (2)由于機(jī)組在不同的負(fù)荷下呈現(xiàn)不同的對(duì)象特性，要求控制系統(tǒng)能適應(yīng)這樣的特性。隨著負(fù)荷的增長(zhǎng)或降低，系統(tǒng)要能從單沖量過(guò)度到三沖量，或從三沖量過(guò)度到單沖量系統(tǒng)，由此產(chǎn)生了系統(tǒng)的切換問(wèn)題，并且必須保證兩套系統(tǒng)相互切換的控制線路。 (3)由于給水自動(dòng)控制范圍較寬，對(duì)各個(gè)信號(hào)的準(zhǔn)確測(cè)量提出了更高的，更嚴(yán)格的要求。 (4)在多種調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的復(fù)雜切換過(guò)程中，給水控制系統(tǒng)都必須保證無(wú)擾。另外，點(diǎn)火后升溫升壓過(guò)程中，由于鍋爐沒(méi)有 輸出蒸汽流量，給水量及其變化量都很小，此時(shí)單沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)也不十分理想，就需要開(kāi)啟閥門(mén)的方法（雙位調(diào)節(jié)方式）進(jìn)行水位調(diào)節(jié)。 (5)給水自動(dòng)控制還必須適應(yīng)機(jī)組的定壓運(yùn)行和滑壓運(yùn)行工況，必須適應(yīng)冷態(tài)啟動(dòng)和熱態(tài)啟動(dòng)的情況。 隨著鍋爐容量和參數(shù)的提高，汽包的容積相對(duì)減少，鍋爐蒸發(fā)受熱面的熱負(fù)荷顯著提高。因此加快了負(fù)荷變化時(shí)水位的變化速度。企圖用人工控制給水量來(lái)維持汽包水位不僅操作繁重，而且是非常困難的。所以，鍋爐運(yùn)行中迫切要求對(duì)給水實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。 給水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 汽包水位控制系統(tǒng)的基 本任務(wù) 汽包水位調(diào)節(jié)也叫給水自動(dòng)調(diào)節(jié)，其主要任務(wù)是： (1)維持鍋爐水位在允許的范圍內(nèi)，使鍋爐的給水量適應(yīng)于蒸發(fā)量。鍋爐的水位是影響安全運(yùn)行的重要因素。水位過(guò)高會(huì)影響汽水分離裝置的正常工作，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致蒸汽帶水增加，使過(guò)熱器管壁和氣輪機(jī)葉片結(jié)垢，造成事故；對(duì)于工業(yè)鍋爐，蒸汽帶水量過(guò)多，也要影響用戶的某些工藝過(guò)程。水位過(guò)低，則會(huì)破壞汽水正常循環(huán)，以致燒壞受熱面。水位過(guò)高或過(guò)低，都是不允許的。所以，正常運(yùn)行時(shí)汽包水位應(yīng)在給定值的 ? 15mm上下范圍波動(dòng)。 (2)保持給水量穩(wěn)定。給水量穩(wěn)定，有助于省煤器和給水管道的安全運(yùn)行。 上述兩個(gè)任務(wù)中，第一個(gè)任務(wù)尤為重要。實(shí)踐證明，無(wú)論是電站鍋爐，或者是工業(yè)鍋爐，用人工操作調(diào)節(jié)水位，既不安全，也不經(jīng)濟(jì)，其最有效的方法是實(shí)現(xiàn)給水自動(dòng)調(diào)鐵嶺電廠 3機(jī)組 汽包水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11 節(jié)。 給水控制系統(tǒng)原理圖 300MW 機(jī)組給水控制系統(tǒng) 采用兩臺(tái)汽動(dòng)給水泵和 1 臺(tái)啟動(dòng) /備用電動(dòng)給水泵供水。控制方案采用單 /三沖量結(jié)合，在小負(fù)荷時(shí)采用單沖量控制，在高負(fù)荷時(shí)采用三沖量控制。 其原理圖如下： 圖 41 給水 控制系統(tǒng)原理 圖 圖 給水控制系統(tǒng)原理圖 汽包水位控制系統(tǒng)控制策略設(shè)