【文章內(nèi)容簡介】 水量擾動下水位階躍響應(yīng)曲線。圖 22 中曲線 1 為沸騰式省煤器情形下水位的動態(tài)特性，曲線 2為非沸騰式省煤器情形下水位的動態(tài)特性。 圖 22 給水量擾動下水位階躍響應(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，但水位一開始并不立即增加，這是因為溫度較低的給水進(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。 事實上也就是因為給水溫度遠(yuǎn)低于省煤器的溫度，即給水有一定的過冷度，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 容積 減少，因此，進(jìn)入省煤器內(nèi)的水首先用來填補省煤器中因汽泡破滅容積減少而降低的水位，經(jīng)過一段遲延甚 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。由 H曲線可以清楚地看出給水被控對象內(nèi)擾的特點是：給水?dāng)_動剛剛加入時，由于給水的 過冷度影響，水位 H的變化很 慢，經(jīng)過一段時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。 下面簡單介紹一下水位在給水?dāng)_動下的傳遞函數(shù)。 水位在給水?dāng)_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 其擾動傳遞函數(shù)方框圖如圖 23 所示，可近似認(rèn)為是一個積分環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié)的并聯(lián)或串聯(lián)的兩種形式。 其擾動傳遞函數(shù)方框圖如圖 23 所示，可近似認(rèn)為是一個積分環(huán)節(jié) 和一個慣性環(huán)節(jié)的并聯(lián)或串聯(lián)的兩種形式。 圖 23 給水?dāng)_動傳遞函數(shù)方框圖 蒸汽流量擾動下對象的動態(tài)特性 蒸汽流量擾動下水位的階躍起反應(yīng)曲線如圖 24所示。當(dāng)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(yīng)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(yīng)如圖中曲線 H1 所示：實際 上當(dāng)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中曲線 H2所示。水位實際變化曲線是 H1和 H2 之和。 圖 24 蒸汽流量擾動下水位階躍響應(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)荷變化時汽包水位的動態(tài)特性具內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 12 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。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（如鍋爐滅火），“虛假水位”約在 2～4 分鐘內(nèi)即達(dá)到最低值。在外部負(fù)荷突然減小時（如汽 輪機甩負(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)到最低值的時間和負(fù)荷達(dá)到的最低值的時間基本相同。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。為了維持水位在允許的范圍內(nèi)，運行中應(yīng)對負(fù)荷的一次變動量及負(fù)荷變化速度加以限制。 爐膛熱負(fù)荷擾動下對象的動態(tài)特性 當(dāng)燃料 M增加時，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，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。所以在燃料量擾動下，汽包水位也會因汽包容積的增加水位先上升，因此也會出現(xiàn)“虛假水位”現(xiàn)象，至蒸發(fā)量與燃料量 相 適應(yīng)時，水位才開始下降，即經(jīng)過了 Tm時間后水位開始下降。由于熱慣性的原因，這種“虛假水位”沒有蒸汽流 量擾動下的“虛假水位”那樣嚴(yán)重。 圖 25 燃料量擾動下水位階躍響應(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)，因此這兩種擾動總是相伴 發(fā)生，只是有先后發(fā)生的差別。 從各種擾動下水位的動態(tài)特性可估計到水位調(diào)節(jié)的一些缺點：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)，水位必然會有較大的變化（尤其是水位反應(yīng)快的內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 13 鍋爐），水位的偏差也大；在負(fù)荷變化時，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”來調(diào)節(jié)給水量，將會擴大鍋爐進(jìn)出流量的不平衡，使水位波動加劇，實際工作中應(yīng)當(dāng)防止和避免。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 14 第 三 章 串級三沖量給水 系統(tǒng)的 信號校正與系統(tǒng)切換 鍋爐給水設(shè)備及管路連接 鍋爐給水管路連接是和機爐連接方式相適應(yīng)的，可分母管制與單元制兩類。母管制給水系統(tǒng)是指具有全廠鍋爐共用的給水母管系統(tǒng)。全廠所有的給水泵都連在給 水母管上；而每臺鍋爐的給水調(diào)節(jié)則用各自連接在給水母管上的給水調(diào)節(jié)門進(jìn)行。典型的連接如圖 31 所示。 圖 31 母管制鍋爐給水系統(tǒng)示意圖 在圖 31中， 1 門是主給水調(diào)節(jié)閥， 2 門是備用主給水調(diào)節(jié)閥，這兩個閥門允許通過 100%負(fù)荷的給水量； 3 門是旁路給水調(diào)節(jié)閥，允許通過 25%~30%左右負(fù)荷的給水量。為了防止調(diào)節(jié)閥全閉時漏流，各條管路上都安裝了電動截止門 4， 5 和6。為了檢修方便，在主給水管路上又安裝了總的電動截門 7。此外還裝有鍋爐點火時省煤器用再循環(huán)門和事故放水電動截止門 8 和 9。 另一類是單 元制給水系統(tǒng)，每臺單元機組都有自己獨立的給水管路系統(tǒng)。比較典型的有汽動泵 、 電動泵混合型及單純電動泵組兩種。 汽動泵電動泵混合型給水系統(tǒng)共有三臺主給水泵，其中兩臺是可變速的汽動泵，它們在高負(fù)荷時使用 。另一臺是定速 電動泵，在單元機組啟動及低負(fù)荷時使用 。由于機組啟動階段還不能得到穩(wěn)定的氣源，汽動變速泵無法使用，故先用電動泵。這時電動泵通常是工作在定速工況，所以需用給水調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)給水量。為了保證泵在低負(fù)荷內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 15 時出口有足夠的流量，防止給水泵產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象，安裝了再循環(huán)管路。 電 動泵組單元制給水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的典型形式是三臺可變速 電動給水泵并聯(lián) ，兩臺運行一臺備用，泵的轉(zhuǎn)速變化依靠液壓聯(lián)軸節(jié)（靠背輪）滑差實現(xiàn)。為了保證泵的安全運行特性，通常也裝有再循環(huán)門和調(diào)節(jié)閥門。 測量信號的自動校正 鍋爐從啟動到正常運行或是從正常運行到停爐過程中，蒸汽參數(shù)和負(fù)荷在很大范圍內(nèi)變化，這就使水位、給水流量和蒸汽流量測量信號的準(zhǔn)確性受到影響。為了實現(xiàn)全程自動控制，要求這些信號能夠自動地進(jìn)行壓力、溫度校正。 測量信號自動校正的基本方法是：先推導(dǎo)出被測參數(shù)隨溫度、壓力變化的數(shù)學(xué)模型，然后利用各種元件構(gòu)成運算電路進(jìn)行運算，便可實現(xiàn)自動校正。按參數(shù)變化范圍和要求的校正精度不同，可建立不同的數(shù)學(xué)模型，因而可設(shè)計出不同的自動校正方案。 由于汽包中飽和水和飽和蒸汽的密度隨壓力變化，所以影響水位測量的準(zhǔn)確性。通常可以采用以下方法進(jìn)行壓力校正。 采用電氣校正回路進(jìn)行壓力校正，就是在水位差壓變送器后引入校正回路。 圖 32 汽包水位測量系統(tǒng) bp 汽包壓力； H汽水連通管之間垂直距離，即最大變化范圍； h汽包水位高度； 1p ， 2p 夾在差壓變送器兩側(cè)的壓力； s? 飽和蒸汽的密度； G? 飽和水的密度； a? 汽包外平衡容器內(nèi)凝結(jié)水的密度 圖 32表示單元單容器平衡測量系統(tǒng)。從圖中可以看出： )(1 hHhp sG ???? ?? Hp a??2 12 ppp ??? = hHhHhH sGsassGa )()( ???????? ??????? 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 16 sGsa pHh ???? ? ???? )( （ 31） 當(dāng) H 一定時，水位 h 是壓差和汽、水密度的函數(shù)。密度 a? 與環(huán)境溫度有關(guān)，一般可取 50℃時水的密度。在鍋爐啟動過程中，水溫略有增加，但由于同時壓力也升高，兩種因素對 a? 的影響基本上可抵消，即可近似地認(rèn)為 a? 時恒值。而飽和水和飽和蒸汽的密度 G? 和 s? 均為汽包壓力 bp 的函數(shù)，即 )( )( bbsG basa pf pf?? ?? ?? ?? 由式（ 31）可以改寫成 )()( bb ba pf ppfh ??? （ 32） 按照式（ 32）可以設(shè)計出水位壓力自動校正線路，如圖 33所示。 圖 33 水位壓力自動校正線路 圖 33中函數(shù)組件 1f （ x）、 2 f （ x）分別模擬式（ 32）中 )( ba pf 和 )( bb pf 。計算和試驗表明，密度與汽包之間的函數(shù)曲線可以看出 sa ?? ? 與 bp 的關(guān)系在較大范圍內(nèi)可以近似地認(rèn)為是線性關(guān)系，即 39。1)( ksa ???? bpk39。2 )()( 39。239。1 bsa pkkHH ??? ?? bsa pkkH 21)( ??? ?? 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 17 則式（ 31）可以改寫為 )(21 bb bpf ppkkh ???? （ 33） 按式（ 33）可設(shè)計出較為簡便的水位自動校正線路，如圖 34 所示。 圖 34 水位壓力自動校正線路二 、溫度校正 過熱蒸汽流量測量通常采用標(biāo)準(zhǔn)噴嘴。這種噴嘴基本上是按定壓運 行額定工況參數(shù)設(shè)計，在該參數(shù)下運行時，測量精度是較高的。但在對系統(tǒng)進(jìn)行 控制時，運行工況不能基本固 定。當(dāng)被測過熱蒸汽的壓力和溫度偏離設(shè)計值時，蒸汽的密度變化很大，這就會給流量測量造成誤差，所以要進(jìn)行壓力和溫度的校正。 可以按下列公式進(jìn)行校正 ： 1 0 0 0pTppkpkD??????? ? （ 34） 式中 D過熱蒸汽流量； 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 18 P過熱蒸汽壓力； T過熱蒸汽溫度； p? 節(jié)流件差壓； ? 過熱蒸汽密度； k流量系數(shù)。 按式（ 34）可設(shè)計出過熱蒸汽流量信號的壓力，溫度自動校正線路如圖 35所示。 圖 35 過熱蒸汽流量信號的壓力、溫度自動校正線路圖 計算和實驗結(jié)果表明：當(dāng)給水溫度為 100℃不變，壓力在 變化時，給水流量的測量誤差為 %；若給水壓力為 不變，給水溫度在100290℃溫度范圍內(nèi)變化時，給水量測量誤差為 13%。所以，對給水流量測量信號可以只采 用溫度校正，其校正回路如圖 36所示。若給水溫度變化不大，則不必對給內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 19 水流量測量信號進(jìn)行校正。 給水流量測量裝置切換系統(tǒng) 圖 36 給水流量信號溫度校正線路 給水流量測量信號的準(zhǔn)確性與壓力、溫度的校正精度有關(guān)，但主要取決于高、低負(fù)荷時流量的測量精度。一般，大型單元機組的給水管路系統(tǒng)如圖 37 所示。上面的一路為主給水，在高負(fù)荷時使用；下面一路為流量較小的旁路給水，鍋爐啟停過程中及低負(fù)荷運行時用它供水；中間一路為輔助給水，當(dāng)主給水管路發(fā)生故障或因水壓過低而主給水供不應(yīng)求時使用。圖中 1， 2， 3 為 截止 閥， 4， 5， 6 為調(diào)節(jié)閥，7 為總截止 閥。旁路給水管路中的最大流量只有主給水管路流量的 30%左右，如果采用一個孔板測量給水流量，在低負(fù)荷時必然會產(chǎn)生較大的測量誤差。為此，給水泵系統(tǒng)中安裝了 2兩個孔板。在鍋爐啟停及低負(fù)荷運行時，用旁路孔板 2測量給水量，高負(fù)荷時用主管路孔板 1 測量給水量。對于這種采用兩個測量元件的給水流量測量系統(tǒng)，需要用一個流量信號運算回路，如圖 38所示。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 20 圖 37 給水管路系統(tǒng)示意圖 圖 38 給水流量信號運算回路 由于旁路給水管路中的實際流量為主給水管路的 1/4 左右，因 此測量旁路給水流量的變送器輸出信號要用乘法器乘以 的系數(shù)，以便使旁路給水流量信號與主給內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 21 水流量信號具有同樣的變化范圍。在比較器 1? 中，主給水流量信號 1w 減去旁路給水流量信號 w ，此差值信號在另一乘法器中乘可變系數(shù) k ，乘法器的輸出為)( 21 wwk ? ， k 值由比例偏置器 ??p 調(diào)整。當(dāng)給水流量大于 25%時， k 值由 1 向零逐漸變小，當(dāng)流量達(dá)到 30%時 0?k ，這時旁路給水流量信號消失，轉(zhuǎn)入主給水管路的給水流量測量。可見比較器 2? 的輸出信號為 )( 211 wwkww ??? 其中 w總給水流量信號； 1w 主給水流量信號； 2w 旁路給水流量信號。 由上式可以看出，當(dāng) 1?k 時， 1w = 2w ；當(dāng) 0?k 時， w = 1w ，這樣就實現(xiàn)了在低負(fù)荷時用旁路管路上的孔板 2 測量給水流量，高負(fù)荷時用主給水管路上的孔板 1測量給水量的要求，從而提高了 測量 精度。 圖 39 中表示的也是一個大小孔板 測量 切換的線路，大負(fù)荷時用大孔板，小負(fù)荷時用小孔板，高低負(fù)荷切換時，測得的流量信號也進(jìn)行無擾切換。 圖 39 給水流量測量信號系統(tǒng) 在圖 39中， 1W 經(jīng)過大孔板的給水流量； 2W 經(jīng)過小孔板的給 水流量； ?內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 22 1r 大孔板、流量變送器、 I/U 轉(zhuǎn)換及開方器合在一起的測量系統(tǒng)總的系數(shù)； 2r ?小孔板等測量系統(tǒng)總的系數(shù)； W 最后測得的給水流量信號，它如用指示表表示出來，系數(shù)值用 1r （即按大孔板測量范圍作為指示儀表的測量范圍）； k 0～ 1變化的系數(shù)。 其他符號意義可從圖中看出。如果把圖 39中各個環(huán)節(jié)參數(shù)配合恰當(dāng)，則可以得到以下結(jié)果 ： kWkWW 21 )1( ??? （ 35） 圖 39 中用虛線框表示的部分，是一個比例限幅電路，通過恒流給定器 GH 輸出與大孔板測量信號 1m 比較，經(jīng)比例放大后，再限制其最大輸出值（ n=0～ 10），使k =0～ 1變化。 k 的變化應(yīng)滿足以下的要求： ?當(dāng)截門還未 打開，給水流量較小時，應(yīng)使 k =1，測量值以小孔板測量為準(zhǔn)，有2WW? ； 當(dāng)截門全開，給水流量很大時，應(yīng)使 0?k ，