【文章內(nèi)容簡介】 任務(wù)是使給水量跟蹤鍋爐的蒸發(fā)量，并維持汽包中的水位在工藝允許的范圍內(nèi)。維持汽包水位在給定范圍內(nèi)是保證鍋?zhàn)o(hù)和汽輪機(jī)安全運(yùn)行的必要條件，也是鍋爐正常運(yùn)行的主要指標(biāo)之一。水位過高，會影響汽包內(nèi)汽水分離效果，使汽包出口的飽和蒸汽帶水增多，蒸汽帶水會使汽輪機(jī)產(chǎn)生水沖擊，引起軸封破損、葉片斷裂等事故。同時(shí)會使飽和蒸汽中含鹽量增高，降低過熱蒸汽品質(zhì)，增加在過熱器管壁和汽輪機(jī)葉片上的結(jié)垢。水位過低，則可能破壞自然循環(huán)鍋爐汽水循環(huán)系統(tǒng)中某些薄弱環(huán)節(jié)，以致局部水冷管壁被燒壞，嚴(yán)重時(shí)會造成爆炸事故。這些后果都是十分嚴(yán)重的。隨著鍋爐容量的增加，水位變化速度愈來愈快，人工操作愈來愈繁重，因此對汽包水位實(shí)現(xiàn)自動調(diào)節(jié)提出了迫切的要求。汽包水位不僅受汽包中儲水量的影響，亦受水位下汽泡容積的影響。而水位下汽泡容積與鍋爐的負(fù)荷、蒸汽壓力、爐膛熱負(fù)荷等有關(guān)。因此，影響水位變化的因素很多，其中主要是鍋爐蒸發(fā)量即蒸汽流量和給水流量。綜上，引起水位變化的主要擾動是蒸汽流量的變化和給水流量的變化。 汽包水位在給水流量作用下的動態(tài)特性給水量是鍋爐的輸入量，如果蒸汽負(fù)荷不變，那么在給水流量產(chǎn)生變化時(shí)，汽包水位的運(yùn)動方程式可以表示為： (31)經(jīng)拉氏變換后可得: (32)從式(32)，可以方便地得到汽包水位在給水流量作用下的傳遞函數(shù)為： (33) 對于中壓鍋爐，上式中TW的數(shù)值很小，常?？梢院雎圆挥?jì)，因此式(33)可以進(jìn)一步改寫為： (34) 其中 反應(yīng)速度，即給水流量改變單位流量時(shí)水位的變化速度，單位為毫米／秒(噸／小時(shí))。從式(34)可知，汽包水位在給水流量作用下的動態(tài)特性為一個(gè)積分環(huán)節(jié)和一個(gè)一階滯后環(huán)節(jié)所組成,ε、T2的數(shù)值可通過實(shí)驗(yàn)測試求得，數(shù)值的大小同鍋爐的結(jié)構(gòu)有關(guān)。有些鍋爐當(dāng)給水量增加時(shí)，在較長的一段時(shí)間里，汽包水位并不增加，有一較長的起始慣性段，對于這種鍋爐用式(34)來表示它的動態(tài)待性，誤差較大，這時(shí)可選用下面(35)式近似計(jì)算： (35) τ給水量擾動下的純滯后時(shí)間，對于非沸騰式省煤器的鍋爐，τ為0100秒，對于沸騰式省煤器的鍋爐，τ＝100200秒；Ta=1/ε水位的反應(yīng)時(shí)間，它也與鍋爐結(jié)構(gòu)有關(guān)。反應(yīng)速度ε及反應(yīng)時(shí)間Ta都用相對量來表示：ε定義為：當(dāng)擾動量為100%(從滿負(fù)荷突然變化到零)，水位(以允許變化的范圍為100%)的變化速度，單位為每秒。Ta定義為：擾動量為100%，水位變化100%所經(jīng)歷的時(shí)間，單位為秒，例如：一臺230噸／小時(shí)的鍋爐，假設(shè)汽包的正常水位力200毫米，水位的反應(yīng)時(shí)間Ta為30鈔。這就是說，當(dāng)鍋爐在滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，如果突然停止供水，則由于出汽和進(jìn)水流量的不平衡，水位將等速度下降，30秒鐘下降200毫米，如果給水量減少10%(23噸／小時(shí))，則將在30秒鐘水位下降20毫米。如果用反應(yīng)速度ε表示，則當(dāng)對于中壓多汽包鍋爐，Ta為300秒；一般中壓鍋爐，Ta＝30100秒；高壓鍋爐Ta＜30秒。hUwΔwttHo圖31給水量擾動下的水位飛升曲線根據(jù)式(35)在階躍輸入下作給水?dāng)_動(假定在一定范圍內(nèi)汽包的橫截面積不變，或變化不大)?？梢缘玫饺鐖D31所示的反應(yīng)曲線。由曲線可知：當(dāng)突然加大給水量后(這時(shí)假定蒸汽量不變)，給水量大于蒸發(fā)量，但汽包水位一開始并不立即增加，而呈現(xiàn)出一段起始慣性段，這是因?yàn)闇囟容^低時(shí)更多的給水進(jìn)入水循環(huán)系統(tǒng)，它從原有飽和汽水中吸取一部分熱量，汽包和汽水管路中由于熱量的“損失”汽泡體積減少。進(jìn)入省煤器的給水，首先必須填補(bǔ)由于汽水管路中汽泡減少所讓出的空間，這時(shí)，雖然給水量增加，但水位基本不變。當(dāng)水面下汽泡容積變化過程逐漸平靜時(shí)，汽包水位才由于貯水量的增加而逐漸上升。當(dāng)水面下汽泡容積不再變化、完全穩(wěn)定下來時(shí)，水位變化就隨著貯水量的增加而直線上升。對于采用沸騰式省煤器的鍋爐，給水作用下的慣性段要比上述情況嚴(yán)重得多，甚至還可能出現(xiàn)“假水位”現(xiàn)象，在這種情況下，水位變化的特性應(yīng)該采用如下傳遞函數(shù)： (36)式中： UsttHwH1HH2圖32采用沸騰式省煤器給水作用下的水位飛升曲線圖32是給水作用下汽包水位的反應(yīng)曲線。Hl是只考慮物料不平衡，即給水量大于蒸發(fā)量而產(chǎn)生的上升曲線，它由式(36)的1／Ta這一項(xiàng)所確定，其特性表現(xiàn)為積分環(huán)節(jié)，無自平衡能力；H2是由于給水量增加，蒸發(fā)面以下汽泡容積的變化引起的。H是由H1(t)為H2(t)迭加而成的．它的特性實(shí)際上是兩個(gè)環(huán)節(jié)的并聯(lián)。 汽包水位在蒸汽流量擾動下的動態(tài)特性汽包水位在蒸汽流量擾動下的動態(tài)特性，可以直接從式(32)導(dǎo)出(假定給水量不變)： (37) 拉氏變換后可得： (38) 則： (39) 上式可以用兩個(gè)動態(tài)環(huán)節(jié)的并聯(lián)來等效，即： (310) 其中 , UDDttH2HH1H3圖33蒸汽流量擾動下時(shí)的水位飛升曲線在蒸汽流量擾動下水位的階躍反應(yīng)曲線如圖33所示。對大部分調(diào)節(jié)對象而言，平衡受到破壞的主要影響因素是系統(tǒng)中物料或能量的不平衡。鍋爐汽包水位對象，除上述對象具有的特性以外．還有它特有的性質(zhì)。當(dāng)負(fù)荷設(shè)備的用汽量突然增加△D(假定供熱量及時(shí)跟上)，單從物料不平衡考慮，汽包中蒸發(fā)量大于給水量，汽包水位應(yīng)如圖33中H1所示，相當(dāng)于式(310)中的1／Ta這一項(xiàng)，是直線下降的。但是實(shí)際水位不是H1而是H，在擾動的初始瞬間水位不但沒有下降而且是上升的。這是由于鍋爐汽包蒸發(fā)面以下和水管系統(tǒng)中蒸汽容積隨負(fù)荷的變化而改變所致。在蒸發(fā)面下的水中有蒸汽存在，是由于蒸發(fā)過程的連續(xù)性，在蒸汽向汽水分界面移動的過程中，會有一部分蒸汽在某一段時(shí)間內(nèi)處于水中．在一定負(fù)荷和一定壓力下，蒸汽發(fā)生量與蒸發(fā)面以下蒸汽含量之間有一個(gè)確定的對應(yīng)關(guān)系，蒸發(fā)面以下的蒸汽容積可以用下式表示： (311) 式中，Vs蒸發(fā)面以下的蒸汽容積；k比例系數(shù)，隨負(fù)荷不同而異；W1汽化強(qiáng)度；γ飽和蒸汽重度；τ汽泡在水中平均停留時(shí)間。當(dāng)蒸汽流量D階躍增加時(shí)，汽包中壓力減小，汽水循環(huán)管路中水的汽化強(qiáng)度W1加，蒸發(fā)面以下蒸汽容積VS增加。汽泡體積膨脹而使水位變化的曲線如圖33中H2所示，實(shí)際水位變化曲線H就是H1和H2的迭加。從圖中可以看出，當(dāng)蒸汽量變化時(shí)，汽包水位的變化具有特殊的形式，負(fù)荷階躍增大時(shí)，汽水混合物中蒸汽的容積迅速增加。此時(shí)雖然蒸發(fā)量大于給水量，但水位不僅不下降，反而迅速上升。這種特殊現(xiàn)象稱為“虛假水位”。當(dāng)汽水混合物中汽泡容積與負(fù)荷相適應(yīng)達(dá)到穩(wěn)定后，水位才反映出物料的不平衡，開始下降。應(yīng)該指出，當(dāng)負(fù)荷階躍改變時(shí)，水面下汽泡容積變化引起的水位變化是很快的，圖33中H2的時(shí)間常數(shù)只有1020秒。由于“假水位”而出現(xiàn)的水位最大偏差很難依靠調(diào)節(jié)來克服，如果要求水位波動不能太大，只有限制負(fù)荷D的變化速度或限制負(fù)荷一次變化量?！疤摷偎弧弊兓姆扰c鍋爐的汽壓與蒸汽量有關(guān)，對于—般100230噸／小時(shí)的中高壓鍋爐．加負(fù)荷階躍變化10%時(shí)，“虛假水位”現(xiàn)象可使水位變化達(dá)3040毫米。從以上動態(tài)特性分析中可以得到如下結(jié)論：(1)汽包水位調(diào)節(jié)對象在給水量作用下，具有純遲延和慣性，無自衡能力。具體特性可用三種形式來描述，究竟采用何種形式，可根據(jù)鍋爐結(jié)構(gòu)和汽化強(qiáng)度來定。(2)汽包水位調(diào)節(jié)對象在蒸汽流量擾動下，非但沒有自平衡能力，而且存在著“假水位”現(xiàn)象,“假水位”的變化速度很快，變化幅度與蒸發(fā)量擾動大小成正比．也與壓力變化速度成正比，在設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)系統(tǒng)時(shí)必須考慮。一、單沖量水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)單沖量水位自動調(diào)節(jié)如圖34所示。它是汽包水位自動調(diào)節(jié)中最簡單、最基本的一種形式。水位測量信號經(jīng)變送器送到水位調(diào)節(jié)器，水位調(diào)節(jié)器根據(jù)水位測量值與給定值的偏差去控制給水閥門，改變給水量來保持汽包水位在允許的操作范圍內(nèi)。Gc(s)Gv(s)HmGo(s)HH0+圖34單沖量水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)從單沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)靜特性看，單