【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 比較后，產(chǎn)生出偏差。經(jīng)比例、微分、積分計(jì)算后調(diào)節(jié)器的輸出相應(yīng)的減少，使調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度減少，送給汽包的水流量也將減少，從而使得汽包的水位降下來(lái)。 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 第三章 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析 給水調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性 汽包水位是工業(yè)蒸汽鍋爐安全、穩(wěn)定運(yùn)行的重要指標(biāo)，是鍋爐蒸汽負(fù)荷與給水間物質(zhì)是否平衡的重要標(biāo)志 ， 維持汽包水位正常是保證鍋爐和汽輪機(jī)安全運(yùn)行的必要條件。汽包鍋爐給水控制系統(tǒng)的作用是使鍋爐的給 水量自動(dòng)適應(yīng)鍋爐的蒸發(fā)量，維持汽包水位在規(guī)定范圍內(nèi)波動(dòng)。其中給水流量和蒸汽流量是影響汽包水位的兩種主要擾動(dòng)，前者來(lái)自調(diào)節(jié)器，稱為內(nèi)擾，后者來(lái)自負(fù)荷側(cè)，稱為外擾。汽包爐給水控制對(duì)象的結(jié)構(gòu)如圖 3所示。 影響水位的因素主要有：鍋爐蒸發(fā)量（負(fù)荷 D），給水量 G， 爐膛 熱負(fù)荷（燃燒率 M），汽包壓力 bP 。 控制系統(tǒng)的物質(zhì)平衡方程為： dtDGD d tG d tdHA )()( 39。39。39。 ????? ?? （ 31） 將式（ 31） 進(jìn)一步變換得 ： DGdtdHA ??? )( 39。39。39。 ?? （ 32） 令 39。 39。39。()CA????，則上式變?yōu)椋?DGdtdHC ?? （ 33） 式中 H——汽包水位， m 或 cm ； A ——汽水分離面積， 2m 或 2cm ； 39。? ——水的密度， t / 3m 或 kg / 3cm ； ? ——蒸汽密度， t / 3m 或 kg / 3cm ； D ——蒸發(fā)量， /th或 /kgs ； G——給水量， /th或 /kgs ； C ——容量系數(shù)。 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 圖 3 給水調(diào)節(jié)對(duì)象 鍋爐給水控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性有以下特點(diǎn)： 1)由于對(duì)象的內(nèi)擾動(dòng)態(tài)特性存在一定的延遲和慣性， 控制系統(tǒng)應(yīng)考慮采用串級(jí)控制方案； 2)由于對(duì)象在蒸汽流量和熱負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)有虛假水位現(xiàn)象，控制系統(tǒng)應(yīng)考慮采用以主要擾動(dòng) (蒸汽流量 D)為前饋信號(hào)的前饋控制，以改善給水控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量； 3)負(fù)荷變化時(shí)出現(xiàn)的虛假水位現(xiàn)象是鍋爐運(yùn)行中的必然現(xiàn)象，是無(wú)法通過(guò)控制給水流量來(lái)克服的，只有限制負(fù)荷的一次突變量和變負(fù)荷速度來(lái)減小。 采用差壓的原理測(cè)量水位，由于鍋爐從啟動(dòng)至正常負(fù)荷整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)汽包壓力變化很大，致使汽包內(nèi)的飽和蒸汽和飽和水的密度變化很大，這樣就不能直 接用整壓信號(hào)代表水位．必須對(duì)差壓信號(hào)根據(jù)汽包壓力進(jìn)行補(bǔ)償。 汽包水位的測(cè)量如下： 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 圖 4 汽包水位的測(cè)量 SAMA圖 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 根據(jù)水的密度髓溫度變化快慢．對(duì)給水流量信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償。 其中，給水流量測(cè)量如下： 圖 5 給水流量測(cè)量 SAMA圖 主汽流量的測(cè)量，未采用標(biāo)準(zhǔn)孔板，而是用經(jīng)過(guò)熱器出口溫度補(bǔ)償后的汽機(jī)首級(jí)壓力來(lái)測(cè)量并加入了旁路流量。這種方法克服了在高溫高壓下孔板易磨損和檢修維護(hù)困難的缺點(diǎn)。 汽包鍋爐一般都配有兩套就地水位計(jì)和三套遠(yuǎn)傳式水位計(jì) ，而鍋爐汽包水位的監(jiān)視、自動(dòng)控制、越限報(bào)警和跳閘保護(hù)則完全依靠這三套遠(yuǎn)傳式 (差壓式 )水位計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 圖 6 配單室平衡容器的差壓式水位測(cè)量示意圖 差壓式汽包水位的計(jì)算公式為： )( )( rr rr sw sa pLH ? ???? 考慮到汽包壓力和飽和蒸汽溫度對(duì)飽和蒸汽重度的影響，汽包水位變送器的測(cè)量差壓值經(jīng)過(guò)壓力補(bǔ)償計(jì)算后得到結(jié)果就是準(zhǔn)確的汽包水位值，其計(jì)算公式為： )()()( ?? ????swswwa PLIH ? ?????? （ 34） 式中： P? 為水位變送器實(shí)際差壓； I,L為平衡容器結(jié)構(gòu)尺寸； )( ?? wa? 為室溫下水與飽和水重度之差； )( ?? sw? 為汽包壓力下飽和水與飽和蒸汽重度之差。 實(shí)際測(cè)量出差壓 P? ，再通過(guò)計(jì)算處理即可得出汽包實(shí)際水位。 其中，主汽流量測(cè)量如下： 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 圖 7 主汽流量測(cè)量 SAMA 圖 給水 擾動(dòng) 汽包水位在給水流量作用下的動(dòng)態(tài)特性： 給水量是鍋爐的 輸入量，如果蒸汽負(fù)荷不變，那么給水流量變化時(shí)，汽包水位的運(yùn)動(dòng)方程式可以表示為： WWWW ukdtduTdtdhTdt hdTT ??? 12221 （ 35） 可以得到汽包水位在給水流量作用下的傳遞函數(shù)為： )1()()( 21)(01 ???? STST KSTV SHSG WWSW (36) 對(duì)于中壓鍋爐，上式中 Tw 的數(shù)值很小，常?？梢院雎圆挥?jì)，因此可以進(jìn)一步改寫(xiě)為： )1()()( 2)(01 ??? STSV SHSG SW ? (37) 給水量擾動(dòng) 時(shí)水位 階躍響應(yīng)曲線 如圖 8 所示。 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 圖 8 給水量擾動(dòng) 時(shí)水位 階躍響應(yīng)曲線 圖 8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。 從物質(zhì)平衡的觀點(diǎn)來(lái)看，加大了給水量 G，水位應(yīng)立即 上升，但實(shí)際上并不是這樣，而是經(jīng)過(guò)一段遲延，甚至先下降后再上升。這是因?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)的汽泡總?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，才能因給水量不斷從省煤器進(jìn)入汽包而使水位上升。在此過(guò)程中，負(fù)荷還未發(fā)生變化，汽包中水仍然在蒸發(fā)，因此水位也有下降趨勢(shì)。 蒸汽流量擾動(dòng) 汽包水位在蒸汽流量擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性 ，可以用下式表示（假定給水量不變） )(12221 DDDD ukdtduTdtdhTdt hdTT ???? （ 38） 則 )1()()( 21)(2 ????? STST KSTV SHSG DDSDF （ 39） 上式可通過(guò)兩個(gè)動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)的并聯(lián)來(lái)等效，即 11)()(239。39。)(2 2????? STKSTVSHSGaSDF （ 310） 式中：Da KTT 139。 ? 1239。2 /)( TTTKK DD ?? 。 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 圖 9 蒸汽量 D擾動(dòng)下的水位階躍響應(yīng)曲線 如果只從物質(zhì)平衡的角度來(lái)看，蒸發(fā)量突然增加 D? 時(shí)，蒸發(fā)量高于給水量，汽包水位是無(wú)自平衡能力的，所以水位應(yīng)該直線下降，如圖 9中 1()Ht所示那樣，但實(shí)際水位是先上升，后下降，這種現(xiàn)象稱為 “虛假水位 ”現(xiàn)象，如圖中 ()Ht 所示。其原因是由于負(fù)荷增加時(shí)，在汽水循環(huán)回路中的蒸發(fā)強(qiáng)度也將成比 例增加，水面下汽泡的容積增加得也很快，此時(shí)燃料量 M還來(lái)不及增加，汽包中汽壓 bp 下降，汽包膨脹，使汽泡體積增大而水位上升。如圖 23中 2()Ht所示。在開(kāi)始的一段時(shí)間 2()Ht的作用大于 1()Ht。當(dāng)過(guò)了一段時(shí)間后，當(dāng)汽泡容積和負(fù)荷相適應(yīng)而達(dá)到穩(wěn)定后，水位就要反映出物質(zhì)平衡關(guān)系而下降。因此，水位的變化應(yīng)是上述兩者之和，即 12( ) ( ) ( )H t H t H t?? （ 311） 燃料量擾動(dòng) 圖 10 燃料量擾動(dòng)下水位階躍響應(yīng)曲線 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 爐膛熱負(fù)荷擾動(dòng)即是指燃料量 M 的擾動(dòng)。燃料量增加時(shí)，鍋爐吸收更多的熱量，使蒸發(fā)強(qiáng)度增大，如果不調(diào)節(jié)蒸汽閥門(mén)，由于鍋爐出口汽壓提高，蒸汽流量也增大，這時(shí)蒸發(fā)量大于給水量，水位應(yīng)下降。但由于在熱負(fù)荷增加時(shí)蒸發(fā)強(qiáng)度的提高，使汽水混合物中的汽泡容積增加，而且這種現(xiàn)象必然先于蒸發(fā)量增加之前發(fā)生，從而 使汽包水位先上升，從而引起 “虛假水位 ”現(xiàn)象。當(dāng)蒸發(fā)量與燃燒量相適應(yīng)時(shí)，水位便會(huì)迅速下降，這種 “虛假水位 ”現(xiàn)象比蒸汽量擾動(dòng)時(shí)要小一些，但其持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。 其他擾動(dòng) 以上三種擾動(dòng)在鍋爐運(yùn)行中都可能經(jīng)常發(fā)生。但是由于控制通道在給水側(cè)，因此蒸汽流量 D和燃料量 M習(xí)慣上稱為外部擾動(dòng)，它們只影響水位波動(dòng)的幅度。而給水量 G擾動(dòng)在控制系統(tǒng)的閉合回路里產(chǎn)生，一般稱為內(nèi)部擾動(dòng)。因此，汽包水位對(duì)于給水?dāng)_動(dòng)的動(dòng)態(tài)參數(shù)是給水控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)整定的依據(jù)，此外，由于蒸汽流量 D和燃料量 M的變化也是經(jīng)常發(fā)生的外部擾動(dòng)。所以常引入 D、 M信號(hào)作為給水控制系統(tǒng)里的前饋信號(hào)，以改善外部擾動(dòng)時(shí)的控制品質(zhì)。 影響水位的因素除上述之外，還有給水壓力、汽包壓力、汽輪機(jī)調(diào)節(jié)汽門(mén)開(kāi)度、二次風(fēng)分配等。不過(guò)這些因素幾乎都可以用 D、 M、 G 的變化體現(xiàn)出來(lái)。為了保證汽壓的穩(wěn)定，燃料量和蒸發(fā)量必須保持平衡，所以這兩者往往是一起變化的，只是先后的差別 。 系統(tǒng)擾動(dòng)分析 隨著隨著自動(dòng)控制技術(shù)的不斷發(fā)展 ,自動(dòng)化水平的不斷提高 ,計(jì)算機(jī)技術(shù)在自動(dòng)控制領(lǐng)域內(nèi)的廣泛應(yīng)用 ,使自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制范圍越來(lái)越廣 ,控制功能越來(lái)越完善 ,調(diào)節(jié)品質(zhì)及自適應(yīng)能力 越來(lái)越強(qiáng)。但與此同時(shí) ,調(diào)節(jié)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也變得復(fù)雜起來(lái)。較為突出的問(wèn)題之一是系統(tǒng)內(nèi)各種類型的切換增加 ,諸如 :自動(dòng) /軟