【文章內(nèi)容簡介】 變化曲線為 H1(t)和 H2(t)的合成 H(t)?？梢?，當(dāng)鍋爐蒸發(fā)量增加時(shí)，雖然蒸發(fā)量大于給水量，但在一開始時(shí)，水位不僅沒有下降，反而迅速上升，這是由于氣泡體積迅速增加之故，這種現(xiàn)象稱為“虛假水位”。當(dāng)汽水混合物中氣泡 22 容積已與負(fù)荷相適應(yīng)時(shí)達(dá)到穩(wěn)定，水位就主要決定于物質(zhì)平衡，因給水量小于蒸發(fā)量，此時(shí)水位開始下降。圖中的τ D 是由“虛假水位”所造成的遲延，其大小決定于鍋爐的特性。 二、爐膛負(fù)荷 擾動(dòng)（燃料量 M 擾動(dòng)）時(shí)水位對象的動(dòng)態(tài)特性 當(dāng)燃料量增加△ M 時(shí)，鍋爐將吸收更多的燃量，蒸汽量增加，如果主汽閥門開度不變，鍋爐出口汽壓將提高，蒸汽輸出量也將增加。此時(shí)給水量沒變，所以水位應(yīng)該是下降的。但是由于汽水混合物中氣泡體積增大，因此也出現(xiàn)“虛假水位”現(xiàn)象，水位開始上升，然后下降，如圖 （ b）所示。它與圖 （ a）很相似，但水位上升的較少，而遲延τ M 較大，這是由于燃料量增加使蒸汽量增加的同時(shí)鍋筒壓力也提高，從而使氣泡體積的增加量減少，因而導(dǎo)致水位上升較少；另一方面隨燃料量的增加而增加的蒸汽量有較大慣性 和遲延，如圖 （ b）中的虛線所示。τ M 可達(dá) 3～ 4 分鐘。 三、給水量（ W）擾動(dòng)時(shí)的水位對象的動(dòng)態(tài)特性 給水量（鍋爐給水量是它的輸入量，如果蒸汽負(fù)荷不變化，那么在給水流量發(fā)生變化時(shí) ， 汽包水位對象的微分方程可以表示為： 經(jīng)拉氏變換后可得： 從式（ 3－ 7）可方便地得到汽包水位在給水流量作用下的傳遞函數(shù)為： 23 對于中壓鍋爐，上式中 TW 的數(shù)值很小，常常可以忽略不計(jì)，因此式（ 3－ 8）可進(jìn)一步改寫為 式中ε =Kw/T1—— 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，mm/s(t/h)。 Vw—— 蒸發(fā) 面以下的水容積（ m179。）； 從式（ 3－ 9）可知，汽包水位在給水流量作用下的動(dòng)態(tài)特性由一個(gè)積分環(huán)節(jié)和一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)所組成，∑、 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（ 3－ 9）描寫它的動(dòng)態(tài)特性，誤差較大，這時(shí)可選用下面近似計(jì)算公式： 式中τ —— 給水流量擾動(dòng)下的純滯后時(shí)間，它的數(shù)值對于不同結(jié)構(gòu)的鍋爐都有差別。 給水量增加△ W 水位的反應(yīng)曲線如圖 （ c）所示。圖中曲線 1 是鍋爐采用沸騰式省煤器情 況下的水位特性，曲線 2 是鍋爐采用非沸騰式省煤器情況下的水 24 位特性。 采用沸騰式省煤器，使水位特性的遲延和慣性大為增加，因?yàn)榻o水量的焓值較低，當(dāng)給水量突然增加時(shí)，如果熱負(fù)荷不變，則省煤器的沸騰率減小，處于省煤器中氣泡的容積減少。因此進(jìn)入省煤器的給水首先必須填補(bǔ)省煤器中的氣泡減少所讓出的空間，所以水位下降，直到過了τ w1 以后，才能使省煤器流入鍋筒的水量增加，水位才開始上升。τ w1 約為 100～ 200 秒。非沸騰式省煤器τ w2，約為 30～ 100 秒。 給水壓力控制 鍋爐給水系統(tǒng)中還有一個(gè)比較重要的控制回路 是給水壓力回路，因?yàn)槠鼉?nèi)壓力較高，要給鍋爐補(bǔ)水必須提供更高的壓力，給水壓力回路的作用是提高水壓，使水能夠正常注入汽包。但在蒸汽流量未達(dá)到滿負(fù)荷時(shí)，對給水流量的要求也不高。在老式的鍋爐系統(tǒng)中一般采用給水泵一直以工頻方式運(yùn)轉(zhuǎn)，用回流閥降低水壓防止爆管，現(xiàn)在一般采用通過變頻器恒壓供水的方式控制水壓，具體實(shí)現(xiàn)方式是： 系統(tǒng)下達(dá)指令由變頻器自動(dòng)啟動(dòng)第一臺(tái)泵運(yùn)行，系統(tǒng)檢測給水管的水壓，當(dāng)變頻器頻率上升到工頻時(shí)，如水壓未達(dá)到設(shè)定的壓力值，系統(tǒng)自動(dòng)將第一臺(tái)電機(jī)切換至工頻直供電，并由變頻器拖動(dòng)第二臺(tái)水泵運(yùn)行，如變頻器運(yùn)行到 工頻狀態(tài)時(shí)供水母管壓力仍未達(dá)到設(shè)定壓力值系統(tǒng)自動(dòng)將第二臺(tái)水泵切換至工頻直供電，再由變頻器拖動(dòng)第三臺(tái)運(yùn)行，依次類推，直至壓力達(dá)到設(shè)定值。若鍋爐需要的給水量減少，變頻控制系統(tǒng)可自動(dòng)降低變頻器的運(yùn)行頻率，如變頻器的頻率到零仍不能滿足要求，則變頻器自動(dòng)切換至前一臺(tái)水泵進(jìn)行變頻運(yùn)行，依次類推。變頻 25 恒壓供水控制系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)是：始終利用一臺(tái)變頻器自動(dòng)調(diào)整水泵的轉(zhuǎn)速，切換時(shí)間以管網(wǎng)的實(shí)際壓力和設(shè)定壓力的差值決定，同時(shí)保證管網(wǎng)的壓力動(dòng)態(tài)恒定。值得注意的是為了防止變頻器報(bào)警停機(jī)或其他故障造成水泵不轉(zhuǎn)會(huì)引起鍋爐缺水，所以應(yīng)該加反饋 裝置確保變頻器正常工作。 除此之外鍋爐的供水系統(tǒng)中還包括除氧器壓力控制和除氧器水位控制，除氧器壓力控制主要是為了保證除氧器口有足夠的蒸汽壓力用于將軟化水除氧，這是一個(gè)單閉環(huán)控制回路，輸入?yún)?shù)是除氧器壓力輸出參數(shù)控制除氧器進(jìn)汽閥。除氧器水位控制主要是為了保證除氧器內(nèi)有足夠的水提供給鍋爐，這是一個(gè)單閉環(huán)控制回路輸入?yún)?shù)，是除氧器水位輸出參數(shù)控制除氧器進(jìn)水閥。 第 4 章汽包水位控制方案設(shè)計(jì) 單沖量給水自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng) 單沖量給水自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)如圖所示。它是連續(xù)給水自動(dòng)調(diào)節(jié)中最簡單的一種型式。水位測量信號(hào)經(jīng)變送器送到 水位調(diào)節(jié)器，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調(diào)節(jié)閥，改變給水量來保持鍋筒水位在允許值范圍內(nèi)，因?yàn)橹徊捎盟蛔稣{(diào)節(jié)器的信號(hào)，故叫單沖量，對于低參數(shù)小容量的工業(yè)鍋爐，因?yàn)橄鄬τ谪?fù)荷來說水容較大，所以虛假水位現(xiàn)象不嚴(yán)重，對調(diào)節(jié)質(zhì)量的要求又不太高，可以采用單沖量給水自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，能夠滿足生產(chǎn)上的要求。調(diào)節(jié)器應(yīng)采用比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律，因單純比例調(diào)節(jié)規(guī)律易從產(chǎn)生水位余差。單沖量給水自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)如圖 所示。 單沖量給水自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)存在一定的缺點(diǎn)，因此該系統(tǒng)只根據(jù)水位來調(diào)節(jié)給水量。其特點(diǎn)如下： 26 （ 1）在負(fù)荷變 化時(shí)，由于虛假水位現(xiàn)象，在調(diào)節(jié)過程一開始，給水量的變化將與負(fù)荷變化的方向相反，擴(kuò)大了進(jìn)出流量的不平衡。 （ 2）給水量變化時(shí)，因給水量改變后，要經(jīng)過一定遲延時(shí)間τ w 才能影響到水位，因此必將導(dǎo)致水位波動(dòng)幅度大，調(diào)節(jié)時(shí)間長。 圖 單沖量給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理圖 圖 單沖量給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)方框圖 、雙沖量給水自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng) 在單沖量水位調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，引進(jìn)蒸汽流量作為前饋信號(hào)，構(gòu)成雙沖量給水自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。所謂前饋調(diào)節(jié)就是按擾動(dòng)變化的大小調(diào)節(jié)的系統(tǒng)，調(diào)節(jié)作用在擾動(dòng)發(fā)生的同時(shí)就發(fā)生，而不是等到擾動(dòng)引起被調(diào)量發(fā)生變化后才 產(chǎn)生，這就是前饋調(diào)節(jié)的主要特點(diǎn)。所以引入蒸汽流量前饋信號(hào)可以消除虛假水位對調(diào)節(jié)的不良影響。當(dāng)蒸汽量變化時(shí)，就有一個(gè)使給水量與蒸汽量同方向變化的信號(hào)，可以減小或抵消由于虛假水位現(xiàn)象而使給水量與蒸汽量相反方向變化的誤動(dòng)作，使調(diào)節(jié)閥一開始就向正確的方向移動(dòng)。因而大大減小了給水量和水位的波動(dòng)，縮短了過渡過程的時(shí)間。因適當(dāng)?shù)倪x擇前饋的作用，采用比例規(guī)律的調(diào)節(jié)器也可以消除靜態(tài)余差，故雙沖量自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)器可用比例規(guī)律也可用比例積分規(guī)律。（如圖 ） 以上的分析可見，雙水量給水自動(dòng)調(diào)節(jié)能在負(fù)荷變化頻繁的情況下較好 的完成水位調(diào)節(jié)任務(wù)。在給水壓力比較平穩(wěn)時(shí)，采用雙沖量調(diào)節(jié)是能夠達(dá)到調(diào)節(jié)要求的。但是調(diào)節(jié)作用不能及時(shí)反映給水側(cè)的擾動(dòng)。當(dāng)給水量擾動(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)等于單沖量調(diào)節(jié)。因此，給水母管壓力經(jīng)常有波動(dòng)，給水調(diào)節(jié)閥前后壓差不易保持正常時(shí)， 27 不宜采用雙沖量調(diào)節(jié)。 、 圖 雙沖量給水控制系統(tǒng)原理圖 圖 雙沖量給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)方框圖 三沖量給水自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng) 雙沖量控制系統(tǒng)有兩個(gè)缺點(diǎn)： (1)調(diào)節(jié)閥的工作特性不一定完全是線性，這樣要做到靜態(tài)補(bǔ)償就比較困難； (2)對于給水系統(tǒng)的擾動(dòng)不能直接補(bǔ)償。為此將引入給水流量信號(hào)，構(gòu)成三沖量 控制系統(tǒng)。 三沖量的定義 所謂三沖量，就是指汽包水位、蒸汽流量和給水流量。蒸汽流量和給水流量是引起水位變化的原因，蒸汽流量作為水位調(diào)節(jié)的前饋信號(hào)，當(dāng)蒸汽流量改變時(shí)，調(diào)節(jié)器立即動(dòng)作，相應(yīng)地改變給水流量，而當(dāng)給水流量自發(fā)地變化時(shí)，調(diào)節(jié)器也立即動(dòng)作，使給水流量恢復(fù)到原來數(shù)值，這樣就有效控制了虛假水位的影響。給水控制是串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，主調(diào)節(jié)器接受水位信號(hào)，對水位起校正作用，是細(xì)調(diào)；其輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定值，副調(diào)節(jié)器的被調(diào)量是給水流量，目的是快速消除來自給水側(cè)的擾動(dòng)。為了提高給水控制系統(tǒng)的可靠性，汽包水位測 量使用了三個(gè)變送器。三個(gè)經(jīng)壓力校正后的汽包水位信號(hào)取中間值，作為控制系統(tǒng)的被調(diào)量，當(dāng)水位測量信號(hào)平均值超 、 過177。 300mm，而且任意兩個(gè)水位測量信號(hào)越限177。 280mm 時(shí)，發(fā)出汽包水位 MFT信號(hào)。當(dāng)給水溫度不變，而壓力在某個(gè)范圍變化時(shí)，給水流量的測量誤差很小， 28 若給水壓力不變，給水溫度在某個(gè)范圍內(nèi)變化時(shí)，給水流量的測量誤差較大，所以對給水流量信號(hào)只采取溫度校正。蒸汽流量采用汽機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)壓力的測量來表示，調(diào)節(jié)級(jí)壓力經(jīng)過溫度修正后，可近似代表蒸汽流量測量值。如果采用標(biāo)準(zhǔn)噴嘴測量蒸汽流量，一方面在高溫高壓下節(jié)流噴嘴容易 磨損，檢修維護(hù)也困難，測量誤差較大，另一方面節(jié)流損失也大，一般不采用此種方法。當(dāng)用蒸汽流量轉(zhuǎn)換出負(fù)荷小于 40%時(shí)，送至給水控制系統(tǒng)，切換為三沖量調(diào)節(jié)汽包水位。 三沖量控制方案Ⅰ —— 前饋 (蒸汽流量 )加反饋 (液位，給水流量 )控制系統(tǒng)三沖量控制方案Ⅰ 該系統(tǒng)可看作三沖量的綜合信號(hào)作為被控變量的單回路控制系統(tǒng)，投運(yùn)和整定與單回路控制系統(tǒng)一樣，但是如果系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置不能確保物料平衡，則負(fù)荷變化時(shí)，水位將有余差。 圖 三沖量水位單回路控制系統(tǒng)原理圖三沖量汽包給水控制系統(tǒng)，采用蒸汽流量信號(hào)對給水流量進(jìn)行前饋控 制，當(dāng)蒸汽 、 負(fù)荷突然發(fā)生變化，蒸汽流量信號(hào)使給水調(diào)節(jié)閥一開始就向正確方向移動(dòng)，即蒸汽流量增加，給水調(diào)節(jié)閥開大，抵消了由于“虛假水位”引起的反向動(dòng)作，因而減小了水位和給水流量的波動(dòng)幅度。當(dāng)由于水壓干擾使給水流量改變時(shí)，調(diào)節(jié)器能迅速消除干擾。如給水流量減少，調(diào)節(jié)立即根據(jù)給水流量減少的信號(hào)，開大給水閥門，使給水量保持不變。另外，給水流量信號(hào)也是調(diào)節(jié)器動(dòng)作后的反饋信號(hào)，能使調(diào)節(jié)器及早知道控制的效果，所以三沖量給水控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)器動(dòng)作快，還可以避免調(diào)節(jié)過頭，減少波動(dòng)和失控。這樣，汽包水位就很少受到影響。 29 圖 三沖量水位單回路控制系統(tǒng)方框圖 Ho—— 給定值； H—— 水位輸出信號(hào)； fD—— 蒸汽擾動(dòng)信號(hào)； fW—— 給水?dāng)_動(dòng)信號(hào) 從系統(tǒng)組成方框圖可以看出，三沖量水位控制系統(tǒng)有兩個(gè)閉合回路：（ 1）是由給水流量 W、給水分流器、調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥組成的內(nèi)回路；（ 2）由汽包水位對象和內(nèi)回路構(gòu)成的主回路。蒸汽流量 D 及其蒸汽分流器均在閉合回路之外，它的引入可以改善控制質(zhì)量，但不影響閉合回路工作的穩(wěn)定性。所以三沖量控制的實(shí)質(zhì)是前饋加反饋的控制系統(tǒng)。三沖量給水單級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是：控制系統(tǒng)所用的設(shè)備少，結(jié)構(gòu)簡單，給水流量調(diào)節(jié)動(dòng)作平穩(wěn)，整定 方法易于掌握，一般情況下能滿足鍋爐生產(chǎn)控制的要求。但是，三沖量給水單級(jí)控制系統(tǒng)的靜態(tài)特性不僅和調(diào)節(jié)器的動(dòng)作規(guī)律有關(guān)，還取決于信號(hào)之間的靜態(tài)配合關(guān)系，當(dāng) aD 不等于 aW時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)有靜差存在，為了克服這一缺點(diǎn)， 、 常采用三沖量串級(jí)控制系統(tǒng)。關(guān)于蒸汽流量分流系數(shù) aD 的選擇問題：蒸汽流量信號(hào)不在控制系統(tǒng)閉合回路之內(nèi)，因此它的大小不影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。蒸汽流量信號(hào)的大小原則上可以這樣來確定，當(dāng)蒸汽流量發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，就利用這個(gè)擾動(dòng)信號(hào)作為控制信號(hào)，通過調(diào)整 aD 使水位變化很小或者基本不變。這樣就要求：aWD(S)=DWw(S)aW aD=aW WD(S)Ww(S) 30 式中 Ww(S)—— 給水流量擾動(dòng)下汽包水位的傳遞函數(shù)； WD(S)—— 蒸汽流量擾動(dòng)下汽包水位的傳遞函數(shù)； aD、 aw—— 蒸汽流量和給水流量的分流系數(shù)。 三沖量控制方案Ⅱ —— 蒸汽流量前饋 給水流量串級(jí)控制系統(tǒng)三沖量控制方案Ⅱ方案 三沖量給水串級(jí)控制系統(tǒng)如圖 所示，它相當(dāng)于前饋加串級(jí)的控制系統(tǒng)。主信號(hào)汽包水位 H 接入主調(diào)節(jié)器 PI*，副調(diào)節(jié)器輸入主調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)以及前饋信號(hào)蒸汽流量 D 與反饋信號(hào)給水流量 W。由于副調(diào)節(jié)器接三個(gè)信號(hào)，因此也存在信號(hào)間的配合問 題。但是，系統(tǒng)的靜態(tài)特性主要決定于主調(diào)節(jié)器，就不一定要求aD 和 aw 非相等不可， aD 可以根據(jù)“虛假水位”的具體情況來選定。 、 圖 三沖量給水串級(jí)控制系統(tǒng)示意圖 DBC—— 差壓變送器； DJK—— 開方器； aD、 aW —— 分流器； PI*—— 主調(diào)節(jié)器； PI—— 副調(diào)節(jié)器； CF—— 伺服放大器； SD—— 執(zhí)行器 給水串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是：汽包水位偏差△ H 可以由主調(diào)節(jié)器來校正。理論上講，由于主調(diào)節(jié)器是 PI*調(diào)節(jié)器，所以汽包水位 H 可實(shí)現(xiàn)無差調(diào)節(jié)。主調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)是控制系統(tǒng)的主要整定參數(shù)，副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)則跟給水單級(jí) 控制系統(tǒng)相同。 圖 三沖量給水串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖 31 Ho—— 給定值； H—— 水位輸出信號(hào)； 、 fD—— 蒸汽擾動(dòng)信號(hào)； fw—— 給水?dāng)_動(dòng)信號(hào)；根據(jù)工藝安全性要求，為確保汽包在故障出現(xiàn)時(shí)不至于干鍋，給水調(diào)節(jié)閥應(yīng)采用反作用執(zhí)機(jī)器，當(dāng)輸入信號(hào)增加時(shí)，閥門開度減小?？刂圃頌椋寒?dāng)給水流量由于擾動(dòng)而增加時(shí)，副調(diào)節(jié)器根據(jù) PID參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，應(yīng)增大輸出，使調(diào)節(jié)閥開度減少，克服干擾，所以副控制器應(yīng)選擇正作用方式。根據(jù)工藝指標(biāo)，主調(diào)節(jié)器給出設(shè)定值，當(dāng)變送器測量的汽包水位高于設(shè)定值時(shí)，主調(diào)節(jié)器根據(jù) PID 參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，應(yīng)減少輸出 使輸入副調(diào)節(jié)器的給定信號(hào)減小，由于給水流量暫時(shí)未變，副調(diào)節(jié)器輸出增大，調(diào)節(jié)閥隨之減小開度，因此，給水流量減小，水位降低