【文章內容簡介】 變化曲線為 H1(t)和 H2(t)的合成 H(t)?？梢?，當鍋爐蒸發(fā)量增加時，雖然蒸發(fā)量大于給水量，但在一開始時，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”。當汽水混合物中氣泡 22 容積已與負荷相適應時達到穩(wěn)定，水位就主要決定于物質平衡，因給水量小于蒸發(fā)量，此時水位開始下降。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、爐膛負荷 擾動（燃料量 M 擾動）時水位對象的動態(tài)特性 當燃料量增加△ M 時，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。此時給水量沒變，所以水位應該是下降的。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鍋筒壓力也提高，從而使氣泡體積的增加量減少，因而導致水位上升較少；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 3～ 4 分鐘。 三、給水量（ W）擾動時的水位對象的動態(tài)特性 給水量（鍋爐給水量是它的輸入量，如果蒸汽負荷不變化，那么在給水流量發(fā)生變化時 ， 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?？梢院雎圆挥?，因此式（ 3－ 8）可進一步改寫為 式中ε =Kw/T1—— 反應速度，即給水流量改變單位流量時水位的變化速度，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態(tài)特性由一個積分環(huán)節(jié)和一個一階慣性環(huán)節(jié)所組成，∑、 T2 的數(shù)值可通過實驗測試求得，數(shù)值的大小同鍋爐的結構有關。有些鍋爐當給水量增加時，在較長一段時間里，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）描寫它的動態(tài)特性，誤差較大，這時可選用下面近似計算公式： 式中τ —— 給水流量擾動下的純滯后時間，它的數(shù)值對于不同結構的鍋爐都有差別。 給水量增加△ W 水位的反應曲線如圖 （ 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，因為給水量的焓值較低，當給水量突然增加時，如果熱負荷不變，則省煤器的沸騰率減小，處于省煤器中氣泡的容積減少。因此進入省煤器的給水首先必須填補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)中還有一個比較重要的控制回路 是給水壓力回路，因為汽包內壓力較高，要給鍋爐補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。但在蒸汽流量未達到滿負荷時，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轉，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，具體實現(xiàn)方式是： 系統(tǒng)下達指令由變頻器自動啟動第一臺泵運行，系統(tǒng)檢測給水管的水壓，當變頻器頻率上升到工頻時，如水壓未達到設定的壓力值，系統(tǒng)自動將第一臺電機切換至工頻直供電，并由變頻器拖動第二臺水泵運行，如變頻器運行到 工頻狀態(tài)時供水母管壓力仍未達到設定壓力值系統(tǒng)自動將第二臺水泵切換至工頻直供電，再由變頻器拖動第三臺運行，依次類推，直至壓力達到設定值。若鍋爐需要的給水量減少，變頻控制系統(tǒng)可自動降低變頻器的運行頻率，如變頻器的頻率到零仍不能滿足要求，則變頻器自動切換至前一臺水泵進行變頻運行，依次類推。變頻 25 恒壓供水控制系統(tǒng)的實質是：始終利用一臺變頻器自動調整水泵的轉速，切換時間以管網(wǎng)的實際壓力和設定壓力的差值決定，同時保證管網(wǎng)的壓力動態(tài)恒定。值得注意的是為了防止變頻器報警停機或其他故障造成水泵不轉會引起鍋爐缺水，所以應該加反饋 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)控制除氧器進汽閥。除氧器水位控制主要是為了保證除氧器內有足夠的水提供給鍋爐，這是一個單閉環(huán)控制回路輸入?yún)?shù)，是除氧器水位輸出參數(shù)控制除氧器進水閥。 第 4 章汽包水位控制方案設計 單沖量給水自動調節(jié)系統(tǒng) 單沖量給水自動調節(jié)系統(tǒng)如圖所示。它是連續(xù)給水自動調節(jié)中最簡單的一種型式。水位測量信號經(jīng)變送器送到 水位調節(jié)器，調節(jié)器根據(jù)水位測量值與給定值的偏差去控制給水調節(jié)閥，改變給水量來保持鍋筒水位在允許值范圍內，因為只采用水位做調節(jié)器的信號，故叫單沖量，對于低參數(shù)小容量的工業(yè)鍋爐，因為相對于負荷來說水容較大，所以虛假水位現(xiàn)象不嚴重，對調節(jié)質量的要求又不太高，可以采用單沖量給水自動調節(jié)系統(tǒng)，能夠滿足生產(chǎn)上的要求。調節(jié)器應采用比例積分調節(jié)規(guī)律，因單純比例調節(jié)規(guī)律易從產(chǎn)生水位余差。單沖量給水自動調節(jié)系統(tǒng)如圖 所示。 單沖量給水自動調節(jié)系統(tǒng)存在一定的缺點，因此該系統(tǒng)只根據(jù)水位來調節(jié)給水量。其特點如下： 26 （ 1）在負荷變 化時，由于虛假水位現(xiàn)象，在調節(jié)過程一開始，給水量的變化將與負荷變化的方向相反，擴大了進出流量的不平衡。 （ 2）給水量變化時，因給水量改變后，要經(jīng)過一定遲延時間τ w 才能影響到水位，因此必將導致水位波動幅度大，調節(jié)時間長。 圖 單沖量給水調節(jié)系統(tǒng)原理圖 圖 單沖量給水調節(jié)系統(tǒng)方框圖 、雙沖量給水自動調節(jié)系統(tǒng) 在單沖量水位調節(jié)的基礎上，引進蒸汽流量作為前饋信號，構成雙沖量給水自動調節(jié)系統(tǒng)。所謂前饋調節(jié)就是按擾動變化的大小調節(jié)的系統(tǒng)，調節(jié)作用在擾動發(fā)生的同時就發(fā)生，而不是等到擾動引起被調量發(fā)生變化后才 產(chǎn)生，這就是前饋調節(jié)的主要特點。所以引入蒸汽流量前饋信號可以消除虛假水位對調節(jié)的不良影響。當蒸汽量變化時，就有一個使給水量與蒸汽量同方向變化的信號，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作，使調節(jié)閥一開始就向正確的方向移動。因而大大減小了給水量和水位的波動，縮短了過渡過程的時間。因適當?shù)倪x擇前饋的作用，采用比例規(guī)律的調節(jié)器也可以消除靜態(tài)余差，故雙沖量自動調節(jié)系統(tǒng)中的調節(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，雙水量給水自動調節(jié)能在負荷變化頻繁的情況下較好 的完成水位調節(jié)任務。在給水壓力比較平穩(wěn)時，采用雙沖量調節(jié)是能夠達到調節(jié)要求的。但是調節(jié)作用不能及時反映給水側的擾動。當給水量擾動時，調節(jié)系統(tǒng)等于單沖量調節(jié)。因此，給水母管壓力經(jīng)常有波動，給水調節(jié)閥前后壓差不易保持正常時， 27 不宜采用雙沖量調節(jié)。 、 圖 雙沖量給水控制系統(tǒng)原理圖 圖 雙沖量給水調節(jié)系統(tǒng)方框圖 三沖量給水自動調節(jié)系統(tǒng) 雙沖量控制系統(tǒng)有兩個缺點： (1)調節(jié)閥的工作特性不一定完全是線性，這樣要做到靜態(tài)補償就比較困難； (2)對于給水系統(tǒng)的擾動不能直接補償。為此將引入給水流量信號，構成三沖量 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節(jié)的前饋信號，當蒸汽流量改變時，調節(jié)器立即動作，相應地改變給水流量，而當給水流量自發(fā)地變化時，調節(jié)器也立即動作，使給水流量恢復到原來數(shù)值，這樣就有效控制了虛假水位的影響。給水控制是串級調節(jié)系統(tǒng)，主調節(jié)器接受水位信號，對水位起校正作用，是細調；其輸出作為副調節(jié)器的給定值，副調節(jié)器的被調量是給水流量，目的是快速消除來自給水側的擾動。為了提高給水控制系統(tǒng)的可靠性，汽包水位測 量使用了三個變送器。三個經(jīng)壓力校正后的汽包水位信號取中間值，作為控制系統(tǒng)的被調量，當水位測量信號平均值超 、 過177。 300mm，而且任意兩個水位測量信號越限177。 280mm 時，發(fā)出汽包水位 MFT信號。當給水溫度不變，而壓力在某個范圍變化時，給水流量的測量誤差很小， 28 若給水壓力不變，給水溫度在某個范圍內變化時，給水流量的測量誤差較大，所以對給水流量信號只采取溫度校正。蒸汽流量采用汽機調節(jié)級壓力的測量來表示，調節(jié)級壓力經(jīng)過溫度修正后，可近似代表蒸汽流量測量值。如果采用標準噴嘴測量蒸汽流量，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。當用蒸汽流量轉換出負荷小于 40%時，送至給水控制系統(tǒng)，切換為三沖量調節(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作為被控變量的單回路控制系統(tǒng)，投運和整定與單回路控制系統(tǒng)一樣，但是如果系統(tǒng)參數(shù)設置不能確保物料平衡，則負荷變化時，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)，采用蒸汽流量信號對給水流量進行前饋控 制，當蒸汽 、 負荷突然發(fā)生變化，蒸汽流量信號使給水調節(jié)閥一開始就向正確方向移動，即蒸汽流量增加，給水調節(jié)閥開大，抵消了由于“虛假水位”引起的反向動作，因而減小了水位和給水流量的波動幅度。當由于水壓干擾使給水流量改變時，調節(jié)器能迅速消除干擾。如給水流量減少，調節(jié)立即根據(jù)給水流量減少的信號，開大給水閥門，使給水量保持不變。另外，給水流量信號也是調節(jié)器動作后的反饋信號，能使調節(jié)器及早知道控制的效果，所以三沖量給水控制系統(tǒng)，調節(jié)器動作快，還可以避免調節(jié)過頭，減少波動和失控。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； fD—— 蒸汽擾動信號； fW—— 給水擾動信號 從系統(tǒng)組成方框圖可以看出，三沖量水位控制系統(tǒng)有兩個閉合回路：（ 1）是由給水流量 W、給水分流器、調節(jié)器、調節(jié)閥組成的內回路；（ 2）由汽包水位對象和內回路構成的主回路。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質是前饋加反饋的控制系統(tǒng)。三沖量給水單級控制系統(tǒng)的特點是：控制系統(tǒng)所用的設備少，結構簡單，給水流量調節(jié)動作平穩(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，三沖量給水單級控制系統(tǒng)的靜態(tài)特性不僅和調節(jié)器的動作規(guī)律有關，還取決于信號之間的靜態(tài)配合關系，當 aD 不等于 aW時，控制系統(tǒng)會有靜差存在，為了克服這一缺點， 、 常采用三沖量串級控制系統(tǒng)。關于蒸汽流量分流系數(shù) aD 的選擇問題：蒸汽流量信號不在控制系統(tǒng)閉合回路之內，因此它的大小不影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。蒸汽流量信號的大小原則上可以這樣來確定，當蒸汽流量發(fā)生擾動時，就利用這個擾動信號作為控制信號，通過調整 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)—— 給水流量擾動下汽包水位的傳遞函數(shù)； WD(S)—— 蒸汽流量擾動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 給水流量串級控制系統(tǒng)三沖量控制方案Ⅱ方案 三沖量給水串級控制系統(tǒng)如圖 所示，它相當于前饋加串級的控制系統(tǒng)。主信號汽包水位 H 接入主調節(jié)器 PI*，副調節(jié)器輸入主調節(jié)器的輸出信號以及前饋信號蒸汽流量 D 與反饋信號給水流量 W。由于副調節(jié)器接三個信號，因此也存在信號間的配合問 題。但是，系統(tǒng)的靜態(tài)特性主要決定于主調節(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*—— 主調節(jié)器； PI—— 副調節(jié)器； CF—— 伺服放大器； SD—— 執(zhí)行器 給水串級控制系統(tǒng)的特點是：汽包水位偏差△ H 可以由主調節(jié)器來校正。理論上講，由于主調節(jié)器是 PI*調節(jié)器，所以汽包水位 H 可實現(xiàn)無差調節(jié)。主調節(jié)器的整定參數(shù)是控制系統(tǒng)的主要整定參數(shù)，副調節(jié)器的整定參數(shù)則跟給水單級 控制系統(tǒng)相同。 圖 三沖量給水串級控制系統(tǒng)方框圖 31 Ho—— 給定值； H—— 水位輸出信號； 、 fD—— 蒸汽擾動信號； fw—— 給水擾動信號；根據(jù)工藝安全性要求，為確保汽包在故障出現(xiàn)時不至于干鍋，給水調節(jié)閥應采用反作用執(zhí)機器，當輸入信號增加時，閥門開度減小?？刂圃頌椋寒斀o水流量由于擾動而增加時，副調節(jié)器根據(jù) PID參數(shù)進行運算，應增大輸出，使調節(jié)閥開度減少，克服干擾，所以副控制器應選擇正作用方式。根據(jù)工藝指標，主調節(jié)器給出設定值，當變送器測量的汽包水位高于設定值時，主調節(jié)器根據(jù) PID 參數(shù)進行運算，應減少輸出 使輸入副調節(jié)器的給定信號減小，由于給水流量暫時未變，副調節(jié)器輸出增大，調節(jié)閥隨之減小開度，因此，給水流量減小，水位降低