【文章內(nèi)容簡介】 案選擇 鍋爐汽包水位控制對象的基本特性 工業(yè)鍋爐的汽水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 31 所示。 4 圖 31工業(yè)鍋爐汽水結(jié)構(gòu) 1— 給水母管； 2— 調(diào)節(jié)閥； 3— 省煤器； 4— 汽包； 5— 下 水管； 6— 上升管； 7— 過熱器； 8— 蒸汽母管 汽包及蒸發(fā)管系中貯藏著蒸汽和水，貯藏量的多少是以被控制量水位表征的，汽包的流入量是給水量，流出量是蒸汽量，當(dāng)給水量等于蒸汽量時，汽包水位就恒定不變。引起水位變化的主要擾動就是蒸汽流量的變化和給水流量的變化。如果只考慮主要擾動 那么，汽包水位對象的動態(tài)特性可用方程式表示為： 21 2 12 ( ) ( )wdw w w d d dd v d vd k d kT T T T k v T k vd t d t d t d t? ? ? ? ? （公式 1） 式中 1T 、 2T 時間常數(shù)， wT 給水流量項時間常數(shù)， dT 蒸汽流量項時間常數(shù)， wK 給水流量項放大系數(shù)， DK 蒸汽流量項放大系數(shù)。 汽包水位在給水流量擾動下的動態(tài)特性 給水流量對水位的影響，即控制通道的動態(tài)特性。把汽包和給水看作單容無自衡對象，水位響應(yīng)曲線應(yīng)為一條直線。但由于給水溫度比汽包內(nèi)飽和水的溫度低，所以給水量變化后，使汽包內(nèi)氣泡含量減少， 導(dǎo)致水位下降。即當(dāng)突然加大給水量后，汽包水位一開始并不增加而要呈現(xiàn)一段起始慣性段 [3]。 圖 311 所示是給水流量作用下，水位的階躍響應(yīng)曲線。把汽包和給水看作單容量無自衡過程，水位階躍響應(yīng)曲線如圖中 H1 線 。 1 2 3 4 5 6 7 8 5 圖 311 汽包水位在給水流量擾動下的階躍響應(yīng)曲線 但是由于給水溫度比汽包內(nèi)飽和水的溫度低，所以給水流量增加后，從原有飽和水中吸取部分熱量。這使得水位下汽包容積有所減少，使水位下降，單考慮這個因數(shù)，水位的變化如圖中曲線 H2，相當(dāng)于一個慣性環(huán)節(jié)，實際上水位 H的響應(yīng)為 H1與 H2的和。當(dāng)水位下汽包容積的 變化過程逐漸平衡時，水位變化就完全反映了由于汽包中儲水量的增加而逐漸上升。最后當(dāng)水位下汽包容積不再變化時，水位變化就完全反映了由于儲水量的增加而直線上升。因此，實際水位曲線如圖 2中 H線。即當(dāng)給水量作階躍變化后，汽包水位一開始不立即增加，而是呈現(xiàn)出一段起始慣性段。用傳遞函數(shù)來描述時，它近似于一個積分環(huán)節(jié)和時滯環(huán)節(jié)的串聯(lián)。可表示為： ()() ( ) 1 (1 )ow HsWs W s s s s s? ?? ???? ? ? ??? 式中 ? :遲延時間 (s)。 ? :響應(yīng)速度，即給水流量改變一個單位流量時。 汽包水位在蒸汽負荷擾動下的動態(tài)特性 蒸汽負荷（蒸汽流量）對水位的影響，即干擾通道的動態(tài)特性 在蒸汽流量擾動下，水位響應(yīng)曲線如圖 312。從圖上可以看出，在燃燒不變的情況下，蒸汽用量突然增加，瞬時間必然導(dǎo)致汽包壓力下降，汽包內(nèi)水的沸騰突然加劇，水中氣泡迅速增加，將整個水位抬高，形成虛假的水位上升現(xiàn)象，即所謂 “虛假水位”現(xiàn)象。 “虛假水位”是由兩個原因造成的： （ 1） 由于鍋爐蒸汽負荷增加，使?fàn)t管和汽包中汽水混合物的汽、水比例發(fā)生變化（汽容 積增加）而引起汽包水位上升，這是引起汽包“虛假水位”的主要原因。 （ 2） 蒸汽流量增加，汽包氣壓下降，爐水沸點下降，由于爐水為飽和水的汽化，使汽包水位隨壓力下降而升高。 △ WWo 6 圖 312汽包水位在蒸汽負荷擾動下的階躍響應(yīng)曲線 當(dāng)蒸汽流量 D突然增加時，從鍋爐的物料平衡關(guān)系來看，蒸汽量 D大于給水量 W，水位應(yīng)下降，如圖中直線 H1所示。但實際情況并非這樣，由于蒸汽用量的增加，瞬間必然導(dǎo)致汽包壓力的下降。汽包內(nèi)的水沸騰突然加劇，水中汽包迅速增加，由于汽包容積增加而使 水位變化的曲線如圖 312 中 H2所示。而實際顯示的水位響應(yīng)曲線 H 為 H1+H2。從圖上可以看出，當(dāng)蒸汽負荷增加時，雖然鍋爐的給水量小于蒸發(fā)量，但在一開始時，水位不僅不下降，反而迅速上升，然后在下降（反之，蒸汽流量突然減少時，則水位先下降，然后上升）這種現(xiàn)象稱之為“虛假水位”。 應(yīng)該指出：當(dāng)負荷變化時，水位下汽包容積變化而引起水位的變化速度是很快的，圖中 H2 的時間常數(shù)只有 10~20S。蒸汽流量擾動時，水位變化的動態(tài)特性可用函數(shù)表示為： 22()() ( ) 1OD kHsWs D s T s s?? ? ?? 式中， 2T :曲線 2的時間常數(shù) 2k :曲線 2的放大系數(shù) ? :曲線 1 的響應(yīng)速度 “虛假水位”變化的幅度與鍋爐的工作壓力和蒸發(fā)量有關(guān)。例如，一般１００～２００ t/h 的中高壓鍋爐，當(dāng)負荷變化１０％時，“虛假水位”可達３０～４０ mm。“虛假水位”現(xiàn)象屬于反向特性，其變化與鍋爐的氣壓和蒸發(fā)量的變化的大小有關(guān)，而與給水流量無關(guān) [4]。 燃料量擾動下汽包水位的動態(tài) 特性 汽包水位在燃料量Ｂ擾動下的響應(yīng)曲線如圖 313 所示，當(dāng)燃料量增加時，鍋爐的吸熱量增加，蒸發(fā)強度增大。如果氣輪機側(cè)的用汽量不加調(diào)節(jié)，則隨著汽包壓力的增高，汽包輸出蒸汽量也將增加，于是蒸發(fā)量大于給水量，暫時產(chǎn)生了汽包進出口工質(zhì)流量的不平衡。由于水面下的蒸汽容積增大，此時也會出現(xiàn)虛假水位現(xiàn)象，但由于燃燒率的增 7 加也將氣量Ｄ緩慢增加，故虛假水位現(xiàn)象要比Ｄ擾動下緩和得多 [5]。 △ B 圖 313 汽包水位在燃燒率擾動下的階躍響應(yīng)曲線 鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)及控制方案選擇 單沖量水位控制系統(tǒng) 單沖量水位控制系統(tǒng)是以汽包水位測量信號為唯一的控制信號，即水位測量信號經(jīng)變送器送到水位調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器根據(jù)汽包水位測量值與給定值的偏差去控制給水調(diào)節(jié)閥，改變給水量以保持汽包水位在允許范圍內(nèi)。單沖量水位控制系統(tǒng)，是汽包水位控制系統(tǒng)中最簡單最基本的一種形式 [6]。 圖 321單沖量水位控制系統(tǒng) 如圖 321所示是單沖量變量水位控制系統(tǒng)。單沖量即汽包水位。這種控制結(jié)構(gòu)簡單，是單回路定制控制系統(tǒng)，在汽包內(nèi)水的停留時間較長，負荷又比較穩(wěn)定的場合下 再配上一些鎖報警裝置就可以安全操作。 8 然而，在停留時間較短，負荷變化較大時，采用單沖量水位控制系統(tǒng)就不能適用。這是由于：①負荷變化時產(chǎn)生的“虛假水位“將使調(diào)節(jié)器反向錯誤動作，負荷增大時反向關(guān)小給水調(diào)節(jié)閥，一到閃急汽化平息下來，將使水位嚴(yán)重下降，波動厲害，動態(tài)品質(zhì)很差。②負荷變化時，控制作用緩慢。即使”虛假水位“現(xiàn)象不嚴(yán)重，從負荷變化到水位下降要有一個過程，再有水位變化到閥動作已滯后一段時間。如果水位過程時間常數(shù)很小，偏差必然相當(dāng)顯著。 雙沖量水位控制系統(tǒng) 雙沖量水位控制系統(tǒng)是在單沖量水位控制系統(tǒng)的 基礎(chǔ)上加入了以蒸汽流量信號為前饋信號的鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)。如圖 322，由于引入了蒸汽流量前饋信號，當(dāng)蒸汽量變化時，就有一個與蒸汽量同方向變化的給水流量信號，可以減少或抵消由于“虛假液位”現(xiàn)象而使給水量與蒸汽量相反方向變化的錯誤動作。使調(diào)節(jié)閥一開始就向正確的方向動作。因而能極大的減小給水量和水位的波動，縮短過度過程時 間。 ∑ 圖 322 雙沖量控制系統(tǒng) 雙沖量控制由于有以上特點，所以能在負荷頻繁變化的工程下較好的完成水位控制任務(wù)。在給水流量比 較平穩(wěn)時，采用雙沖量控制是能夠達到控制要求的。 雙沖量水位控制系統(tǒng)存在的問題是：控制作用不能及時的反映給水方面的擾動，當(dāng)給水量發(fā)生擾動時，要等到汽包水位變化時才通過調(diào)節(jié)器作用執(zhí)行器進行調(diào)節(jié)，滯后時間長，水位波動較大。因此，如果給水母管壓力經(jīng)常有波動，給水調(diào)節(jié)閥前后壓差不能保持正常時，不宜采用雙沖量控制。 三沖量水位控制系統(tǒng) 三沖量控制系統(tǒng)，以汽包水位為主控制信號，蒸汽流量為前饋控制信號，給水流量 9 為反饋控制信號組成的控制系統(tǒng)。三沖量水位控制系統(tǒng)組成原理圖如圖 323。 圖 323三沖量控制 系統(tǒng) 現(xiàn)代工業(yè)鍋爐都向著大容量高參數(shù)的方向發(fā)展，一般鍋爐容量越大，汽包的容水量就相對越小，允許波動的蓄水量就更少。如果給水中斷，可能在很短的時間內(nèi)就會發(fā)生危險水位；如果僅是給水量和蒸汽量不相適應(yīng)，也可能在幾分鐘呢出現(xiàn)缺水和滿水事故，這樣對汽包水位要求就更高了。三沖量控制系統(tǒng)，采用蒸汽流量信號對給水流量進行前饋控制，當(dāng)蒸汽負荷忽然變化時，蒸汽流量信號使給水調(diào)節(jié)閥一開始就向正確方向移動，即蒸汽流量增加，給水調(diào)節(jié)閥開大，抵消了“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(dāng)由于水壓干擾使給水流量 改變時，調(diào)節(jié)器能迅速消除干擾。如給水流量減少，調(diào)節(jié)器立即根據(jù)給水流量減小的信號，開大給水閥門，使給水流量保持不變。 三沖量模糊水位控制系統(tǒng) 由常規(guī)控制理論的局限性和模糊控制理論的特點可以看出，對于存在精確數(shù)學(xué)模型的自動控制系統(tǒng)，常規(guī)控制理論發(fā)揮了巨大的作用，并取得了令人滿意的控制效果。但在實際系統(tǒng)中，工業(yè)生產(chǎn)過程是極其復(fù)雜的，無法得到描述這些過程的數(shù)學(xué)模型，盡管通過各種測試手段及數(shù)據(jù)處理方法獲得數(shù)學(xué)模型，但也很難得到確切描述