【正文】 環(huán)節(jié)特性來描述，如圖43中曲線H2所示，實際的水位變化曲線H則為H1和H2的合成。由圖43中可以看出，當鍋爐蒸汽負荷變化時，汽包水位的變化圖43蒸汽流量階躍擾動下具有特殊的形式：在負荷突然增加時，雖然鍋爐的給水流量小于蒸發(fā)量，但開始階段的水位不僅不下降，反而迅速上升(反之，當負荷突然減少時，水位反而先下降)，這種現(xiàn)象稱為“虛假水位”現(xiàn)象。這顯然是因為在負荷變化的初始階段，水面下汽泡的體積變化很快，它對水位的變化起主要影響作用，因此水位隨汽泡體積增大而上升。只有當汽泡容積與負荷適應而不再變化時，水位的變化就僅由物質(zhì)平衡關系來決定，這時水位就隨負荷增大而下降，呈無自平衡特性。蒸汽流量擾動下的水位響應特性可用下述近似傳遞函數(shù)來描述： (44)式中 ——H2曲線的時間常數(shù)； ——H2曲線的放大系數(shù)； ——Hl曲線的響應速度。上面所述的蒸汽流量擾動下的水位控制對象動態(tài)特性，只是從蒸發(fā)強度變化對汽泡容積的影響方面定性地說明水位變化的特點。實際上，改變汽輪機的用汽量引起的蒸汽流量的階躍擾動，必定引起汽壓的變化，汽壓變化也會影響到水面下汽泡的體積變化，所以實際的虛假水位現(xiàn)象會更嚴重些。圖43 蒸汽流量階躍擾動 圖44 燃料量擾動下的水位特性下的水位響應曲線 爐膛熱負荷擾動下水位控制對象的動態(tài)特性當燃料量擾動時，例如燃料量增加使爐膛熱負荷增強，從而使鍋爐蒸發(fā)強度增大。若此時汽輪機負荷未增加，則汽輪機側(cè)調(diào)節(jié)閥開度不變。隨著爐膛熱負荷的增大，鍋爐出口壓力提高，蒸汽流量也相應增加，這樣蒸汽流量大于給水流量，水位應該下降。但是蒸發(fā)強度增大同樣也使水面下汽泡容積增大，因此也會出現(xiàn)虛假水位現(xiàn)象。燃料量擾動下的水位階躍響應曲線如圖44所示，它和圖43有些相似。只是在這種情況下，蒸汽流量增加的同時汽壓也增大了，因而使汽泡體積的增加比蒸汽流量擾動時要小，從而使水位上升較少。另外，由于蒸發(fā)量隨燃料量的增加有慣性和時滯，如圖44中虛線所示，這就導致遲延時間較長。 給水自動控制系統(tǒng)根據(jù)汽包鍋爐給水控制對象動態(tài)特性的特點，我們可以提出確定給水控制系統(tǒng)結(jié)構的一些基本思想：一、由于對象的內(nèi)擾動態(tài)特性存在一定的遲延和慣性，所以給水控制系統(tǒng)若采用以水位為被調(diào)量的單回路系統(tǒng)，則控制過程中水位將出現(xiàn)較大的動態(tài)偏差，給水流量波動較大。因此，對給水內(nèi)擾動態(tài)特性遲延和慣性大的鍋爐應考慮采用串級或其他控制方案。二、由于對象在蒸汽負荷擾動(外擾)時，有“虛假水位”現(xiàn)象。因此給水控制若采用以水位為被調(diào)量的單回路系統(tǒng)，則在擾動的初始階段，調(diào)節(jié)器將使給水流量向與負荷變化方向相反的方向變化，從而擴大了鍋爐進、出流量的不平衡。所以在設計給水控制系統(tǒng)時，應考慮采用以蒸汽流量為前饋信號的前饋控制，以改善給水控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)?？傊?，由于電廠鍋爐水位控制對象的特點，決定了采用單回路反饋控制系統(tǒng)不能滿足生產(chǎn)對控制品質(zhì)的要求，所以電站汽包鍋爐的給水自動控制普遍采用三沖量給水自動控制系統(tǒng)方案，如圖45所示。 單級三沖量給水控制系統(tǒng)一、系統(tǒng)結(jié)構和工作原理圖45為常用的單級三沖量給水控制系統(tǒng)圖。給水調(diào)節(jié)器接受汽包水位、蒸汽流量和給水流量三個信號(所以稱三沖量控制系統(tǒng))。其輸出信號去控制給水流量，其中汽包水位是被調(diào)量，所以水位信號稱為主信號。為了改善控制品質(zhì)，系統(tǒng)中引入了蒸汽流量的前饋控制和給水流量的反饋控制，這樣組成的三沖量給水控制系統(tǒng)是一個前饋——反饋控制系統(tǒng)。當蒸汽流量增加時，調(diào)節(jié)器立即動作，相應地增加給水流量，能有效地克服或減小虛假水位所引起的調(diào)節(jié)器誤動作。因為調(diào)節(jié)器輸出的控制信號與蒸汽流量信號的變化方向相同，所以調(diào)節(jié)器入口處，主蒸汽流量信號為正極性的。當給水流量發(fā)生自發(fā)性擾動時(例如給水壓力波動引起給水流量的波動)，調(diào)節(jié)器也能立即動作，使給水流量迅速恢復到原來的數(shù)值，從而使汽包水位基本不變。可見給水流量信號作為反饋信號，其主要作用是快速消除來自給水側(cè)的內(nèi)部擾動，因此在調(diào)節(jié)器入口處，給水流量信號為負極性的。當汽包水位增加時，為了維持水位，調(diào)節(jié)器的正確操作應使給水流量減小，反之亦然，即調(diào)節(jié)器操作給水流量的方向與水位信號的變化方向相反，因此調(diào)節(jié)器入口處水位信號應定義為負極性。但由于汽包鍋爐的水位測量裝置——平衡容器本身已具有反號的靜特性，所以進入調(diào)節(jié)器的水位變送器信號應為正極性，如圖45所示。由圖45可以看出，在單級三沖量給水控制系統(tǒng)中，水位、蒸汽流量和給水流量對應的三個信號、都送到PI調(diào)節(jié)器，靜態(tài)時，這三個輸入信號相平衡，即 += 或 = (45)如果在靜態(tài)時使送入調(diào)節(jié)器的蒸汽流量信號與給水流量信號相等，則水位信號就等于給定值信號，即汽包中的水位將穩(wěn)定在某一給定值。如果在靜態(tài)時≠，則汽包中的水位穩(wěn)定值將不等于給定值(即≠)。一般情況下選擇靜態(tài)時=，因而使控制過程結(jié)束后汽包水位保持給定的數(shù)值。 圖45 單級三沖量給水控制系統(tǒng)圖 差壓變送器；開方器；PI給水調(diào)節(jié)器；執(zhí)行機構； ，給水流量信號和蒸汽流量信號的靈敏度二、單級三沖量給水控制系統(tǒng)的分析和整定 圖46 單級三沖量給水自動控制原理框圖給水流量擾動；調(diào)節(jié)閥對給水量的調(diào)節(jié)作用；給水流量 (+)；蒸汽流量；蒸汽流量擾動下水位變化的傳遞函數(shù)；給水流量擾動下水位變化的傳遞函數(shù)；、水位、給水流量、蒸汽流量測量變送器的斜率；、蒸汽流量信號和給水流量信號的靈敏度； 執(zhí)行器的比例系數(shù)；調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)單級三沖量給水控制系統(tǒng)的原理框圖如圖46所示，從方框圖的結(jié)構中可以看出，這個系統(tǒng)由兩個閉合的反饋回路及前饋部分組成：(1)由調(diào)節(jié)器、執(zhí)行機構、調(diào)節(jié)閥、給水流量變送器和給水流量反饋裝置組成的內(nèi)回路(或稱副回路)。(2)由水位控制對象、水位變送器和內(nèi)回路組成的外回路(或稱主回路)。(3)由蒸汽流量信號及蒸汽流量測量裝置、蒸汽流量前饋裝置構成的前饋控制部分。下面對兩個閉合回路及前饋控制部分進行分析和整定。1．內(nèi)回路 圖47 三沖量給水控制系統(tǒng)的內(nèi)回路方框圖內(nèi)回路方框圖如圖47所示，根據(jù)圖47所示的方框圖，可以把內(nèi)回路作為一般的單回路系統(tǒng)進行分析。如果把調(diào)節(jié)器以外的環(huán)節(jié)等效地看作被控對象，那么被控對象動態(tài)特性近似為比例環(huán)節(jié)(因為執(zhí)行器、調(diào)節(jié)閥、變送設備和給水流量反饋裝置都可以近似認為是比例環(huán)節(jié))。因此調(diào)節(jié)器的比例帶和積分時間都可以取的很小。和的具體數(shù)值可以用試探方法決定以保證內(nèi)回路不振蕩為原則，一般≤100s。在試探時，給水流量反饋裝置的傳遞系數(shù)(給水流量信號的靈敏度)可任意設置一個數(shù)值，得到滿意的值，如果以后有必要改變，則應相應地改變值，使保持試探時的值，以保證內(nèi)回路的開環(huán)放大倍數(shù)不變。2．主回路在內(nèi)回路經(jīng)過正確整定之后，其控制過程是非?？斓?。這是因為調(diào)節(jié)器為比例積分特性，和又設置的較小，故它能快速動作。當外來控制信號改變時，調(diào)節(jié)器幾乎立即成比例地改變給水流量，使=，即 或 (46)這樣，圖47中的內(nèi)回路就可以用圖48來近似表示。因此主回路也就可以表示為圖49。由圖49可見，主回路也可看作是一個單回路系統(tǒng)。如果被控對象以給水流量變化作為輸入而以水位測量變送單元的輸出電壓作為對象的輸出，那么內(nèi)回路的傳遞函數(shù)就相當于主回路調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)，所以主回路的等效調(diào)節(jié)器是一個具有比例特性的調(diào)節(jié)器，它的等效比例帶。 圖48 圖47的近似方框圖 圖49 三沖量給水控制系統(tǒng)的主回路等效方框圖根據(jù)以上的分析，在整定主回路時，應用試驗方法求得到對象的階躍響應曲線。對象的輸入信號為給水流量變化，輸出信號為水位測量變送單元的輸出，從階躍響應曲線上求得遲延時間(s)和響應速度，據(jù)響應曲線法可得下述計算公式：則 （47） 或 （48）由此可見，當變送器的斜率已經(jīng)確定后，增大給水流量的靈敏度等于增加主回路調(diào)節(jié)器的比例帶，因而使給水流量動作減慢，增加主回路的穩(wěn)定性(減少主回路的振蕩)。但是對內(nèi)回路來說，增加就增加了內(nèi)回路的開環(huán)放大倍數(shù)，因而增加了內(nèi)回路振蕩的傾向，因此由于提高主回路的穩(wěn)定性而增加時，必須相應地增加調(diào)節(jié)器的比例帶以保證內(nèi)回路的穩(wěn)定性。 3．前饋通道 對于圖46所示的單級三沖量給水控制系統(tǒng)，當反饋回路經(jīng)過正確整定，確定了給水流量反饋裝置的傳遞系數(shù)。及調(diào)節(jié)器參數(shù)、的數(shù)值后，系統(tǒng)的方框圖就可以用圖410來表示。蒸汽流量前饋環(huán)節(jié)(、)不在控制系統(tǒng)反饋回路之內(nèi)，因此，它們的動態(tài)特性及取值大小不會影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，故可以根據(jù)蒸汽流量擾動時使水位不發(fā)生變化的原則來確定前饋環(huán)節(jié)的參數(shù)。 得 （49）由此可見，前饋環(huán)節(jié)不是一個簡單的比例環(huán)節(jié)，而是一個復雜的動態(tài)環(huán)節(jié)，要從物理上實現(xiàn)式(49)所表征的動態(tài)特性在技術上也是困難的。但是由于控制系統(tǒng)中已有了反饋控制，而且也容許汽包水位在一定范圍內(nèi)變化，因此蒸汽流量前饋環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)可以取比較簡單的近似形式，以便于實現(xiàn)。實踐證明，前饋環(huán)節(jié)只要取用比例特性，就能使在負荷變化時的水位保持在允許范圍內(nèi)，通常都用蒸汽流量信號和給水流量信號靜態(tài)配合的原則選擇。如果要求在不同負荷時，水位的穩(wěn)定值不變，則 （410）一般蒸汽流量變送設備的斜率等于給水流量變送設備的斜率，則 （411）即蒸汽流量前饋裝置的傳遞系數(shù)(蒸汽流量信號的靈敏度)等于給水流量反饋裝置的傳遞系數(shù)。 串級三沖量給水控制系統(tǒng)對于給水控制通道遲延和慣性較大的鍋爐，采用串級控制系統(tǒng)將具有較好的控制質(zhì)量，調(diào)試整定也比較方便，因此，在大型汽包鍋爐上可采用串級三沖量給水控制系統(tǒng)。 一、系統(tǒng)結(jié)構和工作原理串級三沖量給水控制系統(tǒng)圖如圖411所示。與單級三沖量給水控制系統(tǒng)相比，其給水控制的任務由兩個調(diào)節(jié)器來完成，主調(diào)節(jié)器PI1采用比例積分控制規(guī)律，以保證水位無靜態(tài)偏差。主調(diào)節(jié)器的輸出信號和給水流量、蒸汽流量信號都作用到副調(diào)節(jié)器PI2。一般串級控制系統(tǒng)的副調(diào)節(jié)器可采用比例調(diào)節(jié)器，以保證副回路的快速性。 圖411 串級三沖量給水控制系統(tǒng)圖 串級系統(tǒng)主、副調(diào)節(jié)器的任務不同，副調(diào)節(jié)器的任務是用以消除給水壓力波動等因素引起的給水流量的自發(fā)性擾動以及當蒸汽負荷改變時迅速調(diào)節(jié)給水流量，以保證給水流量和蒸汽流量平衡；主調(diào)節(jié)器的任務是校正水位偏差。這樣，當負荷變化時，水位穩(wěn)定值是靠主調(diào)節(jié)器PI1來維持的，并不要求進入副調(diào)節(jié)器的蒸汽流量信號的作用強度按所謂“靜態(tài)配比”來進行整定。恰恰相反，在這里可以根據(jù)對象在外擾下虛假水位的嚴重程度來適當加強蒸汽流量信號的作用強度，從而改變負荷擾動下的水位控制品質(zhì)?？梢?，串級三沖量系統(tǒng)比單級三沖量系統(tǒng)的工作更合理，控制品質(zhì)要好一些。二、串級三沖量給水系統(tǒng)的分析和整定圖412是串級三沖量給水系統(tǒng)的方框圖。這個系統(tǒng)也是由兩個閉合回路和前饋部分組成的。系統(tǒng)組成如下：圖412 串級三沖量給水控制系統(tǒng)原理框圖(1)由給水流量、給水流量變送器、給水流量反饋裝置、副調(diào)節(jié)器PI執(zhí)行器和調(diào)節(jié)閥組成副回路。(2)由被控對象、水位測量變送器、主調(diào)節(jié)器PI1和副回路組成主回路。(3)由蒸汽流量信號，以及蒸汽流量測量變送器及蒸汽流量前饋裝置構成前饋控制部分。1．副回路的分析和整定根據(jù)串級控制系統(tǒng)的分析整定方法，應將副回路處理為具有近似比例特性的快速隨動系統(tǒng)，以使副回路具有快速消除內(nèi)擾及快速跟蹤蒸汽流量的能力。圖412中所示的副回路和圖47所示的內(nèi)回路完全相似，其分析整定原則完全相同。即用試探的方法選擇副調(diào)節(jié)器的比例帶，以保證內(nèi)回路不振蕩為原則，在試探時，給水流量反饋裝置的傳遞函數(shù)可任意設置一個數(shù)值，得到滿意的值，如果以后有必要改變，則應相應地改變值，使/保持試探時的值，以保證內(nèi)回路的穩(wěn)定性。2．主回路的分析和整定 在主回路中，如果把副回路近似看作比例環(huán)節(jié)，則主回路的等效方框圖如圖413413串級三沖量給水控制系統(tǒng)的主回路等效方框圖所示。這時，主回路等效為一個單回路控制系統(tǒng)。如果以給水量為被控對象的輸入信號，水位變送單元的輸出為輸出信號，則可以把PI1調(diào)節(jié)器與副回路兩者看作為等效主調(diào)節(jié)器，它的傳遞函數(shù)為 （412）可見，等效主調(diào)節(jié)器仍然是比例積分調(diào)節(jié)器，但等效的比例帶為 （413） 式中——主調(diào)節(jié)器PI1的比例帶。等效主調(diào)節(jié)器的積分時間就是PI1調(diào)節(jié)器的積分時間。主回路仍按單回路系統(tǒng)的整定方法整定，如通過試驗方法求取主回路被控對象的階躍響應曲線，并由曲線上求得r和e，再按響應曲線整定法中給出的公式計算等效主調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)為 （414）