【正文】 成事故；對于工業(yè)鍋爐，蒸汽帶水量過多，也要影響用戶的某些工藝過程。水位過高或過低，都是不允許的。(2)保持給水量穩(wěn)定。上述兩個任務(wù)中，第一個任務(wù)尤為重要。第二章 給水被控對象的動態(tài)特性在討論給水自動控制系統(tǒng)之前，必須先分析被控對象的動態(tài)特性，然后才能設(shè)計出一個合理的給水控制系統(tǒng)。汽包水位是汽包中儲水量和水面下汽泡容積的綜合反映。從水位反映儲水量來看，調(diào)節(jié)對象是一個無自平衡能力的對象，這是因為儲水量的變化是由給水流量和蒸汽流量變化引起的，而水位變化后既不能影響給水流量，又不能影響蒸發(fā)量，所以說水位調(diào)節(jié)對象是沒有自平衡能力的。 汽包水位的動態(tài)特性工業(yè)鍋爐的汽包水位是正常運行的重要指標之一，水位過高，產(chǎn)生蒸汽帶水現(xiàn)象，影響用汽單位的正常生產(chǎn)。因此，鍋爐運行中，保持汽包水位在一定范圍是十分重要的自動控制問題。燃煤量對水位變化的影響是非常緩慢的，比較容易克服。鍋爐水位調(diào)節(jié)對象的原理結(jié)構(gòu)如圖21所示。當(dāng)擾動為階躍擾動時，對象的動態(tài)特性稱為階躍響應(yīng)曲線。 各種擾動下水位變化的動態(tài)特性 給水流量擾動下對象的動態(tài)特性圖22為給水量擾動下水位階躍響應(yīng)曲線。圖22 給水量擾動下水位階躍響應(yīng)曲線在給水流量突然增加的瞬間，鍋爐的蒸發(fā)量還未改變，給水流量大于蒸發(fā)量，但水位一開始并不立即增加，這是因為溫度較低的給水進入省煤器及水循環(huán)系統(tǒng)的流量增加了，從原有的飽和汽水混合物中吸取了一部分熱量，使水面下的汽泡容積有所減少。在此過程中，負荷還未變化，汽包中水仍在蒸發(fā)，因此水位也有下降趨勢。下面簡單介紹一下水位在給水?dāng)_動下的傳遞函數(shù)。其擾動傳遞函數(shù)方框圖如圖23所示，可近似認為是一個積分環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié)的并聯(lián)或串聯(lián)的兩種形式。當(dāng)蒸汽流量突然增加（假定供熱量及時跟上）時，鍋爐的蒸發(fā)量大于給水流量，汽包的貯水量應(yīng)等速下降，又因為汽包是無自平衡對象，所以水位的變化曲線應(yīng)如圖中曲線H1所示：實際上當(dāng)蒸發(fā)量突然增加時，在汽水循環(huán)系統(tǒng)中的蒸發(fā)強度也將成比例的增大，使汽水混合物中汽泡的容積增大；又因爐膛內(nèi)的發(fā)熱量并不能及時增加，從而使汽包壓力不斷下降，降低了飽和溫度，促使蒸發(fā)速度加快，汽泡膨脹，加大了汽水混合物的總體積，使水位變化過程如圖中曲線H2所示。 圖24 蒸汽流量擾動下水位階躍響應(yīng)曲線H1只考慮貯水量變化的水位反應(yīng)曲線；H2只考慮水面下汽泡容積變化的水位反應(yīng)曲線；H實際水位反應(yīng)曲線（H=H1+H2）兩曲線的疊加，即圖中的曲線H，由圖可知，負荷變化時汽包水位的動態(tài)特性具有特殊的形式：負荷增加時，蒸發(fā)量大于給水量，但水位不是下降反而迅速上升；負荷突然減小時，水位卻先下降，然后迅速上升，這就是“虛假水位”現(xiàn)象。在外部負荷突然減小時（如汽輪機甩負荷），“虛假水位”約在20秒內(nèi)即達到最低值，并且，“虛假水位”達到最低值的時間和負荷達到的最低值的時間基本相同。為了維持水位在允許的范圍內(nèi)，運行中應(yīng)對負荷的一次變動量及負荷變化速度加以限制。如果負荷設(shè)備的進氣閥不加調(diào)節(jié)，則汽包飽和壓力升高，蒸汽流出量增加，蒸發(fā)量大于給水量，水位應(yīng)該下降。所以在燃料量擾動下，汽包水位也會因汽包容積的增加水位先上升，因此也會出現(xiàn)“虛假水位”現(xiàn)象，至蒸發(fā)量與燃料量相適應(yīng)時，水位才開始下降，即經(jīng)過了Tm時間后水位開始下降。圖25 燃料量擾動下水位階躍響應(yīng)曲線應(yīng)當(dāng)指出，蒸汽量、給水量和燃料量在運行中是經(jīng)常變化的，為保持氣壓穩(wěn)定，燃料量與蒸發(fā)量必須相互適應(yīng)，因此這兩種擾動總是相伴發(fā)生，只是有先后發(fā)生的差別。為維持水位在允許的范圍內(nèi)，必須限制負荷的一次改變量和負荷變化速度；在負荷變化后的開始階段，給水流量和負荷的變化方向相反，如果忽視“虛假水位”現(xiàn)象的存在，盲目根據(jù)“水位”來調(diào)節(jié)給水量，將會擴大鍋爐進出流量的不平衡，使水位波動加劇，實際工作中應(yīng)當(dāng)防止和避免。母管制給水系統(tǒng)是指具有全廠鍋爐共用的給水母管系統(tǒng)。典型的連接如圖31所示。為了防止調(diào)節(jié)閥全閉時漏流，各條管路上都安裝了電動截止門4，5和6。此外還裝有鍋爐點火時省煤器用再循環(huán)門和事故放水電動截止門8和9。比較典型的有汽動泵、電動泵混合型及單純電動泵組兩種。另一臺是定速電動泵，在單元機組啟動及低負荷時使用。這時電動泵通常是工作在定速工況，所以需用給水調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)給水量。電動泵組單元制給水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的典型形式是三臺可變速電動給水泵并聯(lián)，兩臺運行一臺備用，泵的轉(zhuǎn)速變化依靠液壓聯(lián)軸節(jié)（靠背輪）滑差實現(xiàn)。 測量信號的自動校正鍋爐從啟動到正常運行或是從正常運行到停爐過程中，蒸汽參數(shù)和負荷在很大范圍內(nèi)變化，這就使水位、給水流量和蒸汽流量測量信號的準確性受到影響。測量信號自動校正的基本方法是：先推導(dǎo)出被測參數(shù)隨溫度、壓力變化的數(shù)學(xué)模型，然后利用各種元件構(gòu)成運算電路進行運算，便可實現(xiàn)自動校正。由于汽包中飽和水和飽和蒸汽的密度隨壓力變化，所以影響水位測量的準確性。采用電氣校正回路進行壓力校正，就是在水位差壓變送器后引入校正回路。從圖中可以看出：= （31）當(dāng)H一定時，水位h是壓差和汽、水密度的函數(shù)。在鍋爐啟動過程中，水溫略有增加，但由于同時壓力也升高，兩種因素對的影響基本上可抵消，即可近似地認為時恒值。圖33 水位壓力自動校正線路圖33中函數(shù)組件（x）、（x）分別模擬式（32）中和。圖34 水位壓力自動校正線路二、溫度校正過熱蒸汽流量測量通常采用標準噴嘴。但在對系統(tǒng)進行控制時，運行工況不能基本固定。可以按下列公式進行校正： （34）式中 D過熱蒸汽流量； P過熱蒸汽壓力； T過熱蒸汽溫度； 節(jié)流件差壓； 過熱蒸汽密度； k流量系數(shù)。 圖35 過熱蒸汽流量信號的壓力、溫度自動校正線路圖計算和實驗結(jié)果表明：當(dāng)給水溫度為100℃不變，%；，給水溫度在100290℃溫度范圍內(nèi)變化時，給水量測量誤差為13%。若給水溫度變化不大，則不必對給水流量測量信號進行校正。一般，大型單元機組的給水管路系統(tǒng)如圖37所示。圖中1，2，3為截止閥，4，5，6為調(diào)節(jié)閥，7為總截止閥。為此，給水泵系統(tǒng)中安裝了2兩個孔板。對于這種采用兩個測量元件的給水流量測量系統(tǒng)，需要用一個流量信號運算回路，如圖38所示。在比較器中，主給水流量信號減去旁路給水流量信號，此差值信號在另一乘法器中乘可變系數(shù)，乘法器的輸出為，值由比例偏置器調(diào)整?？梢姳容^器的輸出信號為 其中 總給水流量信號； 主給水流量信號； 旁路給水流量信號。圖39中表示的也是一個大小孔板測量切換的線路，大負荷時用大孔板，小負荷時用小孔板，高低負荷切換時，測得的流量信號也進行無擾切換。其他符號意義可從圖中看出。的變化應(yīng)滿足以下的要求：當(dāng)截門還未打開，給水流量較小時，應(yīng)使=1，測量值以小孔板測量為準，有；當(dāng)截門全開，給水流量很大時，應(yīng)使，測量值應(yīng)以大孔板測量值為準，有；當(dāng)截門剛開啟一部分，但流量較小時，大孔板測量值誤差較大，小孔板又只測得部分流量，此時應(yīng)使0＜＜1，按式（35）可得到較精確的測量值。當(dāng)值時，比例組件輸入為正值。當(dāng)＜GH，并數(shù)值范圍在GM＜，輸出在0至10V范圍內(nèi)變化，使0＜＜1。 大小給水調(diào)節(jié)閥門的切換在給水控制中，低負荷時通常用旁路閥門（即小閥門）調(diào)節(jié)給水流量，高負荷時用主給水閥門（即大閥門）調(diào)節(jié)給水流量。圖310表示的是這種切換的線路原理。小閥回路乘法器輸出（V）。與此同時，大閥門處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)機組負荷增加，給水流量增大到一定值時，絕對值報警組件H/L動作，使繼電組件KJ激勵，接點KJ閉合。與此同時，加法器的輸出信號，即小閥門回路中的信號如圖中所示，為一個由大到小的斜坡信號。即在大閥門開大時，小閥門相應(yīng)關(guān)小，直到全部關(guān)閉。繼電組件KJ是由給水量控制的組件，為了防止啟停過程中造成閥門的多次反復(fù)切換，切換點電壓應(yīng)具有一定的滯環(huán)值。 系統(tǒng)的無擾切換鍋爐在不同的負荷和參數(shù)下，其給水被控對象的動態(tài)特性是不同的。此時如果采用多種自動校正措施，則會使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，整定困難，同時仍然存在誤差。圖311 單沖量系統(tǒng)與三沖量系統(tǒng)相互切換和跟蹤線路圖中PI1是低負荷時的單沖量給水調(diào)節(jié)器，它只接受經(jīng)過自動校正后的水位信號。PI3為副調(diào)節(jié)器，除接受主調(diào)節(jié)器校正信號外，還接受蒸汽流量信號D及給水流量信號W。蒸汽流量信號送入偏差報警繼電器1KJ，控制繼電器接點1C和3C。當(dāng)要求三沖量系統(tǒng)運行時，3C閉合，1C斷開。為了防止因負荷波動造成系統(tǒng)反復(fù)切換，切換值應(yīng)有10%的滯環(huán)值，就是說由單沖量系統(tǒng)切換為三沖量系統(tǒng)是在30%負荷下進行的，由三沖量系統(tǒng)切換為單沖量系統(tǒng)是在20%負荷下進行的。所謂比較線路是由比較器和積分器組成得線路。 （a） （b）圖312 負端輸入跟蹤線路原理圖（a）原理電路圖；（b）原理框圖圖312是由一個比較器和一個積分器組成的反饋線路，主動信號是A，從動信號是B。圖中比較器E可看成是放大倍數(shù)為的放大器，故在（A—B）信號很小的情況下，有： 所以： 由于積分作用存在，B最終一定要等于A。圖312中閉環(huán)電路部分還應(yīng)符合負反饋原則。如果主動信號A從比較器正相輸入端輸入，為滿足閉環(huán)回路應(yīng)是負反饋的要求，則應(yīng)加一反向器，如圖313所示。這是因為電路中有積分器和負反饋，并形成閉合回路，最后總能使比較器輸入信號代數(shù)和為零，始終使加法器輸出（即副調(diào)的給定值）跟蹤給水流量W值，保證副調(diào)節(jié)器入口偏差為零，從而保證無擾切換。為了滿足上限特性要求，在鍋爐負荷很低時，必須打開再循環(huán)門，以增加通過泵的流量。圖314 給水泵安全特性示意圖由于給水泵有最低轉(zhuǎn)速的要求，在給水泵已接近時就不能以繼續(xù)降低轉(zhuǎn)速的方式來調(diào)節(jié)給水量。由于兼用改變泵轉(zhuǎn)速和上水通道阻力兩種方式調(diào)節(jié)給水量，增加了全程給水自動控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。如圖314泵工作點由移至點。低參數(shù)小容量的鍋爐，相對于負荷來說，其水容積大，“虛假水位”現(xiàn)象不十分嚴重，對象的飛升速度比較小，對調(diào)節(jié)質(zhì)量要求不高，可采用圖41所示的單沖量單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)，采用比例調(diào)節(jié)規(guī)律，就能可靠地運行。在蒸汽流量突然減少時，調(diào)節(jié)器本應(yīng)減小給水量以保持物質(zhì)的平衡，但由于“虛假水位”的存在使得水位H下降，調(diào)節(jié)器根據(jù)這一信號，使給水量增加，甚至可能把調(diào)節(jié)閥門開到最大。由于水位回升很快，往往使水位的升高值比第一次“虛假水位”下降值大。另外，由于采用比例調(diào)節(jié)規(guī)律有靜差存在，鍋爐在大負荷時，水位保持低值，而在小負荷時，水位則保持高值，這種特性對鍋爐設(shè)備的運行是不利的。當(dāng)給水控制閥開度不變時，若給水泵出口壓力、管道阻力或汽包壓力變化，將引起控制閥前后的差壓變化，從而引起給水流量變化?？刂破鞑拍茌敵鲂盘柛淖兛刂崎y開度，以抵消給水流量的自發(fā)擾動。因此，當(dāng)調(diào)節(jié)對象的滯后時間和飛升速度較大時，調(diào)節(jié)過程將出現(xiàn)很大的動態(tài)偏差。所以這種系統(tǒng)尚不能迅速消除給水流量的自發(fā)擾動，也不能及時體現(xiàn)控制效果。總之，通過對給水控制系統(tǒng)的對象的動態(tài)性能分析可以看出，采用單回路控制系統(tǒng)是不能滿足生產(chǎn)對控制品質(zhì)的要求，所以電站汽包鍋爐的給水控制普遍采用三沖量給水控制方案。所謂單級三沖量給水系統(tǒng)，是指系統(tǒng)中用了一