【正文】 ，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(gè)任務(wù)中，第一個(gè)任務(wù)尤為重要。第二章 給水被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性在討論給水自動(dòng)控制系統(tǒng)之前，必須先分析被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，然后才能設(shè)計(jì)出一個(gè)合理的給水控制系統(tǒng)。汽包水位是汽包中儲(chǔ)水量和水面下汽泡容積的綜合反映。從水位反映儲(chǔ)水量來看，調(diào)節(jié)對(duì)象是一個(gè)無自平衡能力的對(duì)象，這是因?yàn)閮?chǔ)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(duì)象是沒有自平衡能力的。 汽包水位的動(dòng)態(tài)特性工業(yè)鍋爐的汽包水位是正常運(yùn)行的重要指標(biāo)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(yùn)行中，保持汽包水位在一定范圍是十分重要的自動(dòng)控制問題。燃煤量對(duì)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(duì)象的原理結(jié)構(gòu)如圖21所示。當(dāng)擾動(dòng)為階躍擾動(dòng)時(shí)，對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性稱為階躍響應(yīng)曲線。 各種擾動(dòng)下水位變化的動(dòng)態(tài)特性 給水流量擾動(dòng)下對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性圖22為給水量擾動(dòng)下水位階躍響應(yīng)曲線。圖22 給水量擾動(dòng)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?yàn)闇囟容^低的給水進(jìn)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(fù)荷還未變化，汽包中水仍在蒸發(fā)，因此水位也有下降趨勢(shì)。下面簡(jiǎn)單介紹一下水位在給水?dāng)_動(dòng)下的傳遞函數(shù)。其擾動(dòng)傳遞函數(shù)方框圖如圖23所示，可近似認(rèn)為是一個(gè)積分環(huán)節(jié)和一個(gè)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(shí)跟上）時(shí)，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?yàn)槠菬o自平衡對(duì)象，所以水位的變化曲線應(yīng)如圖中曲線H1所示：實(shí)際上當(dāng)蒸發(fā)量突然增加時(shí)，在汽水循環(huán)系統(tǒng)中的蒸發(fā)強(qiáng)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(shí)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(dòng)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(shí)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(fù)荷變化時(shí)汽包水位的動(dòng)態(tài)特性具有特殊的形式：負(fù)荷增加時(shí)，蒸發(fā)量大于給水量，但水位不是下降反而迅速上升；負(fù)荷突然減小時(shí)，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(fù)荷突然減小時(shí)（如汽輪機(jī)甩負(fù)荷），“虛假水位”約在20秒內(nèi)即達(dá)到最低值，并且，“虛假水位”達(dá)到最低值的時(shí)間和負(fù)荷達(dá)到的最低值的時(shí)間基本相同。為了維持水位在允許的范圍內(nèi)，運(yùn)行中應(yīng)對(duì)負(fù)荷的一次變動(dòng)量及負(fù)荷變化速度加以限制。如果負(fù)荷設(shè)備的進(jìn)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(dòng)下，汽包水位也會(huì)因汽包容積的增加水位先上升，因此也會(huì)出現(xiàn)“虛假水位”現(xiàn)象，至蒸發(fā)量與燃料量相適應(yīng)時(shí)，水位才開始下降，即經(jīng)過了Tm時(shí)間后水位開始下降。圖25 燃料量擾動(dòng)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(yùn)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(dòng)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(fù)荷的一次改變量和負(fù)荷變化速度；在負(fù)荷變化后的開始階段，給水流量和負(fù)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(huì)擴(kuò)大鍋爐進(jìn)出流量的不平衡，使水位波動(dòng)加劇，實(shí)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(shí)漏流，各條管路上都安裝了電動(dòng)截止門4，5和6。此外還裝有鍋爐點(diǎn)火時(shí)省煤器用再循環(huán)門和事故放水電動(dòng)截止門8和9。比較典型的有汽動(dòng)泵、電動(dòng)泵混合型及單純電動(dòng)泵組兩種。另一臺(tái)是定速電動(dòng)泵，在單元機(jī)組啟動(dòng)及低負(fù)荷時(shí)使用。這時(shí)電動(dòng)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(dòng)泵組單元制給水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的典型形式是三臺(tái)可變速電動(dòng)給水泵并聯(lián)，兩臺(tái)運(yùn)行一臺(tái)備用，泵的轉(zhuǎn)速變化依靠液壓聯(lián)軸節(jié)（靠背輪）滑差實(shí)現(xiàn)。 測(cè)量信號(hào)的自動(dòng)校正鍋爐從啟動(dòng)到正常運(yùn)行或是從正常運(yùn)行到停爐過程中，蒸汽參數(shù)和負(fù)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(cè)量信號(hào)的準(zhǔn)確性受到影響。測(cè)量信號(hào)自動(dòng)校正的基本方法是：先推導(dǎo)出被測(cè)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(yùn)算電路進(jìn)行運(yùn)算，便可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(cè)量的準(zhǔn)確性。采用電氣校正回路進(jìn)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(shí)，水位h是壓差和汽、水密度的函數(shù)。在鍋爐啟動(dòng)過程中，水溫略有增加，但由于同時(shí)壓力也升高，兩種因素對(duì)的影響基本上可抵消，即可近似地認(rèn)為時(shí)恒值。圖33 水位壓力自動(dòng)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(dòng)校正線路二、溫度校正過熱蒸汽流量測(cè)量通常采用標(biāo)準(zhǔn)噴嘴。但在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制時(shí)，運(yùn)行工況不能基本固定?？梢园聪铝泄竭M(jìn)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(hào)的壓力、溫度自動(dòng)校正線路圖計(jì)算和實(shí)驗(yàn)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(shí)，給水量測(cè)量誤差為13%。若給水溫度變化不大，則不必對(duì)給水流量測(cè)量信號(hào)進(jìn)行校正。一般，大型單元機(jī)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(gè)孔板。對(duì)于這種采用兩個(gè)測(cè)量元件的給水流量測(cè)量系統(tǒng)，需要用一個(gè)流量信號(hào)運(yùn)算回路，如圖38所示。在比較器中，主給水流量信號(hào)減去旁路給水流量信號(hào)，此差值信號(hào)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(hào)為 其中 總給水流量信號(hào)； 主給水流量信號(hào)； 旁路給水流量信號(hào)。圖39中表示的也是一個(gè)大小孔板測(cè)量切換的線路，大負(fù)荷時(shí)用大孔板，小負(fù)荷時(shí)用小孔板，高低負(fù)荷切換時(shí)，測(cè)得的流量信號(hào)也進(jìn)行無擾切換。其他符號(hào)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(shí)，應(yīng)使=1，測(cè)量值以小孔板測(cè)量為準(zhǔn)，有；當(dāng)截門全開，給水流量很大時(shí)，應(yīng)使，測(cè)量值應(yīng)以大孔板測(cè)量值為準(zhǔn)，有；當(dāng)截門剛開啟一部分，但流量較小時(shí)，大孔板測(cè)量值誤差較大，小孔板又只測(cè)得部分流量，此時(shí)應(yīng)使0＜＜1，按式（35）可得到較精確的測(cè)量值。當(dāng)值時(shí)，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(fù)荷時(shí)通常用旁路閥門（即小閥門）調(diào)節(jié)給水流量，高負(fù)荷時(shí)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(shí)，大閥門處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷增加，給水流量增大到一定值時(shí)，絕對(duì)值報(bào)警組件H/L動(dòng)作，使繼電組件KJ激勵(lì)，接點(diǎn)KJ閉合。與此同時(shí)，加法器的輸出信號(hào)，即小閥門回路中的信號(hào)如圖中所示，為一個(gè)由大到小的斜坡信號(hào)。即在大閥門開大時(shí)，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(diǎn)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(fù)荷和參數(shù)下，其給水被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性是不同的。此時(shí)如果采用多種自動(dòng)校正措施，則會(huì)使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，整定困難，同時(shí)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(fù)荷時(shí)的單沖量給水調(diào)節(jié)器，它只接受經(jīng)過自動(dòng)校正后的水位信號(hào)。PI3為副調(diào)節(jié)器，除接受主調(diào)節(jié)器校正信號(hào)外，還接受蒸汽流量信號(hào)D及給水流量信號(hào)W。蒸汽流量信號(hào)送入偏差報(bào)警繼電器1KJ，控制繼電器接點(diǎn)1C和3C。當(dāng)要求三沖量系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，3C閉合，1C斷開。為了防止因負(fù)荷波動(dòng)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(fù)荷下進(jìn)行的，由三沖量系統(tǒng)切換為單沖量系統(tǒng)是在20%負(fù)荷下進(jìn)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(fù)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(gè)比較器和一個(gè)積分器組成的反饋線路，主動(dòng)信號(hào)是A，從動(dòng)信號(hào)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(hào)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(fù)反饋原則。如果主動(dòng)信號(hào)A從比較器正相輸入端輸入，為滿足閉環(huán)回路應(yīng)是負(fù)反饋的要求，則應(yīng)加一反向器，如圖313所示。這是因?yàn)殡娐分杏蟹e分器和負(fù)反饋，并形成閉合回路，最后總能使比較器輸入信號(hào)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(fù)荷很低時(shí)，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(shí)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(dòng)控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。如圖314泵工作點(diǎn)由移至點(diǎn)。低參數(shù)小容量的鍋爐，相對(duì)于負(fù)荷來說，其水容積大，“虛假水位”現(xiàn)象不十分嚴(yán)重，對(duì)象的飛升速度比較小，對(duì)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(yùn)行。在蒸汽流量突然減少時(shí)，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(hào)，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(fù)荷時(shí)，水位保持低值，而在小負(fù)荷時(shí)，水位則保持高值，這種特性對(duì)鍋爐設(shè)備的運(yùn)行是不利的。當(dāng)給水控制閥開度不變時(shí)，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?hào)改變控制閥開度，以抵消給水流量的自發(fā)擾動(dòng)。因此，當(dāng)調(diào)節(jié)對(duì)象的滯后時(shí)間和飛升速度較大時(shí)，調(diào)節(jié)過程將出現(xiàn)很大的動(dòng)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(dòng)，也不能及時(shí)體現(xiàn)控制效果。總之，通過對(duì)給水控制系統(tǒng)的對(duì)象的動(dòng)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(duì)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(jí)三沖量給水系統(tǒng)，是指系統(tǒng)中用了一個(gè)調(diào)節(jié)器，而調(diào)節(jié)器