【正文】 動下水位響應(yīng)過程 會出現(xiàn)嚴(yán)重的虛 假水位現(xiàn)象； （ 3）爐膛熱負(fù) 荷 擾動 下水位響應(yīng)過程會出現(xiàn)輕微的虛 假水位現(xiàn)象。 華北水利水電大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 第 4 章 300MW 機(jī)組給水控制系統(tǒng)設(shè)計 300MW 給水熱力系統(tǒng)簡介 圖 31為 300MW給水熱力系統(tǒng)示意圖。給水泵包括兩臺電動泵和一臺汽動泵，電動泵 容量為 50%額定給水流量，汽動泵容量為 100%額定給水流量。每臺泵都設(shè)有再循環(huán)管路，即最小流量保護(hù)系統(tǒng)，在低負(fù)荷階段該系統(tǒng)的再循環(huán)管路的閥門可以自動打開，使得 給水 泵出口處有足夠的流量，防止泵的汽蝕。高負(fù)荷階段，給水旁路調(diào)節(jié)閥門開度達(dá)到最大，為了克服節(jié)流損失，主給水電動門也處于打開狀態(tài)，此時通過調(diào)節(jié)給水泵轉(zhuǎn)速直接控制給水流量。 根據(jù) 工程 設(shè)計要求， 給水從除 氧器出來之后，由給水泵送入高壓加熱器，再經(jīng)省煤器進(jìn)入汽包。在啟動和低負(fù)荷階段電動泵運行，高負(fù)荷階段汽動泵運行。當(dāng)達(dá)到一定負(fù)荷后，由負(fù)荷變化引起的汽包水位變化加 大，導(dǎo)致虛假水位現(xiàn)象嚴(yán)重，控制系統(tǒng)能自動或手動的切換到三沖量控制系統(tǒng)， 即由蒸汽流量作前饋信號、給水流量作反饋信號和汽包水位共同作用。因此在控制給水流量 的過程中，必須保證給水泵的工作流量始終大于滿足泵足夠冷卻的最小冷卻流 量。單沖量給水控制系統(tǒng)是一種經(jīng)典的單回路控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、投資少、 易實現(xiàn)。而且單回路不能及時反饋給水流量 的擾動，調(diào)節(jié)作用比較慢。 圖 43 單沖量給水控制系統(tǒng)圖 （ 2） 串級三沖量給水控制系統(tǒng) 其系統(tǒng)圖如圖 44所示，該系統(tǒng)由兩個 PI控制器進(jìn)行水位控制。 PI1的輸出信號、給水流量信號和蒸汽流量信號都作用 在 PI2上，副調(diào)節(jié)器通常為比例調(diào)節(jié)器，其作用確保副回路的快速性。主調(diào)節(jié)器 PI1主要負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)水位偏差，主蒸汽流量強(qiáng)度系數(shù) α的大小則由鍋爐 “虛假水位 ”的水平確定，從而當(dāng)負(fù)荷發(fā)生變化時，主蒸汽流量作為前饋信號在很大程度上克服虛假水位的影響，提高控制質(zhì)量。 華北水利水電大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 圖 45 300MW 機(jī)組給水控制系統(tǒng)原理圖 （ 1） 啟動、沖轉(zhuǎn)階段。在剛開始啟動 時，主給水閥門處于封閉狀態(tài)，電動泵保持在較低轉(zhuǎn)速，改變給水旁門閥門開度 來控制給水流量調(diào)節(jié)水位。此過程中，設(shè)定值和實際值 之間的偏差通過啟動控制閥調(diào)節(jié)器 PID1 進(jìn)行運算，從啟動控制閥 M/A 出來的自 動控制指令通過調(diào)節(jié)啟動調(diào)節(jié)閥進(jìn)而控制進(jìn)入汽包的給水量，最后使水位維持在 正常范圍內(nèi)。當(dāng)負(fù)荷升高到一定值時，給水量也必須隨之增大，啟動 調(diào)節(jié)閥門開度逐漸增大，到了一定程度后，系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能變差，此時應(yīng)手動增大 主給水閥門開度。 （ 3） 升負(fù)荷 25%30%階段。當(dāng)閥門開度大于 90%，此時把電動泵轉(zhuǎn)速控制方式改為自動控制。水位實際值與給定值 之間的偏差由單沖量控制器進(jìn)行計算。 升負(fù)荷 30%100%階段。隨著負(fù)荷繼續(xù)增大， PID2 已不能保證調(diào)節(jié)質(zhì)量，因此當(dāng)負(fù)荷（蒸汽流量）大于 30%后，應(yīng)改用三沖量控制系統(tǒng)。為了使進(jìn)入鍋爐的給水量和流出的蒸汽量相適應(yīng)，將蒸汽流量信號當(dāng)做 PID3 初始值的一部分，從而改善虛假水位現(xiàn)象對水位控制的影響。 隨著負(fù)荷不斷增大，氣泵組暖機(jī)并啟動，小汽機(jī)轉(zhuǎn)速也不斷升高，泵的出口壓頭不斷升高。當(dāng)給水母管壓頭稍微小于泵的出口壓頭后，打開氣泵出口閥，華北水利水電大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 然后接著手動調(diào)節(jié)氣動泵轉(zhuǎn)速，目的是為了讓汽動泵轉(zhuǎn)速與電動泵轉(zhuǎn)速相匹配。 當(dāng) 汽泵與電泵流量近似相等時，把汽泵投入自動，之后汽動泵按照三沖量方案自動運行。采用 MASTER 目的是使兩臺汽動泵負(fù)荷相等。 5. 最小流量保護(hù) 因為除氧器中的都是飽和水，給水泵入口出也可近似認(rèn)為是飽和水，故氣蝕余量較小。因此需要在泵的出口與除氧器中間假設(shè)一臺再循環(huán)管和一個再循環(huán)控制閥，作用是保證最低安全流量，防止泵的氣蝕。因此，本文對 300MW 機(jī)組給水控制系統(tǒng)進(jìn)行了建模仿真。也就是給水旁路調(diào)節(jié)閥在機(jī)組啟動、低負(fù)荷階段和高負(fù)荷階段均要起作用，為了使調(diào)節(jié)閥壓差維持在給定值范圍內(nèi)，用電動給水勺來調(diào)節(jié)汽包水位。因此當(dāng)二者之間產(chǎn)生聯(lián)系時加大了水位調(diào)節(jié)的難度。 啟動或低負(fù)荷時給水控制系統(tǒng)建模及仿真 模型分析 在低負(fù)荷階段 ,主蒸汽壓力、風(fēng)煙及燃料系統(tǒng)保持不變 ,給水旁路調(diào)節(jié)閥們開度 18%。 圖 52 （ a）開環(huán)控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線 華北水利水電大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 19 圖 52（ b）閉環(huán)控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線 如圖 52 所示，為電動給水勺管擾動下在 Simulink 軟件下的響應(yīng)曲線。由圖中可以看出，在電動給水勺管擾動下，汽包水位變化最大超調(diào)量為 ，最終達(dá)到平衡時靜態(tài)超調(diào)量為 0。仿真結(jié)果見圖 54。通過對（ 1）和（ 2）的仿真結(jié)果進(jìn)行比較可以看出，在低負(fù)荷時，給水旁路調(diào)節(jié)閥擾動比電動給水勺管對誰位的影響更加明顯，速度更快。 圖 56 開環(huán)控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線 （ 4） W22 為給水旁路調(diào)節(jié)閥開度變化時對調(diào)節(jié)閥前后壓差的影響，其仿真模型如圖 57 所示： 圖 57 給水旁路調(diào)節(jié)閥開度擾動對調(diào)節(jié)閥前后壓差動態(tài)特性建模 在圖 57 中，輸入信號為單位階躍信號，作為給水旁路調(diào)節(jié)閥開路的擾動，延遲時間為 3s,仿真步長為 200s,給水旁路調(diào)節(jié)閥開度擾動下對給水旁路調(diào)節(jié)閥前華北水利水電大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 21 后壓差表現(xiàn)為一節(jié)慣性特性，仿真結(jié)果如圖 58 所示： 圖 58 開環(huán)控制系統(tǒng)仿真響應(yīng)曲線 通過對（ 3）和（ 4）進(jìn)行比較可以得出，當(dāng)給水調(diào)節(jié)閥開度較小時，汽包水位變話較名顯，因此，在低負(fù)荷階段，通過控制給水調(diào)節(jié)閥的開度來控制給水流量，能夠很好得調(diào)節(jié)汽包水位。 [6]優(yōu)化后的控制原理見圖 59。 給水控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)整定 （ 1） 對優(yōu)化后的 控制方案中調(diào)節(jié)閥壓差控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，其仿真模型如圖510 所示，其中仿真步長為 100s。 （ 2） 對優(yōu)化后的控制方案中汽包水位控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，仿真步長為 400s,其控制系統(tǒng)模型如圖 513 所示： 圖 513 汽包水位控制系統(tǒng)仿真模型 仿真結(jié)果如圖 514 所示： 圖 514 汽包水位控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線 圖 515 汽包水位控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置 圖 515 為，為調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置，由圖 514 仿真結(jié)果可以得出，汽包水位控制系統(tǒng)的最 大動態(tài)偏差為 ,平衡后靜態(tài)偏差為 0mm,表明調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)作用華北水利水電大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 24 良好。 圖 516 隨機(jī)擾動信號 綜合以上分析，在 MATLAB/Simulink 軟件中 PI 調(diào)節(jié)器和 PID 調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置結(jié)果如圖 517 所示。 如圖 518（ a）所示為給水旁路調(diào)節(jié)閥壓差擾動曲線，仿真步長為 1000S,階躍擾動信號產(chǎn)生時間為 200s。有圖中可以得出，給水旁路調(diào)節(jié)閥壓差超調(diào)量不超過 10%，最終平衡態(tài)偏差為 0，衰減率為 ，即調(diào)節(jié)閥壓差控制系統(tǒng)可以起到較好的調(diào)節(jié)作用。同樣，超調(diào)量不超過 10%，衰減率為 。 圖 519（ a） 汽包水位擾動響應(yīng)曲線 華北水利水電大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 27 圖 519（ b） 增設(shè)隨機(jī)擾動信號后，汽包水位擾動響應(yīng)曲線 如圖 519（ a）所示，仿真步長為 4000s，在采樣時間為 200s 時，黃色曲線為汽包水位給定值由 0 增加到 100mm,此時保持給水旁路調(diào)節(jié)閥保持不變，汽包水位擾動曲線。 圖 519（ b）為增設(shè)隨機(jī)擾動信號后，汽包水位擾動響應(yīng)曲線，此時仍保持給水旁路調(diào)節(jié)閥保持不變。 結(jié)論：綜合以上分析可以得出，不論是因為種種原因使得調(diào)節(jié)閥前后壓差產(chǎn)生階躍變化，還是汽包水位設(shè)定值發(fā)生階躍擾動時，優(yōu)化后的控制系統(tǒng)均能夠在較短的時間內(nèi)，維持水位在正常工作范圍內(nèi)，起到良好的控制作用。 圖 520 汽包水位設(shè)定值響 應(yīng)曲線 華北水利水電大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 28 圖 520 汽包水位設(shè)定值采用周期函數(shù)，仿真步長為 3000s,采用周期函數(shù)的目的在于檢驗隨動控制系統(tǒng)的跟隨性。從圖中可以看出，汽包水位實際變化曲線與新的汽包水位變化具有很好的契合性，能夠穩(wěn)定、快速響應(yīng)新的汽包水位變化，因此該控制系統(tǒng)控制作用很好。由圖中可以得出，汽包水位超調(diào)量不超過 10%，靜態(tài)偏差為 0mm。此時，汽包水位超調(diào)量小于 20%，靜態(tài)偏差為 0mm。所以在系統(tǒng)仿真中我們選取系統(tǒng)對階躍擾動的反應(yīng)來判斷其抗干擾能力的好壞。 由上面的仿真結(jié)果可以看出，優(yōu)化后的控制方案可以很好地對汽包水位和給水旁路調(diào)節(jié)閥這兩個系統(tǒng)進(jìn)行解耦。 高負(fù)荷階段時給水控制系統(tǒng)建模及仿真 高負(fù)荷階段建模 當(dāng)負(fù)荷打于 30%額定負(fù)荷時，采用三沖量給水控制系統(tǒng)控制給水泵轉(zhuǎn)速。為了使進(jìn)入鍋爐的給水量和流出的蒸汽量相適應(yīng)，將蒸汽流量信號當(dāng)做給水流量調(diào)節(jié)器初始值的一部分，從而改善虛假水位對水位調(diào)節(jié)的影響。汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥開度增加 8%的階躍擾動。每臺電動給水泵勺管開度在上面的基礎(chǔ)上增加 10%的階躍擾動。 圖 524 雙閉環(huán)汽包給水控制系統(tǒng)仿真圖 仿真結(jié)果如圖 525 所示， 階躍擾動作為輸入信號，當(dāng)汽包水位從 0mm 增至 華北水利水電大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 31 100mm 時，汽包水位超調(diào)量不超過 10%，靜態(tài)偏差為 0mm，由此可以看出優(yōu)化后控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能很好。 華北水利水電大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 33 圖 527（ a） 優(yōu)化后的主調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置 圖 527（ b）優(yōu)化后的副調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置 （ 2） 如圖 528 所示，假設(shè)鍋爐負(fù)荷為定值，保持汽包水位為給定值，仿真步長為 2500s,當(dāng)采樣時間為 200s 時，階躍信號由 0mm 變化為 100mm 時的水位擾動響應(yīng)曲線。 華北水利水電大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 34 圖 529 增加隨機(jī)擾動后的汽包水位響應(yīng)曲線 比較圖 528 和圖 529 的仿真結(jié)果可以看出，在負(fù)荷不變的情況下，當(dāng)汽包水位設(shè)置值從 0mm 變化到 100mm 時，實際汽包水位響應(yīng)曲線的超調(diào)量不超過20%，靜態(tài)偏差為 0mm，由此可以得出，無論是汽包水位設(shè)定值變化還是增加隨機(jī)擾動的情況下，優(yōu)化后的控制系統(tǒng)均有良好的調(diào)節(jié)品質(zhì)和較強(qiáng)的魯棒性。 圖 530 負(fù)荷擾動曲線 華北水利水電大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 35 如圖 531 所示，為保持其他條件不變，在原來的基礎(chǔ)之上增加隨機(jī)擾 動信號后的汽包水位擾動曲線。 （ 3）如圖 530 所示，在汽包水位不變的情況下，當(dāng)采樣時間為 200s 時，鍋爐負(fù)荷由 0MW 變化為 150MW，其中黃色曲線為汽包水位設(shè)定值，紅色曲線為負(fù)荷限速曲線，綠色曲線為階躍響應(yīng)曲線，紫色曲線為為汽包水位實際響應(yīng)曲線。 華北水利水電大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 36 圖 532 負(fù)荷變化響應(yīng)曲線 增加隨機(jī)擾動后，水位響應(yīng)曲線如圖 533 所示。 （ 4）在負(fù)荷不變的情況下，水位設(shè)定值輸入信號為正弦波，其振幅值設(shè)為50mm,仿真結(jié)果如圖 534 所示。圖中黃色曲線為汽包水位設(shè)定值變化曲線，紫色曲線為汽包水位實際變化曲線。從而表明該控制系統(tǒng)在高負(fù)荷階段可以實現(xiàn)很好地給水控制。故該給水控制系統(tǒng)可以很好地滿足機(jī)組安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，實現(xiàn)較好的汽包水位動態(tài)特性和靜態(tài)特性的調(diào)節(jié)。 隨之而來的 ,火電機(jī)組越龐 大 ,其設(shè)備結(jié)構(gòu) 也 就越復(fù)雜 ,自動化程度要求也越高 ，使得火電廠運行和管理變得而更加困難。截止目前為止，國內(nèi)現(xiàn)有的大型機(jī)組以及在建電廠均已實現(xiàn)給水控制系統(tǒng)的全程自動控制。概括說來分為以下幾點：（ 1） 300MW機(jī)組給水控制系統(tǒng)在啟動和低負(fù)荷階段（也就是帶 0%25%額定負(fù)荷）采用單沖量控制系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)給水旁路調(diào)節(jié)閥開度維持汽包水位的穩(wěn)定，此階段電動泵轉(zhuǎn)速較低；（ 2）升負(fù)荷 25%~30%階段仍采用單沖量給水控制系統(tǒng)控制電動泵轉(zhuǎn)速，此階段給水旁路調(diào)節(jié)閥開度達(dá)到 100%，為下一步單沖量無擾切換為三沖量創(chuàng)造條件；（ 3）高負(fù)荷階段 (也就是 30%~100%負(fù)荷階段 )采用三沖量給水控制系統(tǒng)，給水旁路調(diào)節(jié)閥開度始終保持在 100%不變，負(fù)荷達(dá)到要求是汽動泵投運，并逐漸降低電動泵轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)汽動泵和電動泵之間的無擾切換， 最終汽動泵代替電動泵；（ 4）減負(fù)荷階段與上述過程恰好相反。概括說來分為以下兩點：（ 1）啟動和低負(fù)荷階段主要考慮到給水旁路調(diào)節(jié)閥和電動給水勺管之間存在嚴(yán)重的耦合性，故主要目的為對兩者進(jìn)行解耦，主要手段為通過MATLAB/Simulink 軟件對汽包水位的動態(tài)特性進(jìn)行仿真分析，從而整定出各調(diào)節(jié)器最佳設(shè)置參數(shù)。（ 2）高負(fù)荷階段相比較低負(fù)荷階段而言，增加了蒸汽流量作為前饋信號和汽包壓力前饋，原因在于高負(fù)荷階段虛假水位現(xiàn)象比較嚴(yán)重，增加蒸汽流量作為前饋信號可以有效抑制虛假水位，且高負(fù)荷階段因滑壓運行導(dǎo)致的汽包內(nèi)汽水不平衡現(xiàn)象較為明顯，故增加汽包壓力前饋信