汽包爐給水控制系統(tǒng)

1、前言電廠熱工自動(dòng)化水平的高低是衡量電廠生產(chǎn)技術(shù)的先進(jìn)程度和企業(yè)現(xiàn)代 化的重要標(biāo)志 其中，汽包鍋爐給水及水位的調(diào)節(jié)已經(jīng)完全采用自動(dòng)的方式加以 控制.在不需要操作人員干預(yù)的情況下，就可以很好地完成生產(chǎn)過(guò)程中的給水及 水位控制，大大提高了生產(chǎn)效率。汽包鍋爐給水控制系統(tǒng)的任務(wù)是使給水量適應(yīng) 鍋爐蒸發(fā)量，并使汽包中水位保持在一定的范圍內(nèi)。只有保證汽包水位的波動(dòng)在 允許范圍內(nèi)，才能實(shí)現(xiàn)機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行 正因?yàn)槠皇怯绊懻麄€(gè)機(jī)組安全 經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要因素，所以就要有一套較好的控制方案，來(lái)實(shí)現(xiàn)汽包水位的控制。1給水控制的任務(wù)1.1給水控制系統(tǒng)概況汽包鍋爐給水控制系統(tǒng)的作用是使鍋爐的給水量自動(dòng)適應(yīng)鍋爐的蒸發(fā)量

2、， 維持汽包水位在規(guī)定的范圍內(nèi)波動(dòng)。同時(shí)保持穩(wěn)定的給水流量。汽包水位是一個(gè) 重要的監(jiān)控參數(shù)，反映了鍋爐蒸汽負(fù)荷與給水量之間的平衡關(guān)系。鍋爐的汽包水位能夠間接反映鍋爐蒸汽負(fù)荷與給水量之間的平衡關(guān)系，維 持汽包水位正常是保證鍋爐和汽輪機(jī)安全運(yùn)行的必要條件。汽包水位過(guò)高，會(huì)影 響汽包內(nèi)汽水分離裝置的正常工作，造成出口蒸汽水分含量過(guò)多，導(dǎo)致過(guò)熱器 管壁結(jié)垢而被燒壞，也使過(guò)熱蒸汽溫度急劇變化，直接影響機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。汽 包水位過(guò)低，可能破壞鍋爐水循環(huán)，導(dǎo)致水冷壁管被燒壞。1.2影響水位的主要因素影響水位的因素主要有鍋爐蒸發(fā)量、給水量、爐膛熱負(fù)荷及汽包壓力，除此 之外，還有給水壓力、汽輪機(jī)調(diào)節(jié)汽門開度、二

3、次風(fēng)分配等。汽包水位H是汽包中儲(chǔ)水量和水面下汽包容積的綜合反映，不僅受汽包儲(chǔ) 水量變化的影響，還受汽水混合物中汽包容積變化的影響。其中主要的擾動(dòng)為給 水流量W、鍋爐蒸發(fā)量D、汽包壓力、爐膛熱負(fù)荷等，其對(duì)水位的影響各不相同。 其中給水流量和蒸汽流量是影響汽包水位的2種主要擾動(dòng)，前者來(lái)自調(diào)節(jié)側(cè)， 稱為內(nèi)擾；后者來(lái)自負(fù)荷側(cè)，稱為外擾。保證水位控制在給定的范圍內(nèi)，對(duì)提高蒸汽品質(zhì)、減少設(shè)備損耗、運(yùn)行損耗 和確保整個(gè)網(wǎng)絡(luò)安全運(yùn)行都具有重要意義。因此，汽包水位是影響整個(gè)機(jī)組安全 經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要因素，需要有一整套較好的控制方案，來(lái)實(shí)現(xiàn)汽包鍋爐水位的自 動(dòng)控制。2給水控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性汽包水位被控對(duì)象的擾動(dòng)主要

4、由四個(gè)：給水流量、蒸汽負(fù)荷、燃料量、汽包 壓力。在影響汽包水位產(chǎn)生擾動(dòng)的四個(gè)因素中，給水流量、蒸汽負(fù)荷為例。2.1給水量流擾動(dòng)下水位變化的動(dòng)態(tài)特性給水量擾動(dòng)是給水控制系統(tǒng)影響汽包水位的主要擾動(dòng)之一，因?yàn)榻o水量擾動(dòng) 來(lái)自控制側(cè)，有稱內(nèi)擾。圖1中曲線1為沸騰式省煤器情形下水位的動(dòng)態(tài)特性，圖1給水流量階躍擾動(dòng)下的水位響應(yīng)曲線從物質(zhì)平衡的觀點(diǎn)來(lái)看，加大了給水量G，水位應(yīng)立即上升，但實(shí)際上并不 是這樣，而是經(jīng)過(guò)一段遲延，甚至先下降后再上升。這是因?yàn)榻o水溫度遠(yuǎn)低于省 煤器的溫度，即給水有一定的過(guò)冷度，水進(jìn)入省煤器后，使一部分汽變成了水， 特別是沸騰式省煤器，給水減輕了省煤器內(nèi)的沸騰度，省煤器內(nèi)的汽泡總?cè)莘e

5、減 少，因此，進(jìn)入省煤器內(nèi)的水首先用來(lái)填補(bǔ)省煤器中因汽泡破滅容積減少而降低 的水位，經(jīng)過(guò)一段遲延甚至水位下降后，才能因給水量不斷從省煤器進(jìn)入汽包而 使水位上升。在此過(guò)程中，負(fù)荷還未發(fā)生變化，汽包中水仍然在蒸發(fā)，因此水位 也有下降趨勢(shì)。沸騰式省煤器的延遲時(shí)間T為100200s。非沸騰式省煤器的延 遲時(shí)間T為30100s。水位在給水?dāng)_動(dòng)下的傳遞函數(shù)可表示為：H (s)8 8T8G (s) s 1 + Ts s (1 + Ts )水位對(duì)象可近似認(rèn)為是一個(gè)積分環(huán)節(jié)和一個(gè)慣性環(huán)節(jié)并聯(lián)形式。用一階近似 表示時(shí)：些二G(s) s2.2蒸汽流量擾動(dòng)下水位變化的動(dòng)態(tài)特性圖2中曲線2為蒸汽流量擾動(dòng)下水位的動(dòng)態(tài)特性

6、圖2蒸汽量D擾動(dòng)下的水位階躍響應(yīng)曲線蒸汽流量擾動(dòng)下水位的動(dòng)態(tài)特性如果只從物質(zhì)平衡的角度來(lái)看，蒸發(fā)量突然 增加A。時(shí)，蒸發(fā)量高于給水量，汽包水位是無(wú)自平衡能力的，所以水位應(yīng)該直 線下降，如圖2中H。)所示那樣，但實(shí)際水位是先上升，后下降，這種現(xiàn)象稱 為“虛假水位”現(xiàn)象，如圖2中H。)所示。其原因是由于負(fù)荷增加時(shí)，在汽水 循環(huán)回路中的蒸發(fā)強(qiáng)度也將成比例增加，水面下汽泡的容積增加得也很快，此時(shí) 燃料量M還來(lái)不及增加，汽包中汽壓pb下降，汽包膨脹，使汽泡體積增大而水 位上升。如圖2中H 2。)所示。在開始的一段時(shí)間H 2()的作用大與H 1。)。當(dāng)過(guò) 了一段時(shí)間后，當(dāng)汽泡容積和負(fù)荷相適應(yīng)而達(dá)到穩(wěn)定后，

7、水位就要反映出物質(zhì)平 衡關(guān)系而下降。因此，水位的變化應(yīng)是上述兩者之和，即H (t) = H (t) + H (t)傳遞函數(shù)也為兩者的代數(shù)和：H (s)k &D (s)1 + T s s式中T2 H 2()的時(shí)間常數(shù)，約為102OS； K 2 H 2(t)的放大系數(shù)；8 一飛升速度。一般100230t/h的中高壓爐，負(fù)荷突然變化10%時(shí)，虛假水位化現(xiàn)象可 使水位變化達(dá)3040ram。3給水控制基本方案給水控制系統(tǒng)是火電廠單元機(jī)組中重要的調(diào)節(jié)系統(tǒng)之一，其任務(wù)是維持汽包 水位在一定的范圍內(nèi)，對(duì)于機(jī)組的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著重要的影響。由于 控制對(duì)象在給水量擾動(dòng)時(shí)有一定的慣性，而且在負(fù)荷擾動(dòng)、燃料量

8、擾動(dòng)時(shí)又存在 “虛假水位”，采用單沖量控制系統(tǒng)，即只有一個(gè)水位(用H表示)反饋信號(hào)，在 較高負(fù)荷下的控制效果往往不理想。根據(jù)給水控制對(duì)象動(dòng)態(tài)特性，了1入蒸汽量 (用D表示)作為前饋信號(hào)，以克-虛假水位”現(xiàn)象造成的不利影響，改善外擾 時(shí)的控制品質(zhì)；引入給水流量作為另一個(gè)反饋信號(hào)(用w表示)，用于及時(shí)消除內(nèi) 擾。這樣，調(diào)節(jié)器接受三個(gè)信號(hào)H、D、W,構(gòu)成三沖量給水控制系統(tǒng)。一般大型 鍋爐為保證給水控制系統(tǒng)的安全、可靠，在低負(fù)荷時(shí)采用單沖量系統(tǒng)，在高負(fù)荷 時(shí)采用三沖量系統(tǒng)。3.1單級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)單級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)原理框圖如下所示:從圖中可以看出，與常規(guī)單級(jí)系統(tǒng)不同的是，蒸汽流量信號(hào)D和給水流

9、量信 號(hào)W不是直接進(jìn)入調(diào)節(jié)器，而是二者之差(D-W)經(jīng)微分后送入調(diào)節(jié)器。理論分析 表明，這種結(jié)構(gòu)更為合理，因?yàn)槲⒎肿饔媚芴崆胺从硵_動(dòng)的變化，有利于消除外 擾D和內(nèi)擾w對(duì)水位的不利影響。當(dāng)負(fù)荷變化出現(xiàn)“虛假水位”時(shí)，由于采用了 蒸汽流量D的微分值作為前饋信號(hào)，就有一個(gè)使給水量與負(fù)荷同方向變化的的信 號(hào)，而且D變化速度越快，給水量變化速度也越快，更有利于減少給水量與負(fù)荷 朝相反方向變化的趨勢(shì)。給水流量信號(hào)W的微分作為負(fù)反饋信號(hào)，能及時(shí)消除給 水量自發(fā)的擾動(dòng)。在參數(shù)整定時(shí)，常規(guī)單級(jí)三沖量系統(tǒng)需要考慮水位控制系統(tǒng)的靜態(tài)特性，即 為保證水位等于給定值，須按照“靜態(tài)對(duì)比”來(lái)整定蒸汽流量信號(hào)的作用強(qiáng)度。 而

10、該系統(tǒng)采用的是(D-W)的微分，微分作用在穩(wěn)態(tài)時(shí)輸出為0，故不需要考慮水 位的靜態(tài)特性，只需選擇適當(dāng)?shù)奈⒎肿饔脧?qiáng)度，保證最佳調(diào)節(jié)效果，且微分器與 調(diào)節(jié)器參數(shù)整定互不影響。另外，即使給水流量信號(hào)和蒸汽流量信號(hào)失去一個(gè)， 系統(tǒng)仍可正常工作，只是變成雙沖量工作系統(tǒng)，短時(shí)間內(nèi)控制品質(zhì)受到的影響較 小。系統(tǒng)SALVIA圖分析(以汽泵A為例)圖中C是常數(shù)，代表標(biāo)度變換系數(shù)。汽包水位經(jīng)過(guò)三選二后與給定值求偏差， 該偏差與（DW）的微分相加，求和后乘上一個(gè)系數(shù)送入調(diào)節(jié)器。如果只有一臺(tái) 泵，該系數(shù)為1；如果多于一臺(tái)泵投入運(yùn)行，則該系數(shù)為0. 7。這是由于給水泵 投入臺(tái)數(shù)不同，控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度不一樣，用該系數(shù)對(duì)偏

11、差進(jìn)行修正，從而使泵 在臺(tái)數(shù)不同的情況下具有相同的穩(wěn)定裕量。為了使各泵的流量平衡，在調(diào)節(jié)器人口引入給水流量的平均值與泵人口流量 的差值。調(diào)節(jié)器的輸出用于控制汽泵轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)給水流量的大小，使汽包水位等 于給定值。3.2串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)工作原理國(guó)產(chǎn)300 MW火力發(fā)電機(jī)組大型汽包鍋爐的控制對(duì)象具有給水內(nèi)擾動(dòng)態(tài)特性 延遲和慣性大的特點(diǎn)，且無(wú)自平衡能力，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)，控制過(guò)程中水位將出現(xiàn)較大的動(dòng)態(tài)偏差，給水流量波動(dòng)較大。因此， 應(yīng)考慮采用三沖量給水控制系統(tǒng)方案。另外，控制對(duì)象在蒸汽負(fù)荷擾動(dòng)（外擾）時(shí)，存在“虛假水位”現(xiàn)象，因此在 擾動(dòng)的初始階段，調(diào)節(jié)器將使給水流

12、量向與負(fù)荷變化相反的方向變化，加劇了鍋 爐進(jìn)、出流量的不平衡。因此應(yīng)采用以蒸汽流量D為前饋信號(hào)的前饋控制，從而 能夠根據(jù)對(duì)象在外擾下虛假水位的嚴(yán)重程度來(lái)適當(dāng)加強(qiáng)蒸汽流量信號(hào)的作用強(qiáng) 度，以改善蒸汽負(fù)荷擾動(dòng)下的水位控制品質(zhì)。采用串級(jí)控制系統(tǒng)將具有更好的控制質(zhì)量，調(diào)試整定也比較方便，故在大型 汽包鍋爐上可采用串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)，如圖所示。控制系統(tǒng)由2個(gè)閉合回路及前饋調(diào)節(jié)部分組成。主回路由調(diào)節(jié)對(duì)象G、 水位變送器Y主調(diào)節(jié)器PI和副回路組成；副回路由給水流量W、給水流城送器Hy 、給水流量信號(hào)分流系數(shù)a 、副調(diào)節(jié)器P、執(zhí)行器K 、調(diào)節(jié)工閥K組成; 前饋部分由蒸汽流量信號(hào)D、蒸汽流量變送器yD、蒸汽

13、流量信號(hào)分流系數(shù)七構(gòu) 成。給水控制的任務(wù)由2個(gè)調(diào)節(jié)器來(lái)完成，主調(diào)節(jié)器采用比例積分控制規(guī)律，D保 證水位無(wú)靜態(tài)偏差，其輸出信號(hào)、給水流量信號(hào)和蒸汽流量信號(hào)都作用到副調(diào)節(jié) 器。副調(diào)節(jié)器為保證副回路的快速性可采用比例調(diào)節(jié)器，能消除給水流量的自發(fā) 擾動(dòng)，當(dāng)蒸汽負(fù)荷改變時(shí)迅速調(diào)節(jié)給水流量，保證給水流量和蒸汽流量的平衡。4給水控制系統(tǒng)的MATLAB仿真根據(jù)串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)的工作原理，利用MATLAB / SIMULINK進(jìn)行控制 系統(tǒng)仿真試驗(yàn)。4.1控制系統(tǒng)的分析和整定4.1.1副回路的分析和整定根據(jù)串級(jí)控制系統(tǒng)的分析整定方法，應(yīng)將副回路處理為具有近似比例特性的 快速隨動(dòng)系統(tǒng)，以使副回路具有快速消除

14、內(nèi)擾及快速跟蹤蒸汽流量的能力。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(shí)，給水流量反饋裝置的傳遞函數(shù)可設(shè)置為任意數(shù)值，以得到滿意的比例 帶值。如果傳遞函數(shù)以后需要改變，則應(yīng)相應(yīng)地改變比例帶值，使傳遞函數(shù)與比 例帶的比值保持為試探時(shí)的值，以保證內(nèi)回路的穩(wěn)定性。因?yàn)檎{(diào)節(jié)通道放大系數(shù) 較大，副調(diào)節(jié)回路可等效為反饋回路的倒數(shù)。4.1.2主回路的分析和整定在主回路中，如果把副回路近似看作為比例環(huán)節(jié)，則主回路等效為一個(gè)單回 路控制系統(tǒng)。如果以給水流量W作為被控對(duì)象的輸入信號(hào)，水位變送單元的輸出 為輸出信號(hào)，可以把主調(diào)節(jié)器與副回路兩者看作為等效主調(diào)節(jié)器。主回路仍按單回路系統(tǒng)的整定

15、方法整定，如通過(guò)試驗(yàn)方法求取主回路被控對(duì) 象的階躍響應(yīng)曲線，并由曲線求得參數(shù)，再按響應(yīng)曲線法中給定的公式計(jì)算等效 調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。4.1.3蒸汽流量前饋裝置傳遞函數(shù)的選擇串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)中的水位偏差完全由主調(diào)節(jié)器來(lái)校正，不要求送到 副調(diào)節(jié)器的蒸汽流量信號(hào)等于給水流量信號(hào)。因此，前饋裝置的傳遞函數(shù)選擇將 不受靜態(tài)特性無(wú)差條件的限制，而可根據(jù)鍋爐“虛假水位”的嚴(yán)重程度來(lái)確定。 通常使蒸汽流量信號(hào)大于給水流量信號(hào)，從而改善負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)控制過(guò)程的質(zhì)量。蒸汽流量信號(hào)不必過(guò)分加強(qiáng)。蒸汽負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)，水位最大偏差的數(shù)值決定于 擾動(dòng)的大小、速度和鍋爐的特性，因此蒸汽流量信號(hào)加強(qiáng)后對(duì)水位最大偏差的減 小無(wú)多

16、大作用，其意義在于減小控制過(guò)程中第1個(gè)波幅以后的水位波動(dòng)幅度和縮 短控制過(guò)程的時(shí)間。為了獲得滿意的調(diào)節(jié)效果（從調(diào)整時(shí)問(wèn)、超調(diào)量、動(dòng)態(tài)偏差、靜態(tài)偏差等方 面），選擇合適的調(diào)節(jié)器參數(shù)：主調(diào)節(jié)器5 = 0.9，T = 0.075，Td = 0 ；副調(diào)節(jié)器 6 = 4，T = 0.005，T = 0。4.2仿真模型及效果圖4.2.1仿真模型4.2.2，仿真效果給水控制系統(tǒng)定值擾動(dòng)仿真效果見圖1,內(nèi)擾仿真效果見圖2,外擾仿真效果 見圖3頂，汕：收皿斗沌，7龍皈】偵.頃時(shí)阿&0 100 2D0 30Q 400 &00 600 TOO 800 900 1 頗時(shí)間Js圖1給水控制系統(tǒng)定值擾動(dòng)仿真效果_g一 -

17、k1 L ，_一L.l.0 100 200 300 400 600 GQO 700900 1000時(shí)帆/s0 100 aoo 300 如。500 600 700 官00 900 10CQ時(shí)間八圖3給水控制系統(tǒng)外擾仿真效果圖2給水控制系統(tǒng)內(nèi)擾仿真效果從仿真效果可知，串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)對(duì)各種典型影響因素的干擾均能 作出快速反應(yīng)，維持汽包水位的穩(wěn)定。5、單沖量給水控制系統(tǒng)和三沖量給水控制系統(tǒng)的比較圖4單沖量給水控制系統(tǒng)圖5串極三沖量給水控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)給水全程控制可以采用改變調(diào)節(jié)門開度，即改變給水管路阻力的方法來(lái) 改變給水量，也可以采用改變給水泵轉(zhuǎn)速，即改變給水壓力的方法來(lái)改變給水量。 前一種方法節(jié)

18、流損失大，給水泵的消耗功率多，不經(jīng)濟(jì)，故在一般單元機(jī)組的大 型鍋爐中都采用改變給水泵轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)給水控制，在給水控制系統(tǒng)中不僅要滿足 給水量調(diào)節(jié)的要求，同時(shí)還要保證給水泵工作在安全工作區(qū)內(nèi)。這就需要有兩套 給水控制系統(tǒng)來(lái)完成，即單沖量給水控制系統(tǒng)和三沖量給水控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具 有以下特點(diǎn)：兩個(gè)調(diào)節(jié)器任務(wù)不同，參數(shù)整定相對(duì)獨(dú)立。副調(diào)節(jié)器的任務(wù)是當(dāng)給 水?dāng)_動(dòng)時(shí)，迅速動(dòng)作使給水量保持不變；當(dāng)蒸汽量擾動(dòng)時(shí)，副調(diào)節(jié)器迅速改變給 水量，保持給水和蒸汽量平衡。主調(diào)節(jié)器的作用是校正水位，這比單級(jí)三沖量給 水控制系統(tǒng)的工作更為合理，故串級(jí)系統(tǒng)的調(diào)解質(zhì)量比單級(jí)系統(tǒng)要好一些。在負(fù) 荷變化時(shí)，水位靜態(tài)值是靠主調(diào)節(jié)器來(lái)維持的，并不要求進(jìn)入副調(diào)節(jié)器的蒸汽流 量信號(hào)的作用強(qiáng)度按所謂“靜態(tài)對(duì)比”來(lái)進(jìn)行整定。恰巧相反，在這里可以根 據(jù)對(duì)象在外擾下虛假水位的嚴(yán)重程度來(lái)適當(dāng)加強(qiáng)蒸汽流量信號(hào)的作用強(qiáng)度，以便 在負(fù)荷變化時(shí)，使蒸汽流量信號(hào)能更好地補(bǔ)償虛假水位的影響，從而改變蒸汽負(fù) 荷擾動(dòng)下的水位控制質(zhì)量。對(duì)于虛假水位現(xiàn)象較嚴(yán)重的被控對(duì)象，這一