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1、 4 汽 包 鍋 爐 給 水 控 制給 水 控 制 系 統(tǒng) 任 務(wù)給 水 控 制 對 象 的 動 態(tài) 特 性給 水 控 制 基 本 方 案鍋 爐 給 水 全 程 控 制 系 統(tǒng) 實 例 鍋 爐 給 水 控 制 系 統(tǒng) 的 任 務(wù) 使 給 水 量 適 應(yīng) 鍋 爐 蒸 發(fā) 量 ， 并 使 汽 包 的 水 位 保 持 在 一 定 范 圍 內(nèi) ， 即 ：（ 1） 維 持 汽 包 水 位 在 一 定 的 范 圍 內(nèi) 。 （ 2） 保 持 穩(wěn) 定 的 給 水 量 。汽 包 水 位 是 汽 包 鍋 爐 運 行 中 的 一 個 重 要 的 監(jiān) 控 參 數(shù) ，它 反 映 鍋 爐 蒸 汽 負 荷 與 給 水 量

2、之 間 的 平 衡 關(guān) 系 。 維 持汽 包 水 位 在 一 定 范 圍 內(nèi) 是 保 證 鍋 爐 和 汽 輪 機 安 全 運 行的 必 要 條 件 。 汽 包 水 位 過 高 會 影 響 汽 包 內(nèi) 汽 水 分 離 裝置 的 工 作 ， 造 成 出 口 蒸 汽 水 分 過 多 ， 使 過 熱 器 結(jié) 垢 而燒 壞 ， 嚴 重 時 會 導(dǎo) 致 汽 輪 機 進 水 ； 汽 包 水 位 過 低 ， 會破 壞 鍋 爐 的 水 循 環(huán) ， 甚 至 引 起 爆 管 。 現(xiàn) 在 機 組 都 是 給 水 全 程 控 制 系 統(tǒng) 。 所 謂 給 水 全 程 控 制 系統(tǒng) ， 是 指 在 機 組 啟 停 過 程

3、和 正 常 運 行 時 均 能 實 現(xiàn) 自 動 操作 的 控 制 系 統(tǒng) 。 因 為 隨 著 發(fā) 電 機 組 容 量 的 增 大 和 參 數(shù) 的不 斷 提 高 ， 機 組 的 控 制 與 運 行 管 理 變 得 越 來 越 復(fù) 雜 和 困難 。 尤 其 是 當 機 組 承 擔 變 動 負 荷 時 ， 不 僅 用 電 負 荷 劇 烈變 化 ， 而 且 機 組 的 啟 停 次 數(shù) 也 增 加 了 。 機 組 在 啟 停 過 程中 ， 需 要 監(jiān) 視 的 參 數(shù) 多 ， 而 且 操 作 控 制 的 項 目 也 大 大 增加 。 這 時 ， 運 行 人 員 更 需 要 各 個 自 動 化 系 統(tǒng) 能

4、發(fā) 揮 作 用， 用 以 減 輕 運 行 人 員 的 勞 動 強 度 ， 保 證 機 組 的 安 全 運 行。 因 此 ， 現(xiàn) 代 大 容 量 單 元 機 組 迫 切 需 要 在 不 同 負 荷 和 工況 下 都 能 起 良 好 控 制 作 用 的 自 動 控 制 系 統(tǒng) ， 這 就 產(chǎn) 生 了全 程 控 制 系 統(tǒng) 。 給 水 控 制 對 象 的 動 態(tài) 特 性 因 為 給 水 溫 度 遠 低 于 省 煤 器 的 溫 度 ， 即 給 水 有 一 定 的 冷卻 度 ， 水 進 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

5、了 省 煤 器 內(nèi) 的 沸 騰 度 ， 省 煤 器內(nèi) 的 汽 泡 總 容 積 減 少 ， 因 此 ， 進 入 省 煤 器 內(nèi) 的 水 首 先 用來 填 補 省 煤 器 中 汽 泡 破 滅 容 積 減 少 而 降 低 的 水 位 ， 經(jīng) 過一 段 延 遲 甚 至 水 位 下 降 后 ， 才 能 因 給 水 量 不 斷 從 省 煤 器進 入 汽 包 而 使 水 位 上 升 。 在 此 過 程 中 ， 負 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 。)1(1)( )( sTssTTssW sH sessW sH )( )( 沸 騰

6、式 省 煤 器 的 延 遲 時 間為 100 200s。非 沸 騰 式 省 煤 器 的 延 遲 時間 為 30 100s。 q 蒸 汽 流 量 擾 動 下 水 位 的 動 態(tài) 特 性 原 因 是 由 于 負 荷 增 加 時 ， 在 汽 水 循 環(huán) 回 路 中 的 蒸 發(fā) 強 度 也將 成 比 例 增 加 ， 水 面 下 汽 泡 的 容 積 增 加 得 也 很 快 ， 此 時 燃燒 率 M還 來 不 及 增 加 ， 汽 包 中 水 的 體 積 增 大 而 水 位 上 升 ，如 圖 中 曲 線 H2(t)所 示 。 在 開 始 的 一 段 時 間 H2(t)的 作 用 大于 H1(t)。 當 過

7、了 一 段 時 間 后 ， 即 汽 泡 容 積 和 負 荷 相 適 應(yīng)而 達 到 穩(wěn) 定 后 ， 水 位 就 要 反 映 出 物 質(zhì) 平 衡 關(guān) 系 而 下 降 。 22( )( ) (1 )H s kD s T s s 燃 燒 率 增 加 時 ， 鍋 爐 吸 收 更 多 的 熱 量 ， 使 蒸 發(fā) 強 度 增 大 ， 如果 不 調(diào) 節(jié) 蒸 汽 閥 門 ， 由 于 鍋 爐 出 口 汽 壓 提 高 ， 蒸 汽 流 量 也 增大 ， 這 時 蒸 發(fā) 量 大 于 給 水 量 ， 水 位 應(yīng) 下 降 。 但 由 于 在 熱 負 荷增 加 時 蒸 發(fā) 強 度 的 提 高 ， 使 汽 水 混 合 物 中

8、的 汽 泡 容 積 增 加 ，而 且 這 種 現(xiàn) 象 必 然 先 于 蒸 發(fā) 量 增 加 之 前 發(fā) 生 ， 從 而 使 汽 包 水位 先 上 升 ， 從 而 引 起 “ 虛 假 水 位 ” 現(xiàn) 象 。 當 蒸 發(fā) 量 與 燃 燒 量相 適 應(yīng) 時 ， 水 位 便 會 迅 速 下 降 ， 這 種 “ 虛 假 水 位 ” 現(xiàn) 象 比 蒸汽 量 擾 動 要 小 一 些 ， 但 其 持 續(xù) 時 間 長 。 ssTKsM sH 3331)( )( 給 水 控 制 基 本 方 案單 沖 量 （ 反 饋 ） ： 小 容 量 /大 型 超 高 壓 （ 接 近 臨 界 壓 力 ） 鍋 爐雙 沖 量 （ 比 值

9、 ） ： 1） 物 質(zhì) 平 衡 （ 給 水 量 耗 汽 量 )： 水 位 開 環(huán) 控 制 ， 故不 單 獨 使 用 2） 前 饋 +反 饋 ： 未 考 慮 給 水 量 對 水 位 的 影 響 ， 在 中、 小 鍋 爐 用三 沖 量 （ 反 饋 +比 值 ） （ 前 饋 -反 饋 、 反 饋 ） -IhIh0 單 沖 量 調(diào) 節(jié) 時 :汽 包 水 位 測 量 值 與 汽 包 水位 設(shè) 定 值 的 偏 差 （ 定 值 減 測 量 值 ， 以 形成 調(diào) 節(jié) 器 輸 出 的 反 作 用 ） 進 入 單 沖 量 PID調(diào) 節(jié) 器 ， PID輸 出 控 制 單 臺 運 行 泵 的 勺 管開 度 ； 但 是

10、 ， 內(nèi) 擾 遲 延 大 和 外 擾 時 “ 虛 假 水 位 ” 明 顯 的 水位 對 象 ， 該 系 統(tǒng) 存 在 嚴 重 的 不 足 ， 簡 述 如 下 ： 假 設(shè)某 時 刻 發(fā) 生 了 負 荷 擾 動 ， 蒸 汽 流 量 增 加 ， 蒸 汽 流 量大 于 給 水 流 量 ， 正 確 的 控 制 作 用 應(yīng) 及 時 增 加 給 水 量。 但 是 由 于 虛 假 水 位 的 存 在 使 水 位 不 是 下 降 ， 而 是上 升 ！ 調(diào) 節(jié) 器 輸 入 偏 差 小 于 0， 閥 門 開 度 減 小 ， 使 本來 已 有 的 流 量 不 平 衡 進 一 步 擴 大 了 。 不 難 想 象 ， 虛假

11、 水 位 后 緊 接 著 的 是 水 位 急 劇 下 降 ， 這 就 擴 大 了 動態(tài) 偏 差 ， 延 長 了 調(diào) 節(jié) 過 程 時 間 。 另 一 方 面 ， 當 水 位下 降 后 ， 在 控 制 作 用 下 增 加 給 水 流 量 時 由 于 給 水 內(nèi) 擾 通 道 有 較 大 的 遲 延 ， 調(diào) 節(jié) 效 果 不 能 及時 反 映 出 來 。 這 就 是 說 ， 即 使 給 水 流 量 增 加 大 于 蒸發(fā) 量 ， 被 調(diào) 量 水 位 并 不 能 馬 上 上 升 ， 調(diào) 節(jié) 器 輸 入 偏差 持 續(xù) 大 于 0。 這 可 能 使 給 水 流 量 反 過 來 遠 大 于 蒸 汽流 量 ， 加

12、劇 了 系 統(tǒng) 的 振 蕩 ， 延 長 了 調(diào) 節(jié) 過 程 時 間 ，甚 至 不 能 滿 足 生 產(chǎn) 過 程 的 要 求 。 所 以 ， 對 大 、 中 型鍋 爐 ， 不 宜 采 用 單 沖 量 控 制 系 統(tǒng) 。 單 沖 量 控 制 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 簡 單 ， 可 用 于 內(nèi) 擾 遲 延 小 ， 外擾 時 虛 假 水 位 不 嚴 重 的 小 鍋 爐 ， 也 可 用 于 大 型 機 組的 低 負 荷 階 段 的 給 水 控 制 中 。 這 是 因 為 在 低 負 荷 階段 由 于 鍋 爐 的 疏 水 和 排 污 等 因 素 的 影 響 ， 使 給 水 流量 和 蒸 汽 流 量 存 在 著 嚴

13、重 的 不 平 衡 ， 且 流 量 太 小 ，測 量 誤 差 較 大 。 同 時 ， 因 汽 包 壓 力 低 虛 假 水 位 也 不嚴 重 ， 不 宜 采 用 三 沖 量 控 制 。 蒸汽流量汽包水位給水流量 從 圖 中 可 以 看 出 ， 調(diào) 節(jié) 器 接 受 三 個 信 號 （ H、 W、 D） ， 其 輸 出 通 過 執(zhí) 行 機 構(gòu) 去 控 制 給 水 量 W， 其 中 水 位H是 主 要 控 制 信 號 ， 水 位 高 時 應(yīng) 減 少 給 水 流 量 ， 水 位低 時 應(yīng) 增 加 給 水 流 量 。 蒸 汽 流 量 D和 給 水 流 量 W的 變化 是 引 起 水 位 變 化 的 主 要

14、 原 因 （ 擾 動 信 號 ） ， 它 們分 別 作 為 水 位 控 制 的 前 饋 信 號 和 反 饋 信 號 。 當 D改 變時 ， 調(diào) 節(jié) 器 PI動 作 。 適 當 地 改 變 給 水 量 W， 保 證 D和W比 值 不 變 ； 而 當 W自 發(fā) 地 改 變 時 ， PI也 立 即 動 作 使W恢 復(fù) 原 來 數(shù) 值 ， 有 效 地 控 制 水 位 的 變 化 。 蒸 汽 流 量 D是 為 了 克 服 虛 假 水 位 引 起 的 調(diào) 節(jié) 器 誤 動 作。 例 如 ， 當 蒸 汽 流 量 D增 加 時 ， 由 于 虛 假 水 位 的 影 響， 使 水 位 上 升 ， Ih下 降 ， 這

15、 就 是 調(diào) 節(jié) 器 輸 入 偏 差 變 負， 使 給 水 量 減 少 。 但 與 此 同 時 ， 加 入 調(diào) 節(jié) 器 輸 入 端的 前 饋 信 號 ID也 增 加 了 。 ID的 作 用 是 要 增 加 給 水 流量 。 顯 然 ， 如 果 ID整 定 的 得 當 ， 就 可 抵 消 虛 假 水 位的 影 響 。 給 水 流 量 信 號 IW是 為 了 克 服 給 水 流 量 的 內(nèi) 擾 ， 及 時反 映 控 制 效 果 ， 改 善 調(diào) 節(jié) 品 質(zhì) 。 例 如 ， 當 某 種 原 因引 起 給 水 流 量 增 加 時 ， 由 于 內(nèi) 擾 通 道 的 遲 延 ， 水 位不 能 立 即 上 升

16、， 但 IW增 加 了 ， 這 就 使 調(diào) 節(jié) 器 的 輸 入偏 差 變 為 負 值 ， 調(diào) 節(jié) 器 的 輸 出 使 閥 門 開 度 減 小 ， 及時 減 少 了 給 水 流 量 ， 這 就 大 大 降 低 了 給 水 流 量 內(nèi) 擾對 水 位 的 影 響 。 這 個 克 服 給 水 流 量 內(nèi) 擾 的 控 制 過 程是 在 給 水 流 量 內(nèi) 回 路 中 進 行 。 內(nèi) 回 路 動 作 快 ， 可 以迅 速 消 除 內(nèi) 擾 。 由 于 汽 包 水 位 信 號 形 成 的 閉 合 回 路 是 給 水 控 制 系 統(tǒng)的 主 回 路 。 無 論 內(nèi) 擾 還 是 外 擾 使 汽 包 水 位 偏 離

17、給 定值 時 ， 改 變 給 水 流 量 ， 使 水 位 朝 著 減 小 和 消 除 被 調(diào)量 偏 差 的 方 向 變 化 ， 并 最 終 使 汽 包 水 位 等 于 給 定 值 與 單 沖 量 控 制 系 統(tǒng) 相 比 ， 該 系 統(tǒng) 引 入 了 用 于 克 服 虛假 水 位 的 蒸 汽 流 量 信 號 ID（ 前 饋 信 號 ） 和 用 于 抑 制給 水 內(nèi) 擾 的 給 水 流 量 信 號 IW（ 局 部 反 饋 信 號 ） ， 所以 稱 為 三 沖 量 系 統(tǒng) 。 當 蒸 汽 流 量 改 變 時 ， 通 過 前 饋控 制 作 用 ， 可 及 時 改 變 給 水 流 量 ， 力 圖 維 持

18、進 出 鍋爐 內(nèi) 的 物 質(zhì) 平 衡 ， 這 有 利 于 克 服 虛 假 水 位 現(xiàn) 象 ； 當給 水 流 量 發(fā) 生 自 發(fā) 性 擾 動 時 ， 通 過 局 部 反 饋 控 制 作用 ， 可 抑 制 這 種 擾 動 對 給 水 流 量 以 及 汽 包 水 位 的 影響 ， 有 利 于 減 少 汽 包 水 位 的 波 動 。 因 此 ， 三 沖 量 給水 控 制 系 統(tǒng) 在 克 服 擾 動 、 維 持 汽 包 水 位 穩(wěn) 定 和 提 高給 水 控 制 質(zhì) 量 方 面 優(yōu) 于 單 沖 量 給 水 控 制 系 統(tǒng) 。 主調(diào)節(jié)器副調(diào)節(jié)器 串 級 三 沖 量 給 水 控 制 系 統(tǒng) 由 主 、 副 兩

19、 個 調(diào) 節(jié) 器 和 三個 沖 量 （ 汽 包 水 位 、 蒸 汽 流 量 、 給 水 流 量 ） 構(gòu) 成 。與 單 級 三 沖 量 相 比 ， 該 系 統(tǒng) 多 采 用 了 一 個 調(diào) 節(jié) 器 ，兩 個 調(diào) 節(jié) 器 分 工 明 確 、 串 聯(lián) 工 作 。 主 調(diào) 節(jié) 器 為 水 位調(diào) 節(jié) 器 ， 它 根 據(jù) 水 位 偏 差 產(chǎn) 生 給 水 流 量 給 定 值 。 副調(diào) 節(jié) 器 為 給 水 流 量 調(diào) 節(jié) 器 ， 它 根 據(jù) 給 水 流 量 偏 差 來控 制 給 水 流 量 ， 蒸 汽 流 量 信 號 作 為 前 饋 信 號 用 來 維持 負 荷 變 動 時 的 物 質(zhì) 平 衡 。 由 此 構(gòu)

20、成 一 個 前 饋 -反 饋控 制 系 統(tǒng) 。 與 單 沖 量 控 制 系 統(tǒng) 相 比 ， 該 系 統(tǒng) 引 入 了 用 于 克 服 虛假 水 位 的 蒸 汽 流 量 信 號 （ 前 饋 信 號 ） 和 用 于 抑 制 給水 內(nèi) 擾 的 給 水 流 量 信 號 （ 局 部 反 饋 信 號 ） ， 所 以 稱為 三 沖 量 系 統(tǒng) 。 當 蒸 汽 流 量 改 變 時 ， 通 過 前 饋 控 制作 用 ， 可 及 時 改 變 給 水 流 量 ， 力 圖 維 持 進 出 鍋 爐 內(nèi)的 物 質(zhì) 平 衡 ， 這 有 利 于 克 服 虛 假 水 位 現(xiàn) 象 ； 當 給 水流 量 發(fā) 生 自 發(fā) 性 擾 動

21、時 ， 通 過 局 部 反 饋 控 制 作 用 ，可 抑 制 這 種 擾 動 對 給 水 流 量 以 及 汽 包 水 位 的 影 響 ，有 利 于 減 少 汽 包 水 位 的 波 動 。 因 此 ， 三 沖 量 給 水 控制 系 統(tǒng) 在 克 服 擾 動 、 維 持 汽 包 水 位 穩(wěn) 定 和 提 高 給 水控 制 質(zhì) 量 方 面 優(yōu) 于 單 沖 量 給 水 控 制 系 統(tǒng) 。 與 單 沖 量 控 制 系 統(tǒng) 相 比 ， 該 系 統(tǒng) 引 入 了 用 于 克 服 虛假 水 位 的 蒸 汽 流 量 信 號 （ 前 饋 信 號 ） 和 用 于 抑 制 給水 內(nèi) 擾 的 給 水 流 量 信 號 （ 局

22、部 反 饋 信 號 ） ， 所 以 稱為 三 沖 量 系 統(tǒng) 。 當 蒸 汽 流 量 改 變 時 ， 通 過 前 饋 控 制作 用 ， 可 及 時 改 變 給 水 流 量 ， 力 圖 維 持 進 出 鍋 爐 內(nèi)的 物 質(zhì) 平 衡 ， 這 有 利 于 克 服 虛 假 水 位 現(xiàn) 象 ； 例 如 ，當 蒸 汽 流 量 D增 加 時 ， 由 于 虛 假 水 位 的 影 響 ， 使 水 位上 升 ， 這 就 是 調(diào) 節(jié) 器 輸 入 偏 差 變 負 ， 使 給 水 量 減 少。 但 與 此 同 時 ， 加 入 調(diào) 節(jié) 器 輸 入 端 的 前 饋 信 號 也 增加 了 , 增 加 給 水 流 量 。 顯

23、然 ， 如 果 整 定 的 得 當 ， 就 可抵 消 虛 假 水 位 的 影 響 。 內(nèi) 回 路 是 由 給 水 流 量 變 送 器 、 副 調(diào) 節(jié) 器 、 執(zhí) 行 機 構(gòu)組 成 的 閉 合 回 路 ， 由 于 內(nèi) 回 路 不 包 括 遲 延 較 大 的 水位 對 象 ， 副 調(diào) 節(jié) 器 的 比 例 積 分 作 用 可 整 定 的 很 強 。例 如 ， 當 某 種 原 因 引 起 給 水 流 量 增 加 時 ， 由 于 內(nèi) 擾通 道 的 遲 延 ， 水 位 不 能 立 即 上 升 ， 但 調(diào) 節(jié) 器 的 輸 入偏 差 變 為 負 值 ， 調(diào) 節(jié) 器 的 輸 出 使 閥 門 開 度 減 小 ，

24、及時 減 少 了 給 水 流 量 ， 這 就 大 大 降 低 了 給 水 流 量 內(nèi) 擾對 水 位 的 影 響 。 這 個 克 服 給 水 流 量 內(nèi) 擾 的 控 制 過 程是 在 給 水 流 量 內(nèi) 回 路 中 進 行 。 內(nèi) 回 路 動 作 快 ， 可 以迅 速 消 除 內(nèi) 擾 。 三沖量調(diào)節(jié)時：汽包水位測量值與汽包水位設(shè)定值的偏差（定值減測量值，形成主調(diào)的反作用）進入三沖量主調(diào)節(jié)器，其輸出疊加上（由調(diào)節(jié)級壓力經(jīng)函數(shù)校正后得到的修正后的蒸汽流量，形成副調(diào)節(jié)器的設(shè)定值。副調(diào)的設(shè)定值與給水流量的偏差（定值減測量值，形成副調(diào)的反作用）進入副調(diào)節(jié)器，輸出直接控制單臺運行泵的勺管開度。即在主調(diào)輸出提

25、前加入蒸汽流量的變化，提高調(diào)節(jié)的快速性。 鍋 爐 給 水 全 程 控 制 系 統(tǒng) 實 例 水 位 調(diào) 節(jié) 系 統(tǒng) 采 用 全 程 給 水 控 制 ， 即 傳 統(tǒng) 的 三 沖 量調(diào) 節(jié) 方 式 （ 調(diào) 節(jié) 系 統(tǒng) 采 用 了 汽 包 水 位 、 蒸 汽 流 量 、給 水 流 量 三 個 信 號 ） 和 單 沖 量 調(diào) 節(jié) 方 式 （ 調(diào) 節(jié) 系 統(tǒng)只 接 收 汽 包 水 位 信 號 ） 。 調(diào) 節(jié) 系 統(tǒng) 改 變 給 水 泵 勺 管執(zhí) 行 機 構(gòu) 的 開 度 。 單 沖 量 調(diào) 節(jié) 時 :汽 包 水 位 測 量 值 與汽 包 水 位 設(shè) 定 值 的 偏 差 （ 定 值 減 測 量 值 ， 以 形

26、 成 調(diào)節(jié) 器 輸 出 的 反 作 用 ） 進 入 單 沖 量 PID調(diào) 節(jié) 器 ， PID輸出 控 制 單 臺 運 行 泵 的 勺 管 開 度 ； 三 沖 量 調(diào) 節(jié) 時 ： 汽包 水 位 測 量 值 與 汽 包 水 位 設(shè) 定 值 的 偏 差 （ 定 值 減 測量 值 ， 形 成 主 調(diào) 的 反 作 用 ） 進 入 三 沖 量 主 調(diào) 節(jié) 器 ，其 輸 出 疊 加 上 （ 由 調(diào) 節(jié) 級 壓 力 經(jīng) 函 數(shù) 校 正 后 得 到 的修 正 后 的 蒸 汽 流 量 ， 形 成 副 調(diào) 節(jié) 器 的 設(shè) 定 值 。 副 調(diào)的 設(shè) 定 值 與 給 水 流 量 的 偏 差 （ 定 值 減 測 量 值 ， 形 成副 調(diào) 的 反 作 用 ） 進 入 副 調(diào) 節(jié) 器 ， 輸 出 直 接 控 制 單 臺運 行 泵 的 勺 管 開 度 。 即 在 主 調(diào) 輸 出 提 前 加 入 蒸 汽 流 量 的 變 化 ， 提 高 調(diào) 節(jié) 的 快 速 性 。