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1、電氣信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 目 錄 1 引言 1 1.1 論文選題背景、目的和意義 1 1.1.1 電廠熱工自動(dòng)化控制的發(fā)展 2 1.1.2 自動(dòng)控制理論的發(fā)展 2 1.2 控制系統(tǒng)規(guī)模、組成結(jié)構(gòu)和硬件的發(fā)展 3 1.2.1 初級(jí)階段 3 1.2.2 常規(guī)儀表階段 3 1.2.3 大型自動(dòng)化階段 3 1.3 國(guó)外一些主要的DCS系統(tǒng) 4 2 汽包鍋爐工藝 4 2.1 汽包鍋爐簡(jiǎn)介 4 2.2 汽包水位控制系統(tǒng) 5 2.3 汽包水位的動(dòng)、靜態(tài)特性 5 2.3.1 汽包

2、水位在給水流量作用下的動(dòng)態(tài)特性 6 2.3.2 汽包水位在蒸汽流量擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性 7 2.3.3 燃料量擾動(dòng)下汽包水位的動(dòng)態(tài)特性 8 2.3.4 水位對(duì)象靜態(tài)特性分析 9 3 目前主要存在單沖量水位控制系統(tǒng)、雙沖量控制系統(tǒng)、三沖量系統(tǒng) 9 3.1 單沖量水位控制方案 9 3.2 雙沖量控制方案 10 3.3 三沖量控制系統(tǒng) 13 3.3.1 三沖量控制方案之一 13 3.3.2 三沖量控制方案二 15 3.3.3 三沖量控制方案三 16 3.4 幾種控制方案的比較 18 3.5 最優(yōu)方案解析 19 3.6 三沖量控制系統(tǒng)的工程整定 21

3、3.6.1 輸入信號(hào)之間的靜態(tài)配合 21 3.6.2 控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)整定 23 4 工程中需要注意的問題 25 4.1 關(guān)于汽包水位測(cè)量的問題 25 4.2 給水閥的選擇問題 25 4.2.1 關(guān)于給水調(diào)節(jié)閥的氣開氣關(guān)的選擇。 25 4.2.2 關(guān)于給水調(diào)節(jié)閥型號(hào)的選擇。 25 4.3 給水流量 蒸汽流量 26 5 結(jié)束語 26 參 考 文 獻(xiàn) 26 致 謝 27 文 摘 本文在具體分析了一些影響汽包水位對(duì)象控制主要因數(shù)的基礎(chǔ)上，討論了目前通常采用的控制方法,深入分析了水位對(duì)象模型的動(dòng)靜特性。首先從鍋爐汽包內(nèi)水的熱平衡、物質(zhì)平衡原理出發(fā)，推導(dǎo)

4、出了用來描述鍋爐水位對(duì)象的通用機(jī)理控制模型，通過對(duì)幾種控制方案的分析、研究與比較，選三沖量系統(tǒng)作為最佳控制方案，并著力研究三沖量系統(tǒng)的特點(diǎn)。隨后對(duì)其在PID的參數(shù)整定方面也進(jìn)行了必要的分析，并略述了工程中需要注意的問題。在此基礎(chǔ)上，我們可以了解到汽包水位控制系統(tǒng)的新發(fā)展。 關(guān)鍵詞 鍋爐汽包；水位控制；三沖量控制系統(tǒng)；PID；參數(shù)整定；最佳方案 1 引言 1.1 論文選題背景、目的和意義 隨著電子產(chǎn)品的降價(jià)及自動(dòng)化生產(chǎn)線工藝控制連續(xù)穩(wěn)定優(yōu)勢(shì)的凸現(xiàn)，越來越多的企業(yè)準(zhǔn)備將自己的核心生產(chǎn)線改成全自動(dòng)化生產(chǎn)線或者對(duì)個(gè)別關(guān)鍵工藝參數(shù)采用自動(dòng)控制。工業(yè)應(yīng)用自控技術(shù)在中國(guó)的推廣使用較

5、晚，但近年來發(fā)展較快。國(guó)內(nèi)現(xiàn)在做汽包水位自動(dòng)控制系統(tǒng)方面的設(shè)計(jì)公司很多，但由于能夠集工藝要求、自動(dòng)化技術(shù)和電氣技術(shù)三者于一體的設(shè)計(jì)不多，所以人們清楚地認(rèn)識(shí)到自動(dòng)控制技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用中的重要地位和作用，在水位控制系統(tǒng)中，主要采用“三沖量控制”方案來實(shí)現(xiàn)鍋爐汽包水位控制更是重中之重。 本設(shè)計(jì)是通過了解了鍋爐汽包水位控制的發(fā)展并在具體分析其動(dòng)、靜特性的基礎(chǔ)上從單沖量控制到雙沖量控制最后到三沖量控制的設(shè)計(jì)方案中擇優(yōu)選擇了“三沖量”控制，具體的方案設(shè)計(jì)存在的優(yōu)缺點(diǎn)詳見下文解析。 本課題的目的及意義：鍋爐汽包水位控制是維持鍋筒水位在允許的范圍內(nèi)，使鍋爐的給水量適應(yīng)鍋爐的蒸發(fā)量。由于鍋爐的水位同時(shí)受到鍋爐

6、側(cè)和氣輪機(jī)側(cè)的影響，因此，當(dāng)鍋爐負(fù)荷變化或氣輪機(jī)用汽量變化時(shí)，通過給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)保持鍋爐的水位正常是保證鍋爐和氣輪機(jī)安全運(yùn)行的重要條件。水位過高或過低，都是不允許的。水位過高會(huì)影響汽水分離器的正常工作，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致蒸汽帶水增加，使過熱器管壁和氣輪機(jī)葉片結(jié)垢，造成事故；鍋爐出口蒸汽帶水過多還會(huì)使過熱蒸汽溫度產(chǎn)生急劇變化。水位過低，則會(huì)破壞正常水循環(huán)，危及水冷壁受熱面的安全。一般要求鍋筒水位維持在設(shè)計(jì)值75~100mm范圍內(nèi)。 1.1.1 電廠熱工自動(dòng)化控制的發(fā)展 自動(dòng)控制理論及工程應(yīng)用的發(fā)展至今已有100多年的歷史，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用范圍也越來越廣泛。電廠熱工

7、系統(tǒng)更不例外主要表現(xiàn)在系統(tǒng)越來越大，高參數(shù)大容積，除了對(duì)控制硬件提出了高可靠性要求之外，對(duì)控制理論也不斷提出新要求，希望能不斷解決新出現(xiàn)的控制難題，自動(dòng)控制的發(fā)展主要包括兩個(gè)方面：（1）控制理論的發(fā)展；（2）控制系統(tǒng)規(guī)模及組成結(jié)構(gòu)和硬件的發(fā)展。 1.1.2 自動(dòng)控制理論的發(fā)展 l “經(jīng)典控制理論”階段 上世紀(jì)50年代前發(fā)展的控制理論被稱為“古典控制理論”。它主要研究的自動(dòng)控制系統(tǒng)為線性定常系統(tǒng)，被控對(duì)象集中于SISO系統(tǒng)。經(jīng)典控制理論所采用的方法通常是以傳遞函數(shù)、頻率特性、根軌跡分布為基礎(chǔ)的波德圖法和根軌跡法，包括各種穩(wěn)定性判據(jù)和對(duì)數(shù)頻率特性。 l “現(xiàn)代控制理論”階段 60年代以

8、后發(fā)展起來的現(xiàn)代控制理論主要研究MIMO系統(tǒng)。系統(tǒng)可以是線性或非線性的，定?；驎r(shí)變的。它采用狀態(tài)方程代替經(jīng)典理論中的一個(gè)高階微分方程式來描述系統(tǒng)，并且系統(tǒng)中各個(gè)變量均為時(shí)間t的函數(shù)，因而屬于時(shí)域分析方法。采用狀態(tài)方程的好處可以研究系統(tǒng)的內(nèi)部特性，可以分析系統(tǒng)的本質(zhì)。主要內(nèi)容包括：（1）系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述和能控性、能觀性分析；（2）李亞譜諾夫穩(wěn)定性理論和李亞譜諾夫函數(shù)，系統(tǒng)識(shí)別和卡爾曼濾波理論；（3）非線性系統(tǒng)控制；（4）系統(tǒng)最優(yōu)控制及自適應(yīng)控制 l “大系統(tǒng)理論和先進(jìn)控制理論”階段 前兩個(gè)階段的控制理論的發(fā)展與應(yīng)用，主要討論存在數(shù)學(xué)模型的自動(dòng)控制系統(tǒng)，但是對(duì)于那些不具有數(shù)學(xué)模型或很難找到數(shù)

9、學(xué)模型的被控對(duì)象，應(yīng)用經(jīng)典控制理論的方法等無法解決。但是，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和價(jià)格的下降，使計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越寬，先進(jìn)控制日益發(fā)展和應(yīng)用起來了。先進(jìn)控制主要包括自適應(yīng)控制、預(yù)測(cè)控制、智能控制、魯棒控制等。人工智能學(xué)科的發(fā)展促進(jìn)了自動(dòng)控制理論向著智能控制方向發(fā)展，而智能控制和具有智能化的自動(dòng)控制系統(tǒng)又是人工智能的一個(gè)既有廣泛應(yīng)用前景的研究領(lǐng)域。70年代末開始的智能控制理論和大系統(tǒng)理論的研究與應(yīng)用，是現(xiàn)代控制論在深度上和廣度上的開拓，因此在控制工程界受到極大的關(guān)注，主要包括：專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制、學(xué)習(xí)控制等。智能控制具有如下特點(diǎn)：以專家和熟練操作工人的知識(shí)為基礎(chǔ)進(jìn)行推理、判斷、預(yù)

10、測(cè)和規(guī)劃，采用符號(hào)信息處理、啟發(fā)式程序設(shè)計(jì)，知識(shí)表示和自學(xué)習(xí)、推理與決策的智能化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)問題的綜合性求解。先進(jìn)控制離不開前兩個(gè)階段的控制理論，只是把自動(dòng)控制理論推向一個(gè)更深化的嶄新階段。 1.2 控制系統(tǒng)規(guī)模、組成結(jié)構(gòu)和硬件的發(fā)展 1.2.1 初級(jí)階段 本世紀(jì)50年代前后，熱工生產(chǎn)過程主要是憑生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，局限于一般的控制元件和機(jī)電式控制儀器，采用比較笨重的基地式儀表實(shí)現(xiàn)機(jī)、爐、電各自獨(dú)立的分散的局部自動(dòng)控制。各控制系統(tǒng)之間沒有或很少有聯(lián)系，所應(yīng)用的理論是經(jīng)典控制理論。 1.2.2 常規(guī)儀表階段 50年代末及以后十年間，隨著儀表工業(yè)大力發(fā)展，先后出現(xiàn)了電動(dòng)單元儀表和巡回監(jiān)測(cè)裝

11、置，這些高性能的儀表廣泛應(yīng)用于熱工過程，并且機(jī)組容量增大，對(duì)效率及安全的要求越來越突出，因此熱工控制的要求和精度變得越來越高。要求實(shí)現(xiàn)把機(jī)、爐作為一單元整體來進(jìn)行集中控制，儀表盤表裝在一起監(jiān)視，從而使機(jī)、爐啟停更為協(xié)調(diào)，對(duì)提高設(shè)備效率和強(qiáng)化生產(chǎn)過程有所促進(jìn)。此時(shí)所用的儀表有電動(dòng)及組裝儀表。理論發(fā)展主要是處于“經(jīng)典控制理論”階段，但也開始考慮最優(yōu)控制等，各種DDZ型儀表廣泛應(yīng)用于水位控制中。 1.2.3 大型自動(dòng)化階段 70年代至今，由于集成電路及計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了過程控制最優(yōu)化與管理調(diào)度自動(dòng)化相結(jié)合的分散計(jì)算機(jī)控制，目前火電發(fā)電廠都發(fā)展到了管理、決策、財(cái)務(wù)、生產(chǎn)過程一體化的（C

12、IPS）階段，整個(gè)機(jī)組的生產(chǎn)過程的控制只是其中的一個(gè)子系統(tǒng)。采用集中分散型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，DCS它把各系統(tǒng)之間、廠級(jí)管理、調(diào)度等用大型計(jì)算機(jī)進(jìn)行集中管理，而各個(gè)子回路分散控制，充分發(fā)揮了集中控制和分散控制各自的優(yōu)點(diǎn)，是一種比較合理的新型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。隨著這個(gè)過程，控制理論的應(yīng)用有了新的發(fā)展，各種先進(jìn)控制技術(shù)也能廣泛應(yīng)用于熱工過程。水位控制的模式主要是三沖量，但是先進(jìn)控制技術(shù)也應(yīng)用到水位控制中來，如自適應(yīng)控制、預(yù)測(cè)控制、模糊控制、還有可以用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制。甚至應(yīng)用建模技術(shù)，可以對(duì)過程實(shí)時(shí)建摸，更加提高了控制效果。 1.3 國(guó)外一些主要的DCS系統(tǒng) 國(guó)外DCS系統(tǒng)經(jīng)過幾十年的發(fā)展

13、，計(jì)算機(jī)集散控制系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用于包括電廠在內(nèi)的諸多工業(yè)部門。目前，世界上約有40多家公司生產(chǎn)近百種簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的商業(yè)產(chǎn)品。比較有名的如美國(guó)的ABB、Honeywell、Tayler、Foxboro；以及日本的橫河——北辰、日立、東芝；德國(guó)的Siemens等多跨國(guó)公司。這些成熟的DCS系統(tǒng)都有可靠的性能，都有對(duì)于專門的生產(chǎn)過程發(fā)展的DCS系統(tǒng)，可以很方便、任意的組態(tài)，里面都包含了幾乎所有的控制算法，用戶可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況實(shí)現(xiàn)自己的控制策略。由于這些系統(tǒng)的良好的開放性，用戶可以在此基礎(chǔ)上作二次開發(fā)，把最新的技術(shù)應(yīng)用到自己的系統(tǒng)中來，增強(qiáng)原系統(tǒng)的功能。 2 汽包鍋爐工藝 2.1 汽包鍋爐簡(jiǎn)介

14、 在設(shè)計(jì)鍋爐汽包水位控制的過程中首先從汽包鍋爐入手，汽包鍋爐有自然循環(huán)方式和強(qiáng)制循環(huán)方式兩種，汽包鍋爐自動(dòng)控制的任務(wù)與直流鍋爐幾乎一樣，也是主要包括四個(gè)方面：（1）保證系統(tǒng)安全運(yùn)行；（2）保持燃燒的經(jīng)濟(jì)性；（3）保持爐膛負(fù)壓在一定范圍內(nèi)；（4）運(yùn)行中保證氣輪機(jī)所需的蒸汽量，過熱蒸汽壓力和蒸汽溫度的恒定。無論上一自然循環(huán)還是強(qiáng)制循環(huán)鍋爐，其給水控制的任務(wù)都是為了保證鍋爐負(fù)荷和給水的平衡關(guān)系。但是，汽包鍋爐由于有了汽包的存在，使鍋爐的運(yùn)行方式、鍋爐的結(jié)構(gòu)、工作原理與直流鍋爐不同，這就使實(shí)現(xiàn)控制的方式，采用被調(diào)量都有所區(qū)別。 汽包鍋爐的工作原理：汽包鍋爐的蒸發(fā)系統(tǒng)有汽包、下降管、分配水管、下

15、聯(lián)箱、上升管、上聯(lián)箱、上升管、上聯(lián)箱、汽水引出管、汽水分離器組成，這種與直流鍋爐結(jié)構(gòu)的不同的最大優(yōu)點(diǎn)是：這個(gè)蒸發(fā)系統(tǒng)是閉合的，工質(zhì)在所有時(shí)候都在這個(gè)閉合的蒸發(fā)管道系統(tǒng)中不斷循環(huán)。鍋爐的蒸發(fā)受熱面是有比較明顯的分界線的。無論是自然循環(huán)還是強(qiáng)制循環(huán)汽包鍋爐只是工質(zhì)的循環(huán)方式不同，并不改變汽包鍋爐的工作原理。這主要是由鍋爐運(yùn)行參數(shù)決定的，而且沒有很嚴(yán)格的規(guī)定，當(dāng)鍋爐壓力工作在9.8MPa~18.6MPa范圍內(nèi)時(shí)，汽水密度差可以自行推動(dòng)工質(zhì)流動(dòng)，因此可以采用自然循環(huán)；當(dāng)鍋爐工作壓力≥16MPa時(shí)，一般可以采用強(qiáng)制循環(huán)。 調(diào)節(jié)過程特點(diǎn)：汽包水位成為給水控制的唯一標(biāo)志，因此汽包水位：（1）反映了鍋爐負(fù)荷

16、與給水的平衡關(guān)系；（2）汽包水位影響蒸發(fā)面的改變，影響鍋爐的安全運(yùn)行。因此在汽包鍋爐中，給水控制比直流鍋爐的給水控制簡(jiǎn)單，其對(duì)象可以看成是帶有可測(cè)擾動(dòng)的兩輸入輸出系統(tǒng)，其指標(biāo)是單一的，也即把水位維持在一個(gè)范圍內(nèi)即可。 2.2 汽包水位控制系統(tǒng) 眾所周知，工業(yè)過程控制系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和經(jīng)濟(jì)性是企業(yè)考慮的重中之重，是衡量系統(tǒng)是否可靠的重要指標(biāo)。隨著工業(yè)自動(dòng)化整體水平的提高，方案的選擇范圍增多，但據(jù)不同的要求和不同的側(cè)重點(diǎn)，最優(yōu)方案始終是我們的首選。下面以汽包水位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為例，對(duì)幾種方案略解。 汽包水位是鍋爐運(yùn)行的主要指標(biāo)之一，是一個(gè)非常重要的被控量。維持水位在

17、一定范圍內(nèi)是保證鍋爐安全運(yùn)行的首要條件，這是因?yàn)椋孩偎贿^高會(huì)影響汽包內(nèi)汽水分離，飽和水蒸氣溫度急劇下降，該過熱蒸汽作為氣輪機(jī)動(dòng)力的話，將會(huì)損壞氣輪機(jī)葉片，影響運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。②水位過低，則由于汽包內(nèi)的水量轉(zhuǎn)少，而負(fù)荷很大時(shí)，如不及時(shí)調(diào)節(jié)就會(huì)使汽包內(nèi)的水全部液化，導(dǎo)致水冷壁燒壞，甚至引起爆炸。因此，鍋爐汽包水位必須嚴(yán)加控制。 2.3 汽包水位的動(dòng)、靜態(tài)特性 1—給水母管 2—給水調(diào)節(jié)閥 3—省煤器 4—汽包 5—下降管 6—上升管 7—過熱器 8—蒸汽母管 圖1 鍋爐給水系統(tǒng) 鍋爐汽水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，汽包水位

18、不僅受汽包（包括循環(huán)水管）中儲(chǔ)水量的影響，亦受水位下氣泡容積的影響。而水位下氣泡容積與鍋爐的負(fù)荷、蒸汽壓力、爐膛熱負(fù)荷等有關(guān)。因此，影響水位變化的因數(shù)很多，其中主要是鍋爐蒸發(fā)量（蒸汽流量D）、給水流量W和燃料擾動(dòng)。下面著重討論在給水流量作用下的汽包水位的動(dòng)態(tài)特性。 2.3.1 汽包水位在給水流量作用下的動(dòng)態(tài)特性 圖2 給水流量擾動(dòng)下水位階段響應(yīng)曲線 圖2所示是給水流量作用下，水位的階躍響應(yīng)曲線。把汽包和給水看作單容量無自衡過程，水位階躍響應(yīng)曲線如圖中H1線。 但是由于給水溫度比汽包內(nèi)飽和水的溫度低，所以給水流量增加后，從原有飽和水中吸取部分熱量。這使得水位下汽包容積有所減少

19、，使水位下降，單考慮這個(gè)因數(shù)，水位的變化如圖中曲線H2，相當(dāng)于一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，實(shí)際上水位H的響應(yīng)為H1與H2的和。當(dāng)水位下汽包容積的變化過程逐漸平衡時(shí)，水位變化就完全反映了由于汽包中儲(chǔ)水量的增加而逐漸上升。最后當(dāng)水位下汽包容積不再變化時(shí)，水位變化就完全反映了由于儲(chǔ)水量的增加而直線上升。因此，實(shí)際水位曲線如圖2中H線。即當(dāng)給水量作階躍變化后，汽包水位一開始不立即增加，而是呈現(xiàn)出一段起始慣性段。用傳遞函數(shù)來描述時(shí)，它近似于一個(gè)積分環(huán)節(jié)和時(shí)滯環(huán)節(jié)的串聯(lián)?？杀硎緸椋? 式中——響應(yīng)速度，即給水流量變化單位流量時(shí)，水位的變化速度，（mm/s）/

20、(t/h) τ——時(shí)滯，秒 給水溫度低，時(shí)滯τ亦越大。對(duì)于非沸騰式省煤器的鍋爐，τ=30~100s, 對(duì)于沸騰式省煤器的鍋爐, τ=100~200s 有些文獻(xiàn)上響應(yīng)速度用相對(duì)量來表示，即當(dāng)擾動(dòng)量為100%時(shí)，水位（用相對(duì)量來表示，以允許變化的范圍為100%）的變化速度。并以的倒數(shù)（稱為響應(yīng)時(shí)間）來表示。響應(yīng)時(shí)間的定義是：當(dāng)擾動(dòng)量為100%時(shí)，水位變化100%所經(jīng)過的時(shí)間單位為S。 2.3.2 汽包水位在蒸汽流量擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性 蒸汽流量擾動(dòng)主要來自氣輪機(jī)的負(fù)荷變化，這是一個(gè)經(jīng)常發(fā)生的擾動(dòng)，屬于調(diào)節(jié)系統(tǒng)的外擾。在蒸汽流量D擾動(dòng)作用下，水位的階躍響應(yīng)曲線如圖3所示：

21、 圖3 汽包水位在蒸汽流量擾動(dòng)作用下的階躍響應(yīng)曲線 當(dāng)蒸汽流量D突然增加時(shí)，從鍋爐的物料平衡關(guān)系來看，蒸汽量D大于給水量W，水位應(yīng)下降，如圖中直線H1所示。但實(shí)際情況并非這樣，由于蒸汽用量的增加，瞬間必然導(dǎo)致汽包壓力的下降。汽包內(nèi)的水沸騰突然加劇，水中汽包迅速增加，由于汽包容積增加而使水位變化的曲線如圖3中H2所示。而實(shí)際顯示的水位響應(yīng)曲線H為H1+H2。從圖上可以看出，當(dāng)蒸汽負(fù)荷增加時(shí)，雖然鍋爐的給水量小于蒸發(fā)量，但在一開始時(shí)，水位不僅不下降，反而迅速上升，然后在下降（反之，蒸汽流量突然減少時(shí)，則水位先下降，然后上升）這種現(xiàn)象稱之為“虛假水位”。 應(yīng)該指出：當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，水位下汽

22、包容積變化而引起水位的變化速度是很快的，圖中H2的時(shí)間常數(shù)只有10~20S。蒸汽流量擾動(dòng)時(shí)，水位變化的動(dòng)態(tài)特性可用函數(shù)表示為： =+ =+ 式中，——響應(yīng)速度，即蒸汽流量變化單位流量時(shí)水位的變化速度，（mm/s）/(t/h); ――響應(yīng)曲線的放大系數(shù)； 　　　——響應(yīng)曲線的時(shí)間常數(shù)； “虛假水位”變化的幅度與鍋爐的工作壓力和蒸發(fā)量有關(guān)。例如，一般１００～２００t/h的中高壓鍋爐，當(dāng)負(fù)荷變化１０％時(shí)，“虛假水位”可達(dá)３０～４０mm?！疤摷偎弧爆F(xiàn)象屬于反向特性，其變化與鍋爐的氣壓和蒸發(fā)量的變化的大小有關(guān)，而與給水流

23、量無關(guān)。 2.3.3 燃料量擾動(dòng)下汽包水位的動(dòng)態(tài)特性 汽包水位在燃料量Ｂ擾動(dòng)下的響應(yīng)曲線如圖4所示，當(dāng)燃料量增加時(shí)，鍋爐的吸熱量增加，蒸發(fā)強(qiáng)度增大。如果氣輪機(jī)側(cè)的用汽量不加調(diào)節(jié)，則隨著汽包壓力的增高，汽包輸出蒸汽量也將增加，于是蒸發(fā)量大于給水量，暫時(shí)產(chǎn)生了汽包進(jìn)出口工質(zhì)流量的不平衡。由于水面下的蒸汽容積增大，此時(shí)也會(huì)出現(xiàn)虛假水位現(xiàn)象，但由于燃燒率的增加也將氣量Ｄ緩慢增加，故虛假水位現(xiàn)象要比Ｄ擾動(dòng)下緩和得多。 圖4 汽包水位在燃燒率擾動(dòng)下的階躍響應(yīng)曲線 2.3.4 水位對(duì)象靜態(tài)特性分析 對(duì)于一臺(tái)固定容量的汽包鍋爐，當(dāng)設(shè)計(jì)完成后，其汽包、蒸發(fā)管道容量是固定的。汽包及蒸發(fā)管道系統(tǒng)

24、中貯藏著蒸汽、水，貯藏量的多少，是以汽包水位Ｈ表征的，其大小受到汽包的流入量（給水量），流出量（蒸發(fā)量）之間平衡關(guān)系的影響，同時(shí)還受到在給水循環(huán)、管道中汽水混合物內(nèi)汽水容積變化的影響。系統(tǒng)輸入輸出之間的靜態(tài)關(guān)系式為： 　　　　　　　　　?。龋絝 (W,D) 其中：Ｈ——汽包水位； W——給水流量； D——蒸汽流量； 系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)，給水量和蒸發(fā)量之間保持平衡，汽水容積也保持不變，水位H保持穩(wěn)定△H=0。 3 目前主要存在單沖量水位控制系統(tǒng)、雙沖量控制系統(tǒng)、三沖量系統(tǒng) 3.1 單沖量水位控制方案 圖5 單沖量水位控制系統(tǒng) 如圖5所示是單

25、沖量變量水位控制系統(tǒng)。單沖量即汽包水位。這種控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，是單回路定制控制系統(tǒng)，在汽包內(nèi)水的停留時(shí)間較長(zhǎng)，負(fù)荷又比較穩(wěn)定的場(chǎng)合下再配上一些鎖報(bào)警裝置就可以安全操作。 然而，在停留時(shí)間較短，負(fù)荷變化較大時(shí)，采用單沖量水位控制系統(tǒng)就不能適用。這是由于：①負(fù)荷變化時(shí)產(chǎn)生的“虛假水位“將使調(diào)節(jié)器反向錯(cuò)誤動(dòng)作，負(fù)荷增大時(shí)反向關(guān)小給水調(diào)節(jié)閥，一到閃急汽化平息下來，將使水位嚴(yán)重下降，波動(dòng)厲害，動(dòng)態(tài)品質(zhì)很差。②負(fù)荷變化時(shí)，控制作用緩慢。即使”虛假水位“現(xiàn)象不嚴(yán)重，從負(fù)荷變化到水位下降要有一個(gè)過程，再有水位變化到閥動(dòng)作已滯后一段時(shí)間。如果水位過程時(shí)間常數(shù)很小，偏差必然相當(dāng)顯著。③給水系統(tǒng)出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，動(dòng)作緩慢。

26、假定給水泵的壓力發(fā)生變化，進(jìn)水流量立即變化，然而到水位發(fā)生偏差而使調(diào)節(jié)閥動(dòng)作，同樣不夠及時(shí)； 為了克服上述這些矛盾，可以不僅依據(jù)水位，同時(shí)也參考蒸汽流量和給水流量的變化，則可用雙沖量或三沖量控制系統(tǒng)來控制給水調(diào)節(jié)閥，能收到很好的效果。 從反饋控制的思想出發(fā)，很自然地會(huì)以水位信號(hào)Ｈ作為被調(diào)量，給水流量作為調(diào)節(jié)量，構(gòu)成單回路反饋系統(tǒng)。這是一個(gè)基本的控制方案。對(duì)于小容量鍋爐來說，它的蓄水量較大，水面以下的汽包體積不占很大比重。因此，給水容積延遲和假水位現(xiàn)象不明顯，可以采用單沖量控制系統(tǒng)。對(duì)于大型超高壓（接近臨界壓力）鍋爐也可采用這種控制對(duì)象，因?yàn)樵诔邏浩退芏认嗖畈淮?，假水位現(xiàn)象不顯著。但是

27、，對(duì)于大量的大中型鍋爐來說，這種系統(tǒng)不能滿足要求。因?yàn)槠麢C(jī)耗氣量改變所產(chǎn)生的假水位將引起給水調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的誤動(dòng)作，致使汽包水位激烈地上下波動(dòng)，嚴(yán)重的影響設(shè)備的壽命和安全。所以對(duì)大中型鍋爐不能采用單沖量控制系統(tǒng)，必須尋求其他解決辦法。 3.2 雙沖量控制方案 　　 （a）原理圖 （b）方框圖 圖6 雙沖量控制系統(tǒng) 在汽包的水位控制中，最主要的擾動(dòng)是負(fù)荷的變化。用雙沖量控制系統(tǒng)不但可以引用蒸汽量來效正，而且可以補(bǔ)償“虛假水位”所引起的誤動(dòng)作，使給水調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作及時(shí)。其控制系統(tǒng)如圖6所示 從本質(zhì)上看，雙沖量控制系統(tǒng)是一個(gè)前饋（蒸汽流量）加單回路反饋控制系統(tǒng)的復(fù)合控制系統(tǒng)。這里前饋僅為

28、靜態(tài)前饋，若需要考慮兩條通道在動(dòng)態(tài)上的差異，需引入動(dòng)態(tài)補(bǔ)償環(huán)節(jié)。 圖6所示連接方式中，加法器的輸出Ｉ是： 　　　　　　　　　 式中――水位調(diào)節(jié)器的輸出； 　　――蒸汽流量變送器（一般經(jīng)開放器）的輸出； 　　――初始偏置值； 　　――加法器的系數(shù)。 C2是取正號(hào)還是負(fù)號(hào)，即進(jìn)行加法還是減法，要由調(diào)節(jié)閥的氣開或氣關(guān)形式來確定。一般從安全的角度選用調(diào)節(jié)閥的氣開和氣關(guān)的。如果高壓蒸汽是供給蒸汽透平機(jī)等，那么為保護(hù)這些設(shè)備以選用氣開閥為宜；如果蒸汽作為工藝生產(chǎn)熱源時(shí)，為保護(hù)鍋爐設(shè)備以采用氣關(guān)閥，Ｉ應(yīng)減小即C2應(yīng)取負(fù)號(hào)；如果采用氣開閥，Ｉ應(yīng)增加即C2應(yīng)取正號(hào)。 C2的數(shù)值應(yīng)該考慮達(dá)到靜態(tài)

29、補(bǔ)償。倘使現(xiàn)場(chǎng)試湊，那么應(yīng)該在只有負(fù)荷的情況下調(diào)整到水位基本不變，倘使有閥門特性數(shù)據(jù)，它的放大系數(shù)KV是： ＝ 式中――閥門輸入信號(hào)變化量； ——給水流量變化量。 在測(cè)量方面，假設(shè)為線性，則 式中，—蒸汽流量變送器的輸出變化量； ―蒸汽流量變化量； —蒸汽流量變送器量程，從零開始； —變送器輸出的最大變化范圍。 要達(dá)到靜態(tài)補(bǔ)償，應(yīng)保持物料平衡，即有： 　　　　　　 上式中是一個(gè)系數(shù)。如果給水流量和蒸汽流量用體積來表示，顯然不等于１。即使用重量來表示，由于排污要放出一部分水，進(jìn)水重量要稍大于蒸汽量，即要求>1。 由于加法器的

30、作用，在負(fù)荷變化△時(shí)，給水量的變化是： 有些裝置中，由于水位上升與蒸汽流量增加時(shí)，閥門動(dòng)作方向相反，信號(hào)一定相減；而采用另一種接法，即將加法器放在調(diào)節(jié)器之前。如圖7（a）所示： （a） （b） 圖7 雙沖量控制系統(tǒng)的其它接法 這樣的接法的好處是使用的儀表少，因?yàn)橐慌_(tái)雙通道調(diào)節(jié)器就可以實(shí)現(xiàn)加減和控制的功能。（假如水位調(diào)節(jié)器采用單比例，則這種接法與圖6可以等效轉(zhuǎn)換，差別不大）。 但是，水位調(diào)

31、節(jié)器采用PI作用，而測(cè)量值又是水位與蒸汽流量之差，結(jié)果 顯然不能保證水位無差。除非流量參數(shù)經(jīng)過微分，而且不引入固定分量，見圖7（b）。等效轉(zhuǎn)換后其等式項(xiàng)是： 只有對(duì)流量信號(hào)不起積分作用，才可保證水位無余差。 3.3 三沖量控制系統(tǒng) 雙沖量控制系統(tǒng)還有兩個(gè)弱點(diǎn)，即調(diào)節(jié)閥的工作特性不一定是線性，這樣要做到靜態(tài)補(bǔ)償不是很準(zhǔn)；同時(shí)對(duì)于給水系統(tǒng)的擾動(dòng)不能直接補(bǔ)償。為此，將給水流量信號(hào)引入，構(gòu)成三沖量控制。 3.3.1 三沖量控制方案之一 圖8所示是三沖量控制方案之一。該方案實(shí)質(zhì)上是前饋（蒸汽流量）加反饋控制系統(tǒng)。這種三沖量控制方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只需要一臺(tái)多通道調(diào)節(jié)器，整個(gè)系統(tǒng)亦

32、可看作三沖量的綜合信號(hào)為被控變量的單回路控制系統(tǒng)，所以投運(yùn)和整定與單回路一樣，但是如果系統(tǒng)設(shè)置不能確保物料平衡，當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，水位將有余差。 （a）原理圖 （b）方框圖 圖8 三沖量控制方案之一 依據(jù)這條原則，可以確定和的比值，具體是這樣設(shè)置的： 蒸汽流量的變化量與其變送器（線性）的關(guān)系是： 給水流量的變化量與其變送器（線性）的關(guān)系是： 由物料平衡關(guān)系可得：

33、 而 所以，由上兩式比較可得： 第二是用來確定前饋?zhàn)饔玫膹?qiáng)弱，因?yàn)樯鲜絻H知道和的比值，其大小依據(jù)過程特性確定，其大小反映了前饋?zhàn)饔玫膹?qiáng)弱。越大其前饋?zhàn)饔迷綇?qiáng)，則擾動(dòng)出現(xiàn)時(shí)，調(diào)節(jié)閥開度的變化亦越大。 3.3.2 三沖量控制方案二 三沖量控制方案二如圖9所示，該方案與方案一相類似，僅是加法器位置從調(diào)節(jié)器前移至調(diào)節(jié)器后。該方案相當(dāng)于前饋--串級(jí)控制系統(tǒng)，而副回路的調(diào)節(jié)器比例度為100%，該方案不管系數(shù)和如何設(shè)置，當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，液位可以保持無差。 (a) 原理圖 （b） 方框圖

34、 圖9 三沖量控制方案之二 3.3.3 三沖量控制方案三 圖10所示是三沖量控制方案之三，這是一種前饋（蒸汽流量）與串級(jí)控制組成的復(fù)合控制系統(tǒng)。在汽包停留時(shí)間較短，“虛假水位”嚴(yán)重時(shí)，需引入蒸汽流量信號(hào)的微分作用，如圖中虛線所示。這種微分作用應(yīng)是負(fù)微分作用，起一個(gè)動(dòng)態(tài)前饋?zhàn)饔?，以避免由于?fù)荷突然增加或減少時(shí)，水位偏離設(shè)定值過高或過低而造成鍋爐停車。 (a) 原理圖 （b） 方框圖 圖10 三沖量控制之三 對(duì)圖10中方框圖進(jìn)行分析。假如副回路跟蹤很好，近似為1：1的環(huán)節(jié)，則前饋補(bǔ)償模型為： 由前述動(dòng)態(tài)

35、特性可知： ∴ 假設(shè)，，，事實(shí)上不可能得到，因此前饋補(bǔ)償模型可近似為： 所以蒸汽流量信號(hào)引入負(fù)微分（無恒定分量）后，可以滿足上式，這樣動(dòng)態(tài)補(bǔ)償可以獲得較好的效果。 三沖量控制對(duì)單、雙沖量控制方案取長(zhǎng)補(bǔ)短，極大地提高了水位控制質(zhì)量。例如，當(dāng)耗氣量D突然階躍增大時(shí)，一方面由于假水位現(xiàn)象水位會(huì)

36、暫時(shí)升高，它使調(diào)節(jié)器錯(cuò)誤地指揮調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)增加給水量。另一方面，D的增大又通過雙沖量控制作用指揮調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)增加給水量。實(shí)際給水量是增大還是減少，取決于系統(tǒng)系數(shù)的整定。當(dāng)假水位現(xiàn)象消失后，水位和蒸汽信號(hào)都能正確地指揮調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)動(dòng)作。只要參數(shù)整定合適，當(dāng)系數(shù)恢復(fù)平衡以后，給水量必然等于蒸汽流量，水位H也就會(huì)維持在設(shè)定值。 3.4 幾種控制方案的比較 單沖量水位控制是汽包水位自動(dòng)控制中最簡(jiǎn)單最基本的一種形式，是典型的單回路定值控制系統(tǒng)，但它不能克服“虛假水位”的影響，而且沒有給水流量信號(hào)的反饋，所以水位波動(dòng)較大。雙沖量水位控制系統(tǒng)是在單沖量控制的基礎(chǔ)上，引進(jìn)蒸汽流量作為前饋信號(hào)。該控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是：引

37、入的蒸汽流量前饋信號(hào)可以消除“虛假水位”對(duì)調(diào)節(jié)品質(zhì)的不良影響。當(dāng)蒸汽流量變化時(shí)，就有一個(gè)給水量與蒸汽量向同方向變化的信號(hào)，可以減小或抵消由于“虛假水位”引起的給水量與蒸汽量反方向變化的誤動(dòng)作，使調(diào)節(jié)閥從一開始就向正確的方向移動(dòng)。因而大大減小了給水量與水位的波動(dòng)，縮短調(diào)節(jié)的時(shí)間。而且引入的蒸汽流量的前饋信號(hào)，能改善調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜特性，提高調(diào)節(jié)質(zhì)量。雙沖量水位控制系統(tǒng)適用于小型低壓而且給水壓力較穩(wěn)定的鍋爐。當(dāng)給水壓力經(jīng)常有波動(dòng)，給水調(diào)節(jié)閥前后壓差不易保持正常時(shí)，不宜采用雙沖量控制；另外在大型鍋爐的控制中，鍋爐容量越大，壓力越來越高，汽包的相對(duì)容水量就越小，允許波動(dòng)的儲(chǔ)水量就更少。為了把水位控制平穩(wěn)，

38、在雙沖量水位調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上引入了給水流量信號(hào)，由水位蒸汽流量和給水流量就構(gòu)成了三沖量水位控制系統(tǒng)，在這個(gè)系統(tǒng)里，汽包水位是被控變量，是主沖量信號(hào)，蒸汽流量 給水流量是兩個(gè)輔助沖量信號(hào)。三沖量水位控制系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，適用于大中型中壓鍋爐。 三沖量控制方案一：方案一宜作為一般鍋爐水位的控制方案，其特點(diǎn)是使用的設(shè)備少，整定方法比較簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)動(dòng)作比較平穩(wěn)。 三沖量控制方案二：與方案一比較，其加法器從調(diào)節(jié)器前移至調(diào)節(jié)器后，即使出現(xiàn)物料不平衡的現(xiàn)象，只要水位有偏差，調(diào)節(jié)器的積分作用就能消除偏差。 三沖量控制方案三：采用這種控制方案，在負(fù)荷變化時(shí)給水流量會(huì)及時(shí)做出相應(yīng)變化，調(diào)節(jié)時(shí)間也比較短，對(duì)于克

39、服“虛假水位”的動(dòng)態(tài)偏差有進(jìn)一步的好處。方案三適用于大容量高壓鍋爐，而且要求水位控制嚴(yán)格的場(chǎng)合。 3.5 最優(yōu)方案解析 圖11　鍋爐汽包水位的三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)流程圖 從前面的分析、比較，我認(rèn)為三沖量控制系統(tǒng)是最優(yōu)控制。下面討論一種常見的三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng):蒸汽流量和給水流量前饋與汽包水位反饋所組成的三沖量系統(tǒng)。 圖11中所示的三沖量系統(tǒng),汽包水位是被控變量,是主沖量信號(hào),蒸汽流量和給水流量是輔助沖量信號(hào)。系統(tǒng)將蒸汽流量和給水流量前饋到汽包水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)中去,一旦蒸汽流量或給水流量發(fā)生波動(dòng), 不是等到影響到水位才進(jìn)行調(diào)節(jié),而是在這兩個(gè)流量改變之時(shí)就能通過加法器立即去改變調(diào)節(jié)閥開度進(jìn)行校

40、正,故大大提高了水位這個(gè)被調(diào)參數(shù)的調(diào)節(jié)精度。 在穩(wěn)定狀態(tài)下,水位測(cè)量信號(hào)等于給定值,水位調(diào)節(jié)器的輸出,蒸汽流量及給水流量等三個(gè)信號(hào),通過加法器得到的輸出電流為: I0= K1 I1-K2 I2+ K3 I3 式中,I1 為液位調(diào)節(jié)器的輸出電流;I2 為蒸汽流量變送器的電流;I3 為給水流量變送器的電流;K1 、K2 、K3 分別為加法器各通道的衰減系數(shù)。 設(shè)計(jì)K2 I2= K3 I3 此時(shí)I0 正是調(diào)節(jié)閥處于正常開度時(shí)所需要的電流信號(hào)(為了安全調(diào)節(jié)閥必須用氣關(guān)閥) 。假定在某一時(shí)刻,蒸汽負(fù)荷突然增加,蒸汽流量變送器的輸出電流I2 相應(yīng)增加,加法器的輸出電流I0 就減少, 從而開

41、大給水調(diào)節(jié)閥。但是與此同時(shí)出現(xiàn)了假水位現(xiàn)象,水位調(diào)節(jié)器輸出電流I1 將增大。由于進(jìn)入加法器的兩個(gè)信號(hào)相反, 蒸汽流量變送器的輸出電流I2 會(huì)抵消一部分假水位輸出電流I1 , 所以, 假水位所帶來的影響將局部或全部被克服。 待假水位過去,水位開始下降,水位調(diào)節(jié)器輸出電流I1 開始減小, 此時(shí), 它與蒸汽流量信號(hào)變化的方向相反, 因此加法器的輸出電流I0 減小, 意味著要求增加給水量, 以適應(yīng)新的負(fù)荷需要并補(bǔ)充水位的不足。調(diào)節(jié)過程進(jìn)行到水面重新穩(wěn)定在給定值, 給水量和蒸發(fā)量達(dá)到新的平衡為止。當(dāng)蒸汽負(fù)荷不變,給水量本身因壓力波動(dòng)而變化時(shí),加法器的輸出相應(yīng)變化,去調(diào)節(jié)閥門開度,直至給水量恢復(fù)到所需的

42、數(shù)值為止。由于引進(jìn)了蒸汽流量和給水流量?jī)蓚€(gè)輔助沖量,起到了“超前信號(hào)”的作用,使給水閥一開始就向正確的方向移動(dòng), 因而大大減小了水位的波動(dòng)幅度,抵消了虛假水位的影響,并縮短了過渡過程時(shí)間。圖12為三沖量水位調(diào)節(jié)方案圖, 圖13為三沖量水位調(diào)節(jié)方框圖。 圖12 　三沖量水位調(diào)節(jié)方案 圖13 　三沖量水位調(diào)節(jié)方框圖 由上面對(duì)三沖量系統(tǒng)的一些討論的同時(shí)我們不能忽視其整定的重要性，下面就小論其工程整定問題。 3.6 三沖量控制系統(tǒng)的工程整定 眾所周知，要使控制系統(tǒng)具有良好的控制性能，除了必須正確設(shè)計(jì)以外，還必須正確、仔細(xì)的整定。三沖量控制系統(tǒng)的工程整定方法比較特殊，這里主要結(jié)合

43、圖14所示的系統(tǒng)討論三沖量控制系統(tǒng)的工程整定問題。 三沖量給水控制系統(tǒng)圖如圖14所示。 圖14 三沖量給水控制系統(tǒng) 3.6.1 輸入信號(hào)之間的靜態(tài)配合 對(duì)于單沖量系統(tǒng)來說，只要調(diào)節(jié)器是比例積分動(dòng)作的，那么，在控制過程結(jié)束以后被調(diào)量就沒有靜態(tài)偏差。對(duì)于三沖量系統(tǒng)則不然，即使采用比例積分調(diào)節(jié)器，也不一定能保證無差，還必須解決一個(gè)輸入信號(hào)系統(tǒng)的靜態(tài)配合問題。 現(xiàn)在把圖14所示的控制系統(tǒng)以傳遞函數(shù)方框圖的形式重畫成圖15 圖15 三沖量控制系統(tǒng)的方框圖 圖中各符號(hào)的意義如下：，，，，，——分別為水位、給水流量和蒸汽流量的一次測(cè)量?jī)x表及變送器的傳

44、遞系數(shù)和時(shí)間常數(shù)，，——分別為水位，給水流量和蒸汽流量的分流系數(shù)?！辉O(shè)定值到水位設(shè)定信號(hào)之間的傳遞函數(shù)?！o水調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的傳遞系數(shù)。——為調(diào)節(jié)通道和擾動(dòng)通道的傳遞函數(shù)。比例積分調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。 由于采用比例積分調(diào)節(jié)器，當(dāng)調(diào)節(jié)過程結(jié)束后，調(diào)節(jié)器的總輸入信號(hào)為零，即： 也即： 考慮到在給水系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時(shí)給水量必然等于蒸汽量，即W=D，因此有： 假如在額定蒸汽負(fù)荷下，調(diào)節(jié)系數(shù)可以使汽包水位H等于其額定值。 此時(shí)上式應(yīng)變?yōu)椋? 將上兩式相減得：

45、 上式就是水位控制系統(tǒng)的靜特性，即調(diào)節(jié)過程結(jié)束后水位H與負(fù)荷D之間的關(guān)系。 圖16 三沖量控制系統(tǒng)的靜態(tài)特性 靜特性是直線，如圖16所示，直線的斜率決定于和的選擇。如果給水信號(hào)和蒸汽流信號(hào)一樣強(qiáng)，即 則在任何負(fù)荷下均有它就是圖中的直線（1），直線（2）和（3）分別代表大于或小于的情況。 從以上分析可以看出，對(duì)于多信號(hào)系統(tǒng)，要消除被調(diào)量的靜態(tài)偏差，除了必須采用比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律以外，還必須使個(gè)輸入信號(hào)之間保持一定的靜態(tài)配合關(guān)系，才能保證系統(tǒng)具有希望的靜態(tài)特性，這是多信號(hào)系統(tǒng)不同于單信號(hào)系統(tǒng)的突出特點(diǎn)之一。 3.6.2 控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)整定 對(duì)于三沖

46、量控制系統(tǒng)來說，需要進(jìn)行整定的參數(shù)有5個(gè)，即分流系數(shù)和調(diào)節(jié)器比例帶及積分時(shí)間，上面已經(jīng)從信號(hào)的靜態(tài)配合上討論了和的比例關(guān)系。下面進(jìn)一步討論如何在動(dòng)態(tài)整定中最后確定這些參數(shù)。 在圖11所示控制系統(tǒng)中，虛線方框所標(biāo)出的內(nèi)回路是一個(gè)流量自穩(wěn)定系統(tǒng)。由于流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的響應(yīng)很快，可以近似認(rèn)為且一般也很小，可以忽略不計(jì)，于是有： 此時(shí)，整個(gè)內(nèi)回路的等效傳遞函數(shù)近似視為： 因此，圖11中的內(nèi)環(huán)可用來代表，可以看作是外回路中的等效調(diào)節(jié)器，它具有純比例動(dòng)作，等效比例帶為： 從圖可見，外回路的開環(huán)增益與成正比，故的大小決定了控制過程的

47、進(jìn)行情況。這里有兩個(gè)特定參數(shù)，可以暫時(shí)取然后應(yīng)用適當(dāng)?shù)恼ǚ椒ù_定的大小，例如可采用動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法，在的條件下做基本擾動(dòng)的響應(yīng)特性實(shí)驗(yàn)，求得遲延時(shí)間和上升速度ε然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)整定公式表得： 通常要求給水量控制要平穩(wěn)一些，因此可適當(dāng)加大比例帶，例如取 這樣也就確定了給水流量信號(hào)的強(qiáng)弱。 再由式所規(guī)定的蒸汽流量信號(hào)與給水流量信號(hào)之間的關(guān)系，確定蒸汽流量信號(hào)的強(qiáng)弱，即 現(xiàn)在再來確定調(diào)節(jié)器的參數(shù)。從圖十四可以看到，調(diào)節(jié)

48、器是在內(nèi)回路中，因此可用單回路整定來確定其參數(shù)。 到此為止，已確定了全部整定參數(shù)，但是，根據(jù)上兩式求出的的值，有時(shí)可能大于1，這說明一開始假定的偏大，需要同時(shí)按比例地縮小這樣做不會(huì)影響控制系統(tǒng)的性能。 4 工程中需要注意的問題 4.1 關(guān)于汽包水位測(cè)量的問題 由于汽包水位波動(dòng)較大，一般選用平衡容器測(cè)量汽包水位。平衡容器連通管中的水位始終與汽包水位等高，上端的蒸汽冷凝后會(huì)在托盤上形成水柱，若水柱高出托盤自溢口后自溢，并經(jīng)平衡閥返回汽包，進(jìn)行熱量與水量的交換，以求達(dá)到汽包內(nèi)部水體與平衡容器內(nèi)部的水體比重一致且恒定。將托盤水面高于正取壓端口H0做負(fù)遷移，則差壓變送器量程所對(duì)應(yīng)的平衡管正壓

49、端水柱壓力的變化就能真實(shí)反映汽包水位的變化。 4.2 給水閥的選擇問題 4.2.1 關(guān)于給水調(diào)節(jié)閥的氣開氣關(guān)的選擇。 關(guān)于給水調(diào)節(jié)閥的氣開氣關(guān)的選擇，一般都是從安全角度考慮的。如果高壓蒸汽供給蒸汽透平壓縮機(jī)的重要負(fù)荷，為保護(hù)這些設(shè)備以選用氣開(F．C)閥為宜。如果蒸汽作為工藝生產(chǎn)中的熱源時(shí)，為保護(hù)鍋爐，以選用氣關(guān)(F．O)閥為宜。綜合起來考慮，一般選帶保位裝置(F．IJ的給水閥，即事故狀態(tài)該閥停在原位。 4.2.2 關(guān)于給水調(diào)節(jié)閥型號(hào)的選擇。 關(guān)于給水調(diào)節(jié)閥型號(hào)的選擇。由于流經(jīng)給水閥的除氧水壓力為6．0MPa 溫度為104℃ ，極宜產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象。對(duì)于輕度汽蝕，一般給水閥的閥芯

50、閥座選用司鈦萊合金堆焊即可。對(duì)于重度汽蝕，一般給水閥選用多級(jí)高壓調(diào)節(jié)閥，使高壓除氧水在流過調(diào)節(jié)閥多級(jí)節(jié)流孔后逐漸降壓，而每級(jí)閥芯上只承擔(dān)一部分壓差，使節(jié)流后的壓力在閥的部分恢復(fù)不到流體的飽和蒸汽壓力，可以有效的避免汽蝕現(xiàn)象，也有效的防止了汽蝕引起的噪聲振動(dòng)和對(duì)閥芯 閥座的侵蝕。 4.3 給水流量 蒸汽流量 給水流量蒸汽流量的一次元件如果選用節(jié)流裝置，則差壓變送器輸出的信號(hào)需經(jīng)開方器后再輸入到加法器進(jìn)行信號(hào)疊加。這樣可以減少非線性對(duì)系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)的影響。若是選用流量變送器則不必加開方器。它們的顯示儀表的量程應(yīng)選擇的相同，其范圍應(yīng)比額定蒸汽負(fù)荷大一些，以保證鍋爐在額定負(fù)荷下的給水流量有波動(dòng)的余

51、地。 5 結(jié)束語 鍋爐水位控制的方案多種多樣，因每臺(tái)鍋爐的特性及實(shí)際工況的不同而各異，一言以蔽之，智者見智，仁者見仁。本文介紹的是使用常規(guī)儀表對(duì)鍋爐汽包水位進(jìn)行自動(dòng)控制的幾個(gè)較為典型的方案。如今，智能儀表的發(fā)展和計(jì)算機(jī)在工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，又為該課題開拓了一片更加廣闊的天空。 參 考 文 獻(xiàn) 1 蔣慰孫，俞金壽．過程控制工程．第2版．北京：中國(guó)石化出版社，1999 2 金以慧．過程控制．北京：清華大學(xué)出版社，1999 3 楊獻(xiàn)勇．熱工過程自動(dòng)控制．北京：清華大學(xué)出版社，2000 4 樊泉桂．鍋爐原理．北京：中國(guó)電力出版社，2004 5 吳智雄．垃圾焚燒鍋爐汽包水位

52、控制模型建立．浙江大學(xué)碩士論文，2004 Design of the steam dome water level control system of the boiler Zhang Jianjuan The electric information engineering institute of PanZhihua university，PanZhihua 617000 Abstract This paper has discussed the popular method of control and deeply analyzed the dynamic

53、and static characteristics of the water level based on analyzing the main factors influencing the water level of drum .This paper begins with the balance of heat and substance of water in boiler’s bubble and educes the universal mechanism controlling model to describe the water level of boiler and s

54、tudies the character of control model of three pulse . Through an analysis of several kinds of control schemes, study and compare, select impulse three system as the optimum control scheme, put forth effort to study the characteristic of impulse three system. Make to parameter in PID it go on essent

55、ial analysis exactly afterwards, and has slightly stated the question needing paying attention to in the project. On this basis, we can know the new development of the water level control system of steam dome . Key Words Boiler Bubble; Drum Level Control; Three Pulse Control System; PID;Parameter Setting;The Optimum Control Scheme 致 謝 本文的全過程是在我的導(dǎo)師周榮富老師的悉心指導(dǎo)下完成的，在此過程中，周老師花費(fèi)了大量的精力和心血指導(dǎo)我的學(xué)業(yè)和科研方法，在此謹(jǐn)對(duì)導(dǎo)師表示深切的謝意！ 在完成鍋爐汽包水位的自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中，得到了鄭會(huì)軍副院長(zhǎng)指點(diǎn)迷津式的幫助和院上其他領(lǐng)導(dǎo)、老師的熱誠(chéng)指點(diǎn)，在此向所有幫助過我的人致以衷心的感謝。 同時(shí)還要感謝馮明琴、吳鵬松等老師在這幾年來對(duì)我的莘莘教誨，才讓我能圓滿的完成這次設(shè)計(jì)。 - 27 -