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汽包锅炉给水水位自动控制系统的设计
添加时间: 2015-7-20 8:42:43 文章来源: 文章作者: 点击数:2720

   

引言·········································································································· 1

第一章  第一章 给水控制系统的动态特性······················································ 3

1.1锅炉给水控制系统的任务··································································· 3

1.2 给水控制对象和各种扰动下水位变化的动态特性·································· 3

1.2.1 给水控制对象的动态特性····························································· 3

1.2.2  各种扰动下水位的动态特性·························································· 5

第二章 给水自动控制系统的基本要求和基本结构············································ 9

2.1 给水控制系统的基本要求·································································· 9

2.2 给水控制系统的基本结构及分析························································· 9

2.2.1 单冲量给水控制系统··································································· 9

2.2.2 前馈-反馈三冲量给水控制系统··················································· 10

2.2.3 串极三冲量给水控制系统分析····················································· 16

第三章 给水控制系统的无扰切换································································· 20

3.1 测量信号的自动校正······································································· 20

3.1.1 水位信号的压力校正·································································· 20

3.1.2 过热蒸汽气流信号的压力、温度校正··········································· 22

3.1.3 给水流量信号的温度校正··························································· 23

3.2 给水控制系统的切换······································································· 24

3.2.1 给水流量测量装置切换系统························································ 24

3.2.2 大小给水调节阀门的切换··························································· 28

3.2.3 系统的无扰切换········································································ 29

第四章 系统的参数整定及MATLAB仿真························································· 32  

4.1 控制系统的参数整定方法································································· 32

4.1.1 广义频率特性法········································································ 32

4.1.2 工程整定法·············································································· 33

4.2 调节器的选取················································································· 35

4.3 参数整定及MATLAB仿真  ······························································· 36

4.3.1 单冲量调节系统的参数整定MATLAB仿真··································· 36

4.3.2 串级三冲量调节系统的参数整定·················································· 37

4.3.3 整个系统和各种扰动量下的SIMULINK结构图和仿真图··················· 41

结论········································································································· 45

参考文献·································································································· 46

谢辞········································································································· 47


  

自动控制技术在工程和科学发展中起着极为重要的作用,在火电厂的生产过程中也采用了自动控制技术。在火电厂的生产过程中采用的热工自动控制系统,是伴随着社会对电能需求的日益增加、单机容量的日益扩大和自动控制技术在火力发电厂中应用的深度与广度与日俱增而逐步发展起来的。

电厂热工自动化水平的高低是衡量电厂生产技术的先进与否和企业现代化的重要标志。其中,汽包锅炉给水及水位的调节已经完全采用自动的方式加以控制,在不需要操作人员干预的情况下,可以很好的完成生产过程中的给水及水位控制,大大提高了生产效率。汽包锅炉给水控制系统的任务是使给水量适应锅炉蒸发量,并使汽包中水位保持在一定的范围内。只有保证汽包水位的波动在允许范围内,才能实现机组安全经济运行。因此,汽包水位是影响整个机组安全经济运行的重要因素,所以就要有一套较好的控制方案,来实现汽包水位的控制。

 从传统的控制方式来看,它们要么系统结构简单成本低,却不能有效的控制锅炉汽包“虚假水位”现象,要么能够在一定程度上控制“虚假现象”,系统却过于复杂,成本投入过大。目前工业控制急需一种系统简单,并且能够控制“虚假水位”,具有高性价比的控制系统。汽包锅炉的给水调节系统有三种基本结构:单冲量调节系统结构、单级三冲量调节系统结构、串级三冲量调节系统结构,低负荷阶段,由于疏水和锅炉排污等因素的影响,给水和蒸汽流量存在着严重的不平衡,而且流量太小时,测量误差大,故在低负荷阶段,很难采用三冲量调节方式,一般均采用单冲量调节方式。负荷达到一定值以上时,疏水和排污阀逐渐关闭,汽、水趋于平衡,流量逐渐增大,测量误差逐渐减小,这时原则上可采用三冲量调节方式。但由于单级三冲量调节系统要求蒸汽流量和给水流量信号在稳态时必须相等,否则汽包水位存在静态偏差, ,而且由于测量装置及变送器的误差等因素的影响,实际上现场这两个信号在稳态时,经常难以做到完全相等,而且单级三冲量调节系统一个调节器参数整定需兼顾的因素多。因此单级三冲量事实上一般也难以采用。

串级三冲量调节方式,采用主、副两个调节器。两调节器任务分工明确,整定相对容易,而且不要求稳态时给水流量信号与蒸汽流量信号完全相等,易于得到较好的调节品质,因此现场多采用此控制方式。

在串级控制系统中,参数的整定也是非常重要的,由于在系统中所设计的对象是确定的,所以只有对调节器进行整定,控制系统的参数整定有理论计算方法和工程整定方法,理论计算方法是基于一定的性能指标,结合组成系统各环节的动态特征,通过理论计算求得调节器的动态参数设定值;而工程整定法,则是源于理论分析,结合实验、工程实际经验等一套工程上的方法,其具体方法将在本设计中体现。

本设计的目的是采用串级三冲量给水控制系统控制汽包水位,使其平稳运行,并通过MATLAB仿真,证明所设计的系统可以很好的克服系统的内外扰动,实现汽包锅炉水位控制的要求。

第一章   概 述

1.1  自动控制技术在电厂的应用

电能由于其固有的优点而成为国民经济各领域最广泛使用的能量,从而成为人类社会生产和生活中时刻不能离开的二次能源,电力已经深入到社会生产和生活的各个领域,一个国家的电气化程度已成为国民经济现代化的一个重要标志。只有电力产业的迅速发展才有可能保证整个国民经济的迅速而稳步的发展。热力发电厂是电力工业的重要组成部分。热力发电厂包括燃化石燃料(煤、油、气)的火力发电厂与使用核燃料的核动力电厂,迄今为止,热力发电厂在世界大多数国家中仍占着各种发电形式中的主导地位,我国的火力发电占70%左右,而且根据我国国情,火力发电厂基本是燃煤电厂。目前的大型燃煤电厂都已经有了非常先进的自动控制系统,自动控制水平的高低是衡量一个国家的生产技术和科学水平先进与否的一项重要标志。电力工业中电厂热工生产过程自动化技术相对于其它民用工业部门有较长的历史和较高的自动化水平,电厂热工自动化水平的高低是衡量电厂生产技术的先进与否和企业现代化的重要标志。

早期的自动控制系统因热力发电机组单机容量小,对控制系统要求也不高,所以非常简单,只需对给水、汽温、汽压和汽机的转速作简单的控制。这些控制系统大多分散在锅炉和汽机车间就地安装,整个电厂的机、炉、电也是分散控制的。随着现代科学技术的发展,发电机组已由中温、中压、中小容量发展到今天的大容量、高参数的单元机组。

1.2  锅炉概述

锅炉由汽锅和炉子组成。炉子是指燃烧设备,为化石烯料的化学能转换成热能提供必要的燃烧空间。汽锅是为汽水循环和汽水吸热以及汽水分离提供必要的吸热和分离空间。

锅炉作为一种把煤、石油或天然气等化石燃料所储藏的化学能转换成水或水蒸气的热能的重要设备,长期以来在工业生产和居民生活中都扮演着极其重要的角色,它已经有二百多年的历史了,但是锅炉工业的迅猛发展却是近几十年的事情。国外的锅炉控制工业5060年代发展最快,70年代达到高峰。我国的锅炉工业是在新中国成立后才建立和发展起来的,1953年在上海首创了上海锅炉厂,从其在生产和生活中所起的作用不同,锅炉可分为电站锅炉,主要用于发电;工业锅炉,主要用于直接供给工农业生产或驱动机械能源;生产锅炉,主要用于为居民提供热水和供居民取暖。应该说锅炉控制问题伴随着锅炉的出现也就相应的出现了,它长期以来就是控制领域的一个典型问题。伴随着控制理论和控制技术的发展,锅炉自动化控制的水平也在逐步提高。锅炉的自动化控制,经历了三四十年代单参数仪表控制,四五十年代单元组合仪表综合参数仪表控制,以及六十年代初期的计算机过程控制几个阶段,随着六十年代第一台计算机在控制中的应用以及此后计算机和通信技术的迅猛发展,计算机逐渐进入了锅炉控制领域并正在成为这一领域的主要角色。计算机很强的记忆功能,逻辑判断功能以及快速计算功能为实现任意的控制算法提供了可能,这样,先进的控制理论和控制算法进入锅炉控制已经有了可能性。

从系统角度看,锅炉包括燃烧负荷控制系统、送引风系统、给水控制系统和辅助控制系统。其结构如图1-1

1-1 锅炉控制系统总图

锅炉汽包水位是锅炉安全运行的一个主要参数,水位过高会使蒸汽带水带盐,严重的将引起整体品质下降,严重影响生产和安全;水位过低又将破坏部分水冷壁的水循环,引起水冷壁局部过热而损坏,尤其是大型锅炉,一旦控制不当,容易使汽包满水或汽包内的水全部汽化,造成重大事故。故锅炉汽包给水控制系统的任务是保证汽包水位在允许的范围内,并兼顾锅炉的稳定运行。

对蒸汽锅炉来说,汽包水位是其正常运行的主要指标之一,是一个重要的被调节参数。由于汽包水位在锅炉运行中占首要地位,所以这类锅炉的生产自动化一般是从给水自动调节开始的。

随着锅炉参数的提高和容量的扩大,对给水控制提出了更高的要求,其主要原因有:

1)汽包的个数和体积减小,使汽包的蓄水量和蒸发面积减少,从而加快了汽包水位的变化速度;

2)锅炉容量增大,显著的提高了锅炉蒸发受热面的热负荷,使锅炉负荷对水位的影响加剧了;

3)提高了锅炉的工作压力,使给水调节阀和给水管道系统相应复杂,调节阀的流量特性更不易满足控制系统的要求。

由此可见,随着锅炉朝大容量、高参数的发展,给水系统采用自动控制是必不可少的,它可以大大减轻运行人员的劳动强度,保证锅炉的安全运行。

1.3  主要设备介绍

汽包:一般汽包采用夹层结构,并且汽包上、下两半部采用不等壁厚,以减轻汽包重量,节约钢材。来自水冷壁的汽水混合物从汽包顶部两侧进入汽包的内夹层,冲刷汽包上半部内壁,然后再进入涡流式分离器,在分离器做第一次分离,每只分离器顶部都装有立式波形板分离器,作为二次分离元件。汽包顶部还配有立式波形板分离器,作为三次分离元件,经三次分离的饱和蒸汽由汽包顶部的引出管送到过热器去,下降管安置于汽包最底部,在下降管入口处还装有十字架,用来消除由于入口产生旋涡而将蒸汽带入下降管的现象。此外,汽包内还装有给水管和连续排污管。

变速泵:变速泵又分为电动变速泵和气动变速泵。电动变速泵的驱动电动机经液力联轴器与水泵相连接,通过改变液力联轴器中勺管的径向行程,改变联轴器的工作油量,实现给水泵转速的改变,气动给水泵由小汽轮机直接驱动,通过控制小汽轮机的进气量,改变气动泵的转速。气动给水泵可直接将蒸汽的热能转变为机械能,有较高的效率。但由于驱动小汽轮机的蒸汽一般采用主汽轮机的抽汽,在机组启动和低负荷时,汽轮机抽汽气压太低,无法维持气动泵运行,因此采用气动给水泵的系统,一般都配有一定容量的电动泵,作为机组启停和低负荷时使用以及气动泵故障时的备用泵。

1-2 变速泵的压力-流量特性

变速泵的压力-流量特性如图1-2所示,为了保证锅炉和泵的安全经济运行,泵必须工作在泵的上限特性、下限特性、锅炉允许最高给水压力和最低给水压力以及泵的最高转速和最低转速包围的区域,该区域称为泵的安全工作区。泵的上限特性曲线亦称为最小流量曲线,它表示给水泵在不同转速下必须满足的最小流量,正如前所述,低于这个流量,不但运行效率很低,而且还会产生汽蚀现象。这是由于低流量时,泵内机械能做功产生的热量不能及时带走,使得给水加热并汽化,导致汽蚀。泵的下限特性曲线,亦称为最大流量曲线,它表示给水泵在不同转速下允许的最大流量,大于这个流量,泵的工作效率降低,而且可能使泵内静压最低值低于给水温度下的饱和压力,在流道静压最低值部分给水将发生汽化,导致汽蚀。因此采用变速泵的给水控制系统,在控制给水流量的过程中必须保证泵的工作点在安全工作区内。一般采用的保护措施是:当工作点进入上限特性曲线之外时,打开泵出口至除氧器再循环管路上的最小流量再循环阀,称之为最小流量保护;当工作点进入下限特性之外时,关小管路的给水调节阀或提高水泵转速,称之为最大流量保护,从而保证泵的工作点始终在泵的安全经济工作区内。

1.4  给水调节的任务

给水自动调节也叫水位自动调节,其主要任务是:

(1)维持锅炉水位在允许的范围内,使锅炉的给水量适应于蒸发量。锅炉的水位是影响安全运行的重要因素。水位过高会影响汽水分离装置的正常工作,严重时会导致蒸汽带水增加,使过热器管壁和气轮机叶片结垢,造成事故;对于工业锅炉,蒸汽带水量过多,也要影响用户的某些工艺过程。水位过低,则会破坏汽水正常循环,以致烧坏受热面。水位过高或过低,都是不允许的。所以,正常运行时汽包水位应在给定值的15mm上下范围波动。

(2)保持给水量稳定。给水量稳定,有助于省煤器和给水管道的安全运行。

上述两个任务中,第一个任务尤为重要。实践证明,无论是电站锅炉,或者是工业锅炉,用人工操作调节水位,既不安全,也不经济,其最有效的方法是实现给水自动调节。

第二章 给水被控对象的动态特性

在讨论给水自动控制系统之前,必须先分析被控对象的动态特性,然后才能设计出一个合理的给水控制系统。给水调节对象的动态特性是指汽包水位的变化与引起水位变化的各种因素之间的动态关系。汽包水位是汽包中储水量和水面下汽泡容积的综合反映。所以,水位不仅受汽包储水量变化的影响,而且还受到汽水混合物中汽泡容积变化的影响。从水位反映储水量来看,调节对象是一个无自平衡能力的对象,这是因为储水量的变化是由给水流量和蒸汽流量变化引起的,而水位变化后既不能影响给水流量,又不能影响蒸发量,所以说水位调节对象是没有自平衡能力的。影响汽包水位变化的因素主要有:蒸汽流量D,给水量W,炉膛热负荷(燃料量M,汽包压力P等。

2.1 汽包水位的动态特性

工业锅炉的汽包水位是正常运行的重要指标之一,水位过高,产生蒸汽带水现象,影响用汽单位的正常生产。汽包水位过低,会影响锅炉的汽水自然循环,如不及时调节,就会使汽包里的水全部汽化掉,可能导致锅炉烧塌和爆炸事故。因此,锅炉运行中,保持汽包水位在一定范围是十分重要的自动控制问题。

影响汽包水位变化的因素很多,主要有燃煤量、给水量和蒸汽流量。燃煤量对水位变化的影响是非常缓慢的,比较容易克服。因此,我们主要考虑给水量和蒸汽流量对水位的影响。锅炉水位调节对象的原理结构如图2-1所示。

2-1 给水调节对象结构图

1-给水母管;2-调节阀;3-省煤器;4-汽包;5-管路;6-过热器;7-蒸汽管

给水调节对象的动态特性是指各种扰动下的汽包水位随时间变化的特性。当扰动为阶跃扰动时,对象的动态特性称为阶跃响应曲线。影响水位变化的原因是很多的,其中锅炉的蒸发量和给水流量的变化是主要的,其它还有炉膛热负荷、汽包压力的变化等原因。

2.2  各种扰动下水位变化的动态特性

2.2.1 给水流量扰动下对象的动态特性

2-2为给水量扰动下水位阶跃响应曲线。图2-2中曲线1为沸腾式省煤器情形下水位的动态特性,曲线2为非沸腾式省煤器情形下水位的动态特性。

2-2 给水量扰动下水位阶跃响应曲线

在给水流量突然增加的瞬间,锅炉的蒸发量还未改变,给水流量大于蒸发量,但水位一开始并不立即增加,这是因为温度较低的给水进入省煤器及水循环系统的流量增加了,从原有的饱和汽水混合物中吸取了一部分热量,使水面下的汽泡容积有所减少。事实上也就是因为给水温度远低于省煤器的温度,即给水有一定的过冷度,水进入省煤器后,使一部分汽变成了水,特别是沸腾式省煤器,给水减轻了省煤器内的沸腾度,省煤器内汽泡总容积减少,因此,进入省煤器内的水首先用来填补省煤器中因汽泡破灭容积减少而降低的水位,经过一段迟延甚至水位下降后,才能因给水不断从省煤器进入汽包而使水位上升。在此过程中,负荷还未变化,汽包中水仍在蒸发,因此水位也有下降趋势。由H曲线可以清楚地看出给水被控对象内扰的特点是:给水扰动刚刚加入时,由于给水的过冷度影响,水位H的变化很慢,经过一段时间之后其变化速度才逐渐增加,最后变为按一定速度直线上升,这时就是物质不平衡在起主要作用了,如果给水量和蒸汽量不能平衡,水位就不能确定。下面简单介绍一下水位在给水扰动下的传递函数。

水位在给水扰动下的传递函数可表示为:

*    

其扰动传递函数方框图如图2-3所示,可近似认为是一个积分环节和一个惯性环节的并联或串联的两种形式。其扰动传递函数方框图如图2-3所示,可近似认为是一个积分环节和一个惯性环节的并联或串联的两种形式。

2-3   给水扰动传递函数方框图

2.2.2  蒸汽流量扰动下对象的动态特性

蒸汽流量扰动下水位的阶跃起反应曲线如图2-4所示。当蒸汽流量突然增加(假定供热量及时跟上)时,锅炉的蒸发量大于给水流量,汽包的贮水量应等速下降,又因为汽包是无自平衡对象,所以水位的变化曲线应如图中曲线H1所示:实际上当蒸发量突然增加时,在汽水循环系统中的蒸发强度也将成比例的增大,使汽水混合物中汽泡的容积增大;又因炉膛内的发热量并不能及时增加,从而使汽包压力不断下降,降低了饱和温度,促使蒸发速度加快,汽泡膨胀,加大了汽水混合物的总体积,使水位变化过程如图中曲线H2所示。水位实际变化曲线是H1H2 之和。

     2-4  蒸汽流量扰动下水位阶跃响应曲线

H1-只考虑贮水量变化的水位反应曲线;H2-只考虑水面下汽泡容积变化的水位反应曲线;

H-实际水位反应曲线(H=H1+H2

两曲线的叠加,即图中的曲线H,由图可知,负荷变化时汽包水位的动态特性具有特殊的形式:负荷增加时,蒸发量大于给水量,但水位不是下降反而迅速上升;负荷突然减小时,水位却先下降,然后迅速上升,这就是“虚假水位”现象。虚假水位的变化情况和锅炉的特性有关,燃料突然减小时(如锅炉灭火),“虚假水位”约在24分钟内即达到最低值。在外部负荷突然减小时(如汽轮机甩负荷),“虚假水位”约在20秒内即达到最低值,并且,“虚假水位”达到最低值的时间和负荷达到的最低值的时间基本相同。汽轮机甩负荷扰动下的“虚假水位”现象是相当严重的,这给组成水位自动调节系统带来了困难。为了维持水位在允许的范围内,运行中应对负荷的一次变动量及负荷变化速度加以限制。

2.2.3  炉膛热负荷扰动下对象的动态特性

当燃料M增加时,炉膛热负荷随着增加,水循环系统内的汽水混合物的气泡比例增加,蒸发强度增加。如果负荷设备的进气阀不加调节,则汽包饱和压力升高,蒸汽流出量增加,蒸发量大于给水量,水位应该下降。随着汽包压力的升高,汽水混合物中汽泡的比例将减小,又使得汽水总容积下降;其次,在汽压升高时,汽的比容变小,水的比容变大,总的效果是汽水混合物的比容变化不大。所以在燃料量扰动下,汽包水位也会因汽包容积的增加水位先上升,因此也会出现“虚假水位”现象,至蒸发量与燃料量相适应时,水位才开始下降,即经过了Tm时间后水位开始下降。由于热惯性的原因,这种“虚假水位”没有蒸汽流量扰动下的“虚假水位”那样严重。


2-5 燃料量扰动下水位阶跃响应曲线

应当指出,蒸汽量、给水量和燃料量在运行中是经常变化的,为保持气压稳定,燃料量与蒸发量必须相互适应,因此这两种扰动总是相伴发生,只是有先后发生的差别。

从各种扰动下水位的动态特性可估计到水位调节的一些缺点:由于存在延迟,等到水位偏离规定值后再去进行调节,水位必然会有较大的变化(尤其是水位反应快的锅炉),水位的偏差也大;在负荷变化时,由于“虚假水位”现象,水位将迅速变化,这种变化幅度不可能用调节给水量来减小。为维持水位在允许的范围内,必须限制负荷的一次改变量和负荷变化速度;在负荷变化后的开始阶段,给水流量和负荷的变化方向相反,如果忽视“虚假水位”现象的存在,盲目根据“水位”来调节给水量,将会扩大锅炉进出流量的不平衡,使水位波动加剧,实际工作中应当防止和避免。

第三章 串级三冲量给水系统的信号校正与系统切换

3.1  锅炉给水设备及管路连接

锅炉给水管路连接是和机炉连接方式相适应的,可分母管制与单元制两类。母管制给水系统是指具有全厂锅炉共用的给水母管系统。全厂所有的给水泵都连在给水母管上;而每台锅炉的给水调节则用各自连接在给水母管上的给水调节门进行。典型的连接如图3-1所示。

3-1 母管制锅炉给水系统示意图

在图3-1中,#1门是主给水调节阀,#2门是备用主给水调节阀,这两个阀门允许通过100%负荷的给水量;#3门是旁路给水调节阀,允许通过25%~30%左右负荷的给水量。为了防止调节阀全闭时漏流,各条管路上都安装了电动截止门#4#5#6。为了检修方便,在主给水管路上又安装了总的电动截门#7。此外还装有锅炉点火时省煤器用再循环门和事故放水电动截止门#8#9

另一类是单元制给水系统,每台单元机组都有自己独立的给水管路系统。比较典型的有汽动泵、电动泵混合型及单纯电动泵组两种。

汽动泵电动泵混合型给水系统共有三台主给水泵,其中两台是可变速的汽动泵,它们在高负荷时使用。另一台是定速电动泵,在单元机组启动及低负荷时使用。由于机组启动阶段还不能得到稳定的气源,汽动变速泵无法使用,故先用电动泵。这时电动泵通常是工作在定速工况,所以需用给水调节阀调节给水量。为了保证泵在低负荷时出口有足够的流量,防止给水泵产生汽蚀现象,安装了再循环管路。

电动泵组单元制给水系统结构的典型形式是三台可变速电动给水泵并联,两台运行一台备用,泵的转速变化依靠液压联轴节(靠背轮)滑差实现。为了保证泵的安全运行特性,通常也装有再循环门和调节阀门。

3.2  测量信号的自动校正

锅炉从启动到正常运行或是从正常运行到停炉过程中,蒸汽参数和负荷在很大范围内变化,这就使水位、给水流量和蒸汽流量测量信号的准确性受到影响。为了实现全程自动控制,要求这些信号能够自动地进行压力、温度校正。

测量信号自动校正的基本方法是:先推导出被测参数随温度、压力变化的数学模型,然后利用各种元件构成运算电路进行运算,便可实现自动校正。按参数变化范围和要求的校正精度不同,可建立不同的数学模型,因而可设计出不同的自动校正方案。

1.水位信号的压力校正

由于汽包中饱和水和饱和蒸汽的密度随压力变化,所以影响水位测量的准确性。通常可以采用以下方法进行压力校正。

采用电气校正回路进行压力校正,就是在水位差压变送器后引入校正回路。

3-2 汽包水位测量系统

-汽包压力;H-汽水连通管之间垂直距离,即最大变化范围;h-汽包水位高度; -夹在差压变送器两侧的压力;-饱和蒸汽的密度;-饱和水的密度;-汽包外平衡容器内凝结水的密度

3-2表示单元单容器平衡测量系统。从图中可以看出:

=

                                              3-1

H一定时,水位h是压差和汽、水密度的函数。密度与环境温度有关,一般可取50时水的密度。在锅炉启动过程中,水温略有增加,但由于同时压力也升高,两种因素对的影响基本上可抵消,即可近似地认为时恒值。而饱和水和饱和蒸汽的密度均为汽包压力的函数,即

由式(3-1)可以改写成                                 3-2


按照式(3-2)可以设计出水位压力自动校正线路,如图3-3所示。

3-3 水位压力自动校正线路

3-3中函数组件x)、x)分别模拟式(3-2)中。计算和试验表明,密度与汽包之间的函数曲线可以看出的关系在较大范围内可以近似地认为是线性关系,即

-

则式(3-1)可以改写为

                                               3-3

按式(3-3)可设计出较为简便的水位自动校正线路,如图3-4所示。

3-4 水位压力自动校正线路二

2.过热蒸汽流量信号的压力、温度校正

过热蒸汽流量测量通常采用标准喷嘴。这种喷嘴基本上是按定压运行额定工况参数设计,在该参数下运行时,测量精度是较高的。但在对系统进行控制时,运行工况不能基本固定。当被测过热蒸汽的压力和温度偏离设计值时,蒸汽的密度变化很大,这就会给流量测量造成误差,所以要进行压力和温度的校正。

可以按下列公式进行校正:

                        3-4

式中  D--------过热蒸汽流量;

      P--------过热蒸汽压力;

      T--------过热蒸汽温度;

     -------节流件差压;

      --------过热蒸汽密度;

      k--------流量系数。


按式(3-4)可设计出过热蒸汽流量信号的压力,温度自动校正线路如图3-5所示。

3-5 过热蒸汽流量信号的压力、温度自动校正线路图

3.给水流量信号的温度校正

计算和实验结果表明:当给水温度为100不变,压力在0.196-19.6Mpa范围内变化时,给水流量的测量误差为0.47%;若给水压力为19.6Mpa不变,给水温度在100-290温度范围内变化时,给水量测量误差为13%。所以,对给水流量测量信号可以只采用温度校正,其校正回路如图3-6所示。若给水温度变化不大,则不必对给水流量测量信号进行校正。

3.3  给水流量测量装置切换系统

3-6 给水流量信号温度校正线路

给水流量测量信号的准确性与压力、温度的校正精度有关,但主要取决于高、低负荷时流量的测量精度。一般,大型单元机组的给水管路系统如图3-7所示。上面的一路为主给水,在高负荷时使用;下面一路为流量较小的旁路给水,锅炉启停过程中及低负荷运行时用它供水;中间一路为辅助给水,当主给水管路发生故障或因水压过低而主给水供不应求时使用。图中#1#2#3为截止阀,#4#5#6为调节阀,#7为总截止阀。旁路给水管路中的最大流量只有主给水管路流量的30%左右,如果采用一个孔板测量给水流量,在低负荷时必然会产生较大的测量误差。为此,给水泵系统中安装了12两个孔板。在锅炉启停及低负荷运行时,用旁路孔板2测量给水量,高负荷时用主管路孔板1测量给水量。对于这种采用两个测量元件的给水流量测量系统,需要用一个流量信号运算回路,如图3-8所示。

3-7 给水管路系统示意图

3-8 给水流量信号运算回路

由于旁路给水管路中的实际流量为主给水管路的1/4左右,因此测量旁路给水流量的变送器输出信号要用乘法器乘以0.25的系数,以便使旁路给水流量信号与主给水流量信号具有同样的变化范围。在比较器中,主给水流量信号减去旁路给水流量信号,此差值信号在另一乘法器中乘可变系数,乘法器的输出为值由比例偏置器调整。当给水流量大于25%时,值由1向零逐渐变小,当流量达到30%,这时旁路给水流量信号消失,转入主给水管路的给水流量测量。可见比较器的输出信号为

                   

其中    --------总给水流量信号;

        --------主给水流量信号;

        --------旁路给水流量信号。

由上式可以看出,当时,=0.25;当时,=,这样就实现了在低负荷时用旁路管路上的孔板2测量给水流量,高负荷时用主给水管路上的孔板1测量给水量的要求,从而提高了测量精度。


3-9中表示的也是一个大小孔板测量切换的线路,大负荷时用大孔板,小负荷时用小孔板,高低负荷切换时,测得的流量信号也进行无扰切换。

3-9 给水流量测量信号系统

在图3-9中,

------经过大孔板的给水流量;

------经过小孔板的给水流量;

 ------大孔板、流量变送器、I/U转换及开方器合在一起的测量系统总的系数;

 ------小孔板等测量系统总的系数;

------最后测得的给水流量信号,它如用指示表表示出来,系数值用(即按大孔板测量范围作为指示仪表的测量范围);

 ------01变化的系数。

其他符号意义可从图中看出。如果把图3-9中各个环节参数配合恰当,则可以得到以下结果:

                                               3-5

3-9中用虚线框表示的部分,是一个比例限幅电路,通过恒流给定器GH输出与大孔板测量信号比较,经比例放大后,再限制其最大输出值(n=010),使=01变化。

的变化应满足以下的要求:

当截门还未打开,给水流量较小时,应使=1,测量值以小孔板测量为准,有

当截门全开,给水流量很大时,应使,测量值应以大孔板测量值为准,有

当截门刚开启一部分,但流量较小时,大孔板测量值误差较大,小孔板又只测得部分流量,此时应使01,按式(3-5)可得到较精确的测量值。

现把实现式(1-5)的线路原理说明如下:

GH值时,比例组件输入为负值,反向截止使输出N=0,由乘法器中,得到

值时,比例组件输入为正值。由于选择比例组件的放大倍数较大,比如为20,此时,输出将大于10,经限幅后,使=10V

GH,并数值范围在GM-0.5V时,输出010V范围内变化,使01

两个乘法器的输入输出关系为

加法器的输出为

              =

因为          

所以             

例如,当流量较小,GH-=0.2V,可得到

即从大孔板测量值取60%,从小孔板测量值取40%,构成给水流量测量信号。

3.4  大小给水调节阀门的切换

在给水控制中,低负荷时通常用旁路阀门(即小阀门)调节给水流量,高负荷时用主给水阀门(即大阀门)调节给水流量。在负荷变化时,大小阀门就需要进行无扰切换。图3-10表示的是这种切换的线路原理。

从图3-10可以看出,在低负荷时,继电器接点KJ断开,定值组件GH发出10V的阶跃信号,经过加法器,直接送到小阀回路中的乘法器,即V。小阀回路乘法器输出V)。信号即为调节器的输出信号,所以小阀回路中的控制信号即为调节器的输出信号,小阀处于工作状态。

与此同时,大阀门处于关闭状态。这是因为KJ断开,限速组件≮的输出信号0,则大阀回路中乘法器输出

当机组负荷增加,给水流量增大到一定值时,绝对值报警组件H/L动作,使继电组件KJ激励,接点KJ闭合。这时,限速组件输入为一个10V的阶跃信号,其


3-10 大小调节阀无扰切换原理图

输出变为斜坡信号,当斜坡信号达到10V时,,即大阀门逐渐开大,最后变为调节器的输出信号,大阀门参与工作。

与此同时,加法器的输出信号,即小阀门回路中的信号如图中所示,为一个由大到小的斜坡信号。当信号降为零时,小阀门回路的乘法器输出。即在大阀门开大时,小阀门相应关小,直到全部关闭。

由于两个阀门的流通量是不同的,所以两个阀门的开关速度应该是不同的,而流量应该保持相等,这可以通过比例系数和偏置值进行调整。

继电组件KJ是由给水量控制的组件,为了防止启停过程中造成阀门的多次反复切换,切换点电压应具有一定的滞环值。

调节阀的切换与截门的切换密切配合,截门应在调节阀投入工作之前打开。

3.5  系统的无扰切换


锅炉在不同的负荷和参数下,其给水被控对象的动态特性是不同的。低负荷时,由于蒸汽参数低,负荷变化小,虚假水位现象不太严重,对维持水位恒定的要求又不高,所以允许采用单冲量给水控制系统。此时如果采用多种自动校正措施,则会使系统结构复杂,整定困难,同时仍然存在误差。于是出现了低负荷时采用单冲量,高负荷时采用三冲量给水控制系统,如图3-11所示。

3-11 单冲量系统与三冲量系统相互切换和跟踪线路

图中PI1是低负荷时的单冲量给水调节器,它只接受经过自动校正后的水位信号。高负荷时采用串级三冲量给水控制系统,其中PI2为主调节器,接受水位信号。PI3为副调节器,除接受主调节器校正信号外,还接受蒸汽流量信号D及给水流量信号W。两套控制系统的切换是根据锅炉负荷(蒸汽流量)的大小进行的。蒸汽流量信号送入偏差报警继电器1KJ,控制继电器接点1C3C。当单冲量系统运行时,1C闭合,3C断开。当要求三冲量系统运行时,3C闭合,1C断开。系统的切换在25%负荷左右进行。为了防止因负荷波动造成系统反复切换,切换值应有10%的滞环值,就是说由单冲量系统切换为三冲量系统是在30%负荷下进行的,由三冲量系统切换为单冲量系统是在20%负荷下进行的。

当三冲量系统运行时,要求PI1调节器的输出跟踪PI3调节器的输出;单冲量系统运行时,要求PI3调节器的输出跟踪PI1调节器的输出;主调节器PI2的输出应保证加法器的输出跟踪给水流量信号。所谓比较线路是由比较器和积分器组成得线路。最简单的原理图如图3-12所示。


                  a                                 b

3-12 负端输入跟踪线路原理图

a)原理电路图;(b)原理框图

3-12是由一个比较器和一个积分器组成的反馈线路,主动信号是A,从动信号是B。通过该线路可使B跟随A变化,使B总与A相等。图中比较器E可看成是放大倍数为的放大器,故在(AB)信号很小的情况下,有:

 所以:                  

由于积分作用存在,B最终一定要等于A。若A是变化量,则B信号跟随A信号变化,始终保持BA相等。

3-12中闭环电路部分还应符合负反馈原则。由于闭环反馈回路中信号B是从比较器正端输入的,所以在比较器环节中输入输出关系不变,而在积分环节中输入输出关系则有一负号,所以整个闭环回路是负反馈形式。


如果主动信号A从比较器正相输入端输入,为满足闭环回路应是负反馈的要求,则应加一反向器,如图3-13所示。

3-13 正端输入跟踪线路原理图

a)原理电路图;(b)原理框图

如果在信号跟随电路中客观需要加入一些其他信号,例如图3-11中,串级调节系统要求副调节器给定信号跟随给水流量信号W,在PI1调节的积分器后又加入了蒸汽流量信号D,即中间加入了附加信号,仍能使从动信号跟随主动信号。这是因为电路中有积分器和负反馈,并形成闭合回路,最后总能使比较器输入信号代数和为零,始终使加法器输出(即副调的给定值)跟踪给水流量W值,保证副调节器入口偏差为零,从而保证无扰切换。

3.6  给水泵安全特性要求

给水泵的安全工作区如图3-14所示,图中阴影区由泵的上、下限特性、最高转速和最低转速,泵出口最高压力和最低压力围成。为了满足上限特性要求,在锅炉负荷很低时,必须打开再循环门,以增加通过泵的流量。这样在所需的相同的泵出口压力条件下,可使泵进入上限特性右边的安全工作区工作,如图3-14中,泵工作点由移到点。


3-14 给水泵安全特性示意图

由于给水泵有最低转速的要求,在给水泵已接近时就不能以继续降低转速的方式来调节给水量。这就需要用改变上水通道阻力,即设置给水调节阀的方式,使泵工作在安全区内。由于兼用改变泵转速和上水通道阻力两种方式调节给水量,增加了全程给水自动控制系统的复杂性。在锅炉负荷升高到一定程度,即泵流量较大时,为了不使泵在下限特性右边区域工作,也需适当提高上水通道阻力,以使泵出口压力提高,这样给水调节门又保证了泵在下限特性左边安全区工作。如图3-14泵工作点由移至点。

第四章   串级三冲量给水控制系统的设计

现代大型锅炉的水位动态特性复杂,汽包存在着严重的“虚假水位”现象,为了保证给水系统的安全可靠,设计了许多不同类型的控制系统,但是无论采用何种调节手段,汽包锅炉的给水调节系统不外乎采用以下三种基本结构:单冲量调节系统结构、单级三冲量调节系统结构、串级三冲量调节系统结构。

低参数小容量的锅炉,相对于负荷来说,其水容积大,“虚假水位”现象不十分严重,对象的飞升速度比较小,对调节质量要求不高,可采用图4-1所示的单冲量单回路调节系统,采用比例调节规律,就能可靠地运行。

4-1 单冲量单回路自动调节

这种系统的缺点是不能适应较大的负荷扰动。在蒸汽流量突然减少时,调节器本应减小给水量以保持物质的平衡,但由于“虚假水位”的存在使得水位H下降,调节器根据这一信号,使给水量增加,甚至可能把调节阀门开到最大。经过一段时间,蒸发量和给水量的不平衡逐渐使水位回升并超过正常值,这时调节器又接受水位高的信号去减小给水量。由于水位回升很快,往往使水位的升高值比第一次“虚假水位”下降值大。水位的第二次升高值是调节器接受虚假水位信号后产生的误动作造成的。另外,由于采用比例调节规律有静差存在,锅炉在大负荷时,水位保持低值,而在小负荷时,水位则保持高值,这种特性对锅炉设备的运行是不利的。

在给水量产生扰动时,由于存在滞后,调节器不会及时动作,当水位偏差信号超过调节器的不灵敏区后调节器开始动作,改变给水调节阀门的开度,从阀门动作改变给水流量到水位发生变化又需要一定时间,不能及时克服给水流量变化带来的影响。当给水控制阀开度不变时,若给水泵出口压力、管道阻力或汽包压力变化,将引起控制阀前后的差压变化,从而引起给水流量变化。当给水流量自发变化时,要等到汽包水位变化后,才有信号输入控制器。控制器才能输出信号改变控制阀开度,以抵消给水流量的自发扰动。控制器的这种控制作用是不及时的。

因此,当调节对象的滞后时间和飞升速度较大时,调节过程将出现很大的动态偏差。

双冲量控制系统能消除内扰,有效补偿外扰引起的水位变化,克服“虚假水位”的影响,改善了控制质量,但由于给水流量对水位的影响,其延迟要比蒸发量对水位影响大,用水位作为反馈信号去控制不及时,使得动态偏差增大。所以这种系统尚不能迅速消除给水流量的自发扰动,也不能及时体现控制效果。这种控制方案多用于中、小型锅炉的给水控制系统。

总之,通过对给水控制系统的对象的动态性能分析可以看出,采用单回路控制系统是不能满足生产对控制品质的要求,所以电站汽包锅炉的给水控制普遍采用三冲量给水控制方案。三冲量给水系统又分为单级三冲量和串级三冲量给水系统。所谓单级三冲量给水系统,是指系统中用了一个调节器,而调节器的输入有三个,因此得名。这种系统与双冲量给水系统相比,多了一个流量反馈信号。给水量发生变化时,流量信号自然要比水位信号快得多,从而大大的改善了控制质量。但是,在系统参数整定时,内外回路相互关联相互影响,不容易确定参数,从而得不到希望的调节效果,且负荷变化时水位静态值是根据“静态对比”来进行整定的。所以,又出现了串级三冲量给水系统,此系统更进一步完善了结构,提高了控制质量。

串级三冲量给水控制系统和单级三冲量给水控制系统相比,有如下特点:

1.两个调节器任务不同,参数整定相对独立。副调节器的任务是当给水扰动时,迅速动作使给水量不变;当蒸汽流量扰动时,副调节器迅速改变给水量,保持给水量和蒸汽量平衡。主调节器的任务是校正水位,这比单级三冲量给水控制系统的工作更为合理,故串级系统的调节质量比单级系统要好一些。

2.在负荷变化时,水位静态值是靠主调节器来维持的,并不要求进入副调节器的蒸汽流量信号的作用强度按所谓“静态配合”来进行整定。恰巧相反,在这里可以根据对象在外扰下虚假水位的严重程度来适当加强蒸汽流量信号的作用强度,以便在负荷变化时,使蒸汽流量信号能更好的补偿虚假水位的影响,从而改变蒸汽负荷扰动下的水位控制质量。对于虚假水位较严重的被控对象,这一点就显得更有意义。

3.当给水流量信号和蒸汽流量信号两个信号中由于变送器故障而失去一个信号,或变送器特性发生变化,平衡关系失去时,主调节器由于积分作用可补偿失去平衡的电流,使系统暂时维持工作;而单级系统当因产生故障而失去时,则无法控制水位在额定值,因此,串级系统的安全性较好。

4.串级系统还可以接入其他冲量信号(如燃料信号等)形成多参数的串级系统。

但是,串级三冲量给水控制系统在汽机甩负荷时,它的过渡过程和响应速度不如单级系统快。

4.1            串级三冲量给水控制系统

4.1.1 给水控制系统概况

锅炉的汽包水位能够间接反映锅炉蒸汽负荷与给水量之间的平衡关系,维持汽包水位正常是保证锅炉和汽轮机安全运行的必要条件。汽包水位过高,会影响汽包内汽水分离装置的正常工作,造成出口的蒸汽水分含量过多,导致过热器管壁结垢而被烧坏,也使过热蒸汽温度急剧变化,直接影响机组的稳定运行。汽包水位过低,可能破坏锅炉水循环,导致水冷壁管被烧坏。

汽包锅炉给水控制系统地作用是使锅炉的给水量自动适应锅炉的蒸发量,维持汽包水位在规定的范围内波动。

汽包水位H是汽包中储水量和水面下汽包容积的综合体现,不仅受汽包储水量变化的影响,还受汽水混合物中汽包容积变化的影响。其中主要的扰动为给水流量W、锅炉蒸发量D、汽包压力、炉膛热负荷等,其对水位的影响各不相同。其中给水流量和蒸汽流量是影响汽包水位的2种主要扰动,前者来自调节侧,称为内扰,后者来自负荷侧,称为外扰。

4.1.2 串级三冲量给水控制系统的工作原理

国产300MW火力发电机组大型汽包锅炉的控制对象具有给水内扰动态特性延迟和惯性大的特点,且无自平衡能力,给水控制系统若采用以水位为被调量的单回路系统,控制过程中水位将出现较大的动态偏差,给水流量波动较大,应此,应考虑采用三冲量给水控制系统方案。

另外,控制对象在蒸汽负荷扰动(外扰)时,存在“虚假水位”现象,应此在扰动的初始阶段,调节器将使给水流量向与负荷变化相反的方向变化,加剧了锅炉的进、出流量的不平衡。因此应采用以蒸汽流量D为前馈信号的前馈控制,从而能够根据对象在外扰下虚假水位的严重程度来适当加强蒸汽流量信号的作用强度,以改善蒸汽负荷扰动下的水位控制品质。

采用串级控制系统将具有更好的控制品质,调试整定也比较方便,故在大型汽包炉上可采用串级三冲量给水控制系统。

串级三冲量给水控制系统的原理图如图4-2和所示。

4-2 串级三冲量给水控制系统原理方框图

这个系统有三个回路,Ⅰ为副回路,包括给水量W、副调节器、执行器放大系数阀门系数、给水流量变送器斜率和给水流量分压系数;Ⅱ为主回路,包括水位被控对象、水位变送器斜率、主调节器和副回路;Ⅲ位前馈通路,包括蒸汽流量变送器斜率和蒸汽流量分压系数、副回路和被控对象

这个系统中使用了两个调节器,构成串级控制系统。为保证被调量无静差,主调节器采用PI控制规律,副调节器采用PIP控制规律,副调节器接受三个输入信号,信号之间有静态配合问题,但系统的静态特性由主调节器决定,因此蒸汽流量信号并不要求与给水流量信号相等。

副回路的作用主要为快速消除内扰,主回路用于校正水位偏差,而前馈通路则用于补偿外扰,主要用于克服虚假水位现象。

4.1.3 串级三冲量给水控制系统的SAMA

   下图为串级三冲量给水控制系统的SAMA图:

4-3 串级三冲量给水控制系统的SAMA

4.2  调节器的选择

调节规律是指调节器输出信号与其输入信号之间的动态关系,从理论上说可有各种形式的函数关系,然而在实践中总结出三种基本调节关系,广为采用。这三种基本调节规律就是比例调节规律、积分调节规律、微分调节规律。三种调节规律的组合可设计出多种调节规律的调节器,如比例调节器、比例积分调节器、比例积分微分调节器等。调节器作为控制系统组成部分之一,其动态特性对控制过程有着很大的影响,因为对象的特性是不容易改变的。

比例调节规律的特点是控制及时,控制作用贯穿整个调节过程,因此它是基本的调节作用。然而比例调节不能保证系统无差。积分作用可以实现无差调节,只要偏差存在,积分控制作用一直增加;换言之,只有偏差为零时,积分作用才停止变化,这表明系统达到再次稳定状态时,被调量的偏差必然为零。积分调节规律的特点就是消除稳态偏差,实现无差调节,其控制作用体现在调节过程的后期。但是,具有积分调节规律的调节器不能完全消除偏差。比例积分调节规律要比纯积分调节规律优越得多。因此工程中很少采用纯积分调节器,广泛采用的是比例积分调节器。然而在比例积分调节器中,积分作用的强弱要适当,过强的积分作用可能使系统不稳定,因为积分作用旨在消除偏差,但使系统的稳定性下降。因此与采用纯比例调节器相比,比例积分调节器的比例带应适当加大,以补偿积分作用造成的稳定性下降。

微分调节规律是调节器输出的控制作用与其偏差输入信号的变化速度成正比。微分调节作用的大小仅与偏差信号的变化速度有关,而与偏差值大小无关。因此对象在受到较小的扰动后,被调量变化量及变化速度都将很小,微分作用调节器同时由于自身动作的不灵敏区的存在而始终不动作;这样经过一段时间后,偏差将积累成一个较大的值。就是说纯微分作用的调节器是不能单独使用的,微分作用要与比例作用或比例积分作用相结合,形成比例微分调节规律或比例微分积分调节规律。微分作用的引入使系统控制过程的稳定性和准确性都得以提高,但它不能像积分作用那样消除稳态偏差。

比例调节作用是最基本的调节作用,而积分和微分作用为辅助调节作用。比例作用贯彻于整个调节过程之中,积分作用则体现在调节过程的后期,用于消除静态偏差,微分调节作用则体现在调节过程的初期。

主、副回路调节器调节规律的选择原则:

1)主参数控制质量要求不十分严格,同时在对副参数的要求也不高的情况下,为使两者兼顾而采用串级控制方式时,主、副调节器均可采用比例控制。

2)要求主参数波动范围很小,且不允许有余差(稳态误差),此时副调节器可采用比例控制,主调节器采用比例积分控制。

3)主参数要求高,副参数亦有一定的要求,这时主、副调节器均采用比例积分形式。

4.3  串级三冲量给水控制系统的参数整定

4.3.1  主、副调节器的参数整定

在串级三冲量给水控制系统中,副回路是一个调节器,一般用试探法整定副回路的。主回路参数整定是把副回路等效成一个比例环节,然后用经验公式进行整定;前馈通路的选择是基于“虚假水位”而定的。它主要是为了补偿“虚假水位”现象。下面分别对它们进行参数整定。

副回路可看作一个随动系统,如图4-4所示。

4-4 副回路等效图

把调节阀和普通管道系统作为被调对象,则作为以外的环节都作为等效调节器。

采用型如的调节规律,则

                                  4-1

式中------副调节器比例带;

    ------副调节器积分时间。

调节器的比例带和积分时间 都应该取得很小,给水流量信号和蒸汽流量信号的分压系数 一般均取为1。当给水被控对象“虚假水位”严重时,需加大蒸汽流量信号的作用强度,以改善控制过程品质,此时可取,并通过试验来减小/ 最好为整数(一般为2,即=0.5)。由于内回路快速随动,故副调节器也可用纯比例型调节器。                      

式(4-1)表明,副回路的等效调节器也可看作一个PI规律的调节器。

                                                   4-2

副回路的对象为,可近似为比例环节,所以调节器的比例带和积分时间都可以整定得很小,实际应用中,可通过试验获得;因此副回路也是整定的问题,一般也用试探法求得。


主回路的整定是建立在副回路可以等效为一个快速比例环节基础上的。它的示意图如图4-5所示,其中为等效副回路。

4-5 主回路等效图

看成是被控对象,其余的环节可看成是等效调节器。

若:              

也是一个PI调节器。

                                                    4-3

为已知,所以回路只要整定的问题,用以下经验公式整定:

                     

所以                 

由式(4-2)和式(4-3)两式可知:

即当增加时,内回路稳定性降低,外回路稳定性增强,反之相反。

一般取=1,则只需整定。则有

        

4.3.2  前馈通路的设计   

前馈通路的简化图见图4-6通路中的选择是基于“虚假水位”情况而定的。

                       4-6 前馈通路等效图

前馈通路中完全补偿条件为:

                        4-4

若前馈通路的设计只考虑静态补偿,且的静态比值为一常数,则有:

其中是虚假水位现象决定的常数,虚假水位现象严重时,值大,反之值小。负号表示前馈调节方向与虚假水位方向相反。

由式(4-4)可得量的关系

在负荷开始变化时,为使蒸汽流量信号更好地补偿虚假水位现象,改善负荷扰动时调节过程的质量,一般使蒸汽流量信号大大高于给水流量信号,即令

这时有

   

,则

     

第五章    串级三冲量给水控制系统的仿真

5.1  MATLAB概述

火电厂是高度重视安全生产的企业之一,控制系统一旦投入运行,是不允许无关人员随便乱动的。因此,对控制系统的分析研究和自动化人员生产技能的培训只能在仿真控制系统上进行。以往的仿真控制系统主要是物理和半物理仿真,建立这样的仿真控制系统投资大,安装和维护费用也大。尤其是自动化仪表发展如此之快,使这些仿真控制系统不得不进行设备的更新改造,其经济损失是显而易见的。MATLABMathworks公司于1982年推出的一套高性能的数值计算和可视化软件,它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体,构成了一个方便的、界面友好的用户环境。利用MATLAB软件中的SIMULINK功能可对自动控制系统进行仿真研究,它的仿真结果将会对自动控制系统的设计、安装调试和运行维护有着重要的指导意义。在火电厂中,DEH(汽轮机数字电液控制系统)是汽轮机运转的神经中枢,该系统性能只能通过动态过程才能反映出来。为此,利用MATLAB仿真工具和VB开发界面,建立DEH仿真平台,在不干扰生产的情况下,对DEH系统动态过程进行分析研究,从而避免了对系统参数调整的盲目性,使DEH系统各部分的动态过程完整地呈现出来。这对DEH系统优化运行中参数的整定、修改起到了预测和指导作用。实践证明,利用MATLAB对自动控制系统进行仿真,具有安全、可靠、节省人力、物力和财力等优点,它为加快大型火电机组热工自动控制系统的调试速度,提高火电厂热工自动控制系统的投入率,又提供了一个新的方法和手段。

5.2  串级三冲量给水控制系统的仿真

系统参数:

给水流量传函       

蒸汽流量传函         

负荷从0100t/h变化时,开方器输出0100mA

调节器输出从010mA变化时,阀门开度变化0%100%,即执行器放大系数

阀门系数=2 t/h/%,给水量及蒸汽流量变送器斜率= 0.083V/t/h

水位变送器:在最大的水位波动范围mm内,变送器输出电压是010V,所以,水位变送器斜率==0.033V/mm

5.2.1         副回路的仿真

由第四章的分析结果可知,可以把副回路作为一般的回路来分析,由于执行器、调节阀和都可以认为是一个比例环节,将第四章图4-4中的KZ看作被控对象,这样副回路由调节器和广义被控对象K=KZ组成,所以可进一步等效为图5-1

5-1 等效方框图

由图我们可以算得:

==10×2×1×0.083=1.6

根据经验法,将取的很小,一般情况下积分时间,试探过程中,可以任意设置值,就可以得到一个满意的比例带:

=

副回路SINMULINK结构图及仿真图见图5-2和图5-3

5-2 副回路的SIMULINK结构图

5-3 副回路的仿真图

由仿真曲线可知,将副回路整定成快速随动系统。

5.2.2          主回路的仿真

主回路的整定是建立在副回路可以等效为一个快速比例环节基础上的。它的示意图如图5-4所示,其中为等效副回路。

5-4 主回路等效图

根据第四章的参数整定过程,带入数据可以求得:

主回路SINMULINK结构图及仿真图见图5-5和图5-6

5-5 主回路的SIMULINK结构图

5-6 主回路的仿真图

上图中纵坐标的表示相对水位,也就是期望达到的稳定水位,这里稳定值设为1

从主回路SIMULINK仿真图可以看出,虽然仿真曲线最终能达到稳定值1,但是并不理想,这是因为我们在整定主回路的时候把等效副回路 中的水流量信号的分压系数的值取为了0.5,所以下面用试探法修改参数,并进行仿真。

修改参数后主回路的SIMULINK结构图如图5-7所示:

5-7 主回路的SIMULINK结构图

修改参数后的主回路仿真图如图5-8所示

5-8 主回路的仿真图

修改参数后的主回路的仿真曲线是一波半,显示出很好的控制特性,并能稳定在稳定值1,这是因为在进行参数整定的时候,为了不降低副回路控制过程的快速性,同时要减小副调节器的比例带 ,为了配合方便,/ 最好为整数(一般为2,即=0.5),而在一般情况下,若要求在负荷不变的情况下,水位无静差,给水流量信号的分压系数一般都取为1

动态性能分析:

稳态是控制系统能够运行的首要条件,因此只有当动态过程收敛时,研究系统的动态性能才有意义。从图5-8可看出,系统能够收敛于固定值,所以我们计算下图的性能指标。

5-9 主回路仿真图

从图5-9可知:

延迟时间:响应曲线第一次到达其终值一半所需的时间=25s

上升时间:响应从终值10%上升到终值90%所需的时间=40s

峰值时间:响应超过其终值到达第一个峰值所需的时间=77s

调节时间:响应到达并保持在终值内所需的时间=300s

超调量:响应的最大偏离量与终值的差与终值比的百分数,即

从求得的性能指标看,参数修改后的系统性能要更好。

5.2.3         外扰下的仿真分析

下面对整个系统进行仿真实验,并分析在各种扰动下系统的稳定性。

5-105-11分别为在给水流量扰动下,系统的SIMULINK结构图和仿真图从物质平衡的观点来看,加大了给水量G,水位应该立即上升,但实际上并不是这样,而是经过一段迟延,甚至先下降后再上升,而仿真曲线说明了系统在克服了给水量扰动下的水位变化特性,系统在给水流量扰动下能回到期望水位0,(这里表示给水流量扰动下的相对水位)所以系统的的性能良好。

5-10 给水流量扰动下的SIMULINK结构图

5-11 给水量扰动下的水位变化仿真图

5-12和图5-13分别为在蒸汽流量扰动下的SIMULINK结构图和仿真图,由仿真曲线可以看出,系统在蒸汽流量扰动下存在虚假水位现象被很好的克服。产生虚假水位的原因是由于负荷增加时,在汽水循环回路中的蒸发强度也将成比例的增加,水面下汽泡的容积增加得也很快,此时燃料量M还来不及增加,汽包中汽压下降,汽包膨胀,使汽泡体积增大而水位上升,同给水扰动一样,在经历了一段的波动后,回到了期望值,并逐渐趋于平稳。

5-12 蒸汽流量扰动下的SIMULINK结构图

5-13 蒸汽流量扰动下水位变化仿真图

串级三冲量系统的SIMULINK结构图如图5-14所示:

5-14 串级三冲量系统的SIMULINK结构图

串级三冲量系统的仿真图如图5-15所示:

5-15 串级三冲量系统仿真图

从图中我们可以看出,系统能够很快的稳定于期望的值,并且波形符合一波半,系统的稳定性很好,说明参数整定合理,符合设计要求。

5.3                仿真结果分析

在上述的设计与仿真中,主回路是用于校正水位偏差的,副回路的作用则是快速消除内扰,前馈通路用于补偿外扰,克服虚假水位现象。在串级三冲量给水控制系统中给水流量扰动是内扰,串级三冲量给水控制系统中主调节器的任务是校正水位,这比单级三冲量给水控制系统的工作更为合理。当水位发生扰动时,汽包水位变化,系统立刻通过水位变送器将变化量反馈到主调节器,使主调节器动作,进行调节,从而消除未进入副回路的扰动,稳态时保持汽包水位等于原来设定值,维持系统安全可靠的运行。但这种扰动发生后,系统是通过反馈作用来进行调节的,所以系统调节会存在一定的迟延,不如调节前馈扰动量及时。而蒸汽流量扰动是外扰,在串级三冲量给水控制系统中当蒸汽流量发生扰动时,蒸汽流量信号使给水调节阀一开始就向正方向移动,保持水和蒸汽平衡,即蒸汽流量增加,给水调节阀开大,抵消了由于“虚假水位”引起的反方向移动,因而减少了水位和给水流量的波动幅度。主调节器的作用是校正水位偏差,最后稳态时保持汽包水位等于原来设定值,维持系统安全可靠的运行。

前馈控制的思路是这样的,系统被调量除了跟随给定量变化而应该变化外,被调量还会产生偏差,其原因是由于扰动作用引起的。倘若在扰动出现时,就能立即进行控制,而不是等到偏差发生后再进行控制,这样就可以有效地消除扰动对系统被调量的影响。

前馈控制是将扰动信号经前馈控制器处理后用以消除扰动对被调量的影响,它是按扰动进行的补偿控制,所以前馈控制又叫作“扰动补偿”。由自动控制原理知道,扰动补偿属于开环控制。前馈控制对系统的稳定性无影响,只要原系统是稳定的,施以前馈控制后,系统仍然稳定。

前馈控制只能对于可以测量的扰动作用进行扰动补偿。前馈控制器的结构、参数取决于被控制对象与扰动通道的特性。

从仿真效果可知,串级三冲量给水控制系统对各种典型影响因素的干扰均能做出快速反应,具有较高的调节质量和调节精度,能够维持汽包水位的稳定,保障机组的安全稳定运行。

 

锅炉的汽包水位能够间接反映锅炉蒸汽负荷与给水量之间的平衡关系,维持汽包水位正常是保证锅炉和汽轮机安全运行的必要条件。汽包水位过高,会影响汽包内汽水分离装置的正常工作,造成出口的蒸汽水分过多,导致过热器管壁结垢而被烧坏,也使过热蒸汽温度急剧变化,直接影响机组的稳定运行。汽包水位过低,可能破坏锅炉水循环,导致水冷壁管被烧坏。在这个基础上我们设计了一种水位的控制系统—串级三冲量给水控制系统。

三冲量控制系统是在双冲量控制系统的基础上引入给水流量信号,利用水位、蒸汽流量和给水流量三个参数进行液面控制。在这个控制系统中,汽包水位是被控量,是主冲量信号;蒸汽流量、给水流量是两个辅助冲量信号。该控制系统经过给水流量和蒸汽流量扰动下的仿真实验,能有效地克服虚假水位和给水干扰对控制系统的影响。极大地提高了控制系统的性能,改善了高压汽包的运行状况,使高压汽包的液位波动很小,液位控制非常平稳。

通过系统在校正前后的各项性能指标的比较可以得出:加入比例积分调节器的控制系统,系统的稳态误差趋于零,消除了静差,但同时却降低了原有系统的稳定性。在控制理论中我们知道,比例带增加时,系统的开环传递函数的放大系数减小,系统的稳定性提高。反之,系统的稳定性降低。因此,为了获得更好的控制效果在实际整定中适当地增大了比例带。

本文在设计时由于设计者能力有限,难免有一些漏洞,希望各位老师指出错误,我将虚心的接受并加以改进。

 

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附录

本设计所用SAMA图示:

 

 
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