第四章-锅炉给水控制系统

第四章锅炉给水控制系统NorthChinaElectricPowerUniversity1第四章锅炉给水控制系统§4.1锅炉给水控制系统的任务§4.2给水控制对象的动态特性§4.3给水控制的基本方案§4.4锅炉全程给水控制系统组成§4.5锅炉给水控制系统实例分析第四章锅炉给水控制系统NorthChinaElectricPowerUniversity2§4-1锅炉给水控制系统的任务第四章锅炉给水控制系统NorthChinaElectricPowerUniversity3汽包锅炉给水控制的任务是使给水量适应锅炉蒸发量，并使汽包的水位保持在一定范围内：（1）维持汽包水位在一定的范围内汽包水位是影响锅炉安全的重要因素。水位过高，会破坏汽水分离装置的正常工作，严重时会导致蒸汽带水增多，从而增加在过热器管壁上和汽轮机叶片上的结垢，甚至使汽轮机发生水冲击而毁坏叶片；水位过低，则会破坏水循环，引起水冷壁的破裂。第四章锅炉给水控制系统NorthChinaElectricPowerUniversity4正常运行时水位波动范围：±（30～50）mm异常情况:±200mm事故情况：超出（±350mm）（2）保持稳定的给水量稳定工况下，给水量不应该时大时小地剧烈波动，否则，将对省煤器和给水管道的安全运行不利。第四章锅炉给水控制系统NorthChinaElectricPowerUniversity5§4-2给水控制对象的动态特性第四章锅炉给水控制系统NorthChinaElectricPowerUniversity6汽包炉给水控制对象结构如下图:图.汽包炉给水控制的结构系统第四章锅炉给水控制系统NorthChinaElectricPowerUniversity7影响水位的因素主要有：锅炉蒸发量（负荷D）给水量W炉膛热负荷（燃烧率M）汽包压力Pb一、给水量扰动下水位变化的动态特性水位在给水扰动下的传递函数可表示为()()1(1)HsTWssTssTs第四章锅炉给水控制系统NorthChinaElectricPowerUniversity8左图中曲线1为沸腾式省煤器时水位的动态特性。曲线2则是非沸腾式省煤器时的水位动态特性。图.给水量扰动时水位阶跃响应曲线第四章锅炉给水控制系统NorthChinaElectricPowerUniversity9水位对象可近似认为是一个积分环节和一个惯性环节并联的形式：()()sHseWss2．蒸汽流量扰动下水位的动态特性“虚假水位”：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增加，水面下汽泡的容积增加得也很快，此时燃烧率M还来不及增加，汽包中水的体积增大而水位上升。第四章锅炉给水控制系统NorthChinaElectricPowerUniversity10传递函数22()()(1)HskDsTss第四章锅炉给水控制系统NorthChinaElectricPowerUniversity113．炉膛热负荷扰动下水位变化的动态特性图.燃料扰动下水位阶跃响应曲线第四章锅炉给水控制系统NorthChinaElectricPowerUniversity12炉膛热负荷扰动即是指燃烧率M的扰动。燃烧率增加时，锅炉吸收更多的热量，使蒸发强度增大，如果不调节蒸汽阀门，由于锅炉出口汽压提高，蒸汽流量也增大，这时蒸发量大于给水量，水位应下降。但由于在热负荷增加时蒸发强度的提高，使汽水混合物中的汽泡容积增加，而且这种现象必然先于蒸发量增加之前发生，从而使汽包水位先上升，从而引起“虚假水位”现象。当蒸发量与燃烧量相适应时，水位便会迅速下降，这种“虚假水位”现象比蒸汽量扰动要小一些，但其持续时间长。第四章锅炉给水控制系统NorthChinaElectricPowerUniversity13影响水位的因素除上述之外，还有给水压力、汽包压力、汽轮机调节汽门开度、二次风分配等。不过这些因素几乎都可以用D、M、W的变化体现出来。为了保证汽压的稳定，燃料量和蒸发量必须保持平衡，所以这两者往往是一起变化的，只是先后的差别。给水扰动是内扰，其它是外扰。第四章锅炉给水控制系统NorthChinaElectricPowerUniversity14§4-3给水控制的基本方案第四章锅炉给水控制系统NorthChinaElectricPowerUniversity15一、单级三冲量给水控制系统图.单级三冲量给水控制系统结构图第四章锅炉给水控制系统NorthChinaElectricPowerUniversity16工作原理:调节器接受三个信号（H、W、D），其输出通过执行机构去控制给水量W，其中水位H是主要控制信号，水位高时应减少给水流量，水位低时应增加给水流量。蒸汽流量D和给水流量W的变化是引起水位变化的主要原因（扰动信号），它们分别作为水位控制的前馈信号和反馈信号。当D改变时，调节器PI动作。适当地改变给水量W，保证D和W比值不变；而当W自发地改变时，PI也立即动作使W恢复原来数值，有效地控制水位的变化。第四章锅炉给水控制系统NorthChinaElectricPowerUniversity17图.单级三冲量给水控制系统原理单级三冲量给水控制系统的原理方框图如下图所示。第四章锅炉给水控制系统NorthChinaElectricPowerUniversity18二、串级三冲量给水控制系统图.串级三冲量给水控制系统结构图串级三冲量给水控制系统如左图。有主调节器PI1和副调节器PI2。主调节器PI1接受水位信号作为主控信号去控制副调节器PI2。副调节器除接受主调节器信号IH外，还接受给水量反馈信号IW和蒸汽流量信号ID，组成一个三冲量的串级控制系统，其中副调节器的作用主要是通过内回路进行蒸汽流量D和给水流量W的比值调节，并快速消除来自给水侧的扰动。1、工作原理:第四章锅炉给水控制系统NorthChinaElectricPowerUniversity192、系统特点（1）两个调节器任务不同，参数整定相对独立；（2）在负荷变化时，水位静态值是靠主调节器PI1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“静态对比”来进行整定。恰巧相反，在这时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快地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。第四章锅炉给水控制系统NorthChinaElectricPowerUniversity20三、给水流量加惯性的单级三冲量给水控制系统图.给水流量加惯性的三冲量给水控制系统结构图第四章锅炉给水控制系统NorthChinaElectricPowerUniversity21图.原理方框图区别在于它在给水流量反馈回路中加了一个一阶惯性环节，所以在分析内回路时有些不同。第四章锅炉给水控制系统NorthChinaElectricPowerUniversity22图.主回路等效图()(1)hWsTsse=+*(1)()(1)GTsWsTsse+=+其中等效对象并使TG=T，则有ssW)(*等效调节器**1)(WWHTsW由于等效对象变为一个无延迟无惯性的纯积分环节，所以调节效果将大为改善。第四章锅炉给水控制系统NorthChinaElectricPowerUniversity23这种系统的优劣之处：（1）在给水回路中加入惯性环节后，副回路发生内扰时，系统消除内扰的能力减弱了，势必使给水被调量的幅度增大，对保持给水稳定性是不利的；（2）对于主回路来说，如前所述，由于等效对象的惯性减少了，对于水位信号的稳定和整个回路的调节品质都有好处。第四章锅炉给水控制系统NorthChinaElectricPowerUniversity24由于水位调节回路的等效调节器变成了PD规律，所以对大延迟系统的调节品质有益。这种调节品质是在牺牲给水回路控制品质的基础上，使水位回路的控制品质得到改善，因此在负荷变化频繁，水位经常变动的情况下使用为宜，这时方可加上水位限幅作为大型锅炉给水控制方案。四、附加蒸汽流量负微分信号、给水流量信号加惯性的三冲量给水控制系统这个系统在给水流量信号回路中加入了一个惯性环节1/(1+TGs)，在蒸汽流量信号回路中增加了一个实际微分环节KdTds/(1+Tds)。第四章锅炉给水控制系统NorthChinaElectricPowerUniversity25图.附加蒸汽流量负向微分、给水流量加惯性的三冲量给水控制系统副回路的分析与前面系统相同，传递函数可近似为(1+TGs)/αWγW，相当于一个等效PD调节器，δ*=αWγW，T*d=TG第四章锅炉给水控制系统NorthChinaElectricPowerUniversity26主回路通常设TG=T，使对象等效成一个积分环节，与前图系统相同，这样做的目的是为了改善控制品质。图.原理方框图第四章锅炉给水控制系统NorthChinaElectricPowerUniversity27微分信号作为前馈加入系统旨在减少水位调节过程中的动态偏差。所谓“负微分”，是因为这个经过微分器的信号作用方向与蒸汽流量信号的作用方向相反。能有效地克服“虚假水位”现象引起的水位动态偏差。优缺点：（1）由于蒸汽流量的负微分信号与蒸汽流量信号作用相反，负荷增加时，这个微分信号能暂时使调节作用去减少给水流量，减小由于负荷变化时“虚假水位”现象引起的水位动态偏差；第四章锅炉给水控制系统NorthChinaElectricPowerUniversity28（2）由于在克服因“虚假水位”现象引起的动态偏差的同时，汽包进水量和蒸汽流量之间的差别反而扩大，要使水位保持不变就必须大幅度增加给水流量，所以这种系统对稳定水位有利，而对稳定给水流量无益。因此，这种系统适用于有冲击负荷的大型锅炉的给水控制系统中，这时由于负荷变化又很频繁，维持汽包水位和缩短调节时间成了主要矛盾。一般火电厂中，多采用单级三冲量或串级三冲量给水控制系统。第四章锅炉给水控制系统NorthChinaElectricPowerUniversity29§4-4锅炉全程给水控制系统组成第四章锅炉给水控制系统NorthChinaElectricPowerUniversity30给水流程图第四章锅炉给水控制系统NorthChinaElectricPowerUniversity31一、基本概念1、全程控制指对受控过程和系统从启动、运行到停止的全过程实现自动控制。全程控制包括启停控制和正常运行工况下的控制两方面的内容。第四章锅炉给水控制系统NorthChinaElectricPowerUniversity32实现全程控制的难点：（1）常规系统的设计与综合是依据额定工况下受控对象特性进行的。在设备启动、停止以及不同的运行工况下，受控对象特性有着很大的差异，因而本质是非线性和时变的。（2）常规控制系统针对额定工况，近似地作为线性系统进行设计综合。当系统工况严重偏离额定点时，这样的控制系统就难以运行。（3）许多系统在启停过程或不同运行方式下，对控制指标要求也有很大差异。第四章锅炉给水控制系统NorthChinaElectricPowerUniversity33实现全程控制的策略包括：（1）变结构控制控制系统结构能够根据生产工艺流程或运行工况的改变而改变，以适应不同工况条件下对控制的要求，构成全程自动控制。例：锅炉给水全程控制系统中，随负荷的变化可由单冲量控制方式切换为三冲量控制方式；给水泵的运行方式以及控制作用方式也进行相应的逻辑切换，保证给水全程自动控制的实现。第四章锅炉给水控制系统NorthChinaElectricPowerUniversity34（2）变参数控制为了在受控对象特性改变的情况下保持良好的控制品质，就应当对控制器参数进行再整定。自整定技术：一种能够自动修正控制器参数的技术是自整定技术（auto-tuning）。具有自整定功能的自整定控制器可以对控制器参数在线自整定。在受控对象特性变化的一定范围内，通过自整定使控制品质在一定意义上保持最佳