1、鍋爐三沖量控制系統設計一概述1.1鍋爐概述鍋爐由汽鍋和爐子組成。爐子是指燃燒設備，為化石烯料的化學能轉換成熱能提供必要的燃燒空間。汽鍋是為汽水循環和汽水吸熱以及汽水分離提供必要的吸熱和分離空間。鍋爐作為一種把煤、石油或天然氣等化石燃料所儲藏的化學能轉換成水或水蒸氣的熱能的重要設備，長期以來在工業生產和居民生活中都扮演著極其重要的角色，它已經有二百多年的歷史了，但是鍋爐工業的迅猛發展卻是近幾十年的事情。國外的鍋爐控制工業5060年代發展最快，70年代達到高峰。我國的鍋爐工業是在新中國成立后才建立和發展起來的，1953年在上海首創了上海鍋爐廠,從其在生產和生活中所起的作用不同，鍋爐可分為電站鍋爐，

2、主要用于發電；工業鍋爐，主要用于直接供給工農業生產或驅動機械能源；生產鍋爐，主要用于為居民提供熱水和供居民取暖。應該說鍋爐控制問題伴隨著鍋爐的出現也就相應的出現了，它長期以來就是控制領域的一個典型問題。伴隨著控制理論和控制技術的發展，鍋爐自動化控制的水平也在逐步提高。鍋爐的自動化控制，經歷了三四十年代單參數儀表控制，四五十年代單元組合儀表綜合參數儀表控制，以及六十年代初期的計算機過程控制幾個階段，隨著六十年代第一臺計算機在控制中的應用以及此后計算機和通信技術的迅猛發展，計算機逐漸進入了鍋爐控制領域并正在成為這一領域的主要角色。計算機很強的記憶功能，邏輯判斷功能以及快速計算功能為實現任意的控制算

3、法提供了可能，這樣，先進的控制理論和控制算法進入鍋爐控制已經有了可能性。從系統角度看，鍋爐包括燃燒負荷控制系統、送引風系統、給水控制系統和輔助控制系統。其結構如圖1-1：圖1-1 鍋爐控制系統總圖鍋爐汽包水位是鍋爐安全運行的一個主要參數，水位過高會使蒸汽帶水帶鹽，嚴重的將引起整體品質下降，嚴重影響生產和安全；水位過低又將破壞部分水冷壁的水循環，引起水冷壁局部過熱而損壞，尤其是大型鍋爐，一旦控制不當，容易使汽包滿水或汽包內的水全部汽化，造成重大事故。故鍋爐汽包給水控制系統的任務是保證汽包水位在允許的范圍內，并兼顧鍋爐的穩定運行。對蒸汽鍋爐來說，汽包水位是其正常運行的主要指標之一，是一個重要的被調

4、節參數。由于汽包水位在鍋爐運行中占首要地位，所以這類鍋爐的生產自動化一般是從給水自動調節開始的。隨著鍋爐參數的提高和容量的擴大，對給水控制提出了更高的要求，其主要原因有：（1）汽包的個數和體積減小，使汽包的蓄水量和蒸發面積減少，從而加快了汽包水位的變化速度；（2）鍋爐容量增大，顯著的提高了鍋爐蒸發受熱面的熱負荷，使鍋爐負荷對水位的影響加劇了；（3）提高了鍋爐的工作壓力，使給水調節閥和給水管道系統相應復雜，調節閥的流量特性更不易滿足控制系統的要求。由此可見，隨著鍋爐朝大容量、高參數的發展，給水系統采用自動控制是必不可少的，它可以大大減輕運行人員的勞動強度，保證鍋爐的安全運行。1.2主要設備介紹汽

5、包：一般汽包采用夾層結構，并且汽包上、下兩半部采用不等壁厚，以減輕汽包重量，節約鋼材。來自水冷壁的汽水混合物從汽包頂部兩側進入汽包的內夾層，沖刷汽包上半部內壁，然后再進入渦流式分離器，在分離器做第一次分離，每只分離器頂部都裝有立式波形板分離器，作為二次分離元件。汽包頂部還配有立式波形板分離器，作為三次分離元件，經三次分離的飽和蒸汽由汽包頂部的引出管送到過熱器去，下降管安置于汽包最底部，在下降管入口處還裝有十字架，用來消除由于入口產生旋渦而將蒸汽帶入下降管的現象。此外，汽包內還裝有給水管和連續排污管。變速泵：變速泵又分為電動變速泵和氣動變速泵。電動變速泵的驅動電動機經液力聯軸器與水泵相連接，通過

6、改變液力聯軸器中勺管的徑向行程，改變聯軸器的工作油量，實現給水泵轉速的改變，氣動給水泵由小汽輪機直接驅動，通過控制小汽輪機的進氣量，改變氣動泵的轉速。氣動給水泵可直接將蒸汽的熱能轉變為機械能，有較高的效率。但由于驅動小汽輪機的蒸汽一般采用主汽輪機的抽汽，在機組啟動和低負荷時，汽輪機抽汽氣壓太低，無法維持氣動泵運行，因此采用氣動給水泵的系統，一般都配有一定容量的電動泵，作為機組啟停和低負荷時使用以及氣動泵故障時的備用泵。圖1-2 變速泵的壓力-流量特性變速泵的壓力-流量特性如圖1-2所示，為了保證鍋爐和泵的安全經濟運行，泵必須工作在泵的上限特性、下限特性、鍋爐允許最高給水壓力和最低給水壓力以及泵

7、的最高轉速和最低轉速包圍的區域，該區域稱為泵的安全工作區。泵的上限特性曲線亦稱為最小流量曲線，它表示給水泵在不同轉速下必須滿足的最小流量，正如前所述，低于這個流量，不但運行效率很低，而且還會產生汽蝕現象。這是由于低流量時，泵內機械能做功產生的熱量不能及時帶走，使得給水加熱并汽化，導致汽蝕。泵的下限特性曲線，亦稱為最大流量曲線，它表示給水泵在不同轉速下允許的最大流量，大于這個流量，泵的工作效率降低，而且可能使泵內靜壓最低值低于給水溫度下的飽和壓力，在流道靜壓最低值部分給水將發生汽化，導致汽蝕。因此采用變速泵的給水控制系統，在控制給水流量的過程中必須保證泵的工作點在安全工作區內。一般采用的保護措施

8、是：當工作點進入上限特性曲線之外時，打開泵出口至除氧器再循環管路上的最小流量再循環閥，稱之為最小流量保護；當工作點進入下限特性之外時，關小管路的給水調節閥或提高水泵轉速，稱之為最大流量保護，從而保證泵的工作點始終在泵的安全經濟工作區內。1.3給水調節的任務給水自動調節也叫水位自動調節，其主要任務是：(1)維持鍋爐水位在允許的范圍內，使鍋爐的給水量適應于蒸發量。鍋爐的水位是影響安全運行的重要因素。水位過高會影響汽水分離裝置的正常工作，嚴重時會導致蒸汽帶水增加，使過熱器管壁和氣輪機葉片結垢，造成事故；對于工業鍋爐，蒸汽帶水量過多，也要影響用戶的某些工藝過程。水位過低，則會破壞汽水正常循環，以致燒壞

9、受熱面。水位過高或過低，都是不允許的。所以，正常運行時汽包水位應在給定值的15mm上下范圍波動。(2)保持給水量穩定。給水量穩定，有助于省煤器和給水管道的安全運行。上述兩個任務中，第一個任務尤為重要。實踐證明，無論是電站鍋爐，或者是工業鍋爐，用人工操作調節水位，既不安全，也不經濟，其最有效的方法是實現給水自動調節。二給水被控對象的動態特性在討論給水自動控制系統之前，必須先分析被控對象的動態特性，然后才能設計出一個合理的給水控制系統。給水調節對象的動態特性是指汽包水位的變化與引起水位變化的各種因素之間的動態關系。汽包水位是汽包中儲水量和水面下汽泡容積的綜合反映。所以，水位不僅受汽包儲水量變化的影

10、響，而且還受到汽水混合物中汽泡容積變化的影響。從水位反映儲水量來看，調節對象是一個無自平衡能力的對象，這是因為儲水量的變化是由給水流量和蒸汽流量變化引起的，而水位變化后既不能影響給水流量，又不能影響蒸發量，所以說水位調節對象是沒有自平衡能力的。影響汽包水位變化的因素主要有：蒸汽流量D,給水量W，爐膛熱負荷（燃料量M）,汽包壓力P等。2.1汽包水位的動態特性工業鍋爐的汽包水位是正常運行的重要指標之一，水位過高，產生蒸汽帶水現象，影響用汽單位的正常生產。汽包水位過低，會影響鍋爐的汽水自然循環，如不及時調節，就會使汽包里的水全部汽化掉，可能導致鍋爐燒塌和爆炸事故。因此，鍋爐運行中，保持汽包水位在一定

11、范圍是十分重要的自動控制問題。影響汽包水位變化的因素很多，主要有燃煤量、給水量和蒸汽流量。燃煤量對水位變化的影響是非常緩慢的，比較容易克服。因此，我們主要考慮給水量和蒸汽流量對水位的影響。鍋爐水位調節對象的原理結構如圖2-1所示。圖2-1 給水調節對象結構圖1-給水母管；2-調節閥；3-省煤器；4-汽包；5-管路；6-過熱器；7-蒸汽管給水調節對象的動態特性是指各種擾動下的汽包水位隨時間變化的特性。當擾動為階躍擾動時，對象的動態特性稱為階躍響應曲線。影響水位變化的原因是很多的，其中鍋爐的蒸發量和給水流量的變化是主要的，其它還有爐膛熱負荷、汽包壓力的變化等原因。2.2各種擾動下水位變化的動態特性

12、給水流量擾動下對象的動態特性圖2-2為給水量擾動下水位階躍響應曲線。圖2-2中曲線1為沸騰式省煤器情形下水位的動態特性，曲線2為非沸騰式省煤器情形下水位的動態特性。圖2-2 給水量擾動下水位階躍響應曲線在給水流量突然增加的瞬間，鍋爐的蒸發量還未改變，給水流量大于蒸發量，但水位一開始并不立即增加，這是因為溫度較低的給水進入省煤器及水循環系統的流量增加了，從原有的飽和汽水混合物中吸取了一部分熱量，使水面下的汽泡容積有所減少。事實上也就是因為給水溫度遠低于省煤器的溫度，即給水有一定的過冷度，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，給水減輕了省煤器內的沸騰度，省煤器內汽泡總容積減少，因

13、此，進入省煤器內的水首先用來填補省煤器中因汽泡破滅容積減少而降低的水位，經過一段遲延甚至水位下降后，才能因給水不斷從省煤器進入汽包而使水位上升。在此過程中，負荷還未變化，汽包中水仍在蒸發，因此水位也有下降趨勢。由H曲線可以清楚地看出給水被控對象內擾的特點是：給水擾動剛剛加入時，由于給水的過冷度影響，水位H的變化很慢，經過一段時間之后其變化速度才逐漸增加，最后變為按一定速度直線上升，這時就是物質不平衡在起主要作用了，如果給水量和蒸汽量不能平衡，水位就不能確定。下面簡單介紹一下水位在給水擾動下的傳遞函數。水位在給水擾動下的傳遞函數可表示為：其擾動傳遞函數方框圖如圖2-3所示，可近似認為是一個積分環

14、節和一個慣性環節的并聯或串聯的兩種形式。其擾動傳遞函數方框圖如圖2-3所示，可近似認為是一個積分環節和一個慣性環節的并聯或串聯的兩種形式。圖2-3 給水擾動傳遞函數方框圖蒸汽流量擾動下對象的動態特性蒸汽流量擾動下水位的階躍起反應曲線如圖2-4所示。當蒸汽流量突然增加（假定供熱量及時跟上）時，鍋爐的蒸發量大于給水流量，汽包的貯水量應等速下降，又因為汽包是無自平衡對象，所以水位的變化曲線應如圖中曲線H1所示：實際上當蒸發量突然增加時，在汽水循環系統中的蒸發強度也將成比例的增大，使汽水混合物中汽泡的容積增大；又因爐膛內的發熱量并不能及時增加，從而使汽包壓力不斷下降，降低了飽和溫度，促使蒸發速度加快，

15、汽泡膨脹，加大了汽水混合物的總體積，使水位變化過程如圖中曲線H2所示。水位實際變化曲線是H1和H2 之和。 圖2-4 蒸汽流量擾動下水位階躍響應曲線H1-只考慮貯水量變化的水位反應曲線；H2-只考慮水面下汽泡容積變化的水位反應曲線；H-實際水位反應曲線（H=H1+H2）兩曲線的疊加，即圖中的曲線H，由圖可知，負荷變化時汽包水位的動態特性具有特殊的形式：負荷增加時，蒸發量大于給水量，但水位不是下降反而迅速上升；負荷突然減小時，水位卻先下降，然后迅速上升，這就是“虛假水位”現象。虛假水位的變化情況和鍋爐的特性有關，燃料突然減小時（如鍋爐滅火），“虛假水位”約在24分鐘內即達到最低值。在外部負荷突然

16、減小時（如汽輪機甩負荷），“虛假水位”約在20秒內即達到最低值，并且，“虛假水位”達到最低值的時間和負荷達到的最低值的時間基本相同。汽輪機甩負荷擾動下的“虛假水位”現象是相當嚴重的，這給組成水位自動調節系統帶來了困難。為了維持水位在允許的范圍內，運行中應對負荷的一次變動量及負荷變化速度加以限制。爐膛熱負荷擾動下對象的動態特性當燃料M增加時，爐膛熱負荷隨著增加，水循環系統內的汽水混合物的氣泡比例增加，蒸發強度增加。如果負荷設備的進氣閥不加調節，則汽包飽和壓力升高，蒸汽流出量增加，蒸發量大于給水量，水位應該下降。隨著汽包壓力的升高，汽水混合物中汽泡的比例將減小，又使得汽水總容積下降；其次，在汽壓升

17、高時，汽的比容變小，水的比容變大，總的效果是汽水混合物的比容變化不大。所以在燃料量擾動下，汽包水位也會因汽包容積的增加水位先上升，因此也會出現“虛假水位”現象，至蒸發量與燃料量相適應時，水位才開始下降，即經過了Tm時間后水位開始下降。由于熱慣性的原因，這種“虛假水位”沒有蒸汽流量擾動下的“虛假水位”那樣嚴重。圖2-5 燃料量擾動下水位階躍響應曲線應當指出，蒸汽量、給水量和燃料量在運行中是經常變化的，為保持氣壓穩定，燃料量與蒸發量必須相互適應，因此這兩種擾動總是相伴發生，只是有先后發生的差別。從各種擾動下水位的動態特性可估計到水位調節的一些缺點：由于存在延遲，等到水位偏離規定值后再去進行調節，水

18、位必然會有較大的變化（尤其是水位反應快的鍋爐），水位的偏差也大；在負荷變化時，由于“虛假水位”現象，水位將迅速變化，這種變化幅度不可能用調節給水量來減小。為維持水位在允許的范圍內，必須限制負荷的一次改變量和負荷變化速度；在負荷變化后的開始階段，給水流量和負荷的變化方向相反，如果忽視“虛假水位”現象的存在，盲目根據“水位”來調節給水量，將會擴大鍋爐進出流量的不平衡，使水位波動加劇，實際工作中應當防止和避免。三串級三沖量給水系統的信號校正與系統切換3.1鍋爐給水設備及管路連接鍋爐給水管路連接是和機爐連接方式相適應的，可分母管制與單元制兩類。母管制給水系統是指具有全廠鍋爐共用的給水母管系統。全廠所有

19、的給水泵都連在給水母管上；而每臺鍋爐的給水調節則用各自連接在給水母管上的給水調節門進行。典型的連接如圖3-1所示。圖3-1 母管制鍋爐給水系統示意圖在圖3-1中，#1門是主給水調節閥，#2門是備用主給水調節閥，這兩個閥門允許通過100%負荷的給水量；#3門是旁路給水調節閥，允許通過25%30%左右負荷的給水量。為了防止調節閥全閉時漏流，各條管路上都安裝了電動截止門#4，#5和#6。為了檢修方便，在主給水管路上又安裝了總的電動截門#7。此外還裝有鍋爐點火時省煤器用再循環門和事故放水電動截止門#8和#9。另一類是單元制給水系統，每臺單元機組都有自己獨立的給水管路系統。比較典型的有汽動泵、電動泵混合

20、型及單純電動泵組兩種。汽動泵電動泵混合型給水系統共有三臺主給水泵，其中兩臺是可變速的汽動泵，它們在高負荷時使用。另一臺是定速電動泵，在單元機組啟動及低負荷時使用。由于機組啟動階段還不能得到穩定的氣源，汽動變速泵無法使用，故先用電動泵。這時電動泵通常是工作在定速工況，所以需用給水調節閥調節給水量。為了保證泵在低負荷時出口有足夠的流量，防止給水泵產生汽蝕現象，安裝了再循環管路。電動泵組單元制給水系統結構的典型形式是三臺可變速電動給水泵并聯，兩臺運行一臺備用，泵的轉速變化依靠液壓聯軸節（靠背輪）滑差實現。為了保證泵的安全運行特性，通常也裝有再循環門和調節閥門。3.2測量信號的自動校正鍋爐從啟動到正常

21、運行或是從正常運行到停爐過程中，蒸汽參數和負荷在很大范圍內變化，這就使水位、給水流量和蒸汽流量測量信號的準確性受到影響。為了實現全程自動控制，要求這些信號能夠自動地進行壓力、溫度校正。測量信號自動校正的基本方法是：先推導出被測參數隨溫度、壓力變化的數學模型，然后利用各種元件構成運算電路進行運算，便可實現自動校正。按參數變化范圍和要求的校正精度不同，可建立不同的數學模型，因而可設計出不同的自動校正方案。1.水位信號的壓力校正由于汽包中飽和水和飽和蒸汽的密度隨壓力變化，所以影響水位測量的準確性。通常可以采用以下方法進行壓力校正。采用電氣校正回路進行壓力校正，就是在水位差壓變送器后引入校正回路。圖3

22、-2 汽包水位測量系統-汽包壓力；H-汽水連通管之間垂直距離，即最大變化范圍；h-汽包水位高度； ，-夾在差壓變送器兩側的壓力；-飽和蒸汽的密度；-飽和水的密度；-汽包外平衡容器內凝結水的密度圖3-2表示單元單容器平衡測量系統。從圖中可以看出：= （3-1）當H一定時，水位h是壓差和汽、水密度的函數。密度與環境溫度有關，一般可取50時水的密度。在鍋爐啟動過程中，水溫略有增加，但由于同時壓力也升高，兩種因素對的影響基本上可抵消，即可近似地認為時恒值。而飽和水和飽和蒸汽的密度和均為汽包壓力的函數，即由式（3-1）可以改寫成 （3-2）按照式（3-2）可以設計出水位壓力自動校正線路，如圖3-3所示。

23、圖3-3 水位壓力自動校正線路圖3-3中函數組件（x）、（x）分別模擬式（3-2）中和。計算和試驗表明，密度與汽包之間的函數曲線可以看出與的關系在較大范圍內可以近似地認為是線性關系，即-則式（3-1）可以改寫為 （3-3）按式（3-3）可設計出較為簡便的水位自動校正線路，如圖3-4所示。圖3-4 水位壓力自動校正線路二2.過熱蒸汽流量信號的壓力、溫度校正過熱蒸汽流量測量通常采用標準噴嘴。這種噴嘴基本上是按定壓運行額定工況參數設計，在該參數下運行時，測量精度是較高的。但在對系統進行控制時，運行工況不能基本固定。當被測過熱蒸汽的壓力和溫度偏離設計值時，蒸汽的密度變化很大，這就會給流量測量造成誤差，

24、所以要進行壓力和溫度的校正。可以按下列公式進行校正： （3-4）式中 D-過熱蒸汽流量； P-過熱蒸汽壓力； T-過熱蒸汽溫度； -節流件差壓； -過熱蒸汽密度； k-流量系數。按式（3-4）可設計出過熱蒸汽流量信號的壓力，溫度自動校正線路如圖3-5所示。 圖3-5 過熱蒸汽流量信號的壓力、溫度自動校正線路圖3.給水流量信號的溫度校正計算和實驗結果表明：當給水溫度為100不變，壓力在0.196-19.6Mpa范圍內變化時，給水流量的測量誤差為0.47%；若給水壓力為19.6Mpa不變，給水溫度在100-290溫度范圍內變化時，給水量測量誤差為13%。所以，對給水流量測量信號可以只采用溫度校正，

25、其校正回路如圖3-6所示。若給水溫度變化不大，則不必對給水流量測量信號進行校正。3.3 給水流量測量裝置切換系統圖3-6 給水流量信號溫度校正線路給水流量測量信號的準確性與壓力、溫度的校正精度有關，但主要取決于高、低負荷時流量的測量精度。一般，大型單元機組的給水管路系統如圖3-7所示。上面的一路為主給水，在高負荷時使用；下面一路為流量較小的旁路給水，鍋爐啟停過程中及低負荷運行時用它供水；中間一路為輔助給水，當主給水管路發生故障或因水壓過低而主給水供不應求時使用。圖中#1，#2，#3為截止閥，#4，#5，#6為調節閥，#7為總截止閥。旁路給水管路中的最大流量只有主給水管路流量的30%左右，如果采

26、用一個孔板測量給水流量，在低負荷時必然會產生較大的測量誤差。為此，給水泵系統中安裝了1、2兩個孔板。在鍋爐啟停及低負荷運行時，用旁路孔板2測量給水量，高負荷時用主管路孔板1測量給水量。對于這種采用兩個測量元件的給水流量測量系統，需要用一個流量信號運算回路，如圖3-8所示。圖3-7 給水管路系統示意圖圖3-8 給水流量信號運算回路由于旁路給水管路中的實際流量為主給水管路的1/4左右，因此測量旁路給水流量的變送器輸出信號要用乘法器乘以0.25的系數，以便使旁路給水流量信號與主給水流量信號具有同樣的變化范圍。在比較器中，主給水流量信號減去旁路給水流量信號，此差值信號在另一乘法器中乘可變系數，乘法器的

27、輸出為，值由比例偏置器調整。當給水流量大于25%時，值由1向零逐漸變小，當流量達到30%時，這時旁路給水流量信號消失，轉入主給水管路的給水流量測量。可見比較器的輸出信號為 其中 -總給水流量信號； -主給水流量信號； -旁路給水流量信號。由上式可以看出，當時，=0.25；當時，=，這樣就實現了在低負荷時用旁路管路上的孔板2測量給水流量，高負荷時用主給水管路上的孔板1測量給水量的要求，從而提高了測量精度。圖3-9中表示的也是一個大小孔板測量切換的線路，大負荷時用大孔板，小負荷時用小孔板，高低負荷切換時，測得的流量信號也進行無擾切換。圖3-9 給水流量測量信號系統在圖3-9中，-經過大孔板的給水流

28、量；-經過小孔板的給水流量； -大孔板、流量變送器、I/U轉換及開方器合在一起的測量系統總的系數； -小孔板等測量系統總的系數；-最后測得的給水流量信號，它如用指示表表示出來，系數值用（即按大孔板測量范圍作為指示儀表的測量范圍）； -01變化的系數。其他符號意義可從圖中看出。如果把圖3-9中各個環節參數配合恰當，則可以得到以下結果： （3-5）圖3-9中用虛線框表示的部分，是一個比例限幅電路，通過恒流給定器GH輸出與大孔板測量信號比較，經比例放大后，再限制其最大輸出值（n=010），使=01變化。的變化應滿足以下的要求：當截門還未打開，給水流量較小時，應使=1，測量值以小孔板測量為準，有；當截

29、門全開，給水流量很大時，應使，測量值應以大孔板測量值為準，有；當截門剛開啟一部分，但流量較小時，大孔板測量值誤差較大，小孔板又只測得部分流量，此時應使01，按式（3-5）可得到較精確的測量值。現把實現式（1-5）的線路原理說明如下：當GH值時，比例組件輸入為負值，反向截止使輸出N=0，由乘法器中，得到。當值時，比例組件輸入為正值。由于選擇比例組件的放大倍數較大，比如為20，此時，輸出將大于10，經限幅后，使=10V，。當GH，并數值范圍在GM-0.5V時，輸出在0至10V范圍內變化，使01。兩個乘法器的輸入輸出關系為加法器的輸出為 =因為 ；所以 例如，當流量較小，GH-=0.2V，可得到；即

30、從大孔板測量值取60%，從小孔板測量值取40%，構成給水流量測量信號。3.4 大小給水調節閥門的切換在給水控制中，低負荷時通常用旁路閥門（即小閥門）調節給水流量，高負荷時用主給水閥門（即大閥門）調節給水流量。在負荷變化時，大小閥門就需要進行無擾切換。圖3-10表示的是這種切換的線路原理。從圖3-10可以看出，在低負荷時，繼電器接點KJ斷開，定值組件GH發出10V的階躍信號，經過加法器，直接送到小閥回路中的乘法器，即V。小閥回路乘法器輸出（V）。信號即為調節器的輸出信號，所以小閥回路中的控制信號即為調節器的輸出信號，小閥處于工作狀態。與此同時，大閥門處于關閉狀態。這是因為KJ斷開，限速組件的輸出

31、信號為0，則大閥回路中乘法器輸出。當機組負荷增加，給水流量增大到一定值時，絕對值報警組件H/L動作，使繼電組件KJ激勵，接點KJ閉合。這時，限速組件輸入為一個10V的階躍信號，其圖3-10 大小調節閥無擾切換原理圖輸出變為斜坡信號，當斜坡信號達到10V時，即大閥門逐漸開大，最后變為調節器的輸出信號，大閥門參與工作。與此同時，加法器的輸出信號，即小閥門回路中的信號如圖中所示，為一個由大到小的斜坡信號。當信號降為零時，小閥門回路的乘法器輸出。即在大閥門開大時，小閥門相應關小，直到全部關閉。由于兩個閥門的流通量是不同的，所以兩個閥門的開關速度應該是不同的，而流量應該保持相等，這可以通過比例系數和偏置

32、值進行調整。繼電組件KJ是由給水量控制的組件，為了防止啟停過程中造成閥門的多次反復切換，切換點電壓應具有一定的滯環值。調節閥的切換與截門的切換密切配合，截門應在調節閥投入工作之前打開。3.5 系統的無擾切換鍋爐在不同的負荷和參數下，其給水被控對象的動態特性是不同的。低負荷時，由于蒸汽參數低，負荷變化小，虛假水位現象不太嚴重，對維持水位恒定的要求又不高，所以允許采用單沖量給水控制系統。此時如果采用多種自動校正措施，則會使系統結構復雜，整定困難，同時仍然存在誤差。于是出現了低負荷時采用單沖量，高負荷時采用三沖量給水控制系統，如圖3-11所示。圖3-11 單沖量系統與三沖量系統相互切換和跟蹤線路圖中

33、PI1是低負荷時的單沖量給水調節器，它只接受經過自動校正后的水位信號。高負荷時采用串級三沖量給水控制系統，其中PI2為主調節器，接受水位信號。PI3為副調節器，除接受主調節器校正信號外，還接受蒸汽流量信號D及給水流量信號W。兩套控制系統的切換是根據鍋爐負荷（蒸汽流量）的大小進行的。蒸汽流量信號送入偏差報警繼電器1KJ，控制繼電器接點1C和3C。當單沖量系統運行時，1C閉合，3C斷開。當要求三沖量系統運行時，3C閉合，1C斷開。系統的切換在25%負荷左右進行。為了防止因負荷波動造成系統反復切換，切換值應有10%的滯環值，就是說由單沖量系統切換為三沖量系統是在30%負荷下進行的，由三沖量系統切換為

34、單沖量系統是在20%負荷下進行的。當三沖量系統運行時，要求PI1調節器的輸出跟蹤PI3調節器的輸出；單沖量系統運行時，要求PI3調節器的輸出跟蹤PI1調節器的輸出；主調節器PI2的輸出應保證加法器的輸出跟蹤給水流量信號。所謂比較線路是由比較器和積分器組成得線路。最簡單的原理圖如圖3-12所示。 （a） （b）圖3-12 負端輸入跟蹤線路原理圖（a）原理電路圖；（b）原理框圖圖3-12是由一個比較器和一個積分器組成的反饋線路，主動信號是A，從動信號是B。通過該線路可使B跟隨A變化，使B總與A相等。圖中比較器E可看成是放大倍數為的放大器，故在（AB）信號很小的情況下，有： 所以： 由于積分作用存在

35、，B最終一定要等于A。若A是變化量，則B信號跟隨A信號變化，始終保持B與A相等。圖3-12中閉環電路部分還應符合負反饋原則。由于閉環反饋回路中信號B是從比較器正端輸入的，所以在比較器環節中輸入輸出關系不變，而在積分環節中輸入輸出關系則有一負號，所以整個閉環回路是負反饋形式。如果主動信號A從比較器正相輸入端輸入，為滿足閉環回路應是負反饋的要求，則應加一反向器，如圖3-13所示。圖3-13 正端輸入跟蹤線路原理圖（a）原理電路圖；（b）原理框圖如果在信號跟隨電路中客觀需要加入一些其他信號，例如圖3-11中，串級調節系統要求副調節器給定信號跟隨給水流量信號W，在PI1調節的積分器后又加入了蒸汽流量信

36、號D，即中間加入了附加信號，仍能使從動信號跟隨主動信號。這是因為電路中有積分器和負反饋，并形成閉合回路，最后總能使比較器輸入信號代數和為零，始終使加法器輸出（即副調的給定值）跟蹤給水流量W值，保證副調節器入口偏差為零，從而保證無擾切換。3.6 給水泵安全特性要求給水泵的安全工作區如圖3-14所示，圖中陰影區由泵的上、下限特性、最高轉速和最低轉速，泵出口最高壓力和最低壓力圍成。為了滿足上限特性要求，在鍋爐負荷很低時，必須打開再循環門，以增加通過泵的流量。這樣在所需的相同的泵出口壓力條件下，可使泵進入上限特性右邊的安全工作區工作，如圖3-14中，泵工作點由移到點。圖3-14 給水泵安全特性示意圖由

37、于給水泵有最低轉速的要求，在給水泵已接近時就不能以繼續降低轉速的方式來調節給水量。這就需要用改變上水通道阻力，即設置給水調節閥的方式，使泵工作在安全區內。由于兼用改變泵轉速和上水通道阻力兩種方式調節給水量，增加了全程給水自動控制系統的復雜性。在鍋爐負荷升高到一定程度，即泵流量較大時，為了不使泵在下限特性右邊區域工作，也需適當提高上水通道阻力，以使泵出口壓力提高，這樣給水調節門又保證了泵在下限特性左邊安全區工作。如圖3-14泵工作點由移至點。第四章 串級三沖量給水控制系統的設計現代大型鍋爐的水位動態特性復雜，汽包存在著嚴重的“虛假水位”現象，為了保證給水系統的安全可靠，設計了許多不同類型的控制系

38、統，但是無論采用何種調節手段，汽包鍋爐的給水調節系統不外乎采用以下三種基本結構：單沖量調節系統結構、單級三沖量調節系統結構、串級三沖量調節系統結構。低參數小容量的鍋爐，相對于負荷來說，其水容積大，“虛假水位”現象不十分嚴重，對象的飛升速度比較小，對調節質量要求不高，可采用圖4-1所示的單沖量單回路調節系統，采用比例調節規律，就能可靠地運行。圖4-1 單沖量單回路自動調節這種系統的缺點是不能適應較大的負荷擾動。在蒸汽流量突然減少時，調節器本應減小給水量以保持物質的平衡，但由于“虛假水位”的存在使得水位H下降，調節器根據這一信號，使給水量增加，甚至可能把調節閥門開到最大。經過一段時間，蒸發量和給水

39、量的不平衡逐漸使水位回升并超過正常值，這時調節器又接受水位高的信號去減小給水量。由于水位回升很快，往往使水位的升高值比第一次“虛假水位”下降值大。水位的第二次升高值是調節器接受虛假水位信號后產生的誤動作造成的。另外，由于采用比例調節規律有靜差存在，鍋爐在大負荷時，水位保持低值，而在小負荷時，水位則保持高值，這種特性對鍋爐設備的運行是不利的。在給水量產生擾動時，由于存在滯后，調節器不會及時動作，當水位偏差信號超過調節器的不靈敏區后調節器開始動作，改變給水調節閥門的開度，從閥門動作改變給水流量到水位發生變化又需要一定時間，不能及時克服給水流量變化帶來的影響。當給水控制閥開度不變時，若給水泵出口壓力

40、、管道阻力或汽包壓力變化，將引起控制閥前后的差壓變化，從而引起給水流量變化。當給水流量自發變化時，要等到汽包水位變化后，才有信號輸入控制器。控制器才能輸出信號改變控制閥開度，以抵消給水流量的自發擾動。控制器的這種控制作用是不及時的。因此，當調節對象的滯后時間和飛升速度較大時，調節過程將出現很大的動態偏差。雙沖量控制系統能消除內擾，有效補償外擾引起的水位變化，克服“虛假水位”的影響，改善了控制質量，但由于給水流量對水位的影響，其延遲要比蒸發量對水位影響大，用水位作為反饋信號去控制不及時，使得動態偏差增大。所以這種系統尚不能迅速消除給水流量的自發擾動，也不能及時體現控制效果。這種控制方案多用于中、

41、小型鍋爐的給水控制系統。總之，通過對給水控制系統的對象的動態性能分析可以看出，采用單回路控制系統是不能滿足生產對控制品質的要求，所以電站汽包鍋爐的給水控制普遍采用三沖量給水控制方案。三沖量給水系統又分為單級三沖量和串級三沖量給水系統。所謂單級三沖量給水系統，是指系統中用了一個調節器，而調節器的輸入有三個，因此得名。這種系統與雙沖量給水系統相比，多了一個流量反饋信號。給水量發生變化時，流量信號自然要比水位信號快得多，從而大大的改善了控制質量。但是，在系統參數整定時，內外回路相互關聯相互影響，不容易確定參數，從而得不到希望的調節效果，且負荷變化時水位靜態值是根據“靜態對比”來進行整定的。所以，又出

42、現了串級三沖量給水系統，此系統更進一步完善了結構，提高了控制質量。串級三沖量給水控制系統和單級三沖量給水控制系統相比，有如下特點：1兩個調節器任務不同，參數整定相對獨立。副調節器的任務是當給水擾動時，迅速動作使給水量不變；當蒸汽流量擾動時，副調節器迅速改變給水量，保持給水量和蒸汽量平衡。主調節器的任務是校正水位，這比單級三沖量給水控制系統的工作更為合理，故串級系統的調節質量比單級系統要好一些。2在負荷變化時，水位靜態值是靠主調節器來維持的，并不要求進入副調節器的蒸汽流量信號的作用強度按所謂“靜態配合”來進行整定。恰巧相反，在這里可以根據對象在外擾下虛假水位的嚴重程度來適當加強蒸汽流量信號的作用

43、強度，以便在負荷變化時，使蒸汽流量信號能更好的補償虛假水位的影響，從而改變蒸汽負荷擾動下的水位控制質量。對于虛假水位較嚴重的被控對象，這一點就顯得更有意義。3當給水流量信號和蒸汽流量信號兩個信號中由于變送器故障而失去一個信號，或變送器特性發生變化，和平衡關系失去時，主調節器由于積分作用可補償失去平衡的電流，使系統暫時維持工作；而單級系統當或因產生故障而失去時，則無法控制水位在額定值，因此，串級系統的安全性較好。4串級系統還可以接入其他沖量信號（如燃料信號等）形成多參數的串級系統。但是，串級三沖量給水控制系統在汽機甩負荷時，它的過渡過程和響應速度不如單級系統快。4.1 串級三沖量給水控制系統給水

44、控制系統概況鍋爐的汽包水位能夠間接反映鍋爐蒸汽負荷與給水量之間的平衡關系，維持汽包水位正常是保證鍋爐和汽輪機安全運行的必要條件。汽包水位過高，會影響汽包內汽水分離裝置的正常工作，造成出口的蒸汽水分含量過多，導致過熱器管壁結垢而被燒壞，也使過熱蒸汽溫度急劇變化，直接影響機組的穩定運行。汽包水位過低，可能破壞鍋爐水循環，導致水冷壁管被燒壞。汽包鍋爐給水控制系統地作用是使鍋爐的給水量自動適應鍋爐的蒸發量，維持汽包水位在規定的范圍內波動。汽包水位H是汽包中儲水量和水面下汽包容積的綜合體現，不僅受汽包儲水量變化的影響，還受汽水混合物中汽包容積變化的影響。其中主要的擾動為給水流量W、鍋爐蒸發量D、汽包壓力

45、、爐膛熱負荷等，其對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，前者來自調節側，稱為內擾，后者來自負荷側，稱為外擾。串級三沖量給水控制系統的工作原理國產300MW火力發電機組大型汽包鍋爐的控制對象具有給水內擾動態特性延遲和慣性大的特點，且無自平衡能力，給水控制系統若采用以水位為被調量的單回路系統，控制過程中水位將出現較大的動態偏差，給水流量波動較大，應此，應考慮采用三沖量給水控制系統方案。另外，控制對象在蒸汽負荷擾動（外擾）時，存在“虛假水位”現象，應此在擾動的初始階段，調節器將使給水流量向與負荷變化相反的方向變化，加劇了鍋爐的進、出流量的不平衡。因此應采用以蒸汽流

46、量D為前饋信號的前饋控制，從而能夠根據對象在外擾下虛假水位的嚴重程度來適當加強蒸汽流量信號的作用強度，以改善蒸汽負荷擾動下的水位控制品質。采用串級控制系統將具有更好的控制品質，調試整定也比較方便，故在大型汽包爐上可采用串級三沖量給水控制系統。串級三沖量給水控制系統的原理圖如圖4-2和所示。圖4-2 串級三沖量給水控制系統原理方框圖這個系統有三個回路，為副回路，包括給水量W、副調節器、執行器放大系數、閥門系數、給水流量變送器斜率和給水流量分壓系數；為主回路，包括水位被控對象、水位變送器斜率、主調節器和副回路；位前饋通路，包括蒸汽流量變送器斜率和蒸汽流量分壓系數、副回路和被控對象。這個系統中使用了

47、兩個調節器，構成串級控制系統。為保證被調量無靜差，主調節器采用PI控制規律，副調節器采用PI或P控制規律，副調節器接受三個輸入信號，信號之間有靜態配合問題，但系統的靜態特性由主調節器決定，因此蒸汽流量信號并不要求與給水流量信號相等。副回路的作用主要為快速消除內擾，主回路用于校正水位偏差，而前饋通路則用于補償外擾，主要用于克服虛假水位現象。串級三沖量給水控制系統的SAMA圖 下圖為串級三沖量給水控制系統的SAMA圖：圖4-3 串級三沖量給水控制系統的SAMA圖4.2調節器的選擇調節規律是指調節器輸出信號與其輸入信號之間的動態關系，從理論上說可有各種形式的函數關系，然而在實踐中總結出三種基本調節關

48、系，廣為采用。這三種基本調節規律就是比例調節規律、積分調節規律、微分調節規律。三種調節規律的組合可設計出多種調節規律的調節器，如比例調節器、比例積分調節器、比例積分微分調節器等。調節器作為控制系統組成部分之一，其動態特性對控制過程有著很大的影響，因為對象的特性是不容易改變的。比例調節規律的特點是控制及時，控制作用貫穿整個調節過程，因此它是基本的調節作用。然而比例調節不能保證系統無差。積分作用可以實現無差調節，只要偏差存在，積分控制作用一直增加；換言之，只有偏差為零時，積分作用才停止變化，這表明系統達到再次穩定狀態時，被調量的偏差必然為零。積分調節規律的特點就是消除穩態偏差，實現無差調節，其控制

49、作用體現在調節過程的后期。但是，具有積分調節規律的調節器不能完全消除偏差。比例積分調節規律要比純積分調節規律優越得多。因此工程中很少采用純積分調節器，廣泛采用的是比例積分調節器。然而在比例積分調節器中，積分作用的強弱要適當，過強的積分作用可能使系統不穩定，因為積分作用旨在消除偏差，但使系統的穩定性下降。因此與采用純比例調節器相比，比例積分調節器的比例帶應適當加大，以補償積分作用造成的穩定性下降。微分調節規律是調節器輸出的控制作用與其偏差輸入信號的變化速度成正比。微分調節作用的大小僅與偏差信號的變化速度有關，而與偏差值大小無關。因此對象在受到較小的擾動后，被調量變化量及變化速度都將很小，微分作用

50、調節器同時由于自身動作的不靈敏區的存在而始終不動作;這樣經過一段時間后，偏差將積累成一個較大的值。就是說純微分作用的調節器是不能單獨使用的，微分作用要與比例作用或比例積分作用相結合，形成比例微分調節規律或比例微分積分調節規律。微分作用的引入使系統控制過程的穩定性和準確性都得以提高，但它不能像積分作用那樣消除穩態偏差。比例調節作用是最基本的調節作用，而積分和微分作用為輔助調節作用。比例作用貫徹于整個調節過程之中，積分作用則體現在調節過程的后期，用于消除靜態偏差，微分調節作用則體現在調節過程的初期。主、副回路調節器調節規律的選擇原則：（1）主參數控制質量要求不十分嚴格，同時在對副參數的要求也不高的

51、情況下，為使兩者兼顧而采用串級控制方式時，主、副調節器均可采用比例控制。（2）要求主參數波動范圍很小，且不允許有余差（穩態誤差），此時副調節器可采用比例控制，主調節器采用比例積分控制。（3）主參數要求高，副參數亦有一定的要求，這時主、副調節器均采用比例積分形式。4.3串級三沖量給水控制系統的參數整定主、副調節器的參數整定在串級三沖量給水控制系統中，副回路是一個調節器，一般用試探法整定副回路的和。主回路參數整定是把副回路等效成一個比例環節，然后用經驗公式進行整定；前饋通路的選擇是基于“虛假水位”而定的。它主要是為了補償“虛假水位”現象。下面分別對它們進行參數整定。副回路可看作一個隨動系統，如圖4

52、-4所示。圖4-4 副回路等效圖把調節閥和普通管道系統作為被調對象，則作為以外的環節都作為等效調節器。若采用型如的調節規律，則 （4-1）式中-副調節器比例帶； -副調節器積分時間。調節器的比例帶和積分時間 都應該取得很小，給水流量信號和蒸汽流量信號的分壓系數、 一般均取為1。當給水被控對象“虛假水位”嚴重時，需加大蒸汽流量信號的作用強度，以改善控制過程品質，此時可取，并通過試驗來減小，/ 最好為整數（一般為2，即=0.5）。由于內回路快速隨動，故副調節器也可用純比例型調節器。 式（4-1）表明，副回路的等效調節器也可看作一個PI規律的調節器。 （4-2）副回路的對象為，可近似為比例環節，所以

53、調節器的比例帶和積分時間都可以整定得很小，實際應用中，、可通過試驗獲得；因此副回路也是整定和的問題，一般也用試探法求得。主回路的整定是建立在副回路可以等效為一個快速比例環節基礎上的。它的示意圖如圖4-5所示，其中為等效副回路。圖4-5 主回路等效圖把看成是被控對象，其余的環節可看成是等效調節器。若： 也是一個PI調節器。 （4-3）和為已知，所以回路只要整定、和的問題，用以下經驗公式整定： 所以 由式（4-2）和式（4-3）兩式可知：即當增加時，內回路穩定性降低，外回路穩定性增強，反之相反。一般取=1，則只需整定、和。則有 前饋通路的設計 前饋通路的簡化圖見圖4-6，通路中的選擇是基于“虛假水

54、位”情況而定的。圖4-6 前饋通路等效圖前饋通路中完全補償條件為： （4-4）若前饋通路的設計只考慮靜態補償，且與的靜態比值為一常數，則有：其中是虛假水位現象決定的常數，虛假水位現象嚴重時，值大，反之值小。負號表示前饋調節方向與虛假水位方向相反。由式（4-4）可得量的關系在負荷開始變化時，為使蒸汽流量信號更好地補償虛假水位現象，改善負荷擾動時調節過程的質量，一般使蒸汽流量信號大大高于給水流量信號，即令。這時有 若，則 第五章 串級三沖量給水控制系統的仿真5.1 MATLAB概述火電廠是高度重視安全生產的企業之一，控制系統一旦投入運行，是不允許無關人員隨便亂動的。因此，對控制系統的分析研究和自動

55、化人員生產技能的培訓只能在仿真控制系統上進行。以往的仿真控制系統主要是物理和半物理仿真，建立這樣的仿真控制系統投資大，安裝和維護費用也大。尤其是自動化儀表發展如此之快，使這些仿真控制系統不得不進行設備的更新改造，其經濟損失是顯而易見的。MATLAB是Mathworks公司于1982年推出的一套高性能的數值計算和可視化軟件，它集數值分析、矩陣運算、信號處理和圖形顯示于一體，構成了一個方便的、界面友好的用戶環境。利用MATLAB軟件中的SIMULINK功能可對自動控制系統進行仿真研究，它的仿真結果將會對自動控制系統的設計、安裝調試和運行維護有著重要的指導意義。在火電廠中，DEH(汽輪機數字電液控制系統)是汽輪機運轉的神經中樞，該系統性能只能通過動態過程才能反映出來。為此，利用MATLAB仿真工具和VB開發界面，建立DEH仿真平臺，在不干擾生產的情況下，對DEH系統動態過程進行分析研究，從而避免了對系統參數調整的盲目性，使DEH系統各部分的動態過程完整地呈現出來。這對DEH系統優化運行中參