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1、摘 要锅炉是多数工业过程中常用的热能动力设备,工业锅炉控制系统是复杂的控制系统。由于设备分散、管理不善或技术原因,使多数锅炉难以处于良好的工况,增加了锅炉的燃料消耗,降低了效率。为确保安全,稳定生产,对锅炉的自动控制十分重要,其中汽包水位是一个非常重要的被控变量。汽包水位是锅炉安全运行的重要参数，同时也是衡量锅炉汽水系统物质是否平衡的标志。锅炉给水控制的任务是维持汽包水位在一定范围内变化。水位偏低，会造成锅筒各部位的温度偏差，形成热应力，极限情况下会出现裂纹，甚至有爆炸等危险，水位偏低也会造成水系统自然循环不畅，严重时个别上下水管会产生自由水面，流动停滞，从而导致管爆事故。锅炉汽包水位偏高时，
2、会影响汽水分离的速度和蒸汽的质量，同时也是安全生产不允许的。而在负荷变化时，又极易影响到水位的快速变化，因此，必须设计功能完善的三冲量水位调节器来维持水位不变或在规定的范围内变化。SHCAN6102智能测控组件是一种具有CAN现场总线通讯功能的现场智能控制器。它不仅可用于现场总线控制系统（FCS），而且可以单独构成一个现场控制单元，三冲量水位调节器就是依托SHCAN6102智能测控组件实现的。关键词: 汽包水位 三冲量控制 SHCAN6102 ABSTRACT Boiler is thermal power plant usually used in most industrial proce
3、sses and industrial boilers control system is a complex control system. Because of scattered equipment, poor management or technical reason, it is difficult to work in good condition for the majority of boilers and increased their fuel consumption and reduced the work efficiency. It is very importan
4、t to control boiler automatically in safety and stabilization, and boilers drum water-level is an important variable to be controlled. Drum boiler water level is an important parameter of normal operation and an mark to measure the material balance.The task of boiler feed water control is to keep th
5、e drum water level in a certain range. The low water level, causing the temperature deviation of each part of Drum, can produce a thermal stress. The limit of this situation will make the boiler crack and even explosive. Meanwhile, the low water level will cause the natural cycle of poor water syste
6、m, and individual serious water pipes from top to bottom may have free water, the flow of stagnation, leading to the explosion accident. It will affect the separation speed of steam from the steam quality when boiler water level is high, which is not allowed in normal operation. It is vulnerable to
7、impose the rapid changes on water level during changes in the load. Therefore, three-volume water regulator must be designed to maintain the water level or keep it within the range of provisions. SHCAN6102 intelligent monitoring and control components is a kind of intelligent controller with the com
8、munication function of CAN fieldbus. It can not only be used for fieldbus control system (FCS), but also constitute a separate control unit. The three-volume water regulator is realized, relying on SHCAN6102 intelligent monitoring and control components. Key words: the steam drum water level three i
9、mpulses control SHCAN6102目 录第一章 绪论11.1问题的提出1第二章 汽包水位动态特性分析22.1 汽包水位系统介绍22.2汽包水位被控对象的动态特性22.2.1汽包水位在给水流量作用下的动态特性32.2.2汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性52.2.3燃料量M的扰动7第三章 锅炉给水自动调节系统的分析及PID简介83.1调节任务83.2 PID控制83.2.1比例(P)调节83.2.2 积分(I)调节93.2.3 微分(D)调节93.3串级控制系统93.4汽包水位控制方案的确定113.4.1单冲量给水调节系统113.4.2 双冲量给水调节系统123.4.3三冲量给水
10、调节系统143.5锅炉水位全程调节探讨15第四章 系统实现174.1 SHCAN6102与安全栅介绍174.1.1概述174.1.2性能指标174.1.3 主要特点194.2 安全栅204.3系统回路图204.4组态实现214.5组态功能测试25结 语27谢 辞28参考文献29第一章 绪论1.1问题的提出D在我国的电力供应中，火力发电占据绝对优势的比重。对火力发电厂而言，锅炉是最重要、最关键的设备，锅炉的安全、稳定、高效运行是整个发电厂安全、稳定、高效运行的基础。火力发电厂的锅炉，主要是煤粉锅炉、循环流化床锅炉等型式。这些电站锅炉均为大容量、高参数的汽包锅炉。对煤粉炉、循环流化床锅炉等汽包锅炉
11、而言，维持汽包水位的稳定是锅炉安全运行的主要内容。当汽包水位偏低时，会造成水冷壁管干烧，甚至导致爆管的严重事故；汽包水位偏高时，会导致水满事故，严重时会导致过热蒸汽带水，危及汽轮机安全锅炉的汽水系统见图1-1。汽包调节阀HW水冷壁省煤器图1-1 给水调节对象从图1-1可知，影响汽包水位的因素主要是给水流量和蒸汽流量。当外界负荷(热 、电负荷)增加时，蒸汽流量就会增大，此时必须相应地增加给水流量，否则汽包水位就会降低；当外界负荷减少时，蒸汽流量就会减少，此时必须相应地减少给水流量，否则汽包水位就会过高。另外，煤量(包括煤的发热量)的变化也会通过汽包内蒸汽温度的变化反映到汽包水位上来。我们先分析一
12、下怎么实现自动调节。给水量、蒸发量、燃煤量三个因素对汽包水位的影响各不相同。如果从中选取一个对调节有利的因素作为调节量，就可以通过调节器和调节对象一起组成自动调节系统。但是蒸发量和燃煤量是由外界负荷决定的，它们的变化属于外部扰动。因此只有给水量才能作为调节量。当水位发生变化时，及时地改变给水阀门的开度，以改变给水量，这是正常的调节作用。另外，当给水压力变化时，也会引起给水量的变化，该变化发生在调节系统的内部，属于内部扰动；内扰也是调节系统需要克服的扰动。由此可见，锅炉汽包水位的自动调节也称为锅炉给水自动调节。对于这样一个自动调节系统，选用什么样的调节规律、组成什么样的调节系统，取决于调节对象的
13、动态特性。因此，我们有必要先了解汽包水位的动态特性。第二章 汽包水位动态特性分析锅炉汽包中的水位不仅受到给水量(锅炉的输入量)和蒸发量(锅炉输出量)之间的平衡关系的影响，同时还受到在汽水循环管路中汽水混合物汽水容积变化的影响。因为汽包中的水位值不仅反映了汽包(包括循环系统的管路)中的储水容积，也反映了水下面的汽泡的容积。影响锅炉汽包水位变化的因素是很多的，概括起来有四个方面:一是给水方面的扰动，包括给水母管压力的变化和给水阀门开度的变化；二是蒸汽负荷的变化；三是燃料量的变化，还包括影响燃料发热量变化的各种因素；四是汽包压力的变化，它不是一个独立的因素，而是前几方面因素变化时的附加作用，它是通过
14、汽包内部汽水系统的“自凝结”和“自蒸发”过程起作用的。由此可知，引起汽包水位变化的主要扰动是蒸汽流量的变化和给水流量的变化，我们着重分析在这三个扰动下，汽包水位的动态特性。2.1 汽包水位系统介绍锅炉汽水系统结构如图2-1所示。汽包及蒸发管中贮藏的蒸汽和水，贮藏量的多少是以被调量水位表征的，汽包的流入量是给水量，流出量是蒸汽量，当给水量等于蒸汽量时，汽包水位就恒定不变。给水流量W过 热 器H汽 包给水调节省 煤 器耗气量D水冷壁燃料B图2-1 锅炉汽水系统结构图2.2汽包水位被控对象的动态特性2.2.1汽包水位在给水流量作用下的动态特性给水量是锅炉的输入量，如果蒸汽负荷不变，那么在给水流量产生
15、变化时，汽包水位的运动方程式可以表示为： 2-1经拉氏变换后可得， 2-2从式(2-1)，可以方便地得到汽包水位在给水流量作用下的传递函数为： 2-3对于中压锅炉，上式中Tw的数值很小，常常可以忽略不计，因此式2-3可以进一步改写为： 2-4其中-反应速度，即给水流量改变单位流量时水位的变化速度，单位为毫米秒(吨小时)。从式2-4可知，汽包水位在给水流量作用下的动态特性为一个积分环节和一个一阶滞后环节所组成，、的数值可通过实验测试求得，数值的大小同锅炉的结构有关。有些锅炉当给水量增加时，在较长的一段时间里，汽包水位并不增加，有一较长的起始惯性段，对于这种锅炉用式2-7来表示它的动态待性，误差较
16、大，这时可选用下面2-5式近似计算： 2-5给水量扰动下的纯滞后时间，对于非沸腾式省煤器的锅炉，为30-100秒，对于沸腾式省煤器的锅炉，100-200秒；Ta=1/水位的反应时间，它也与锅炉结构有关。反应速度及反应时间Ta都用相对量来表示：定义为：当扰动量为100%(从满负荷突然变化到零)，水位(以允许变化的范围为100%)的变化速度，单位为秒-1。Ta定义为：扰动量为100%，水位变化100%所经历的时间，单位为秒，例如：一台230吨小时的锅炉，假设汽包的正常水位力200毫米，水位的反应时间Ta为30钞。这就是说，当锅炉在满负荷运行时，如果突然停止供水，则由于出汽和进水流量的不平衡，水位将
17、等速度下降，30秒钟下降200毫米，如果给水量减少10%(23吨小时)，则将在30秒钟水位下降20毫米。如果用反应速度表示，则当对于中压多汽包锅炉，Ta为300秒；一般中压锅炉，Ta30-100秒；高压锅炉Ta30秒。水量水位Wt H1 H H2 图2-1 给水W扰动下的水位响应曲线根据式2-5在阶跃输入下作给水扰动(假定在一定范围内汽包的横截面积不变，或变化不大)。可以得到如图2-1所示的反应曲线。由曲线可知：当突然加大给水量后(这时假定蒸汽量不变)，给水量大于蒸发量，但汽包水位一开始并不立即增加，而呈现出一段起始惯性段，这是因为温度较低时更多的给水进入水循环系统，它从原有饱和汽水中吸取一部
18、分热量，汽包和汽水管路中由于热量的“损失”汽泡体积减少。进入省煤器的给水，首先必须填补由于汽水管路中汽泡减少所让出的空间，这时，虽然给水量增加，但水位基本不变。当水面下汽泡容积变化过程逐渐平静时，汽包水位才由于贮水量的增加而逐渐上升。当水面下汽泡容积不再变化、完全稳定下来时，水位变化就随着贮水量的增加而直线上升。对于采用沸腾式省煤器的锅炉，给水作用下的惯性段要比上述情况严重得多，甚至还可能出现“假水位”现象，在这种情况下水位变化的特性应该采用如下传递函数: 2-6由此可见，汽包水位调节对象的动态特性可以有三种形式：反应曲线变化最快的可用式2-4表示，这时的动态特性可以等效为一个积分环节和一个惯
19、性环节相串联；其次是用式2-5表示，相当于一个积分环节和一个纯滞后环节的串联；在有“假水位”的情况下，需要用式2-6来表示其动态特性。对于不同的锅炉设备，究竟采用何种形式的传递函数来表示它的动态特性，还要根据具体条件来定，原则是：表达特性最符合实际情况、传递函数式尽可能地简单。2.2.2汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性，可以导出(假定给水量不变)： 2-7拉氏变换后可得： 2-8则： 2-9上式可以用两个动态环节的并联来等效，即： 2-10其中：水位水量H1HH2tDt图2-2 蒸汽流量D扰动下的水位响应曲线在蒸汽流量扰动下水位的阶跃反应曲线如图2-2所示。
20、对大部分调节对象而言，平衡受到破坏的主要影响因素是系统中物料或能量的不平衡。锅炉汽包水位对象，除上述对象具有的特性以外还有它特有的性质。当负荷设备的用汽量突然增加(假定供热量及时跟上)，单从物料不平衡考虑，汽包中蒸发量大于给水量，汽包水位应如图2-2中h1所示，是直线下降的。但是实际水位不是h1而是h，在扰动的初始瞬间水位不但没有下降而且是上升的。这是由于锅炉汽包蒸发面以下和水管系统中蒸汽容积随负荷的变化而改变所致。在蒸发面下的水中有蒸汽存在，是由于蒸发过程的连续性，在蒸汽向汽水分界面移动的过程中，会有一部分蒸汽在某一段时间内处于水中在一定负荷和一定压力下，蒸汽发生量与蒸发面以下蒸汽含量之间有
21、一个确定的对应关系，蒸发面以下的蒸汽容积可以用下式表示： 2-11式中，Vs蒸发面以下的蒸汽容积k比例系数，随负荷不同而异汽化强度s饱和蒸汽重度汽泡在水中平均停留时间当蒸汽流量D阶跃增加时，汽包中压力减小，汽水循环管路中水的汽化强度W1加，蒸发面以下蒸汽容积增加。汽泡体积膨胀而使水位变化的曲线如图2-2中h2所示，实际水位变化曲线h就是h1和h2的迭加。从图中可以看出，当蒸汽量变化时，汽包水位的变化具有特殊的形式，负荷阶跃增大时，汽水混合物中蒸汽的容积迅速增加。此时虽然蒸发量大于给水量，但水位不仅不下降，反而迅速上升。这种特殊现象称为“虚假水位”。当汽水混合物中汽泡容积与负荷相适应达到稳定后，
22、水位才反映出物料的不平衡，开始下降。应该指出，当负荷阶跃改变时，水面下汽泡容积变化引起的水位变化是很快的，图2-2中h2的时间常数只有10-20秒。由于“假水位”而出现的水位最大偏差很难依靠调节来克服，如果要求水位波动不能太大，只有限制负荷D的变化速度或限制负荷一次变化量。“虚假水位”变化的幅度与锅炉的汽压与蒸汽量有关，对于般100-230吨小时的中高压锅炉加负荷阶跃变化10%时，“虚假水位”现象可使水位变化达30-40毫米。从以上动态特性分析中可以得到如下结论：(1)汽包水位调节对象在给水量作用下，具有纯迟延和惯性，无自衡能力。具体特性可用三种形式来描述，究竟采用何种形式，可根据锅炉结构和汽
23、化强度来定。(2)汽包水位调节对象在蒸汽流量扰动下，非但没有自平衡能力，而且存在着“假水位”现象，假水位”的变化速度很快，变化幅度与蒸发量扰动大小成正比也与压力变化速度成正比，在设计调节系统时必须考虑。2.2.3燃料量M的扰动燃料量M的扰动势必引起蒸汽量D的变化，若燃料量M突然增加，锅炉吸收更多的热量，蒸发强度增加，如果负荷不变，则随着出口压力的提高，蒸汽输出量亦将增加，此时蒸发量大于给水量，水位应下降。MttH水位燃料量 图2-3 燃料量M扰动下的水位响应曲线但是由于汽体容积中体积增大，因此也出现虚假水位现象，水位先上升，然后再下降，响应曲线如图2-3所示。由于汽包和水循环系统中有大量水，汽
24、包和水冷壁金属管道也会储存大量的热量，因此有一定热惯性，所以燃料量的增加致使蒸汽量D缓慢增加，故虚假水位现象要比D扰动下缓和得多，其本身也有自平衡能力。以上三种扰动在锅炉运行中都可能经常发生，但是由于控制通道在给水侧，因此蒸汽流量D、燃料量M习惯上称为外部扰动，他们只影响水位波动的幅度，而给水量W扰动在控制系统的闭合回路里产生，一般称为内部扰动。因此，汽包水位对于给水扰动的动态参数是给水控制系统调节器参数整定的依据。此外，由于蒸汽流量D和燃料量M的变化也是经常产生的外部扰动，所以引入D、M信号作为给水控制系统里的前馈信号，以改善外部扰动时的控制品质。第三章 锅炉给水自动调节系统的分析及PID简
25、介3.1调节任务汽包锅炉给水调节的任务是使给水量适应锅炉的蒸发量，维持汽包水位在允许的范围内波动，一般允许波动范围为士50mm.我们己经确定调节对象为锅炉汽包，被调量为汽包水位，调节量是锅炉的给水流量，调节机构是锅炉给水调节阀门。下面我们将要确定调节器的动作规律和组成自动调节系统。3.2 PID控制PID控制就是按偏差的比例(P-Proportional)、积分（Integral)和微分(D-Deriva tive)线性组合进行控制的方式。 P ID控制器早在上个世纪30年代末期就己经出现，经过七十多年来不断更新换代，由模拟PID控制器发展到数字PID控制器，并被广泛用于工业过程控制。直到现在
26、PID控制由于它自身的优点仍然是得到较为广泛应用的控制方式，PID控制具有以下几个优点:(1)原理简单，使用方便；(2)适应性强，可以广泛应用于化工、热工、冶金等各种生产部门；(3)鲁棒性强，即其控制品质对被控对象特性的变化不大敏感。由于具有这些特点，在过程控制中人们首先想到的总是PID控制。但有两种情况不适合用PID控制，一种是被控对象易于控制而控制要求又不高的情况，可以采用更简单的开关控制方式:另一种是被控对象特别难以控制而控制要求又特别高的情况，这时如果采用PID控制难以达到输出要求，需要考虑采用其它更先进的控制方法。比例积分微分被控对象+r(t)e(t)u(t)c(t)图3-6 PID
27、控制系统原理图3.2.1比例(P)调节比例调节器的输出与输入成比例，偏差一出现就能及时产生与之成比例的调节作用，因此具有调节及时的特点，它是最基本的一种调节规律。如果仅具有比例调节作用的调节器构成系统时会产生静态偏差简称静差。静差是指调节过程终止时被调参数测量值与设定值之差。 比例系数K越小，过渡过程曲线越平稳；比例系数Kp越大，则过渡过程曲线越振荡；比例系数过大时，就可能出现发散振荡的情况。其原因：当比例系数小时，调节作用弱，在干扰加入后，调节器的输出变化较小，因而调节阀开度改变也小，这样被调参数的变化就很缓慢。当比例系数增大时，调节作用加强，即在同样的偏差下，调节阀开度改变就大，被调参数也
28、就跟着变化很大，等到再拉回来时，又拉过了头，结果会出现剧烈的振荡。当比例系数增大到某一数值时，系统出现等幅振荡，这时的比例系数称临界比例系数。一般来说 ，若对象是较稳定的，也就是对象的滞后较小、时间常数较大及放大倍数较小时，调节器的比例系数可以选得大一些，以提高整个系统的灵敏度，使反应加快一些，这样就可以得到较满意的过渡过程曲线。3.2.2 积分(I)调节积分调节可提高系统的抗干扰能力，消除系统的静差，适用于有自平衡能力的系统。但它有滞后现象，使系统的响应速度变慢，超调量变大，并可能产生振荡。加大积分系数K (减小T)有利于减小系统静差，但过强的积分作用会使超调加剧，甚至引起振荡;减小积分系数
29、K虽然有利于系统稳定，避免振荡，减小超调量，但又对系统消除静差不利，积分时间对过渡过程的影响具有两重性。缩短积分时间则积分调节作用加强，一方面克服静差的能力增加，这是有利的一面，但另一方面会使过程振荡加剧，稳定性降低，积分时间太短，振荡越强烈，甚至会成为不稳定的发散振荡，这是要防止的一面。3.2.3 微分(D)调节微分调节作用主要是改善具有大惯性被控对象的动态特性，它能给出响应过程提前制动的减速信号。它有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定;同时加快系统的响应速度，减小调整时间，从而改善了系统的动态特性。缺点是抗干扰能力差，的值对响应过程影响非常大。若增加微分作用，有利于加快系统响应，使超调
30、量减小，增加稳定性，但也会带来扰动敏感，抑制外干扰能力减弱，若过大则会使响应过程过分提前制动从而延长调节时间；反之，若过小，调节过程的减速就会滞后，超调量增加，系统响应变慢，稳定性变差。因此，对于时变且不确定的系统，K不应取定值，应适应被控对象的时间常数而相应地改变。3.3串级控制系统3.3.1串级控制系统简介串级控制是改善控制系统品质的有效方法之一，在工业过程控制中应用很广泛。串级系统在结构上形成两个闭环，串级系统的计算顺序是先主环后副环。副环在控制过程中起着“粗调”作用，主环用来完成“细调”的任务，以最终保证被调量满足工艺要求。串级控制系统如图3-7所示。液位调节器（主）流量调节器（副）调
31、节阀汽包液位蒸汽流量变送器流量变送器液位变送器蒸汽流量D+_+_图3-7 串级控制系统图串级控制系统具有以下较好的控制性能：对二次干扰有很强的克服能力；改善了对象的动态特性，提高了系统的工作能力；对负荷或操作条件的变化有一定自适应能力。3.3.2串级控制系统设计的几个问题在串级控制系统设计中要注意一下几个问题：1、副参数的选择应使副环的时间常数小，调节通道短，反应灵敏。副环应包含被控对象所受到的主要干扰。2、为确保串级系统不受共振现象的威胁，取，一般。3、串级系统控制方式有两种：一种是异步采样控制，即主环的采样控制周期是副环采样控制周期的整数倍。另一种是同步采样控制，即是主、副环的采样控制周期
32、相同，这时，应根据副环选择采样周期，因为副环的受控对象的响应速度快。4、串级控制系统中，主调节器和副调节器的任务不同，对于它们的选型有不同的考虑。副调节器的任务是要快动作以迅速抵消落在副环内的二次扰动，而且副参数则并不要求无差，所以一般情况选项P调节器，如主副环频率相差很大，也可采用PI调节器。主调节器的任务是准确保持被调量符合生产要求。凡是需要采用串级调节的场合，工艺上对控制品质的要求总是很高的，不允许被调量存在偏差，因此，主调节器一般采用PI调节器，如副环外面的容积数目较多，同时有主要扰动落在副环外面的话，采用PID调节器。3.3.3串级控制系统的参数整定串级控制系统从主回路来看是一个定值
33、控制系统，对主变量有较高的质量要求，其控制质量指标与单回路定值控制系统是一样的。从副回路看，是一个随动控制系统，对副变量的控制质量一般要求不高，只要能快速准确地跟随主控制器的输出变化就行。因此串级控制系统两个回路参数的整定根据各自的作用和对主、副变量的要求确定主、副控制器的参数。在工程实践中，串级控制系统的主要整定方法有：逐步逼近法、两步整定法。逐步逼近法的具体步骤如下：（1）首先整定副回路。此时断开主回路，按单回路控制系统整定方法确定副回路参数，记第一次整定值。（2）然后整定主回路。把刚整定好的副回路作为主回路中的一个环节，仍按单回路控制整定方法，确定主控制器的整定参数，记为，此时，主副回路
34、都闭合。（3）再次整定副回路。在主回路闭合，主控制器整定参数为及。至此，完成一个逼近循环。若控制质量达到要求，主副控制的整定参数分别取和。（4）若控制质量仍不能达要求，按步骤2继续整定求取，循环进行直至达到要求。两步整定法具体步骤如下：（1）先整定副回路。在主、副回路均闭合，主、副控制器都置于纯比例作用的条件下，先将主控制器的比例带放在100%处。按单回路控制系统整定副回路：逐渐降低副控制器的比例带，得到副变量在4：1递减比下的副控制器的比例带和副变量振荡周期。（2）然后整定主回路。主、副回路仍闭合，将副控制器的比例带置于值上，将副回路看作是主回路的一个环节，用同样的方法整定主控制器：即逐渐降
35、低主控制器的比例带，得到主变量4：1递减比下的主控制器比例带和主变量振荡周期。（3）按上面得到的值，结合控制器的选型，利用单回路控制系统衰减曲线法的整定计算公式，分别计算主、副控制器的整定参数值：比例带、积分时间TI、微分时间TD。（4）先副后主，先比例次积分后微分的顺序，将计算出的参数值设置到相应的控制器上。（5）然后再作一些扰动试验，若发现控制过程曲线不够理想，可再进行适当调整，直到控制品质符合要求。应用两步整定参数法，其结果比较准确，而且整定步骤大为简化，因而获得广泛的应用。3.4汽包水位控制方案的确定3.4.1单冲量给水调节系统以汽包水位作为唯一调节信号的汽包水位调节系统称为单冲量给水
36、调节系统。单冲量水位自动调节如图3-1所示。它是汽包水位自动调节中最简单、最基本的一种形式。水位测量信号经变送器送到水位调节器，水位调节器根据水位测量值与给定值的偏差去控制给水阀门，改变给水量来保持汽包水位在允许的操作范围内。-+PI GvGo Hm图3-1 冲量水位调节系统从单冲量调节系统静特性看，单冲量调节器宜选用比例积分调节规律，如选用纯比例调节则： 3-1式中汽包水位水位的给定值6调节器比例度u调节阀开度调节结果水位必定有余差。调节系统的静特性如图3-2所示，图中虚线表示在蒸汽流量变化时“虚假水位”所能达到的极限位置。HD图3-2 单冲量纯比例调节系统静特性增负荷后，调节系统达到稳定时
37、，新的稳定水位就比原来的稳定水位要低。当蒸汽负荷稳定在最大值时，稳定水位达到静态特性的最低值。下一步发生的负荷变化只会使负荷降低，而不可能再提高，由于降负荷引起的“虚假水位”必然是使水位进一步下降。反之，当蒸汽负荷稳定在最小值时，则稳定水位达到了最高值，而下一次因负荷增大造成的“虚假水位”使水位还得上升，因此从锅炉的运行观点看单冲量纯比例调节系统的这种下降的静特性将造成极大的水位波动，因而是不合适的，采用比例积分调节规律，可以消除水位的静态偏差，因而使水位的波动幅度减少。单冲量汽包水位调节的优点是:系统结构简单，在汽包容量比较大、水位在受到扰动后的反应速度比较慢、“假水位”现象不很严重的场合，
38、采用单冲量水位调节是能够满足生产要求的。单冲量汽包水位调节存在着一些缺点，主要有(1)这种调节方案只根据水位调节给水量，在负荷变化时，由于“虚假水位”现象，在调节过程一开始，给水量的变化将与负荷变化的方向相反，扩大了进出流量的不平衡；(2)从给水扰动下水位变化的动态特性可以估计到，当水位已经偏离给定值后再调节给水量，因给水量改变后要经过一定迟延时间才能影响到水位，因此必将导致水位波动幅度大、调节时间长。3.4.2 双冲量给水调节系统对于存在在扰动的系统,可以直接按照扰动进行控制,称作前馈控制,在理论上,它可以消除扰动引起的偏差。在汽包水位双冲量调节系统中引入蒸汽流量为前馈信号，构成如图3-3所
39、示的双冲量水位自动调节系统。则： 3-2+ +D图3-3 汽包水位双冲量调节系统原理图式中: 静态前馈系数D蒸汽流量在加有前馈控制的系统中，一旦出现扰动，前馈调节器就直接根据扰动的大小和方向，按照前馈调节规律，补偿扰动对被控量的影响。由于惯性和纯滞后，扰动作用到系统上，被控量尚未发生变化，前馈调节器就进行了了补偿，可以使被控量不会因扰动作用而产生偏差。根据前馈原理，有如下关系式：,则。在稳定条件下：D=W=u代入式(3-2)可得: 3-3HD图3-4 双冲量纯比例水位凋节系统静特性从(3-3)式可以看出，在双冲量水位调节中，若加大蒸汽冲量的静态前馈系数 ，使，调节系统就具有向上倾斜的静特特,如
40、图3-4所示。这种向上倾斜的静特性当蒸汽负荷稳定在最大值Dm时，稳定水位达到静特件的最高值，降负荷时“虚假水位”信号与之有相反的方向这样既使汽包水位的波动范围大为减小。从式(3-3)可以看出，当=时，虽然调节器选用纯比例规律，系统的静特性是无差的，呈一条水平线。由此可见，调节系统的无差特性并非一定要用积分调节规律，采用多冲量调节用纯比例调节规律，也可以得到系统无差的静特性。双冲量调节存在的问题是：调节作用不能及时反映给水侧的扰动。当给水量扰动时，调节系统等于单冲量调节。因此，如果给水母管压力经常有波动，给水调节阀前后压差不易保持正常时，不宜采用双冲量调节。3.4.3三冲量给水调节系统近代锅炉都
41、向大容量高参数的方向发展，一般讲锅炉容量越大，汽包的容水量相对就越小，允许波动的蓄水量就更少。如果给水中断，可能在10-30秒内就会发生危险水位，如仅是给水量与蒸发量不相适应，在一分钟到几分钟内也将发生缺水或满水事故。这样对水位控制要求就更高了。锅炉给水量在运行中经常会有自发性的变化，当几台锅炉并列运行时,还可能发生几台锅炉的水位调节互相干扰的现象。当某一台锅炉负荷和给水量改变时，引起给水母管压力波动，而使其它锅炉的给水量受到扰动。在双冲量水位调节中,对于给水量这种自发变化不能及时反映出来，要经过一定的迟延时间之后，给水量的扰动才能通过汽包水位的变化而被发觉，此后在克服扰动时，几台锅炉的水位调
42、节又互相影响，使得调节过程非常复杂。针对上述情况，为了把水位控制稳定，锅炉水位调节常辅助有蒸汽流量和给水流量动态补偿，由水位H、蒸汽流量D和给水流量W组成了三冲量汽包水位调节系统，如图3-5所示。在这个系统里，汽包水位H是被调量，是主冲量信号，蒸汽流量D、给水流量W是两个辅助冲量信号。D、W引入系统的符号，根据各自信号的增减对水位H的影响来定。如蒸汽流量D，当DW时，水位H降低，要使水位H不变就必须在原有给定值上加上由于蒸汽流量加大而引起水位下降的值,所以D引入系统的符号为“+”。H、W引入系统的符号可用同样的方法来确定。由于三冲量调节系统抗干扰能力和调节品质都比单冲量、双冲量调节要好，因此应
43、用也最多。汽包H执行器PID给定值w3-5 三冲量汽包水位调节系统3.5锅炉水位全程调节探讨一般而言，锅炉水位自动调节系统应在锅炉正常运行、汽轮机负荷达到50%以上后才可投入，而在锅炉的上水、再循环、升压、带负荷以及停止的多个运行阶段，锅炉给水调节均需人工来干预实现，即所谓手动调节方式。锅炉水位全程调节，就是指锅炉从上水、再循环、升压、带负荷、正常运行及停止的全过程都采用自动调节。这种自动调节，既要维持汽包水位在给定值，又要保证锅炉在启动、正常运行及停止的全过程中，自动进行给水系统的各项操作。因此，水位全程调节扩大了调节范围，是具有逻辑、保护功能的调节系统，是程序控制、保护同自动调节相接合的调
44、节系统，比常规调节系统功能更强、更先进，特别适用于调峰机组和起停频繁的锅炉。根据锅炉所带负荷的不同，按低负荷、高负荷选用不同的调节系统并根据负荷的变化自动进行无扰切换，是全程调节过程中的核心。低负荷给水调节与单回路大体相同，不同的是在PID调节之前的部分，这部分的作用是对测量来的汽包水位信号进行补偿运算，补偿后的水位信号仍波动较大，所以加入一阶惯性环节以减小其波动，避免调节过程中调节门频繁动作。高负荷给水调节中主调部分与低负荷一样，汽包水位首先经过补偿和修正后进入PID调节器，主调回路的前馈量是主汽流量，引入主汽温度和主汽压力对主汽流量进行温度和压力的补偿。实现锅炉全程水位调节需要解决以下一些问题： 1、给水系统所有的截止阀都能远方操作，关得严、打得开，并能接受程控信号、送出状态信号。 2、主给水管路和旁路给水管路在不同工况下能进行管路切换，管路上的阀门控制装置要准确可靠，调节阀性能良好，符合自动调节的要求。 3、 锅炉在升压及低负荷(30%以下)运行中，由于蒸汽流量无法测量，只能采用单冲量调节，而大于30%负荷时又必须采用三冲量调节，因此，要解决单冲量调节同三冲量调节在调节系统上的切换及调节阀的切换。进行无扰切换的方案是:监测蒸汽流量、调节器输出跟踪、设定切换点(假设为30%负荷)。当燕汽流盆低于切换点时，