鍋爐水位控制系統(tǒng)的研究報(bào)告及設(shè)計(jì)

.zPAGEI鍋爐水位控制系統(tǒng)PAGEI摘要隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的開(kāi)展，資源和環(huán)境矛盾日趨鋒利，使我國(guó)的現(xiàn)代化建立面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。作為供熱系統(tǒng)重要能源轉(zhuǎn)換設(shè)備的燃煤鍋爐能耗巨大，占我國(guó)原煤產(chǎn)量的三分之一左右。然而，我國(guó)目前運(yùn)行的很多鍋爐控制系統(tǒng)的自動(dòng)化水平不高、平安性低，工作效率和環(huán)境污染普遍低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，因此實(shí)現(xiàn)鍋爐的計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制具有重要的意義。鍋爐的建模與控制問(wèn)題一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)，而汽包水位是工業(yè)鍋爐平安、穩(wěn)定運(yùn)行的重要指標(biāo)，保證水位控制在給定*圍內(nèi)，對(duì)于提高蒸汽品質(zhì)、減少設(shè)備損耗和運(yùn)行損耗、確保整個(gè)網(wǎng)絡(luò)平安運(yùn)行具有重要意義。本文分析了汽包水位對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，介紹傳統(tǒng)的控制方式。由于鍋爐水位控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器輸入端常加有三個(gè)輸入量，極易引起水位控制偏差，本文提出了兩種消除水位偏差的方法：〔1〕輔助信號(hào)自消方法〔2〕輔助信號(hào)對(duì)消方法。根據(jù)三沖量水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制水位誤差,設(shè)計(jì)采用了三沖量PID串級(jí)控制方式采用輔助信號(hào)蒸汽流量和給水流量對(duì)消方法消除水位偏差。關(guān)鍵詞：汽包水位；三沖量；串級(jí)系統(tǒng)；PID控制；-.z-.z目錄TOC\o\h\z\u摘要I第1章引言1第2章工業(yè)鍋爐的根底理論2.1鍋爐工藝流程簡(jiǎn)介12.2課題背景及本文研究?jī)?nèi)容3第3章汽包水位特性43.1汽包水位在給水流量作用下的動(dòng)態(tài)特性53.2汽包水位在蒸汽流量干擾下的動(dòng)態(tài)特性9第4章汽包水位的控制124.1單沖量水位控制系統(tǒng)124.2雙沖量水位控制系統(tǒng)134.3三沖量水位控制系統(tǒng)164.4.1三沖量控制方案一164.4.2三沖量控制方案二184.4.3三沖量控制方案三194.4鍋爐水位控制原理圖28結(jié)論44致謝45參考文獻(xiàn)461.引言在鍋爐運(yùn)行中,水位是一個(gè)很重要的參數(shù)。假設(shè)水位過(guò)高,則會(huì)影響汽水別離的效果,使用電氣設(shè)備發(fā)生故障;而水位過(guò)低,則會(huì)破壞汽水循環(huán),嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致鍋爐爆炸。同時(shí)高性能的鍋爐產(chǎn)生的蒸汽流量很大,而汽包的體積相對(duì)來(lái)說(shuō)較小,所以鍋爐水位控制顯得非常重要。鍋爐水位自動(dòng)控制的任務(wù),就是控制給水流量,使其與蒸發(fā)量保持平衡,維持汽包內(nèi)水位在允許的*圍內(nèi)變化。目前我國(guó)有各類(lèi)鍋爐幾十萬(wàn)臺(tái)，其中相當(dāng)大的局部還在使用常規(guī)儀表控制。由于鍋爐水位存在一定的反向特性即“假水位〞現(xiàn)象，而常規(guī)儀表所常用的PID算法對(duì)“假水位〞現(xiàn)象的控制效果并不理想，假設(shè)要較好的控制“假水位〞現(xiàn)象，采用常規(guī)儀表所構(gòu)成的控制器，其構(gòu)造復(fù)雜性又會(huì)增加，造本錢(qián)錢(qián)較高。因此研究新型的水位控制系統(tǒng)，使其能進(jìn)一步提高水位控制的效果，同時(shí)又具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，還是非常必要的。模糊控制是以模糊集合理論為根底的一種新興的控制手段，它是模糊系統(tǒng)理論和模糊技術(shù)與自動(dòng)控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。模糊控制的核心就是利用模糊集合理論，把人的控制策略的自然語(yǔ)言轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)能夠承受的算法語(yǔ)言所描述的控制算法，這種方法不僅能實(shí)現(xiàn)控制，而且能模擬人的思維方式對(duì)一些無(wú)法構(gòu)造數(shù)學(xué)模型的被控對(duì)象進(jìn)展有效的控制。三沖量鍋爐水位控制系統(tǒng)中的主回路控制局部與蒸汽前饋控制局部正是屬于這種情況：由于虛假液位的影響和各種參數(shù)存在的時(shí)變性而導(dǎo)致無(wú)法確定這一過(guò)程的數(shù)學(xué)-.zPAGE7第2章工業(yè)鍋爐的根底理論1.1鍋爐工藝流程簡(jiǎn)介鍋爐是一種承受一定工作壓力的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備.其作用就是有效地把燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能,或再通過(guò)相應(yīng)設(shè)備將熱能轉(zhuǎn)化為其它生產(chǎn)和生活所需的能量形式,長(zhǎng)期以來(lái)在生產(chǎn)和居民生活中都起很重要的作用。鍋爐是工業(yè)過(guò)程中不可缺少的動(dòng)力設(shè)備，鍋爐的任務(wù)是根據(jù)外界負(fù)荷的變化，輸送一定質(zhì)量(汽壓、氣溫)和相應(yīng)數(shù)量的蒸汽。它所產(chǎn)生的蒸汽不僅能夠?yàn)檎麴s、化學(xué)反響、枯燥等過(guò)程提供熱源，而且還可以作為風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、泵類(lèi)驅(qū)動(dòng)透平的動(dòng)力源。鍋爐是由“鍋〞和“爐〞兩局部組成的。“鍋〞就是鍋爐的汽水系統(tǒng)，如圖1-1所示。由省煤器3、汽包4、下降管8、過(guò)熱器5、上升管7、給水調(diào)節(jié)閥2、給水母管1及蒸汽母管6等組成。鍋爐的給水用給水泵打入省煤器，在省煤器中，水吸收煙氣的熱量，使溫度升高到本身壓力下的沸點(diǎn)，成為飽和水然后引入汽包。汽包中的水經(jīng)下降管進(jìn)入鍋爐底部的下聯(lián)箱，又經(jīng)爐膛四周的水冷壁進(jìn)入上聯(lián)箱，隨即又回入汽包。水在水冷壁管中吸收爐內(nèi)火焰直接輻射的熱，在溫度不變的情況下，一局部蒸發(fā)成蒸汽，成為汽水混合物。汽水混合物在汽包中別離成水和汽，水和給水一起再進(jìn)入下降管參加循環(huán)，汽則由汽包頂部的管子引往過(guò)熱器，蒸汽在過(guò)熱器中吸熱、升溫到達(dá)規(guī)定溫度，成為合格蒸汽送入蒸汽母管。-.z燃燃燒室空氣12345678圖1-1鍋爐的汽水系統(tǒng)“爐〞就是鍋爐的燃燒系統(tǒng)，由爐膜、煙道、噴燃器、空氣預(yù)熱器等組成。鍋爐燃料燃燒所需的空氣由送風(fēng)機(jī)送入，通過(guò)空氣預(yù)熱器，在空氣預(yù)熱器中吸收煙氣熱量，成為熱空氣后，與燃料按一定的比例進(jìn)入爐膛燃燒，生成的熱量傳遞給蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，產(chǎn)生飽和蒸汽。然后經(jīng)過(guò)過(guò)熱器，形成一定的過(guò)熱蒸汽，聚集到蒸汽母管。具有一定壓力的過(guò)熱蒸汽，經(jīng)過(guò)負(fù)荷設(shè)備調(diào)節(jié)閥供負(fù)荷設(shè)備使用。與此同時(shí)，燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的煙氣，其中含有大量余熱，除了將飽和蒸汽變成過(guò)熱蒸汽外，還預(yù)熱鍋爐給水和空氣，最后經(jīng)煙囪排入大氣。經(jīng)上介紹，鍋爐系統(tǒng)的主要包括燃燒系統(tǒng)、送引風(fēng)系統(tǒng)、汽水系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)等。其主要工藝流程如圖1-2：-.z圖1-2鍋爐主要工藝流程圖1燃燒嘴；2爐膛；3汽包；4減溫器；5爐墻；6過(guò)熱器；7省煤器；8空氣預(yù)熱器1.2課題背景及本文研究?jī)?nèi)容由前述可知，在鍋爐的幾個(gè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，汽包水位的控制是保證鍋爐平安運(yùn)行的必要條件，是鍋爐正常運(yùn)行的主要標(biāo)志之一。鍋爐的水位控制作為鍋爐控制中重要的控制任務(wù)之一，在鍋爐的平安生產(chǎn)、降低能耗、蒸汽產(chǎn)量和品質(zhì)等方面起著重要作用。汽包水位過(guò)高會(huì)導(dǎo)致蒸汽帶水進(jìn)入過(guò)熱器并在過(guò)熱管內(nèi)結(jié)垢，影響傳熱效率，嚴(yán)重的引起過(guò)熱器爆管；水位過(guò)低又將破壞局部水冷壁的水循環(huán)，引起水冷壁局部過(guò)熱而爆管。汽包水位的動(dòng)態(tài)特性主要有：非線性、不確定性、時(shí)滯和負(fù)荷干擾、非最小相位特征等。-.z第2章汽包水位特性鍋爐汽包水位自動(dòng)調(diào)節(jié)的任務(wù)是使給水量跟蹤鍋爐的蒸發(fā)量，并維持汽包中的水位在工藝允許的*圍內(nèi)。維持汽包水位在給定*圍內(nèi)是保證鍋爐和平安運(yùn)行的必要條件，也是鍋爐正常運(yùn)行的主要指標(biāo)之一。水位過(guò)高，會(huì)影響汽包內(nèi)汽水別離效果，使汽包出口的飽和蒸汽帶水增多，蒸汽帶水會(huì)使汽輪機(jī)產(chǎn)生水沖擊，引起軸封破損、葉片斷裂等事故。同時(shí)會(huì)使飽和蒸汽中含鹽量增高，降低過(guò)熱蒸汽品質(zhì)，增加在過(guò)熱器管壁和汽輪機(jī)葉片上的結(jié)垢。水位過(guò)低，則可能破壞自然循環(huán)鍋爐汽水循環(huán)系統(tǒng)中*些薄弱環(huán)節(jié)，以致局部水冷管壁被燒壞，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成爆炸事故。這些后果都是十分嚴(yán)重的。隨著鍋爐容量的增加，水位變化速度愈來(lái)愈快，人工操作愈來(lái)愈繁重，因此對(duì)汽包水位實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)提出了迫切的要求。汽包水位不僅受汽包中儲(chǔ)水量的影響，亦受水位下汽泡容積的影響。而水位下汽泡容積與鍋爐的負(fù)荷、蒸汽壓力、爐膛熱負(fù)荷等有關(guān)。因此，影響水位變化的因素很多，其中主要是鍋爐蒸發(fā)量即蒸汽流量和給水流量。綜上，引起水位變化的主要擾動(dòng)是蒸汽流量的變化和給水流量的變化。如果只考慮主要擾動(dòng)，則根據(jù)汽包物質(zhì)平衡,則汽包水位的動(dòng)態(tài)特性可表示為如下平衡方程式：F(t)=Qw(t)-QD(t)(2-1)其中Qw(t)、QD(t)分別為給水流量與進(jìn)出汽包的蒸汽，F(xiàn)(t)為汽包水位的變化量。通過(guò)檢測(cè)儀器〔蒸汽流量變送器、水流量變送器、水位變送器〕可得到Qw(t)、QD(t)、F(t)的信號(hào),則從(2-1)式可得到:〔2-2〕其中為c鍋爐截面積，ρ為鍋爐水重度，H(t)為水位;α為水量流系數(shù)，Δpw為流經(jīng)水流量的節(jié)流裝置的差壓;β為蒸汽流量系數(shù)，ΔpD為流經(jīng)蒸汽流量節(jié)流裝置的差壓。對(duì)式〔2-2)取泰勒級(jí)數(shù)經(jīng)化簡(jiǎn)可近似得到如下方程：(2-3)其中，TD、KD、TW、KW、分別與流量變送器的流量轉(zhuǎn)換系數(shù)及展開(kāi)的系數(shù)有關(guān)，T1、T2為水位變送器及汽包截面積有關(guān)的系數(shù)。下面我們著重討論在給水和蒸汽流量?jī)煞N主要擾動(dòng)下水位對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性。2.1汽包水位在給水流量作用下的動(dòng)態(tài)特性給水量是鍋爐的輸入量，如果蒸汽負(fù)荷不變，則在給水流量產(chǎn)生變化時(shí)，汽包水位的運(yùn)動(dòng)方程式可以表示為：(2-4)經(jīng)拉氏變換后可得，(2-5)從式(2-4)，可以方便地得到汽包水位在給水流量作用下的傳遞函數(shù)為：(2-6)對(duì)于中壓鍋爐，上式中TW的數(shù)值很小，常?？梢院雎圆挥?jì)，因此式(2-6)可以進(jìn)一步改寫(xiě)為：(2-7)其中反響速度，即給水流量改變單位流量時(shí)水位的變化速度，單位為毫米／秒·(噸／小時(shí))。從式(2-7)可知，汽包水位在給水流量作用下的動(dòng)態(tài)特性為一個(gè)積分環(huán)節(jié)和一個(gè)一階滯后環(huán)節(jié)所組成,ε、T2的數(shù)值可通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試求得，數(shù)值的大小同鍋爐的構(gòu)造有關(guān)。有些鍋爐當(dāng)給水量增加時(shí)，在較長(zhǎng)的一段時(shí)間里，汽包水位并不增加，有一較長(zhǎng)的起始慣性段，對(duì)于這種鍋爐用式(2-7)來(lái)表示它的動(dòng)態(tài)待性，誤差較大，這時(shí)可選用下面(2-8)式近似計(jì)算：(2-8)τ給水量擾動(dòng)下的純滯后時(shí)間，對(duì)于非沸騰式省煤器的鍋爐，τ為0-100秒，對(duì)于沸騰式省煤器的鍋爐，τ＝100-200秒；Ta=1/ε水位的反響時(shí)間，它也與鍋爐構(gòu)造有關(guān)。反響速度ε及反響時(shí)間Ta都用相對(duì)量來(lái)表示：ε定義為：當(dāng)擾動(dòng)量為100%(從滿負(fù)荷突然變化到零)，水位(以允許變化的*圍為100%)的變化速度，單位為每秒。Ta定義為：擾動(dòng)量為100%，水位變化100%所經(jīng)歷的時(shí)間，單位為秒，例如：一臺(tái)230噸／小時(shí)的鍋爐，假設(shè)汽包的正常水位力200毫米，水位的反響時(shí)間Ta為30鈔。這就是說(shuō)，當(dāng)鍋爐在滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，如果突然停頓供水，則由于出汽和進(jìn)水流量的不平衡，水位將等速度下降，30秒鐘下降200毫米，如果給水量減少10%(23噸／小時(shí))，則將在30秒鐘水位下降20毫米。如果用反響速度ε表示，則當(dāng)對(duì)于中壓多汽包鍋爐，Ta為300秒；一般中壓鍋爐，Ta＝30-100秒；高壓鍋爐Ta＜30秒。-.zhhuwΔwttHo圖2-1給水量擾動(dòng)下的水位飛升曲線根據(jù)式(2-7)在階躍輸入下作給水?dāng)_動(dòng)(假定在一定*圍內(nèi)汽包的橫截面積不變，或變化不大)?？梢缘玫饺鐖D2-1所示的反響曲線。由曲線可知：當(dāng)突然加大給水量后(這時(shí)假定蒸汽量不變)，給水量大于蒸發(fā)量，但汽包水位一開(kāi)場(chǎng)并不立即增加，而呈現(xiàn)出一段起始慣性段，這是因?yàn)闇囟容^低時(shí)更多的給水進(jìn)入水循環(huán)系統(tǒng)，它從原有飽和汽水中吸取一局部熱量，汽包和汽水管路中由于熱量的“損失〞汽泡體積減少。進(jìn)入省煤器的給水，首先必須填補(bǔ)由于汽水管路中汽泡減少所讓出的空間，這時(shí)，雖然給水量增加，但水位根本不變。當(dāng)水面下汽泡容積變化過(guò)程逐漸平靜時(shí)，汽包水位才由于貯水量的增加而逐漸上升。當(dāng)水面下汽泡容積不再變化、完全穩(wěn)定下來(lái)時(shí)，水位變化就隨著貯水量的增加而直線上升。對(duì)于采用沸騰式省煤器的鍋爐，給水作用下的慣性段要比上述情況嚴(yán)重得多，甚至還可能出現(xiàn)“假水位〞現(xiàn)象，在這種情況下，水位變化的特性應(yīng)該采用如下傳遞函數(shù)：(2-9)式中：,uwuwtthwh1hh2圖2-2采用沸騰式省煤器給水作用下的水位飛升曲線圖2-2是給水作用下汽包水位的反響曲線。hl是只考慮物料不平衡，即給水量大于蒸發(fā)量而產(chǎn)生的上升曲線，它由式〔2-9的1／Ta這一項(xiàng)所確定，其特性表現(xiàn)為積分環(huán)節(jié)，無(wú)自平衡能力；h2是由于給水量增加，蒸發(fā)面以下汽泡容積的變化引起的。h是由h1(t)為h2(t)迭加而成的．它的特性實(shí)際上是兩個(gè)環(huán)節(jié)的并聯(lián)。由此可見(jiàn)，汽包水位調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性可以有三種形式：反響曲線變化最快的可用式(2-7)表示，這時(shí)的動(dòng)態(tài)特性可以等效為一個(gè)積分環(huán)節(jié)和一個(gè)慣性環(huán)節(jié)相串聯(lián)；其次是用式(2-8)表示，相當(dāng)于一個(gè)積分環(huán)節(jié)和一個(gè)純滯后環(huán)節(jié)的串聯(lián)；在有“假水位〞的情況下，需要用式(2-9)來(lái)表示其動(dòng)態(tài)特性。對(duì)于不同的鍋爐設(shè)備，終究采用何種形式的傳遞函數(shù)來(lái)表示它的動(dòng)態(tài)特性，還要根據(jù)具體條件來(lái)定，原則是：表達(dá)特性最符合實(shí)際情況、傳遞函數(shù)式盡可能地簡(jiǎn)單。2.2汽包水位在蒸汽流量干擾下的動(dòng)態(tài)特性汽包水位在蒸汽流量擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性，可以直接從式(2-3)導(dǎo)出(假定給水量不變)：(2-10)拉氏變換后可得：(2-11)則：(2-12)上式可以用兩個(gè)動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)的并聯(lián)來(lái)等效，即：(2-13)其中，uuDDtth2hhh3圖2-3蒸汽流量擾動(dòng)下時(shí)的水位飛升曲線在蒸汽流量擾動(dòng)下水位的階躍反響曲線如圖2-3所示。對(duì)大局部調(diào)節(jié)對(duì)象而言，平衡受到破壞的主要影響因素是系統(tǒng)中物料或能量的不平衡。鍋爐汽包水位對(duì)象，除上述對(duì)象具有的特性以外．還有它特有的性質(zhì)。當(dāng)負(fù)荷設(shè)備的用汽量突然增加△D(假定供熱量及時(shí)跟上)，單從物料不平衡考慮，汽包中蒸發(fā)量大于給水量，汽包水位應(yīng)如圖2-3中h1所示，相當(dāng)于式(2-13)中的1／Ta這一項(xiàng)，是直線下降的。但是實(shí)際水位不是h1而是h，在擾動(dòng)的初始瞬間水位不但沒(méi)有下降而且是上升的。這是由于鍋爐汽包蒸發(fā)面以下和水管系統(tǒng)中蒸汽容積隨負(fù)荷的變化而改變所致。在蒸發(fā)面下的水中有蒸汽存在，是由于蒸發(fā)過(guò)程的連續(xù)性，在蒸汽向汽水分界面移動(dòng)的過(guò)程中，會(huì)有一局部蒸汽在*一段時(shí)間內(nèi)處于水中．在一定負(fù)荷和一定壓力下，蒸汽發(fā)生量與蒸發(fā)面以下蒸汽含量之間有一個(gè)確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，蒸發(fā)面以下的蒸汽容積可以用下式表示：(2-14)式中，Vs蒸發(fā)面以下的蒸汽容積；k比例系數(shù)，隨負(fù)荷不同而異；W1汽化強(qiáng)度；γ飽和蒸汽重度；τ汽泡在水中平均停留時(shí)間。當(dāng)蒸汽流量D階躍增加時(shí)，汽包中壓力減小，汽水循環(huán)管路中水的汽化強(qiáng)度W1加，蒸發(fā)面以下蒸汽容積VS增加。汽泡體積膨脹而使水位變化的曲線如圖2-3中h2所示，實(shí)際水位變化曲線h就是h1和h2的迭加。從圖中可以看出，當(dāng)蒸汽量變化時(shí)，汽包水位的變化具有特殊的形式，負(fù)荷階躍增大時(shí)，汽水混合物中蒸汽的容積迅速增加。此時(shí)雖然蒸發(fā)量大于給水量，但水位不僅不下降，反而迅速上升。這種特殊現(xiàn)象稱(chēng)為“虛假水位〞。當(dāng)汽水混合物中汽泡容積與負(fù)荷相適應(yīng)到達(dá)穩(wěn)定后，水位才反映出物料的不平衡，開(kāi)場(chǎng)下降。應(yīng)該指出，當(dāng)負(fù)荷階躍改變時(shí)，水面下汽泡容積變化引起的水位變化是很快的，圖2-3中h2的時(shí)間常數(shù)只有10-20秒。由于“假水位〞而出現(xiàn)的水位最大偏差很難依靠調(diào)節(jié)來(lái)抑制，如果要求水位波動(dòng)不能太大，只有限制負(fù)荷D的變化速度或限制負(fù)荷一次變化量。“虛假水位〞變化的幅度與鍋爐的汽壓與蒸汽量有關(guān)，對(duì)于—般100-230噸／小時(shí)的中高壓鍋爐．加負(fù)荷階躍變化10%時(shí)，“虛假水位〞現(xiàn)象可使水位變化達(dá)30-40毫米。從以上動(dòng)態(tài)特性分析中可以得到如下結(jié)論：(1)汽包水位調(diào)節(jié)對(duì)象在給水量作用下，具有純遲延和慣性，無(wú)自衡能力。具體特性可用三種形式來(lái)描述，終究采用何種形式，可根據(jù)鍋爐構(gòu)造和汽化強(qiáng)度來(lái)定。(2)汽包水位調(diào)節(jié)對(duì)象在蒸汽流量擾動(dòng)下，非但沒(méi)有自平衡能力，而且存在著“假水位〞現(xiàn)象,“假水位〞的變化速度很快，變化幅度與蒸發(fā)量擾動(dòng)大小成正比．也與壓力變化速度成正比，在設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)系統(tǒng)時(shí)必須考慮。第3章汽包水位的控制3.1單沖量水位控制系統(tǒng)圖3-1單沖量水位控制系統(tǒng)如圖3-1所示是單沖量變量水位控制系統(tǒng)。單沖量即汽包水位。這種控制構(gòu)造簡(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)警裝置就可以平安操作。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(lái)，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(guò)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(guò)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。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)；為了抑制上述這些矛盾，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(lái)控制給水調(diào)節(jié)閥，能收到很好的效果。從反響控制的思想出發(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)成單回路反響系統(tǒng)。這是一個(gè)根本的控制方案。對(duì)于小容量鍋爐來(lái)說(shuō)，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，對(duì)于大量的大中型鍋爐來(lái)說(shuō)，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，致使汽包水位劇烈地上下波動(dòng)，嚴(yán)重的影響設(shè)備的壽命和平安。所以對(duì)大中型鍋爐不能采用單沖量控制系統(tǒng)，必須尋求其他解決方法。3.2雙沖量水位控制系統(tǒng)〔a〕原理圖〔b〕方框圖圖3-2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(lái)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3-2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〕加單回路反響控制系統(tǒng)的復(fù)合控制系統(tǒng)。這里前饋僅為靜態(tài)前饋，假設(shè)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3-2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(kāi)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)展加法還是減法，要由調(diào)節(jié)閥的氣開(kāi)或氣關(guān)形式來(lái)確定。一般從平安的角度選用調(diào)節(jié)閥的氣開(kāi)和氣關(guān)的。如果高壓蒸汽是供給蒸汽透平機(jī)等，則為保護(hù)這些設(shè)備以選用氣開(kāi)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(kāi)閥，Ｉ應(yīng)增加即C2應(yīng)取正號(hào)。C2的數(shù)值應(yīng)該考慮到達(dá)靜態(tài)補(bǔ)償。倘使現(xiàn)場(chǎng)試湊，則應(yīng)該在只有負(fù)荷的情況下調(diào)整到水位根本不變，倘使有閥門(mén)特性數(shù)據(jù)，它的放大系數(shù)KV是：＝式中――閥門(mén)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(kāi)場(chǎng)；—變送器輸出的最大變化*圍。要到達(dá)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(lái)表示，顯然不等于１。即使用重量來(lái)表示，由于排污要放出一局部水，進(jìn)水重量要稍大于蒸汽量，即要求>1。由于加法器的作用，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(mén)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3-3〔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?！布僭O(shè)水位調(diào)節(jié)器采用單比例，則這種接法與圖3-2可以等效轉(zhuǎn)換，差異不大〕。但是，水位調(diào)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(wú)差。除非流量參數(shù)經(jīng)過(guò)微分，而且不引入固定分量，見(jiàn)圖3-3〔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(wú)余差。3.3三沖量水位控制系統(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。三沖量控制方案之一圖3-4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〕加反響控制系統(tǒng)。這種三沖量控制方案構(gòu)造簡(jiǎn)單，只需要一臺(tái)多通道調(diào)節(jié)器，整個(gè)系統(tǒng)亦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?！瞐〕原理圖〔b〕方框圖圖3-4三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：而所以，由上兩式比較可得：第二是用來(lái)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(guò)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(kāi)度的變化亦越大。三沖量控制方案二三沖量控制方案二如圖3-5所示，該方案與方案一相類(lèi)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(wú)差。原理圖〔b〕方框圖圖3-5三沖量控制方案之二三沖量控制方案三圖3-6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?，以防止由于?fù)荷突然增加或減少時(shí)，水位偏離設(shè)定值過(guò)高或過(guò)低而造成鍋爐停車(chē)。原理圖方框圖圖3-6三沖量控制之三對(duì)圖3-6中方框圖進(jìn)展分析。假設(shè)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)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(wú)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)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(guò)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)整定適宜，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