火電廠給水系統(tǒng)仿真

1、金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 目錄 目 錄摘 要IIIAbstractIV第一章 緒 論11.1 課題的研究背景及意義11.2 我國火力發(fā)電廠的發(fā)展方向11.3本課題設(shè)計的內(nèi)容2第二章 給水控制系統(tǒng)原理32.1 給水控制系統(tǒng)的任務(wù)32.2水位控制系統(tǒng)的構(gòu)成32.2.1 測量部分32.2.2 調(diào)節(jié)器部分42.2.3 執(zhí)行器部分42.2.4 常規(guī)的汽包水位控制系統(tǒng)4第三章 給水控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析及策略研究53.1 給水調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性53.2 汽包水位的測量63.2.1 汽包水位信號的測量與補償63.2.2 給水流量信號的補償63.2.3 蒸汽流量的測量63.3系統(tǒng)擾動分析73.3.1 給水流量擾動7

2、3.3.2 蒸汽流量擾動83.3.3 燃料量擾動103.3.4其他擾動10第四章 給水三沖量系統(tǒng)的整定114.1 單級三沖量給水控制系統(tǒng)的參數(shù)整定114.1.1主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定114.1.2 前饋通路的參數(shù)整定124.2 串級三沖量給水控制系統(tǒng)的參數(shù)整定134.2.1 主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定134.2.2 前饋通路的設(shè)計15第五章 給水三沖量系統(tǒng)的仿真175.1 單級三沖量給水控制系統(tǒng)的MATLAB仿真175.1.1主、副回路的仿真175.1.2前饋通路的仿真195.2 串級三沖量給水控制系統(tǒng)的MATLAB仿真225.2.1 副回路的仿真225.2.2 主回路的仿真235.2.3 前饋通

3、路的仿真245.3 單級三沖量給水控制系統(tǒng)與串級三沖量給水控制系統(tǒng)比較28參考文獻(xiàn)31致 謝33IV火電廠給水控制系統(tǒng)仿真摘 要雖然現(xiàn)在新能源發(fā)電領(lǐng)域比較火爆，但至今火力發(fā)電廠依然在我的的發(fā)電領(lǐng)域中擁有很重要的地位。我國雖然還是發(fā)展中國家，但是近年來GDP的增長已經(jīng)處于世界的前列，當(dāng)然對于電力的需求也越來越高，而且我國近年來對環(huán)境的保護和資源的利用也更加重視，所以隨之我國的發(fā)電廠的建設(shè)開始向大容量、高參數(shù)的大型機組靠近。鍋爐給水控制系統(tǒng)是火力發(fā)電廠中極其重要的控制系統(tǒng)之一。其中，我們一般都重點來研究鍋爐的汽包水位，由此我們也能夠了解鍋爐是否處在平衡的狀態(tài)。因此，電力工程師和研究者都把目光放在給

4、水控制系統(tǒng)的上面，經(jīng)過好幾次的更新優(yōu)化，同時這還是火電廠發(fā)展一直以來需要優(yōu)化的方面。首先先分析了控制原理和基本的機構(gòu)，然后分析汽包水位，主要研究三沖量，將單級三沖量與串級三沖量進行了比較，最后通過仿真確定使用串級三沖量更優(yōu)。關(guān)鍵詞：火力發(fā)電廠;給水控制系統(tǒng);汽包水位金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 目錄 金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 Abstract Simulation of water supply control system in thermal power plantAbstractAlthough the new energy field is hot, but the thermal pow

5、er plant is still in power in my field has a very important position. Although China is still a developing country, but in recent years, the growth of GDP has been at the forefront of the world, of course, demand for electricity is also more and more high, and the use of China in recent years, the p

6、rotection of the environment and resources is becoming more and more attention, so will Chinas power plant construction began to large capacity, high parameter large near the unit.Boiler feedwater control system is one of the most important control system in thermal power plant. Among them, the drum

7、 water level we usually focus on the boiler, thus we can know whether the boiler being in balance. Therefore, power engineers and researchers have focused on water supply control system, after several times of updating, it is also the development of the thermal power plant has been the need to optim

8、ize the.First analysis the control principle and the basic mechanism, and then analyzes the three impulse, will single stage three impulse and on three impulses are compared, finally determined by simulation using cascade three impulse is better.Key words：Thermal power plant; water control system; w

9、ater level金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第1章緒論 第1章 緒 論1.1 課題的研究背景及意義雖然現(xiàn)在新能源發(fā)電領(lǐng)域比較火爆，但至今火力發(fā)電廠依然在我的的發(fā)電領(lǐng)域中擁有很重要的地位。我國雖然還是發(fā)展中國家，但是近年來GDP的增長已經(jīng)處于世界的前列，當(dāng)然對于電力的需求也越來越高，而且我國近年來對環(huán)境的保護和資源的利用也更加重視，所以隨之我國的發(fā)電廠的建設(shè)開始向大容量、高參數(shù)的大型機組靠近。鍋爐給水控制系統(tǒng)是火力發(fā)電廠中極其重要的控制系統(tǒng)之一。其中，我們一般都重點來研究鍋爐的汽包水位，由此我們也能夠了解鍋爐是否處在平衡的狀態(tài)。因此，電力工程師和研究者都把目光放在給水控制系統(tǒng)的上面，經(jīng)過好幾次

10、的更新優(yōu)化，同時這還是火電廠發(fā)展一直以來需要優(yōu)化的方面。1.2 我國火力發(fā)電廠的發(fā)展方向 大約在1980年左右，我國從國外引進了第一個火電機組（亞臨界火電機組）。我國也對此進行了優(yōu)化和改進，使得國華寧?；痣姀S也進入世界火電廠的前列，但引進的亞臨界火電機組存在嚴(yán)重的問題，這些問題不僅僅在于火電廠的效率上，而且也限制了我國火電廠的進一步的發(fā)展和進步。通過借鑒國際上的經(jīng)驗發(fā)展的超臨界火電機組也存在一些問題。因此，我國應(yīng)該大規(guī)模的發(fā)展超超臨界火電機組。以下為各個類型的火電機組的參數(shù)和效率，亞臨界的參數(shù)為16.7兆帕/538攝氏度/538攝氏度，供電熱效率約為百分之三十八，超臨界的參數(shù)為24.1兆帕/5

11、38攝氏度/538攝氏度，供電熱效率約為百分之四十一，而超超臨界的參數(shù)為27.5兆帕/580攝氏度/580攝氏度，其供電熱效率約為百分之四十三。通過三者的比較，我們可以看出超超臨界機組的效率是最高的。超超臨界的煤電機組發(fā)電效率可以達(dá)到40%-43%，目前，我國的燃煤電廠已經(jīng)開始大范圍使用超超臨界技術(shù)，處于世界領(lǐng)先水平。開展超700超超臨界發(fā)電機組的鍋爐、汽機、輔機以及高溫材料等關(guān)鍵技術(shù)研究，為“十三五”期間實現(xiàn)工程示范打下基礎(chǔ)，主要技術(shù)指標(biāo)：壓力30MPa，蒸汽溫度700，機組容量600MW；鍋爐效率94%；發(fā)電機額定功率600MW；汽輪機熱耗6950Kj/KWH，機組循環(huán)效率48.37；發(fā)電

12、機效率99。當(dāng)然，除了超超臨界技術(shù)外還有高超臨界，但需要材料、鍋爐等方面的技術(shù)進一步改進，但是還有一些技術(shù)沒有解決。35金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第1章緒論 1.3本課題設(shè)計的內(nèi)容主要介紹火力發(fā)電廠給水控制系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu)，及其如何安全穩(wěn)定運行，本文重點分析了三沖量系統(tǒng)，并結(jié)合MATLAB仿真來比較單級三沖量系統(tǒng)和串級三沖量的系統(tǒng)的差別，最后總結(jié)出一個更好的方案。結(jié)合火力發(fā)電廠單機組的控制系統(tǒng)，設(shè)計出給水控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。主要分析內(nèi)擾和外擾，在串級控制中，其中內(nèi)回路主要是采用P控制來控制給水?dāng)_動，而外回路我們一般會采取非線性PID控制的方法使得汽包水位保持在我們的給定值，該控制策略結(jié)構(gòu)和算法

13、簡單，但能夠有效的克服蒸汽流量的擾動，且通過仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，通過這樣的一種方法與一般的串級控制方法相比較，其穩(wěn)定性更好，而且在一些參數(shù)的影響下能夠保持一些特性不變，即能夠特別成功地克服內(nèi)擾和外擾。金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第2章 給水控制系統(tǒng)原理 第2章 給水控制系統(tǒng)原理2.1 給水控制系統(tǒng)的任務(wù)火力發(fā)電廠系統(tǒng)中一個極其重要的一個組成的部分是給水控制系統(tǒng)，這就造成了一種不管在什么情況下，給水控制系統(tǒng)都要不停的往鍋爐中輸入水。在這其中，給水泵擔(dān)任的角色是一個給水系統(tǒng)的心臟作用。傳統(tǒng)的小一點容量的機組在正常的情況下采用的是定速水泵再加上一個給水操作平臺的工作方式，但是如果機組的容量變大的話，操作

14、平臺里面的調(diào)節(jié)閥承受的壓力會隨著機組容量的變大而將壓力差變大，但是這樣會造成一個節(jié)流損失的加重，這樣安全性和經(jīng)濟性就不能得到了充分的保證。正是因為上述的原因，所以現(xiàn)在很多的大容量或點擊組就改變了給水方式，由以前的定速給水方式變成了現(xiàn)在的變速給水方式，正常情況下。運行泵的作用是由汽動給水泵來擔(dān)任的，與此同時也可以分情況使用，在有事故的時候或者在啟動階段的時候可以使用電動給水泵，但是在平時的時候就可以將它作為備用泵使用。一個鍋爐中，是由一系列的系統(tǒng)組成的，這些系統(tǒng)有燃燒系統(tǒng)，汽溫控制系統(tǒng)還有給水控制系統(tǒng)和輔助控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)是衡量一個鍋爐是否正常運行的一個重要指標(biāo)，鍋爐能安全運行的重要標(biāo)準(zhǔn)是一定

15、要將水位保持在一個指定的范圍內(nèi)，鍋爐的安全運行時不能允許水位的幅度波動的，這樣會給鍋爐的運行帶來不好的影響。如果水位是過于高的話，這樣汽包的水汽就會迅速分離，這樣的后果就是水蒸氣帶水太多，會對鍋爐的運行造成安全影響，可能導(dǎo)致重大事故的發(fā)生，過高時不好的，那么過低的話，就會因為汽包內(nèi)的水量小，造成鍋爐的負(fù)荷超載，這樣會使水的氣化速度變快，誰的氣化速度變快的話就會使汽包內(nèi)的水量變化速度加快，在沒有外界控制環(huán)節(jié)的加入時，這樣就會到時汽包內(nèi)的水變得化。 所以我們可以知道，給水控制系統(tǒng)其實就是為了將汽包水位維持在一個特定的正常范圍值內(nèi)的。給水控制對象的被控量是汽包水位H。水位的變化水手很多的因素干擾的，

16、有有鍋爐給水量w、蒸發(fā)量D、汽包壓力等。2.2水位控制系統(tǒng)的構(gòu)成水位控制系統(tǒng)一般都是由測量部分、調(diào)節(jié)器部分、執(zhí)行器部分和調(diào)節(jié)閥部分等方面組成，下面我們對其分別加以分析。2.2.1 測量部分大部分的水位控制系統(tǒng)的測量通常是采用雙室平衡容器接差壓變送器的方式，如圖2-1所示。圖2-1 常用汽包水位測量原理2.2.2 調(diào)節(jié)器部分調(diào)節(jié)器部分在一般情況下可以由兩種方式來完成，分別為單元組合式儀表和計算機控制系統(tǒng)兩種方式。這兩種方式都是把測量到的信號與我們的給定值加以比較和計算從而得到一個偏差值，接著我們將其進行數(shù)學(xué)運算，之后就把運算到的結(jié)果發(fā)送給執(zhí)行器。2.2.3 執(zhí)行器部分執(zhí)行器部分，一般情況下我們會

17、采用電動式的執(zhí)行器再加上調(diào)節(jié)閥。其作用是將發(fā)送過來的偏差信號和位置發(fā)送器的反饋信號相比較，在運用放大器來放大信號，以此來驅(qū)動伺服電動機，來帶動調(diào)節(jié)閥，從而達(dá)到改變水流量的目的。2.2.4 常規(guī)的汽包水位控制系統(tǒng)水位控制系統(tǒng)一般情況下是由四個方面組成的，分別為調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器、調(diào)節(jié)閥和變送器。測量部分得到的汽包水位的數(shù)值與一開始給定的數(shù)值通過調(diào)解器進行對比，當(dāng)兩者不相等的時候，則會產(chǎn)生偏差值。而后調(diào)節(jié)器會接收到這樣的偏差信號，隨之按照確定的運算規(guī)律運算后輸出控制信號，然后再輸送給執(zhí)行器，執(zhí)行器再經(jīng)過運轉(zhuǎn)，隨之調(diào)節(jié)閥的開度也得到了改變，從而使得供給汽包的水流量發(fā)生改變，從而使被控參數(shù)（汽包水位H）回

18、到給定值上來。金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第3章 給水控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析及策略研究 第3章 給水控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析及策略研究3.1 給水調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性汽包水位是火電廠給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)的最關(guān)鍵的指標(biāo)，保持汽包水位在特定的范圍內(nèi)是確保鍋爐和汽輪機節(jié)能安全運行的首要條件。給水控制系統(tǒng)的目標(biāo)是使汽包的給水量與蒸發(fā)量相同，使得汽包水位在特定的范圍內(nèi)。當(dāng)中主要有兩種擾動，分別為給水流量擾動和蒸汽流量擾動。其中，給水流量擾動被稱為內(nèi)擾，在調(diào)節(jié)器中發(fā)生。而蒸汽流量擾動被稱為外擾，在負(fù)荷側(cè)產(chǎn)生。其結(jié)構(gòu)見下圖3-1。 汽包爐給水控制對象的結(jié)構(gòu)如圖3.1所示。影響鍋爐水位的要素有很多，其中最主要的有給水量（G）和蒸發(fā)量（

19、D），還包括汽包壓力（P）等?？刂葡到y(tǒng)的物質(zhì)平衡方程為： （3-1） 經(jīng)過數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)變換可得： （3-2）令，（3-2）式可變換為： (3-3)式中字母的意義如下：汽包水位 ：給水量 ：蒸發(fā)量 ：汽水分離面積 ：容量系數(shù) ：水的密度 ：蒸汽密度 其中（3-3）中的容量系數(shù)C是用來表征結(jié)構(gòu)系數(shù)的，而其動態(tài)特性則是用速度和時間來表示的。 圖3-1 給水調(diào)節(jié)對象鍋爐給水控制對象的動態(tài)特性有以下特點：（1）鍋爐給水系統(tǒng)中給水流量擾動存在延遲，所以我們一般不用單級控制，而采用串級控制。本文的仿真會將單級很串級進行比較。（2）鍋爐給水系統(tǒng)在蒸汽流量的時候會出現(xiàn)虛假水位，所以在考慮蒸汽流量擾動的時候要加入前

20、饋信號來提高其控制水平和效率。其后的仿真也考慮到了這一點。3.2 汽包水位的測量3.2.1 汽包水位信號的測量與補償由上文可知，測量水位采用雙室平衡容器接差壓變送器的方式。因為鍋爐從開始到產(chǎn)生負(fù)荷的過程中汽包壓力P產(chǎn)生了很大的波動，所以只能采取差壓的方式來進行補償，而不是采取整壓的方式。3.2.2 給水流量信號的補償采取差壓的方式進行補償，由于水的密度有很大的波動，所以根據(jù)其變化的快慢程度來進行補償。我們一般會采用差壓式流量計，該設(shè)備由兩方面構(gòu)成。第一個方面是測量的方面，安裝在管道中，與給水流量產(chǎn)生流量差。而另一方面是顯示方面，主要是接收第一方面的產(chǎn)生的信號。3.2.3 蒸汽流量的測量蒸汽流量

21、的測量，是采用在過熱器出口上的溫度補償?shù)姆绞降玫狡鋲毫χ祦頊y量的，由于孔板容易損壞，而且維修起來還是比較困難的，所以舍棄了用孔板測量的方法。汽包鍋爐一般都配有兩套就地水位計和三套遠(yuǎn)傳式水位計，而鍋爐汽包水位的監(jiān)視、自動控制、越限報警和跳閘保護則完全依靠這三套遠(yuǎn)傳式(差壓式)水位計來實現(xiàn)如下圖3-21-正壓一次門 2-単室平衡容器 3-負(fù)壓一次門 4-汽包圖3-2 配單室平衡容器的差壓式水位測量示意圖考慮到汽包壓力和飽和蒸汽溫度對飽和蒸汽重度的影響，汽包水位變送器的測量差壓值經(jīng)過壓力補償計算后得到結(jié)果就是準(zhǔn)確的汽包水位值，其計算公式為： （3-4） 式中字母表示的意義如下：水位變送器實際的壓力差

22、 I、L：平衡容器內(nèi)的結(jié)構(gòu)尺寸； ：室溫下水與飽和水重度之差； ：汽包壓力下飽和水與飽和蒸汽重度之差。其中水位變送器實際測量出來的壓力差通過一系列的數(shù)學(xué)計算分析最后就可以得到鍋爐汽包的實際水位。3.3系統(tǒng)擾動分析3.3.1 給水流量擾動給水流量擾動是系統(tǒng)的主要擾動之一，會進行主要的分析。其中，給水流量是輸入量，為內(nèi)擾。如果其中的外擾蒸汽負(fù)荷保持不變的話，給水流量變化時，其方程式如下所示： （3-5）經(jīng)過簡單的數(shù)學(xué)分析可以得到傳遞函數(shù)如下： （3-6） 對于中壓鍋爐，上式中Tw的數(shù)值很小，常常可以忽略不計，因此可以進一步改寫為： （3-7）在給水流量擾動時情況下的水位階躍響應(yīng)曲線如下圖3-3所示

23、：（a） 沸騰式 （b） 非沸騰式圖3-3 給水量擾動時水位階躍響應(yīng)曲線圖3.5中的給水?dāng)_動的階躍響應(yīng)曲線中的圖（a）為沸騰式省煤器的情況下的水動態(tài)特性，圖（b）則為非沸騰式的特性。如圖3.5中的階躍響應(yīng)可以看到，伴隨著給水流量的增大，其鍋爐汽包水位沒有一下持續(xù)提升，而是像先下降了一段時間，然后再上升的，如圖（b）可以看出來，而不是和我們平時的常識一樣，增大給水流量，然后汽包水位就根據(jù)其線性變化。這是由于給水的溫度和省煤器當(dāng)中的溫度還有很大的差距，因此這一溫度差使得省煤器中的蒸汽冷凝成水，降低省煤器中的溫度，從而降低了省煤器中的水位，所以剛給的水用于補償省煤器中的水位，之后的水才能流到汽包當(dāng)中

24、，從而慢慢提高汽包中的水位。而且當(dāng)剛給的水在補償省煤器的水位的時候，由于其中的負(fù)荷還沒有發(fā)生變化，汽包中的水還在蒸發(fā)，從而也導(dǎo)致汽包水位下降了一點。3.3.2 蒸汽流量擾動除了上文中的給水流量擾動外，其蒸汽流量擾動也是系統(tǒng)的主要擾動之一，也是本文具體分析的方面。下面的方程式是在控制給水流量不發(fā)生變化的情況下，蒸汽流量擾動的動態(tài)特性方程。 （3-8） 經(jīng)過簡單的數(shù)學(xué)分析可以得到傳遞函數(shù)如下： （3-9） 將上面的傳遞函數(shù)經(jīng)過并聯(lián)變換如下： （3-10）式中： 。在蒸汽流量擾動時情況下的水位階躍響應(yīng)曲線如下圖3-4所示：（a） 沸騰式 （b） 非沸騰式圖3-4 蒸汽量D擾動下的水位階躍響應(yīng)曲線從上

25、圖3.6中擾動的階躍響應(yīng)曲線可以看出，隨著蒸汽流量的增大，圖（b）可以看出汽包水位沒有一下隨蒸汽流量的變化而發(fā)生線性變化，而是先上升再持續(xù)下降的。而不像我們的常識那樣，蒸發(fā)越多汽包水位隨之下降也越多。這樣的一種反常識的現(xiàn)象用專業(yè)術(shù)語叫做“虛假水位”，而產(chǎn)生“虛假水位”的原因是由于負(fù)荷的增大，蒸發(fā)也越多，而燃料沒有及時得到增加使得氣壓下降，同時使得汽包膨脹和水下面的氣泡的體積也變大，所以汽包水位也及因為水下面的氣泡的體積的變大而升高。但是見過一段時間，鍋爐適應(yīng)了這樣的負(fù)荷，調(diào)整過來，水位也就隨之下降了。所以水位的變化H(t)應(yīng)該是H1(t)和H2(t)之和，即： （3-11）3.3.3 燃料量擾

26、動在燃料量擾動時情況下的水位階躍響應(yīng)曲線如下圖3-5所示： （a） 沸騰式 （b） 非沸騰式 圖3-5 燃料量擾動下水位階躍響應(yīng)曲線當(dāng)燃料量增大的時候，鍋爐的溫度也隨之增大，使得蒸發(fā)量也隨之增大，高于給水量，但由于此時也會出現(xiàn)和蒸汽流量擾動下的“虛假水位”，所以水位也會先提高一點，然后再下降。但是燃料量擾動中的“虛假水位”同蒸汽流量擾動下的“虛假水位”有所不同，稍微比蒸汽流量擾動下的小一些，但是它延續(xù)的時間會比前者長一點。 3.3.4其他擾動給水流量擾動、蒸汽流量擾動和燃料量擾動是系統(tǒng)擾動主要的三個擾動。其中給水?dāng)_動為內(nèi)擾。而蒸汽流量擾動和燃料量擾動為外擾，而外擾只是影響水位波動的幅度而已。所

27、以在研究參數(shù)整定外，還會經(jīng)常研究在外擾情況下的是否有前饋信號的情況，而這些在之后的仿真中都會提及。當(dāng)然除了以上所說的三個常見的擾動外，還有汽包壓力P、調(diào)節(jié)閥的開度等其他因素，但是這些其他因素都可以通過以上三個主要的擾動反應(yīng)出來。與此同時，我們要保持鍋爐汽包內(nèi)的壓力穩(wěn)定，要時刻保持蒸汽流量和燃料量的平衡，這兩者往往一起變化。只是一個變化快一個變化慢而已。金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第四章給水三沖量系統(tǒng)的整定 金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第4章 給水三沖量系統(tǒng)的整定 第4章 給水三沖量系統(tǒng)的整定4.1 單級三沖量給水控制系統(tǒng)的參數(shù)整定4.1.1主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定 本小節(jié)所研究三級三沖量，主要從副回

28、路、主回路和前饋通路的的參數(shù)整定研究。其中可以內(nèi)回路當(dāng)做一個簡單的單回路，然后進行分析。而把副回路可以當(dāng)做一個快速跟隨主回路的一個系統(tǒng)，其作用是用來消除給水?dāng)_動，同時還能監(jiān)控外擾蒸汽擾動。如下圖4-1為副回路的等效圖。圖4-1 副回路等效圖將一個值g作為其的基礎(chǔ)值，再加上要考慮其中的增量的情況，所以在這個時候就能夠?qū)⑦@個副回路當(dāng)做一個單回路來看了。對此，我們經(jīng)常把除了調(diào)節(jié)器和分壓系數(shù)之外的所有環(huán)節(jié)都看做是可以調(diào)節(jié)的目標(biāo)，所以在廣義上來說，其對象 （4-1）其實就是上文所說的近似比例環(huán)節(jié)，由于其中調(diào)節(jié)器的比例帶和積分時間理論上都可以取非常小的值，所以我們經(jīng)常通過試探法來得到他們的準(zhǔn)確的值。同時為

29、了保證該回路的穩(wěn)定，一般情況下其積分時間。我們在用試探法試探的過程中，我們可以隨意地設(shè)置的值，以便得到一個比較完美的比例帶的值。當(dāng)再一次變換的時候，我們必須要使得的值不發(fā)生任何的變化，其目的也就是為了保證該回路的開環(huán)的放大倍數(shù)不變。我們在使用試探法的時候，通常情況下是將主回路設(shè)置為開路的狀態(tài)，使其失去水位的信號，其g為零，同時設(shè)置調(diào)節(jié)器的積分時間和的值。我們先手動操作進水的閥門，等到出現(xiàn)第一個階躍信號之后就將其切換為自動擋，同時觀察曲線狀態(tài)，如果其能夠非常迅速地達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)的話就可以了。下圖4-2為主回路的等效圖。圖4-2主回路等效圖可以從上圖4-2中看出來，其為副回路的等效環(huán)節(jié)，把和看作一

30、個等效調(diào)節(jié)器所控制的對象，則 （4-2）而則是一個常數(shù)，這是一個等效比例調(diào)節(jié)器，其比例帶。除此之外，可以使用實驗法來獲得它的對象特性，其實就是在給水流量擾動下，鍋爐汽包水位的變化曲線，根據(jù)這樣的曲線可以通過簡單的計算得到飛升速度和遲延時間。其中當(dāng)比較大的話，就可以按照下面的公式進行整定 （4-3）同時又因為，所以 （4-4）由上文我們通過對面兩者的比例帶，我們不難發(fā)現(xiàn)對內(nèi)外回路的影響剛好是相反的。 若減小的話，副回路的穩(wěn)定性則加強了，而主回復(fù)的穩(wěn)定性就相應(yīng)地減弱了。若增強的話則相反。所以我們在改變的同時需要改變，使不變，來保持穩(wěn)定性。4.1.2 前饋通路的參數(shù)整定下面我們考慮前饋通路的方面，其

31、對穩(wěn)定性沒有影響，所以我們可以單獨地來考慮，下圖4-3為前饋通路的等效圖。圖4-3 前饋通路按照上圖4-3我們可以求出其補償條件，計算方法如下：令，而，所以其完全補償條件為： （4-5）把和的值代入得： (4-6)在式（4-4）中，其中的負(fù)號是由于前饋裝置極性開關(guān)實現(xiàn)的，而、的值是變送器的斜率，在一般情況下斜率的值是給好的。實際上其整定只是要確定（分壓系數(shù)），但是沒有上文中的整定那么簡單，而是一個很復(fù)雜的環(huán)節(jié)，我們需要在靜態(tài)特性下進行整定，條件如下： （4-7） 通常有，所以：。根據(jù)上文我們基本上可以分析出其的整定方法：（1）使用試探法確定和的值，同時保證不發(fā)生變化，其目的是為了快速地消除給水

32、流量擾動來使系統(tǒng)穩(wěn)定。（2）由于的整定比較復(fù)雜，我們一般使。4.2 串級三沖量給水控制系統(tǒng)的參數(shù)整定4.2.1 主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定在串級三沖量給水控制系統(tǒng)中，副回路的參數(shù)整定方法同單級三沖量差不多，一般也是用試探法整定副回路的和。主回路參數(shù)整定是把副回路等效成一個比例環(huán)節(jié)，然后用經(jīng)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(xiàn)象。下面分別對它們進行參數(shù)整定。和單級三沖量一樣，串級三沖量的副回路也可看作是一個隨動系統(tǒng)，如下圖4-4所示。圖4-4 副回路等效圖同時我還是會把調(diào)節(jié)閥和普通管道系統(tǒng)作為被調(diào)對象，則作為以外的環(huán)節(jié)都作為等效調(diào)節(jié)器。 (4-8)若

33、采用型如的調(diào)節(jié)規(guī)律，則 （4-9）式中副調(diào)節(jié)器比例帶；副調(diào)節(jié)器積分時間。一般情況下和 都會取很小的值，其中、的兩個值一般都取1。如果出現(xiàn)的“虛假水位”現(xiàn)象比較嚴(yán)重的話，我們一般會使蒸汽流量信號增強，來時其過程更穩(wěn)定，這個時候可以使1，同時需要使用試驗下來減小。同時我們一般會使/的值為一個整值，一般情況下取2。其中我們可以知道內(nèi)回路是快速隨動的，所以我們會使用純比例型調(diào)節(jié)器。我們可以根據(jù)式（4-5）可以看出來，副回路的等效調(diào)節(jié)器也可看作一個PI規(guī)律的調(diào)節(jié)器。 （4-10）副回路的對象為，可近似為比例環(huán)節(jié)，所以調(diào)節(jié)器的比例帶和積分時間都可以整定得很小，實際應(yīng)用中，、可通過試驗獲得；因此副回路也是整

34、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(huán)節(jié)基礎(chǔ)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(huán)節(jié)可看成是等效調(diào)節(jié)器。 (4-11)若： (4-12) (4-13）和為已知，所以回路只要整定、和的問題，用以下經(jīng)驗公式整定： (4-14)所以 (4-15)由式（4-6）和式（4-7）兩式可知： (4-16)即當(dāng)增加時，內(nèi)回路穩(wěn)定性降低，外回路穩(wěn)定性增強，反之相反。一般取=1，則只需整定、和。則有 (4-17) (4-18)4.2.2 前饋通路的設(shè)計下圖4-6為前饋通路簡化的圖形，其中是根據(jù)“虛假水位”而確定

35、的。前饋通路中完全補償條件為： (4-19) (4-20) 圖4-6 前饋通路等效圖如果前饋通路的設(shè)計只考慮靜態(tài)補償，且與的靜態(tài)比值為一個常數(shù)，則有下式： 一般情況下使蒸汽流量信號要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于給水流量信號，即令。這時有： 若，則： 金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第5章 給水三沖量系統(tǒng)的仿真 第5章 給水三沖量系統(tǒng)的仿真5.1 單級三沖量給水控制系統(tǒng)的MATLAB仿真5.1.1主、副回路的仿真電廠水位對象研究中給水流量傳函和蒸汽流量傳函為： WD1(S)= = WD2(S)= =水位測量變送器傳遞系數(shù)：=0.033，給水變送器斜率：=2，給水流量與蒸汽流量測量變送器傳遞系數(shù)：=0.083。下面分別對主

36、、副回路進行整定，由上文可以看出來，此處不再給出。初始試驗的整定值：根據(jù)圖3-2所示的主回路的等效方框圖可列出主回路的特征方程式為：1+=0帶入具體數(shù)值得：1+=0整理得：設(shè)為相應(yīng)的阻尼系數(shù)，則：取整定指標(biāo)，則0.21一般情況下，將、取的很小，一般情況下積分時間，在一開始的試探的過程中，我們將值確定為0.21，目的上文有提出，是為可保持內(nèi)回路的穩(wěn)定。其中。單級三沖量副回路SIMULINK結(jié)構(gòu)圖及仿真圖見圖和圖，上文將內(nèi)回路進行了整定，和都取很小的值，因此它可以很迅速地動作。所以其副回路就可以看成具有近似比例特性的快速隨動系統(tǒng)。圖5-1 單級三沖量副回路的SIMULINK結(jié)構(gòu)圖圖5-2 單級三沖

37、量副回路的仿真圖根據(jù)上文對副回路的整定的結(jié)果可以得到主回路的各個值，如下：， 接下來研究單級三沖量的主回路，根據(jù)上文中的主回路的等效圖，再加上各個參數(shù)值，得到如下圖5-3和5-4所示的主回路的SIMULINK結(jié)構(gòu)圖及仿真圖。其中的與要求差不多一樣。圖5-3 單級三沖量主回路的等效SIMULINK結(jié)構(gòu)圖圖5-4 單級三沖量主回路的等效仿真圖5.1.2前饋通路的仿真由上文我們可以得知蒸汽流量擾動所使用的前饋并不在其反饋之中，所以它也并不會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定。因此我們在確定其各個參數(shù)的時候可以根據(jù)鍋爐汽包水位在外擾下不變化的原則來。所以的整定如下：下圖5-5為克服了給水?dāng)_動和蒸汽擾動下的SIMULINK

38、圖。因為給定值定位3.3了，可以得出其傳遞系數(shù)為0.033，所以最后在輸出端的示波器的波形穩(wěn)定在100mm。且在600s的時候加入了內(nèi)擾，在800s的時候加入外擾（蒸汽）。如此我們可以在仿真圖5-6中可以很清晰的看到效果，很好地展示了其穩(wěn)定性。下文則來具體分析內(nèi)擾和外擾（蒸汽）。圖5-5單級三沖量的SINMULINK結(jié)構(gòu)圖圖5-6 單級三沖量的仿真圖1、首先我們分析內(nèi)擾（給水流量擾動），下面的圖5-7為SIMULINK結(jié)構(gòu)圖，圖5-8則是仿真圖。我們可以在圖5-8中看出來，一開始的內(nèi)擾使得波形（即汽包水位）有一些的波動，但是在最后達(dá)到平衡，可見內(nèi)回路很好地克服了內(nèi)擾。圖5-7 單級三沖量給水流

39、量擾動下SIMULINK結(jié)構(gòu)圖圖5-8 單級三沖量給水流量擾動下仿真圖2、這一部分我們分析蒸汽流量擾動，從有無前饋裝置分析。下面的圖5-9和5-11分別有前饋裝置的蒸汽流量擾動下的SIMULINK圖和仿真，而圖5-10和5-12為無反饋裝置的蒸汽流量擾動下的SIMULINK圖和仿真。通過兩個仿真圖的對比可知，在有反饋裝置的情況下是能夠克服擾動的，5-11中的曲線最后達(dá)到穩(wěn)定的0。但是在沒有反饋裝置的情況下，如圖5-12中最后沒有達(dá)到穩(wěn)定的0 存在一定的靜態(tài)偏差。同時經(jīng)過對比，無前饋裝置的系統(tǒng)可以減少一點我們在上文提到的“虛假水位”現(xiàn)象。圖5-9有前饋裝置的單級三沖量蒸汽流量擾動下SIMULIN

40、K結(jié)構(gòu)圖圖5-10 無前饋裝置的單級三沖量蒸汽流量擾動下SINMULINK結(jié)構(gòu)圖圖5-11 有前饋裝置的單級三沖量蒸汽流量擾動下仿真圖圖5-12 無前饋裝置的單級三沖量蒸汽流量擾動下仿真圖5.2 串級三沖量給水控制系統(tǒng)的MATLAB仿真5.2.1 副回路的仿真一般情況下和 都會取很小的值，其中、的兩個值一般都取1。如果出現(xiàn)的“虛假水位”現(xiàn)象比較嚴(yán)重的話，我們一般會使蒸汽流量信號增強，來時其過程更穩(wěn)定，這個時候可以使1，同時需要使用試驗下來減小。同時我們一般會使/的值為一個整值，一般情況下取2。因此我們經(jīng)常將副回路可看成一個隨動系統(tǒng)。根據(jù)我們以往的經(jīng)驗，和的值都很小， ，運用試探法設(shè)置，從而可以

41、得到一個完美的值：=下面就開始副回路的仿真，圖5-13和圖5-14分別為SIMULINK圖和仿真圖。其中，s。由圖5-14的仿真我們可以很清楚的看出來副回路已經(jīng)整定為了快速隨動系統(tǒng)。圖5-13 串級三沖量給水控制系統(tǒng)副回路的SIMULINK結(jié)構(gòu)圖圖5-14 串級三沖量給水控制系統(tǒng)副回路的仿真圖5.2.2 主回路的仿真其實我們從上文已經(jīng)得知主回路其實是建立在副回路的基礎(chǔ)上的，下圖5-15為主回路的等效圖，其中的部分則是其等效的副回路的部分。圖5-15 串級三沖量給水控制系統(tǒng)主回路等效圖首先我們可以得知，由此我們可以得出和，計算方法如下: 下面的圖5-16和5-17分別為主回路的SIMULINK圖

42、和仿真，我們可以在仿真圖中可以清晰地看出來曲線最后達(dá)到穩(wěn)定的100mm。其實我們還可以通過動態(tài)性能分析出其超調(diào)51%，而其中Ts為280s。圖5-16 串級三沖量給水控制系統(tǒng)主回路的SIMULINK結(jié)構(gòu)圖圖5-17 串級三沖量給水控制系統(tǒng)主回路的仿真圖從主回路SIMULINK仿真圖可以看出，曲線最終能達(dá)到穩(wěn)定值100mm，主回路仿真曲線是一波半，但是動態(tài)性能分析，超調(diào)為51%，Ts為280s。5.2.3 前饋通路的仿真前饋裝置的傳遞函數(shù)一般是根據(jù)“虛假水位”的嚴(yán)重程度來確定的，這樣的做法可以很好地使保證其控制過程的質(zhì)量。當(dāng)負(fù)荷開始發(fā)生變化的時候，為了更好地消除“虛假水位”現(xiàn)象，我們常使蒸汽流量

43、信號遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于給水流量信號，其中使K=2。因此我們可以進行仿真，下圖5-18和5-19分別為前饋通道的SIMULINK圖和仿真。和單級的一樣，給定值為3.3，傳遞系數(shù)為0.033，所以我們可以在圖5-19中清晰地看到其曲線最后穩(wěn)定在100mm。而在600s是加入內(nèi)擾，在800s時加入外擾（蒸汽），我們也可以在仿真圖中清晰地看出來。同時我們可以得到其超調(diào)51%，Ts為280s。圖5-18 串級三沖量前饋通道SIMULINK結(jié)構(gòu)圖圖5-19 串級三沖量前饋通道仿真圖由上文可知其的超調(diào)量為51%，顯然有點偏大，所以對改系統(tǒng)進行了一些微調(diào)。微調(diào)后的SIMULINK圖為下圖5-20，仿真圖為圖5-21。這

44、樣超調(diào)量就變?yōu)?5%，而Ts為450s，很顯然的是這樣使得性能變得更優(yōu)。圖5-20 微調(diào)后的串級三沖量SIMULINK結(jié)構(gòu)圖圖5-21 微調(diào)后的串級三沖量仿真圖上面微調(diào)的系統(tǒng)可以看出來具有很好的穩(wěn)定性，接下來就分析內(nèi)擾和外擾（蒸汽），其中蒸汽流量擾動從是否有前饋裝置兩方面來研究。1、下圖5-22和5-23分別為內(nèi)擾情況下的SIMULINK圖和仿真，從仿真圖中可以看出來，在給水流量的擾動下，汽包水位有波動但是不大，最后達(dá)到穩(wěn)定，可以看出來內(nèi)回路消除了內(nèi)擾。圖5-22 串級三沖量給水流量擾動下SIMULINK結(jié)構(gòu)圖圖5-23 串級三沖量給水流量擾動下仿真圖2、接下來則是研究蒸汽流量擾動了，下圖5-

45、24和5-26為有前饋裝置的擾動的SIMULINK圖和仿真，而圖5-25和5-27為無反饋裝置的SIMULINK圖和仿真。通過兩者的比較可以看出來，有前饋裝置的系統(tǒng)的仿真曲線最后穩(wěn)定為0，而不同的是無前饋裝置的系統(tǒng)最后也穩(wěn)定為0，即兩者都能抵抗蒸汽流量擾動。這是因為串級三沖量與單級三沖量有所不同，它的水位的偏差都是由主調(diào)節(jié)器校正的，可以使水位保持穩(wěn)定。但是從曲線的波動情況可以看出來，有前饋裝置的系統(tǒng)顯的更加穩(wěn)定。同時仿真曲線顯上升再下降，也是上文研究過的“虛假水位”的現(xiàn)象，該處不做詳述。圖5-24 有前饋裝置的串級三沖量蒸汽流量擾動下SIMULINK結(jié)構(gòu)圖圖5-25 無前饋裝置的串級三沖量蒸汽

46、流量擾動下SIMULINK結(jié)構(gòu)圖圖5-26 有前饋裝置的串級三沖量蒸汽流量擾動下仿真圖圖5-27 無前饋裝置的串級三沖量蒸汽流量擾動下仿真圖5.3 單級三沖量給水控制系統(tǒng)與串級三沖量給水控制系統(tǒng)比較我們可以見下面兩張仿真圖的對比，為給水流量擾動，其中單級三沖量的內(nèi)擾的最大擾動為0.018mm左右，而串級三沖量的最大擾動卻只有mm左右，所以串級三沖量在給水流量擾動下更優(yōu)。在串級三沖量中的主調(diào)節(jié)器作用是校正水位的，這和單級相比有很大的優(yōu)勢。當(dāng)內(nèi)擾發(fā)生時，汽包中的水位發(fā)生變化，此時會有水位變送器將信號傳送給主調(diào)節(jié)器，然后主調(diào)節(jié)器進行調(diào)節(jié)，這樣會使沒有進入副回路的擾動消除，所以串級三沖量的最大擾動較小

47、。（a）單級三沖量給水流量擾動下仿真圖（b）串級三沖量給水流量擾動下仿真圖圖5-28 給水流量擾動下仿真曲線對比圖下面分析蒸汽流量擾動，其對比如圖5-30和5-31，也可以看出來與給水?dāng)_動一樣的特點就是串級三沖量的最大擾動較小，系統(tǒng)也更加穩(wěn)定。 當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)生外擾的時候，其產(chǎn)生的蒸汽流量信號就會使得調(diào)節(jié)閥向正方向運動，讓進水量與蒸汽流量相同。當(dāng)蒸汽流量開始增大的時候，這樣就會使調(diào)節(jié)閥的開度增大，從而可以減小“虛假水位”帶來的影響，從這一點來看，串級也比單級的更優(yōu)。（a）有前饋裝置的串級三沖量蒸汽流量擾動下仿真圖（b）有前饋裝置的串級三沖量蒸汽流量擾動下仿真圖圖5-30 蒸汽流量擾動下仿真曲線對

48、比圖金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第五章給水三沖量系統(tǒng)的仿真 金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 參考文獻(xiàn) 參考文獻(xiàn)1 王進.汽包水位控制J.東方鍋爐,2009:113-1342 胡武奇.600MW超臨界鍋爐給水控制系統(tǒng)研究及應(yīng)用D,20083 林文孚.600MW超臨界機組給水控制系統(tǒng)及其仿真研究J.湖北電力,2007:98-374 馮磊華.600MW火電機組給水控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計與仿J.仿真技術(shù)，2008:132-1145 張子才.鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真J.新技術(shù)新工藝，2010:102-986 黎國強.火電廠全程給水控制優(yōu)化研究D,20047 喬金宇.基于MATLAB/SIMULIN的鍋爐汽包水

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