火電廠給水系統(tǒng)仿真

1、-. z.- . -可修編- .目 錄TOC o 1-3 u 摘 要 PAGEREF _Toc16170 IIIAbstract PAGEREF _Toc21917 IV第一章 緒 論 PAGEREF _Toc16914 11.1 課題的研究背景及意義 PAGEREF _Toc8886 11.2 我國火力發(fā)電廠的開展方向 PAGEREF _Toc11886 11.3本課題設(shè)計(jì)的容 PAGEREF _Toc25419 2第二章 給水控制系統(tǒng)原理 PAGEREF _Toc22996 32.1 給水控制系統(tǒng)的任務(wù) PAGEREF _Toc8010 32.2水位控制系統(tǒng)的構(gòu)成 PAGEREF _Toc

2、23139 32.2.1 測量局部 PAGEREF _Toc12953 32.2.2 調(diào)節(jié)器局部 PAGEREF _Toc12531 42.2.3 執(zhí)行器局部 PAGEREF _Toc4974 42.2.4 常規(guī)的汽包水位控制系統(tǒng) PAGEREF _Toc2472 4第三章 給水控制系統(tǒng)構(gòu)造分析及策略研究 PAGEREF _Toc22831 53.1 給水調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性 PAGEREF _Toc29291 53.2 汽包水位的測量 PAGEREF _Toc29682 63.2.1 汽包水位信號(hào)的測量與補(bǔ)償 PAGEREF _Toc6554 63.2.2 給水流量信號(hào)的補(bǔ)償 PAGEREF

3、_Toc13340 63.2.3 蒸汽流量的測量 PAGEREF _Toc25498 63.3系統(tǒng)擾動(dòng)分析 PAGEREF _Toc13254 73.3.1 給水流量擾動(dòng) PAGEREF _Toc21566 73.3.2 蒸汽流量擾動(dòng) PAGEREF _Toc30992 83.3.3 燃料量擾動(dòng) PAGEREF _Toc3163 103.3.4其他擾動(dòng) PAGEREF _Toc20454 10第四章 給水三沖量系統(tǒng)的整定 PAGEREF _Toc17647 114.1 單級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)的參數(shù)整定 PAGEREF _Toc16138 114.1.1主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定 PAGEREF _

4、Toc15491 114.1.2 前饋通路的參數(shù)整定 PAGEREF _Toc23144 124.2 串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)的參數(shù)整定 PAGEREF _Toc28857 134.2.1 主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定 PAGEREF _Toc1270 134.2.2 前饋通路的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc3360 15第五章 給水三沖量系統(tǒng)的仿真 PAGEREF _Toc1714 175.1 單級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)的MATLAB仿真 PAGEREF _Toc446 175.1.1主、副回路的仿真 PAGEREF _Toc16255 175.1.2前饋通路的仿真 PAGEREF _Toc1790 1

5、95.2 串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)的MATLAB仿真 PAGEREF _Toc17899 225.2.1 副回路的仿真 PAGEREF _Toc16856 225.2.2 主回路的仿真 PAGEREF _Toc31013 235.2.3 前饋通路的仿真 PAGEREF _Toc4720 245.3 單級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)與串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)比擬 PAGEREF _Toc1967 28參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc10368 31致 PAGEREF _Toc14479 33-. z.- .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)域比擬火爆，但至今火力發(fā)電廠依然在我的的發(fā)電領(lǐng)域中擁有

6、很重要的地位。我國雖然還是開展中國家，但是近年來GDP的增長已經(jīng)處于世界的前列，當(dāng)然對(duì)于電力的需求也越來越高，而且我國近年來對(duì)環(huán)境的保護(hù)和資源的利用也更加重視，所以隨之我國的發(fā)電廠的建立開場向大容量、高參數(shù)的大型機(jī)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(diǎn)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)過好幾次的更新優(yōu)化，同時(shí)這還是火電廠開展一直以來需要優(yōu)化的方面。首先先分析了控制原理和根本的機(jī)構(gòu)，然后分析汽包水位，主要研究三沖量，將單級(jí)三沖量與串級(jí)三沖量進(jìn)展了比擬，最后通過仿真確

7、定使用串級(jí)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-. z.- .-. z.Simulation of water supply control system in thermal power plantAbstractAlthough the new energy field is hot, but the thermal power plant is still in power in my field has a very important position. Although China is still a developing country, but in rec

8、ent 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 protection of the environment and resources is being more and more attention, so will Chinas power plant construction began to

9、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 water level we usually focus on the boiler, thus we can know whether the boiler being in balance. Therefore, power engineers and

10、 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 optimize the.First analysis the control principle and the basic mechanism, and then analyzes the three impulse, will single stage thre

11、e impulse and on three impulses are pared, finally determined by simulation using cascade three impulse is better.Key words：Thermal power plant; water control system; water level-. z.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)域比擬火爆，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。我國雖然還是開展中國家，但是近年來GDP的增長已經(jīng)處于世界的前列，當(dāng)然對(duì)于電力的需求也越來越高，而且我國近年

12、來對(duì)環(huán)境的保護(hù)和資源的利用也更加重視，所以隨之我國的發(fā)電廠的建立開場向大容量、高參數(shù)的大型機(jī)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(diǎn)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)過好幾次的更新優(yōu)化，同時(shí)這還是火電廠開展一直以來需要優(yōu)化的方面。1.2 我國火力發(fā)電廠的開展方向大約在1980年左右，我國從國外引進(jìn)了第一個(gè)火電機(jī)組亞臨界火電機(jī)組。我國也對(duì)此進(jìn)展了優(yōu)化和改良，使得*火電廠也進(jìn)入世界火電廠的前列，但引進(jìn)的亞臨界火電機(jī)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

13、也限制了我國火電廠的進(jìn)一步的開展和進(jìn)步。通過借鑒國際上的經(jīng)歷開展的超臨界火電機(jī)組也存在一些問題。因此，我國應(yīng)該大規(guī)模的開展超超臨界火電機(jī)組。以下為各個(gè)類型的火電機(jī)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/538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。通過三者的比擬，我們可以看出超超臨界機(jī)組的效率是最高的。超超臨界的煤電機(jī)組發(fā)電效率可以到達(dá)40%-43%，目前，我國的燃煤電廠已經(jīng)開場大圍使用超超臨界技術(shù)，處于世界

14、領(lǐng)先水平。開展超700超超臨界發(fā)電機(jī)組的鍋爐、汽機(jī)、輔機(jī)以及高溫材料等關(guān)鍵技術(shù)研究，為十三五期間實(shí)現(xiàn)工程示打下根底，主要技術(shù)指標(biāo)：壓力30MPa，蒸汽溫度700，機(jī)組容量600MW；鍋爐效率94%；發(fā)電機(jī)額定功率600MW；汽輪機(jī)熱耗6950Kj/KWH，機(jī)組循環(huán)效率48.37；發(fā)電機(jī)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(jìn)一步改良，但是還有一些技術(shù)沒有解決。-. z.1.3本課題設(shè)計(jì)的容主要介紹火力發(fā)電廠給水控制系統(tǒng)的原理和構(gòu)造，及其如何平安穩(wěn)定運(yùn)行，本文重點(diǎn)分析了三沖量系統(tǒng)，并結(jié)合MATLAB仿真來比擬單級(jí)三沖量系統(tǒng)和串級(jí)三沖量的系統(tǒng)的差異，最后總結(jié)出

15、一個(gè)更好的方案。結(jié)合火力發(fā)電廠單機(jī)組的控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)出給水控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。主要分析擾和外擾，在串級(jí)控制中，其中回路主要是采用P控制來控制給水?dāng)_動(dòng)，而外回路我們一般會(huì)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，該控制策略構(gòu)造和算法簡單，但能夠有效的克制蒸汽流量的擾動(dòng)，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(jí)控制方法相比擬，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制擾和外擾。-. z.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(gè)極其重要的一個(gè)組成的局部是給水控制系統(tǒng)，這就造成了一種不管在什么情況下，給水控

16、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(gè)給水系統(tǒng)的心臟作用。傳統(tǒng)的小一點(diǎn)容量的機(jī)組在正常的情況下采用的是定速水泵再加上一個(gè)給水操作平臺(tái)的工作方式，但是如果機(jī)組的容量變大的話，操作平臺(tái)里面的調(diào)節(jié)閥承受的壓力會(huì)隨著機(jī)組容量的變大而將壓力差變大，但是這樣會(huì)造成一個(gè)節(jié)流損失的加重，這樣平安性和經(jīng)濟(jì)性就不能得到了充分的保證。正是因?yàn)樯鲜龅脑颍袁F(xiàn)在很多的大容量或點(diǎn)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(yùn)行泵的作用是由汽動(dòng)給水泵來擔(dān)任的，與此同時(shí)也可以分情況使用，在有事故的時(shí)候或者在啟動(dòng)階段的時(shí)候可以使用電動(dòng)給水泵，但是在平時(shí)的時(shí)候就可

17、以將它作為備用泵使用。一個(gè)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(gè)鍋爐是否正常運(yùn)行的一個(gè)重要指標(biāo)，鍋爐能平安運(yùn)行的重要標(biāo)準(zhǔn)是一定要將水位保持在一個(gè)指定的圍，鍋爐的平安運(yùn)行時(shí)不能允許水位的幅度波動(dòng)的，這樣會(huì)給鍋爐的運(yùn)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(huì)迅速別離，這樣的后果就是水蒸氣帶水太多，會(huì)對(duì)鍋爐的運(yùn)行造成平安影響，可能導(dǎo)致重大事故的發(fā)生，過高時(shí)不好的，則過低的話，就會(huì)因?yàn)槠乃啃?，造成鍋爐的負(fù)荷超載，這樣會(huì)使水的氣化速度變快，誰的氣化速度變快的話就會(huì)使汽包的水量變化速度加快，在沒有外界控制環(huán)節(jié)

18、的參加時(shí)，這樣就會(huì)到時(shí)汽包的水變得化。所以我們可以知道，給水控制系統(tǒng)其實(shí)就是為了將汽包水位維持在一個(gè)特定的正常圍值的。給水控制對(duì)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，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)一般都是由測量局部、調(diào)節(jié)器局部、執(zhí)行器局部和調(diào)節(jié)閥局部等方面組成，下面我們對(duì)其分別加以分析。2.2.1 測量局部大局部的水位控制系統(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)器局部調(diào)節(jié)器局部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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)兩種方式。這

19、兩種方式都是把測量到的信號(hào)與我們的給定值加以比擬和計(jì)算從而得到一個(gè)偏差值，接著我們將其進(jìn)展數(shù)學(xué)運(yùn)算，之后就把運(yùn)算到的結(jié)果發(fā)送給執(zhí)行器。2.2.3 執(zhí)行器局部執(zhí)行器局部，一般情況下我們會(huì)采用電動(dòng)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(hào)和位置發(fā)送器的反響信號(hào)相比擬，在運(yùn)用放大器來放大信號(hào)，以此來驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)，來帶動(dòng)調(diào)節(jié)閥，從而到達(dá)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(gè)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。測量局部得到的汽包水位的數(shù)值與一開場給定的數(shù)值通過調(diào)解器進(jìn)展比照，當(dāng)兩者不相等的時(shí)候，則會(huì)產(chǎn)生偏差值。而后調(diào)節(jié)器會(huì)接收到這樣的

20、偏差信號(hào)，隨之按照確定的運(yùn)算規(guī)律運(yùn)算后輸出控制信號(hào)，然后再輸送給執(zhí)行器，執(zhí)行器再經(jīng)過運(yùn)轉(zhuǎn)，隨之調(diào)節(jié)閥的開度也得到了改變，從而使得供應(yīng)汽包的水流量發(fā)生改變，從而使被控參數(shù)汽包水位H回到給定值上來。-. z.第3章 給水控制系統(tǒng)構(gòu)造分析及策略研究3.1 給水調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)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圍是確保鍋爐和汽輪機(jī)節(jié)能平安運(yùn)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)量一樣，使得汽包水位在特定的圍。當(dāng)中主要有兩種擾動(dòng)，分別為給水流量擾動(dòng)和蒸汽流量擾動(dòng)。其中，給水流量擾動(dòng)被稱為擾，在調(diào)節(jié)器中發(fā)生。而蒸汽流量擾動(dòng)被稱為外擾，在負(fù)荷側(cè)產(chǎn)生。其構(gòu)造見下

21、列圖3-1。 汽包爐給水控制對(duì)象的構(gòu)造如圖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)的根底變換可得： 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 ：汽水別離面積 ：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是用來表征構(gòu)造系數(shù)的，而其動(dòng)態(tài)特性則是用速度和時(shí)間來表示的。圖3-1 給水調(diào)節(jié)對(duì)象鍋爐給水控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性有以下特點(diǎn)：1鍋爐給水系統(tǒng)中給水流量擾動(dòng)存在延遲，所以我們一般不用單級(jí)控制，而采用串級(jí)控制。本文的仿真會(huì)將單級(jí)很串級(jí)進(jìn)展比擬。2鍋

22、爐給水系統(tǒng)在蒸汽流量的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)虛假水位，所以在考慮蒸汽流量擾動(dòng)的時(shí)候要參加前饋信號(hào)來提高其控制水平和效率。其后的仿真也考慮到了這一點(diǎn)。3.2 汽包水位的測量3.2.1 汽包水位信號(hào)的測量與補(bǔ)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?yàn)殄仩t從開場到產(chǎn)生負(fù)荷的過程中汽包壓力P產(chǎn)生了很大的波動(dòng)，所以只能采取差壓的方式來進(jìn)展補(bǔ)償，而不是采取整壓的方式。3.2.2 給水流量信號(hào)的補(bǔ)償采取差壓的方式進(jìn)展補(bǔ)償，由于水的密度有很大的波動(dòng)，所以根據(jù)其變化的快慢程度來進(jìn)展補(bǔ)償。我們一般會(huì)采用差壓式流量計(jì)，該設(shè)備由兩方面構(gòu)成。第一個(gè)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

23、是顯示方面，主要是接收第一方面的產(chǎn)生的信號(hào)。3.2.3 蒸汽流量的測量蒸汽流量的測量，是采用在過熱器出口上的溫度補(bǔ)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擬困難的，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(jì)和三套遠(yuǎn)傳式水位計(jì)，而鍋爐汽包水位的監(jiān)視、自動(dòng)控制、越限報(bào)警和跳閘保護(hù)則完全依靠這三套遠(yuǎn)傳式(差壓式)水位計(jì)來實(shí)現(xiàn)如下列圖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(duì)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(bǔ)償計(jì)算后得到結(jié)果就是準(zhǔn)確的汽包水

24、位值，其計(jì)算公式為：3-4式中字母表示的意義如下：水位變送器實(shí)際的壓力差 I、L：平衡容器的構(gòu)造尺寸；：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(shí)際測量出來的壓力差通過一系列的數(shù)學(xué)計(jì)算分析最后就可以得到鍋爐汽包的實(shí)際水位。3.3系統(tǒng)擾動(dòng)分析3.3.1 給水流量擾動(dòng)給水流量擾動(dòng)是系統(tǒng)的主要擾動(dòng)之一，會(huì)進(jìn)展主要的分析。其中，給水流量是輸入量，為擾。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(shí)，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(duì)于中壓鍋爐，上式中Tw的數(shù)值很小，常?？梢院雎圆挥?jì)，因此可以進(jìn)一步改寫為： 3-7在給水

25、流量擾動(dòng)時(shí)情況下的水位階躍響應(yīng)曲線如下列圖3-3所示：a 沸騰式 b 非沸騰式圖3-3 給水量擾動(dòng)時(shí)水位階躍響應(yīng)曲線圖3.5中的給水?dāng)_動(dòng)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(dòng)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(shí)間，然后再上升的，如圖b可以看出來，而不是和我們平時(shí)的常識(shí)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(bǔ)償省煤器中

26、的水位，之后的水才能流到汽包當(dāng)中，從而慢慢提高汽包中的水位。而且當(dāng)剛給的水在補(bǔ)償省煤器的水位的時(shí)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(diǎn)。3.3.2 蒸汽流量擾動(dòng)除了上文中的給水流量擾動(dòng)外，其蒸汽流量擾動(dòng)也是系統(tǒng)的主要擾動(dòng)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(dòng)的動(dòng)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： 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(dòng)時(shí)情況下的水位階躍響應(yīng)曲線如下列圖3-4所示：a 沸騰式 b 非沸騰式圖3-4 蒸汽量D擾動(dòng)下的水位階躍響應(yīng)曲線從

27、上圖3.6中擾動(dòng)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(shí)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(shí)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(shí)得到增加使得氣壓下降，同時(shí)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?yàn)樗旅娴臍馀莸捏w積的變大而升高。但是見過一段時(shí)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： 3-113.3.3 燃料量擾動(dòng)在燃料量擾動(dòng)

28、時(shí)情況下的水位階躍響應(yīng)曲線如下列圖3-5所示： a 沸騰式 b 非沸騰式 圖3-5 燃料量擾動(dòng)下水位階躍響應(yīng)曲線當(dāng)燃料量增大的時(shí)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(shí)也會(huì)出現(xiàn)和蒸汽流量擾動(dòng)下的虛假水位，所以水位也會(huì)先提高一點(diǎn)，然后再下降。但是燃料量擾動(dòng)中的虛假水位同蒸汽流量擾動(dòng)下的虛假水位有所不同，稍微比蒸汽流量擾動(dòng)下的小一些，但是它延續(xù)的時(shí)間會(huì)比前者長一點(diǎn)。3.3.4其他擾動(dòng)給水流量擾動(dòng)、蒸汽流量擾動(dòng)和燃料量擾動(dòng)是系統(tǒng)擾動(dòng)主要的三個(gè)擾動(dòng)。其中給水?dāng)_動(dòng)為擾。而蒸汽流量擾動(dòng)和燃料量擾動(dòng)為外擾，而外擾只是影響水位波動(dòng)的幅度而已。所以在研究參數(shù)整定外，還會(huì)經(jīng)常研究在外

29、擾情況下的是否有前饋信號(hào)的情況，而這些在之后的仿真中都會(huì)提及。當(dāng)然除了以上所說的三個(gè)常見的擾動(dòng)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(gè)主要的擾動(dòng)反響出來。與此同時(shí)，我們要保持鍋爐汽包的壓力穩(wěn)定，要時(shí)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(gè)變化快一個(gè)變化慢而已。-. z.-. z.第4章 給水三沖量系統(tǒng)的整定4.1 單級(jí)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(jí)三沖量，主要從副回路、主回路和前饋通路的的參數(shù)整定研究。其中可以回路當(dāng)做一個(gè)簡單的單回路，然后進(jìn)展分析。而把副回路可以當(dāng)做一個(gè)快速跟隨主回路的一個(gè)

30、系統(tǒng)，其作用是用來消除給水?dāng)_動(dòng)，同時(shí)還能監(jiān)控外擾蒸汽擾動(dòng)。如下列圖4-1為副回路的等效圖。圖4-1 副回路等效圖將一個(gè)值g作為其的根底值，再加上要考慮其中的增量的情況，所以在這個(gè)時(shí)候就能夠?qū)⑦@個(gè)副回路當(dāng)做一個(gè)單回路來看了。對(duì)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(duì)象 4-1其實(shí)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(shí)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(shí)為了保證該回路的穩(wěn)定，一般情況下其積分時(shí)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(gè)比擬完美的比例帶的值。當(dāng)再

31、一次變換的時(shí)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(shí)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(hào)，其g為零，同時(shí)設(shè)置調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間和的值。我們先手動(dòng)操作進(jìn)水的閥門，等到出現(xiàn)第一個(gè)階躍信號(hào)之后就將其切換為自動(dòng)擋，同時(shí)觀察曲線狀態(tài)，如果其能夠非常迅速地到達(dá)穩(wěn)定的狀態(tài)的話就可以了。下列圖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)，把和看作一個(gè)等效調(diào)節(jié)器所控制的對(duì)象，則4-2而則是一個(gè)常數(shù)，這是一個(gè)等效比例調(diào)節(jié)器，其比例帶。除此之外，可以使用實(shí)驗(yàn)法來獲得它的對(duì)象特性，其

32、實(shí)就是在給水流量擾動(dòng)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(jì)算得到飛升速度和遲延時(shí)間。其中當(dāng)比擬大的話，就可以按照下面的公式進(jìn)展整定4-3同時(shí)又因?yàn)?，所?-4由上文我們通過對(duì)面兩者的比例帶，我們不難發(fā)現(xiàn)對(duì)外回路的影響剛好是相反的。 假設(shè)減小的話，副回路的穩(wěn)定性則加強(qiáng)了，而主回復(fù)的穩(wěn)定性就相應(yīng)地減弱了。假設(shè)增強(qiáng)的話則相反。所以我們在改變的同時(shí)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，其對(duì)穩(wěn)定性沒有影響，所以我們可以單獨(dú)地來考慮，下列圖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(bǔ)償條件，計(jì)算方法如下：

33、令，而，所以其完全補(bǔ)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(hào)是由于前饋裝置極性開關(guān)實(shí)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(shí)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則簡單，而是一個(gè)很復(fù)雜的環(huán)節(jié)，我們需要在靜態(tài)特性下進(jìn)展整定，條件如下： 4-7 通常有，所以：。根據(jù)上文我們根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(shí)保證不發(fā)生變化，其目的是為了快速地消除給水流量擾動(dòng)來使系統(tǒng)穩(wěn)定。2由于的整定比擬復(fù)雜，我們一般使。4.2 串級(jí)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(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)中，副回路的

34、參數(shù)整定方法同單級(jí)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(gè)比例環(huán)節(jié)，然后用經(jīng)歷公式進(jìn)展整定；前饋通路的選擇是基于虛假水位而定的。它主要是為了補(bǔ)償虛假水位現(xiàn)象。下面分別對(duì)它們進(jìn)展參數(shù)整定。和單級(jí)三沖量一樣，串級(jí)三沖量的副回路也可看作是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，如下列圖4-4所示。圖4-4 副回路等效圖同時(shí)我還是會(huì)把調(diào)節(jié)閥和普通管道系統(tǒng)作為被調(diào)對(duì)象，則作為以外的環(huán)節(jié)都作為等效調(diào)節(jié)器。 (4-8)假設(shè)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(shí)間。一般情況下和都會(huì)取很小的值，其中、的兩個(gè)值一般都取1。如果出現(xiàn)的虛假水位現(xiàn)象比擬嚴(yán)重的話，我們一般會(huì)使蒸汽流

35、量信號(hào)增強(qiáng)，來時(shí)其過程更穩(wěn)定，這個(gè)時(shí)候可以使1，同時(shí)需要使用試驗(yàn)下來減小。同時(shí)我們一般會(huì)使/的值為一個(gè)整值，一般情況下取2。其中我們可以知道回路是快速隨動(dòng)的，所以我們會(huì)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(gè)PI規(guī)律的調(diào)節(jié)器。4-10副回路的對(duì)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(shí)間都可以整定得很小，實(shí)際應(yīng)用中，、可通過試驗(yàn)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(gè)快速比例環(huán)節(jié)根底上的。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(duì)象，其余的環(huán)節(jié)可看成是等

36、效調(diào)節(jié)器。(4-11)假設(shè)： (4-12)(4-13和為，所以回路只要整定、和的問題，用以下經(jīng)歷公式整定： (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(shí)，回路穩(wěn)定性降低，外回路穩(wěn)定性增強(qiáng)，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(jì)下列圖4-6為前饋通路簡化的圖形，其中是根據(jù)虛假水位而確定的。前饋通路中完全補(bǔ)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(jì)只考慮靜態(tài)補(bǔ)償，且與的靜態(tài)比值為一個(gè)常數(shù)，則有下式：一般情況下使蒸汽流量信號(hào)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于給水流量信號(hào)，即令。這時(shí)有：假設(shè)

37、，則：-. z.-. z.第5章給水三沖量系統(tǒng)的仿真5.1 單級(jí)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(duì)象研究中給水流量傳函和蒸汽流量傳函為： WD1(S)= = WD2(S)= =-. z.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(duì)主、副回路進(jìn)展整定，由上文可以看出來，此處不再給出。初始試驗(yàn)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

38、下積分時(shí)間，在一開場的試探的過程中，我們將值確定為0.21，目的上文有提出，是為可保持回路的穩(wěn)定。其中。單級(jí)三沖量副回路SIMULINK構(gòu)造圖及仿真圖見圖和圖，上文將回路進(jìn)展了整定，和都取很小的值，因此它可以很迅速地動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)。圖5-1 單級(jí)三沖量副回路的SIMULINK構(gòu)造圖圖5-2 單級(jí)三沖量副回路的仿真圖根據(jù)上文對(duì)副回路的整定的結(jié)果可以得到主回路的各個(gè)值，如下：，接下來研究單級(jí)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(gè)參數(shù)值，得到如下列圖5-3和5-4所示的主回路的SIMULINK構(gòu)造圖及仿真圖。其中的與要求差不多一樣。圖5-3

39、 單級(jí)三沖量主回路的等效SIMULINK構(gòu)造圖圖5-4 單級(jí)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(dòng)所使用的前饋并不在其反響之中，所以它也并不會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定。因此我們在確定其各個(gè)參數(shù)的時(shí)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：下列圖5-5為克制了給水?dāng)_動(dòng)和蒸汽擾動(dòng)下的SIMULINK圖。因?yàn)榻o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(shí)候參加了擾，在800s的時(shí)候參加外擾蒸汽。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

40、擾和外擾蒸汽。圖5-5單級(jí)三沖量的SINMULINK構(gòu)造圖圖5-6 單級(jí)三沖量的仿真圖1、首先我們分析擾給水流量擾動(dòng)，下面的圖5-7為SIMULINK構(gòu)造圖，圖5-8則是仿真圖。我們可以在圖5-8中看出來，一開場的擾使得波形即汽包水位有一些的波動(dòng)，但是在最后到達(dá)平衡，可見回路很好地克制了擾。圖5-7 單級(jí)三沖量給水流量擾動(dòng)下SIMULINK構(gòu)造圖圖5-8 單級(jí)三沖量給水流量擾動(dòng)下仿真圖2、這一局部我們分析蒸汽流量擾動(dòng)，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(dòng)下的SIMULINK圖和仿真，而圖5-10和5-12為無反響裝置的蒸汽流量擾動(dòng)下的SIMULINK圖和仿真

41、。通過兩個(gè)仿真圖的比照可知，在有反響裝置的情況下是能夠克制擾動(dòng)的，5-11中的曲線最后到達(dá)穩(wěn)定的0。但是在沒有反響裝置的情況下，如圖5-12中最后沒有到達(dá)穩(wěn)定的0 存在一定的靜態(tài)偏差。同時(shí)經(jīng)過比照，無前饋裝置的系統(tǒng)可以減少一點(diǎn)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(jí)三沖量蒸汽流量擾動(dòng)下SIMULINK構(gòu)造圖圖5-10 無前饋裝置的單級(jí)三沖量蒸汽流量擾動(dòng)下SINMULINK構(gòu)造圖圖5-11 有前饋裝置的單級(jí)三沖量蒸汽流量擾動(dòng)下仿真圖圖5-12 無前饋裝置的單級(jí)三沖量蒸汽流量擾動(dòng)下仿真圖5.2 串級(jí)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(huì)取很小的值

42、，其中、的兩個(gè)值一般都取1。如果出現(xiàn)的虛假水位現(xiàn)象比擬嚴(yán)重的話，我們一般會(huì)使蒸汽流量信號(hào)增強(qiáng)，來時(shí)其過程更穩(wěn)定，這個(gè)時(shí)候可以使1，同時(shí)需要使用試驗(yàn)下來減小。同時(shí)我們一般會(huì)使/的值為一個(gè)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(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)。根據(jù)我們以往的經(jīng)歷，和的值都很小， ，運(yùn)用試探法設(shè)置，從而可以得到一個(gè)完美的值：=下面就開場副回路的仿真，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(dòng)系統(tǒng)。圖5-13 串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)副回路的SIMULINK構(gòu)造圖圖5-14 串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)副回路的仿真

43、圖5.2.2 主回路的仿真其實(shí)我們從上文已經(jīng)得知主回路其實(shí)是建立在副回路的根底上的，下列圖5-15為主回路的等效圖，其中的局部則是其等效的副回路的局部。圖5-15 串級(jí)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(jì)算方法如下:下面的圖5-16和5-17分別為主回路的SIMULINK圖和仿真，我們可以在仿真圖中可以清晰地看出來曲線最后到達(dá)穩(wěn)定的100mm。其實(shí)我們還可以通過動(dòng)態(tài)性能分析出其超調(diào)51%，而其中Ts為280s。圖5-16 串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)主回路的SIMULINK構(gòu)造圖圖5-17 串級(jí)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，

44、曲線最終能到達(dá)穩(wěn)定值100mm，主回路仿真曲線是一波半，但是動(dòng)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)荷開場發(fā)生變化的時(shí)候，為了更好地消除虛假水位現(xiàn)象，我們常使蒸汽流量信號(hào)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于給水流量信號(hào)，其中使K=2。因此我們可以進(jìn)展仿真，下列圖5-18和5-19分別為前饋通道的SIMULINK圖和仿真。和單級(jí)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是參加擾，在800s時(shí)參加外擾蒸汽，我們也可

45、以在仿真圖中清晰地看出來。同時(shí)我們可以得到其超調(diào)51%，Ts為280s。圖5-18 串級(jí)三沖量前饋通道SIMULINK構(gòu)造圖圖5-19 串級(jí)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(diǎn)偏大，所以對(duì)改系統(tǒng)進(jìn)展了一些微調(diào)。微調(diào)后的SIMULINK圖為下列圖5-20，仿真圖為圖5-21。這樣超調(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(jí)三沖量SIMULINK構(gòu)造圖圖5-21 微調(diào)后的串級(jí)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，接下來就分析擾和外擾蒸汽，其中蒸汽流量擾動(dòng)從是否有前饋裝置兩方面來研究。1、下列圖5-22和5-23

46、分別為擾情況下的SIMULINK圖和仿真，從仿真圖中可以看出來，在給水流量的擾動(dòng)下，汽包水位有波動(dòng)但是不大，最后到達(dá)穩(wěn)定，可以看出來回路消除了擾。圖5-22 串級(jí)三沖量給水流量擾動(dòng)下SIMULINK構(gòu)造圖圖5-23 串級(jí)三沖量給水流量擾動(dòng)下仿真圖2、接下來則是研究蒸汽流量擾動(dòng)了，下列圖5-24和5-26為有前饋裝置的擾動(dòng)的SIMULINK圖和仿真，而圖5-25和5-27為無反響裝置的SIMULINK圖和仿真。通過兩者的比擬可以看出來，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(dòng)。這是因?yàn)榇?jí)三沖量與單級(jí)三沖量有所不同，它的水位的偏

47、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(dòng)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(shí)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(jí)三沖量蒸汽流量擾動(dòng)下SIMULINK構(gòu)造圖圖5-25 無前饋裝置的串級(jí)三沖量蒸汽流量擾動(dòng)下SIMULINK構(gòu)造圖圖5-26 有前饋裝置的串級(jí)三沖量蒸汽流量擾動(dòng)下仿真圖圖5-27 無前饋裝置的串級(jí)三沖量蒸汽流量擾動(dòng)下仿真圖5.3 單級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)與串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)比擬我們可以見下面兩仿真圖的比照，為給水流量擾動(dòng)，其中單級(jí)三沖量的擾的最大擾動(dòng)為0.018mm左右，而串級(jí)三沖量的最大擾

48、動(dòng)卻只有mm左右，所以串級(jí)三沖量在給水流量擾動(dòng)下更優(yōu)。在串級(jí)三沖量中的主調(diào)節(jié)器作用是校正水位的，這和單級(jí)相比有很大的優(yōu)勢。當(dāng)擾發(fā)生時(shí)，汽包中的水位發(fā)生變化，此時(shí)會(huì)有水位變送器將信號(hào)傳送給主調(diào)節(jié)器，然后主調(diào)節(jié)器進(jìn)展調(diào)節(jié)，這樣會(huì)使沒有進(jìn)入副回路的擾動(dòng)消除，所以串級(jí)三沖量的最大擾動(dòng)較小。a單級(jí)三沖量給水流量擾動(dòng)下仿真圖b串級(jí)三沖量給水流量擾動(dòng)下仿真圖圖5-28 給水流量擾動(dòng)下仿真曲線比照圖下面分析蒸汽流量擾動(dòng)，其比照方圖5-30和5-31，也可以看出來與給水?dāng)_動(dòng)一樣的特點(diǎn)就是串級(jí)三沖量的最大擾動(dòng)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(shí)候，其產(chǎn)生的蒸汽流量信號(hào)就會(huì)使得調(diào)節(jié)閥向正方向運(yùn)動(dòng)，讓進(jìn)水量

49、與蒸汽流量一樣。當(dāng)蒸汽流量開場增大的時(shí)候，這樣就會(huì)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(diǎn)來看，串級(jí)也比單級(jí)的更優(yōu)。a有前饋裝置的串級(jí)三沖量蒸汽流量擾動(dòng)下仿真圖b有前饋裝置的串級(jí)三沖量蒸汽流量擾動(dòng)下仿真圖圖5-30 蒸汽流量擾動(dòng)下仿真曲線比照圖-. z.-. z.-. z.參考文獻(xiàn)1 王進(jìn).汽包水位控制J.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(jī)組給水控制系統(tǒng)及其仿真研究J.電力,2007:98-374 磊華.600MW火電機(jī)組給水控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿J.仿真技術(shù)，2008:132-114

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