熱工控制系統(tǒng)第八章給水自動控制系統(tǒng)

鍋爐給水自動控制系統(tǒng)一前饋-反饋復合控制系統(tǒng)分析反饋控制的特點是必須在被調量與給定值的偏差出現(xiàn)后，調節(jié)器才能對其進行調節(jié)來補償干擾對被調量的影響。

可見，這種反饋控制方案的本身決定了無法將干擾對被控量的影響克服在被控量偏離設定值之前，從而限制了這類控制系統(tǒng)控制質量的進一步提高。

考慮到偏差產(chǎn)生的直接原因是干擾作用的結果，如果直接按擾動而不是按偏差進行控制，也就是說，當干擾一出現(xiàn)調節(jié)器就直接根據(jù)檢測到的干擾大小和方向按一定規(guī)律去進行控制。稱為“前饋控制”或“擾動補償”（一）前饋引入

Y(θ)WDZ(s)W(s)WT(s)KZ++實例

某換熱器是用蒸汽的熱量加熱排管中的料液，工藝上要求料液出口溫度一定。當被加熱水流量發(fā)生變化時，若使出口溫度保持不變，就必須在被加熱水量發(fā)生變化的同時改變蒸汽量。這就是一個前饋控制系統(tǒng)。圖中，K：測量變送器的變送系數(shù)；WDZ(s)：干擾通道對象傳遞函數(shù)；W(s)：控制通道對象傳遞函數(shù)；WT(s)：前饋控制裝置或前饋調節(jié)器的傳遞函數(shù)。

由上圖可知對干擾完全補償?shù)年P鍵是確定前饋控制器（前饋調節(jié)器）的控制作用，顯然WB(s)取決于對象控制通道和干擾通道特性。

若實現(xiàn)所謂“完全補償”，則：K是變送器系數(shù)，可作為已知。若W(S)和WDZ(S)可以準確測出，且其比值滿足已知控制器方程表達式。則不論干擾信號是怎樣的形式，前饋控制都能起到完全補償?shù)淖饔?，從而使被調量因干擾而引起的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)偏差均為零。所以,前饋控制器控制規(guī)律為：負號表示控制作用的方向與干擾作用相反。（二）復合控制系統(tǒng)特性分析前饋的局限性：

（1）前饋控制系統(tǒng)中不存在被調量反饋，對于補償結果沒有檢驗的手段。無法保證結果的準確性。

（2）于實際工業(yè)對象存在著多個干擾，為了補償它們對被調量的影響，勢必設計多個前饋通道，增加了投資費用和維護工作量。（3）當干擾通道的時間常數(shù)小于控制通道的時間常數(shù)時，不能實現(xiàn)完全補償。（4）負荷變化引起對象變化使得一個事先固定的前饋模型不可能獲得良好的控制質量。

工程實際中，為克服前饋控制的局限性從而提高控制質量，對一兩個主要擾動采取前饋補償，而對其它儀器被調參數(shù)變化的干擾采用反饋控制來克服。組成前饋－反饋復合控制系統(tǒng)。

1、引入反饋控制后，前饋控制中的完全補償條件不變WF(s)WDZ(s)WT(s)W(s)YXZ+-+復合控制系統(tǒng)原理方框圖未加反饋作用時完全補償條件為：加上反饋后有：WF(s)WDZ(s)WT(s)W(s)YXZ+-+復合控制系統(tǒng)原理方框圖研究擾動影響時有X(s)=0,Z(s)≠0即：2、復合控制系統(tǒng)補償控制的控制規(guī)律不僅與對象控制通道和干擾通道有關，還與反饋調節(jié)器的位置有關WDZ(s)WT(s)W(s)YX-+WF(s)Z++復合控制系統(tǒng)原理方框圖之二反饋調節(jié)器置于前饋調節(jié)的后面可得完全補償?shù)臈l件：WDZ(s)WT(s)W(s)YX-+WF(s)Z++復合控制系統(tǒng)原理方框圖之二反饋調節(jié)器置于前饋調節(jié)的后面3、復合控制時，擾動對輸出的影響要比純前饋時小得多

設X(S)=0，專門討論擾動Z(S)對系統(tǒng)的影響。因為前饋控制不可能完全補償，即Y(S)的第二項不可能完全為零，令其為△(S)，那么，純前饋控制時：加入反饋后則：因為1+WT(S)W(S)≥1，所以：Y1’(S)＜Y1(S)4、前饋補償對于系統(tǒng)的穩(wěn)定性沒有影響因為前饋無論加在什么位置，它都不構成回路，系統(tǒng)的輸入－輸出傳遞函數(shù)的分母均保持不變，因而不會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。二給水控制系統(tǒng)簡介

汽包鍋爐給水自動控制的基本任務是使給水量適應鍋爐蒸發(fā)量的變化，并且保證汽包水位處于設定的安全范圍以內。汽包鍋爐給水系統(tǒng)的結構圖如下圖所示：汽包鍋爐給水系統(tǒng)結構圖1—給水泵；2—高加；3—省煤器；4—汽包；5—過熱器（一）給水控制的任務（二）

給水調節(jié)對象的動態(tài)特性

汽包鍋爐給水調節(jié)對象的動態(tài)特性是指各種引起汽包水位變化的原因與汽包水位變化之間的動態(tài)關系。下面重點分析給水流量W、蒸汽流量D和煙氣熱量三種擾動下汽包水位

H

變化的動態(tài)特性：1、給水流量W擾動下汽包水位變化的動態(tài)特性

在給水流量W產(chǎn)生階躍擾動下，汽包水位

H

變化的響應曲線如右圖所示：

給水流量擾動下汽包水位響應曲線

給水流量W產(chǎn)生階躍擾動下，汽包水位

H

變化的動態(tài)特性可用傳遞函數(shù)表示為：式中：τ——遲延時間；

ε——汽包水位反應速度，即給水量產(chǎn)生單位變化時汽包水位的變化速度；

給水流量W擾動下，汽包水位調節(jié)對象沒有自平衡能力，但是具有一定的慣性和遲延，即給水流量W改變后不能立即引起汽包水位

H

的變化。

有時用汽包水位反應速度ε的倒數(shù)Ta，即響應時間作為反映汽包水位變化的參數(shù)，其定義為：當擾動量為100％時，水位變化100％(跳爐所用的水位如220mm)所經(jīng)過的時間。2、蒸汽流量D擾動下汽包水位變化的動態(tài)特性

在蒸汽流量D產(chǎn)生階躍擾動下，汽包水位

H

變化的響應曲線如右圖所示：圖中：H1——只考慮工質儲量變化的汽包水位響應曲線；

H2——只考慮水面下汽泡容積變化的汽包水位響應曲線；

H——實際汽包水位響應曲線（H

＝H1+H2

）。

蒸汽流量擾動下汽包水位響應曲線在蒸汽流量D擾動下，汽包水位調節(jié)對象在調節(jié)過程中出現(xiàn)“虛假水位”現(xiàn)象，即蒸汽流量D增大后汽包水位H

由于汽包壓力突然下降先暫時上升，然后逐漸下降。

在蒸汽流量

D產(chǎn)生階躍擾動下，汽包水位

H

變化的動態(tài)特性可用傳遞函數(shù)表示為：式中：T2——響應曲線

H2的時間常數(shù)，約10～20s；

K2——響應曲線

H2的傳遞系數(shù)；

ε

——響應曲線

H1

的響應速度。

因此，汽包鍋爐給水調節(jié)對象的動態(tài)特性可總結為：有慣性有遲延，無自平衡能力，并且具有虛假水位現(xiàn)象。3、爐膛熱負荷擾動下汽包水位變化的動態(tài)特性燃料量增加時，蒸發(fā)強度增大，使汽水混和物中的汽泡容積增加，而且這種現(xiàn)象必然先于蒸發(fā)量增加之前發(fā)生，從而使汽包水位先上升，當蒸發(fā)量與燃燒量相適應時，水位便會迅速下降，這種水位先上升后下降的現(xiàn)象比蒸汽量擾動時要小一些，但其持續(xù)時間卻更長。

影響水位的因素除此之外，還有給水壓力，汽包壓力，汽輪機調速汽門開度，二次風分配等。但這些均可用W、D、Q的變化體現(xiàn)出來。（三）給水自動控制系統(tǒng)的基本要求

根據(jù)上述給水控制系統(tǒng)對象動態(tài)特性的分析，給水控制系統(tǒng)應符合以下基本要求：

（2）由于對象在蒸汽量D擾動下，水位階躍反應曲線表現(xiàn)出“虛假水位“現(xiàn)象，這種現(xiàn)象反應速度比內擾快，為了克服”虛假水位“現(xiàn)象對控制的不利影響，應考慮引入蒸汽流量的補償信號。

（1）由于對象的內擾動態(tài)特性存在一定的遲延和慣性，應考慮采用串級或其他控制方案。同時由于給水壓力是有波動的，為了穩(wěn)定給水量，也應考慮將給水量W信號作為反饋信號。

（3）給水控制系統(tǒng)的被調量H必需采用反饋控制方案。三單沖量給水控制系統(tǒng)大機組采用單沖量系統(tǒng)的原因：在低負荷階段：疏水、排污等影響導致給水流量和蒸汽流量嚴重不平衡；測量誤差大；虛假水位現(xiàn)象不明顯。此系統(tǒng)結構簡單，適用于水容量大、飛升速度小、負荷變化也不大的小容量鍋爐。四單級三沖量給水控制系統(tǒng)

目前汽包鍋爐給水自動調節(jié)中普遍采用三沖量給水自動控制系統(tǒng)，調節(jié)器根據(jù)汽包水位H、蒸汽流量D和給水流量W三個信號的變化調節(jié)給水量，其系統(tǒng)結構圖如右圖所示：（一）系統(tǒng)分析

上圖中汽包水位

H、蒸汽流量D和給水流量W三個信號同時送到PI調節(jié)器，在靜態(tài)時三個信號VH、VD和VW

與給定值信號V0平衡，即：上述靜態(tài)平衡關系式意味著什么？思考：有PI調節(jié)器能否保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和消差。為什么？

一般選擇VD＝VW

，則靜態(tài)時汽包水位信號VH

與汽包水位給定值信號V0

相等，從而使調節(jié)過程結束后的汽包水位

H與汽包水位給定值H0相等。

對應的汽包鍋爐單級三沖量給水自動控制系統(tǒng)的原理方框圖如下圖所示：系統(tǒng)中未知參數(shù)PI調節(jié)器參數(shù)，分壓系數(shù)αD、αW。因此單級三沖量給水控制系統(tǒng)的整定即為確定上述4個參數(shù)。1、內回路的分析整定內回路原理方框圖

在內回路中，可以把調節(jié)器以外的執(zhí)行機構、調節(jié)閥、變送器和分壓器作為廣義調節(jié)對象處理，則其動態(tài)特性近似為比例環(huán)節(jié)，因此PI調節(jié)器的比例帶δ和積分時間Ti可以取較小值，通過試驗法進行整定。當給水流量分壓系數(shù)αW

改變后，只需相應改變PI調節(jié)器的比例帶δ使

保持不變，以保證內回路開環(huán)放大倍數(shù)不變。（二）單級三沖量給水控制系統(tǒng)的整定2、主回路的分析整定

在主回路中可以把內回路看作快速隨動系統(tǒng)處理，即輸入信號ΔV

改變時調節(jié)器可以迅速改變給水流量W，使輸入信號ΔV

與反饋信號VW

保持平衡，即：因此內回路可以簡化為：主回路簡化方框圖在此基礎上可得主回路簡化方框圖：

根據(jù)主回路簡化方框圖，主回路的等效調節(jié)器可以看作比例調節(jié)器，其等效比例帶為：

整定主回路時，以給水流量W作為輸入信號，汽包水位反饋信號IH作為輸出信號，做階躍擾動試驗，在階躍響應曲線上求得調節(jié)對象WOW(s)的遲延時間τ和飛升速度

ε

，建議采用以下公式計算主回路參數(shù)：

增大給水流量分壓系數(shù)αW

，相當于增加主回路等效比例調節(jié)器的比例帶，使調節(jié)動作減慢，穩(wěn)定性提高；但對于內回路，相當于增加了內回路開環(huán)放大系數(shù)，使內回路穩(wěn)定性下降。因此當增大給水流量分壓系數(shù)αW

以提高主回路穩(wěn)定性時，必須相應增加內回路PI調節(jié)器的比例帶，以保持內回路的穩(wěn)定。3、前饋通道的分析整定

在完成了內回路和主回路的整定后，三沖量給水自動控制系統(tǒng)簡化方框圖如下圖所示：

蒸汽流量前饋通道不在控制系統(tǒng)的閉環(huán)回路以內，因此不會影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性?？梢愿鶕?jù)蒸汽流量D擾動時使汽包水位H不發(fā)生變化的原則確定蒸汽流量分壓系數(shù)αD

：

此時蒸汽流量分壓系數(shù)αD

是一個復雜的動態(tài)環(huán)節(jié)，在工程中很難實現(xiàn)。實踐證明αD只要滿足比例特性，就可以保證在蒸汽流量D變化時使汽包水位

H

穩(wěn)定在允許的范圍內。通常采用蒸汽流量信號VD與給水流量信號VW靜態(tài)配合的原則確定αD

，即：根據(jù)以上原則可得：因此可得蒸汽流量分壓系數(shù)αD

：系統(tǒng)組成：

內回路

主回路

前饋通道五串級三沖量給水自動控制系統(tǒng)（一）系統(tǒng)分析

對于遲延和慣性較大的汽包鍋爐給水系統(tǒng)，采用串級三沖量給水自動控制系統(tǒng)可以提高控制品質，其系統(tǒng)結構圖如下：（二）系統(tǒng)整定

內回路的分析整定

整定方法與前述單級三沖量給水自動控制系統(tǒng)相同。

主回路的分析整定

在主回路中內回路是一個快速隨動系統(tǒng)，簡化方框圖如下圖所示：

整定主回路時，以給水流量W作為輸入信號，汽包水位反饋信號VH作為輸出信號，做階躍擾動試驗，在階躍響應曲線上求得調節(jié)對象W0W(s)的遲延時間τ和反應速度

ε

，建議采用以下公式計算主回路比例積分調節(jié)器（PI1）的參數(shù)：

前饋通道的分析整定

在串級三沖量給水自動控制系統(tǒng)中，水位偏差由主回路中的比例積分調節(jié)器（PI1）進行校正，靜態(tài)時不存在偏差。因此可以根據(jù)鍋爐汽包中“虛假水位”的影響程度，按下式選擇合適的蒸汽流量分壓系數(shù)αD

：

給定不同的比例系數(shù)K（一般K>1）可以通過改變蒸汽流量分壓系數(shù)αD的大小調節(jié)前饋作用的強弱，以減小鍋爐運行過程中負荷變化時“虛假水位”對汽包水位波動幅度的影響，縮短調節(jié)過程時間，提高控制品質。思考：在汽包鍋爐中為何采用水位進行給水控制？！在直流爐中該采用哪種信號？六給水全程自動控制系統(tǒng)簡介（一）全程控制的概念

全程控制系統(tǒng)是指機組在啟停過程和正常運行時均能實現(xiàn)自動控制的系統(tǒng)。全程控制包括啟停控制和正常運行工況下控制兩方面的內容。（二）鍋爐給水全程控制系統(tǒng)的特點

鍋爐給水全程控制系統(tǒng)可以不需要運行人員參與而自動完成鍋爐啟、停和正常運行工況下對給水熱力系統(tǒng)中全部設備的自動控制，以保持汽包水位在設定的允許范圍以內，汽包爐給水系統(tǒng)熱力系統(tǒng)圖如下所示。其控制過程具有以下主要特點：汽包鍋爐給水熱力系統(tǒng)圖（1）鍋爐從啟動到正常運行的過程中，汽水參數(shù)和負荷在很大范

圍內變化，因此需要對水位、流量等測量信號自動進行壓力

和溫度的校正。（2）在給水全程控制系統(tǒng)中不僅要滿足給水量控制的要求，同時

還要保證變速給水泵工作在安全工作區(qū)內。（3）由于鍋爐給水調節(jié)對象的動態(tài)特性與負荷有關，在低負荷時可以采用以汽包水位為反饋信號的單回路控制系統(tǒng)；在高負荷時為克服“虛假水位”需要采用三沖量控制系統(tǒng)，因此在

鍋爐負荷變化時要保證兩種控制系統(tǒng)之間的雙向無擾切換。（4）在低負荷時采用改變閥門開度來保持保持水位，高負荷時用

改變給水泵的轉速保持水位，因此產(chǎn)生了閥門與給水泵間的

過渡切換問題。（5）給水全程控制系統(tǒng)要適應機組定壓運行和滑壓運行工況，以及機組的冷態(tài)啟動和熱態(tài)啟動工況。（三）測量信號的自動校正

在機組不同運行工況下汽水參數(shù)在很大范圍內變化，為了保證鍋爐給水全程控制系統(tǒng)中汽包水位、給水流量和蒸汽流量測量的準確性，需要對其自動進行溫度和壓力的校正。1、汽包水位測量信號的自動校正

汽包中飽和水和飽和蒸汽的密度隨壓力變化，會影響汽包水位測量信號H

的準確性，汽包水位測量系統(tǒng)如右圖所示：由圖可得：

上式中凝結水密度ρa基本不變，而飽和水和飽和蒸汽密度ρG和ρs均為汽包壓力的函數(shù)，即：

根據(jù)上式可以設計汽包水位信號壓力校正模塊線路圖，其中密度與汽包壓力之間的函數(shù)曲線

fa(pb)和

fb(pb)如下圖所示：汽包水位信號壓力校正模塊密度與汽包壓力函數(shù)曲線2、給水流量信號的溫度校正

由于給水流量信號隨壓力變化很小，因此對于給水流量測量信號W只需采用溫度校正，其校正模塊線路圖如下：給水流量信號溫度校正模塊3、蒸汽流量信號的壓力、溫度校正

當蒸汽的壓力和溫度偏離設計值時，蒸汽的密度變化很大，使測量信號產(chǎn)生較大誤差，所以需要對蒸汽流量測量信號D進行壓力和溫度的校正，校正公式如下：

根據(jù)上式可以設計蒸汽流量信號壓力、溫度校正模塊線路圖如下圖所示：蒸汽流量信號壓力、溫度校正模塊（四）變速給水泵的安全工作區(qū)

目前在大型單元機組的給水系統(tǒng)中廣泛采用變速給水泵來控制給水流量。變速給水泵的安全工作區(qū)可在泵的流量—壓力特性曲線上表示出來，如下圖所示：在鍋爐啟動、停爐或低負荷運行時，由于所需給水流量小，變速給水泵的工作點有可能處于上限特性曲線之外。為防止出現(xiàn)這種情況，最有效的措施是設置再循環(huán)管路，在低負荷時通過再循環(huán)增加給水泵的流量。變速給水泵有最低轉速nmin的限制，當變速給水泵轉速接近nmin

時就不能以繼續(xù)降低轉速的方式調節(jié)給水流量，此時需用改變上水管路阻力（即設置給水調節(jié)閥）的方式，使變速給水泵工作在安全區(qū)以內。變速給水泵下限特性