串級三沖量給水控制系統(tǒng)

許燕永/內(nèi)蒙古烏海熱電廠

串級三沖量給水控制系統(tǒng)

許燕永/內(nèi)蒙古烏海熱電廠

汽包鍋爐給水及水位自動控制系統(tǒng)是鍋爐安全運(yùn)行中十分重要的組成部分，汽包水位的變化反映了鍋爐負(fù)荷和給水量的關(guān)系。維持汽包水位是保持機(jī)組安全運(yùn)行的重要條件，給水調(diào)節(jié)的任務(wù)是使給水量適應(yīng)鍋爐蒸發(fā)量，并使汽包水位波動在允許的范圍內(nèi)。為了保證給水系統(tǒng)的安全可靠，設(shè)計串級三沖量給水控制系統(tǒng)。串級三沖量給水控制系統(tǒng)兩個調(diào)節(jié)器任務(wù)不同，參數(shù)整定相對獨(dú)立。副調(diào)節(jié)器的作用是當(dāng)給水?dāng)_動時，迅速動作使給水量保持不變，當(dāng)蒸汽流量擾動時，副調(diào)節(jié)器迅速改變給水量，保持給水和蒸汽平衡。主調(diào)節(jié)器的任務(wù)是校正水位，這比單級三沖量控制系統(tǒng)的工作更為合理。故串級系統(tǒng)比單級系統(tǒng)要好一些。工業(yè)鍋爐的汽包水位是正常運(yùn)行的重要指標(biāo)之一，水位過高，產(chǎn)生蒸汽帶水現(xiàn)象，影響用汽單位的正常生產(chǎn)。汽包水位過低，會影響鍋爐的汽水自然循環(huán)，如不及時調(diào)節(jié)，就會使汽包里的水全部汽化，可能導(dǎo)致鍋爐燒塌和爆炸事故。因此，鍋爐運(yùn)行中，保持汽包水位在一定范圍是十分重要的自動控制問題。

為了保證給水系統(tǒng)的安全可靠，我們常用的方法有以下三種基本結(jié)構(gòu)：單沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、單級三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、串級三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。由于大型汽包鍋爐的控制對象具有給水內(nèi)擾動態(tài)特性延遲和慣性大的特點(diǎn)，且無自平衡能力，給水控制系統(tǒng)若采用以水位為被調(diào)量的單回路系統(tǒng)，控制過程中水位將出現(xiàn)較大的動態(tài)偏差，給水流量波動較大，應(yīng)此，應(yīng)考慮采用三沖量給水控制系統(tǒng)方案。采用串級控制系統(tǒng)將具有更好的控制品質(zhì)，調(diào)試整定也比較方便，故在大型汽包爐上可采用串級三沖量給水控制系統(tǒng)。串級三沖量給水控制系統(tǒng)的原理如下圖所示。串級三沖量給水控制系統(tǒng)原理方框圖

這個系統(tǒng)中使用了兩個調(diào)節(jié)器，構(gòu)成串級控制系統(tǒng)。為保證被調(diào)量無靜差，主調(diào)節(jié)器采用PI控制規(guī)律，副調(diào)節(jié)器采用PI或P控制規(guī)律，副調(diào)節(jié)器接受三個輸入信號，信號之間有靜態(tài)配合問題，但系統(tǒng)的靜態(tài)特性由主調(diào)節(jié)器決定，因此蒸汽流量信號并不要求與給水流量信號相等。

副回路的作用主要為快速消除內(nèi)擾，主回路用于校正水位偏差，而前饋通路則用于補(bǔ)償外擾，主要用于克服虛假水位現(xiàn)象。

除此之外，我們再分析一下調(diào)節(jié)器的選擇，調(diào)節(jié)規(guī)律是指調(diào)節(jié)器輸出信號與其輸入信號之間的動態(tài)關(guān)系，從理論上說可有各種形式的函數(shù)關(guān)系，然而在實(shí)踐中總結(jié)出三種基本調(diào)節(jié)關(guān)系，廣為采用。這三種基本調(diào)節(jié)規(guī)律就是比例調(diào)節(jié)規(guī)律、積分調(diào)節(jié)規(guī)律、微分調(diào)節(jié)規(guī)律。三種調(diào)節(jié)規(guī)律的組合可設(shè)計出多種調(diào)節(jié)規(guī)律的調(diào)節(jié)器，如比例調(diào)節(jié)器、比例積分調(diào)節(jié)器、比例積分微分調(diào)節(jié)器等。調(diào)節(jié)器作為控制系統(tǒng)組成部分之一，其動態(tài)特性對控制過程有著很大的影響，因?yàn)閷ο蟮奶匦允遣蝗菀赘淖兊摹?/p>

比例調(diào)節(jié)規(guī)律的特點(diǎn)是控制及時，控制作用貫穿整個調(diào)節(jié)過程，因此它是基本的調(diào)節(jié)作用。然而比例調(diào)節(jié)不能保證系統(tǒng)無差。積分作用可以實(shí)現(xiàn)無差調(diào)節(jié)，只要偏差存在，積分控制作用一直增加。但是，具有積分調(diào)節(jié)規(guī)律的調(diào)節(jié)器不能完全消除偏差。比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律要比純積分調(diào)節(jié)規(guī)律優(yōu)越得多。微分調(diào)節(jié)規(guī)律是調(diào)節(jié)器輸出的控制作用與其偏差輸入信號的變化速度成正比。微分調(diào)節(jié)作用的大小僅與偏差信號的變化速度有關(guān)，而與偏差值大小無關(guān)。因此對象在受到較小的擾動后，被調(diào)量變化量及變化速度都將很小，微分作用調(diào)節(jié)器同時由于自身動作的不靈敏區(qū)的存在而始終不動作；這樣經(jīng)過一段時間后，偏差將積累成一個較大的值。就是說純微分作用的調(diào)節(jié)器是不能單獨(dú)使用的，微分作用要與比例作用或比例積分作用相結(jié)合，形成比例微分調(diào)節(jié)規(guī)律或比例微分積分調(diào)節(jié)規(guī)律。微分作用的引入使系統(tǒng)控制過程的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性都得以提高，但它不能像積分作用那樣消除穩(wěn)態(tài)偏差。

比例調(diào)節(jié)作用是最基本的調(diào)節(jié)作用，而積分和微分作用為輔助調(diào)節(jié)作用。比例作用貫徹于整個調(diào)節(jié)過程之中，積分作用則體現(xiàn)在調(diào)節(jié)過程的后期，用于消除靜態(tài)偏差，微分調(diào)節(jié)作用則體現(xiàn)在調(diào)節(jié)過程的初期。

調(diào)節(jié)器選擇好了，我們再進(jìn)行主、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，副回路是pl一個調(diào)節(jié)器，一般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(yàn)公式進(jìn)行整定；前饋通路的 n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。下面分別對它們進(jìn)行參數(shù)整定。

副回路可看作一個隨動系統(tǒng)，把調(diào)節(jié)閥和普通管道系統(tǒng)作為被調(diào)對象，則作為K以外的環(huán)節(jié)都作為等效調(diào)節(jié)器。

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(shí)際應(yīng)用中，、可通過試驗(yàn)獲得；因此副回路也是整定δ/n和的問題，一般也用試探法求得。

主回路等效圖

所以

由此可得量的關(guān)系：

總之，三沖量控制系統(tǒng)是在雙沖量控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引入給水流量信號，利用水位、蒸汽流量和給水流量三個參數(shù)進(jìn)行液面控制。在這個控制系統(tǒng)中，汽包水位是被控量，是主沖量信號；蒸汽流量、給水流量是兩個輔助沖量信號。該控制系統(tǒng)經(jīng)過給水流量和蒸汽流量擾動下的仿真實(shí)驗(yàn)，能有效地克服虛假水位和給水干擾對控制系統(tǒng)的影響。極大地提高了控制系統(tǒng)的性能，改善了高壓汽包的運(yùn)行狀況，使高壓汽包的液位波動很小，液位控制非常平穩(wěn)。

[1]李遵基：熱工自動控制系統(tǒng)，北京：中國電力出版社，1997：113-134.

[2]胡壽松：自動控制原理，北京：科技出版社，2001:214-266.

[3]黃忠霖：控制系統(tǒng)MATLAB計算機(jī)仿真，北京：國防工業(yè)出版社，2003:85-120.