给水控制系统

W
③整定前馈部分的αD
αD 选择不受静态特性无差条件的限制,而可根据锅炉“虚假 水位”的严重程度来确定，以改善负荷扰动时控制过程的质 量。一般使蒸汽流量信号大于给水流量信号，即
D D KW W

由于对象的内扰动态特性存在一定的迟延和惯性，所以对给 水内扰动态特性迟延和惯性大的锅炉应考虑采用串级或其它 控制方案。

由于对象在蒸汽负荷扰动（外扰）时，有“虚假水位”现象，
所以在设计给水控制系统时，应考虑采用以蒸汽流量D为前
馈信号的前馈控制，以改善给水控制系统的控制品质。

负荷变化时出现的虚假水位现象，是锅炉运行中的必然现象， 是无法通过控制给水流量来克服的。如果在负荷扰动时，汽 包虚假水位变化过大而超出了运行允许范围，则只有通过限
1、特点
（1）前馈－反馈控 制系统对扰动完全补 偿的条件与前馈控制 时完全相同。
Y ( s) WO ( s) WB ( s)WO ( s) 0 ( s) 1 WT ( s)WO ( s)
WO ( s ) WB ( s ) WO ( s )
（2）前馈装置的控制规律不 仅与对象控制通道和干扰通 道的传递函数有关，还与前 馈调节器的输出进入反馈控
4) 缺点与改进

不能克服“虚假水位现象”对控制的不利影响。
改进方法：引入蒸汽流量的前馈信号。

用水位作为反馈信号不能及时克服内扰，动态偏差大。 改进方法：引入给水流量反馈信号。
2、单级三冲量给水自动控制系统
1）系统结构和工作原理
三冲量：汽包水位H、蒸汽流 量D、给水流量W H为主信号
D的前馈控制：有效地克服或 减小虚假水位所引起的调节器误 动作
τ2 t H2 τ
1
O
H ( S ) W ( S ) S 1 S S (1 S ) H ( S ) s e W (S ) S
τ 1：100~200s τ 2：30~100s
特点：有迟延惯性，无自平衡能力
给水量扰动下水位 阶跃响应曲线
2、蒸汽流量扰动下水位变化的动态特性
W的反馈控制：快速消除来自 给水侧的内部扰动
＋ － ＋ －
VD VW VH V0 0或V 0 VH VD VW
如果VD=VW ，则VH＝V0 如果VD ≠ VW ，则VH≠V0
2）系统的参数整定（δ 、Ti 、α
W
、α
D
）
＋ － ＋ －
a:内（副）回路
按迅速消除内扰，稳定给水量的要求整定。 等效被控对象动态特性近似为比例环节，因此调节器 的比例带δ和积分时间Ti 都可以取得很小。δ和Ti的具 体数值可以用试探方法决定，以保证内回路不振荡为原 则，一般Ti≤100s 。
制系统的位置有关。
Y ( s ) WB ( s)WT ( s )WO ( s) WO ( s ) 0 ( s) 1 WO ( s)WT ( s )
WO ( s) WB ( s) WT ( s)WO ( s)
（3）前馈控制对系统的稳定性无影响。
2、前馈－反馈控制系统的整定
⑥给水控制系统的投运。
能力目标：
根据给水控制对象动态特性，设计给水控制系
统的能力；
调试、投运给水控制系统的能力； 识读和分析SAMA图的能力。
任务1：前馈控制系统和复合控制系统的 工作原理、结构、特点
一、前馈控制系统
1、前馈控制系统的概念和 完全补偿条件
概念：直接根据扰动进行 控制的系统。 前馈控制有时又称扰动补 偿。
制负荷的一次突变量和变负荷速度来减小。
任务3：锅炉给水控制系统的基本方案设 计和参数整定方法
给水控制系统投入后的品质指标
1、稳态品质指标：300MW等级以下机组为±20mm， 300MW等级及以上机组为±25mm；执行器不应频繁动作 。
2、水位定值扰动（扰动量为300MW等级以下机组
40mm，300MW等级及以上机组60mm），过渡过程衰减率
M D O H M t
虚假水位现象
•形成原因：燃料量增加，蒸发强度
增大，引起汽泡容积的变化。
•这种虚假水位的幅值比前一种小，
t τ
m
O
但持续时间较长，这是由于汽压也增 加，同时燃料量水位阶跃响应曲线
给水控制对象动态特性的特点

内扰时具有延时。延时时间τ 与省煤器的形式和给水温度有 关，非沸腾式省煤器τ 较小，沸腾式省煤器τ 较大；给水温
②整定主回路
1 W ( s) (1 ) W W 1 Ti1s
T1
1
1 1W W Ti1 Ti1
2
W
1

1
可见αW对于主副回路调节质量影响相反,但它在系统中的 作用比在单级三冲量系统中小得多。一般取αW =1，这样 只需要整定δ1、Ti1、δ2、Ti2。根据水位的过渡过程曲线， 确定δ 1、Ti 1的数值。
号和给水流量信号静态配合的原则选择αD 。如果要求在 不同负荷时，水位的稳定值不变，则 αDγD=αWγW
如果γW ＝γD ，则αD =αW
。
3、串级三冲量给水控制系统
1）系统结构和工作原理
主、副调分工明确
副调的作用：快速消除给水流量的 自发性扰动以及当蒸汽负荷改变时 迅速调节给水流量，以保证W与D平 衡。 主调的作用：校正水位偏差，保证 水位等于给定值。 前馈控制作用：有效地克服或减小 虚假水位所引起的调节器误动作
（1）前馈调节器的整定
前馈调节器的动态特性只需采用据完全补偿条件求出的 WB(s)粗略地近似的形式，一般只用比例环节或一阶（微分或惯 性）环节，既便于实现又能显著地减少被调量的动态偏差。
（2）反馈调节器的整定
按单回路系统的整定方法求出调节器WT(s)的整定参数， 以使闭合回路有适当的稳定性裕量，而不必考虑前馈部分。 可以适当地提高系统的稳定性裕量，以减少调节过程的振荡 倾向。
D D O H T2 t
•虚假水位现象
•H1(t):仅从物质平衡观点看的水位变化曲线 •H2(t):仅考虑汽泡容积变化的水位变化曲线
在负荷突然增加时，虽然锅炉的给水流量小于 蒸发量，但开始阶段的水位不仅不下降，反而 迅速上升（反之，当负荷突然减小时，水位反 而先下降）。
H2(t)
形成原因：蒸发量突然变化时引起汽泡容积的 变化
t
•水位对蒸汽流量的传递函数：
H (S ) K2 D( S ) 1 T2 S S T2: H2(t)的时间常数，约10~20秒；
O τ
D
H(t)
H1(t)
蒸汽量扰动下水位 阶跃响应曲线
K2: H2(t)的放大系数 ; 是否与H(s)/G(s)的 ε 值相同？ ε :飞升速度
3、炉膛热负荷扰动下水位变化的动态特性
3、选用前馈－反馈控制的原则
（1）若控制系统中控制通道的惯性和迟延较大，反 馈控制达不到良好的控制效果时，可引入前馈控制。
（2）如果系统中存在着经常变动、可测而不可控的 扰动时，这时可引入前馈控制以改善控制品质。
任务2：掌握给水控制的任务、给水控制 对象的动态特性；
一、锅炉给水控制系统的任务
1、使锅炉的给水量适应锅炉的蒸发量，以维持汽包水位在 规定的范围内. 汽包在正常运行时的水位波动范围：± 30～50mm 2、保持给水流量稳定。 注意：上述两个任务是相互矛盾的.应在满足汽包水位的基 础上尽可能保持给水流量的动态稳定
令 Km=1 ，Wμ(s)=1
Y ( s) WO ( s ) WB ( s )WO ( s ) ( s)
完全补偿条件： 负号表示控制作用 方向与干扰作用相 反
Y ( s) WO ( s ) WB ( s )WO ( s ) 0 (s)
WO ( s ) WB ( s ) WO ( s )
2）系统的参数整定
1 1 WT 1 (s) (1 ) 1 Ti1s
1 1 WT 2 (s) (1 ) 2 Ti 2 s
W
需整定的参数： δ 1、Ti 1、δ 2、Ti 2、 α
、α
D
-
①先整定副回路
2
可通过试探法来整定，以保证 内回路不振荡为目的。试探过 程中，可以任意设置αW值，根 据给水流量的过渡过程曲线， 确定δ 2、Ti 2的数值。如以后 有必要改变αW，改变时必须使 2 /αW 保持不变，以保证内回 路的稳定性不变。
度越低，延时τ 越大。

外扰时有虚假水位现象。虚假水位的变化情况与锅炉特性有 关，与负荷的变化形式和速度有关。在锅炉发生MFT以及汽 机甩负荷时，虚假水位现象特别严重。 水位对象无自平衡能力。单位阶跃扰动下，水位的最大变化

速度与锅炉的结构和容量有关，机组容量越大，水位变化速
度快，更难控制。
据动态特性特点确定给水控制系统结构的基本思想
c：前馈通道
-
按完全补偿原则确定 αD ，则：
1 D D WOW ( s ) WOD ( s ) 0 w w w w WOD ( s ) D ( s ) D WOW ( s )
实践证明，前馈环节只要取用比例特性，就能使在负 荷变化时的水位保持在允许范围内，通常都用蒸汽流量信
ψ=0.75～0.8，稳定时间为300MW等级以下机组小于
3min，300MW等级及以上机组小于5min。 3、允许的动态偏差为±60mm(30% ～ 70%负荷）。
1、单冲量给水控制系统
1) 系统结构
0
冲量可以理解为参数，这里 指调节器的入口信号。
－
2) 系统分析 •内扰下的过渡过程： W产生阶跃变化， Δ W↑→H↑→μ ↓→W↓
2、前馈控制的特点

控制及时，减小被调量的动态偏差，调节过程时间也较小。

开环控制，不存在系统稳定性问题。但因无反馈，对补偿结
果无检验手段。

只能用来克服生产过程中主要的、可测的扰动。
一般只能实现局部补偿而不能保证被调量的完全不变，不能 单独采用。
二、前馈－反馈控制系统
在反馈控制系统的基础上附加一个或几个主要扰动的前馈 控制，又称复合控制系统。这样，依靠反馈控制来使系统在稳 态时能准确地使被调量等于给定值，而在动态过程中则利用前 馈控制有效地减少被调量的动态偏差（对于主要扰动引起的）。
一般设α W＝1。如果以后αW有必要改变，则应相应 地改变δ值，使δ/αW保持试探时的值，以保证内回路的 稳定性不变。
b:主回路
-
W (s) 1 V w w W或 V ( s) w w δ* =αWγW
可见：增大αw ，等于增加主回路调节器的比例带，因而使给 水流量动作减慢，增加主回路的稳定性（减少主回路的振荡）。 但是对内回路来说，增加αw就增加了内回路振荡的倾向，因此 由于提高主回路的稳定性而增加αw时，必须相应地增加调节器 的比例带δ以保持内回路的稳定性。
•外扰下的过渡过程：
D↑→H↓（物质平衡）→ μ↑→W↑
H↑（虚假水位）→ μ↓→W↓→物质不平衡↑→H急剧 下降（虚假水位现象结束后）→ μ↑↑→W大幅度波动
3）特点： 结构简单，运行可靠，适用于水容量大，飞升速度小， 负荷变化也不大，控制质量要求不很高的锅炉。（一般 是小锅炉）另大机组低负荷时采用单冲量控制系统。
二、给水控制对象的动态特性
锅炉给水控制对象的结构系统
过热器
蒸汽
汽包 省煤器
•汽包水位是由汽包中的储 水量和水面下的汽泡容积 共同决定的。
水循环管 路
调节阀
给水母管
• 图中所示的“给水调节阀门”和“给水母管” 分别表示“给水流量控制机构”和“给水管 道”。对于大型机组，当负荷高于一定值后， 给水流量由给水泵转速来控制， 而不是靠调节 阀。
物质平衡方程为：
dH C W D dt
C:容量系数，表明对象抗干扰能力的大小 。
W：给水量
D：蒸发量（代表负荷）
1、给水量扰动下水位变化的动态特性
W
1—沸腾省煤器锅炉 2—非沸腾省煤器锅炉
W t H1 2 1
H1：仅考虑物质不平衡的水位变化曲线
H2：仅考虑给水量变化时水面下汽泡容积 变化引起的水位变化曲线
情境四 汽包锅炉给水控制系统
知识点：
①前馈控制系统和前馈-反馈控制系统的概念和特点；
②给水控制的任务、给水热力系统及给水控制对象的 动态特性；
③给水控制系统的结构、工作原理、工程方案设计和 参数整定； ④给水全程控制中对测量信号的自动校正、变速泵的 安全工作区； ⑤单元制锅炉给水全程控制基本方案；