第11章 给水自动控制系统

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（2）蒸汽流量D扰动下汽包水位变化的动态特性
在蒸汽流量 D 产生阶跃 扰动下，汽包水位 H 变化的 响应曲线如右图所示：
D ΔD D0 t0 H H0 H1 t0 H t
T2
在蒸汽流量 D 扰动下， 汽包水位调节对象在调节 过程中出现“虚假水位” 现象，即蒸汽流量 D 增大 后汽包水位 H 由于汽包压 力突然下降先暂时上升， 然后逐渐下降。
W 1 V W W
1 WW
ΔV
W
能源与动力工程学院 在此基础上可得主回路简化方框图：
VD V0 + ΔV
1
VH -
WW
W γH
W0W(s)
H1
H2
H
主回路简化方框图
根据主回路简化方框图，主回路的等效调节器可以看作比例 调节器，其等效比例带为：
W W W

整定主回路时，以给水流量W作为输入信号，汽包wk.baidu.com位反馈 信号IH作为输出信号，做阶跃扰动试验，在阶跃响应曲线上求得 调节对象WOW(s)的迟延时间τ和飞升速度 ε ，建议采用以下公式 计算主回路参数：
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W W W W W
增大给水流量分压系数αW ，相当于增加主回路等效比例调节 器的比例带，使调节动作减慢，稳定性提高；但对于内回路，相 当于增加了内回路开环放大系数，使内回路稳定性下降。因此当 增大给水流量分压系数αW 以提高主回路稳定性时，必须相应增加 内回路PI调节器的比例带，以保持内回路的稳定。
有时用汽包水位反应速度 ε的倒数Ta，即响应时间作为反映汽 包水位变化的参数，其定义为：当扰动量为 100 ％时，水位变化 100％(跳炉所用的水位如220mm)所经过的时间。 给水流量 W扰动下，汽包水位调节对象没有自平衡能力，但 是具有一定的惯性和迟延，即给水流量W改变后不能立即引起汽 包水位 H 的变化。
第三节
一、系统分析
单级三冲量给水控制系统
过热器 D Δp H Δp αD VH VD + + - VW V0 - PI调节器 Kz 执行机构 Δp αW
目前汽包锅炉给水自 动调节中普遍采用三冲量 给水自动控制系统，调节 器根据汽包水位H、蒸汽流 量D和给水流量W三个信号 的变化调节给水量，其系 统结构图如右图所示：
W PI调节器的比例带δ使
数不变。
保持不变，以保证内回路开环放大倍
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（2）主回路的分析整定
在主回路中可以把内回路看作快速随动系统处理，即输入 信号ΔV 改变时调节器可以迅速改变给水流量W，使输入信号 ΔV 与反馈信号VW 保持平衡，即：
V VW W W W
因此内回路可以简化为：
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第二节
H0
单冲量给水控制系统
W

PI
KZ
K
W0W ( s )
H
H
此系统结构简单，适用于水容量大、飞升速度小、负荷变化 也不大的小容量锅炉。 大机组采用单冲量系统的原因： 在低负荷阶段：疏水、排污等影响导致给水流量和蒸汽流量严重 不平衡；测量误差大；虚假水位现象不明显。
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主回路的分析整定
在主回路中内回路是一个快速随动系统，简化方框图如下图 所示：
H2
V0 VH -
ΔV
PI 1
1
WW
W
W0W(s)
H1
H
γH
整定主回路时，以给水流量W作为输入信号，汽包水位反馈 信号VH作为输出信号，做阶跃扰动试验，在阶跃响应曲线上求 得调节对象W0W(s)的迟延时间τ和反应速度 ε 建议采用以下公式计 算主回路比例积分调节器（PI1）的参数：
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1.1 1 W W T 3.3 i1
前馈通道的分析整定 在串级三冲量给水自动控制系统中，水位偏差由主回路中的 比例积分调节器（PI 1）进行校正，静态时不存在偏差。因此可 以根据锅炉汽包中“虚假水位”的影响程度，按下式选择合适的 蒸汽流量分压系数αD ：
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二、单级三冲量给水控制系统的整定
（1）内回路的分析整定
ΔV VW -
PI调节器 执行机构 调节阀 WT(s) Kμ KZ W2 内回路 αW γW 分压器 变送器
W1 W
在内回路中，可以把调节器以外的执行机构、调节阀、变送
器和分压器作为广义调节对象处理，则其动态特性近似为比例环
节，因此PI调节器的比例带δ和积分时间Ti 可以取较小值，通过 试验法进行整定。当给水流量分压系数αW 改变后，只需相应改变
W 省 煤 器
给定值
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上图中汽包水位 H、蒸汽流量D和给水流量W三个信号同 时送到PI调节器，在静态时三个信号VH、VD和VW 与给定值信 号V0平衡，即：
VD VW V0 VH 0
一般选择VD＝VW ，则静态时汽包水位信号VH 与汽包水位给 定值信号V0 相等，从而使调节过程结束后的汽包水位 H与汽包水 位给定值H0相等。 上述静态平衡关系式意味着什么？ 思考：有PI调节器能否保证系统的稳态和消差。为什么？
ΔW W0 t0 H 1 2 t
H0 ΔH0


ta
t

给水流量扰动下汽包水位响应曲线
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给水流量W产生阶跃扰动下，汽包水位 H 变化的动态特性可 用传递函数表示为：
H ( s) W0W (s) W ( s) s 1 s s(1 s)
式中：τ——迟延时间； ε——汽包水位反应速度，即给水量产生单位变化时汽包 水位的变化速度；
W W
W0W s W0 D s 0
D D W W
W W D W D
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第四节 串级三冲量给水自动控制系统
一、系统分析 对于迟延和惯性较大的 汽包锅炉给水系统，采用串 级三冲量给水自动控制系统 可以提高控制品质，其系统 结构图如下： 串级三冲量给水自动控制系 统的组成： 内回路 主回路 前馈通道
W W D K KW D
能源与动力工程学院 给定不同的比例系数K（一般K>1）可以通过改变蒸汽流量 分压系数αD的大小调节前馈作用的强弱，以减小锅炉运行过程中 负荷变化时“虚假水位”对汽包水位波动幅度的影响，缩短调节 过程时间，提高控制品质。
思考：在汽包锅炉中为何采用水 位进行给水控制？！
省 煤 器 H Δp V0 - PI1 VD 给定值 + + - VW
PI2
过热器
D Δp
αD
Kz 执行机构 Δp
αW
W
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二、系统整定
D
αD + PI1 PI2 αW KZ
γD W0D(s) W1 H2 W2 W H Kμ W0W(s) H1 γW γH
H0
内回路的分析整定
整定方法与前述单级三冲量给水自动控制系统相同。
能源与动力工程学院 对应的汽包锅炉单级三冲量给水自动控制系统的原理方框图 如下图所示： D
αD VD + ΔV VW PI调节器 WT(s)
前馈通道
γD
V0
VH -
KZ
W1 W2 W Kμ W0W(s)
扰 动 通 W0D(s) 道 H2
H
αW 内回路 γW γH 外回路
H1
系统中未知参数PI调节器参数，分压系数αD、αW。因此 单级三冲量给水控制系统的整定即为确定上述4个参数。
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（3）前馈通道的分析整定
在完成了内回路和主回路的整定后，三冲量给水自动控制系 统简化方框图如下图所示：
D
αD
前馈通道 VD V0 +
γD W0D(s)
H2 W
ΔV
1
VH -
WW
γH
W0W(s)
H1
H
蒸汽流量前馈通道不在控制系统的闭环回路以内，因此不会 影响控制系统的稳定性。可以根据蒸汽流量D扰动时使汽包水位 H不发生变化的原则确定蒸汽流量分压系数αD ：
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（3）炉膛热负荷扰动下汽包水位变化的动态特性
燃料量增加时，蒸发强度增大， 使汽水混和物中的汽泡容积增加，而
Q ΔQ Q0 t0 H H0 H1 t0 H t H2 t
且这种现象必然先于蒸发量增加之前
发生，从而使汽包水位先上升，当蒸 发量与燃烧量相适应时，水位便会迅
速下降，这种水位先上升后下降的现
K2 H ( s) W0 D (s) D( s) 1 T2 s s
式中：T2——响应曲线 H2的时间常数，约10～20s； K2——响应曲线 H2的传递系数； ε ——响应曲线 H1 的响应速度。 因此，汽包锅炉给水调节对象的动态特性可总结为：有惯性 有迟延，无自平衡能力，并且具有虚假水位现象。
采用串级或其他控制方案。同时由于给水压力是有波动的，为了
稳定给水量，也应考虑将给水量W信号作为反馈信号。 （2）由于对象在蒸汽量D 外扰下，表现出“虚假水位“现象，
这种现象反应速度比内扰快，为了克服”虚假水位“现象对控制的
不利影响，应考虑引入蒸汽流量的前馈补偿信号。
（3）给水控制系统的被调量H必需采用反馈控制方案。
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根据以上原则可得：
D D
1
W W W0 D s 因此可得蒸汽流量分压系数αD ： D D W0W s
此时蒸汽流量分压系数αD 是一个复杂的动态环节，在工程中 很难实现。实践证明αD只要满足比例特性，就可以保证在蒸汽流 量D变化时使汽包水位 H 稳定在允许的范围内。通常采用蒸汽流 量信号VD与给水流量信号VW静态配合的原则确定αD ，即：
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汽包锅炉给水热力系统图
能源与动力工程学院 （1）锅炉从启动到正常运行的过程中，汽水参数和负荷在很大范 围内变化，因此需要对水位、流量等测量信号自动进行压力 和温度的校正。 （2）在给水全程控制系统中不仅要满足给水量控制的要求，同时 还要保证变速给水泵工作在安全工作区内。 （3）由于锅炉给水调节对象的动态特性与负荷有关，在低负荷时 可以采用以汽包水位为反馈信号的单回路控制系统；在高负 荷时为克服“虚假水位”需要采用三冲量控制系统，因此在 锅炉负荷变化时要保证两种控制系统之间的双向无扰切换。 （4）在低负荷时采用改变阀门开度来保持保持水位，高负荷时用 改变给水泵的转速保持水位，因此产生了阀门与给水泵间的 过渡切换问题。 （5）给水全程控制系统要适应机组定压运行和滑压运行工况，以 及机组的冷态启动和热态启动工况。
象比蒸汽量扰动时要小一些，但其持 续时间却更长。
影响水位的因素除此之外，还有给水压力，汽包压力，汽轮机 调速汽门开度，二次风分配等。但这些均可用W、D、Q的变化体 现出来。
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三、给水自动控制系统的基本要求
根据上述给水控制系统对象动态特性的分析，给水控制系统应 符合以下基本要求：
（1）由于对象的内扰动态特性存在一定的迟延和惯性，应考虑
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第十一章 锅炉给水自动控制系统
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第一节 引言
一、给水控制的任务
汽包锅炉给水自动控制的基本任务是使给水量适应锅炉蒸发 量的变化，并且保证汽包水位处于设定的安全范围以内。汽包锅 炉给水系统的结构图如下图所示：
2 3 4 5 D 蒸汽
1 给水 W
汽包锅炉给水系统结构图 1—给水泵；2—高加；3—省煤器；4—汽包；5—过热器
在直流炉中该采用哪种信号？
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第五节
给水全程自动控制系统简介
一、全程控制的概念
全程控制系统是指机组在启停过程和正常运行时均能实现自 动控制的系统。全程控制包括启停控制和正常运行工况下控制两 方面的内容。
二、锅炉给水全程控制系统的特点
锅炉给水全程控制系统可以不需要运行人员参与而自动完成 锅炉启、停和正常运行工况下对给水热力系统中全部设备的自动 控制，以保持汽包水位在设定的允许范围以内，汽包炉给水系统 热力系统图如下所示。其控制过程具有以下主要特点：
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二、 给水调节对象的动态特性
汽包锅炉给水调节对象的动态特性是指各种引起汽包水 位变化的原因与汽包水位变化之间的动态关系。下面重点分 析给水流量 W、蒸汽流量 D和烟气热量 Q三种扰动下汽包水位 H 变化的动态特性： W
（ 1 ）给水流量 W 扰 动下汽包水位变化的 动态特性
在给水流量W产生 阶跃扰动下，汽包水 位 H 变化的响应曲线如 右图所示：
t H2
蒸汽流量扰动下汽包水位响应曲线 图中：H1——只考虑工质储量变化的汽包水位响应曲线； H2——只考虑水面下汽泡容积变化的汽包水位响应曲线； H ——实际汽包水位响应曲线（ H ＝ H1 + H2 ）。
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在蒸汽流量 D产生阶跃扰动下，汽包水位 H 变化的动态特性 可用传递函数表示为：