能源生产过程自动控制课件 第07章 汽包锅炉给水自动调节系统2
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第三节 给水自动控制系统
一、给水控制的任务
任务：使锅炉的给水量适应锅炉的蒸发量，维持 汽包水位在规定的范围内。 水位过高 水位过低
二、给水调节对象的动态特性
影响水位的原因 给水量Ｗ； 蒸汽负荷Ｄ； 锅炉炉膛热负荷Q； 汽包压力。
1.给水量W扰动下水位变化的动态特性
给水量Ｗ扰动时，汽包水位Ｈ的变化过程可以分别 从两个方面分析：
二）串级三冲量给水控制系统 1.系统的组成 组成
等效比例带可根据广义对象的阶跃响应曲线求取
W * WW *
W
* W
即，给水流量系数αw需在主回路中整定
W WW
增大αw，增大主回路调节器的比例带，减少水位 调节过程的振荡，提高主回路的稳定性。
增大αw，增大了内回路的开环放大系数，降低内 回路的稳定性。 αw的大小既影响主回路的稳定性，也影响内回路 的稳定性。
燃料量扰动下，水位变化的动态特性
GHQ(s)
H (s) Q(s)
K
(1
Ts)2
s
es
三、给水自动控制系统的基本方案
1 被调量、调节量的选择 蒸汽量扰动主要取决于汽轮机的运行工况，属于外 部扰动； 锅炉燃烧率扰动也是外部扰动； 很显然这两种物理量不能作为调节汽包水位的调节 手段； 调节量只能选择给水量。
在分析整定内回路时，可认为主回路是开路状态。
1）内回路
以ΔV=ΔVH+ΔVD为输入，W为输出的闭环传递函数
W (s)
1 Ti s
Ti s
KZ
K
V (s)
1
1 Ti s
Ti s
KZ
KW W
(1 Tis)KZ K
( KZ KWW )Tis KZ KWW
系统特征方程 ( KZ KWW )Tis KZ KWW 0
3）前馈补偿回路分析
根据蒸汽流量D扰动时，
H不会发生变化的原则
确定前馈环节的参数：
D
D
D
(s)
1 WW
GHW
(s) DGHD (s)
0
D
(s)
WW D
GHD (s) GHW (s)
实现αD(s)困难 可取比较简单的近似形式
D
WW D
单级三冲量给水系统应注意 αD、αW应配合；
汽压变化时对D的测量有影响； αW的选取应兼顾主、内回路的稳定性；
物质平衡（曲线H1） 热平衡（曲线H2） 曲线H1、曲线H2叠加后得到 汽包水位曲线1
在给水量Ｗ扰动下，被调对象具有迟延、惯性和 无自平衡能力特性。
G H W(s)
H (s) W (s)
s
1 s
s(s
1)
式中：τ─迟延时间(sec.)；
ε─响应速度[mm·s-1/(t·h-1)]； tan OB 1 H
水位H，升高，应减小给水流量，水位测量信号与 水位相反，VH为“+”。
2）控制系统的静态特性
静态时，进入PI调节器的信号应平衡
VD-VW+VH=V0 V0-VH=γDαDD-γWαWW γD、γW分别为蒸汽流量、给水流量变送器的斜率 静态时，D=W，选择不同的γ、α，则VD与VW的关系 VD=VW(γDαD=γWαW), VH=V0, 一般都取γD=γW，则αD=αW， 即，应选择给水流量信号和蒸汽流量信号的分压 系数相同。
增加给水流量，减小Biblioteka Baidu抵消由于虚假水位现象使 给水流量与负荷相反方向变化的趋势； 给水流量信号W，既是反馈信号又是前馈信号。
三冲量系统是前馈-反馈控制系统
2 控制系统的分析整定
1）调节器入口接线
蒸汽负荷D,升高，应增大给水流量，VD为“+”； 给水流量W，反馈信号，增大应减小阀门开度，VW
为“-”;
W OA W W
2. 蒸汽量Ｄ扰动时的动态特性 蒸汽量Ｄ扰动时，汽包水位Ｈ的变化过程可以从两
个方面加以分析： 物质平衡（曲线H1） 热平衡（曲线H2）
汽包水位曲线H 负荷增加时，水位先上升再下降； 负荷下降时，水位先下降再上升。
虚假水位
动态特性的数学描述为：
GHD(s)
H (s) D(s)
无论δ、Ti取任何小的数值，调节过程总是不振 荡；
δ、Ti值越小，调节过程的衰减速度越快。 注意 内回路实质上不是理想的一阶系统，δ、
Ti的取值有限制，一般用试验方法来确定。 整定时，把Ti设置为较小数值，然后选择αW/δ 使内回路基本上不振荡。
2) 主回路
内回路整定后，调节过程非常快，当外来调节信号 改变时，几乎能立即成比例地改变给水流量
VD>VW(γDαD>γWαW )， VH<V0,
负荷D升高，VD与VW差值越大， VH与V0差值越大， 即VH越小，水位越高。
VD<VW(γDαD<γWαW )， VH>V0.
3 给水调节器(PI)参数整定
对于内回路，要求在给水流量波动时，能快速消除 给水流量的偏差；快速跟踪对给水流量的要求。 因此，内回路工作速度比外回路要快很多。
2 给水量变化后到水位变化存在一定的迟延和惯性
若采用以水位为被调量的单回路系统，水位变化后 去调节给水量，则调节过程中的水位将会有较大的 偏差；
当给水量自发扰动后，水位波动较大；
因此，应考虑将给水量信号作为反馈信号，及时消除 给水量自发扰动的影响。
3 蒸汽流量和热负荷扰动时存在虚假水位现象，反应 速度比内扰快
应考虑将蒸汽流量作前馈调节信号
一）单级三冲量给水自动调节系统 （Single Stage Three-Element Feedwater Control
System) 1.系统的组成
给水调节器接受三个信号—三冲量
水位H为主信号，组成反馈控制系统； 蒸汽流量D为前馈信号，当蒸汽流量增加时，相应
K2 1 T2s
s
式中： K2─H2变化的时间常数；
T2─H2的时间常数； ε─H1的响应速度。
3. 炉膛热负荷扰动下的动态特性 炉膛热负荷增加，汽压升高： 水面下汽泡体积增大，水位升高； 蒸汽流量增加，水位下降。
水位先上升再下降，“虚假水位”在幅值和变 化速度上相对较小。 阶跃响应曲线与蒸汽流量扰动下的水位响应曲线 近似。
VW V
即内回路传函
V WWW
W 1
V WW
由此得三冲量控制系统简化图
主回路可看作为单回路系统，被控对象的输入信
号是给水量W，输出信号是变送器输出信号VH。
广义对象为
G0* (s)
H GHW
(s)
H s(1s)
* s(1s)
等效调节器为 等效比例带
GR*
(s)
1
W W
1
W
W WW
一、给水控制的任务
任务：使锅炉的给水量适应锅炉的蒸发量，维持 汽包水位在规定的范围内。 水位过高 水位过低
二、给水调节对象的动态特性
影响水位的原因 给水量Ｗ； 蒸汽负荷Ｄ； 锅炉炉膛热负荷Q； 汽包压力。
1.给水量W扰动下水位变化的动态特性
给水量Ｗ扰动时，汽包水位Ｈ的变化过程可以分别 从两个方面分析：
二）串级三冲量给水控制系统 1.系统的组成 组成
等效比例带可根据广义对象的阶跃响应曲线求取
W * WW *
W
* W
即，给水流量系数αw需在主回路中整定
W WW
增大αw，增大主回路调节器的比例带，减少水位 调节过程的振荡，提高主回路的稳定性。
增大αw，增大了内回路的开环放大系数，降低内 回路的稳定性。 αw的大小既影响主回路的稳定性，也影响内回路 的稳定性。
燃料量扰动下，水位变化的动态特性
GHQ(s)
H (s) Q(s)
K
(1
Ts)2
s
es
三、给水自动控制系统的基本方案
1 被调量、调节量的选择 蒸汽量扰动主要取决于汽轮机的运行工况，属于外 部扰动； 锅炉燃烧率扰动也是外部扰动； 很显然这两种物理量不能作为调节汽包水位的调节 手段； 调节量只能选择给水量。
在分析整定内回路时，可认为主回路是开路状态。
1）内回路
以ΔV=ΔVH+ΔVD为输入，W为输出的闭环传递函数
W (s)
1 Ti s
Ti s
KZ
K
V (s)
1
1 Ti s
Ti s
KZ
KW W
(1 Tis)KZ K
( KZ KWW )Tis KZ KWW
系统特征方程 ( KZ KWW )Tis KZ KWW 0
3）前馈补偿回路分析
根据蒸汽流量D扰动时，
H不会发生变化的原则
确定前馈环节的参数：
D
D
D
(s)
1 WW
GHW
(s) DGHD (s)
0
D
(s)
WW D
GHD (s) GHW (s)
实现αD(s)困难 可取比较简单的近似形式
D
WW D
单级三冲量给水系统应注意 αD、αW应配合；
汽压变化时对D的测量有影响； αW的选取应兼顾主、内回路的稳定性；
物质平衡（曲线H1） 热平衡（曲线H2） 曲线H1、曲线H2叠加后得到 汽包水位曲线1
在给水量Ｗ扰动下，被调对象具有迟延、惯性和 无自平衡能力特性。
G H W(s)
H (s) W (s)
s
1 s
s(s
1)
式中：τ─迟延时间(sec.)；
ε─响应速度[mm·s-1/(t·h-1)]； tan OB 1 H
水位H，升高，应减小给水流量，水位测量信号与 水位相反，VH为“+”。
2）控制系统的静态特性
静态时，进入PI调节器的信号应平衡
VD-VW+VH=V0 V0-VH=γDαDD-γWαWW γD、γW分别为蒸汽流量、给水流量变送器的斜率 静态时，D=W，选择不同的γ、α，则VD与VW的关系 VD=VW(γDαD=γWαW), VH=V0, 一般都取γD=γW，则αD=αW， 即，应选择给水流量信号和蒸汽流量信号的分压 系数相同。
增加给水流量，减小Biblioteka Baidu抵消由于虚假水位现象使 给水流量与负荷相反方向变化的趋势； 给水流量信号W，既是反馈信号又是前馈信号。
三冲量系统是前馈-反馈控制系统
2 控制系统的分析整定
1）调节器入口接线
蒸汽负荷D,升高，应增大给水流量，VD为“+”； 给水流量W，反馈信号，增大应减小阀门开度，VW
为“-”;
W OA W W
2. 蒸汽量Ｄ扰动时的动态特性 蒸汽量Ｄ扰动时，汽包水位Ｈ的变化过程可以从两
个方面加以分析： 物质平衡（曲线H1） 热平衡（曲线H2）
汽包水位曲线H 负荷增加时，水位先上升再下降； 负荷下降时，水位先下降再上升。
虚假水位
动态特性的数学描述为：
GHD(s)
H (s) D(s)
无论δ、Ti取任何小的数值，调节过程总是不振 荡；
δ、Ti值越小，调节过程的衰减速度越快。 注意 内回路实质上不是理想的一阶系统，δ、
Ti的取值有限制，一般用试验方法来确定。 整定时，把Ti设置为较小数值，然后选择αW/δ 使内回路基本上不振荡。
2) 主回路
内回路整定后，调节过程非常快，当外来调节信号 改变时，几乎能立即成比例地改变给水流量
VD>VW(γDαD>γWαW )， VH<V0,
负荷D升高，VD与VW差值越大， VH与V0差值越大， 即VH越小，水位越高。
VD<VW(γDαD<γWαW )， VH>V0.
3 给水调节器(PI)参数整定
对于内回路，要求在给水流量波动时，能快速消除 给水流量的偏差；快速跟踪对给水流量的要求。 因此，内回路工作速度比外回路要快很多。
2 给水量变化后到水位变化存在一定的迟延和惯性
若采用以水位为被调量的单回路系统，水位变化后 去调节给水量，则调节过程中的水位将会有较大的 偏差；
当给水量自发扰动后，水位波动较大；
因此，应考虑将给水量信号作为反馈信号，及时消除 给水量自发扰动的影响。
3 蒸汽流量和热负荷扰动时存在虚假水位现象，反应 速度比内扰快
应考虑将蒸汽流量作前馈调节信号
一）单级三冲量给水自动调节系统 （Single Stage Three-Element Feedwater Control
System) 1.系统的组成
给水调节器接受三个信号—三冲量
水位H为主信号，组成反馈控制系统； 蒸汽流量D为前馈信号，当蒸汽流量增加时，相应
K2 1 T2s
s
式中： K2─H2变化的时间常数；
T2─H2的时间常数； ε─H1的响应速度。
3. 炉膛热负荷扰动下的动态特性 炉膛热负荷增加，汽压升高： 水面下汽泡体积增大，水位升高； 蒸汽流量增加，水位下降。
水位先上升再下降，“虚假水位”在幅值和变 化速度上相对较小。 阶跃响应曲线与蒸汽流量扰动下的水位响应曲线 近似。
VW V
即内回路传函
V WWW
W 1
V WW
由此得三冲量控制系统简化图
主回路可看作为单回路系统，被控对象的输入信
号是给水量W，输出信号是变送器输出信号VH。
广义对象为
G0* (s)
H GHW
(s)
H s(1s)
* s(1s)
等效调节器为 等效比例带
GR*
(s)
1
W W
1
W
W WW