锅炉汽包给水控制系统

引言锅炉作为电厂中的一个重要设备，起着重要的作用。其中，锅炉汽包给水及水位的调节已经完全采用自动的方式加以控制。影响水位的因素主要有锅炉蒸发量、给水量、炉膛热负荷及汽包压力，除此之外，还有给水压力、汽轮机调节汽门开度、二次风分配等等。汽包锅炉给水控制系统的任务是使给水量适应锅炉蒸发量，并使汽包水位保持在一定的范围内。保证水位控制在给定的范围内，对提高蒸汽品质、减少设备损耗、运行损耗和确保整个网络安全运行都具有重要意义。因此，汽包水位是影响整个机组安全经济运行的重要因素，需要有一整套较好的控制方案，来实现汽包锅炉水位的自动控制。目前已经出现了很多种控制方案，有工业锅炉汽包水位智能控制器方式、基于模糊理论的PLC锅炉水位控制器控制方式、锅炉汽包水位BP神经网络预测控制方式等。尽管以上研究方法取得了一定成果，但多数方法还停留在理论层面，在实际系统中不能得到较好的应用。综上所述，对传统PID控制方式的深入研究具有理论指导意义和参考价值。1给水控制系统概况锅炉的汽包水位能够间接反映锅炉蒸汽负荷与给水量之间的平衡关系,维持汽包水位正常是保证锅炉和汽轮机安全运行的必要条件。汽包水位过高,会影响汽包内汽水分离装置的正常工作,造成出口蒸汽水分含量过多,导致过热器管壁结垢而被烧坏,也使过热蒸汽温度急剧变化,直接影响机组的稳定运行。汽包水位过低,可能破坏锅炉水循环,导致水冷壁管被烧坏。锅炉汽包给水控制系统的作用是使锅炉的给水量自动适应锅炉的蒸发量,维持汽包水位在规定的范围内波动。汽包水位H是汽包中储水量和水面下汽包容积的综合反映，不仅受汽包储水量变化的影响，受汽水混合物中汽包容积变化的影响。其中主要的扰动为给水流量W、锅炉蒸发量D、汽包压力、炉膛热负荷等，其对水位的影响各不相同，中给水流量和蒸汽流量是影响汽包水位的2种主要扰动,前者来自调节侧，称为内扰；后者来自负荷侧,称为外扰。汽包给水系统工艺流程如图1所示。过热器蒸汽省煤器调节阀给水母管水循环管路汽包图1汽包给水系统工艺流程图2汽水位的动态特性2.1汽包水位在给水流量作用下的动态特性图2所示是给水流量W用下,水位的阶跃响应曲线。如将给水看作单容量无自衡过程,水位阶跃响应曲线如图中1曲线所示。实际水位曲线如图中2线所示，因为当突然加大给水量后（这时假定蒸汽量不变），给水量大于蒸汽量，但汽包水位开始并不立即增加，而呈现出一段起始惯性段，这时因为温度较低的更多的给水进入水循环系统，它从原有的饱和汽水中吸取一部分热量，汽包和汽水管路中由于热量的“损失”，汽包体积减少。经省煤器进入汽包的给水，首先必须填补由于汽水管路中汽包减少所让出的空间。这时，虽然给水量增加，但水位基本不变。当水面下汽包容积变化过程逐渐平静时，汽包水位才由于出水量的增加而逐渐上升。当水下面下汽包容积不再变化，完全稳定下来时，水位变化就随着储水量的增加而直线上升。图2给水流量阶跃扰动下的水位响应曲线2.2汽包水位在蒸汽流量作用下的动态特性在蒸汽流量扰动作用下，水位的阶跃响应曲线如图3所示。当蒸汽流量突然增加时，从锅炉的水位平衡关系来看，蒸汽量大于给水量，水位应下降，如图中曲线1H所示。但实际情况并非如此，汽包内水的沸腾突然加剧，水中汽泡迅速增加，由于汽泡容积增加而使水位变化的曲线如图中2H所示。而实际显示的水位响应曲线H为1H+2H。从图上可以看出，当蒸汽负荷增加时，虽然锅炉的给水量小于蒸发量，但在一开始时，水位不仅不下降反而上升，然后再下降(反之，亦然)，这种现象称之为“虚假液位”。应当指出的是：当负荷突然变化时，水位下汽泡容积变化而引起水位的变化速度是很快的，一般为10～20秒。变化幅度与蒸发量扰动大小成正比，也与压力变化速度成正比，这给控制带来一定困难，在设计控制方案时，必须加以注意。图3蒸汽流量阶跃扰动下的水位响应曲线2.3汽包水位在炉膛热负荷作用下的动态特性当燃料量突然增加时，传给锅炉水的热量也增多，上升管的蒸发强度增大，使蒸发面下的汽泡膨胀，液位上升，随之蒸汽流量及汽包压力增加，但是给水流量并没增加，因而这种液位变化也属于“虚假液位”。当热量和水量在炉内重新达到平衡时，液位才慢慢回降。然而这种由于燃料量的突然变化引起的虚假液位比较小，而且热负荷可由蒸汽压力调节系统来保证，因而这种扰动的因素是次要的。3锅炉汽包水位的控制方案3.1单冲量控制系统单单冲量水位控制系统是典型的单回路调节系统,由被控对象、测量变送单元、调节器和执行器组成,通过给水流量调节气包液位,这里指的单冲量即气包液位。其控制方案如图所示。该控制方案系统结构简单,投资少,易实现。但它不能克服“虚假液位”的影响,且不能及时反映给水量的扰动,控制作用迟缓,因此,只适用于小型低压锅炉。3.2双冲量水位控制系统双冲量水位控制系统是在单冲量水位控制的基础上,将蒸汽流量作为前馈信号引人控制系统,这样就可消除“虚假现象”对调节系统的不良影响,从而改善调节特性,提高调节质量,且投资增加不多,其控制方案如图所示。该控制方案依旧存在不能及时反映给水流量对水位调节的干扰,因此双冲量水位控制适用于负荷变化较频繁的小型低压锅炉,而不适用于给水母管压力经常有波动的锅炉系统。3.3三冲量水位控制系统一般情况下锅炉容量越大,气包的相对水位容量就越小,允许的水位波动就越小,如果给水中断,就可能在极短的时间内发生危险水位,这就要求水位的控制必须能够及时反映给水流量对水位的干扰。为此,在双水位控制的基础上再引进一个给水流量变化的信号进行控制,就构成所谓的三冲量水位控制系统,其控制方案如图6所示。该系统中,汽包水位是被控量,是主冲量信号,而蒸汽流量和给水流量是2个辅助冲量信号,通过2个辅助冲量的引人,既克服了“虚假液位”对控制质量的影响，又能及时反映出给水量对水位的干扰,克服了控制过程中的滞后现象。因此,对于大中型高中压锅炉采用三冲量水位控制系统较为适宜。4控制方案确定综合上述三种方案，单冲量控制系统不能克服“虚假液位”的影响,且不能及时反映给水量的扰动,控制作用迟缓。双冲量控制系统依旧存在不能及时反映给水流量对水位调节的干扰,严重地影响a-b+cHCbac蒸汽给水孔板变送器汽包省煤器图6三冲量控制系统锅炉的正常运行。从以上分析可看出,对于蒸汽流量和给水流量这两种干扰因素,简单的液位调节系统无法适应。三冲量水位控制系统既克服了“虚假液位”对控制质量的影响，又能及时反映出给水量对水位的干扰,克服了控制过程中的滞后现象。故采用“三冲量控制系统”。4.1系统的结构和工作原理三冲量汽包给水控制系统，采用蒸汽流量对信号进行前馈控制，当蒸汽负荷突然发生变化，蒸汽信号使给水调节阀一开始就向正确方向移动，即蒸汽流量增加，给水调节阀开大，抵消了由于“虚假水位”引起的反向作用，因而减小了水位和给水流量的波动幅度。当由于水压干扰使给水流量改变时，调节器能迅速消除干扰。如给水流量减少，调节器立即根据给水流量减少的信号，开大给水阀门，使给水量保持不变。另外，给水流量信号也是调节器动作后的反馈信号，能使调节器及知道控制的效果，所以三冲量给水控制系统，调节器动作快，还可以避免调节过大，减少波动和失控。这样，汽包水位就很少受到影响。4.2系统控制器参数的分析和整定三冲量汽包水位单级控制系统采用电动单元组合仪表构成如图7所示，其系统组成方块图如图8所示。DBC—差压变送器；DJK—开放器；D、W—分流器；PI—调节器；CF—伺服放大器；SD—执行器；从系统组成方块图可以看出，三冲量水位控制系统有两个闭合回路：（1）是由给水流量W、给水分流器、调节器、调节阀组成的内回路；（2）由汽包水位对象和内回路构成的主回路。蒸汽流量D及其蒸气分流器均在闭合回路之外，它的引入可以改善控制质量，但不影响闭合回路工作的稳定性。所以三冲量控制实质是前馈加反馈的控制系统。DBCDJKDHDBCPICFSDDBCDJKw蒸汽阀位反馈过热器汽包省煤器给水图7三冲量水位单级控制系统仪表构成DW在三冲量水位控制系统里，内回路相当于串级控制的内环，当给水量发生扰动时，由于副环回路的快速调节作用，对汽包水位影响较小。在分析内回路时可以认为主回路是开路的，内回路是个随动系统，其方块图如图9所示。如果把调节器以外的环节都看作是控制对象，那么控制对象的，那么控制对象的动态特性近似为比例环节，因此可以近似认为：wWd=ΔI所以内回路的传递函数应为：)()(SISW=W1这样图9可以简化为图10。调节器执行器汽包分流器汽包（D）分流器ffDH0H图8三冲量水位单级控制系统组成方块图调节器执行器分流器ΔIWf图9三冲量水位控制内回路方块图Wα1ΔIW图10水位控制系统内部回路等效方块图在内回路分析的基础上，可以画出主回路的简化方块图11，从图11中可以看出，主回路也是一个单回路系统。被控对象已给水量W作为输入，以水位H作为对象的输出。等效调节器是比例调节器，等效比例带ww。关于蒸汽流量分流系数D的选择问题；蒸汽流量信号不在控制系统闭合回路之内，因此它的大小不影响控制系统的稳定性。蒸汽流量信号的大小原则上可以这样确定，当蒸汽流量发生扰动时，就利用这个扰动信号作为控制信号，通过调整D使水位变化很小或基本不变。这要求：)()(SWS；)()(SWSWWDWD式中)(sWw—给水流量扰动下汽包水位的传递函数；)(SWD—蒸汽流量扰动下汽包水位的传递函数；D、W—蒸汽流量和给水流量的分流系数。一般情况，D只要是一个比例环节，在负荷变化时就能把Wα1汽包汽包DH0HWfD图11三冲量水位控制系统主回路简化方块图锅炉水位控制在允许范围内。如果要求在整个负荷范围内，水位稳定不变，可取D=W。