发布时间 : 星期四 文章锅炉水位控制更新完毕开始阅读497fbf57804d2b160b4ec05a
过程控制课程设计
进水流量作前馈的锅炉液位控制系统
锅炉液位是锅炉运行中的一个重要的监控参数，它间接地表示了锅炉负荷和给水的平衡关系。维持汽包水位是保持汽机和锅炉安全运行的重要条件。锅炉汽包水位过高，影响汽包内汽水分离装置的正常工作，造成出口蒸汽中水分过多，结果使过热器受热面结垢而导致过热器烧坏，同时还会使过热汽温产生急剧变化，直接影响机组运行的经济性和安全性；汽包水位过低，则可能使锅炉水循环工况破坏，造成水冷壁管供水不足而烧坏。随着锅炉参数的提高和容量的扩大，对给水控制提出了更高的要求，其主要原因有：
(1)汽包的个数和体积减少，使汽包的蓄水量和蒸发面积减少，从而加快了汽包水位的变化速度；
(2)锅炉容量的增大，显著地提高了锅炉蒸发受热面的热负荷，使锅炉负荷变化对水位的影响加剧了：
(3)提高了锅炉的工作压力，使进水调节阀和进水管道系统相应复杂，调节阀的流量特性更不易满足控制系统的要求。
由此可见，随着锅炉朝大容量、高参数发展，进水系统采用自动控制是必不可少的，它可以大大减轻运行人员的劳动强度，保证锅炉的安全运行。对于大容量高参数锅炉，其进水控制系统将是非常复杂而完善的。
一、进水被控对象的动态特性
分析被控对象的动态特性是设计和优化控制系统的前提和基础，锅炉内部的工质容积组成可看作三部分，即蒸汽容积，蒸发面以下的蒸汽容积和水容积。在汽包中有水和蒸汽的两相物质转换，同时还要进行能量交换，因此可列出两组方程式，即物质平衡方程式和能量平衡方程式，但主要还是从能量平衡方面进行分析给水被控对象的动态特性。单位时间内汽包内积蓄的热量等于单位时间内输入的热量减去单位时间内的热量。综合物质平衡和能量平衡两方面考虑，可以得到汽包压力的十分重要的动态方程式。
1.1汽包水位动态方程式
锅炉汽包内部的工质容积组成，可以看作由三部分构成，即蒸汽容积V。，蒸发面以下的蒸汽容积V。和水容积vw。由于在汽包里要进行水和蒸汽两相物质的转换，同时还要进行能量的交换，因此可列出两组方程式，即物质平衡方程式和热平衡方程式：
Tdpdt?KpP?KM?M?kD?D?kw?w （1-1）
式中T——时间常数，
Kp——汽包压力放大系数；
KM——燃料量放大系数； KD——蒸汽流量放大系数：
Kw——给水流量放大系数。
在此基础上，可求得汽包水位十分重要的动态方程式：
T1T2dhdt22?T1dhdt?(Tw?duwdtkw?w)?(TMduMdt?KM?M)?(TDduDdt?k?D)?(Tpdpdt?kpp)
（1-2） 式中
Tw——给水流量项时间常数；
TM——燃料量项的时间常数； TD——蒸汽流量项的时间常数；
Tp一汽包压力项的时间常数： Kp、KD、KM——各有关项的放大系数；
T1、T2——水位的时间常数。
通过计算和测试可知，式(1-1)和式(1-2)中的时间常数T和T1，的数值相差很大，大致相差一个数量级，说明汽包对压力的反应比对水位的反应更快。这是汽包炉把给水和汽压控制分为两个独立控制系统的原因。另外，在不同的工况下，式(1-1)和式(1-2)的时间常数和放大系数也是不同的，即两式的系数是不一样的。这说明在不同的运行工况下(尤其对滑压运行机组)被控对象的动态特性随负荷而变化，要求调节器有变参数自适应的能力。将式(1-2)作拉氏变换，变成如图1-1的形式，可以看出汽包水位被控对象的扰动有四个来源：一是给水方面的扰动，其中包括给水压力的变化和调书阀开度的变化，这个扰动来自给水管道和给水泵；二是蒸汽负荷的扰动，包括蒸汽管道阻力的变化和主蒸汽调节阀开度的变化，这个扰动主要来自汽轮发电机组的功率变化；三是燃料量的变化，包括引起燃料发热量变化的种种因素；四是汽包压力的变化，压力变化对汽包水位的影响是通过汽包内部汽水系统在压力升高时的“自凝结”过程和压力降低时的“自蒸发”过程起作用的。根据对汽包水位的动态特性的分析，可知在设计给水自动控制系统时如何考虑这些扰动因素，这便是设计给水自动控制系统的主要根据。
图1-1汽包水位各通道的示意图
Ww(s)，WD(s)，WM(s)，Wp(s)一给水、蒸汽、燃料、汽压扰动对水位的传递函数
1.2汽包水位的阶跃响应试验曲线
从理论上已经分析了对汽包水位产生扰动的四个因素，其中以给水扰动、汽机负荷扰动和锅炉热负荷扰动较为严重，下面通过实际测试，求出它们的阶跃响应曲线，以分析它们的动态特性。
1、给水量扰动下水位变化的动态特性
给水量w的扰动是给水自动控制系统中影响汽包水位的主要扰动之一，因为它是来自控制侧的扰动，又称内扰。在给水量扰动下水位变化的阶跃响应曲线如图3所示。
图1-2给水扰动时的水位阶跃响应曲线 图1-3给水扰动传递函数方框图
图中H1为不考虑水面下Vs变化的响应曲线，这个是由于水和汽的物质不平衡引起的。虚线H2为给水过冷度所引起的水位变化曲线(即给水温度低于汽包内饱和水温度)，给水的过冷
度越大，H2的变化幅度越大。H为水位受到给水量阶跃扰动后的实际响应曲线，可以认为是由H1和H2的合成的。由H曲线可以清楚地看出给水被控对象内扰的特点是：给水扰动刚刚加入时，由于给水的过冷度影响，水位H的变化很慢，经过一段时间之后其变化速度才逐渐增加，最后变为按一定速度直线上升，这时就是物质不平衡在起主要作用了，如果给水量和蒸汽量不能平衡，水位将不能稳定。由给水阶跃响应曲线可求出滞后时间?和响应时间?。延长H曲线的直线段与时间轴的交点A，与纵坐标的交点B，则0A=?、OB=?，?的大小与省煤器的构造形式及锅炉容量的大小有关。对于沸腾式省煤器?=100一200S，对于非沸腾式省煤器?=30一100S 响应时间??tg??W??H(mmsth)
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