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汽包水位控制方案的比較分析 (一)
2 系統(tǒng)方案的確定
2.1 汽包水位控制方案的比較分析
鍋爐汽包水位的控制系統(tǒng)是根據(jù)汽包水位的動(dòng)態(tài)特性來設(shè)計(jì)的。如前所述，引起水位變化的因素主要來自給水量和蒸汽量的階躍變化，控制器（或調(diào)節(jié)器）是根據(jù)水位信號(hào)、蒸汽流量和給水流量的偏差信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)的。汽包水位控制系統(tǒng)根據(jù)鍋爐的容量、負(fù)荷變化的速度及調(diào)節(jié)精度的要求，通常有位式控制系統(tǒng)、單沖量控制系統(tǒng)、雙沖量控制系統(tǒng)、三沖量控制系統(tǒng)等。
2.1.1 汽包水位位式控制系統(tǒng)
位式控制系統(tǒng)如圖2-1。系統(tǒng)以鍋爐水位為唯一的調(diào)節(jié)信號(hào)，當(dāng)鍋爐水位高于設(shè)定的高水位時(shí)，控制電路接通并關(guān)閉給水泵。當(dāng)水位低于設(shè)定的低水位時(shí)，控制電路接通并開啟給水泵。這種控制系統(tǒng)使水位在設(shè)定的高低水位之間變化，在一定程度上保證了鍋爐給水系統(tǒng)的安全。
圖2-1 位式控制系統(tǒng)方框圖
Fig.2-1 Potential type control system block diagram
由于位式控制系統(tǒng)采用簡單的啟停水泵的方式來對(duì)水位進(jìn)行控制，因而水位波動(dòng)較大，控制品質(zhì)較差，一般應(yīng)用于小型鍋爐，且對(duì)控制品質(zhì)要求不高的場合。然而，由于其控制原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，整定方便，所以系統(tǒng)成本較低。
2.1.2 比值控制系統(tǒng)
如果從物質(zhì)平衡的觀點(diǎn)出發(fā)，只要保證給水量永遠(yuǎn)等于蒸發(fā)量就可以保證汽包水位大致不變。因此可以采用圖2-2所示的比值控制系統(tǒng)。其中流量調(diào)節(jié)器是PI調(diào)節(jié)器，并用汽機(jī)的耗汽量D作為調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)定值，使給水量W跟蹤蒸汽量D。
圖2-2 比值控制系統(tǒng)方框圖
Fig.2-2 Specific value control system block diagram
采用比值控制方案的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)完全根據(jù)物質(zhì)平衡條件工作，給水量W的大小只決定于耗汽量D，“虛假水位”現(xiàn)象不會(huì)引起給水調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的誤動(dòng)作。然而，比值控制系統(tǒng)對(duì)于汽包水位來說只是開環(huán)控制。如果耗汽量和給水量的測量不準(zhǔn)或者由于鍋爐排污及管道泄漏等情況，蒸汽量與給水量之間并非總是確定的比值，比值控制系統(tǒng)就不能保持汽水平衡。這是因?yàn)槠籋對(duì)于（D-W）來說是一個(gè)積分關(guān)系，微小的D和W之差可以在長時(shí)問的積累中形成很大的水位偏差。所以一般不單獨(dú)使用比值系統(tǒng)。
2.1.3 單沖量控制系統(tǒng)
單沖量水位控制系統(tǒng)以汽包水位作為唯一的控制信號(hào)。沖量即變量。水位測量信號(hào)經(jīng)變送器送到水位調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器根據(jù)汽包水位測量值H與給定值H0的偏差，通過執(zhí)行器去控制給水調(diào)節(jié)閥以改變給水量，保持汽包水位在允許的范圍內(nèi)。單沖量水位控制系統(tǒng)由汽包、變送器、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器及調(diào)節(jié)閥等組成。系統(tǒng)方框圖如圖 2-3 所示。
圖2-3 單沖量控制系統(tǒng)框圖
Fig.2-3 Single variable control systems diagram
這種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，是典型的單回路定值控制系統(tǒng)。對(duì)于水在汽包內(nèi)的停留時(shí)間較長，且負(fù)荷又比較穩(wěn)定的情況，“虛假水位”現(xiàn)象不嚴(yán)重，采用單沖量控制系統(tǒng)，進(jìn)行PID調(diào)節(jié)一般就能滿足生產(chǎn)要求。然而，在其它的場合，尤其是在水停留時(shí)間較短，且負(fù)荷變化較大的鍋爐中，再采用單沖量控制系統(tǒng)就不合適了。這是由于單沖量系統(tǒng)存在如下不可解決的問題：
（1）當(dāng)負(fù)荷變化產(chǎn)生“虛假水位”時(shí)，將使控制器反向誤動(dòng)作。例如，蒸汽負(fù)荷突然大幅度增加時(shí)，將產(chǎn)生迅速上升的“虛假水位”，此時(shí)控制器由于只能判斷到水位上升，因此就會(huì)關(guān)小給水閥，而實(shí)際上應(yīng)該要開大給水閥，以使“虛假水位”下降。反之亦然。這種控制方式將使水位波動(dòng)較大，控制品質(zhì)變差，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)使汽包水位嚴(yán)重下降而發(fā)生事故。因此，單沖量控制系統(tǒng)不能克服“虛假水位”帶來的嚴(yán)重后果。
（2）負(fù)荷變化時(shí)，控制作用緩慢。也就是說，單沖量系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷的變化不靈敏。從負(fù)荷變化到水位變化需要一段時(shí)間，再由水位變化到調(diào)節(jié)閥動(dòng)作又會(huì)有一段時(shí)間滯后，如果各個(gè)變化的時(shí)間常數(shù)較大，則必然會(huì)造成較大的偏差，導(dǎo)致控制品質(zhì)下降。
（3）對(duì)給水系統(tǒng)的擾動(dòng)不能及時(shí)克服。當(dāng)給水流量出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，必須要等到水位發(fā)生變化后才能進(jìn)行控制，因此不能及時(shí)克服給水流量變化產(chǎn)生的干擾。
為了解決上述這些問題，可以同時(shí)再參考蒸汽流量和給水流量的變化，來控制給水調(diào)節(jié)閥，這就構(gòu)成了雙沖量或三沖量控制系統(tǒng)。
2.1.4 雙沖量控制系統(tǒng)
在汽包的水位控制中，最主要的擾動(dòng)是負(fù)荷的變化。雙沖量控制系統(tǒng)是以鍋爐汽包水位測量信號(hào)作為主控信號(hào)，以蒸汽流量信號(hào)作為前饋信號(hào)構(gòu)成的“前饋-反饋”控制系統(tǒng)。其原理如圖2-4所示。
圖2-4雙沖量控制系統(tǒng)原理圖
Fig.2-4 Two variables control system priniple charts
上圖中，加法器的輸出為：
I=C1IC±C2IF±I0 (2-1)
式中 IC—水位調(diào)節(jié)器的輸出；
IF—蒸汽流量變送器（一般經(jīng)開方器）的輸出；
I0—初始偏置值；
C1、C2—加法器系數(shù)。
C1一般取1，也可小于1；C2的值應(yīng)考慮到靜態(tài)前饋補(bǔ)償，可現(xiàn)場湊試。C2取正號(hào)還是負(fù)號(hào)要由調(diào)節(jié)閥的氣開或氣關(guān)形式來確定。調(diào)節(jié)閥氣開與氣關(guān)的選用，一般從安全生產(chǎn)角度考慮。I0的設(shè)置目的是在正常負(fù)荷下，使調(diào)節(jié)器和加法器的輸出都能有一個(gè)比較適中的數(shù)值。最好在正常負(fù)荷下I0值與C2IF 項(xiàng)恰好抵消。
系統(tǒng)方框圖如圖2-5所示。
圖2-5 雙沖量控制系統(tǒng)方框圖
Fig.2-5 Two variables control system block diagram
引入蒸汽流量來校正不僅可以補(bǔ)償“虛假水位”所引起的誤動(dòng)作，而且能使給水調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作及時(shí)，從而提高控制質(zhì)量。但這里的前饋僅為靜態(tài)前饋，若要考慮兩條通道在動(dòng)態(tài)上的差異，則還需要引入動(dòng)態(tài)補(bǔ)償環(huán)節(jié)。系統(tǒng)在負(fù)荷變化頻繁的工況下能較好地完成水位控制任務(wù)。在給水壓力比較平穩(wěn)時(shí)，采用雙沖量控制就能達(dá)到控制要求。
雙沖量水位自動(dòng)控制系統(tǒng)存在的問題是：
（1）對(duì)于給水系統(tǒng)的擾動(dòng)不能直接補(bǔ)償。當(dāng)給水量發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，要等到汽包水位信號(hào)變化時(shí)才能通過調(diào)節(jié)器操作執(zhí)行調(diào)節(jié)，滯后時(shí)間長，水位波動(dòng)大。因此，如果給水母管壓力經(jīng)常有波動(dòng)，給水調(diào)節(jié)閥前后壓差不能保持；
（2）調(diào)節(jié)閥的工作特性不是完全線性的，因此，要做到靜態(tài)補(bǔ)償就比較困難。為此，我們可將給水流量信號(hào)引入，構(gòu)成三沖量控制系統(tǒng)。
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