孔國權(quán)

[摘要]鍋爐發(fā)電工業(yè)生產(chǎn)過程中必不可少的重要的動(dòng)力設(shè)備。鍋爐汽包水位是鍋爐最重要的參數(shù)之一,對電廠鍋爐汽包水位控制的調(diào)節(jié)信號和單級串級控制系統(tǒng)進(jìn)行介紹。

[關(guān)鍵詞]鍋爐汽包水位控制調(diào)節(jié)信號

中圖分類號:TM7文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1671-7597(2009)0710014-01

給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)的被調(diào)參數(shù)是汽包的水位H,調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是給水調(diào)節(jié)閥,調(diào)節(jié)流量是給水流量G。對汽包水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)產(chǎn)生擾動(dòng)的因素有蒸發(fā)量D、爐膛熱負(fù)荷燃料量M、給水量G由于給水調(diào)節(jié)對象沒有自平衡能力,又存在滯后,可以采用閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

一、調(diào)節(jié)信號的選擇

汽包水位控制的調(diào)節(jié)信號通常有三種:以水位為唯一調(diào)節(jié)信號的單沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng);以蒸汽流量和水位作為調(diào)節(jié)信號的雙沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng);以給水流量、蒸汽流量和水位為調(diào)節(jié)信號的三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

(一)單沖量水位控制。單沖量水位控制是以汽包水位測量信號為唯一的控制信號,即水位測量信號經(jīng)變送器送到水位調(diào)節(jié)器,調(diào)節(jié)器根據(jù)汽包水位測量值與給定值的偏差去控制給水調(diào)節(jié)閥,改變給水量以保持汽包水位在允許的范圍內(nèi)。單沖量控制結(jié)構(gòu)簡單,是典型、的單回路定值控制系統(tǒng)。在汽包內(nèi)水的停留時(shí)間較長,負(fù)荷又比較穩(wěn)定的場合,這樣的控制系統(tǒng)再配上一些聯(lián)鎖報(bào)警裝置,也可以保證安全操作。

(二)雙沖量水位控制。雙沖量水位控制是以鍋爐汽包水位測量信號作為主控制信號,以蒸汽流量信號作為前饋信號構(gòu)成的鍋爐汽包水位自動(dòng)控制系統(tǒng)。雙沖量控制引入蒸汽流量前饋信號可以消除“虛假水位”現(xiàn)象對控制的不良影響。當(dāng)負(fù)荷蒸汽量變化時(shí),就有一個(gè)使給水量與蒸汽量同方向變化的信號,可以減小或抵消由于外擾的“虛假液位”現(xiàn)象而造成的錯(cuò)誤調(diào)節(jié)動(dòng)作,這樣,使控制器在一開始就向正確的方向動(dòng)作,這就大大減小了給水流量和汽包液位的波動(dòng),縮短了過渡過程的時(shí)間,系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能得到改善。

當(dāng)靜態(tài)前饋系數(shù)等于節(jié)器的比例度時(shí),雖然調(diào)節(jié)器選用比例規(guī)律,系統(tǒng)的靜態(tài)特性也可以是無差的,呈現(xiàn)一條水平線。由此可見,控制系統(tǒng)的無差特性并非一定要用積分調(diào)節(jié)規(guī)律,采用多沖量控制用比例調(diào)節(jié)規(guī)律,也可以得到系統(tǒng)無差的靜態(tài)特性。雙沖量控制由于有以上特點(diǎn),所以能在負(fù)荷變化頻繁的工況下較好地完成水位控制任務(wù)。在給水壓力比較平穩(wěn)時(shí),采用雙沖量控制是能夠達(dá)到控制要求的。雙沖量水位自動(dòng)控制系統(tǒng)存在的問題是:控制作用不能及時(shí)地反映給水方面的擾動(dòng),當(dāng)給水量發(fā)生擾動(dòng)時(shí),要等到汽包水位信號變化時(shí)才通過調(diào)節(jié)器操作執(zhí)行器調(diào)節(jié),滯后時(shí)間長,水位波動(dòng)較大。因此,對于給水母管壓力經(jīng)常有波動(dòng),給水調(diào)節(jié)閥前后壓差不能保持正常時(shí),不宜采取雙沖量控制。因?yàn)殡p沖量控制系統(tǒng)不能做到靜態(tài)補(bǔ)償以及不能對給水系統(tǒng)干擾及時(shí)克服。

(三)三沖量水位控制。三沖量水位控制系統(tǒng)是以汽包水位為主控信號,蒸汽流量為前饋控制信號,給水流量為反饋控制信號組成的控制系統(tǒng)。三沖量控制系統(tǒng)采用蒸汽流量信號對給水流量進(jìn)行前饋控制,當(dāng)蒸汽負(fù)荷突然發(fā)生變化,蒸汽流量信號使給水調(diào)節(jié)閥一開始就向正確方向移動(dòng),即蒸汽流量增加,給水調(diào)節(jié)閥開大,抵消了由于“虛假水位”引起的反向動(dòng)作,因而減小了水位和給水流量的波動(dòng)幅度。當(dāng)由于水壓干擾使給水流量改變時(shí),調(diào)節(jié)器能迅速消除干擾。如給水流量減少,調(diào)節(jié)器立即根據(jù)給水流量減少的信號,開大給水閥門,使給水量保持不變。另外,給水流量信號也是調(diào)節(jié)器動(dòng)作后的反饋信號,能使調(diào)節(jié)器及早知道控制的效果,所以三沖量給水控制系統(tǒng)與單沖量控制系統(tǒng)和雙沖量控制系統(tǒng)相比,它的調(diào)節(jié)器動(dòng)作快,還可以避免調(diào)節(jié)過頭,減少波動(dòng)和失控。這樣,汽包水位就很少受到影響。

從系統(tǒng)組成可以看出,三沖量水位控制系統(tǒng)有兩個(gè)閉合回路:一是由給水流量W、給水分流器、調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥組成的內(nèi)回路;二是由汽包水位對象和內(nèi)回路構(gòu)成的主回路。蒸汽流量D及其蒸汽分流器均在閉合回路之外,它的引入可以改善控制質(zhì)量,但不影響閉合回路工作的穩(wěn)定性。所以三沖量控制的實(shí)質(zhì)是前饋加反饋的控制系統(tǒng)。在三沖量水位控制系統(tǒng)里,內(nèi)回路相當(dāng)于串級控制的副環(huán),當(dāng)給水流量發(fā)生擾動(dòng)時(shí),由于副環(huán)回路的快速調(diào)節(jié)作用,對汽包水位影響較小。在分析內(nèi)回路時(shí)可認(rèn)為主回路是開路的,內(nèi)回路是個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)。如果把調(diào)節(jié)器以外的環(huán)節(jié)都看作是控制對象,那么控制對象的動(dòng)態(tài)特性近似為比例環(huán)節(jié)。三沖量給給水控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是:控制系統(tǒng)所有的設(shè)備少,結(jié)構(gòu)簡單,給水流量調(diào)節(jié)動(dòng)作平穩(wěn),整定方法易于掌握,一般情況下能滿足鍋爐生產(chǎn)控制的要求。

二、單級和串級控制系統(tǒng)的比較

單級三沖量水位控制系統(tǒng)的靜態(tài)特性不僅和調(diào)節(jié)器的動(dòng)作規(guī)律有關(guān),還取決于信號之間的配合關(guān)系,當(dāng)給水量和蒸發(fā)量的分流系數(shù)不等時(shí),系統(tǒng)就會有靜差存在。而這正是串能控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn),串級系統(tǒng)不僅具有一定的自適應(yīng)能力,穩(wěn)態(tài)偏差比單級的穩(wěn)態(tài)偏差小得多。

在鍋爐控制改造設(shè)計(jì)中,考慮到現(xiàn)場負(fù)荷變化頻繁,為了得到比較好的動(dòng)態(tài)性能和靜態(tài)性能,設(shè)計(jì)時(shí)我們考慮了如下功能:水位信號補(bǔ)償、雙信號取平均帶壞點(diǎn)切換、三沖量串級調(diào)節(jié)、硬手操切換跟蹤、測量參數(shù)和控制參數(shù)保護(hù)、系統(tǒng)顯示和運(yùn)算均為工程量。控制系統(tǒng)為DCS系統(tǒng),以給水反饋信號為控制量實(shí)現(xiàn)PID控制,同時(shí),通過流量計(jì)測量蒸汽流量和給水流量,再以蒸汽流量和給水流量做控制系統(tǒng)的前饋以迅速抵消內(nèi)擾和外擾,最后控制變頻器的輸出來控制水泵轉(zhuǎn)速大小,從而實(shí)現(xiàn)對給水流量的控制。同時(shí),汽包液位是設(shè)計(jì)系統(tǒng)安全的重要參數(shù),因此液位控制系統(tǒng)還具有高低液位報(bào)警保護(hù)功能。我們在水位調(diào)節(jié)PID中,加適合鍋爐變化特性的PID輸出濾波,用以解決虛假水位現(xiàn)象。也就是說:當(dāng)水位在瞬間變化時(shí),說明鍋爐負(fù)荷在變化,這樣,經(jīng)過延時(shí)后,我們可以反映出水位的實(shí)際變化,以免引起不必要的誤動(dòng)作。然后將實(shí)際水位變化,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式轉(zhuǎn)化為所需的給水流量,送給給水流量PID的設(shè)定值。

在程序中我們還設(shè)計(jì)了當(dāng)給水流量與蒸汽流量的差達(dá)到一定范圍時(shí),使其輸出跟蹤現(xiàn)在的閥位反饋值,這樣就減少了超調(diào)現(xiàn)象的發(fā)生。當(dāng)實(shí)際水位較高時(shí),給水流量應(yīng)減小,當(dāng)給水流量一蒸汽流量小于等于設(shè)定值時(shí),輸出保持。此時(shí)汽包水位逐漸降低,當(dāng)偏差進(jìn)入死區(qū)時(shí),需回調(diào)給水流量,直至給水流量與蒸汽流量接近為止;當(dāng)實(shí)際水位較低時(shí),給水流量應(yīng)增大,此時(shí),給水流量一蒸汽流量大于等于設(shè)定值時(shí),輸出保持。此時(shí)汽包水位逐漸升高,當(dāng)偏差進(jìn)行死區(qū)時(shí),需減小給水流量,直至給水流量與蒸汽流量迫近為止。當(dāng)反饋與輸出不一致時(shí)或調(diào)節(jié)效果不好時(shí),軟件有判斷功能,我們在設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)了邏輯控制部分,將引起水位控制切手動(dòng)的條件全部列出來,再利用PID的報(bào)警功能進(jìn)行判斷,這就使系統(tǒng)操作簡單易懂。

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