给水全程控制系统设计

第二章 给水控制对象的动态特性

2.1 给水流量扰动下水位的动态特性

汽包水位是由汽包中的储水量和水面下的汽泡容积决定的，因此凡是引起汽包中储水量变化和水面下的汽泡容积变化的各种因素都是给水控制对象的扰动。其中主要的扰动有：给水流量W、锅炉蒸发量D、汽包压力Pb、炉膛热负荷等。给水控制对象的动态特性是指上述引起水位变化的各种扰动与汽包水位间的动态关系。

汽包水位动态特性较为复杂，一是对汽包水位扰动有四个来源，二是“虚假水位”问题的存在，特别是后一个问题使得人们设计出“三冲量”给水控制系统。了解、掌握汽包水位动态特性是保证给水自动控制系统顺利投入的基本要求。 2.1.1 给水流量扰动下水位的动态特性

给水流量是调节机构所改变的控制量，给水流量扰动是来自控制侧的扰动，又称内扰。给水流量扰动下水位的阶跃响应曲线如图2.1 所示。当给水流量阶跃增加ΔW 后，水位H 的变化如图中曲线H 所示。水位控制对象的动态特性表现为有惯性的无自平衡能力的特点。当给水流量突然增加后，给水流量虽然大于蒸汽流量， 但由于给水温度低于汽包内饱和水的温度，给水吸收了原有饱和水中的部分热量使水面下汽泡容积减少，实际水位响应曲线可视为由H1 和H2 两条曲线叠加而成，所以扰动初期水位不会立即升高。当水面下汽泡容积的变化过程逐渐平衡，水位就反应出由于汽包中储水量的增加而逐渐上升的趋势，最后当水面下汽泡容积不再变化时，由于进、出工质流量不平衡，水位将以一定的速度直线上升。

图2.1 给水流量阶跃扰动下水位响应曲线

2.1.2 蒸汽流量扰动下水位的动态特性

蒸汽流量扰动主要来自汽轮发电机组的负荷变化，属外部扰动。在蒸汽流量D 扰动下水位变化的阶跃响应曲线如图2.2 所示。当蒸汽流量突然阶跃增大时，

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由于汽包水位对象是无自平衡能力的，这时水位应下降，如图2.2 中H1 曲线所示。但当锅炉蒸发量突然增加时，汽包水下面的汽泡容积也迅速增大，即锅炉的蒸发强度增加，从而使水位升高，因蒸发强度的增加是有一定限度的，故汽泡容积增大而引起的水位变化可用惯性环节特性来描述，如图2.2 中H2 曲线所示。实际的水位变化曲线H 则为H1 和H2 的合成。由图2.2 可以看出，当锅炉蒸汽负荷变化时，汽包水位的变化具有特殊的形式：在负荷突然增加时，虽然锅炉的给水流量小于蒸发量，但开始阶段的水位不仅不下降，反而迅速上升（反之，在负荷突然减少时，水位反而先下降），这种现象称为“虚假水位”现象。这是因为在负荷变化的初期阶段，水面下汽泡的体积变化很快，它对水位的变化起主要影响作用的缘故，因此水位随汽泡体积增大而上升。只有当汽泡体积与负荷适应而不再变化时，水位的变化就仅由物质平衡关系来决定，这时水位就随负荷增大而下降，呈无自平衡特性。

虚假水位现象与锅炉参数及蒸汽负荷变化大小有关，对于100～670t/h 中、高压锅炉，当负荷阶跃变化10%时，虚假水位可达30～40mm。

图2.2 蒸气流量阶跃扰动下水位响应曲线

2.1.3 炉膛热负荷扰动下水位的动态特性

当燃料量扰动时，例如燃料量增加使炉膛热负荷增强，从而使锅炉蒸发强度增大。若此时汽轮机负荷未增加，则汽轮机侧调节阀开度不变。随着炉膛热负荷的增大，锅炉出口压力提高，蒸汽流量也相应增加，这样蒸汽流量大于给水流量，水位应该下降。但是蒸发强度增大同样也使水面下汽泡容积增大，因此也会出现虚假水位现象。燃料量扰动下的水位阶跃响应曲线如图2.3 所示，由图可以看出，这种扰动下的“虚假水位”现象不太严重，这是因为蒸汽流量增加的同时汽压也增大了， 因而使汽泡体积的增加比蒸汽流量扰动时要小，从而使水位上升幅度较小。另外， 由于蒸发量随燃料量的增加有惯性和时滞，如图2.3 虚线所示，

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这就导致迟延时间τ较长。对汽包水位的第四种扰动是汽包压力的变化，汽包压力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“自凝结过程” 和压力降低时的“自蒸发”过程起作用的。

图2.3 燃烧量阶跃扰动下水位响应曲线

上述四种扰动在锅炉运行中都可能经常发生，给水流量扰动作为内部扰动，汽包水位对其响应的动态参数（τ、ε）是给水控制系统调节器参数整定的依据。蒸汽流量D、燃料量B 和汽包压力Pb 扰动作为外部扰动，会造成水位波动。蒸汽流量D 和燃料量B 的变化是产生“虚假水位”的根源。所以在给水控制系统里常常引入D、B 信号作为前馈信号，以改善外部扰动时的控制品质，而这也是目前大型锅炉给水控制系统采用三冲量或多冲量的根本原因。

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第三章 热工测量信号

锅炉从启动到正常运行的过程中，蒸汽参数和负荷在很大范围内变化，这就使水位、给水流量和蒸汽流量测量的准确性受到影响。为了实现给水全程自动控制， 必须对这些测量信号自动进行压力、温度校正（补偿）。在实际应用时，补偿公式中一些参数的确定要依据理论计算及现场调试综合求取，通过动态补偿回路确保上述信号在负荷变化时的精度。

3.1 水位信号

由于汽包中饱和水和饱和蒸汽的密度随压力变化，因而影响水位测量的准确性。这里拟考虑采用电气校正回路进行压力校正，即在差压变送器后引入校正回路。

图3.1燃烧量阶跃扰动下水位响应曲线

式子中：△P为平衡容器输出的差压，ρc，ρw，ρs分别是平衡容器内水的密度，汽包内饱和水的密度，汽包内饱和蒸汽的密度。

当L、A 一定时，水位h 是差压和汽、水密度的函数。密度c . 与环境温度有关， 一般可取60℃时水的密度。在锅炉启动过程中，水温稍有增加，但同时由于压力也升高，两种因素对c . 的影响基本上可抵消，即可近似地认为c . 是

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