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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)汽包水位的動態(tài)特性來設(shè)計的。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、蒸汽流量和給水流量的偏差信號進行調(diào)節(jié)的。汽包水位控制系統(tǒng)根據(jù)鍋爐的容量、負荷變化的速度及調(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，當(dāng)鍋爐水位高于設(shè)定的高水位時，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，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水位進行控制，因而水位波動較大，控制品質(zhì)較差，一般應(yīng)用于小型鍋爐，且對控制品質(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)平衡的觀點出發(fā)，只要保證給水量永遠等于蒸發(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)象不會引起給水調(diào)節(jié)機構(gòu)的誤動作。然而，比值控制系統(tǒng)對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。這是因為汽包水位H對于（D-W）來說是一個積分關(guān)系，微小的D和W之差可以在長時問的積累中形成很大的水位偏差。所以一般不單獨使用比值系統(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。沖量即變量。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)。對于水在汽包內(nèi)的停留時間較長，且負荷又比較穩(wěn)定的情況，“虛假水位”現(xiàn)象不嚴重，采用單沖量控制系統(tǒng)，進行PID調(diào)節(jié)一般就能滿足生產(chǎn)要求。然而，在其它的場合，尤其是在水停留時間較短，且負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)負荷變化產(chǎn)生“虛假水位”時，將使控制器反向誤動作。例如，蒸汽負荷突然大幅度增加時，將產(chǎn)生迅速上升的“虛假水位”，此時控制器由于只能判斷到水位上升，因此就會關(guān)小給水閥，而實際上應(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較大，控制品質(zhì)變差，嚴重時還會使汽包水位嚴重下降而發(fā)生事故。因此，單沖量控制系統(tǒng)不能克服“虛假水位”帶來的嚴重后果。
（2）負荷變化時，控制作用緩慢。也就是說，單沖量系統(tǒng)對負荷的變化不靈敏。從負荷變化到水位變化需要一段時間，再由水位變化到調(diào)節(jié)閥動作又會有一段時間滯后，如果各個變化的時間常數(shù)較大，則必然會造成較大的偏差，導(dǎo)致控制品質(zhì)下降。
（3）對給水系統(tǒng)的擾動不能及時克服。當(dāng)給水流量出現(xiàn)擾動時，必須要等到水位發(fā)生變化后才能進行控制，因此不能及時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，最主要的擾動是負荷的變化。雙沖量控制系統(tǒng)是以鍋爐汽包水位測量信號作為主控信號，以蒸汽流量信號作為前饋信號構(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)前饋補償，可現(xiàn)場湊試。C2取正號還是負號要由調(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)置目的是在正常負荷下，使調(diào)節(jié)器和加法器的輸出都能有一個比較適中的數(shù)值。最好在正常負荷下I0值與C2IF 項恰好抵消。
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償“虛假水位”所引起的誤動作，而且能使給水調(diào)節(jié)閥的動作及時，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態(tài)上的差異，則還需要引入動態(tài)補償環(huán)節(jié)。系統(tǒng)在負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，采用雙沖量控制就能達到控制要求。
雙沖量水位自動控制系統(tǒng)存在的問題是：
（1）對于給水系統(tǒng)的擾動不能直接補償。當(dāng)給水量發(fā)生擾動時，要等到汽包水位信號變化時才能通過調(diào)節(jié)器操作執(zhí)行調(diào)節(jié)，滯后時間長，水位波動大。因此，如果給水母管壓力經(jīng)常有波動，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)補償就比較困難。為此，我們可將給水流量信號引入，構(gòu)成三沖量控制系統(tǒng)。
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