【热工自动化课件】第7章 汽包锅炉给水调节

能 源 与 动 力 工 程 学 院 School of Energy t OA d H d t O B O A WW W0为给水阶跃扰动量 能 源 与 动 力 工 程 学 院 School of Energy 飞升速度 由阶跃响应曲线获得 曲线 2 曲线 1 2 0 0 1 t H K D T O A dH dt D D0为给水阶跃扰动量 蒸汽量阶跃扰动时水位的响应曲线 t H 1 2 3 H2 K D0 T 0 A 能 源 与 动 力 工 程 学 院 School of Energy Power Engineering 华中科技大学本科生专业课程 热工过 程自动化 2013 11 29 19 三 燃烧率 Q扰动时的动态特性 Q扰动时 被调对象的动态特性与 D扰动时相似 只是 迟延和惯性更大 四 给水调节基本策略 1 对于被调量 H而言 D的改变取决于汽轮机的工况 为外部扰动 Q的改变取决于机组负荷需求 为间接外扰 W的 改变 直接调整所供的物质 可作为调节变量 不可作为 调节手段 2 虚假水位 的影响主要来自于可测量的 D扰动 所以 给水调节系统应引入 D信号参与调节 以改善调节品质 3 选择 W H为调节通道时 还应考虑如何克服给水母管 压力扰动对 H的影响 能 源 与 动 力 工 程 学 院 School of Energy Power Engineering 华中科技大学本科生专业课程 热工过 程自动化 2013 11 29 20 7 3 给水调节系统分析和整定 1 基本结构 如图所示 该系统只采用一个 PI调节器 单级 和一 个汽包水位信号 单 冲量 构成单回路反 馈调节系统 汽包锅炉给水自动调节系统有 单级单冲量 单级三冲 量 串级三冲量 三种结构形式 一 单级单冲量给水自动调节系统 单级单调量给水调节系统 D 变送器 P I 调 节 器 执行器 W 水位给 定值 H0 K H 能 源 与 动 力 工 程 学 院 School of Energy Power Engineering 华中科技大学本科生专业课程 热工过 程自动化 2013 11 29 21 1 系统结构简单 整定方便 适用于低参数 小容量 且 调节质量要求不高的汽包锅炉 也可用于大机组低负 荷阶段的给水调节 2 不能克服 D扰动初期 虚假水位 造成的误动作 会使 H 大幅度波动 调节时间加长 单级单调量给水调节系统 D 变送器 P I 调 节 器 执行器 W 水位给 定值 H0 K H 2 系统特点 3 不能克服 W的自发性扰动 内扰 会使 H的超调 量较大 调节时间加长 4 W H调节通道存在迟延 调节动作滞后 会使 H的 超调量较大 调节时间加 长 能 源 与 动 力 工 程 学 院 School of Energy Power Engineering 华中科技大学本科生专业课程 热工过 程自动化 2013 11 29 22 二 单级三冲量给水自动调节系统 系统采用一个 PI调节器 单级 三个测量信号 三冲量 H W D 构成 前馈 反馈双回路调节系 统 控制 H 与单冲量系统相比 该 系统引入了两个物质流量信 号 即引入用于克服虚假水 位的蒸汽流量信号 前馈信 号 和用于抑制给水自发性 扰动的给水流量信号 局部 反馈信号 单级三调量给水调节系统 D 汽包水位 测量装置 P I 调 节 器 执行器 W 水位给 定值 H0 K H 蒸汽流量 测量装置 给水流量 测量装置 1 基本结构 如图所示 能 源 与 动 力 工 程 学 院 School of Energy Power Engineering 华中科技大学本科生专业课程 热工过 程自动化 2013 11 29 23 当 D 负荷 改变时 通过 D的前馈调节作用 可及时改 变给水流量 维持进出锅内的物质平衡 这有利于克服虚 假 水位现象产生的误动作之影响 当 W发生自发性扰动时 通 过局部反馈调节作用 可及时 抑制这种扰动对给水流量的影 响 有利于减少汽包水位的波 动 保持 H基本不变 单级三调量给水调节系统 D 汽包水位 测量装置 P I 调 节 器 执行器 W 水位给 定值 H0 K H 蒸汽流量 测量装置 给水流量 测量装置 该系统在克服扰动 维持 汽包水位稳定 提高给水调节 质量方面优于单冲量给水控制 系统 当 H偏离给定值 H0时 通过 H 反馈的调节作用 逐步校正 W 最终使 H H0 能 源 与 动 力 工 程 学 院 School of Energy Power Engineering 华中科技大学本科生专业课程 热工过 程自动化 2013 11 29 24 单级三冲量给水调节系统 SAMA图示例 FT I V K FT I V K LT I V T K R I A T I V I MO D W H 设定 VH V0 切换 手操 VD VW 能 源 与 动 力 工 程 学 院 School of Energy Power Engineering 华中科技大学本科生专业课程 热工过 程自动化 2013 11 29 25 2 单级三冲量给水调节 系统分析与整定 单级三冲量给水调节系统原理框图如下 H PI GD2 s GD1 s KZ K D W W H D IH IW I IT H1 H2 D I D 内回路 外回路 前馈通道 单级三冲量给水调节系统原理框图 W IH0 分流器 被调对象 调节器 测量变送器 执行机构 调节机构 两个反馈信号 W H 两个回路 内回路 外回路 一个前馈信号 D 一个前馈通道 D D 内回路 G01 s 前馈通道的调节不影响系统的稳定性 能 源 与 动 力 工 程 学 院 School of Energy Power Engineering 华中科技大学本科生专业课程 热工过 程自动化 2013 11 29 26 1 内回路的分析与整定 当 W侧产生自发性扰动 如给水压力 时 内回路迅 速动作 及时消除扰动影响 使被调量 H 基本不 受自发性扰动的破坏 当其它扰动因素破坏 H平衡时 内回路快速响应 及时调节 W 减小被调量 H 的偏离 内回路的调节任务 内回路的传递函数 PI KZ K W W IW IT 内回路 W I 1 1 1 I z I I z W W I Ts KK TsWs TsIs KK Ts 能 源 与 动 力 工 程 学 院 School of Energy Power Engineering 华中科技大学本科生专业课程 热工过 程自动化 2013 11 29 27 0z W W I z W WK K T s K K 由上可得 内回路的特征方程为 为一阶系统 理论上 对于以上一阶系统 无论 和 TI 如何选取 内 回路都不会发生振荡 和 TI 可以取很小 实际上 上述数学模型只是系统的近似描述 忽略了一 些一般情况下可不考虑的非线性因素 但当 和 TI很小时 非线性因素的影响会显现 所以 和 TI的取值受到一定限制 不能过小 内回路有三个整定参数 TI W 需要确定 能 源 与 动 力 工 程 学 院 School of Energy Power Engineering 华中科技大学本科生专业课程 热工过 程自动化 2013 11 29 28 PI KZ K W W IW IT 内回路 W I 若将 W归纳到调节器中 则有 等效调节器的传递函数为 1 1 1 1 1 W R I n I Gs T s T s 等效比例带 内回路的整定 整定目标 将内回路整定成一个能消除自发性扰动的 快速随动系统 比例环节 整定方法 取 W为任意值 如 W 1 TI 5 10s 主要调整 也可适当调整 TI 最终使内回路具有快速随 动 比例环节 特性 1 WW Ws Is 即 1 WW I W 能 源 与 动 力 工 程 学 院 School of Energy Power Engineering 华中科技大学本科生专业课程 热工过 程自动化 2013 11 29 29 2 外回路的分析与整定 内回路整定后 外回路等效为 1 WW G01 s H IH0 H 内回路 为一个单回路 可按单 回路整定方法整定外回路 外回路的分析 若将 HG01 s 作为广义调节对象 则外回路的调 节器是一个等效调节器 它由内回路等效而来 其传 递函数为 11 R W W W G 等效比例带 为比例调节器 能 源 与 动 力 工 程 学 院 School of Energy Power Engineering 华中科技大学本科生专业课程 热工过 程自动化 2013 11 29 30 外回路的整定 外回路调节器只有一个整定参数 W W W 且只 由 W决定 W是一个确定的常数 因此 外回路的整定就是确 定 W 整定方法 计算 W W W 并将其设 臵到分流器中 系统稳定后 施加阶跃扰动 观察被调量 H的变化 满足品质要求 修改分流器中 W的值 W增加 H的 提高 e 增加 消除慢 emax增大 完 成 n y 按图表法 或衰减曲线法 等 预选等效调节器 W值 开始 修改 PI调节器的 使内回路 的等效比例带 W不变 保证内回路的整定结果 能 源 与 动 力 工 程 学 院 School of Energy Power Engineering 华中科技大学本科生专业课程 热工过 程自动化 2013 11 29 31 3 前馈通道的分析与整定 前馈通道的分析 1 WW G01 s IH0 H 内回路 GD2 s D D D ID 前馈通道 D信号为前馈信号 未 构成闭合回路 其大小 不影响系统的稳定性 以 D信号作为前馈信号主要是减小或消除 虚假水位 产生误动作带来的不良影响 前馈通道由 D D和整个外回路组成 当内 外回 路整定完毕后 前馈通道只有一个整定参数 D D是一个确 定的常数 能 源 与 动 力 工 程 学 院 School of Energy Power Engineering 华中科技大学本科生专业课程 热工过 程自动化 2013 11 29 32 按照前馈调节 以扰制扰 的原则 D扰动时 前馈调 节使 H基本不变 则有 0 2 0 1 02 01 1 DD WW WW D D G s G s Gs Gs D为一复杂函数 非一简单系数 难以实现 不可 完全补偿 另外 从静态角度分析 由于 PI调节器有四个输入信号 IH IH0 ID IW 要想使系统的 静态偏差 为零 IH IH0 必须满足 IH IH0 ID IW 0 即 ID IW D D D W W W 1 WW G01 s IH0 H 内回路 GD2 s D D D ID 前馈通道 能 源 与 动 力 工 程 学 院 School of Energy Power Engineering 华中科技大学本科生专业课程 热工过 程自动化 2013 11 29 33 前馈通道的整定 由于实际生产过程允许 H在一定范围波动 在不易实现 完全补偿 时 D的整定以消除 静态偏差 为主 即满足 D D D W W W 静态时有 D W 通常设 D W 所以取 D W 前馈通道的分流器系数 D整定 必须与内回路分流 器系数 W相等 才能保证 H静态无差 能 源 与 动 力 工 程 学 院 School of Energy Power Engineering 华中科技大学本科生专业课程 热工过 程自动化 2013 11 29 34 单级三冲量给水自动调节系统整定实例 1 确定测量变送器及执行机构的特性 一台 230t h超高压锅炉采用 DDZ 型电动单元组合仪 表 仪表标准信号为 0 10mA 构成单级三冲量给水自动调 节系统 需对此按 0 75和 静态无差 要求进行整定 汽包水位变送系数 H确定 设汽包水位在 100mm范围内变化 对应 0 10mA 则 H 10 200 0 05 mA mm 能 源 与 动 力 工 程 学 院 School of Energy Power Engineering 华中科技大学本科生专业课程 热工过 程自动化 2013 11 29 35 给水流量和蒸汽流量变送器系数 由负荷变化 230t h范围对应变送器输出 0 10mA 则 D w 10 230 0 043 mA t h 执行机构特性测试 将执行器与给水调节阀合在一起 测试得 KzK 3 1 t h 2 确定对象动态特性 测试给水流量阶跃扰动下汽包水 位的动态特性 如图中曲线 由 响应曲线作图可求得 11 s 0 03 mm s t h G01 s H s W s 0 03 s 11s 1 能 源 与 动 力 工 程 学 院 School of Energy Power Engineering 华中科技大学本科生专业课程 热工过 程自动化 2013 11 29 36 测试蒸汽流量阶跃扰动下汽包水位的动态特性 如图中 曲线 由响应曲线作图可求得 K 0 7 mm s t h T 8 s G02 s 0 7 8s 1 0 03 s 按内回路整定方法 任取 w 整定调节器的 Ti 现场整定试验确定 PI KZ K W W IW IT 内回路 W I 3 整定内回路参数 TI和 W Ti 8s W w 1 2 注 尚需根据外回路整定的 W予以调整 能 源 与 动 力 工 程 学 院 School of Energy Power Engineering 华中科技大学本科生专业课程 热工过 程自动化 2013 11 29 37 4 整定外回路参数 W 内回路等效为外回路的 纯 P调节器 其比例带为 W w w 由于已知的外回路调节对象 G01 s 的特性未包含 H 此时外回路的等效比例带为 外 w w H 则 w H w 0 384 38 4 1 WW G01 s H IH0 H 内回路 外回路 外 w w H 且已知的 G01 s 为无自平衡能力对象 对于纯 P调节器 查表 6 3得 能 源 与 动 力 工 程 学 院 School of Energy Power Engineering 华中科技大学本科生专业课程 热工过 程自动化 2013 11 29 38 6 最后整定结果 调节器比例带 1 2 w 0 461 46 1 调节器积分时间 TI 8 s 分 流 器 系 数 D w 0 384 5 整定前馈通道参数 D 按照 静态无差 的汽包水位调节要求 应取 D w 0 384 1 WW G01 s IH0 H 内回路 GD2 s D D D ID 前馈通道 已知给水流量和蒸汽流量变送器系数相等 即 D w 能 源 与 动 力 工 程 学 院 School of Energy Power Engineering 华中科技大学本科生专业课程 热工过 程自动化 2013 11 29 39 引入的 D信号不一定完全消除 虚假水位 的影响 效果有限 分流系数 W既影响内回路的特性 又影响外回路的 特性 即在系统整定时 内外回路相互影响 整 定不便 由于锅炉运行时 时有排污等工质消耗 往往 W D 会使系统稳态时 IW不一定等于 ID 从而使 IH不一定等 于 IH0 难以确保静态无差 准确难保 3 单级三冲量给水调节 系统存在的不足 为此 大型火电机组通常采用串级三冲量给水调节系统 能 源 与 动 力 工 程 学 院 School of Energy Power Engineering 华中科技大学本科生专业课程 热工过 程自动化 2013 11 29 40 三 串级三冲量给水自动调节系统 系统采用两个串联的调 节器 串级 三个测量信号 三冲量 H W D 构成 前馈 反馈双回路调节系 统 控制 H 与单级三冲量调节系统 相比 该系统仅多采用了一 个调节器 系统中各信号 各回路 的作用与 单级三冲量调节系 统相同 1 基本结构 如图所示 串级三调量给水调节系统 D 汽包水位 测量装置 调节机构 W 水位给 定值 H0 H 蒸汽流量 测量装置 给水流量 测量装置 主调节器 副调节器 执行机构 能 源 与 动 力 工 程 学 院 School of Energy Power Engineering 华中科技大学本科生专业课程 热工过 程自动化 2013 11 29 41 串级三冲量给水控制系统 SAMA图示 I V I I R T I V K K K I V V I MO T A FT FT LT H K D W PI调节器 P调节器 设定 切换 手操 能 源 与 动 力 工 程 学 院 School of Energy Power Engineering 华中科技大学本科生专业课程 热工过 程自动化 2013 11 29 42 2 串级三冲量给水调节 系统分析与整定 串级三冲量给水调节系统原理框图如下 两个反馈信号 W H 两个回路 内回路 外回路 一个前馈信号 D 一个前馈通道 D D 内回路 G01 s 前馈通道的调节不影响系统的稳定性 H P GD2 s GD1 s KZ K D W W H D IH IW I IT H1 H2 D I D 内回路 外回路 前馈通道 串级三冲量给水调节系统原理框图 W IH0 分流器 被调对象 调节器 测量变送器 执行机构 调节机构 PI 能 源 与 动 力 工 程 学 院 School of Energy Power Engineering 华中科技大学本科生专业课程 热工过 程自动化 2013 11 29 43 1 内回路的分析与整定 当 W侧产生自发性扰动 如给水压力 时 内回路迅 速动作 及时消除扰动影响 使被调量 H 基本不 受自发性扰动的破坏 当其它扰动因素破坏 H平衡时 内回路快速响应 及时调节 W 减小被调量 H 的偏离 内回路的调节任务依然是 内回路的传递函数 副调 节器 KZ K W W IW IT 内回路 W I 1 1 1 1 1 1 I z I I z W W I z z W W Ts KK TsWs TsIs KK Ts KK Ws Is KK 为 PI时 为 P时 能 源 与 动 力 工 程 学 院 School of Energy Power Engineering 华中科技大学本科生专业课程 热工过 程自动化 2013 11 29 44 0z W W I z W WK K T s K K 由上可得 内回路的特征方程 对于此一阶系统 无论 和 TI如何选取 内回路 都不会发生振荡 和 TI可以取很小 0z W WKK 当副调节器为 PI调节器时 若将 W归纳到调节器中 则等效调节器传递函数为 1 1 1 1 1 W R I n I Gs T s T s 等效比例带 当副调节器为 P调节器时 若将 W归纳到调节器中 则等效调节器传递函数为 1 W R n Gs 等效比例带 能 源 与 动 力 工 程 学 院 School of Energy Power Engineering 华中科技大学本科生专业课程 热工过 程自动化 2013 11 29 45 内回路的整定 整定目标 将内回路整定成一个能消除自发性扰动的 快速随动系统 比例环节 整定方法 取 W 1 或其它合适的值 再按单回路的整 定方法 整定副调节器的 副 和 TI副 对于 PI调节器 或 副 对于 P 调节器 最终使内回路具有快速随动 比例环节 特性 1 WW Ws Is 即 1 WW I W 能 源 与 动 力 工 程 学 院 School of Energy Power Engineering 华中科技大学本科生专业课程 热工过 程自动化 2013 11 29 46 2 外回路的分析与整定 内回路整定后 外回路等效为 为一个单回路 可按单 回路整定方法整定外回路 外回路的分析 外回路的调节器是一个等效调节器 其传递函数为 1 1 1 1 1 1 1 R W W I I G T s T s 等效比例带 为 PI调节器 1 WW G01 s H IH0 H 内回路 PI 该调节器的输入为 IH IH0 积分调节作用会保证静 态时有 IH IH0 主调节器实现了 无差调节 IH 能 源 与 动 力 工 程 学 院 School of Energy Power Engineering 华中科技大学本科生专业课程 热工过 程自动化 2013 11 29 47 外回路的整定 外回路有两个整定参数 TI TI 外回路 单回路 的整定 可按前述的 工程整定法 进行 为外回路的等效比例带 为调节器的比例带设置 可仅由 调整 无需调整内回路的 W W TI 为外回路的等效积分时间 TI 为调节器的 积分时间 设置 W W 1 WW G01 s H IH0 H 内回路 PI 能 源 与 动 力 工 程 学 院 School of Energy Power Engineering 华中科技大学本科生专业课程 热工过 程自动化 2013 11 29 48 3 前馈通道的分析与整定 前馈通道的分析 其系统结构和等效传递函数与单级三冲 量调节系统完全相同 其分析方法和结 论也基本一致 前馈通道的整定 D 的整定以克服 虚假水位 改善 调节的动态品质为主 可 D W 具体 数值依 虚假水位 的严重程度而定 1 WW G01 s H 内回路 GD2 s D D D ID 前馈通道 所不同的是该系统的 静态偏差 由主 调节器克服 并非依赖前馈通道的 D 能 源 与 动 力 工 程 学 院 School of Energy Power Engineering 华中科技大学本科生专业课程 热工过 程自动化 2013 11 29 49 该系统结构相对复杂 但各调节器分工明确 任务比 较单纯 主调节器为水位调节器 它根据水位偏差 产生给水流量给定值 副调节器为给水流量调节器 它根据给水流量偏差控制给水流量 系统参数整定相对单级三冲量系统要容易些 内外 回路分别整定 无 W对内外回路的相互影响 该系统不要求稳态时给水流量与蒸汽流量测量信号严 格相等 D的整定可以大于 W 引入的 D信号能 十分有效地克服 虚假水位 的 影响 主调节器可严格保证稳态时汽包水位无静态偏差 其调节品质的 准确性 较高 3 串级三冲量给水调节 系统的特点 优于单级三冲量系统 现场广泛采用 能 源 与 动 力 工 程 学 院 School of Energy Power Engineering 华中科技大学本科生专业课程 热工过 程自动化 2013 11 29 50 7 4 给水调节系统实例 实例一 以下给出了两个给水 全程调节系统 机组运 行全过程 包括启 停 低负荷 满负荷 皆实现 给水自动调节的系统 给水全程调节系统皆 采用 汽动调速泵 电动 调速泵 调节阀 调节手 段 并设置了多个调节 回路 可根据运行工况 需要 切换到相应的调 节回路运行 参见 丁轲轲 主编 热工过 程自动调节 中国电力出版 社 2011第二版 思考 为何要对测量信号的准确性进行研究 为何要切换调节系统和调节机构 能 源 与 动 力 工 程 学 院 School of Energy Power Engineering 华中科技大学本科生专业课程 热工过 程自动化 1 测量信号的准确性 找出汽包水位 给水流量和蒸汽流量的测量准确性受影响 的原因 即 哪些物理量影响测量信号的 准确性 并找出它们之间的函数关系 在 设计调节系统时引入这些物理量 根据函 数关系在调节系统加以校正 2 调节系统的结构切换 在低负荷运 行时宜采用单冲量调节系统 在非低负荷 工况下 一般取满负荷的 25 左右为界 宜采用三冲量调节系统 解决的方法是在 调节系统中增加逻辑控制功能 2013 11 29 51 能 源 与 动 力 工 程 学 院 School of Energy Power Engineering 华中科技大学本科生专业课程 热工过 程自动化 2013 11 29 52 实例二 0 14 负荷阶段 单冲量调旁路阀开度 14 25 负荷阶段 单冲量调电动泵转速 25 35 负荷阶段 三冲量调电动泵转速 35 50 负荷阶段 三冲量 启动一台汽动泵 50 负荷以上阶段 三冲量 启动另一台汽动 泵 电动泵逐步退出 参见 高伟主编 计算 机控制系统 北京 中 国电力出版社 2000 能 源 与 动 力 工 程 学 院 课件制作 高伟