電廠鍋爐汽包水位控制的調節信號與系統

孔國權

[摘要]鍋爐發電工業生產過程中必不可少的重要的動力設備。鍋爐汽包水位是鍋爐最重要的參數之一,對電廠鍋爐汽包水位控制的調節信號和單級串級控制系統進行介紹。

[關鍵詞]鍋爐汽包水位控制調節信號

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

給水調節系統的被調參數是汽包的水位H,調節機構是給水調節閥,調節流量是給水流量G。對汽包水位調節系統產生擾動的因素有蒸發量D、爐膛熱負荷燃料量M、給水量G由于給水調節對象沒有自平衡能力,又存在滯后,可以采用閉環調節系統。

一、調節信號的選擇

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

(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,即水位測量信號經變送器送到水位調節器,調節器根據汽包水位測量值與給定值的偏差去控制給水調節閥,改變給水量以保持汽包水位在允許的范圍內。單沖量控制結構簡單,是典型、的單回路定值控制系統。在汽包內水的停留時間較長,負荷又比較穩定的場合,這樣的控制系統再配上一些聯鎖報警裝置,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成的鍋爐汽包水位自動控制系統。雙沖量控制引入蒸汽流量前饋信號可以消除“虛假水位”現象對控制的不良影響。當負荷蒸汽量變化時,就有一個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”現象而造成的錯誤調節動作,這樣,使控制器在一開始就向正確的方向動作,這就大大減小了給水流量和汽包液位的波動,縮短了過渡過程的時間,系統的動態性能得到改善。

當靜態前饋系數等于節器的比例度時,雖然調節器選用比例規律,系統的靜態特性也可以是無差的,呈現一條水平線。由此可見,控制系統的無差特性并非一定要用積分調節規律,采用多沖量控制用比例調節規律,也可以得到系統無差的靜態特性。雙沖量控制由于有以上特點,所以能在負荷變化頻繁的工況下較好地完成水位控制任務。在給水壓力比較平穩時,采用雙沖量控制是能夠達到控制要求的。雙沖量水位自動控制系統存在的問題是:控制作用不能及時地反映給水方面的擾動,當給水量發生擾動時,要等到汽包水位信號變化時才通過調節器操作執行器調節,滯后時間長,水位波動較大。因此,對于給水母管壓力經常有波動,給水調節閥前后壓差不能保持正常時,不宜采取雙沖量控制。因為雙沖量控制系統不能做到靜態補償以及不能對給水系統干擾及時克服。

(三)三沖量水位控制。三沖量水位控制系統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。三沖量控制系統采用蒸汽流量信號對給水流量進行前饋控制,當蒸汽負荷突然發生變化,蒸汽流量信號使給水調節閥一開始就向正確方向移動,即蒸汽流量增加,給水調節閥開大,抵消了由于“虛假水位”引起的反向動作,因而減小了水位和給水流量的波動幅度。當由于水壓干擾使給水流量改變時,調節器能迅速消除干擾。如給水流量減少,調節器立即根據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節器動作后的反饋信號,能使調節器及早知道控制的效果,所以三沖量給水控制系統與單沖量控制系統和雙沖量控制系統相比,它的調節器動作快,還可以避免調節過頭,減少波動和失控。這樣,汽包水位就很少受到影響。

從系統組成可以看出,三沖量水位控制系統有兩個閉合回路:一是由給水流量W、給水分流器、調節器、調節閥組成的內回路;二是由汽包水位對象和內回路構成的主回路。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量,但不影響閉合回路工作的穩定性。所以三沖量控制的實質是前饋加反饋的控制系統。在三沖量水位控制系統里,內回路相當于串級控制的副環,當給水流量發生擾動時,由于副環回路的快速調節作用,對汽包水位影響較小。在分析內回路時可認為主回路是開路的,內回路是個隨動系統。如果把調節器以外的環節都看作是控制對象,那么控制對象的動態特性近似為比例環節。三沖量給給水控制系統的特點是:控制系統所有的設備少,結構簡單,給水流量調節動作平穩,整定方法易于掌握,一般情況下能滿足鍋爐生產控制的要求。

二、單級和串級控制系統的比較

單級三沖量水位控制系統的靜態特性不僅和調節器的動作規律有關,還取決于信號之間的配合關系,當給水量和蒸發量的分流系數不等時,系統就會有靜差存在。而這正是串能控制系統的優點,串級系統不僅具有一定的自適應能力,穩態偏差比單級的穩態偏差小得多。

在鍋爐控制改造設計中,考慮到現場負荷變化頻繁,為了得到比較好的動態性能和靜態性能,設計時我們考慮了如下功能:水位信號補償、雙信號取平均帶壞點切換、三沖量串級調節、硬手操切換跟蹤、測量參數和控制參數保護、系統顯示和運算均為工程量。控制系統為DCS系統,以給水反饋信號為控制量實現PID控制,同時,通過流量計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的前饋以迅速抵消內擾和外擾,最后控制變頻器的輸出來控制水泵轉速大小,從而實現對給水流量的控制。同時,汽包液位是設計系統安全的重要參數,因此液位控制系統還具有高低液位報警保護功能。我們在水位調節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象。也就是說:當水位在瞬間變化時,說明鍋爐負荷在變化,這樣,經過延時后,我們可以反映出水位的實際變化,以免引起不必要的誤動作。然后將實際水位變化,根據經驗公式轉化為所需的給水流量,送給給水流量PID的設定值。

在程序中我們還設計了當給水流量與蒸汽流量的差達到一定范圍時,使其輸出跟蹤現在的閥位反饋值,這樣就減少了超調現象的發生。當實際水位較高時,給水流量應減小,當給水流量一蒸汽流量小于等于設定值時,輸出保持。此時汽包水位逐漸降低,當偏差進入死區時,需回調給水流量,直至給水流量與蒸汽流量接近為止;當實際水位較低時,給水流量應增大,此時,給水流量一蒸汽流量大于等于設定值時,輸出保持。此時汽包水位逐漸升高,當偏差進行死區時,需減小給水流量,直至給水流量與蒸汽流量迫近為止。當反饋與輸出不一致時或調節效果不好時,軟件有判斷功能,我們在設計中設計了邏輯控制部分,將引起水位控制切手動的條件全部列出來,再利用PID的報警功能進行判斷,這就使系統操作簡單易懂。

參考文獻:

[1]李智勇、羅樵,電廠鍋爐汽包水位的測量[J].江西電力,1999,(03).

[2]董南萍,集散型計算機控制在工業鍋爐上的應用[J].計算機自動測量與控制,1999,(01).