摘要:本文介紹了鍋爐汽包水位的動態特性,單衝量、雙衝量、三衝量控制方案的特點及工程中需注意的問
題,著重介紹了汽包三衝量控制方案。
關鍵詞:汽包水位;動態特性;控制方案;單衝量;雙衝量;三衝量
引言汽包水位是鍋爐執行的主要指標,是乙個非常重要的被控變數,維持水位在一定範圍內是保證鍋爐安全執行的首要條件,這是因為: (1) 水位過高會影響汽包內汽水分離,飽和水蒸汽帶水過多,同時過熱蒸汽溫度急劇下降。該過熱蒸汽作為汽輪機動力的話,將會
損壞汽輪機葉片,影響執行的安全性與經濟性。(2) 水位過低,說明汽包內的水量較少,而當負荷很大時,水的汽化速度加快,則汽包內的水位變化速度亦隨之加快,如不及時調節,就會使汽包內的水全部汽化,導致爐管燒壞,甚至引起**。因此,鍋爐汽包水位必須嚴加控制。
1 汽包水位的動態特性
鍋爐汽水系統結構如圖1 所示。汽包水位不僅受汽包(包括迴圈水管) 中儲水量的影響,亦受水位下汽泡容積的影響。而水位下汽泡容積與蒸汽負荷蒸汽壓力爐膛熱負荷等有關。
因此,影響水位變化的因素很多,其中主要的因素是鍋爐蒸發量(蒸汽流量s) 和給水流量w。
1. 1 汽包水位在給水流量作用下的動態特性,見圖2 :
圖1 鍋爐的汽水系統
圖2 給水流量作用下水位階躍響應曲線
上圖所示是給水流量w 作用下,水位l 的階躍響應曲線。如果把汽包的給水看作單容量無自衡過程,水位階躍響應曲線如上圖l1 曲線。但由於給水溫度比汽包內飽和水的溫度低,所以給水流量w增加後,從原有飽和水中吸收部分熱量,這使得水位下汽泡容積有所減少。
當水位下汽泡容積的變化過程逐漸平衡時,水位就由於汽包中儲水量的增加而逐漸上公升,最後當水位下汽泡容積不再變化時,水位變化就完全反映了由於儲水量的增加而逐漸上公升。因此,實際水位曲線如圖中l 線。即當給水量作階躍變化後,汽包水位一開始不立即增加,而要呈現出一段起始慣性段。
給水溫度越低,時滯τ亦越大。
1. 2 汽包水位在蒸汽流量作用下的動態特性,見圖3 :
圖3 蒸汽流量作用下水位階躍響應曲線
在蒸汽流量s 擾動作用下,水位的階躍響應曲線如圖3 所示。當蒸汽流量s 突然增加時,從鍋爐的物料平衡關係來看,蒸汽量s 大於給水量w,水位應下降,如圖中曲線l1。但實際情況並非這樣,由於蒸汽用量增加,瞬間必然導致汽包壓力的下降。
汽包內水的沸騰突然加劇,水中汽泡迅速增加,由於汽泡容積增加而使水位變化的曲線如圖中l2 所示。而實際顯示的水
位響應曲線l 為l1 + l2。從圖上可以看出,當蒸汽負荷增加時,雖然鍋爐的給水量小於蒸發量,但在一開始時,水位不僅不下降反而上公升,然後再下降(反之,蒸汽流量突然減少時,則水位先下降,然後再上公升) ,這種現象稱之為「虛假液位」。應當指出的是:
當負荷突然變化時,水位下汽泡容積變化而引起水位的變化速度是很快的,一般為10～20 秒。「虛假液位」的變化幅度與鍋爐的汽包壓力和蒸發量有關。對於產汽量100t/ h230t/ h 的中高壓鍋爐,當負
荷變化10 %時「, 虛假液位」可達3040mm。「虛假液位」
現象屬於反向特性,變化速度很快,變化幅度與蒸發量擾動大小成正比,也與壓力變化速度成正比,這給控制帶來一定困難,在設計控制方案時,必須加以注意。
1. 3 汽包水位在爐膛熱負荷作用下的動態特性
當燃料量突然增加時,傳給鍋爐水的熱量也增多,上公升管的蒸發強度增大,使蒸發面下的汽泡膨脹,液位上公升,隨之蒸汽流量及汽包壓力增加,但是給水流量並沒增加,因而這種液位變化也屬於「虛假液位」。當熱量和水量在爐內重新達到平衡時,液位才慢慢回降。然而這種由於燃料量的突然變化引起的虛假液位比較小,而且熱負荷可由蒸汽壓力調節系統來保證,因而這種擾動的因素是次要的。
2 幾種鍋爐汽包水位的控制方案
2. 1 單衝量控制系統
單衝量控制系統(衝量一詞指的是變數,單衝量即汽包液位) 是採用汽包液位直接控制給水調節閥(如圖4 所示) ,它是汽包液位自動控制中最簡單最基本的一種形式,是典型的單迴路定值控制系統。該系統結構簡單投資少容易實現,用於小型低壓鍋爐。因為這種鍋爐的蒸汽負荷比較穩定,汽包的相對容積大,使用者對蒸汽的要求往往不十分嚴格,該控制系統若再配上一些報警聯鎖裝置,也可以滿足生產要求。
圖4 單衝量控制系統方框圖
在停留時間較短,負荷變化較大時,就不能採用單衝量液位控制系統。這是因為: (1) 負荷變化時產生的 「虛假液位」將使調節器反向錯位動作,負荷增大時反而關小給水調節閥,當閃急化平息下來時,會使水位嚴重下降,產生劇烈波動,調節的動態品質很差。
(2)負荷變化時,從負荷變化到水位下降再到調節閥動作,滯後時間太長,如果水位過程時間常數很小,偏差必然很顯著。(3) 給水系統擾動時,例如給水幫浦壓力變化,進水量立即變化,而到水位產生偏差時才使調節閥動作,同樣不夠及時。
2. 2 雙衝量控制系統
在汽包的水位控制中,最主要的擾動是負荷的變化,那麼引入蒸汽流量來校正,不僅可以補償「虛假液位」所引起的誤動作,而且使給水調節閥的動作及時,這就構成了雙衝量控制系統。從本質上看,雙衝量控制系統是乙個前饋(蒸汽流量fts) 加單迴路反饋控制系統構成的復合控制系統。加法器的輸出= pc ±λs ps+ 初始偏差。
如果高壓蒸汽供給蒸汽透平壓縮機,為保護裝置,給水閥宜選用氣開( f. c) 閥,當蒸汽流量加大時,給水流量亦要相應增加,此時選用氣開閥,加法器的輸出應增加,即λs 應該取正號。如果蒸汽作為工藝生產中的熱源時,為保護裝置,給水閥宜選用氣關(f.
o) 閥,當蒸汽流量加大時,給水流量亦要相應增加,此時選用氣關閥,加法器的輸出應減小,即λs 應該取減號。為了兼顧上述兩種要求,宜選帶保位裝置(f. l) 的給水閥,即事故狀態該閥停在原位。
初始偏差設定的目的是:正常負荷下,調節器和加法器的輸出都能有乙個比較適中的數值,最好在正常負荷下初始偏差與前饋(蒸汽流量fts)λs ps 項恰好抵消。
圖5 雙衝量控制系統方框圖
2. 3 三衝量控制系統
雙衝量控制系統有兩個缺點: (1) 調節閥的工作特性不一定完全是線性,這樣要做到靜態補償就比較困難; (2) 對於給水系統的擾動不能直接補償。為此將引入給水流量訊號,構成三衝量控制系統。
2. 3. 1 三衝量控制方案ⅰ———前饋(蒸汽流量) 加反饋(液位,給水流量) 控制系統該系統可看作三衝量的綜合訊號作為被控變數的單迴路控制系統,投運和整定與單迴路控制系統一樣,但是如果系統引數設定不能確保物料平衡,則負荷變化時,水位將有餘差。
關於係數λs 和λw的作用與設定:(1) 用來保證物料平衡即在△w = a △d 的條件下,蒸汽流量訊號λs △ps與給水流量訊號λw△pw應相等,依據這條原則,可以確定λs 和λw的比值。(2) 用來確定前饋作用的強弱從(1) 物料平衡中知道λs 與λw的比值,其大小應依據過程特性確定,λs 越大其前饋作用越強,則擾動出現時,調節閥開度的變化亦越大。
圖6 三衝量控制方案ⅰ方框圖
2. 3. 2 三衝量控制方案ⅱ———蒸汽流量前饋給水流量串級控制系統方案ⅱ與方案ⅰ相類似,僅是加法器位置從調節器前移至調節器後。
該方案不管λs 與λw 如何設定,當負荷變化時,液位可以保持無差,以改善負荷擾動下的調節品質。
圖7 三衝量控制方案ⅱ方框圖
加法器的輸出= ±pc ±λs ps ±λw pw
催化裂化裝置產汽及餘鍋汽包採用氣關( f. o) 式的保位給水閥,當蒸汽流量加大時,給水流量亦要相應增加,此時選用氣關閥,加法器的輸出應減小,即λs 應該取減號。當給水流量增加時,此時選用氣關閥,加法器的輸出應增大,即λw 應該取正號。
當液位公升高時(調節器為正作用) ,給水流量亦要相應減小,此時選用氣關閥,加法器的輸出應增大,即pc 應該取正號。
2. 3. 3 三衝量控制方案ⅲ———蒸汽流量前饋液位與給水流量串級控制組成的控制系統在汽包停留時間較短,「虛假液位」嚴重時,需引入蒸汽流量訊號的負微分作用,如下圖虛線所示。
所謂「負微分」是因為經過微分器訊號的作用方向與蒸汽流量訊號的作用方向相反。在蒸汽流量(負荷) 的階躍擾動下,由於負微分器的輸出訊號的作用,使給水流量向反方向變化,這就克服了虛假液位的影響,等到負荷穩定後「, 虛假液位」消失,負微分作用也將消失。這種負微分作用對靜態沒有影響,只起乙個動態前饋補償作用,以避免蒸汽負荷突然增加或減少時,水位偏離設定值過高或過低而造成鍋爐停車。
圖8 三衝量控制方案方框圖ⅲ
3 幾種控制方案的比較
單衝量液位控制是汽包液位自動控制中最簡單最基本的一種形式,是典型的單迴路定值控制系統,但它不能克服「虛假液位」的影響,而且沒有給水流量訊號的反饋,所以液位波動較大。雙衝量液位控制系統是在單衝量控制的基礎上,引進蒸汽流量作為前饋訊號。該控制系統的特點是:
引入的蒸汽流量前饋訊號可以消除「虛假液位」對調節品質的不良影響,當蒸汽流量變化時,就有乙個給水量與蒸汽量向同方向變化的訊號,可以減小或抵消由於「虛假液位」引起的給水量與蒸汽量反方向變化的誤動作,使調節閥從一開始就向正確的方向移動。因而大大減小了給水量與液位的波動,縮短調節的時間。而且引入的蒸汽流量的前饋訊號,能改善調節系統的靜特性,提高調節質量。
雙衝量液位控制系統適用於小型低壓而且給水壓力較穩定的鍋爐。當給水壓力經常有波動,給水調節閥前後壓差不易保持正常時,不宜採用雙衝量控制;另外在大型鍋爐的控制中,鍋爐容量越大,壓力越來越高,汽包的相對容水量就越小,允許波動的儲水量就更少。為了把液位控制平穩,在雙衝量液位調節的基礎上引入了給水流量訊號,由液位蒸汽流量和給水流量就構成了三衝量液位控制系統,在這個系統裡,汽包液位是被控變數,是主衝量訊號,蒸汽流量給水流量是兩個輔助衝量訊號。
三衝量液位控制系統抗干擾能力強,適用於大
中型中壓鍋爐。
三衝量控制方案ⅰ:方案ⅰ宜作為一般鍋爐液位的控制方案,其特點是使用的裝置少,整定方法比較簡單,調節機構動作比較平穩。
三衝量控制方案ⅱ:與方案ⅰ比較,其加法器從調節器前移至調節器後,即使出現物料不平衡的現象,只要液位有偏差,調節器的積分作用就能消除偏差。
三衝量控制方案ⅲ:採用這種控制方案,在負荷變化時給水流量會及時做出相應變化,調節時間也比較短,對於克服「虛假液位」的動態偏差有進一步的好處。
方案ⅲ適用於大容量高壓鍋爐,而且要求水位控制嚴格的場合。
4 工程中需要注意的問題
4. 1 關於汽包液位測量的問題
水位自動控制
例項二 水位自動控制 水位自動控制在生產 生活中應用很廣泛。控制水位的目的是為了防止水位過高而溢位。水位控制器通常是乙隻感測器，在未到預定水位時，感測器的開關是閉合的，電路接通，水幫浦工作 當水位到達預定位置時，則感測器的開關斷開，水幫浦失電停止工作。其梯形圖和指令如圖3 4所示。感測器的開關為x1...
四噸鍋爐自動控制
圖3 1鍋爐控制電路圖 圖3 2 鍋爐指示電路 圖3 3 鍋爐感測器電路圖3 4 鍋爐電極控制水位示意圖 上煤機用到兩台電機，分別為水平和豎直方向上的送煤，水平送煤電機把煤從煤堆運到鍋爐下，把煤倒入豎直送煤的煤斗中，再由豎直方向的煤斗把煤運到鍋爐的煤斗裡，完成上煤過程。兩台電動機的正反轉完成上煤的往...
複習自動控制
自動控制原理部分 一 填空題 5道，10分 提綱 自動控制 反饋 反饋控制本質 自動控制系統的基本要求 傳遞函式 零點 極點 串聯環節的等效傳遞函式 併聯環節的等效傳遞函式 典型輸入訊號有哪些 階躍響應效能指標 延遲時間td 上公升時間tr 峰值時間tp 調節時間ts 超調量 二階系統特點 過阻尼 ...