串级三冲量给水控制系统

许燕永/内蒙古乌海热电厂

串级三冲量给水控制系统

许燕永/内蒙古乌海热电厂

汽包锅炉给水及水位自动控制系统是锅炉安全运行中十分重要的组成部分，汽包水位的变化反映了锅炉负荷和给水量的关系。维持汽包水位是保持机组安全运行的重要条件，给水调节的任务是使给水量适应锅炉蒸发量，并使汽包水位波动在允许的范围内。为了保证给水系统的安全可靠，设计串级三冲量给水控制系统。串级三冲量给水控制系统两个调节器任务不同，参数整定相对独立。副调节器的作用是当给水扰动时，迅速动作使给水量保持不变，当蒸汽流量扰动时，副调节器迅速改变给水量，保持给水和蒸汽平衡。主调节器的任务是校正水位，这比单级三冲量控制系统的工作更为合理。故串级系统比单级系统要好一些。工业锅炉的汽包水位是正常运行的重要指标之一，水位过高，产生蒸汽带水现象，影响用汽单位的正常生产。汽包水位过低，会影响锅炉的汽水自然循环，如不及时调节，就会使汽包里的水全部汽化，可能导致锅炉烧塌和爆炸事故。因此，锅炉运行中，保持汽包水位在一定范围是十分重要的自动控制问题。

为了保证给水系统的安全可靠，我们常用的方法有以下三种基本结构：单冲量调节系统结构、单级三冲量调节系统结构、串级三冲量调节系统结构。由于大型汽包锅炉的控制对象具有给水内扰动态特性延迟和惯性大的特点，且无自平衡能力，给水控制系统若采用以水位为被调量的单回路系统，控制过程中水位将出现较大的动态偏差，给水流量波动较大，应此，应考虑采用三冲量给水控制系统方案。采用串级控制系统将具有更好的控制品质，调试整定也比较方便，故在大型汽包炉上可采用串级三冲量给水控制系统。串级三冲量给水控制系统的原理如下图所示。串级三冲量给水控制系统原理方框图

这个系统中使用了两个调节器，构成串级控制系统。为保证被调量无静差，主调节器采用PI控制规律，副调节器采用PI或P控制规律，副调节器接受三个输入信号，信号之间有静态配合问题，但系统的静态特性由主调节器决定，因此蒸汽流量信号并不要求与给水流量信号相等。

副回路的作用主要为快速消除内扰，主回路用于校正水位偏差，而前馈通路则用于补偿外扰，主要用于克服虚假水位现象。

除此之外，我们再分析一下调节器的选择，调节规律是指调节器输出信号与其输入信号之间的动态关系，从理论上说可有各种形式的函数关系，然而在实践中总结出三种基本调节关系，广为采用。这三种基本调节规律就是比例调节规律、积分调节规律、微分调节规律。三种调节规律的组合可设计出多种调节规律的调节器，如比例调节器、比例积分调节器、比例积分微分调节器等。调节器作为控制系统组成部分之一，其动态特性对控制过程有着很大的影响，因为对象的特性是不容易改变的。

比例调节规律的特点是控制及时，控制作用贯穿整个调节过程，因此它是基本的调节作用。然而比例调节不能保证系统无差。积分作用可以实现无差调节，只要偏差存在，积分控制作用一直增加。但是，具有积分调节规律的调节器不能完全消除偏差。比例积分调节规律要比纯积分调节规律优越得多。微分调节规律是调节器输出的控制作用与其偏差输入信号的变化速度成正比。微分调节作用的大小仅与偏差信号的变化速度有关，而与偏差值大小无关。因此对象在受到较小的扰动后，被调量变化量及变化速度都将很小，微分作用调节器同时由于自身动作的不灵敏区的存在而始终不动作；这样经过一段时间后，偏差将积累成一个较大的值。就是说纯微分作用的调节器是不能单独使用的，微分作用要与比例作用或比例积分作用相结合，形成比例微分调节规律或比例微分积分调节规律。微分作用的引入使系统控制过程的稳定性和准确性都得以提高，但它不能像积分作用那样消除稳态偏差。

比例调节作用是最基本的调节作用，而积分和微分作用为辅助调节作用。比例作用贯彻于整个调节过程之中，积分作用则体现在调节过程的后期，用于消除静态偏差，微分调节作用则体现在调节过程的初期。

调节器选择好了，我们再进行主、副调节器的参数整定，在串级三冲量给水控制系统中，副回路是pl一个调节器，一般用试探法整定副回路的和。主回路参数整定是把副回路等效成一个比例环节，然后用经验公式进行整定；前馈通路的 n选择是基于“虚假水位”而定的。它主要是为了补偿“虚假水位”现象。下面分别对它们进行参数整定。

副回路可看作一个随动系统，把调节阀和普通管道系统作为被调对象，则作为K以外的环节都作为等效调节器。

环节，所以调节器的比例带和积分时间都可以整定得很小，实际应用中，、可通过试验获得；因此副回路也是整定δ/n和的问题，一般也用试探法求得。

主回路等效图

所以

由此可得量的关系：

总之，三冲量控制系统是在双冲量控制系统的基础上引入给水流量信号，利用水位、蒸汽流量和给水流量三个参数进行液面控制。在这个控制系统中，汽包水位是被控量，是主冲量信号；蒸汽流量、给水流量是两个辅助冲量信号。该控制系统经过给水流量和蒸汽流量扰动下的仿真实验，能有效地克服虚假水位和给水干扰对控制系统的影响。极大地提高了控制系统的性能，改善了高压汽包的运行状况，使高压汽包的液位波动很小，液位控制非常平稳。

[1]李遵基：热工自动控制系统，北京：中国电力出版社，1997：113-134.

[2]胡寿松：自动控制原理，北京：科技出版社，2001:214-266.

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