电厂锅炉汽包水位控制的调节信号与系统

孔国权

[摘要]锅炉发电工业生产过程中必不可少的重要的动力设备。锅炉汽包水位是锅炉最重要的参数之一,对电厂锅炉汽包水位控制的调节信号和单级串级控制系统进行介绍。

[关键词]锅炉汽包水位控制调节信号

中图分类号:TM7文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)0710014-01

给水调节系统的被调参数是汽包的水位H,调节机构是给水调节阀,调节流量是给水流量G。对汽包水位调节系统产生扰动的因素有蒸发量D、炉膛热负荷燃料量M、给水量G由于给水调节对象没有自平衡能力,又存在滞后,可以采用闭环调节系统。

一、调节信号的选择

汽包水位控制的调节信号通常有三种:以水位为唯一调节信号的单冲量调节系统;以蒸汽流量和水位作为调节信号的双冲量调节系统;以给水流量、蒸汽流量和水位为调节信号的三冲量调节系统。

(一)单冲量水位控制。单冲量水位控制是以汽包水位测量信号为唯一的控制信号,即水位测量信号经变送器送到水位调节器,调节器根据汽包水位测量值与给定值的偏差去控制给水调节阀,改变给水量以保持汽包水位在允许的范围内。单冲量控制结构简单,是典型、的单回路定值控制系统。在汽包内水的停留时间较长,负荷又比较稳定的场合,这样的控制系统再配上一些联锁报警装置,也可以保证安全操作。

(二)双冲量水位控制。双冲量水位控制是以锅炉汽包水位测量信号作为主控制信号,以蒸汽流量信号作为前馈信号构成的锅炉汽包水位自动控制系统。双冲量控制引入蒸汽流量前馈信号可以消除“虚假水位”现象对控制的不良影响。当负荷蒸汽量变化时,就有一个使给水量与蒸汽量同方向变化的信号,可以减小或抵消由于外扰的“虚假液位”现象而造成的错误调节动作,这样,使控制器在一开始就向正确的方向动作,这就大大减小了给水流量和汽包液位的波动,缩短了过渡过程的时间,系统的动态性能得到改善。

当静态前馈系数等于节器的比例度时,虽然调节器选用比例规律,系统的静态特性也可以是无差的,呈现一条水平线。由此可见,控制系统的无差特性并非一定要用积分调节规律,采用多冲量控制用比例调节规律,也可以得到系统无差的静态特性。双冲量控制由于有以上特点,所以能在负荷变化频繁的工况下较好地完成水位控制任务。在给水压力比较平稳时,采用双冲量控制是能够达到控制要求的。双冲量水位自动控制系统存在的问题是:控制作用不能及时地反映给水方面的扰动,当给水量发生扰动时,要等到汽包水位信号变化时才通过调节器操作执行器调节,滞后时间长,水位波动较大。因此,对于给水母管压力经常有波动,给水调节阀前后压差不能保持正常时,不宜采取双冲量控制。因为双冲量控制系统不能做到静态补偿以及不能对给水系统干扰及时克服。

(三)三冲量水位控制。三冲量水位控制系统是以汽包水位为主控信号,蒸汽流量为前馈控制信号,给水流量为反馈控制信号组成的控制系统。三冲量控制系统采用蒸汽流量信号对给水流量进行前馈控制,当蒸汽负荷突然发生变化,蒸汽流量信号使给水调节阀一开始就向正确方向移动,即蒸汽流量增加,给水调节阀开大,抵消了由于“虚假水位”引起的反向动作,因而减小了水位和给水流量的波动幅度。当由于水压干扰使给水流量改变时,调节器能迅速消除干扰。如给水流量减少,调节器立即根据给水流量减少的信号,开大给水阀门,使给水量保持不变。另外,给水流量信号也是调节器动作后的反馈信号,能使调节器及早知道控制的效果,所以三冲量给水控制系统与单冲量控制系统和双冲量控制系统相比,它的调节器动作快,还可以避免调节过头,减少波动和失控。这样,汽包水位就很少受到影响。

从系统组成可以看出,三冲量水位控制系统有两个闭合回路:一是由给水流量W、给水分流器、调节器、调节阀组成的内回路;二是由汽包水位对象和内回路构成的主回路。蒸汽流量D及其蒸汽分流器均在闭合回路之外,它的引入可以改善控制质量,但不影响闭合回路工作的稳定性。所以三冲量控制的实质是前馈加反馈的控制系统。在三冲量水位控制系统里,内回路相当于串级控制的副环,当给水流量发生扰动时,由于副环回路的快速调节作用,对汽包水位影响较小。在分析内回路时可认为主回路是开路的,内回路是个随动系统。如果把调节器以外的环节都看作是控制对象,那么控制对象的动态特性近似为比例环节。三冲量给给水控制系统的特点是:控制系统所有的设备少,结构简单,给水流量调节动作平稳,整定方法易于掌握,一般情况下能满足锅炉生产控制的要求。

二、单级和串级控制系统的比较

单级三冲量水位控制系统的静态特性不仅和调节器的动作规律有关,还取决于信号之间的配合关系,当给水量和蒸发量的分流系数不等时,系统就会有静差存在。而这正是串能控制系统的优点,串级系统不仅具有一定的自适应能力,稳态偏差比单级的稳态偏差小得多。

在锅炉控制改造设计中,考虑到现场负荷变化频繁,为了得到比较好的动态性能和静态性能,设计时我们考虑了如下功能:水位信号补偿、双信号取平均带坏点切换、三冲量串级调节、硬手操切换跟踪、测量参数和控制参数保护、系统显示和运算均为工程量。控制系统为DCS系统,以给水反馈信号为控制量实现PID控制,同时,通过流量计测量蒸汽流量和给水流量,再以蒸汽流量和给水流量做控制系统的前馈以迅速抵消内扰和外扰,最后控制变频器的输出来控制水泵转速大小,从而实现对给水流量的控制。同时,汽包液位是设计系统安全的重要参数,因此液位控制系统还具有高低液位报警保护功能。我们在水位调节PID中,加适合锅炉变化特性的PID输出滤波,用以解决虚假水位现象。也就是说:当水位在瞬间变化时,说明锅炉负荷在变化,这样,经过延时后,我们可以反映出水位的实际变化,以免引起不必要的误动作。然后将实际水位变化,根据经验公式转化为所需的给水流量,送给给水流量PID的设定值。

在程序中我们还设计了当给水流量与蒸汽流量的差达到一定范围时,使其输出跟踪现在的阀位反馈值,这样就减少了超调现象的发生。当实际水位较高时,给水流量应减小,当给水流量一蒸汽流量小于等于设定值时,输出保持。此时汽包水位逐渐降低,当偏差进入死区时,需回调给水流量,直至给水流量与蒸汽流量接近为止;当实际水位较低时,给水流量应增大,此时,给水流量一蒸汽流量大于等于设定值时,输出保持。此时汽包水位逐渐升高,当偏差进行死区时,需减小给水流量,直至给水流量与蒸汽流量迫近为止。当反馈与输出不一致时或调节效果不好时,软件有判断功能,我们在设计中设计了逻辑控制部分,将引起水位控制切手动的条件全部列出来,再利用PID的报警功能进行判断,这就使系统操作简单易懂。

参考文献:

[1]李智勇、罗樵,电厂锅炉汽包水位的测量[J].江西电力,1999,(03).

[2]董南萍,集散型计算机控制在工业锅炉上的应用[J].计算机自动测量与控制,1999,(01).