汽包锅炉给水串级三冲量控制系统.pdf

第 1期 ( 总第 1 5 8 期 ) 2 0 1 0年 2月 机 械 工 程 与自 动 化 MEC HANI CAL ENGI NEERI NG AUT0M AT1 0N No1 Fe b 文章编号 ： 1 6 7 2 6 4 1 3 ( 2 0 1 0 ) 0 1 0 1 5 5 0 3 汽包锅炉给水 串级 三冲量控制系统 李晓燕 ，孙建平 ，李 伟 ，王立军 ，韩 猛s ( 1 华北 电力大 学 自动化系，河北 保定0 7 1 0 0 3 ；2 华能玉环 电厂，浙江 台州 3 1 7 6 0 0 ；3 国华三河 电厂 ，河北廊坊0 6 5 2 0 0 ) 摘要 ： 主要介 绍 了锅炉 串级三冲量控制系统 的结构、 工作原理及其 控制器 的整定 方法， 并针对此控制 系统 的特 点对其进行 了仿 真试验 。 仿真模拟结果说 明， 串级三冲量给水控制 系统可以及 时消除负荷( 蒸汽量) 变化和给水 流量的干扰 ，具有较高 的调节 质量 和调 节精度，能够保 障机组的安全稳定运行 。 关 键词 ：锅炉给水 ；三冲量控制 系统；MAT L AB仿真 中图分类号 ：TK2 2： TP 2 7 3 文献标识码 ：A 0 引言 锅炉是火电厂的主要设备之一 ，汽包锅炉的控制 任务是 ： 使供给汽轮机及其他设备 的蒸汽的参数值( 压 力、 温度等) 符合一定的要求 ；维持汽包水位在允许的 范围内； 保证燃料的经济性和维持一定的炉膛负压， 使 设备安全、经济地运行。 现今火电厂大型单元机组 中，锅炉的类型有 自然 循环汽包炉、多次循环强制汽包炉、低循环倍率炉和 强制循环纯直流炉。3 0 0 Mw 以下的单元机组多采用 汽包 炉 ； 3 0 0 MW 6 0 0 MW 亚 临界压 力机 组 ，国 内采 用较多的是低循环倍率炉和强制循环汽包炉 ；超临界 压力机组均采用直流锅炉 。 不论采用哪种类型的锅炉 ， 在给水、汽温、燃烧控制的基本方案设计中，它们很 多是相同或相近的。 1 串级 三冲 置给 水控 制 系统 对 于给水 控制 通道 迟延 和惯 性较 大 的锅炉 ，采 用 串级控制系统 。其控制质量较好 ，调试整定也 比较方 便 ，因此 ，在大型汽包锅炉上可采用 串级三冲量给水 控制系统 。 1 1 系统 的结构 和工 作原 理 串级三冲量给水控制系统示意见图 1 。这是一个 有前馈补偿 的串级控制系统 。系统接收 3个信号：即 水位 、蒸 汽 流量 D 和给 水流 量 。水位 H 是 系统 的被控量信号 ，作用于主控制器入 口，用 以见证水位 的最终偏差 ， 使其等于定值 。 相对于给水流量 而言， 收稿 日期 ：2 0 0 9 0 3 2 3 ；修 回日期 ：2 0 0 9 1 0 1 2 作者简介 ：李晓燕 ( 1 9 8 5 一 ) ， 女 ， 河北石家庄人， 在读硕士研究 生。 当水位 H 上升时要减小给水流量 ； 当 下降时， 应 增大给水流量 ，两信号作用方向相反，所以在主控 制 器 P I 。 入 口处用 负 极性 来 表示 。 过热器 给 水 管 道 图 1 串级 三冲量给水控制 系统示意 图 蒸汽负荷信号 D是系统的前馈信号 ， 作用于副控 制器 P I 人 口， 形成前馈控制通道， 其主要作用是为了 克服虚假水位现象 ，尽量减小控制过程中的水位动态 偏差 。 相对于控制变量 而言，当D增加时， 为了使 水 位 H 不 变 ， 应使 给水 流量 也 增 大 ； 反 之 亦然 。 故 在副控制器入 口处 ，D信号是正极性的。 给水流量信号 位于内回路闭环之内， 是反馈信 号 ，该信号的主要作用在于快速平衡来 自给水侧的内 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 5 6 机 械 工 程 与自 动 化 2 0 1 0年第 1 期 部扰动，在副控制器入 口的极性应为负极性。 给水控制的任务由两个控制器来完成，主控制器 采取 P I 控制规律 ， 以保证水位无静态偏差，主控制器 的输 出信号和给水流量、蒸汽流量信号都作用到副控 制器 ；一般 由副控制器采用比例规律，以保证内回路 的快速性 。副控制器的任务是消除因给水压力波动等 因素引起的给水流量的自发扰动及 当蒸汽负荷改变时 迅速控制给水流量，以保持给水流量和蒸汽流量的平 衡 ；主控制器的任务是校正水位偏差。 1 2 系统主 、副控 制 器参数 的分析 和整定 串级 三冲量给水 控制系统原理 图见 图 2 。图 中 W。 ( ) 为对象控制通道传递 函数 ； Wo o ( ) 为对象负荷 通道传递函数； W ( s ) 为副控制器传递函数； W ( ) 为 主控制器传递 函数； ( ) 、 W 。 ( ) 分别为给水流量 反馈装置和蒸汽流量前馈装置的传递函数 ； K 为执行 机构的传递函数， 通常是常数 ； 。 为水位 的设定值 ； y y 分别为 H、 、 D信号的测量单元传递函 数 ， 通常是常数； W 、 W 分别为给水流量信号的输出 信号和扰动信号； 。 、7 3 w 、 H分别为 D、 、H 信号 的反馈和前馈信号。 图 2 串级 三 冲 量 给 水 控 制 系 统 原 理 图 系统 中存在两个闭环和一个开环。外回路的作用 是最终校正水位偏差 ；内回路的作用在于快速平衡来 自给水方面的内扰 ；前馈回路的作用在于克服虚假水 位现 象 ，减 小控 制过程 中水位 的 动态偏差 。其 中控制 对象 的传递 函数 为 ： W o w( 一 。 ( 1 ) 0D ( ) 一 H ( 一 走 2 式 中 ： r 时间常 数 ； e 不考虑水面下汽泡体积变化， 只考虑物质 不平衡时的水位反应曲线的响应速度； 丁。 不考虑物质不平衡关系 ，只考虑给水流 量变化使水面下汽泡的体积变化所引起 的 水 位 变 化 的 时 间 常 数 ，约 为 1 0 s 2 O S； 。 不考 虑物 质不 平衡关 系 ，只考 虑 给水 流 量变化使水面下汽泡的体积变化，从而 引起的水位变化的放大系数。 串级三 冲量给水 控制系统的整定 首先整定 内回 路 ，然后整定外回路，最后整定前馈回路 。由于内回 路的等效对象( K ) 近似为比例环节 ， 外回路控制对 象 ( s ) 至少 为二 阶环节 ， 两者 惯性 相差较 大 ， 因此 ， 内回路的控制比外 回路的控制过程快得多，相互影响 小，故内、外 回路可以分别单独整定。 设主、 副控制器均采用 P I 控制规律 ， 其传递函数 为 ： ) 一 吉 ( 1 + ) 。 ( 3 ) 式 中 ：丁 控制 器 的积分 时 间 ； 控 制器 的 比例 带 。 1 2 1 内 回路 的整定 设 副控制器采用 比例积分规律( 也可采用纯 比例 规律) ， 为保证副回路动作 的快速性 ， 给水流量反馈装 置W ( ) ： = = a ， 这样7 3 一 。 视等效对象 Kv 为比 例环节， 需要整定的参数为副控制器的比例带 和积 分时间 7 1 及反馈系数 。 整定要求是 ： 内回路整定成 为一快速随动回路，即动态 中给水流量应迅速跟随输 入信号的变化而变化 ，并及时消除给水流量的自发扰 动 ；同时 ，给水流量应保持基本不振荡。通常采用试 验法整定 ，步骤是断开外回路 ，保持负荷稳定。 取 7 T 1 0 S ， 0 t w值在O 1之间， 。 取较大值。 加 大给水流量扰动，观察 曲线 ，调比例带由大到小， 得到比较满意的 曲线。 然后再加给水流量扰动 ， 调 a 由大到小 ，直到得 出更为满意的 曲线为止。这 时， 、T 口 之值就基本确定了。因为口 一， ) ， W ， 所以在主控器输出 的作用下 ， 等效成一个比例环节。 1 2 2 外回路的参数整定 内回路等效为一快速随动系统后 ，外回路可用图 3 表示 ，外回路也可看成一个单回路的 P I 控制系统。 图中 “ -： 寺 ”为快速内回路的等效环节。 图 3 外 回路等效框 图 等效主控器为 ： ) 一 1 ( 】 + ) 式 中： 等效 比例带 ， 一 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年 第 l 期 李晓燕，等 ：汽包锅 炉给水 串级三冲量控制 系统 1 5 7 外回路的参数整定就是整定 、 T 、 的问题 。 7 T 、 根据控制对象控制通道特性 ( s ) 和寺、 ， 按 ut ， ， ， U 单回路整定法进行整定 。为使水位校正过程平稳 ，取 整 定指标 O 9 。Wo ( s ) 是 已知 的 ( 对 象的动 态特 性) ，用 动态参数法整定 控制器参数 。经验公 式为 ： - - 1 ，Ti -3 3 r 。 可 以推 出 ： 一 ， 7 一 3 3 r 。由此可知， 。 C q ， 而 O C ， 即 ， 对外、 内 回路控制质量的影响正好相反 。 一 般 取 W驯( s ) 一 =1 ， 这样 只需 要整 定 、 T 、T 即可 。于 是得 到 ： 一 一 ，7 =丁 一 ， 一 3 3 。 1 2 3 分析 和整 定 前馈 回路 ( 蒸 汽 流 量前 馈装 置 ( ) 的确 定 ) 整定好主、副回路后 ，串级三冲量给水系统见图 4。 图 4 串级 三 冲 量 给 水 系统 框 图 ( ) 按蒸汽流量扰动时使水位不发生变化的原 则来整定 ，即按完全补偿原则整定前馈通道 ，则有 ： 一 、 ， ( ) ： 一 O L w I W W 0D( ) 。 ( 5 ) ， D 若 克服 了虚 假水 位现 象 ，减小 控制 过程 中水 位 的 动 态 偏 差，前馈 通 道 可 以 只考 虑静 态 补偿 ，且使 o D ( ) 与W ( ) 的静态比值为一常数， 因此有： V W b D ( ) 一 一 K。 ( 6 ) ，D 此时 ， W 。 ( ) 是 比例性质。K 是虚假水位现象决定 的 常数， 虚假水位现象严重时 ， K 值大， 反之 K值小。 负 号表示前馈控制作用的方向与虚假水位的变化方 向相 反。当 “ 虚假水位现象”为一般 ( 中等) 时， 为 了实现前 馈装置， 取 加( ) 一O d ( 0 t d 为扰动前馈系数) ，0 ： d 对于虚假水位不严重的锅炉，可加大蒸汽流量信号的 前馈作用 ，以补偿它对实际水位的扰动作用。此时可 取 。若令 f： L 值K一 ，一般取K一1 2 。 u1 u 负荷开始变化时 ，为使蒸汽流量信号更好地补偿 虚假水位 ，一般适 当加强蒸汽流量信号 ，使蒸汽流量 信号高于给水流量信号，即令K1 。但应该指出的是 在负荷扰动时 ， 水位最大偏差数值决定于扰动大小、 扰 动速度和锅炉特性 ，蒸汽流量加强后 的控制作用对它 的影响不大。所 以，加强蒸汽流量信号的主要作用只 是减少控制过程持续的时间，因此蒸汽流量信号不宜 过分加强。 2 给 水控 制 系统 的 MA T L A B仿真 针对某汽包锅炉给水控制对象采用 S i mu l i n k进 行仿真 ，该汽包水位正常运行参数为 ： e 一 0 0 37； k2 3 6； T1 = 3 0 S；y H一 0 0 3 3； T2 1 5 S； K 一 4； D一 7 一 0 0 8 3。 仿真结果 曲线见图 5 。 图 5仿真 曲线 3结 束语 目前 ，国内 3 0 0 Mw 火力发电机组普遍采用大型 汽包锅炉，其给水控制通道的迟延和惯性较大。仿真 模拟结果说明，串级三冲量给水控制系统可以及时消 除负荷( 蒸汽量) 变化和给水流量的干扰，具有较高的 调节质量和调节精度 ， 能够保障机组的安全稳定运行 。 参考文献 ： 1 王付生 电厂热 工 自动 控制 与保护 E M 北京 ： 中国电力 出版社 ， 2 0 0 5 E 2 谷俊杰 ， 彭学 志， 朱予东 ， 等 热工控制 系统 M 保定 ： 华 北 电力大学 出版社 ， 2 0 0 2 3 边立秀 ， 周俊霞 ， 赵劲松 ， 等 热工控制 系统 M 北京 ： 中 国电力 出版社 ， 2 0 0 2 E 4 黎 兵 ， 李 夔 宁 汽 包 锅 炉 串级 三 冲 量 给 水 控 制 系 统 的 MA TL AB仿真E J 东北 电力技术 ， 2 0 0 6 ( 6 ) ： 2 1 2 3 5 3 黄永红 ， 李念平， 石阳春 基于遗传优化的汽包锅炉给水控制 系统133 微计算机信息( 控制 自动化) ， 2 0 0 7 ( 2 3 ) ： 3 - 5 ( 英 文摘 要转 第 1 6 O页) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 1 0年第 1期 三环调速系统中，电流变化率 内环的主要作用是 利用饱和非线性控制规律使动态电流按最大允许变化 率来变化 。在电动机启动的初期和后期 ，电流环能够 | 。 i 。 | i t s 图 6 电网扰动下三环 系统的转速变化曲线 2 O 1 6 1 2 8 4 O r j 、 _ | Q 4 n 8 1 2 1 6 t S 图 7 负载扰动下系统的电流变化曲线 O 快速地上升或下降，这样能够提高系统的快速性。通 过仿真表明，三环调速系统不仅提高了系统的启动速 度 ，而且可 以有 效地 克服负载 和 电网扰 动 的影 响 ，并 且这些扰动参数变化的影响也 明显地受到了抑制。 参考文献 ； | | | l | t s 图 8 负载扰动下系统的转速 变化 曲线 1 王小平 ， 曹立名 遗传算法理论与应用 M 西安： 西安交 通 大学 出版社 ， 2 0 0 2 2 刘 金琨 先进 P I D 控制 Ma t l a b仿 真 M 第 2 版 北 京： 电子工业 出版社 ， 2 0 0 4 I- 3 边立秀 热工控制系统 M 北京： 中国电力出版社 ， 2 0 0 2 4 韩 曾晋 自适应控制 M 北京 ： 清华大学出版社， 1 9 9 5 5 李 建更 直 流锅 炉单 元机 组 热工 自动控 制 系统 的研 究 D 保定 ： 华北 电力大学 ， I 9 9 5 ： 1 1 1 1 1 5 S i m u l a t i o n o f t he Th r e e l o o p Co nt r o l S y s t e m wi t h Cu r r e n t Ch a ng e Ra t e ZHANG Xi n yn， W ANG W e n l a n ( El e c t r i c Po we r Co l l e g e ，I n n e r M o n g o l i a Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y，Ho h ho t O 1 0 0 8 0，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：I n ma n y s p e e d c o n t r o l mo d e s， t h r e e l o o p c o n t r o l s y s t e m i s t h e b e s t me t h o d A t h r e e l o o p s p e e d c o n t r o l s y s t e m i s f o r me d b y a c u r r e n t a n d s p e e d d o u b l e c l o s e d l o o p DC c o n t r o l s y s t e m c o u p l e d wi t h a l o o p o f c u r r e n t c h a n g e r a t e I n t h i s p a p e r ，t h e t h r e e l o o p c o n t r o l s y s t e m i s s i mu l a t e d b y u s i n g M ATLAB Th e r e s u l t s s h o w t h e o v e r a l l p e r f o r ma n c e o f t h e s y s t e m h a s b e e n g r e a t l y i mp r o v e d Ke y wo r d s ；s p e e d a n d c u r r e n t d u a l c l o s e d l o o p； t h e i n n e r r i n g o f c u r r e n t c h a n g e r a t e：s i mu l a t i o n ( 上接 第 1 5 7页 ) Fe e dwa t e r Co n t r o l S y s t e m Ba s e d o n Ca s c a d e Thr e e p a r a me t e r Co nt r o l f o r Dr u m Bo i l e r LI Xi a o y a n ，S UN J i a n p i n g ，L I We i ，WANG Li j u n ，HAN M e n g 。 ( 1 Au t o ma t i o n Co n t r o l De p a r t me n t ，No r t h China El e c t r i c Po we r Un i v e r s i t y，B a o d i n g 0 7 1 0 0 3，Chi n a；2 ，Hu a n e n g Yu hu a n Po we r Pl a n t ，Ta iz h o u 3 1 7 6 0 0，Ch i n a； 3 ， Gu o h u a Sh a nh e Po we r Pl a n t ， La n g f a n g 0 6 5 2 0 0 Ch i n a ) Ab s t r a c t ： Th i s p a p e r ma i n l y i n t r o d u c e s t h e s t r u c t u r e ， wo r k i n g p r i n c i p l e a n d c o n t r o l l e r t u n i n g me t h o d o f b o i l e r c a s c a d e t h r e e p a r a me t e r c o n t r o l s y s t e m An d t h e c h a r a c t e r i s t i c o f t h i s c o n t r o l s y s t e m i S s i mu l a t e d Si mu l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e c o n t r o l s y s t e m c a n e l i mi n a t e t h e i n t e r f e r e n c e c a u s e d b y l o a d( s t e a m v o l u me )c h a n g e s a n d wa t e r f l o w，b e a b l e t o g u a r a n t e e s a f e a n d s t a b l e o p er a t i on of ge n e r a t i ng u ni t s Ke y wo r d s ：b o i l e r f e e d wa t e r ；t h r e e p a r a me t e r c o n t r o 1 s y s t e m ； M ATLAB s i mu l a t i o n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m