锅炉汽包给水串级三冲量控制系统分析.pdf

使用与维护 第3 3 卷2 0 1 5 年第2 期( 总第1 7 6 期) 锅炉汽包给水 串级三冲量控制系统分析 魏铭辰赵妍 ( 河北钢铁集团唐钢 自动化公司 河北钢铁集团唐钢长材部唐山0 6 3 0 0 0 ) 【 摘要】 介绍了锅炉串 级 三冲量控制系统的结构、 工作原理及其整定方法， 针对控制系统特点对其进行 的仿真试验表明： 串级三冲量给水控制系统可以及时消除负荷( 蒸气量) 变化和给水流量的干扰， 具有较好的调 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M A T L A B 仿真 An a l y z e o n Ca s c a d e Tr i p l e I mp u l s e Co n t r o l S y s t e m o f Bo i l e r S t e a m Dr u m W a t e r F e e d i n g W EI Mi n g - c h e n，ZHAO Ya n ( T a n g s t e e l A u t o ma t i o n C o m p a n y o f He b e i I r o n＆S t e e l G r o u p C o ． ． L t d ． ； L o n g S t e e l P r o d u c t D e p a r t me n t o f He b e i I r o n ＆S t e e l G r o u p ．T a n g s h a n 0 6 3 0 0 0 ) 【 A b s t r a c t ] P r e s e n t t h e s t r u c t u r e o f b o i le r c a s c a d e t ri p l e i m p u l s e c o n t r o l s y s t e m， w o r k i n g p ri n c ip le a n d t u ni n g me t ho d．Ac c o r d i n g t o t h e f e a t ur e o f c o n t r o l s y s t e m ，ma k e s i mu l a t i o n t e s t ．I t s r e s u l t s h o ws t h a t t h e c o n t r o l s y s t e m o f c a s c a d e t ripl e i mp u l s e wa t e r f e e di n g c a n e l i mi n a t e l o a d ／ s t e a m v o l u me v a r i a - t i o n a nd i nt e r f e r e n c e f r o m wa t e r f e e di n g f l o w，a n d t h e r e g u l a t i o n a c c u r a c y i s g o o d． Thu s t h e s a f e a n d r e - l i a b l e r u n n i n g o f u n i t i s e n s ur e d ． 【 K e y w o r d s ] B o i l e r w a t e r f e e d i n g ， t ri p l e i m p u l s e c o n t r o l s y s t e m， MA T L A B ， s im u l a t io n 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气的参 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 M W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 串级三冲量给水控制系统 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 冲量给水控制系统是一个有前馈补偿 的串级控制系统( 见图1 ) 。系统接收3 个信号： 水 位 H 、 蒸汽流量 D和给水流量 。水位 日是系统 的被控量信号 作用于主控制器人 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 ， 当水位 日上升时要减小给水流 W ； 当 日 调 节 图 1 串级三冲量给水控制系统示意 一 2 9 — 第3 3 卷2 0 1 5 年第2 期( 总第 1 7 6 期) 使用与维护 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 2 入 口处用负极性来表示 。 蒸气负荷信号 D是系统的前馈信号 ， 作用于 副控制器P I 1 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 日不变 ， 应使给水流量w 也增大； 反之亦然。故在副控制器人口处， 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 的内部扰动 ， 在 副控制器人 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 调节 ， 以保证水位无 静态偏 差， 主控制器的输出信号和给水流量、 蒸气流量信 号都作用到副控制器 ； 一般 副控制器采用 比例调 节 ， 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 当蒸气负荷改变时迅速控制 给水流量 ， 以保持给水流量和蒸气流量的平衡 ； 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见 图 2 。图中 ( s ) 为对象控制通道传递 函数 ； W o 。 ( s ) 为对象 负荷通道传递函数 ； ( s ) 为副控制器传递函数 ； I Vo：( s ) 为主控制器传递函数 ； ( s ) ， 。 ( s ) 分别 为给水流量 反馈装 置和蒸气流量 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 ；"1 3 。 为水 位 H 的设 定 ， ，^ y ， 分 别 为 H、 、 D信号的测量单元传递函数 ， 通常是常 数 ； 、 分别为给水流量信号的输 出信号和扰 动信号； 。 ， ， 分别为 D， ， 日信号的前 馈和反馈信号。 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 和一个前馈 回路 ： 外环 的作用是最终校正水位偏差； 内环的作用在于快 一 3 0 一 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： 日 r s 1 一 ( s ) ( 1 ) Iv o o ( s ) 一 詈 ( 2 ) 式 中： 丁 ——时间常数； ∈——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 ； S ——频域 ； —— 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 0～2 0s ： —— 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 环 ， 然后整定外环 ， 最后整定前馈回路。由于 内环 的等效对象( ， ) 近似为 比例环节 ， 外环控制 对象 W o ( s ) 至少为二阶环节， 两者惯性相差较大， 因此， 内环的控制比外环的控制过程快得多， 相互 影响小， 故内、 外环可以分别单独整定。设内外环 调节器均采用 P I 调节器控制规律 ， 其传递函数 ： 1， ， 1 、 w o( s ) 吉 【 H南J ( 3 ) 式中： ——P I 调节器 的积分时间 ； —— P I 调节器的比例系数。 1 ． 2 ． 1 内环的整定 设副控制器采用 比例积分调节 ( 也可采用纯 比例调节 ) ， 为保证 副回路 动作 的快速性 ， 给水 流 量反馈装置 ( s ) = O ／ ， 这样 = ， 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 6 和积分时 间 。 及反馈 系数 O d 。 整定要求是 ： 内环整定成为一快速随动系统 ， 即动 态中给水流量应迅速跟随输人信号的变化而变 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 ， 步骤是断开外环， 保持负荷稳定。 取 ≤1 0 s， 值 在 0～1 之 间 ，6 。 取 较 大 值。加大给水流量扰动， 观察 曲线， 调比例系数 使用与维护 第3 3 卷2 0 1 5 年第2 期( 总第 1 7 6 期) 由大到小 ， 得到 比较满意 的 曲线 。然后再加给 5 0 水 流量扰动 ， 调 由大到小 ， 直到得 出更 为满 意 的 曲线为止。这时， 6 ， 。 ， 之值就基本确 定 了。因为 = O t y ， 所以在主控器输出 v 的作 3 0 用下， 等效成一个比例环节。 箍 1 ． 2 ． 2外环的参数 整定 内回路等效为一快速随动系统 1 ／ c t 后， 外 1 0 回路也可看成一个单回路的P I 控制系统( 见图3 ) 。 等效主控器 ： ( s ) = — — 。 1 + l ( 4 ) I ( s ) J 式 中： 6 ——等效 比例系数 ， 6 = 。 图3 外回路等效框图 2 给水控制系统的 MA T L AB仿真 针对某汽包锅炉给水控制对象采用 S im u l i n k 进 行 仿 真 ， 该 汽 包 水 位 正 常 运 行 参 数 为 ： ∈=0． 0 37， k 2 3 ． 6， TI =3 05，y日=0 ． 03 3， ： 1 5 5， k ：4， D= =0． 08 3。 仿真结果曲线见图4 。 [ 上接第 2 8 页] 根据设计方案， 经仿真计算， 配置滤波器后将 使2 2 0 k V 总降各母线段电压总谐波畸变率和各次 电流谐波含有率有明显改善 ， 使变电所3 5 k V 侧折 算后的电压总谐波畸变率小于3 ． 2 ％， l 1 0 k V侧折 算后的电压总谐波畸变率小于2 ．9 l ％ 2 2 0 k V 侧的 电压总谐波畸变率为小于2 ．8 1 ％， 大大改善总降供 电系统的谐波环境 ， 满足供电系统电磁兼容相关 标准的要求 。 5 结语 只要供电系统中应用半导体整流设备 ， 企业 就存在非线性负荷， 使得设备在运转的同时向电 网释放了高次谐波， 影响了电网品质质量， 因此治 一 八扰 动 响 应 曲 线 ／ ＼ f 、／ — — 、 ／／ 外 应 曲 路 响应 曲线 0 1 O 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 l 0 0 0 仿 真响应 时间／ s 图4 仿真曲线 3 结束语 目前 ， 国内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 ( 蒸气 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 l 顾树生， 王建辉． 自动控制原理． 北京： 北京工业出版 社 ， 2 0 0 1 ． 【 2 】 黎兵 ， 李夔宁． 汽包锅炉串级三冲量给水控制系统 的 MA T L A B 仿 真冻 北 电力技术 ， 2 0 0 6 ． 【 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． 微计算机信息( 控制 自动化) ， 2 0 0 7 ． ( 2 0 1 4 - 0 3 - 1 4 收稿 ) 理谐波是企业改善电网环境的重要工作之一。针 对企业 内部轧钢变 电所高次谐波 的防治 ， 提 出了 治理方案， 方案中设计的滤波装置会抑制和减少 谐波对电网的影响， 可以优化供电系统的电能指 标 ， 为电网稳定运行起到积极作用。本方案对于 类似企业电网谐波治理在方法上提供技术参考。 参考文献 【 l 】 陆廷信． 供 电系统中的谐波分析测量与抑制． 北京： 机械工业 出版社 ， 1 9 9 0 ： 2 3 1 ． 【 2 ] 王兆安． 谐波抑制和无功功率补偿． 北京： 机械工业 出版 社 ． 2 0 0 9 ． ( 2 0 1 4 - 0 8 - 1 8 收稿 ) 一 31 —