锅炉串级三冲量给水控制系统的MATLAB-仿真.doc

汽包锅炉串级三冲量给水控制系统的MATLAB 仿真摘要: 介绍了火力发电机组大型汽包锅炉串级三冲量给水控制系统的工作原理, 并在MATLAB 仿真环境中进行了模拟。关键词: 汽包锅炉; 给水控制系统; MATLAB1 给水控制系统概况 锅炉的汽包水位能够间接反映锅炉蒸汽负荷与给水量之间的平衡关系, 维持汽包水位正常是保证锅炉和汽轮机安全运行的必要条件。汽包水位过高, 会影响汽包内汽水分离装置的正常工作, 造成出口蒸汽水分含量过多, 导致过热器管壁结垢而被烧坏, 也使过热蒸汽温度急剧变化, 直接影响机组的稳定运行。汽包水位过低, 可能破坏锅炉水循环, 导致水冷壁管被烧坏。汽包锅炉给水控制系统的作用是使锅炉的给水量自动适应锅炉的蒸发量, 维持汽包水位在规定的范围内波动。汽包水位H 是汽包中储水量和水面下汽包容积的综合反映, 不仅受汽包储水量变化的影响, 还受汽水混合物中汽包容积变化的影响。其中主要的扰动为给水流量W、锅炉蒸发量D、汽包压力、炉膛热负荷等, 其对水位的影响各不相同。其中给水流量和蒸汽流量是影响汽包水位的2 种主要扰动, 前者来自调节侧, 称为内扰; 后者来自负荷侧, 称为外扰。2 串级三冲量给水控制系统工作原理国产300 MW火力发电机组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。因此, 应考虑采用三冲量给水控制系统方案。另外, 控制对象在蒸汽负荷扰动(外扰) 时,存在“虚假水位”现象, 因此在扰动的初始阶段,调节器将使给水流量向与负荷变化相反的方向变化, 加剧了锅炉进、出流量的不平衡。因此应采用以蒸汽流量D 为前馈信号的前馈控制, 从而能够根据对象在外扰下虚假水位的严重程度来适当加强蒸汽流量信号的作用强度, 以改善蒸汽负荷扰动下的水位控制品质。采用串级控制系统将具有更好的控制质量, 调试整定也比较方便, 故在大型汽包锅炉上可采用串级三冲量给水控制系统, 如图1 所示。控制系统由2 个闭合回路及前馈调节部分组成。主回路由调节对象GHW( S) 、水位变送器H、主调节器PI 和副回路组成; 副回路由给水流量W、给水流量变送器W 、给水流量信号分流系数W 、副调节器P2 、执行器K2 、调节工阀K 组成; 前馈部分由蒸汽流量信号D、蒸汽流量变送器D 、蒸汽流量信号分流系数D 构成。给水控制的任务由2 个调节器来完成, 主调节器采用比例积分控制规律, 保证水位无静态偏差, 其输出信号、给水流量信号和蒸汽流量信号都作用到副调节器。副调节器为保证副回路的快速性可采用比例调节器, 能消除给水流量的自发扰动, 当蒸汽负荷改变时迅速调节给水流量, 保证给水流量和蒸汽流量的平衡。3 给水控制系统的MATLAB仿真 根据串级三冲量给水控制系统的工作原理, 利用MATLAB/ SIMULINK进行控制系统仿真试验。3.1 控制系统的分析和整定3.1.1 副回路的分析和整定 根据串级控制系统的分析整定方法, 应将副回路处理为具有近似比例特性的快速随动系统, 以使副回路具有快速消除内扰及快速跟踪蒸汽流量的能力。用试探的方法选择副调节器的比例带,以保证内回路不振荡为原则。在试探时,给水流量反馈装置的传递函数可设置为任意数值,以得到满意的比例带值。如果传递函数以后需要改变,则应相应地改变比例带值,使传递函数与比例带的比值保持为试探时的值,以保证内回路的稳定性。因为调节通道放大系数较大,副调节回路可等效为反馈回路的倒数。3.1.2 主回路的分析和整定 在主回路中, 如果把副回路近似看作为比例环节, 则主回路等效为一个单回路控制系统。如果以给水流量W 作为被控对象的输入信号, 水位变送单元的输出为输出信号, 可以把主调节器与副回路两者看作为等效主调节器。主回路仍按单回路系统的整定方法整定, 如通过试验方法求取主回路被控对象的阶跃响应曲线,并由曲线求得参数, 再按响应曲线法中给定的公式计算等效调节器的整定参数。3.1.3 蒸汽流量前馈装置传递函数的选择串级三冲量给水控制系统中的水位偏差完全由主调节器来校正, 不要求送到副调节器的蒸汽流量信号等于给水流量信号。因此, 前馈装置的传递函数选择将不受静态特性无差条件的限制, 而可根据锅炉“虚假水位”的严重程度来确定。通常使蒸汽流量信号大于给水流量信号, 从而改善负荷扰动时控制过程的质量。蒸汽流量信号不必过分加强。蒸汽负荷扰动时, 水位最大偏差的数值决定于扰动的大小、速度和锅炉的特性, 因此蒸汽流量信号加强后对水位最大偏差的减小无多大作用, 其意义在于减小控制过程中第1 个波幅以后的水位波动幅度和缩短控制过程的时间。为了获得满意的调节效果(从调整时间、超调量、动态偏差、静态偏差等方面) , 选择合适的调节器参数: 主调节器= 019 , Ti = 01075 , Td = 0 ;副调节器= 4 , Ti = 01005 , Td = 0。3.2 仿真模型及效果图3.2.1 仿真模型 经过系统分析, 拟定串级三冲量给水控制系统仿真模型如图2 所示。图2 给水控制系统原理仿真图3.2.2 仿真效果给水控制系统定值扰动仿真效果见图3 , 内扰仿真效果见图4 , 外扰仿真效果见图5。图3 给水控制系统定值扰动仿真效果图4 给水控制系统内扰仿真效果从仿真效果可知, 串级三冲量给水控制系统对各种典型影响因素的干扰均能作出快速反应, 维持汽包水位的稳定。图5 给水控制系统外扰仿真效果4 结束语 目前, 国前300 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) 变化和给水流量波动的干扰, 具有较高的调节质量和调节精度, 能够保障机组的安全稳