热工控制系统第八章给水自动控制系统

锅炉给水自动控制系统一前馈-反馈复合控制系统分析反馈控制的特点是必须在被调量与给定值的偏差出现后，调节器才能对其进行调节来补偿干扰对被调量的影响。

可见，这种反馈控制方案的本身决定了无法将干扰对被控量的影响克服在被控量偏离设定值之前，从而限制了这类控制系统控制质量的进一步提高。

考虑到偏差产生的直接原因是干扰作用的结果，如果直接按扰动而不是按偏差进行控制，也就是说，当干扰一出现调节器就直接根据检测到的干扰大小和方向按一定规律去进行控制。称为“前馈控制”或“扰动补偿”（一）前馈引入

Y(θ)WDZ(s)W(s)WT(s)KZ++实例

某换热器是用蒸汽的热量加热排管中的料液，工艺上要求料液出口温度一定。当被加热水流量发生变化时，若使出口温度保持不变，就必须在被加热水量发生变化的同时改变蒸汽量。这就是一个前馈控制系统。图中，K：测量变送器的变送系数；WDZ(s)：干扰通道对象传递函数；W(s)：控制通道对象传递函数；WT(s)：前馈控制装置或前馈调节器的传递函数。

由上图可知对干扰完全补偿的关键是确定前馈控制器（前馈调节器）的控制作用，显然WB(s)取决于对象控制通道和干扰通道特性。

若实现所谓“完全补偿”，则：K是变送器系数，可作为已知。若W(S)和WDZ(S)可以准确测出，且其比值满足已知控制器方程表达式。则不论干扰信号是怎样的形式，前馈控制都能起到完全补偿的作用，从而使被调量因干扰而引起的动态和稳态偏差均为零。所以,前馈控制器控制规律为：负号表示控制作用的方向与干扰作用相反。（二）复合控制系统特性分析前馈的局限性：

（1）前馈控制系统中不存在被调量反馈，对于补偿结果没有检验的手段。无法保证结果的准确性。

（2）于实际工业对象存在着多个干扰，为了补偿它们对被调量的影响，势必设计多个前馈通道，增加了投资费用和维护工作量。（3）当干扰通道的时间常数小于控制通道的时间常数时，不能实现完全补偿。（4）负荷变化引起对象变化使得一个事先固定的前馈模型不可能获得良好的控制质量。

工程实际中，为克服前馈控制的局限性从而提高控制质量，对一两个主要扰动采取前馈补偿，而对其它仪器被调参数变化的干扰采用反馈控制来克服。组成前馈－反馈复合控制系统。

1、引入反馈控制后，前馈控制中的完全补偿条件不变WF(s)WDZ(s)WT(s)W(s)YXZ+-+复合控制系统原理方框图未加反馈作用时完全补偿条件为：加上反馈后有：WF(s)WDZ(s)WT(s)W(s)YXZ+-+复合控制系统原理方框图研究扰动影响时有X(s)=0,Z(s)≠0即：2、复合控制系统补偿控制的控制规律不仅与对象控制通道和干扰通道有关，还与反馈调节器的位置有关WDZ(s)WT(s)W(s)YX-+WF(s)Z++复合控制系统原理方框图之二反馈调节器置于前馈调节的后面可得完全补偿的条件：WDZ(s)WT(s)W(s)YX-+WF(s)Z++复合控制系统原理方框图之二反馈调节器置于前馈调节的后面3、复合控制时，扰动对输出的影响要比纯前馈时小得多

设X(S)=0，专门讨论扰动Z(S)对系统的影响。因为前馈控制不可能完全补偿，即Y(S)的第二项不可能完全为零，令其为△(S)，那么，纯前馈控制时：加入反馈后则：因为1+WT(S)W(S)≥1，所以：Y1’(S)＜Y1(S)4、前馈补偿对于系统的稳定性没有影响因为前馈无论加在什么位置，它都不构成回路，系统的输入－输出传递函数的分母均保持不变，因而不会影响系统的稳定性。二给水控制系统简介

汽包锅炉给水自动控制的基本任务是使给水量适应锅炉蒸发量的变化，并且保证汽包水位处于设定的安全范围以内。汽包锅炉给水系统的结构图如下图所示：汽包锅炉给水系统结构图1—给水泵；2—高加；3—省煤器；4—汽包；5—过热器（一）给水控制的任务（二）

给水调节对象的动态特性

汽包锅炉给水调节对象的动态特性是指各种引起汽包水位变化的原因与汽包水位变化之间的动态关系。下面重点分析给水流量W、蒸汽流量D和烟气热量三种扰动下汽包水位

H

变化的动态特性：1、给水流量W扰动下汽包水位变化的动态特性

在给水流量W产生阶跃扰动下，汽包水位

H

变化的响应曲线如右图所示：

给水流量扰动下汽包水位响应曲线

给水流量W产生阶跃扰动下，汽包水位

H

变化的动态特性可用传递函数表示为：式中：τ——迟延时间；

ε——汽包水位反应速度，即给水量产生单位变化时汽包水位的变化速度；

给水流量W扰动下，汽包水位调节对象没有自平衡能力，但是具有一定的惯性和迟延，即给水流量W改变后不能立即引起汽包水位

H

的变化。

有时用汽包水位反应速度ε的倒数Ta，即响应时间作为反映汽包水位变化的参数，其定义为：当扰动量为100％时，水位变化100％(跳炉所用的水位如220mm)所经过的时间。2、蒸汽流量D扰动下汽包水位变化的动态特性

在蒸汽流量D产生阶跃扰动下，汽包水位

H

变化的响应曲线如右图所示：图中：H1——只考虑工质储量变化的汽包水位响应曲线；

H2——只考虑水面下汽泡容积变化的汽包水位响应曲线；

H——实际汽包水位响应曲线（H

＝H1+H2

）。

蒸汽流量扰动下汽包水位响应曲线在蒸汽流量D扰动下，汽包水位调节对象在调节过程中出现“虚假水位”现象，即蒸汽流量D增大后汽包水位H

由于汽包压力突然下降先暂时上升，然后逐渐下降。

在蒸汽流量

D产生阶跃扰动下，汽包水位

H

变化的动态特性可用传递函数表示为：式中：T2——响应曲线

H2的时间常数，约10～20s；

K2——响应曲线

H2的传递系数；

ε

——响应曲线

H1

的响应速度。

因此，汽包锅炉给水调节对象的动态特性可总结为：有惯性有迟延，无自平衡能力，并且具有虚假水位现象。3、炉膛热负荷扰动下汽包水位变化的动态特性燃料量增加时，蒸发强度增大，使汽水混和物中的汽泡容积增加，而且这种现象必然先于蒸发量增加之前发生，从而使汽包水位先上升，当蒸发量与燃烧量相适应时，水位便会迅速下降，这种水位先上升后下降的现象比蒸汽量扰动时要小一些，但其持续时间却更长。

影响水位的因素除此之外，还有给水压力，汽包压力，汽轮机调速汽门开度，二次风分配等。但这些均可用W、D、Q的变化体现出来。（三）给水自动控制系统的基本要求

根据上述给水控制系统对象动态特性的分析，给水控制系统应符合以下基本要求：

（2）由于对象在蒸汽量D扰动下，水位阶跃反应曲线表现出“虚假水位“现象，这种现象反应速度比内扰快，为了克服”虚假水位“现象对控制的不利影响，应考虑引入蒸汽流量的补偿信号。

（1）由于对象的内扰动态特性存在一定的迟延和惯性，应考虑采用串级或其他控制方案。同时由于给水压力是有波动的，为了稳定给水量，也应考虑将给水量W信号作为反馈信号。

（3）给水控制系统的被调量H必需采用反馈控制方案。三单冲量给水控制系统大机组采用单冲量系统的原因：在低负荷阶段：疏水、排污等影响导致给水流量和蒸汽流量严重不平衡；测量误差大；虚假水位现象不明显。此系统结构简单，适用于水容量大、飞升速度小、负荷变化也不大的小容量锅炉。四单级三冲量给水控制系统

目前汽包锅炉给水自动调节中普遍采用三冲量给水自动控制系统，调节器根据汽包水位H、蒸汽流量D和给水流量W三个信号的变化调节给水量，其系统结构图如右图所示：（一）系统分析

上图中汽包水位

H、蒸汽流量D和给水流量W三个信号同时送到PI调节器，在静态时三个信号VH、VD和VW

与给定值信号V0平衡，即：上述静态平衡关系式意味着什么？思考：有PI调节器能否保证系统的稳态和消差。为什么？

一般选择VD＝VW

，则静态时汽包水位信号VH

与汽包水位给定值信号V0

相等，从而使调节过程结束后的汽包水位

H与汽包水位给定值H0相等。

对应的汽包锅炉单级三冲量给水自动控制系统的原理方框图如下图所示：系统中未知参数PI调节器参数，分压系数αD、αW。因此单级三冲量给水控制系统的整定即为确定上述4个参数。1、内回路的分析整定内回路原理方框图

在内回路中，可以把调节器以外的执行机构、调节阀、变送器和分压器作为广义调节对象处理，则其动态特性近似为比例环节，因此PI调节器的比例带δ和积分时间Ti可以取较小值，通过试验法进行整定。当给水流量分压系数αW

改变后，只需相应改变PI调节器的比例带δ使

保持不变，以保证内回路开环放大倍数不变。（二）单级三冲量给水控制系统的整定2、主回路的分析整定

在主回路中可以把内回路看作快速随动系统处理，即输入信号ΔV

改变时调节器可以迅速改变给水流量W，使输入信号ΔV

与反馈信号VW

保持平衡，即：因此内回路可以简化为：主回路简化方框图在此基础上可得主回路简化方框图：

根据主回路简化方框图，主回路的等效调节器可以看作比例调节器，其等效比例带为：

整定主回路时，以给水流量W作为输入信号，汽包水位反馈信号IH作为输出信号，做阶跃扰动试验，在阶跃响应曲线上求得调节对象WOW(s)的迟延时间τ和飞升速度

ε

，建议采用以下公式计算主回路参数：

增大给水流量分压系数αW

，相当于增加主回路等效比例调节器的比例带，使调节动作减慢，稳定性提高；但对于内回路，相当于增加了内回路开环放大系数，使内回路稳定性下降。因此当增大给水流量分压系数αW

以提高主回路稳定性时，必须相应增加内回路PI调节器的比例带，以保持内回路的稳定。3、前馈通道的分析整定

在完成了内回路和主回路的整定后，三冲量给水自动控制系统简化方框图如下图所示：

蒸汽流量前馈通道不在控制系统的闭环回路以内，因此不会影响控制系统的稳定性。可以根据蒸汽流量D扰动时使汽包水位H不发生变化的原则确定蒸汽流量分压系数αD

：

此时蒸汽流量分压系数αD

是一个复杂的动态环节，在工程中很难实现。实践证明αD只要满足比例特性，就可以保证在蒸汽流量D变化时使汽包水位

H

稳定在允许的范围内。通常采用蒸汽流量信号VD与给水流量信号VW静态配合的原则确定αD

，即：根据以上原则可得：因此可得蒸汽流量分压系数αD

：系统组成：

内回路

主回路

前馈通道五串级三冲量给水自动控制系统（一）系统分析

对于迟延和惯性较大的汽包锅炉给水系统，采用串级三冲量给水自动控制系统可以提高控制品质，其系统结构图如下：（二）系统整定

内回路的分析整定

整定方法与前述单级三冲量给水自动控制系统相同。

主回路的分析整定

在主回路中内回路是一个快速随动系统，简化方框图如下图所示：

整定主回路时，以给水流量W作为输入信号，汽包水位反馈信号VH作为输出信号，做阶跃扰动试验，在阶跃响应曲线上求得调节对象W0W(s)的迟延时间τ和反应速度

ε

，建议采用以下公式计算主回路比例积分调节器（PI1）的参数：

前馈通道的分析整定

在串级三冲量给水自动控制系统中，水位偏差由主回路中的比例积分调节器（PI1）进行校正，静态时不存在偏差。因此可以根据锅炉汽包中“虚假水位”的影响程度，按下式选择合适的蒸汽流量分压系数αD

：

给定不同的比例系数K（一般K>1）可以通过改变蒸汽流量分压系数αD的大小调节前馈作用的强弱，以减小锅炉运行过程中负荷变化时“虚假水位”对汽包水位波动幅度的影响，缩短调节过程时间，提高控制品质。思考：在汽包锅炉中为何采用水位进行给水控制？！在直流炉中该采用哪种信号？六给水全程自动控制系统简介（一）全程控制的概念

全程控制系统是指机组在启停过程和正常运行时均能实现自动控制的系统。全程控制包括启停控制和正常运行工况下控制两方面的内容。（二）锅炉给水全程控制系统的特点

锅炉给水全程控制系统可以不需要运行人员参与而自动完成锅炉启、停和正常运行工况下对给水热力系统中全部设备的自动控制，以保持汽包水位在设定的允许范围以内，汽包炉给水系统热力系统图如下所示。其控制过程具有以下主要特点：汽包锅炉给水热力系统图（1）锅炉从启动到正常运行的过程中，汽水参数和负荷在很大范

围内变化，因此需要对水位、流量等测量信号自动进行压力

和温度的校正。（2）在给水全程控制系统中不仅要满足给水量控制的要求，同时

还要保证变速给水泵工作在安全工作区内。（3）由于锅炉给水调节对象的动态特性与负荷有关，在低负荷时可以采用以汽包水位为反馈信号的单回路控制系统；在高负荷时为克服“虚假水位”需要采用三冲量控制系统，因此在

锅炉负荷变化时要保证两种控制系统之间的双向无扰切换。（4）在低负荷时采用改变阀门开度来保持保持水位，高负荷时用

改变给水泵的转速保持水位，因此产生了阀门与给水泵间的

过渡切换问题。（5）给水全程控制系统要适应机组定压运行和滑压运行工况，以及机组的冷态启动和热态启动工况。（三）测量信号的自动校正

在机组不同运行工况下汽水参数在很大范围内变化，为了保证锅炉给水全程控制系统中汽包水位、给水流量和蒸汽流量测量的准确性，需要对其自动进行温度和压力的校正。1、汽包水位测量信号的自动校正

汽包中饱和水和饱和蒸汽的密度随压力变化，会影响汽包水位测量信号H

的准确性，汽包水位测量系统如右图所示：由图可得：

上式中凝结水密度ρa基本不变，而饱和水和饱和蒸汽密度ρG和ρs均为汽包压力的函数，即：

根据上式可以设计汽包水位信号压力校正模块线路图，其中密度与汽包压力之间的函数曲线

fa(pb)和

fb(pb)如下图所示：汽包水位信号压力校正模块密度与汽包压力函数曲线2、给水流量信号的温度校正

由于给水流量信号随压力变化很小，因此对于给水流量测量信号W只需采用温度校正，其校正模块线路图如下：给水流量信号温度校正模块3、蒸汽流量信号的压力、温度校正

当蒸汽的压力和温度偏离设计值时，蒸汽的密度变化很大，使测量信号产生较大误差，所以需要对蒸汽流量测量信号D进行压力和温度的校正，校正公式如下：

根据上式可以设计蒸汽流量信号压力、温度校正模块线路图如下图所示：蒸汽流量信号压力、温度校正模块（四）变速给水泵的安全工作区

目前在大型单元机组的给水系统中广泛采用变速给水泵来控制给水流量。变速给水泵的安全工作区可在泵的流量—压力特性曲线上表示出来，如下图所示：在锅炉启动、停炉或低负荷运行时，由于所需给水流量小，变速给水泵的工作点有可能处于上限特性曲线之外。为防止出现这种情况，最有效的措施是设置再循环管路，在低负荷时通过再循环增加给水泵的流量。变速给水泵有最低转速nmin的限制，当变速给水泵转速接近nmin

时就不能以继续降低转速的方式调节给水流量，此时需用改变上水管路阻力（即设置给水调节阀）的方式，使变速给水泵工作在安全区以内。变速给水泵下限特性