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1、1引 言随着目前电力需求的增长，以及能源和环保的要求，我国的火电建设开始向大容量、高参数的大型机组靠拢。但是，火电机组越大，其设备结构就越复杂，自动化程度要求也越高。电厂热工自动化水平的高低已经是衡量电厂生产技术的先进与否和企业现代化的重要标志。我国近几年新建的 300MW、600MW 火电机组基本上都采用国内外最先进的分散控制系统，对全厂各个生产过程进行集中监视和控制。汽包水位是汽包锅炉非常重要的运行参数，同时它还是衡量锅炉汽水系统是否平衡的标志。锅炉汽包水位控制中被控量是汽包水位，操纵变量是给水流量。他主要考虑汽包内部的物料平衡，使给水量适应锅炉的蒸汽量，维持汽包水位在工艺允许范围内，以保
2、证锅炉和汽轮机安全运行。水位过高会影响汽水分离器的正常运行，蒸汽品质变坏，使过热器管壁和汽轮机叶片结垢。严重时，会导致蒸汽带水，造成汽轮机水冲击而损坏设备。水位过低则会破坏水循环，严重时将引起水冷壁管道破裂。因此，汽包水位控制一直受到很高的重视。另一方面，随着锅炉参数的提高和容量的增大，汽包的相对容积减少，负荷变化和其他扰动对水位的影响将相对增大。这必将加大水位控制的难度，从而对水位控制系统提出了更高的要求。但是，由于给水系统的复杂性，真正能实现全程给水控制火电机组还很少。因此，对给水控制进行优化，增强给水系统的控制效果和适应能力成为迫切需要解决的问题。面对在电厂中给水控制投自动困难的问题，以
3、实现机组给水控制高效运行为目的，利用多变量解耦控制方法实现低负荷阶段给水控制的优化设计。在高负荷时采用串级三冲量给水控制系统控制汽包水位的方法。并且分别通过 MATLAB 仿真，证明了所设计的系统可以在低负荷阶段速度响应加快，过渡过程缩短，高负荷阶段很好克服系统的内外扰动，实现汽包锅炉水位控制的要求。 当前，电力行业市场化改革己经实行， “厂网分离，竞价上网” 对机组的运行提出了更高的要求。完善和优化给水控制无疑是一个具有非常现实意义的课题。2第一章 国内外电厂给水控制的现状1.1 ABB 贝利公司给水系统设计方案ABB 贝利公司设计的给水控制系统采用了两段式给水控制模式，即在启动和低负荷阶段
4、通过控制给水旁路阀和给水泵转速来维持汽包水位和给水压力；在高负荷阶段通过控制两台汽动给水泵转速来调节给水的流量，从而控制汽包水位。在启动和低负荷时，单冲量汽包水位控制采用调节电动给水泵出口管路上的给水旁路阀的开度来控制给水流量。维持汽包压力及克服给水管路上的阻力，则通过调节电动给水泵的转速来控制。以保证电动给水泵有足够的，但不过于富余的压力。其控制系统图如图 1-1 所示。图 1-1 ABB 公司低负荷给水控制系统示意图在高负荷时，采用串级三冲量给水控制模式对两台汽动给水泵进行控制，而电动给水泵则处于热备用的状态。串级三冲量给水控制是指系统利用汽包水位偏差、给水流量以及蒸汽流量作为串级 PID
5、 的输入，以汽水系统的物质平衡和能量平衡为调节目标的控制方式。两台汽动给水泵具有多输出系统功能。经过串级 PID 调节输出的给水控制指令，平均分配后送至汽动给水泵控制回路，调节汽动给水泵的转速3来调节给水流量。其控制回路图如图 1-2 所示。图 1-2 ABB 公司高负荷给水控制系统示意图1.2 目前给水控制总体状况目前，随着单元机组容量的增大和参数的提高，机组在启停过程中需要监视和控制的项目越来越多，因此，为了机组的安全和经济运行，必须实现锅炉给水从机组的启动到正常运行，又到停炉冷却全部过程均能实现自动控制。锅炉在不同负荷和参数时，由于给水被控对象的动态特性不同，低负荷时由于蒸汽参数低，负荷
6、变化小，虚假水位现象不太严重，通常对维持水位恒定的要求又不高，因此一般可采用给水调节阀调节汽包水位，给水泵维持给水差压相结合的控4制方式和单冲量给水控制方式。在高负荷时，由于水位动态特性复杂，且汽包存在着严重的“虚假水位 ”现象，为了保证给水系统的安全可靠，高负荷时大多采用串级三冲量控制系统。目前，我国大型火电机组的给水控制基本上还是采用经典的 PID 控制算法。不同的控制公司在给水控制策略的设计上虽然各有特点差异，但基本上还是遵循了单冲量和三冲量控制相结合的控制模式，采用的也基本上是调阀和调泵相结合的控制方法。虽然从理论上讲，现有的控制方法应该可以实现机组的全程给水自动。但是，实际上由于给水
7、系统和机组运行的复杂性，机组在启动和低负荷时往往投不上自动。另外，机组在高负荷时，虽然可以实现三冲量给水自动且正常情况时效果也不错，但适应异常工况的能力和出现设备故障的情况时的自调整能力也较差。因此，如何真正很好地实现给水控制是现今控制工程人员急于解决的一个课题。通常来说，经典 PID 控制难以解决的问题，可以寻求高级的过程控制方法来解决。高级控制方法虽然在理论上已趋近于完善，但要在工程实际应用发挥作用，还需满足许多辅助条件。因此，还未在实际应用中广泛实现。另一种方法是，在现有控制条件的基础上对控制方案进行优化，从而达到改善控制效果的目的。这也正是本课题的出发点。5第二章 给水控制系统的特性分
8、析2.1 给水控制对象的动态特性汽包锅炉给水控制对象的系统结构如图2-1所示。图 2-1 汽包锅炉给水控制对象的系统结构影响水位的因素主要有：给水量G，锅炉蒸发量（负荷 D） ，锅炉热负荷（燃烧率M） ，汽包压力 。bP分析被控对象的动态特性是设计控制系统的前提和基础，锅炉内部的工质容积组成可看作三部分，即蒸汽容积，蒸发面以下的蒸汽容积和水容积。在汽包中有水和蒸汽的两相物质转换，控制系统的物质平衡方程为：（2-dtDGtdHA)()( 1）把式（2-1 ）进一步变换得：dt)(让 ，()CA则上式变为： （2-DGtHC2）6式中 水的密度， / 或 / ； 蒸汽密度， / 或 / ；t3mk
9、g3ct3mkg3c为汽包水位， 或 ； 为汽水分离面积， 或 ；HA2蒸发量， 或 ； 给水量， 或 ；D/th/sG/th/s容量系数。C容量系数 是用来表征锅炉结构系数的，它的动态特性则往往用飞升速度或飞升时间来表征。对于汽包锅炉来说，由飞升速度的定义知（2-maxmax1HDGCdt3）式中 为飞升速度，1/ 。s把扰动量即水位变化量转变成用相对量表示的水位变化范围，通常的水位允许变化范围为 200 ，这个范围扰动量的相对极限值为 100%。m式（2-3 ）中 maxmax1DGCdtH等号右边一项表示汽包内工质的变化量，当给水量 时，而蒸发量 为最大0D时，变化量为最大，此时有：（2
10、-maxmax1Cdt4）则这时的扰动量是下降的。故有：（2- maxmax11AHDC5）式中 锅炉最大的蒸发量；maxD水位变化允许的最大范围； H7飞升时间 。1/aT对于蒸发量为 100230 的单汽包锅炉，当水位变化 时，th10m，对于蒸汽量为更大的汽包锅炉 ，它的意义在于当锅炉在满负603aTs 3aTs荷运行时，如果突然停止供水，则由于蒸发量和给水量的不平衡造成水位迅速下降，在 30s 内将下降 200mm，或者换句话说，如果给水量减少 10%，经过 30s 的时间，水位将下降 20mm。汽包水位受到多重因素的影响，不仅受汽包中贮水量影响，还受水面下汽泡容积的影响。无论是什么原
11、因使蒸汽汽包的总体积改变了，即使水循环系统中的总水量没有发生改变，汽包水位也会随着发生变化。而水面下的汽泡容积和锅炉负荷、蒸汽压力等因素有关。虽然影响水位变化的原因很多，其中主要有给水量、锅炉蒸发量、和燃料量三个主要因素。2.2 各种扰动下水位变化的动态特性2.2.1 给水量扰动下水位变化的动态特性图2-2为给水量扰动下水位阶跃响应曲线。图2-2中曲线1为沸腾式省煤器情形下水位的动态特性，曲线2为非沸腾式省煤器情形下水位的动态特性。图 2-2 给水量扰动下水位阶跃响应曲线从物质平衡的观点来看，加大了给水量G，水位应立即上升，但实际上并不是这样，而是经过一段迟延，甚至先下降后再上升。这是因为给水
12、温度远低于省煤器8的温度，即给水有一定的过冷度，水进入省煤器后，使一部分气变成了水，特别是沸腾式省煤器，给水减轻了省煤器内的沸腾度，省煤器内的汽泡总容积减少，因此，进入省煤器内的水首先用来填补省煤器中因汽泡破灭容积减少而降低的水位，经过一段迟延甚至水位下降后，才能因给水量不断从省煤器进入汽包而使水位上升。在此过程中，负荷还未发生变化，汽包中水仍然在蒸发，因此水位也有下降趋势。对于300MW非沸腾炉的延迟时间T应为30s至100s之间。水位在给水量扰动下的传递函数可表示为：(2-6)TssGH1当 时，上式可变为：T(2-7)sTs1由上面两式可以看出水位对象相当于一个反向并联或由一阶惯性环节与
13、积分环节相串联而形式的环节，其相应的传递函数方框图 2-3 所示。图 2-3 给水扰动传递函数方框2.2.2 蒸汽流量扰动下的水位动态特性蒸汽流量扰动主要来自汽轮发电机组的负荷变化,属于外部扰动,这是一个经常发生的扰动。如果只从物质平衡角度来看，蒸发量突然增加 时，蒸发量高于给水D量，因为汽包水位是无自平衡能力的，所以水位应该直线下降，如图2-4中 所1()Ht示那样，但实际水位是先上升，后下降，这种现象称为“虚假水位” 现象，如图2-4中9所示。其原因是由于负荷增加时，在汽水循环回路中的蒸发强度也将成比例增()Ht加，水面下汽泡的容积增加也很快，此时燃料量M还来不及增加，汽包中汽压 下bP降
14、，汽泡膨胀，使汽泡体积增大而水位上升，如图2-4中 所示。在开始的一段2()Ht时间后，当汽泡容积和负荷相适应而达到稳定后，水位就要反映出物质平衡关系而下降。因此，水位的变化应是上述两者之和，即（2-12()()()Httt8）传递函数也为两者的代数和：（2-9）sTKsD21式中 的时间常数，约为1020s；2T2()Ht 的放大系数； 飞升速度。K图2-4 蒸汽流量扰动下的水位阶跃响应曲线蒸汽扰动传递函数方框图如图2-5所示，可近似认为是一个积分环节和惯性环节并连而成。10图2-5 蒸汽扰动传递函数方框一般100230t/h的中高压锅炉，负荷突然变10%，虚假水位化现象可使水位变化达304
15、0mm。2.2.3 燃料量扰动下水位变化的动态特性当燃烧率变化时，如燃料量M增加，锅炉吸收更多的热量，使蒸发强度增大，如果不调节蒸汽阀门，由于锅炉出口汽压提高，蒸汽流量也增大，这时蒸发量大于给水量，水位应下降。但由于在热负荷增加时蒸发强度的提高，使汽水混合物中的汽泡容图 2-6 燃料量扰动下水位阶跃响应曲线积增加，而且这种现象必然先于蒸发量增加而发生，从而使汽包水位先上升，引起“虚假水位”现象。当蒸发量与燃烧量相适应时，水位便会迅速下降，这种“虚假水位”现象比蒸汽量扰动时要小一些，因而虚假水位变化的幅度和速度相对较小，但持续时间较长。11在燃烧率阶跃增加时，水位的响应曲线如图2-6所示，水位变化的动态特性可用下列传递函数表示（2-sMesTKsMH*2)1()10）式（2-9 ）与式（2-10 ）相类似，但增加了一个纯延迟环节， 为延迟时间（S ） 。*以上三种扰动在锅炉运行中都可能经常发生。但是由于控制通道在给水侧，因此蒸汽流量D和燃料量M习惯上称为外部扰动，它们只影响水位波动的幅度，而给水量G扰动在控制系统的闭合回路里产生，一般称为内部扰动。因此，汽包水位对于给水扰动的动态参数是给水控制系统调节器参数整定的依据，此外，由于蒸
