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    摘要：通過(guò)對(duì)汽包給水的控制特性及給水設(shè)備特性的分析，提出一種可靠的給水全程控制系統(tǒng)，其中的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是參考陜西國(guó)華錦界能源有限公司的系統(tǒng)特點(diǎn)設(shè)計(jì)的。

    關(guān)鍵詞：給水；調(diào)節(jié)；全程控制

    Abstract: A credible   control system of feed water   has been proposed by analyzing the control characteristic of drum feed water and the characteristic of feed water equipment. This control system is designed according to the system characteristic of ShanxiGuohuaJinjie Power Generation Co.,Ltd .

    Key words: Feed water; Accommodate; Whole control

    在鍋爐的啟停過(guò)程中，給水控制十分重要，并且控制項(xiàng)目多，操作頻繁，因此在大型機(jī)組中要求能實(shí)現(xiàn)全程調(diào)節(jié)的給水控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)擴(kuò)大了調(diào)節(jié)范圍，是具有邏輯保護(hù)功能的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，是程序控制、保護(hù)和自動(dòng)調(diào)節(jié)相結(jié)合的綜合性調(diào)節(jié)系統(tǒng)，比常規(guī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)功能更全，更先進(jìn)，特別適用于調(diào)峰機(jī)組和啟動(dòng)頻繁的鍋爐。

    所謂全程控制系統(tǒng)，是指機(jī)組在正常運(yùn)行、負(fù)荷變化和啟停過(guò)程中均能進(jìn)行自動(dòng)控制的系統(tǒng)。

    全程包括以下幾個(gè)過(guò)程：

    （1）鍋爐點(diǎn)火、升溫升壓；

    （2）開(kāi)始帶負(fù)荷；

    （3）帶小負(fù)荷；

    （4）由小負(fù)荷到大負(fù)荷運(yùn)行；

    （5）由大負(fù)荷又降到小負(fù)荷；

    （6）鍋爐滅火后冷卻降溫降壓。

    給水全程自動(dòng)控制的任務(wù)是：在上述過(guò)程中，控制鍋爐的進(jìn)水量，以保持汽包水位在正常范圍內(nèi)變化，同時(shí)對(duì)鍋爐的水循環(huán)和省煤器要有保護(hù)作用。保持水位和保護(hù)省煤器實(shí)際體現(xiàn)在水位和給水流量?jī)蓚€(gè)參數(shù)的協(xié)調(diào)。水位是靠調(diào)節(jié)給水流量來(lái)保持的，而給水流量變化得過(guò)分劇烈，將會(huì)對(duì)省煤器的安全運(yùn)行帶來(lái)威脅。所以，給水控制的任務(wù)實(shí)際上包括兩方面的內(nèi)容：即在保持水位在工藝允許的范圍內(nèi)變化的條件下，盡量保持給水流量穩(wěn)定。一般這兩者之間的調(diào)節(jié)質(zhì)量要求是互相矛盾的，因此在整定控制系統(tǒng)的參數(shù)時(shí)要注意兩個(gè)參數(shù)之間的協(xié)調(diào)關(guān)系。

    下面就給水全程自動(dòng)控制進(jìn)行一下初步的探討。

    1　給水全程控制中的一些問(wèn)題

    1.1　對(duì)給水全程控制系統(tǒng)的要求

    給水全程控制要求在鍋爐運(yùn)行的全過(guò)程都自動(dòng)地完成給水調(diào)節(jié)所規(guī)定的兩項(xiàng)任務(wù)，它比常規(guī)給水控制復(fù)雜得多，因此，對(duì)給水全程控制系統(tǒng)提出以下要求：

    （1）實(shí)現(xiàn)給水全程控制可以采用改變給水調(diào)節(jié)門(mén)開(kāi)度即改變給水管道阻力的方法來(lái)改變給水量，也可以采用改變給水泵轉(zhuǎn)速即改變給水壓力的方法來(lái)改變給水量。前一種方法節(jié)流損失大，給水泵的消耗功率多，不經(jīng)濟(jì)，故在一般單元機(jī)組的大型鍋爐中都采用后一種方法。在給水全程控制系統(tǒng)中不僅要滿足給水調(diào)節(jié)的要求，同時(shí)要保證給水泵工作在安全工作區(qū)內(nèi)。這就需要有兩套控制系統(tǒng)來(lái)完成。

    （2）由于機(jī)組在不同的負(fù)荷下呈現(xiàn)不同的對(duì)象特性，要求控制系統(tǒng)能適應(yīng)這樣的特性。隨著負(fù)荷的增長(zhǎng)和減低，系統(tǒng)要從單沖量過(guò)渡到三沖量系統(tǒng)，或從三沖量過(guò)渡到單沖量系統(tǒng)，由此產(chǎn)生了系統(tǒng)的切換問(wèn)題，并且必須有保證兩套系統(tǒng)相互無(wú)擾切換的控制線路。

    （3）由于全程控制系統(tǒng)的工作范圍較廣，對(duì)各個(gè)信號(hào)的準(zhǔn)確測(cè)量提出了更嚴(yán)格的要求。例如，在機(jī)組啟停過(guò)程及高低負(fù)荷等不同工況下，給水流量和汽溫、汽壓等參數(shù)都變化很大，所以給水流量、蒸汽流量和汽包水位信號(hào)都要進(jìn)行溫度壓力的校正補(bǔ)償。一般在機(jī)組啟停到升負(fù)荷過(guò)程中，對(duì)給水流量都應(yīng)采用不同的孔板進(jìn)行測(cè)量，這樣就產(chǎn)生了給水流量測(cè)量裝置的切換問(wèn)題。

    （4）在多種調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的復(fù)雜切換中，給水全程控制系統(tǒng)都必須保證無(wú)干擾。高低負(fù)荷需用不同的閥門(mén)，調(diào)節(jié)閥門(mén)的切換伴隨著有關(guān)截門(mén)的切換，而截門(mén)的切換過(guò)程需要一定的時(shí)間，導(dǎo)致了水位保持的困難。在低負(fù)荷時(shí)采用改變閥門(mén)的開(kāi)度來(lái)保持泵的出口壓力，高負(fù)荷時(shí)用改變調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速保持水位，這又產(chǎn)生了閥門(mén)與調(diào)速泵間的過(guò)渡切換問(wèn)題。所有這些切換都要求安全無(wú)擾地進(jìn)行。

    1.2　測(cè)量信號(hào)的自動(dòng)校正

    鍋爐從啟動(dòng)到正常運(yùn)行或是從正常運(yùn)行到停爐的過(guò)程中，蒸汽參數(shù)和負(fù)荷在很大的范圍內(nèi)變化，這就使水位、給水流量和蒸汽流量的測(cè)量準(zhǔn)確性受到很大影響。為了實(shí)現(xiàn)全程自動(dòng)控制，要求這些測(cè)量信號(hào)能夠自動(dòng)地進(jìn)行溫度、壓力校正。

    測(cè)量信號(hào)自動(dòng)校正的基本方法是：先推導(dǎo)出被測(cè)參數(shù)隨溫度、壓力變化的數(shù)學(xué)關(guān)系，然后利用各種運(yùn)算電路進(jìn)行運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)校正。

    （1）汽包水位的測(cè)量與校正

    在DCS系統(tǒng)中，通過(guò)I/O模件將現(xiàn)場(chǎng)變送器來(lái)的三個(gè)汽包水位信號(hào)和三個(gè)汽包壓力信號(hào)分別采集進(jìn)入該系統(tǒng)中，然后利用如下關(guān)系式進(jìn)行校正計(jì)算。

    

    式中：pb ：汽包壓力信號(hào)； h：經(jīng)壓力校正的汽包水位；△p：平衡容器輸出的差壓信號(hào)；F1(pb)，F(xiàn)1(pb) 是
根據(jù)汽包內(nèi)飽和汽、飽和水密度隨汽包壓力變化的關(guān)系曲線 擬 合 的 近 似 函 數(shù) ：

    

     其中：p1：50℃時(shí)的水密度(或平衡容器內(nèi)的水密度)，ρ′：汽包內(nèi)飽和水密度，ρ ′′：汽包內(nèi)飽和汽密度， L：上、下連通管距離，g：重力加速度。

    得到校正后的三個(gè)水位信號(hào) ha,hb,hc 后，再利用“三取中”選擇模塊，取出其中一個(gè)最合適的信號(hào)，作為汽包水位信號(hào)的測(cè)量值。另外，還要對(duì)校正的水位信號(hào)分別進(jìn)行高限值、低限值監(jiān)視，對(duì)選出的水位信號(hào)進(jìn)行高限/低限監(jiān)視和報(bào)警。一旦出現(xiàn)越限，立刻發(fā)出一開(kāi)關(guān)量信號(hào)送至FSSS進(jìn)行相應(yīng)操作。

    （2）給水流量信號(hào)的測(cè)量與校正

    實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)給水溫度為100.0℃不變，壓力在0.196～19.6MPa的范圍內(nèi)變化時(shí)，給水流量的測(cè)量誤差為0.47%；若給水壓力保持19.0MPa不變，給水溫度在100.0～290.0℃的范圍內(nèi)變化，給水流量的測(cè)量誤差為13.0%，所以在對(duì)給水流量信號(hào)進(jìn)行校正時(shí)，通常只考慮溫度變化對(duì)給水流量的影響，校正關(guān)系式如下：

   

    式中：FW：總給水流量， p ? ：節(jié)流件前后差壓， t：給水溫度， SW：減溫噴水總流量。

    從校正關(guān)系式不難看出，除需對(duì)給水流量進(jìn)行節(jié)流差壓測(cè)量外，還需測(cè)量給水的溫度及減溫水的總流量。DCS中的I/O模件將現(xiàn)場(chǎng)變送器送來(lái)的兩個(gè)給水流量，兩個(gè)給水溫度，兩個(gè)一級(jí)減溫水流量，兩個(gè)二級(jí)減溫水流量和兩個(gè)再熱器減溫水流量信號(hào)采集進(jìn)入該系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)選擇后進(jìn)行校正計(jì)算。另外，還對(duì)給水流量、給水溫度測(cè)量信號(hào)進(jìn)行高限、低限監(jiān)視和報(bào)警，一旦發(fā)生越限則立刻產(chǎn)生一開(kāi)關(guān)量信號(hào)送至相關(guān)的邏輯回路；對(duì)校正的總給水流量進(jìn)行高限監(jiān)視和報(bào)警。

    （3）蒸汽流量信號(hào)的測(cè)量與校正

    對(duì)于不同的運(yùn)行工況，因蒸汽的溫度、壓力不同，導(dǎo)致其密度發(fā)生變化，故需對(duì)蒸汽流量進(jìn)行溫度、壓力校正。但由于汽輪機(jī)調(diào)速機(jī)(第一級(jí))的壓力與蒸汽流量成某一對(duì)應(yīng)關(guān)系，而且它對(duì)蒸汽流量非常靈敏，因此，大型機(jī)組蒸汽流量信號(hào)的測(cè)量均采用汽輪機(jī)調(diào)速級(jí)壓力信號(hào)代表蒸汽流量信號(hào)，并用過(guò)熱器出口汽溫進(jìn)行校正。對(duì)校正后的蒸汽流量信號(hào)進(jìn)行高限、低限監(jiān)視和報(bào)警。

    1.3　給水控制中的閥門(mén)切換

    當(dāng)機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，機(jī)組的負(fù)荷較低，如：低于15%BMCR(額定負(fù)荷)時(shí)為低負(fù)荷狀態(tài)，由電動(dòng)變速泵和旁路調(diào)節(jié)閥共同完成給水控制的任務(wù)。此時(shí)，主給水電動(dòng)閥處于關(guān)閉位置。

    當(dāng)旁路給水調(diào)節(jié)閥開(kāi)度大于設(shè)定值(如90%開(kāi)度)時(shí)，若汽包水位正常，主燃料系統(tǒng)正常條件滿足，則主給水電動(dòng)閥自動(dòng)打開(kāi)。

    1.4　給水控制系統(tǒng)的無(wú)擾切換

    一般給水全程控制系統(tǒng)在低負(fù)荷狀態(tài)采用單沖量控制系統(tǒng)，在高負(fù)荷狀態(tài)時(shí)，采用三沖量控制系統(tǒng)，故需解決好系統(tǒng)之間的無(wú)擾切換問(wèn)題。

    1.5　給水泵安全運(yùn)行的特殊要求

    采用變速泵的給水全程控制系統(tǒng)要求給水泵運(yùn)行在安全工作區(qū)內(nèi)。電動(dòng)變速泵的速度控制借助液力齒輪聯(lián)軸器完成，通過(guò)改變液力聯(lián)軸器勺管位置的高低，控制工作油量的多少以達(dá)到控制速度的目的。在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中，保證泵組的安全運(yùn)行是至關(guān)重要的問(wèn)題。

    變速給水泵的安全工作區(qū)可以在泵的流量-壓力特性曲線上表示出來(lái)，如圖1所示。變速泵的安全工作區(qū)由六條曲線圍成：①最高轉(zhuǎn)速曲線maxn ；②最低轉(zhuǎn)速曲線minn ；③最高壓力曲線maxp ；④最低壓力曲線minp ；⑤上限特性曲線Qmin ；⑥下限特性曲線Qmax 。其中，最高和最低轉(zhuǎn)速曲線由泵組的調(diào)速裝置所限制，工作點(diǎn)不會(huì)越出其外邊，且高性能現(xiàn)代高速給水泵的出口最高壓力均高于管道的承壓能力，所以保證給水泵安全運(yùn)行應(yīng)采取的措施主要是不使泵的工作點(diǎn)處在上限和下限特性曲線之外，不使泵出口壓力落入最低壓力線Pmin 之下。圖1中的陰影線包圍的部分即為變速泵的安全工作區(qū)。由圖可見(jiàn)，壓力高時(shí)，安全區(qū)范圍較寬，壓力低時(shí)安全區(qū)的范圍變窄。圖中還作出了鍋爐在定壓運(yùn)行和滑壓?jiǎn)?dòng)過(guò)程中的壓力-負(fù)荷(給水流量)曲線。定壓運(yùn)行的壓力-負(fù)荷曲線為一條水平直線，工作點(diǎn)大部分都在安全區(qū)以內(nèi)，僅有一個(gè)小部分落在上限特性曲線以外。如果主給水泵為全容量泵，基本上可不用采取措施，也能確保水泵安全運(yùn)行。對(duì)于滑壓?jiǎn)?dòng)和運(yùn)行的單元機(jī)組，鍋爐在某段時(shí)間內(nèi)的運(yùn)行壓力較低，所以主給水泵的出口壓力也較低，由圖1可以看出，在滑壓運(yùn)行中如果負(fù)荷較大，壓力—負(fù)荷曲線可能越出下限特性曲線之外，此時(shí)要采取保證給水泵安全運(yùn)行的措施。

                   
                                  圖1 變速泵的流量-壓力特性曲線

    無(wú)論是定壓運(yùn)行還是滑壓運(yùn)行，低負(fù)荷階段，給水泵工作點(diǎn)都會(huì)落在上限特性曲線之外，為防止出現(xiàn)這種情況，最有效的措施是低負(fù)荷時(shí)增加給水泵的流量，目前采取的辦法是在泵出口至除氧器水箱之間安裝再循環(huán)管道，當(dāng)泵的流量低于某一設(shè)定的最小流量時(shí)，再循環(huán)門(mén)自動(dòng)開(kāi)啟，增加泵體內(nèi)的流量，從而使低負(fù)荷階段的給水泵工作點(diǎn)也在上限曲線之內(nèi)。隨著機(jī)組負(fù)荷的逐漸增大，給水流量也會(huì)增大，當(dāng)流量高于某一設(shè)定值時(shí)，再循環(huán)門(mén)將自動(dòng)關(guān)閉。變速泵下限特性曲線決定了不同壓力下水泵的最大負(fù)荷能力。當(dāng)給水流量較大時(shí)，如果安全工作區(qū)窄，則工作點(diǎn)可能會(huì)移到下限特性曲線之外，這是不能允許的，因此要采取措施加以防止。目前采用的方法是提高上水管道的阻力，即關(guān)小泵出口流量調(diào)節(jié)閥門(mén)，以提高水泵的出口壓力，使工作點(diǎn)重新移入安全區(qū)以內(nèi)，如圖2所示。在滑壓運(yùn)行時(shí)，設(shè)給水泵工作點(diǎn)在“a”點(diǎn)處，泵轉(zhuǎn)速為1n，泵出口壓力為1p，給水量為1W，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷增大，給水流量要求為 2W時(shí)，如果水泵仍在1n轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，通過(guò)開(kāi)大給水調(diào)節(jié)閥門(mén)來(lái)增大給水流量，則工作點(diǎn)將沿1n曲線由“a”點(diǎn)移到“c”點(diǎn)，落在水泵安全工作區(qū)以外，這是不允許的。解決問(wèn)題的辦法是關(guān)小給水調(diào)節(jié)閥門(mén)，使泵的出口壓力升高，同時(shí)使水泵轉(zhuǎn)速由n增至2n ，當(dāng)給水流量達(dá)到負(fù)荷要求數(shù)值時(shí)，工作點(diǎn)將由“a”點(diǎn)移動(dòng)到“b”點(diǎn)，不會(huì)滑到安全工作區(qū)以外，保證了給水泵的安全運(yùn)行。

                   
                                圖2 泵出口壓力調(diào)整時(shí)的工況

    綜上所述，采用變速泵構(gòu)成全程給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)考慮設(shè)置以下幾個(gè)子系統(tǒng)：

    ①給水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)。該系統(tǒng)根據(jù)鍋爐的負(fù)荷要求，通過(guò)調(diào)節(jié)給水泵轉(zhuǎn)速的方法來(lái)調(diào)整給水量的大小。

    ②給水泵最小流量控制系統(tǒng)。低負(fù)荷時(shí)為了不使水泵的工作點(diǎn)落在上限特性曲線的外邊，可通過(guò)增大水泵再循環(huán)流量的辦法來(lái)維持水泵流量不低于設(shè)計(jì)要求的最小流量值。

    ③給水泵出口壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的任務(wù)是通過(guò)調(diào)節(jié)給水調(diào)節(jié)閥門(mén)的開(kāi)度來(lái)維持給水泵出口壓力，保證給水泵工作點(diǎn)不落在下限工作特性曲線之外及最低壓力線Pmin之下。

    以上三個(gè)子系統(tǒng)中，第一個(gè)是必須設(shè)置的；第二個(gè)子系統(tǒng)，對(duì)于現(xiàn)代大型高速給水泵組來(lái)說(shuō)，自身已設(shè)置了這套控制系統(tǒng)，用戶一般不必要再另外設(shè)計(jì)；對(duì)第三個(gè)子系統(tǒng)要根據(jù)所選泵型的特性及系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案來(lái)具體考慮，若能保證水泵安全運(yùn)行，則可以不設(shè)置該系統(tǒng)。

    2　給水控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性

    汽包爐給水調(diào)節(jié)對(duì)象的被調(diào)量是水位H。由鍋爐原理知道，影響水位的擾動(dòng)量有多個(gè)，主要的有鍋爐蒸發(fā)量 、給水量W、汽包壓力pb 、爐膛熱負(fù)荷等。所謂給水調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性是指在上述各種擾動(dòng)作用下，水位H的響應(yīng)特性。

    2.1　給水量擾動(dòng)下的水位特性

    給水調(diào)節(jié)對(duì)象在給水量W擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性是對(duì)象調(diào)節(jié)通道的特性。在給水量階躍擾動(dòng)下，水位H的響應(yīng)曲線如圖3所示。由響應(yīng)曲線可以知道這個(gè)對(duì)象的特點(diǎn)是有遲延、有慣性、沒(méi)有自平衡能力。當(dāng)給水量突然增加，給水量雖然大于蒸發(fā)量，但由于給水溫度低于汽包飽和水溫度，水面下汽泡總?cè)莘e相對(duì)減小，實(shí)際水位響應(yīng)曲線可由H1和H2兩條曲線疊加而成，所以擾動(dòng)初期水位不會(huì)立即升高，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后才開(kāi)始逐漸增加。由于進(jìn)、出工質(zhì)流量不平衡，最終水位將以一定的速度直線上升。這種特性可由下述近似傳遞函數(shù)表示：

    

    式中：ε—水位響應(yīng)速度，即單位給水量擾動(dòng)時(shí)，水位的變化速度；τ—遲延時(shí)間。vvvvvv2.2　蒸汽流量擾動(dòng)下的水位特性vvvvvvvv這種特性屬于負(fù)荷外部擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性。由鍋爐原理知道，在蒸汽負(fù)荷擾動(dòng)下，有虛假水位現(xiàn)象，水位的響應(yīng)曲線見(jiàn)圖4所示。由圖知，實(shí)際水位響應(yīng)曲線由兩條曲線疊加而成，即總水位響應(yīng)特性為：H=H1+H2，虛假水位現(xiàn)象與鍋爐參數(shù)及蒸汽負(fù)荷變化大小有關(guān)。蒸汽負(fù)荷擾動(dòng)下的水位響應(yīng)特性可用下述近似傳遞函數(shù)來(lái)描述：

    

    2.3　燃料量擾動(dòng)下的水位特性

    當(dāng)鍋爐燃料量發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，爐內(nèi)吸熱量增加而使鍋爐內(nèi)蒸發(fā)加強(qiáng)，若此時(shí)汽輪機(jī)負(fù)荷未增加，則汽輪機(jī)側(cè)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度不變。隨爐內(nèi)熱負(fù)荷的增大，鍋爐出口壓力提高，蒸汽流量也相應(yīng)增加，蒸汽負(fù)荷量將大于給水流量，造成工質(zhì)流入、流出量不平衡。根據(jù)上述分析，水位理應(yīng)下降，但是由于蒸發(fā)量增大，鍋內(nèi)汽水總?cè)莘e隨之增大，于是出現(xiàn)了虛假水位現(xiàn)象。燃料量擾動(dòng)下的水位響應(yīng)曲線如圖5所示。由圖可看出，這種擾動(dòng)下的“虛假水位”現(xiàn)象不太嚴(yán)重，水位上升幅值較小，遲延時(shí)間較長(zhǎng)。

    綜上所述，汽包爐給水調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性有以下特點(diǎn)：

    •  調(diào)節(jié)通道中存在遲延和慣性，并且無(wú)自平衡能力。遲延和慣性的存在使給水調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)變化相對(duì)水位變化的影響存在滯后，因此調(diào)節(jié)過(guò)程中將會(huì)出現(xiàn)動(dòng)態(tài)偏差。無(wú)自平衡能力的響應(yīng)速度越大，水位對(duì)擾動(dòng)反應(yīng)越敏感，調(diào)節(jié)的難度也相應(yīng)增大，調(diào)節(jié)過(guò)程中的水位動(dòng)態(tài)偏差也將增大。

    •  蒸汽負(fù)荷擾動(dòng)(外擾)時(shí)，存在“虛假水位”現(xiàn)象。虛假水位現(xiàn)象是不能通過(guò)閉環(huán)系統(tǒng)用調(diào)節(jié)給水流量的辦法來(lái)減小的，這也增大了水位調(diào)節(jié)的難度。顯然由于虛假水位現(xiàn)象的存在，是不能只根據(jù)水位H一個(gè)信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)的。

                    
                                  圖3 給水量擾動(dòng)下的水位特性

                      
                                  圖4 負(fù)荷擾動(dòng)下水位的響應(yīng)曲線

    圖中：H—實(shí)際水位響應(yīng)曲線；H1—僅考慮鍋內(nèi)貯水量變化的水位響應(yīng)特性；H2—僅考慮鍋內(nèi)工質(zhì)容積變化所引起的水位變化特性。

    鑒于以上原因，現(xiàn)代大型汽包爐的給水調(diào)節(jié)多應(yīng)用三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，即以水位H作系統(tǒng)的被調(diào)量信號(hào)；以蒸汽流量D作為系統(tǒng)的前饋信號(hào)；以給水流量W構(gòu)成系統(tǒng)的輔助被調(diào)量，形成三沖量給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)。由于給水量調(diào)節(jié)器位于系統(tǒng)的閉環(huán)以內(nèi)，所以給水量W擾動(dòng)下的水位特性最為重要，是系統(tǒng)整定的主要依據(jù)。

                
                              圖5 燃料量擾動(dòng)下的水位特性

    3　變速泵給水控制系統(tǒng)的基本方案

    采用變速泵的給水控制系統(tǒng)有兩種基本方案，即兩段式控制方案和一段式控制方案，現(xiàn)對(duì)這兩種方案的工作原理簡(jiǎn)單介紹如下。

    3.1　兩段式給水控制方案

    兩段式給水控制方案的工作原理如圖6所示。這種控制方案中設(shè)置了兩個(gè)子控制系統(tǒng)：

                   
                            圖6 變速泵兩段式給水控制方案

    圖中：0 H —水位給定值；H—水位；D—蒸汽流量；W—給水流量；bp —汽包壓力； p ? —調(diào)節(jié)閥前后壓差； pp —泵出口壓力； Hp —泵出口至汽包的靜壓力

    ① 汽包水位控制系統(tǒng)

    汽包水位控制系統(tǒng)（圖6a)是一個(gè)串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)水位偏差 () H H − 0 的校正信號(hào)、蒸汽流量前饋及給水流量反饋三個(gè)信號(hào)的綜合作用，控制給水調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度，以調(diào)整給水流量W，維持汽包水位等于其給定值，即 H=HO。

    ② 調(diào)節(jié)閥前后差壓控制系統(tǒng)

    調(diào)節(jié)閥前后差壓控制系統(tǒng)（圖6b)是一個(gè)單回路控制系統(tǒng)，其任務(wù)是通過(guò)調(diào)節(jié)變速泵的轉(zhuǎn)速來(lái)維持調(diào)節(jié)閥前后差壓不變，保證調(diào)節(jié)閥在整個(gè)調(diào)整過(guò)程的流量特性接近理想流量特性，同時(shí)也可防止低負(fù)荷時(shí)調(diào)節(jié)閥承受過(guò)大差壓。該系統(tǒng)也可稱為給水泵出口壓力控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)中調(diào)節(jié)器M3入口的信號(hào)平衡關(guān)系為：
 

    式中： KD 為上水管道阻力，這里以蒸汽流量信號(hào)取代給水流量信號(hào)，目的在于提高反應(yīng)速度，盡快平衡負(fù)荷擾動(dòng)。由平衡關(guān)系式可看出，當(dāng)機(jī)組剛剛起動(dòng)時(shí)，PB=0，KD2=0，此時(shí)泵的出口壓力為pp=ph+?p，泵出口壓力只是保證差壓 p?和克服靜壓pH ，此時(shí)調(diào)節(jié)器M3控制泵低速啟動(dòng)。當(dāng)鍋爐負(fù)荷不斷增加時(shí)，pb與KD2信號(hào)不斷加強(qiáng)，泵不斷升速，當(dāng)負(fù)荷穩(wěn)定以后，泵的轉(zhuǎn)速也就穩(wěn)定下來(lái)。

    大、小值選擇器是用來(lái)進(jìn)行泵最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速限制的，以保證泵在限定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)工作。

    3.2　一段式給水控制方案

    兩段式給水控制方案是通過(guò)控制給水調(diào)節(jié)閥開(kāi)度的辦法調(diào)整給水流量，變速泵僅用于維持給水調(diào)節(jié)閥前后的差壓為定值。因此，這個(gè)方案的不足之處在于給水節(jié)流能量損失較大，變速泵的調(diào)速范圍又未得以利用，不能充分發(fā)揮變速泵的優(yōu)點(diǎn)。

    一段式給水控制方案正好和兩段式給水方案相反，其工作原理如圖7所示，該方案也由兩個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成。

                   
                                 圖7 一段式給水調(diào)節(jié)方案

    ① 汽包水位控制系統(tǒng)

    汽包水位控制系統(tǒng)（圖7a)也是一個(gè)串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)，與兩段式控制方案的區(qū)別在于這個(gè)系統(tǒng)輸出的調(diào)節(jié)作用是控制變速泵的轉(zhuǎn)速。通過(guò)調(diào)整給水泵轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)給水流量的大小，維持汽包水位為給定值。

    ② 泵出口壓力控制系統(tǒng)

    由于給水泵的安全工作區(qū)范圍較窄，系統(tǒng)中又設(shè)置了泵出口壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)（圖7b)通過(guò)調(diào)節(jié)給水調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度來(lái)控制泵的出口壓力，防止工作點(diǎn)落在下限特性以外。

    圖中函數(shù)發(fā)生器F(x)模擬泵的流量和壓力之間的工作特性曲線，下限特性對(duì)應(yīng)的壓力與泵最低允許壓力pmin兩信號(hào)經(jīng)過(guò)大選模塊選出大者送至調(diào)節(jié)器M3入口，作為給水泵出口壓力的定值信號(hào)，同時(shí)泵的出口壓力信號(hào)pp作為反饋信號(hào)也送到M3入口，該系統(tǒng)為隨動(dòng)系統(tǒng)。M3的輸出去的控制給水調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度來(lái)調(diào)整泵的出口壓力，可保證在任何給水流量下，水泵的工作點(diǎn)都不會(huì)落到下限特性以外。

    3.3　錦能公司采用的給水全程控制系統(tǒng)介紹

    （1）給水調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)

    圖8為鍋爐給水旁路閥控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖。該系統(tǒng)由一單沖量單回路反饋控制系統(tǒng)和一個(gè)串級(jí)三沖量控制系統(tǒng)構(gòu)成。其作用是當(dāng)給水泵啟動(dòng)或低負(fù)荷時(shí)，用來(lái)維持汽包水位在設(shè)定值。

                    
                            圖8 給水旁路閥控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

                 
                              圖9 給水泵轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

    （2）給水泵轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)

    總體結(jié)構(gòu)如圖9所示。該系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)組成部分：

    •  汽包水位單沖量控制信號(hào)的形成回路；

    •  汽包水位串級(jí)三沖量控制信號(hào)的形成回路；

    •  給水泵出口至省煤器入口差壓控制信號(hào)形成回路；

    •  給水泵出力平衡信號(hào)的形成回路；

    •  各臺(tái)泵轉(zhuǎn)速控制回路等。

    （3）給水泵最小流量控制系統(tǒng)

    為了泵的安全運(yùn)行，本機(jī)組的給水全程控制中專(zhuān)門(mén)設(shè)置了最小流量控制系統(tǒng)。當(dāng)給水泵出口流量低于最小值時(shí)，為防止汽蝕，將最小流量調(diào)節(jié)閥開(kāi)到相應(yīng)開(kāi)度，使給水泵工作點(diǎn)回到最小流量保護(hù)限以內(nèi)。

    本機(jī)組三臺(tái)給水泵各配置一套最小流量控制系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理完全相同，如圖10所示。給水泵最小流量控制系統(tǒng)能夠保證在運(yùn)行過(guò)程中，給水泵總是工作在給水泵流量與給水泵出口壓力特性曲線的安全范圍。

                   
                                圖10 給水泵最小流量控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

    由上述的三大控制系統(tǒng)加上給水泵的順序控制及給水電動(dòng)門(mén)的順序控制共同組成了錦能公司的給水全程控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)在低負(fù)荷時(shí)，電動(dòng)泵轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)維持給水泵出口至省煤器入口差壓等于設(shè)定值的任務(wù)。由于給水旁路調(diào)節(jié)閥自動(dòng)控制系統(tǒng)始終負(fù)責(zé)維持汽包水位等于水位設(shè)定值的任務(wù)。所以，在機(jī)組運(yùn)行在低負(fù)荷工況時(shí)，只要“給水旁路調(diào)節(jié)在自動(dòng)方式”，那么，電動(dòng)泵轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)必定工作在“差壓調(diào)節(jié)方式”。這樣兩個(gè)控制系統(tǒng)就可以相互配合共同完成穩(wěn)定汽包水位和保證給水設(shè)備安全兩個(gè)控制任務(wù)。

    在高負(fù)荷工況下，給水旁路閥不再起調(diào)節(jié)作用，給水旁路閥調(diào)節(jié)被切除，此時(shí)完全由給水泵的轉(zhuǎn)速根據(jù)三沖量來(lái)控制汽包水位，維持汽包水位等于水位設(shè)定值。

    此種設(shè)計(jì)兼顧了兩種控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，充分發(fā)揮電動(dòng)泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和閥門(mén)調(diào)節(jié)的作用，盡可能的減少節(jié)流損失，使機(jī)組的給水得以實(shí)現(xiàn)全程控制的同時(shí)又增加了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。

    4　結(jié)論

    給水全程控制具有多樣性，可以根據(jù)不同的機(jī)組和不同的控制要求設(shè)計(jì)，只要能使機(jī)組的給水得到安全的控制，使機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益得到提高。給水全程控制不必拘泥于固定的設(shè)計(jì)，能充分的發(fā)揮機(jī)組的設(shè)備性能就應(yīng)是一個(gè)非常好的設(shè)計(jì)，以上提供的分析和方案僅供參考。

    作者簡(jiǎn)介

    王迎旭（1974-），男，河北邢臺(tái)人，工程師，高級(jí)技師，2012年畢業(yè)于西安交通大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)。曾擔(dān)任機(jī)控班班長(zhǎng)、生技部熱控主管等職務(wù)，一直從事熱工檢測(cè)和自動(dòng)控制系統(tǒng)的檢修維護(hù)和技術(shù)管理工作，現(xiàn)就職于北京國(guó)際電氣工程有限責(zé)任公司。