使用与维护 第３３卷２０１５年第２期（总第１７６期） 锅炉汽包给水串级三冲量控制系统分析 魏铭辰赵妍 唐山０６３０００） （河北钢铁集团唐钢自动化公司 河北钢铁集团唐钢长材部【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ＭＡＴＬＡＢ仿真 Ａｎａｌｙｚｅ ｏｎ Ｃａｓｃａｄｅ Ｔｒｉｐｌｅ Ｉｍｐｕｌｓｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｂｏｉｌｅｒ Ｓｔｅａｍ Ｄｒｕｍ Ｗａｔｅｒ Ｆｅｅｄｉｎｇ ＷＥＩ Ｍｉｎｇ－ｃｈｅｎ，ＺＨＡＯ Ｙａｎ （ＴａｎｇｓｔｅｅｌＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｃｏｍｐａｎｙ ｏｆＨｅｂｅｉＩｒｏｎ＆Ｓｔｅｅｌ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ．．Ｌｔｄ．；ＬｏｎｇＳｔｅｅｌＰｒｏｄｕｃｔＤｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆＨｅｂｅｉＩｒｏｎ＆Ｓｔｅｅｌ Ｇｒｏｕｐ．Ｔａｎｇｓｈａｎ ０６３０００） 【Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｐｒｅｓｅｎｔ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｂｏｉｌｅｒ ｃａｓｃａｄｅ ｔｉｒｐｌｅ ｉｍｐｕｌｓｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ，ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｔｕｎｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｆｅａｔｕｒｅ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ，ｍａｋｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｅｓｔ．Ｉｔｓ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｃａｓｃａｄｅ ｔｒｉｐｌｅ ｉｍｐｕｌｓｅ ｗａｔｅｒ ｆｅｅｄｉｎｇ ｃａｎ ｅｌｉｍｉｎａｔｅ ｌｏａｄ／ｓｔｅａｍ ｖｏｌｕｍｅ ｖａｒｉａ－ ｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｆｒｏｍ ｗａｔｅｒ ｆｅｅｄｉｎｇ ｆｌｏｗ，ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ ａｃｃｕｒａｃｙ ｉｓ ｇｏｏｄ．Ｔｈｕｓ ｔｈｅ ｓａｆｅ ａｎｄ ｒｅ－ ｌｉａｂｌｅ ｒｕｎｎｉｎｇ ｏｆ ｕｎｉｔ ｉｓ ｅｎｓｕｒｅｄ． 【Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ］Ｂｏｉｌｅｒ ｗａｔｅｒ ｆｅｅｄｉｎｇ，ｔｉｒｐｌｅ ｉｍｐｕｌｓｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ，ＭＡＴＬＡＢ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ 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 串级三冲量给水控制系统是一个有前馈补偿 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。３００ＭＷ以下的单元机组多采用汽 包炉；３００ＭＷ～６００ＭＷ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 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 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 调节 图１串级三冲量给水控制系统示意 ２９— 一第３３卷２０１５年第２期（总第１７６期） 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ＰＩ２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ＰＩ１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ＰＩ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；Ｗｏ。（ｓ）为对象 负荷通道传递函数； （ｓ）为副控制器传递函数； ＩＶｏ：（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；＂１３。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 一３０一 使用与维护 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： （ｓ） 日ｒｓ１ 一 （１） Ｉｖｏｏ（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 １０～２０ｓ： ——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Ｗｏ （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ＰＩ调节器控制规律，其传递函数： １，， １ 、 ｗｏ（ｓ） 吉【Ｈ南Ｊ （３） 式中： ——ＰＩ调节器的积分时间； ——ＰＩ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Ｏｄ 。 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 ≤１０ｓ， 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３３卷２０１５年第２期（总第１７６期） 由大到小，得到比较满意的 曲线。然后再加给 ５０ 水流量扰动，调 由大到小，直到得出更为满意 一 的 曲线为止。这时，６ ， 。， 之值就基本确 ／八扰动响应曲线 ＼ 定了。因为 ＝Ｏｔ ｙ ，所以在主控器输出ｖ的作 ３０ ｆ 、／——、 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／ｃｔ 后，外 １０ ／外 应曲 路响应曲线 回路也可看成一个单回路的ＰＩ控制系统（见图３）。 等效主控器： （ｓ）＝— — 。 ０ １Ｏ０ ２００ ３００ ４００ ５００ ６００ ７００ ８００ ９００ ｌ０００ Ｉ １＋ （ｓ）Ｊｌ （４） 仿真响应时间／ｓ 式中：６ ——等效比例系数，６ ＝ 。 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。 图３外回路等效框图 参考文献 ２给水控制系统的ＭＡＴＬＡＢ仿真 【１ｌ顾树生，王建辉．自动控制原理．北京：北京工业出版 针对某汽包锅炉给水控制对象采用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 社，２００１． 进行仿真，该汽包水位正常运行参数为： 【２】黎兵，李夔宁．汽包锅炉串级三冲量给水控制系统 ∈＝０．０３７，ｋ２３．６，ＴＩ＝３０５，ｙ日＝０．０３３， ：１５５， 的ＭＡＴＬＡＢ仿真冻北电力技术，２００６． ｋ ：４， Ｄ＝ ＝０．０８３。 【３】黄永红，李念平，石阳春．基于遗传优化的汽包锅炉 仿真结果曲线见图４。 给水控制系统．微计算机信息（控制自动化），２００７． （２０１４－０３－１４收稿） ［上接第２８页］ 根据设计方案，经仿真计算，配置滤波器后将 理谐波是企业改善电网环境的重要工作之一。针 使２２０ｋＶ总降各母线段电压总谐波畸变率和各次 对企业内部轧钢变电所高次谐波的防治，提出了 电流谐波含有率有明显改善，使变电所３５ｋＶ侧折 治理方案，方案中设计的滤波装置会抑制和减少 算后的电压总谐波畸变率小于３．２％，ｌ １０ｋＶ侧折 谐波对电网的影响，可以优化供电系统的电能指 算后的电压总谐波畸变率小于２．９ｌ％，２２０ｋＶ侧的 标，为电网稳定运行起到积极作用。本方案对于 电压总谐波畸变率为小于２．８１％，大大改善总降供 类似企业电网谐波治理在方法上提供技术参考。 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。 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： ５结语 机械工业出版社，１９９０：２３１． 只要供电系统中应用半导体整流设备，企业 【２］王兆安．谐波抑制和无功功率补偿．北京：机械工业 就存在非线性负荷，使得设备在运转的同时向电 出版社．２００９． 网释放了高次谐波，影响了电网品质质量，因此治 （２０１４－０８－１８收稿） 一３１—
