锅炉给水自动调节系统的类型

给水调节系统的类型

汽包锅炉给水自动调节系统主要有三种主要的类型

一．单冲量给水自动调节系统

单冲量给水自动调节系统如图7－6所示。

（图7－6）

这种系统只依据汽包水位一个信号进行调节，所以称为单冲量。实际的汽包水位信号与给定值的偏差信号输入到比例积分调节器，如果存在偏差，调节器发出调节指令，通过调节机关改变给水量，直到汽包水位等于给定值为止。

单冲量给水自动调节系统是一种最基本、最简单的调节系统。对于一些低参数、小容量的汽包锅炉，且对调节质量的要求不高，这种调节系统是适用的。

单冲量给水自动调节系统存在的缺陷也是十分明显的，主要是：

1.不可能克服“虚假水位”现象造成的误动作。在蒸汽量D变化时（如增加），汽包水位H一开始反而上升，调节系统接受的是H上升的信号，所以调节系统使给水量W下降，这是一个误动作，其调节的结果将进一步扩大了汽包流入量与流出量之间的物质不平衡，汽包水位H 大幅度波动，调节时间加长。

2.在给水流量W变化时，汽包水位H要经过一段时间τ后才能有所反应，所以调节作用也必定滞后，调节的结果也会造成汽包水位H波动较大，调节时间较长。

需要指出的是，单冲量给水调节系统的调节方案除了适用于小型汽包锅炉之外，对于大容量高参数汽包锅炉在低负荷工况时也是被采用的（详见本章第四节）。

二．单级三冲量给水自动调节系统

单级三冲量给水自动调节系统是目前普遍采用的一种基本调节方案，是典型的系统类型，图7－7所示的是系统示意图。

（图7－7）

调节器依据汽包水位H、给水流量W和蒸汽流量D三个信号进行调节，所以称为三冲量调节系统。调节系统中构成有两个闭合回路，汽包水位测量装置、比例积分调节器、执行器、调节阀门和被调对象构成的闭合回路称为主回路或外回路；给水流量测量装置、比例积分调节器、执行器、调节阀门和被调对象构成的闭合回路称为副回路或内回路，所以系统也称为单级三冲量双回路调节系统。单级是相对于串级而言，它说明在主回路中只有一个调节器。

为了说明单级三冲量给水自动调节系统的工作原理，我们采用电动单元组合仪表实现给水自动调节，如图7-8所示。

图中蒸汽流量D和给水流量W通过标准节流件得到的差压信号分别送至差压变送器（DBC）、开方器（DJK）和分流器（DGF）线性转换为电流信号，汽包水位H通过水位计得到的差压信号送至差压变送器（DBC）和阻尼器（DFZ）转换为电流信号。其中，汽包水位信号H是调节系统的主信号，它和单冲量给水调节系统中的作用原理一样，汽包水位信号H上升时，调节作用使给水流量W减小，H下降时调节作用使W增加。蒸汽流量信号D是调节系统引入的前馈信号，当蒸汽流量D改变时，调节作用使给水流量W同方向改变（D增加时W增加；D减少时W减少），所以这个前馈信号的引入可以有效地减少或消除“虚假水位”现象产生误动作带来的影响。给水流量信号W作为调节

系统的反馈信号，当给水流量W发生自发性扰动时调节器立即动作，使给水流量在较短时间内恢复原有数值，汽包水位可基本不受其影响。由于在单冲量调节系统的基础上，增加了前馈信号D和反馈信号W，使系统更有效地控制汽包水位的变化，提高了系统的调节品质。我们把图7-8所示的系统示意图相对应地画成系统方框图，如图7-9所示。

图中更明显地看出系统中存在内、外两个闭合回路。内回路是由给水流量信号W信号局部反馈构成，外回路是由汽包水位信号H反馈到系统调节器输入端构成的。蒸汽流量信号只是引入的前馈信号，在系统中该信号并没有形成闭合回路，前馈调节不会影响系统的稳定性，在整定调节系统时，只需要对两个闭合回路进行稳定性的分析。整定的具体步骤和稳定性分析如下：

1．内回路的分析与整定

内回路的主要任务是当给水流量侧产生自发性扰动时，必须迅速的消除扰动，使被调量（汽包水位H）基本不受到自发性扰动的影响；当内回路外部发生扰动汽包水位H 发生变化时，内回路要具有快速随

动的特性，使给水流量W尽快地起到调节汽包水位的作用。

内回路的方框图如图7-10所示。

内回路系统的闭环传递函数为

（7-1）

闭环系统的特性方程为

（7-2）

从（7-2）中可看出，内回路系统是一阶系统，从理论上说，无论调节器整定参数δ和Ti如何选取,内回路都不会发生振荡,即δ和TI值可以选得很小。但是实际的系统和图7-10所示的系统方框图是有些区别，方框图中各环节的数学描述也是近似的，它忽略了一些非线性的因素，虽然这些非线性因素在一般情况下可以不考虑，但是当δ和Ti取值太小时，非线性因素就会突出，因此内回路实质上并不是一个理想的一阶系统，尽管δ和Ti取值可以较小，但还是要受到

限制的。

在内回路中有三个可以改变的参数，除了比例带δ和积分时间Ti外，还有给水流量侧的分流系数αw，我们可以把αw归纳到调节器中构成一个等效调节器，等效调节器的传递函数为

在整定内回路时，我们对αw任意选取一个数值（如：αw =1），然后通过试验来改变δ和Ti的值，一般取Ti为5-10秒，再调整δ值直到满意为止，所谓满意就是把内回路整定为一个能迅速消除自发性内部扰动的快速随动系统。需要指出的是整定得到的结果是Ti数值和δ/αw的比值，整定时αw只是一个任意选取的值，在整定外回路时αw是一个唯一的整定参数，一旦αw有了确定的数值后，δ也要随之改变，以保证δ/αw比值不变（即：内回路特性不因为αw的改变而改变）。

通过上面对内回路的分析可见，调节器参数可以设置得较小，使内回路动作速度很快，可视为快速随动系统，即：

内回路的近似方框图如图7-11所示。

2．外回路的分析与整定

我们把内回路系统的近似方框图代替到图7-10中，并去除不影响调节系统稳定性的前馈信号通道，就得到外回路系统方框图，如图7-12所示

图中可见，外回路已可以看作是一个单回路调节系统，所以可以采用整定单回路调节系统的方法来整定外回路。内回路在外回路中相当于处在调节器的位置，因此，外回路调节器的传递函数为：

外回路的调节器实际上是一个比例调节器,它的等效比例带为

可见，外回路的稳定性只取决于比例带δ*，因为是一个确定的常数，所以外回路的稳定性及其它性能完全由来决定。

整定外回路时，我们可以采用工程整定法来整定参数，得到值。如果利用图表法整定，首先通过试验获得广义被调对象的阶跃响应曲线（广义被调对象的输入信号为给水流量W，输出信号是水位侧差压

变送器的输出值）。根据本章第一节中介绍的方法求得ε和τ的数值，查图表求取整定参数。

根据外回路整定得到的值，可求出调节系统比例积分调节器中的比例带δ值。在单级三冲量给水调节系统中，给水流量侧的分流系数是是一个非常重要的整定参数，因为值的变化同时会影响到内、外回路的稳定性，而且影响内、外回路稳定性能的趋势是完全相反的。如：当值增加，它使内回路的稳定性降低，外回路的稳定性却提高。

3．蒸汽流量侧的选择

由于蒸汽流量是作为前馈信号引入系统的，该信号的强弱，即的取值大小并不影响系统的稳定性，所以在选择分流系数的大小时可从提高其它性能指标的角度出发。引入前馈信号我们主要是为了减小或消除“虚假水位”现象产生误动作带来的不良影响的，如果设想当蒸汽流量扰动后，在前馈信号作用下使汽包水位基本不变，那么的取值推导如下，我们将图7-12的系统方框图上添加前馈信号D的通道，如图7-13所示。

要使D扰动后H不变，则有

从式中可见，这时的αD不是一个简单的系数，而应该是一个相当复杂的数学模型。其实这样复杂的取值方法在实际生产过程也不是完全必要的，汽包水位在一定范围内波动是允许的。在分析调节系统时，还有一个重要的性能指标——静态偏差和αD的取值是密切相关的。调节器接受了四个信号，即：汽包水位H、给定值Ho、蒸汽流量D和给水流量W。

要使静态偏差为零，静态时必须满足ID=IW，即：

在正常运行时，可认为D=W，γD=γW，则有

αD=αw

因此，为了克服静态偏差，蒸汽流量侧分流器的分流系数αD必须等于给水流量侧分流器的分流系数αW。

三．串级三冲量给水自动调节系统

通过分析单级三冲量给水自动调节系统，可以看到它存在着一些不足之处，主要体现在以下几个方面：

1．分流系数αW的数值同时影响到内、外回路的稳定性，在整定参数时内、外回路相互之间并不是独立的，对整定工作带来不便。 2．前馈信号的引入能改善调节过程的调节品质，克服“虚假水位”带来不利的影响。但是为了实现无差调节，必须使αD等于αW，因此前馈信号的强弱程度受到了限制，不能更好地改善调节过程的调节品质。

为了解决上述存在的问题，可采用串级三冲量给水调节系统，系统示意图如图7-14所示。

图中的汽包水位通道串接有两个调节器，所以称这种系统为串级系统，DTL1表示的是主调节器，一般采用比例积分调节器，DTL2表示的是副调节器，一般采用比例调节器。串级三冲量给水调节系统具有内、外两个闭合回路。内回路的作用也是迅速消除自发性的内部扰动，在外回路中作为一个快速随动的环节。系统方框图如图7-15所示。

串级系统实现自动调节比单级系统更加灵活，克服静态偏差完全由主调节器实现，分流系数αD取值不必考虑静态偏差的问题，αD 值可取得大一些，以利于更好地改善调节过程的调节品质。分流系数αW取值影响内回路的稳定性，在外回路中，可通过主调节器的δ和Ti来整定，αW的影响并不大，从而使内、外回路互不影响。

串级三冲量给水自动调节系统的整定步骤如下：

1．内回路整定

内回路的整定目的是使内回路具有快速随动的特性，以使内回路能迅速消除自发性的内部扰动和快速及时地跟踪蒸汽流量的变化。内回路的方框图和单级三冲量调节系统的完全一样，整定方法也是一样的。

2．外回路整定

外回路的方框图如图7-16所示。

外回路是一个单回路系统，其等效调节器的传递函数为

等效积分时间仍然是Ti，外回路整定可采用工程整法，如采用图表整定法，查表可得到：

3．蒸汽流量侧αD的选择

由于串级系统中不再需要依靠αD来克服静态偏差，因此αD的选择完全可以从改善调节品质的角度出发，αD的值一般都大于αW 值，具体数值将根据锅炉“虚假水位”的严重程度确定。

四．采用变速泵的给水调节系统

给水自动调节系统中，汽包水位是通过给水流量来进行调节

的，而给水流量的大小有两种调节方式，一种是节流调节，锅炉采用的是定速电动给水泵供水，给水流量的大小是通过调节阀门的开度来改变的；另一种是变速调节，锅炉采用的是变速给水泵供水，给水流量的大小是通过调节给水泵的转速来改变的。很显然采用变速调节比节流调节损失小、效率高，目前大型电站锅炉广泛采用变速调节方式的变速泵给水调节系统。

1．变速泵的类型

变速泵有两种类型：

（1）电动调速泵。给水泵由定速的电动机拖动，给水泵的转速变化是通过定速电动机和给水泵之间的液力联轴器来改变，具体地说是控制液力联轴器中的油位高度去实现给水泵转速的变化。

（2）汽动调速泵。给水泵由专用的小型汽轮机拖动，给水泵转速是通过控制小型汽轮机的蒸汽量来改变的。

汽动调速泵可直接采用蒸汽的热能转变为机械能驱动，所以汽动调速泵的效率高，其缺点是在机组起停或低负荷运行时不能投入正常运行。电动调速泵可在启停过程或低负荷运行时投入运行，其缺点是利用了能源品位较高的电能，所以效率较低。因此，通常在设备配置上几种不同类型的给水泵可结合使用并合理调用，以保证机组运行的安全性和经济性。

2．变速泵的特性

变速泵的特性曲线如图7-17所示。

变速泵运行时，泵的工作点必须在落在安全工作区内。安全工作区见图7-17中被阴影线包围的区域。当给水泵转速为n1，给水流量为Q1，泵的出口压力为P1，工作点a这时落在安全工作区内。假设锅炉压力下降，而转速n1不变时，工作点a就移动到C点，C点落到安全工作区外，调整工作点的方法是适当关小调节阀门，使流量减小恢复到Q1，压力升高，转速升高到n2，这时的工作点为b又重新落在安全工作区内。因此相对定速给水泵而言，调速给水泵的控制操作要复杂一些。

3．采用变速泵的调节系统任务

采用变速泵时调节任务主要有三个：

（1）通过改变给水泵的转速改变给水流量，维持汽包水位在允许范围；

（2）通过改变给水调节阀开度，控制给水泵的出口压力，保证给水泵在安全区内工作；

（3）通过控制再循环水阀门的打开和关闭，保证给水泵流量不低于规定的最小流量；

上述三个任务分别由三个给水调节子系统实现。采用变速泵的给水调节系统示意图如图7-18所示。