学习情境三、汽包锅炉给水全程控制任务1、认识汽包锅炉给水调节对象任务2、启动及低负荷阶段的给水控制 任务3、高负荷阶段的给水控制 任务1、认识汽包锅炉给水调节对象教学目标：1、熟悉汽包锅炉给水调节对象现场设备；2、详细了解运行参数指标要求及控制任务；3、掌握汽包锅炉给水调节对象动态特性仿真及其对调节过程的影响；重点：汽包锅炉给水调节对象动态特性难点：动态特性对调节过程的影响一、认识给水自动调节对象1、认识给水自动调节对象现场设备及生产流程一、认识给水自动调节对象2、调节任务1）使给水量适应锅炉的蒸发量，维持汽包水位在规定的范围之内波动；2）保持给水量的相对稳定。3、运行参数汽包水位：汽包压力下饱和水的水位被调量反映了给水量和蒸发量之间的物料平衡关系，直接影响锅炉的安全运行和蒸汽的品质。要求：正常水位一般规定在汽包中心线以下100200mm处，允许波动范围为50mm。 一、认识给水自动调节对象二、汽包水位变化的运行分析1、蒸汽流量扰动下水位变化 1）只从物料守恒考虑：当蒸汽流量突然阶跃增加时，此时锅炉蒸发量大于给水量，水位按积分规律下降 2）从能量守恒看：燃料量能及时跟上，由于燃烧强度增加，锅炉的蒸发强度增强，汽水混合物中的汽泡数量增加，水容积也迅速增大，使得汽水混合物体积膨胀，水位升高。燃料量来不及增加，由于蒸汽量的增加，使汽包内的汽压下降，相应地降低了汽水混合物的饱和温度，汽化加快，同样使汽水混合物体积膨胀，水位升高。2、给水流量扰动下的水位变化 1）考虑物料不平衡当给水流量增加后，进入锅炉汽包的给水量增加大于蒸发量，水位上升。2）汽泡体积变化使温度较低的给水进入省煤器、汽包及水循环系统，吸收了原有饱和水中的一部分热量，致使水面下汽泡体积减小，水位下降。3、 炉膛热负荷扰动下的水位变化 当燃料量扰动时，蒸汽流量也会有所增加，与蒸汽量扰动系统相同。 二、汽包水位变化的运行分析三、控制对象的数学描述指被控对象在指被控对象在各输入量（包括控制量和扰动量）作用下，其相应输出量（被控量）变化函数关系的数学表达式。如：微分方程、传递函数输入量-引起输出量变化的原因。输出量-在输入量的影响及被控对象本身特性作用下产生的结果。案例：汽包对象qi -流入量，由调节阀开度来控制qo-流出量，由用户根据负载阀来改变水流出量， -水位，被调量，反映了流入量和流出量之间的平衡关系求：调节阀开度扰动下的动态特性流出量输入量流入量输入量被调量输出量求：调节阀开度扰动下的动态特性起始平衡点： 某时刻，流入量突然开大，使流入量阶跃增加qi，则物料平衡方程：其中 联立得：近似处理，可得微分方程传递函数：MATLAB仿真：对象参数对动态特性的影响阻力对对象特性的影响 ： 容量对对象特性的影响：过程2比过程1的阻力减小 过程2比过程1的容量加大四、给水调节对象的动态特性仿真 使用MATLAB软件仿真动态特性曲线蒸汽量扰动：给水量扰动： 五、总结给水调节对象的动态特性特点：（学生汇报）1、蒸汽量扰动下出现“虚假水位”现象： 在负荷突然增加时，虽然锅炉的给水流量小于蒸发流量，但开始阶段的水位不仅不下降，反而迅速上升，过一段时间后再下降。反之，锅炉负荷下降时，水位反而先下降。特点：虚假水位的变化幅值与锅炉负荷的大小有关，根据100230 t/h中高压锅炉的资料，当负荷阶跃扰动10%时，虚假水位的变化幅值可达30-40mm。2、给水流量扰动时，水位调节对象的动态特性表现为有惯性的无自平衡能力特征。 3、炉膛热负荷扰动下，也会出现“虚假水位”现象。五、对给水调节的要求：1、克服蒸汽量扰动下虚假水位造成的误动作2、克服给水量扰动下的迟延任务2、启动及低负荷阶段的给水控制 教学目标：1、能正确构成单冲量调节系统；2、能根据对象特性正确选择P、I、D控制规律，并设置调节器参数；3、正确评价单冲量调节系统性能；4、正确进行启动及低负荷阶段给水控制仿真操作。重点：完成单冲量调节系统设置及调试难点：单冲量调节系统性能分析一、构成单冲量调节系统被调量：汽包水位H调节机构：给水调节阀节流调节方式调节量：给水量扰动：给水流量、蒸汽流量、燃料量的阶跃变化一、构成单冲量调节系统单回路控制系统的方框图：由被控对象、测量变送单元、控制器和执行器按一定信号连接构成单回路控制系统（反馈控制）。二、调节器的动作规律及仿真调节器的动作规律：调节器的输出信号与输入信号之间的函数关系。输入信号：被控量与给定值的偏差信号。输出信号：调节阀的开度信号 （一）比例调节规律 1定义：调节器的输出和输入成比例关系2表示方式： 动态方程：传递函数：Kp：比例增益 ：比例带3比例调节的特点（1）动作迅速、方向正确（2）有差调节4比例带对调节过程的影响KP：Kp越大，系统越不稳定，但静态偏差会越小。衰减率稳态误差动态偏差（二）积分调节规律1定义：调节器的输出与偏差信号随时间的积分成比例关系2表示方式：传递函数： Ti 积分时间，Ti调节作用增强3积分调节的特点：（1）无差调节（2）调节作用不及时（3）积分作用使系统稳定性变差。4积分时间对调节过程的影响Ti衰减率稳态误差=0动态偏差调节时间 （三）P与 I调节规律的比较：静态： I调节优于 P调节动态： P调节优于 I调节结论积分调节虽然可消除稳态误差，但调节缓慢，动态超调量加大，而且使系统的稳定性变差。工业上不单独使用积分调节作用。 （四）微分调节规律1定义：调节器的输出与偏差信号的微分成比例关系2表示方式：动态方程： TD：微分调节器的微分时间传递函数：3微分调节的特点(1)具有导前性和预见性；(2)不能单独作为调节器，只能起辅助作用(如构成 PD或 PID)（五）PID调节器1动作规律动态方程：传递函数：2特点：（1）快速、敏捷；（2）平稳准确；（3）三项需适当配合；（4）三种作用在任何时候都协调工作。 小结：1、虽然 PID的调节效果最好，并不意味着所有的系统都是合理的，因为它有三个参数要整定，如果整定不合适，则可能导致系统不稳定，适得其反。2、使用何种调节规律一般可按：先比例，再积分，然后才把微分加。3、对象时间常数大或迟延时间长，应引入 D作用，若系统允许有残差，则可选 PD调节；系统要求无差，则选 PID规律。4、对象的时间常数较小，受扰动影响不大，系统要求无差，则使用 PI调节。（如锅炉水位控制等）。对象的时间常数较小，受扰动影响不大，系统不要求无差，则使用 P调节。（如锅炉高加水位控制等）。5、对象时间常数或迟延时间很长，受扰动影响也很大，简单控制系统已不能满足要求，应设计复杂控制系统（如汽温控制系统）。三、低负荷阶段给水控制过程分析（1）平衡状态（稳定状态）物质平衡：能量相等（ D = W）参数稳定： H=H0（2）扰动分析：扰动出现引起被控量发生了变化后，系统的控制过程四、控制系统时域分析及仿真1、控制系统品质指标调节过程曲线：（考察单回路控制系统的品质）稳定性：衰减率（越大越稳定）快速性：调节时间（越小越快）准确性：动态偏差（越小越好），静态偏差（与目标的要求是否一致）。 四、控制系统时域分析及仿真2、调节过程曲线：五、给水系统投入仿真运行1、联系电气给除循泵、电动给水泵送电，调出SCS中电动给水泵画面。2、启动电动给水泵辅助油泵（OIS-SCS-43），投油泵联锁。3、电动给水泵（OIS-SCS-41）启动除循泵。就地开启除循泵出口门，除氧器排空气门，4、电泵前置泵入口隔离门。5、开启除氧器辅汽进汽电动隔离门，（OIS-MCCS-16-A）调整除氧器压力O.147MPa。6、SCS启动电动给水泵，设置给水泵最小流量再循环为160T/h。C转速控制自动，I压差控制自动。7、开启电动给水泵出口旁路调整门的电动及手动隔离门，高压加热器投入旁路运行。8、8、开启省煤器入口门，炉水再循环门。9、用旁路调整门（OIS-MCCS-14-H）给锅炉上水。任务3、高负荷阶段的给水控制 教学目标：1、能正确构成三冲量调节系统；2、准确评价单级、串级三冲量调节系统性能；3、分析实现全程给水控制应解决的问题；4、正确进行高负荷阶段给水控制的仿真操作。重点：完成三冲量调节系统设置及调试难点：全程给水控制应解决的问题一、单级三冲量给水调节系统（1）系统的组成三个冲量：一个调节器汽包水位H：是被调量，所以水位信号称为主信号，蒸汽流量D：前馈信号给水流量W：反馈信号。一、单级三冲量给水调节系统（2）调节对象的静态特性1、蒸汽流量信号定为“+”号：调节器输出控制信号与蒸汽流量信号的变化方向相同。2、给水流量信号定为“-”号：是反馈信号，它是为稳定给水流量而引入调节系统的。 3、汽包水位H定为正号：调节器操作给水流量的方向与水位信号的变化方向相反。且水位测量装置平衡容器本身具有反号的特性。 注：I=IH-IH0+ID-IW 一、单级三冲量给水调节系统（3）单级三冲量给水调节系统的分析水位变化 HIHI=IH-IH0+ID-IWITWH蒸汽量扰动 DH（虚假水位）IH IDI=IH-IH0+ID-IWI 基本不变不变W不变虚假水位过后，HIHIITWH克服蒸汽量扰动下虚假水位造成的误动作给水量扰动WH（有迟延） IWIITW在水位还未变化前已克服了扰动一、单级三冲量给水调节系统特点：1、克服蒸汽量扰动下虚假水位造成的误动作2、克服给水量扰动下的迟延3、能进行水位调节改进：串级三冲量控制二、给水全程调节系统应考虑问题（讨论）1、控制内容：（1）测量信号的校正水位信号：引入汽包压力信号校正，实现“三选一”蒸汽流量信号：引入蒸汽温度、压力信号校正给水流量信号：引入给水温度信号校正（2）水泵最小流量和最大流量控制保证水泵工作安全，避免流量过低产生汽蚀。（3）控制系统运行方式无扰切换启停和低负荷阶段：单冲量控制高负荷阶段：三冲量控制二、给水全程调节系统应考虑问题（讨论）（4）调节机构无扰切换给水调节阀15%容量：控制阀门开度改变给水流量，开度流量。调速泵：三台给水泵并联运行，其中一台备用，容量为锅炉50%的给水流量电动给水泵：电机+水泵，控制电机转速改变给水流量调整液力偶合器，转速流量。汽动给水泵：小汽轮机+水泵，控制小汽轮机入口阀门开度，改变给水流量。小机MEH控制系统，即：小汽轮机入口阀门开度小机进汽量小机转速流量切换：给水调节阀和电动给水泵，电动给水泵和汽动给水泵的切换。二、给水全程调节系统应考虑问题（讨论）2、给水全程调节系统方案（1）0%14%负荷单冲量控制旁路调节阀（b）电动泵控制旁路调节阀前后压差，T2接受IDF信号（a）（2）14%25%负荷单冲量控制电动泵，主给水电动截止阀打开。主给水电动截止阀全开时，顺控关闭给水旁路截止阀。给水旁路截止阀离开关位，旁路调节阀切手动，全开100%二、给水全程调节系统应考虑问题（讨论）（3）25%35%负荷25%负荷时，串级三冲量控制电动泵（4）35%50%负荷35%负荷时，启动汽动泵，达到临界转速以上，由汽泵MEH系统控制汽泵和电泵并列运行，串级三冲量控制（5）50%负荷以上50%负荷时，启动另一台汽泵，达到临界转速以上，由汽泵MEH系统控制，降低电泵负荷，增大气泵负荷，两台汽泵串级三冲量控制。电泵负荷降到最低，水位稳定，气泵正常，停电泵做备用。三、汽水系统仿真运行