锅炉串级三冲量控制系统的整定

锅炉串级三冲量控制系统的整定

0锅炉及超临界压力机组锅炉是该行业的主要设备之一。对蒸汽袋锅炉的控制任务是控制供应蒸汽和其他设备的蒸汽参数（压力、温度等）。应确保蒸汽袋的水位在允许范围内。确保燃料的经济性，并维持一定的炉渣压力，以确保设备安全和经济运行。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串级控制系统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副控制器入口判断串级三冲量给水控制系统示意见图1。这是一个有前馈补偿的串级控制系统。系统接收3个信号:即水位H、蒸汽流量D和给水流量W。水位H是系统的被控量信号,作用于主控制器入口,用以见证水位的最终偏差,使其等于定值。相对于给水流量W而言,当水位H上升时要减小给水流量W;当H下降时,应增大给水流量W,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。蒸汽负荷信号D是系统的前馈信号,作用于副控制器PI1入口,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W而言,当D增加时,为了使水位H不变,应使给水流量W也增大;反之亦然。故在副控制器入口处,D信号是正极性的。给水流量信号W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,在副控制器入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控制规律,以保证水位无静态偏差,主控制器的输出信号和给水流量、蒸汽流量信号都作用到副控制器;一般由副控制器采用比例规律,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汽负荷改变时迅速控制给水流量,以保持给水流量和蒸汽流量的平衡;主控制器的任务是校正水位偏差。1.2内、外回路控制原理串级三冲量给水控制系统原理图见图2。图中WOW(s)为对象控制通道传递函数;WOD(s)为对象负荷通道传递函数;Wa1(s)为副控制器传递函数;Wa2(s)为主控制器传递函数;WbW(s)、WbD(s)分别为给水流量反馈装置和蒸汽流量前馈装置的传递函数;KV为执行机构的传递函数,通常是常数;v0为水位H的设定值;γH、γW、γD分别为H、W、D信号的测量单元传递函数,通常是常数;W1、W2分别为给水流量信号的输出信号和扰动信号;vD、vW、vH分别为D、W、H信号的反馈和前馈信号。系统中存在两个闭环和一个开环。外回路的作用是最终校正水位偏差;内回路的作用在于快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:WΟW(s)=Η(s)W(s)=εs(1+τs)WOW(s)=H(s)W(s)=εs(1+τs)。(1)WΟD(s)=Η(s)D(s)=k2(1+Τ2(s))-εsWOD(s)=H(s)D(s)=k2(1+T2(s))−εs。(2)式中:τ——时间常数;ε——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;T2——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10s～20s;k2——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回路,然后整定外回路,最后整定前馈回路。由于内回路的等效对象(KVγW)近似为比例环节,外回路控制对象WOW(s)至少为二阶环节,两者惯性相差较大,因此,内回路的控制比外回路的控制过程快得多,相互影响小,故内、外回路可以分别单独整定。设主、副控制器均采用PI控制规律,其传递函数为:Wa(s)=1δ(1+1Τis)Wa(s)=1δ(1+1Tis)。(3)式中:Ti——控制器的积分时间;δ——控制器的比例带。1.2.1积分时间ti1和反馈系数设副控制器采用比例积分规律(也可采用纯比例规律),为保证副回路动作的快速性,给水流量反馈装置WbW(s)=αw,这样vW=αwγW。视等效对象KVγW为比例环节,需要整定的参数为副控制器的比例带δ1和积分时间Ti1及反馈系数αw。整定要求是:内回路整定成为一快速随动回路,即动态中给水流量应迅速跟随输入信号的变化而变化,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,步骤是断开外回路,保持负荷稳定。取Ti1≤10s,αw值在0～1之间,δ1取较大值。加大给水流量扰动,观察vW曲线,调比例带由大到小,得到比较满意的vW曲线。然后再加给水流量扰动,调αw由大到小,直到得出更为满意的vW曲线为止。这时,δ1、Ti1、αw之值就基本确定了。因为vW=αwγWW,所以在主控器输出v的作用下,等效成一个比例环节。1.2.2外回路整定模式内回路等效为一快速随动系统后,外回路可用图3表示,外回路也可看成一个单回路的PI控制系统。图中“1αwγW1αwγW”为快速内回路的等效环节。等效主控器为:Wac(s)=1δ*(1+1Τi(s))Wac(s)=1δ∗(1+1Ti(s))。(4)式中:δ*——等效比例带,δ*=δαwγWγΗδ∗=δαwγWγH。外回路的参数整定就是整定γH、Ti、δ的问题。Ti、δ根据控制对象控制通道特性WOW(s)和1αwγW1αwγW、γH,按单回路整定法进行整定。为使水位校正过程平稳,取整定指标φ≥0.9。WOW(s)是已知的(对象的动态特性),用动态参数法整定控制器参数。经验公式为:δ*=1.1ετ,Ti=3.3τ。可以推出:δ=1.1γΗεταwγW‚Τi=3.3τδ=1.1γHεταwγW‚Ti=3.3τ。由此可知,δ*∝αw,而δ1*∝1αwδ1∗∝1αw,即αw对外、内回路控制质量的影响正好相反。一般取WbW(s)=αw=1,这样只需要整定δ1、Ti1、δ、Ti即可。于是得到:δ1*=δ2αw=δ1‚Τi1*=Τi1‚δ=1.1γΗετγW‚Τi=3.3τ。1.2.3锅炉上蒸汽流量信号的前馈控制整定好主、副回路后,串级三冲量给水系统见图4。WbD(s)按蒸汽流量扰动时使水位不发生变化的原则来整定,即按完全补偿原则整定前馈通道,则有:WbD(s)=-αwγWγD⋅WΟD(s)。(5)若克服了虚假水位现象,减小控制过程中水位的动态偏差,前馈通道可以只考虑静态补偿,且使WOD(s)与WOW(s)的静态比值为一常数,因此有:WbD(s)=-αwγWγD⋅Κ。(6)此时,WbD(s)是比例性质。K是虚假水位现象决定的常数,虚假水位现象严重时,K值大,反之K值小。负号表示前馈控制作用的方向与虚假水位的变化方向相反。当“虚假水位现象”为一般(中等)时,为了实现前馈装置,取WbD(s)=αd(αd为扰动前馈系数),αd=αw。对于虚假水位不严重的锅炉,可加大蒸汽流量信号的前馈作用,以补偿它对实际水位的扰动作用。此时可取αd>αw。若令比值Κ=αdαw,一般取K=1～2。负荷开始变化时,为使蒸汽流量信号更好地补偿虚假水位,一般适当加强蒸汽流量信号,使蒸汽流量信号高于给水流量信号,即令K>1。但应该指出的是在负荷扰动时,水位最大偏差数值决定于扰动大小、扰动速度和锅炉特性,蒸汽流量加强后的控制作用对它的影响不大。所以,加强蒸汽流量信号的主要作用只是减少控制过程持续的时间,因此蒸汽流量信号不宜过分加强。2正常运行工况针对某汽包锅炉给水控制对象采用Simulink进行仿真,该汽包水位正常运行参数为:ε=0.037;k2=3.6;T