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分气缸、汽包水位的自动调节

作者:锅字号|关键词:分气缸,汽包,工业锅炉

发布时间:2016-07-30 01:15:32 |热度

汽包水位的自动调节zJU工业锅炉-热水炉-蒸汽炉-导热油炉-热风炉-郑州枫岚

1.1锅炉汽包水位的特性zJU工业锅炉-热水炉-蒸汽炉-导热油炉-热风炉-郑州枫岚

锅炉汽包水位自动调节的任务是使给水量跟踪锅炉的蒸发量,并维持汽包中的水位在工艺允许的范围内。zJU工业锅炉-热水炉-蒸汽炉-导热油炉-热风炉-郑州枫岚

维持汽包水位在给定范围内是保证锅护和汽轮机安全运行的必要条件,也是锅炉正常运行的主要指标之一。水位过高,会影响汽包内汽水分离效果,使汽包出口的饱和蒸汽带水增多,蒸汽带水会使汽轮机产生水冲击,引起轴封破损、叶片断裂等事故。同时会使饱和蒸汽中含盐量增高,降低过热蒸汽品质,增加在过热器管壁和汽轮机叶片上的结垢。水位过低,则可能破坏自然循环锅炉汽水循环系统中某些薄弱环节,以致局部水冷管壁被烧坏,严重时会造成爆炸事故。这些后果都是十分严重的。随着锅炉容量的增加,水位变化速度愈来愈快,人工操作愈来愈繁重,因此对汽包水位实现自动调节提出了迫切的要求。汽包水位不仅受汽包中储水量的影响,亦受水位下汽泡容积的影响。而水位下汽泡容积与锅炉的负荷、蒸汽压力、炉膛热负荷等有关。因此,影响水位变化的因素很多,其中主要是锅炉蒸发量即蒸汽流量D和给水流量W。zJU工业锅炉-热水炉-蒸汽炉-导热油炉-热风炉-郑州枫岚

1.1.1汽包水位在给水流量W作用下的动态特性zJU工业锅炉-热水炉-蒸汽炉-导热油炉-热风炉-郑州枫岚

下图是锅炉汽包水位在给水流量作用下,水位的阶跃响应曲线。把汽包水位看作单容量无自衡过程,水位的阶跃响应曲线如图中的Hl线。zJU工业锅炉-热水炉-蒸汽炉-导热油炉-热风炉-郑州枫岚

工业锅炉.png                          zJU工业锅炉-热水炉-蒸汽炉-导热油炉-热风炉-郑州枫岚

给水流量作用下水位阶跃响应zJU工业锅炉-热水炉-蒸汽炉-导热油炉-热风炉-郑州枫岚

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但是由于给水温度比汽包内饱和水的温度低,所以给水流量增加后,从原有饱和水中吸收部分热量,这使得水位下汽泡容积有所减少,当水位下汽泡容积的变化过程逐渐平衡时,水位的变化就完全反映了由于汽包中储水量的增加而逐渐上升。因此,实际水位曲线如图中的万线,即当给水量作阶跃变化后,汽包水位一开始不立即增加,而要呈现出一段起始惯性段。用传递函数表示时,它近似于一个积分环节和时滞环节的串联。系统特性可表示为:zJU工业锅炉-热水炉-蒸汽炉-导热油炉-热风炉-郑州枫岚

工业锅炉zJU工业锅炉-热水炉-蒸汽炉-导热油炉-热风炉-郑州枫岚

式中K1—反应速度,即给水流量改变单位流量时水位的变化速度,单位为毫米/秒或(吨/小时)。zJU工业锅炉-热水炉-蒸汽炉-导热油炉-热风炉-郑州枫岚

从上式可知,汽包水位在给水流量作用下的动态特性由一个积分环节和一个滞后环节所组成,Kl、T1的数值可通过实验测试求得,数值的大小同锅炉的结构有关。有些锅炉当给水量增加时,在较长的一段时间里,汽包水位并不增加,有一较长的起始惯性段,对于这种锅炉用上式来表示它的动态特性,误差较大,这时可选用下面近似计算:zJU工业锅炉-热水炉-蒸汽炉-导热油炉-热风炉-郑州枫岚

工业锅炉zJU工业锅炉-热水炉-蒸汽炉-导热油炉-热风炉-郑州枫岚

式中,τ—给水量扰动后的纯滞后时间,对非沸腾式省煤器的锅炉,τ这时为30至100秒;对于沸腾式省煤器的锅炉,τ为100至200秒;K0一水位的反应速度。给水温度越低,时滞τ亦越大。zJU工业锅炉-热水炉-蒸汽炉-导热油炉-热风炉-郑州枫岚

由此可见,汽包水位调节对象的动态特性可以有二种形式:反应曲线变化最快的可用式1表示,这时的动态特性可以等效为一个积分环节和一个惯性环节相串联;另外也可用式2表示,相当于一个积分环节和一个纯滞后环节的串联。对于不同的锅炉设备,究竟采用何种形式的传递函数来表示它的动态特性,还要根据具体条件来定,原则是:表达特性最符合实际情况、传递函数式尽可能地简单。zJU工业锅炉-热水炉-蒸汽炉-导热油炉-热风炉-郑州枫岚

总之,汽包水位调节对象在给水量作用下,具有纯迟延和惯性,无自衡能力。具体特性可用二种形式来描述,究竟采用何种形式,可根据锅炉结构和汽化强度来定。zJU工业锅炉-热水炉-蒸汽炉-导热油炉-热风炉-郑州枫岚

1.1.2汽包水位在蒸汽流量D扰动下的动态特性zJU工业锅炉-热水炉-蒸汽炉-导热油炉-热风炉-郑州枫岚

在蒸汽流量的扰动作用下,水位的阶跃响应曲线如下所示。当蒸汽流量突然增加,从锅炉的物料平衡关系看,蒸汽流量D大于给水量矶水位应下降,如图中曲线H1。但实际并非如此,由于蒸汽用量增加,瞬间导致汽包压力的下降。汽包内水的沸腾突然加剧,水中汽泡迅速增加,由于汽泡容积增加而使水位变化的曲线如图中的H2线。因此,实际的水位曲线为H1+H2,即为图中的H。从图中可以看出,当蒸汽负荷增加时,水位不仅不下降反而上升,然后再下降(反之,蒸汽流量突然减少时,则水位先下降,然后再上升),这种现象称之为“虚假水位”。当汽水混合物中汽泡容积与负荷相适应达到稳定后,水位才反映出物料的不平衡,开始下降。应该指出,当负荷阶跃改变时,水面下汽泡容积变化引起的水位变化是很快的,图中H2的时间常数只有10~20秒。蒸汽流量扰动时,水位变化的动态特性可表示为:zJU工业锅炉-热水炉-蒸汽炉-导热油炉-热风炉-郑州枫岚

工业锅炉zJU工业锅炉-热水炉-蒸汽炉-导热油炉-热风炉-郑州枫岚

式中zJU工业锅炉-热水炉-蒸汽炉-导热油炉-热风炉-郑州枫岚

Kf——响应速度,即蒸汽流量变化单位流量时,水位的变化速度,单位为毫米/秒或(吨/小时)。zJU工业锅炉-热水炉-蒸汽炉-导热油炉-热风炉-郑州枫岚

K2——响应曲线玩的放大系数zJU工业锅炉-热水炉-蒸汽炉-导热油炉-热风炉-郑州枫岚

T2——响应曲线的时间常数zJU工业锅炉-热水炉-蒸汽炉-导热油炉-热风炉-郑州枫岚

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蒸汽流量扰动下水位阶跃响应zJU工业锅炉-热水炉-蒸汽炉-导热油炉-热风炉-郑州枫岚

“虚假水位”变化的幅度与锅炉的汽压与蒸汽量有关,对于一般100一230吨/小时的中高压锅炉,如负荷阶跃变化10%时,“虚假水位”现象可使水位变化达30一40毫米。由于“虚假水位”现象属于反向特性,其出现的水位最DA偏差很难依靠调节来克服,如果要求水位波动不能太大,只有限制负荷D的变化速度或限制负荷一次变化量。zJU工业锅炉-热水炉-蒸汽炉-导热油炉-热风炉-郑州枫岚

由此可见,汽包水位调节对象在蒸汽流量扰动下,非但没有自平衡能力,而且存在着“虚假水位”现象,“虚假水位”的变化速度很快,变化幅度与蒸发量扰动大小成正比,也与压力变化速度成正比,在设计调节系统时必须考虑。zJU工业锅炉-热水炉-蒸汽炉-导热油炉-热风炉-郑州枫岚

3.1.3燃料量B扰动下汽包水位的动态特性zJU工业锅炉-热水炉-蒸汽炉-导热油炉-热风炉-郑州枫岚

汽包水位在燃料量B扰动下的响应曲线如下图所示。当燃料量增加时,锅炉的吸热量增加,蒸发强度加大。如果负荷的用汽量不加调节,则随着汽包压力的增加,汽包输出蒸汽量也将增加,于是蒸发量大于给水量,暂时产生了汽包进出口工质流量的不平衡。由于水面下的蒸汽容积增大,此时也会出现虚假水位现象,但由于燃烧率的增加也将同时导致汽包压力上升,它会使汽泡体积减小,另外由于热惯性,燃料量的增加只使蒸汽量D缓慢增加,故虚假水位现象要比蒸汽扰动下缓和的多。zJU工业锅炉-热水炉-蒸汽炉-导热油炉-热风炉-郑州枫岚

工业锅炉zJU工业锅炉-热水炉-蒸汽炉-导热油炉-热风炉-郑州枫岚

燃料量扰动下水位阶跃响应zJU工业锅炉-热水炉-蒸汽炉-导热油炉-热风炉-郑州枫岚

1.2汽包水位调节方式zJU工业锅炉-热水炉-蒸汽炉-导热油炉-热风炉-郑州枫岚

给水控制的任务是维持汽包中水位在工艺允许范围内。由于影响汽包水位的几个因素中,燃料量的扰动影响较小,因此,汽包水位的控制中,主要的目的是以汽包水位为被控变量,以调节给水流量为控制手段。同时,由于汽包水位不仅受锅炉侧的影响,也受到汽轮机侧的影响,当锅炉负荷变化或汽轮机用汽量变化时,给水控制都应能限制汽包水位只在给定的范围内变化。常用的汽包水位控制方式有单冲量、双冲量及三冲量控制。这里的冲量指的是变量。zJU工业锅炉-热水炉-蒸汽炉-导热油炉-热风炉-郑州枫岚

1.2.1单冲量控制方式zJU工业锅炉-热水炉-蒸汽炉-导热油炉-热风炉-郑州枫岚

单冲量水位控制方式原理图及方框图如下图所示。它是汽包水位自动调节中最简单、最基本的一种形式。它引入汽包水位作为反馈量,是典型的单回路定值控制系统。此方式将水位测量信号经变送器送到水位调节器,水位调节器根据水位测量值与给定值的偏差去控制给水阀门,改变给水量来保持汽包水位在允许的操作范围内。这种控制方式,在停留时间较长,负荷也比较稳定的场合,再配上一些联锁报替装置,也可以保证安全操作.但在停留时间较短,负荷变化较大时,采用此方式就不合适。这是由于:zJU工业锅炉-热水炉-蒸汽炉-导热油炉-热风炉-郑州枫岚

1)负荷变化时产生的“虚假水位”,将使调节器反向错误动作,负荷增大时反向关小给水调节阀,一到闪急汽化平息下来,将使水位严重下降,波动很大,动态品质很差。zJU工业锅炉-热水炉-蒸汽炉-导热油炉-热风炉-郑州枫岚

2)负荷变化时,控制作用缓慢。即使“虚假水位”现象不严重,从负荷变化到水位下降要有一个过程,再由水位变化到阀动作己滞后一段时间。如果水位过程时间常数很小,偏差必然相当显著。zJU工业锅炉-热水炉-蒸汽炉-导热油炉-热风炉-郑州枫岚

3)给水系统出现扰动时,阀门动作缓慢。假定给水泵的压力发生变化,进水流量立即变化,然而到水位发生偏差而调节阀动作,同样不够及时。zJU工业锅炉-热水炉-蒸汽炉-导热油炉-热风炉-郑州枫岚

总之,单冲量汽包水位调节的优点是:系统结构简单,在汽包容量比较大、水位在受到扰动后的反应速度比较慢、“假水位”现象不很严重的场合,采用单冲量水位调节是能够满足生产要求的。zJU工业锅炉-热水炉-蒸汽炉-导热油炉-热风炉-郑州枫岚

工业锅炉zJU工业锅炉-热水炉-蒸汽炉-导热油炉-热风炉-郑州枫岚

汽包水位单冲量控制原理图及方框图zJU工业锅炉-热水炉-蒸汽炉-导热油炉-热风炉-郑州枫岚

1.2.2双冲量控制方式zJU工业锅炉-热水炉-蒸汽炉-导热油炉-热风炉-郑州枫岚

在汽包水位控制中,最主要的扰动是负荷的变化。如果引入蒸汽流量来校正,就构成了双冲量控制系统。这样不仅可以补偿“虚假水位”的引起的误动作,而且使给水调节阀的动作及时,如下图所示。图中,G2为蒸汽流量扰动下,汽包水位的传递函数。zJU工业锅炉-热水炉-蒸汽炉-导热油炉-热风炉-郑州枫岚

工业锅炉zJU工业锅炉-热水炉-蒸汽炉-导热油炉-热风炉-郑州枫岚

汽包水位双冲量控制原理图及方框图zJU工业锅炉-热水炉-蒸汽炉-导热油炉-热风炉-郑州枫岚

从本质上看,双冲量控制系统是一个前馈加单回路反馈控制系统的复合控制系统。这种调节系统的特点是:zJU工业锅炉-热水炉-蒸汽炉-导热油炉-热风炉-郑州枫岚

1)引入蒸汽流量前馈信号可以消除“虚假水位”对调节的不良影响,当蒸汽量变化时,就有一个使给水量与蒸汽量同方向变化的信号,可以减小或抵消由于“虚假水位”现象而使给水量与蒸汽量相反方向变化的误动作,使调节阀一开始就向正确的方向移动。因而大大减小了给水量和水位的波动,缩短了过渡过程的时间。zJU工业锅炉-热水炉-蒸汽炉-导热油炉-热风炉-郑州枫岚

2)引入了蒸汽流量前馈信号,能够改善调节系统的静态特性,提高调节质量。当C1、C2选择匹配时,系统的静态特性是无差的。双冲量调节由于有以上特点,所以能在负荷变化频繁的工况下比较好的完zJU工业锅炉-热水炉-蒸汽炉-导热油炉-热风炉-郑州枫岚

成水位调节任务。在给水压力比较平稳时,采用双冲量调节是能够达到调节要求的。zJU工业锅炉-热水炉-蒸汽炉-导热油炉-热风炉-郑州枫岚

双冲量调节存在的问题是:调节作用不能及时反映给水侧的扰动,当给水量扰动时,调节系统等于单冲量调节。因此,如果给水母管压力经常有波动,给水调节阀前后压差不易保持正常时,不宜采用双冲量调节。同时调节阀的工作特性不一定是线性的,这样要做到静态补偿就比较困难。zJU工业锅炉-热水炉-蒸汽炉-导热油炉-热风炉-郑州枫岚

1.2.3三冲量控制方式zJU工业锅炉-热水炉-蒸汽炉-导热油炉-热风炉-郑州枫岚

目前锅炉都向大容量高参数的方向发展,一般讲锅炉容量越大,汽包的容水量相对就越小,允许波动的蓄水量就更少。如果给水中断,可能在10-20秒内就会发生危险水位;如仅是给水量与蒸发量不相适应,在一分钟到几分钟内也将发生缺水或满水事故。这样对水位控制要求就更高了。zJU工业锅炉-热水炉-蒸汽炉-导热油炉-热风炉-郑州枫岚

锅炉给水量在运行中经常会有自发性的变化,当几台锅炉并列运行时,还可能发生几台锅炉的水位调节互相干扰的现象。当某一台锅炉负荷和给水量改变时,引起给水母管压力波动,而使其它锅炉的给水量受到扰动。在双冲量水位调节中,对于给水量这种自发变化不能及时反映出来,要经过一定的迟延时间之后,给水量的扰动才能通过汽包水位的变化而被发觉,此后在克服扰动时,几台锅炉的水位调节又互相影响,使得调节过程非常复杂。zJU工业锅炉-热水炉-蒸汽炉-导热油炉-热风炉-郑州枫岚

针对上述情况,为了把水位控制平稳,在双冲量水位调节基础上引入了给水流量信号,由水位H、蒸汽流量D和给水流量W组成了三冲量汽包水位调节系统,汽包水位H是被调量,是主冲量信号,蒸汽流量D、给水流量W是两个辅助冲量信号。zJU工业锅炉-热水炉-蒸汽炉-导热油炉-热风炉-郑州枫岚

工业锅炉zJU工业锅炉-热水炉-蒸汽炉-导热油炉-热风炉-郑州枫岚

汽包水位三冲量前馈一反馈控制原理图及方框图zJU工业锅炉-热水炉-蒸汽炉-导热油炉-热风炉-郑州枫岚

1)前馈一反馈控制方式zJU工业锅炉-热水炉-蒸汽炉-导热油炉-热风炉-郑州枫岚

前馈一反馈控制方式的原理图及方框图如上图所示,从方块图上可以看出,这个系统有两个闭合回路:(1)是由给水流量W、给水分流器aw、调节器Gc。、调节阀Gv组成的内回路。(2)由水位调节对象G1和内回路构成的主回路。蒸汽流量D、分流器aD、对象G2均在闭合回路之外,它的引入可以改善调节质量,但不影响闭合回路工作的稳定性。所以该系统的实质是前馈加反馈的调节系统。为了确保当负荷变化时水位无余差,必须保证物料平衡,由此确定分流系数aw,aD的值。zJU工业锅炉-热水炉-蒸汽炉-导热油炉-热风炉-郑州枫岚

2)前馈一串级控制方式zJU工业锅炉-热水炉-蒸汽炉-导热油炉-热风炉-郑州枫岚

前馈一串级控制方式的原理图及方框图如下图所示,该方案与前馈一反馈控制方式相似,仅是加法器位置从调节器前移至调节器后。此方案不管系数如何设置,当负荷变化时,液位可以保持无差。zJU工业锅炉-热水炉-蒸汽炉-导热油炉-热风炉-郑州枫岚

工业锅炉zJU工业锅炉-热水炉-蒸汽炉-导热油炉-热风炉-郑州枫岚

汽包水位三冲量前馈一串级控制原理图及方框图zJU工业锅炉-热水炉-蒸汽炉-导热油炉-热风炉-郑州枫岚

分气缸zJU工业锅炉-热水炉-蒸汽炉-导热油炉-热风炉-郑州枫岚


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