火电厂给水系统仿真[相关知识]

1、目 录摘 要IIIAbstractIV第一章 绪 论11.1 课题的研究背景及意义11.2 我国火力发电厂的发展方向11.3本课题设计的内容2第二章 给水控制系统原理32.1 给水控制系统的任务32.2水位控制系统的构成32.2.1 测量部分32.2.2 调节器部分42.2.3 执行器部分42.2.4 常规的汽包水位控制系统4第三章 给水控制系统结构分析及策略研究53.1 给水调节对象的动态特性53.2 汽包水位的测量63.2.1 汽包水位信号的测量与补偿63.2.2 给水流量信号的补偿63.2.3 蒸汽流量的测量63.3系统扰动分析73.3.1 给水流量扰动73.3.2 蒸汽流量扰动83.3

2、.3 燃料量扰动103.3.4其他扰动10第四章 给水三冲量系统的整定114.1 单级三冲量给水控制系统的参数整定114.1.1主、副调节器的参数整定114.1.2 前馈通路的参数整定124.2 串级三冲量给水控制系统的参数整定134.2.1 主、副调节器的参数整定134.2.2 前馈通路的设计15第五章 给水三冲量系统的仿真175.1 单级三冲量给水控制系统的MATLAB仿真175.1.1主、副回路的仿真175.1.2前馈通路的仿真195.2 串级三冲量给水控制系统的MATLAB仿真225.2.1 副回路的仿真225.2.2 主回路的仿真235.2.3 前馈通路的仿真245.3 单级三冲量给

3、水控制系统与串级三冲量给水控制系统比较28参考文献31致 谢33u5ap火电厂给水控制系统仿真摘 要虽然现在新能源发电领域比较火爆，但至今火力发电厂依然在我的的发电领域中拥有很重要的地位。我国虽然还是发展中国家，但是近年来GDP的增长已经处于世界的前列，当然对于电力的需求也越来越高，而且我国近年来对环境的保护和资源的利用也更加重视，所以随之我国的发电厂的建设开始向大容量、高参数的大型机组靠近。锅炉给水控制系统是火力发电厂中极其重要的控制系统之一。其中，我们一般都重点来研究锅炉的汽包水位，由此我们也能够了解锅炉是否处在平衡的状态。因此，电力工程师和研究者都把目光放在给水控制系统的上面，经过好几次

4、的更新优化，同时这还是火电厂发展一直以来需要优化的方面。首先先分析了控制原理和基本的机构，然后分析汽包水位，主要研究三冲量，将单级三冲量与串级三冲量进行了比较，最后通过仿真确定使用串级三冲量更优。关键词：火力发电厂;给水控制系统;汽包水位Simulation of water supply control system in thermal power plantAbstractAlthough the new energy field is hot, but the thermal power plant is still in power in my field has a very im

5、portant position. Although China is still a developing country, but in recent years, the growth of GDP has been at the forefront of the world, of course, demand for electricity is also more and more high, and the use of China in recent years, the protection of the environment and resources is becomi

6、ng more and more attention, so will Chinas power plant construction began to large capacity, high parameter large near the unit.Boiler feedwater control system is one of the most important control system in thermal power plant. Among them, the drum water level we usually focus on the boiler, thus we

7、 can know whether the boiler being in balance. Therefore, power engineers and researchers have focused on water supply control system, after several times of updating, it is also the development of the thermal power plant has been the need to optimize the.First analysis the control principle and the

8、 basic mechanism, and then analyzes the three impulse, will single stage three impulse and on three impulses are compared, finally determined by simulation using cascade three impulse is better.Key words：Thermal power plant; water control system; water level第1章 绪 论1.1 课题的研究背景及意义虽然现在新能源发电领域比较火爆，但至今火力

9、发电厂依然在我的的发电领域中拥有很重要的地位。我国虽然还是发展中国家，但是近年来GDP的增长已经处于世界的前列，当然对于电力的需求也越来越高，而且我国近年来对环境的保护和资源的利用也更加重视，所以随之我国的发电厂的建设开始向大容量、高参数的大型机组靠近。锅炉给水控制系统是火力发电厂中极其重要的控制系统之一。其中，我们一般都重点来研究锅炉的汽包水位，由此我们也能够了解锅炉是否处在平衡的状态。因此，电力工程师和研究者都把目光放在给水控制系统的上面，经过好几次的更新优化，同时这还是火电厂发展一直以来需要优化的方面。1.2 我国火力发电厂的发展方向 大约在1980年左右，我国从国外引进了第一个火电机组

10、（亚临界火电机组）。我国也对此进行了优化和改进，使得国华宁海火电厂也进入世界火电厂的前列，但引进的亚临界火电机组存在严重的问题，这些问题不仅仅在于火电厂的效率上，而且也限制了我国火电厂的进一步的发展和进步。通过借鉴国际上的经验发展的超临界火电机组也存在一些问题。因此，我国应该大规模的发展超超临界火电机组。以下为各个类型的火电机组的参数和效率，亚临界的参数为16.7兆帕/538摄氏度/538摄氏度，供电热效率约为百分之三十八，超临界的参数为24.1兆帕/538摄氏度/538摄氏度，供电热效率约为百分之四十一，而超超临界的参数为27.5兆帕/580摄氏度/580摄氏度，其供电热效率约为百分之四十三

11、。通过三者的比较，我们可以看出超超临界机组的效率是最高的。超超临界的煤电机组发电效率可以达到40%-43%，目前，我国的燃煤电厂已经开始大范围使用超超临界技术，处于世界领先水平。开展超700超超临界发电机组的锅炉、汽机、辅机以及高温材料等关键技术研究，为“十三五”期间实现工程示范打下基础，主要技术指标：压力30MPa，蒸汽温度700，机组容量600MW；锅炉效率94%；发电机额定功率600MW；汽轮机热耗6950Kj/KWH，机组循环效率48.37；发电机效率99。当然，除了超超临界技术外还有高超临界，但需要材料、锅炉等方面的技术进一步改进，但是还有一些技术没有解决。u5ap1.3本课题设计的

12、内容主要介绍火力发电厂给水控制系统的原理和结构，及其如何安全稳定运行，本文重点分析了三冲量系统，并结合MATLAB仿真来比较单级三冲量系统和串级三冲量的系统的差别，最后总结出一个更好的方案。结合火力发电厂单机组的控制系统，设计出给水控制系统的数学模型。主要分析内扰和外扰，在串级控制中，其中内回路主要是采用P控制来控制给水扰动，而外回路我们一般会采取非线性PID控制的方法使得汽包水位保持在我们的给定值，该控制策略结构和算法简单，但能够有效的克服蒸汽流量的扰动，且通过仿真结果可以发现，通过这样的一种方法与一般的串级控制方法相比较，其稳定性更好，而且在一些参数的影响下能够保持一些特性不变，即能够特别

13、成功地克服内扰和外扰。第2章 给水控制系统原理2.1 给水控制系统的任务火力发电厂系统中一个极其重要的一个组成的部分是给水控制系统，这就造成了一种不管在什么情况下，给水控制系统都要不停的往锅炉中输入水。在这其中，给水泵担任的角色是一个给水系统的心脏作用。传统的小一点容量的机组在正常的情况下采用的是定速水泵再加上一个给水操作平台的工作方式，但是如果机组的容量变大的话，操作平台里面的调节阀承受的压力会随着机组容量的变大而将压力差变大，但是这样会造成一个节流损失的加重，这样安全性和经济性就不能得到了充分的保证。正是因为上述的原因，所以现在很多的大容量或点击组就改变了给水方式，由以前的定速给水方式变成

14、了现在的变速给水方式，正常情况下。运行泵的作用是由汽动给水泵来担任的，与此同时也可以分情况使用，在有事故的时候或者在启动阶段的时候可以使用电动给水泵，但是在平时的时候就可以将它作为备用泵使用。一个锅炉中，是由一系列的系统组成的，这些系统有燃烧系统，汽温控制系统还有给水控制系统和辅助控制系统。这些系统是衡量一个锅炉是否正常运行的一个重要指标，锅炉能安全运行的重要标准是一定要将水位保持在一个指定的范围内，锅炉的安全运行时不能允许水位的幅度波动的，这样会给锅炉的运行带来不好的影响。如果水位是过于高的话，这样汽包的水汽就会迅速分离，这样的后果就是水蒸气带水太多，会对锅炉的运行造成安全影响，可能导致重大

15、事故的发生，过高时不好的，那么过低的话，就会因为汽包内的水量小，造成锅炉的负荷超载，这样会使水的气化速度变快，谁的气化速度变快的话就会使汽包内的水量变化速度加快，在没有外界控制环节的加入时，这样就会到时汽包内的水变得化。 所以我们可以知道，给水控制系统其实就是为了将汽包水位维持在一个特定的正常范围值内的。给水控制对象的被控量是汽包水位H。水位的变化水手很多的因素干扰的，有有锅炉给水量w、蒸发量D、汽包压力等。2.2水位控制系统的构成水位控制系统一般都是由测量部分、调节器部分、执行器部分和调节阀部分等方面组成，下面我们对其分别加以分析。2.2.1 测量部分大部分的水位控制系统的测量通常是采用双室

16、平衡容器接差压变送器的方式，如图2-1所示。图2-1 常用汽包水位测量原理2.2.2 调节器部分调节器部分在一般情况下可以由两种方式来完成，分别为单元组合式仪表和计算机控制系统两种方式。这两种方式都是把测量到的信号与我们的给定值加以比较和计算从而得到一个偏差值，接着我们将其进行数学运算，之后就把运算到的结果发送给执行器。2.2.3 执行器部分执行器部分，一般情况下我们会采用电动式的执行器再加上调节阀。其作用是将发送过来的偏差信号和位置发送器的反馈信号相比较，在运用放大器来放大信号，以此来驱动伺服电动机，来带动调节阀，从而达到改变水流量的目的。2.2.4 常规的汽包水位控制系统水位控制系统一般情

17、况下是由四个方面组成的，分别为调节器、执行器、调节阀和变送器。测量部分得到的汽包水位的数值与一开始给定的数值通过调解器进行对比，当两者不相等的时候，则会产生偏差值。而后调节器会接收到这样的偏差信号，随之按照确定的运算规律运算后输出控制信号，然后再输送给执行器，执行器再经过运转，随之调节阀的开度也得到了改变，从而使得供给汽包的水流量发生改变，从而使被控参数（汽包水位H）回到给定值上来。 第3章 给水控制系统结构分析及策略研究3.1 给水调节对象的动态特性汽包水位是火电厂给水调节系统的最关键的指标，保持汽包水位在特定的范围内是确保锅炉和汽轮机节能安全运行的首要条件。给水控制系统的目标是使汽包的给水

18、量与蒸发量相同，使得汽包水位在特定的范围内。当中主要有两种扰动，分别为给水流量扰动和蒸汽流量扰动。其中，给水流量扰动被称为内扰，在调节器中发生。而蒸汽流量扰动被称为外扰，在负荷侧产生。其结构见下图3-1。 汽包炉给水控制对象的结构如图3.1所示。影响锅炉水位的要素有很多，其中最主要的有给水量（G）和蒸发量（D），还包括汽包压力（P）等。控制系统的物质平衡方程为： （3-1） 经过数学的基础变换可得： （3-2）令，（3-2）式可变换为： (3-3)式中字母的意义如下：汽包水位 ：给水量 ：蒸发量 ：汽水分离面积 ：容量系数 ：水的密度 ：蒸汽密度 其中（3-3）中的容量系数C是用来表征结构系数

19、的，而其动态特性则是用速度和时间来表示的。 图3-1 给水调节对象锅炉给水控制对象的动态特性有以下特点：（1）锅炉给水系统中给水流量扰动存在延迟，所以我们一般不用单级控制，而采用串级控制。本文的仿真会将单级很串级进行比较。（2）锅炉给水系统在蒸汽流量的时候会出现虚假水位，所以在考虑蒸汽流量扰动的时候要加入前馈信号来提高其控制水平和效率。其后的仿真也考虑到了这一点。3.2 汽包水位的测量3.2.1 汽包水位信号的测量与补偿由上文可知，测量水位采用双室平衡容器接差压变送器的方式。因为锅炉从开始到产生负荷的过程中汽包压力P产生了很大的波动，所以只能采取差压的方式来进行补偿，而不是采取整压的方式。3.

20、2.2 给水流量信号的补偿采取差压的方式进行补偿，由于水的密度有很大的波动，所以根据其变化的快慢程度来进行补偿。我们一般会采用差压式流量计，该设备由两方面构成。第一个方面是测量的方面，安装在管道中，与给水流量产生流量差。而另一方面是显示方面，主要是接收第一方面的产生的信号。3.2.3 蒸汽流量的测量蒸汽流量的测量，是采用在过热器出口上的温度补偿的方式得到其压力值来测量的，由于孔板容易损坏，而且维修起来还是比较困难的，所以舍弃了用孔板测量的方法。汽包锅炉一般都配有两套就地水位计和三套远传式水位计，而锅炉汽包水位的监视、自动控制、越限报警和跳闸保护则完全依靠这三套远传式(差压式)水位计来实现如下图

21、3-21-正压一次门 2-単室平衡容器 3-负压一次门 4-汽包图3-2 配单室平衡容器的差压式水位测量示意图考虑到汽包压力和饱和蒸汽温度对饱和蒸汽重度的影响，汽包水位变送器的测量差压值经过压力补偿计算后得到结果就是准确的汽包水位值，其计算公式为： （3-4） 式中字母表示的意义如下：水位变送器实际的压力差 I、L：平衡容器内的结构尺寸； ：室温下水与饱和水重度之差； ：汽包压力下饱和水与饱和蒸汽重度之差。其中水位变送器实际测量出来的压力差通过一系列的数学计算分析最后就可以得到锅炉汽包的实际水位。3.3系统扰动分析3.3.1 给水流量扰动给水流量扰动是系统的主要扰动之一，会进行主要的分析。其中

22、，给水流量是输入量，为内扰。如果其中的外扰蒸汽负荷保持不变的话，给水流量变化时，其方程式如下所示： （3-5）经过简单的数学分析可以得到传递函数如下： （3-6） 对于中压锅炉，上式中Tw的数值很小，常常可以忽略不计，因此可以进一步改写为： （3-7）在给水流量扰动时情况下的水位阶跃响应曲线如下图3-3所示：（a） 沸腾式 （b） 非沸腾式图3-3 给水量扰动时水位阶跃响应曲线图3.5中的给水扰动的阶跃响应曲线中的图（a）为沸腾式省煤器的情况下的水动态特性，图（b）则为非沸腾式的特性。如图3.5中的阶跃响应可以看到，伴随着给水流量的增大，其锅炉汽包水位没有一下持续提升，而是像先下降了一段时间，

23、然后再上升的，如图（b）可以看出来，而不是和我们平时的常识一样，增大给水流量，然后汽包水位就根据其线性变化。这是由于给水的温度和省煤器当中的温度还有很大的差距，因此这一温度差使得省煤器中的蒸汽冷凝成水，降低省煤器中的温度，从而降低了省煤器中的水位，所以刚给的水用于补偿省煤器中的水位，之后的水才能流到汽包当中，从而慢慢提高汽包中的水位。而且当刚给的水在补偿省煤器的水位的时候，由于其中的负荷还没有发生变化，汽包中的水还在蒸发，从而也导致汽包水位下降了一点。3.3.2 蒸汽流量扰动除了上文中的给水流量扰动外，其蒸汽流量扰动也是系统的主要扰动之一，也是本文具体分析的方面。下面的方程式是在控制给水流量不

24、发生变化的情况下，蒸汽流量扰动的动态特性方程。 （3-8） 经过简单的数学分析可以得到传递函数如下： （3-9） 将上面的传递函数经过并联变换如下： （3-10）式中： 。在蒸汽流量扰动时情况下的水位阶跃响应曲线如下图3-4所示：（a） 沸腾式 （b） 非沸腾式图3-4 蒸汽量D扰动下的水位阶跃响应曲线从上图3.6中扰动的阶跃响应曲线可以看出，随着蒸汽流量的增大，图（b）可以看出汽包水位没有一下随蒸汽流量的变化而发生线性变化，而是先上升再持续下降的。而不像我们的常识那样，蒸发越多汽包水位随之下降也越多。这样的一种反常识的现象用专业术语叫做“虚假水位”，而产生“虚假水位”的原因是由于负荷的增大，

25、蒸发也越多，而燃料没有及时得到增加使得气压下降，同时使得汽包膨胀和水下面的气泡的体积也变大，所以汽包水位也及因为水下面的气泡的体积的变大而升高。但是见过一段时间，锅炉适应了这样的负荷，调整过来，水位也就随之下降了。所以水位的变化H(t)应该是H1(t)和H2(t)之和，即： （3-11）3.3.3 燃料量扰动在燃料量扰动时情况下的水位阶跃响应曲线如下图3-5所示： （a） 沸腾式 （b） 非沸腾式 图3-5 燃料量扰动下水位阶跃响应曲线当燃料量增大的时候，锅炉的温度也随之增大，使得蒸发量也随之增大，高于给水量，但由于此时也会出现和蒸汽流量扰动下的“虚假水位”，所以水位也会先提高一点，然后再下降

26、。但是燃料量扰动中的“虚假水位”同蒸汽流量扰动下的“虚假水位”有所不同，稍微比蒸汽流量扰动下的小一些，但是它延续的时间会比前者长一点。 3.3.4其他扰动给水流量扰动、蒸汽流量扰动和燃料量扰动是系统扰动主要的三个扰动。其中给水扰动为内扰。而蒸汽流量扰动和燃料量扰动为外扰，而外扰只是影响水位波动的幅度而已。所以在研究参数整定外，还会经常研究在外扰情况下的是否有前馈信号的情况，而这些在之后的仿真中都会提及。当然除了以上所说的三个常见的扰动外，还有汽包压力P、调节阀的开度等其他因素，但是这些其他因素都可以通过以上三个主要的扰动反应出来。与此同时，我们要保持锅炉汽包内的压力稳定，要时刻保持蒸汽流量和燃

27、料量的平衡，这两者往往一起变化。只是一个变化快一个变化慢而已。第4章 给水三冲量系统的整定4.1 单级三冲量给水控制系统的参数整定4.1.1主、副调节器的参数整定 本小节所研究三级三冲量，主要从副回路、主回路和前馈通路的的参数整定研究。其中可以内回路当做一个简单的单回路，然后进行分析。而把副回路可以当做一个快速跟随主回路的一个系统，其作用是用来消除给水扰动，同时还能监控外扰蒸汽扰动。如下图4-1为副回路的等效图。图4-1 副回路等效图将一个值g作为其的基础值，再加上要考虑其中的增量的情况，所以在这个时候就能够将这个副回路当做一个单回路来看了。对此，我们经常把除了调节器和分压系数之外的所有环节都

28、看做是可以调节的目标，所以在广义上来说，其对象 （4-1）其实就是上文所说的近似比例环节，由于其中调节器的比例带和积分时间理论上都可以取非常小的值，所以我们经常通过试探法来得到他们的准确的值。同时为了保证该回路的稳定，一般情况下其积分时间。我们在用试探法试探的过程中，我们可以随意地设置的值，以便得到一个比较完美的比例带的值。当再一次变换的时候，我们必须要使得的值不发生任何的变化，其目的也就是为了保证该回路的开环的放大倍数不变。我们在使用试探法的时候，通常情况下是将主回路设置为开路的状态，使其失去水位的信号，其g为零，同时设置调节器的积分时间和的值。我们先手动操作进水的阀门，等到出现第一个阶跃信

29、号之后就将其切换为自动挡，同时观察曲线状态，如果其能够非常迅速地达到稳定的状态的话就可以了。下图4-2为主回路的等效图。图4-2主回路等效图可以从上图4-2中看出来，其为副回路的等效环节，把和看作一个等效调节器所控制的对象，则 （4-2）而则是一个常数，这是一个等效比例调节器，其比例带。除此之外，可以使用实验法来获得它的对象特性，其实就是在给水流量扰动下，锅炉汽包水位的变化曲线，根据这样的曲线可以通过简单的计算得到飞升速度和迟延时间。其中当比较大的话，就可以按照下面的公式进行整定 （4-3）同时又因为，所以 （4-4）由上文我们通过对面两者的比例带，我们不难发现对内外回路的影响刚好是相反的。

30、若减小的话，副回路的稳定性则加强了，而主回复的稳定性就相应地减弱了。若增强的话则相反。所以我们在改变的同时需要改变，使不变，来保持稳定性。4.1.2 前馈通路的参数整定下面我们考虑前馈通路的方面，其对稳定性没有影响，所以我们可以单独地来考虑，下图4-3为前馈通路的等效图。图4-3 前馈通路按照上图4-3我们可以求出其补偿条件，计算方法如下：令，而，所以其完全补偿条件为： （4-5）把和的值代入得： (4-6)在式（4-4）中，其中的负号是由于前馈装置极性开关实现的，而、的值是变送器的斜率，在一般情况下斜率的值是给好的。实际上其整定只是要确定（分压系数），但是没有上文中的整定那么简单，而是一个很

31、复杂的环节，我们需要在静态特性下进行整定，条件如下： （4-7） 通常有，所以：。根据上文我们基本上可以分析出其的整定方法：（1）使用试探法确定和的值，同时保证不发生变化，其目的是为了快速地消除给水流量扰动来使系统稳定。（2）由于的整定比较复杂，我们一般使。4.2 串级三冲量给水控制系统的参数整定4.2.1 主、副调节器的参数整定在串级三冲量给水控制系统中，副回路的参数整定方法同单级三冲量差不多，一般也是用试探法整定副回路的和。主回路参数整定是把副回路等效成一个比例环节，然后用经验公式进行整定；前馈通路的选择是基于“虚假水位”而定的。它主要是为了补偿“虚假水位”现象。下面分别对它们进行参数整定

32、。和单级三冲量一样，串级三冲量的副回路也可看作是一个随动系统，如下图4-4所示。图4-4 副回路等效图同时我还是会把调节阀和普通管道系统作为被调对象，则作为以外的环节都作为等效调节器。 (4-8)若采用型如的调节规律，则 （4-9）式中副调节器比例带；副调节器积分时间。一般情况下和 都会取很小的值，其中、的两个值一般都取1。如果出现的“虚假水位”现象比较严重的话，我们一般会使蒸汽流量信号增强，来时其过程更稳定，这个时候可以使1，同时需要使用试验下来减小。同时我们一般会使/的值为一个整值，一般情况下取2。其中我们可以知道内回路是快速随动的，所以我们会使用纯比例型调节器。我们可以根据式（4-5）可

33、以看出来，副回路的等效调节器也可看作一个PI规律的调节器。 （4-10）副回路的对象为，可近似为比例环节，所以调节器的比例带和积分时间都可以整定得很小，实际应用中，、可通过试验获得；因此副回路也是整定和的问题，一般也用试探法求得。主回路的整定是建立在副回路可以等效为一个快速比例环节基础上的。它的示意图如图4-5所示，其中为等效副回路。图4-5 主回路等效图把看成是被控对象，其余的环节可看成是等效调节器。 (4-11)若： (4-12) (4-13）和为已知，所以回路只要整定、和的问题，用以下经验公式整定： (4-14)所以 (4-15)由式（4-6）和式（4-7）两式可知： (4-16)即当增

34、加时，内回路稳定性降低，外回路稳定性增强，反之相反。一般取=1，则只需整定、和。则有 (4-17) (4-18)4.2.2 前馈通路的设计下图4-6为前馈通路简化的图形，其中是根据“虚假水位”而确定的。前馈通路中完全补偿条件为： (4-19) (4-20) 图4-6 前馈通路等效图如果前馈通路的设计只考虑静态补偿，且与的静态比值为一个常数，则有下式： 一般情况下使蒸汽流量信号要远远大于给水流量信号，即令。这时有： 若，则： 第5章 给水三冲量系统的仿真5.1 单级三冲量给水控制系统的MATLAB仿真5.1.1主、副回路的仿真电厂水位对象研究中给水流量传函和蒸汽流量传函为： WD1(S)= =

35、WD2(S)= =水位测量变送器传递系数：=0.033，给水变送器斜率：=2，给水流量与蒸汽流量测量变送器传递系数：=0.083。下面分别对主、副回路进行整定，由上文可以看出来，此处不再给出。初始试验的整定值：根据图3-2所示的主回路的等效方框图可列出主回路的特征方程式为：1+=0带入具体数值得：1+=0整理得：设为相应的阻尼系数，则：取整定指标，则0.21一般情况下，将、取的很小，一般情况下积分时间，在一开始的试探的过程中，我们将值确定为0.21，目的上文有提出，是为可保持内回路的稳定。其中。单级三冲量副回路SIMULINK结构图及仿真图见图和图，上文将内回路进行了整定，和都取很小的值，因此

36、它可以很迅速地动作。所以其副回路就可以看成具有近似比例特性的快速随动系统。图5-1 单级三冲量副回路的SIMULINK结构图图5-2 单级三冲量副回路的仿真图根据上文对副回路的整定的结果可以得到主回路的各个值，如下：， 接下来研究单级三冲量的主回路，根据上文中的主回路的等效图，再加上各个参数值，得到如下图5-3和5-4所示的主回路的SIMULINK结构图及仿真图。其中的与要求差不多一样。图5-3 单级三冲量主回路的等效SIMULINK结构图图5-4 单级三冲量主回路的等效仿真图5.1.2前馈通路的仿真由上文我们可以得知蒸汽流量扰动所使用的前馈并不在其反馈之中，所以它也并不会影响系统的稳定。因此

37、我们在确定其各个参数的时候可以根据锅炉汽包水位在外扰下不变化的原则来。所以的整定如下：下图5-5为克服了给水扰动和蒸汽扰动下的SIMULINK图。因为给定值定位3.3了，可以得出其传递系数为0.033，所以最后在输出端的示波器的波形稳定在100mm。且在600s的时候加入了内扰，在800s的时候加入外扰（蒸汽）。如此我们可以在仿真图5-6中可以很清晰的看到效果，很好地展示了其稳定性。下文则来具体分析内扰和外扰（蒸汽）。图5-5单级三冲量的SINMULINK结构图图5-6 单级三冲量的仿真图1、首先我们分析内扰（给水流量扰动），下面的图5-7为SIMULINK结构图，图5-8则是仿真图。我们可以

38、在图5-8中看出来，一开始的内扰使得波形（即汽包水位）有一些的波动，但是在最后达到平衡，可见内回路很好地克服了内扰。图5-7 单级三冲量给水流量扰动下SIMULINK结构图图5-8 单级三冲量给水流量扰动下仿真图2、这一部分我们分析蒸汽流量扰动，从有无前馈装置分析。下面的图5-9和5-11分别有前馈装置的蒸汽流量扰动下的SIMULINK图和仿真，而图5-10和5-12为无反馈装置的蒸汽流量扰动下的SIMULINK图和仿真。通过两个仿真图的对比可知，在有反馈装置的情况下是能够克服扰动的，5-11中的曲线最后达到稳定的0。但是在没有反馈装置的情况下，如图5-12中最后没有达到稳定的0 存在一定的静

39、态偏差。同时经过对比，无前馈装置的系统可以减少一点我们在上文提到的“虚假水位”现象。图5-9有前馈装置的单级三冲量蒸汽流量扰动下SIMULINK结构图图5-10 无前馈装置的单级三冲量蒸汽流量扰动下SINMULINK结构图图5-11 有前馈装置的单级三冲量蒸汽流量扰动下仿真图图5-12 无前馈装置的单级三冲量蒸汽流量扰动下仿真图5.2 串级三冲量给水控制系统的MATLAB仿真5.2.1 副回路的仿真一般情况下和 都会取很小的值，其中、的两个值一般都取1。如果出现的“虚假水位”现象比较严重的话，我们一般会使蒸汽流量信号增强，来时其过程更稳定，这个时候可以使1，同时需要使用试验下来减小。同时我们一

40、般会使/的值为一个整值，一般情况下取2。因此我们经常将副回路可看成一个随动系统。根据我们以往的经验，和的值都很小， ，运用试探法设置，从而可以得到一个完美的值：=下面就开始副回路的仿真，图5-13和图5-14分别为SIMULINK图和仿真图。其中，s。由图5-14的仿真我们可以很清楚的看出来副回路已经整定为了快速随动系统。图5-13 串级三冲量给水控制系统副回路的SIMULINK结构图图5-14 串级三冲量给水控制系统副回路的仿真图5.2.2 主回路的仿真其实我们从上文已经得知主回路其实是建立在副回路的基础上的，下图5-15为主回路的等效图，其中的部分则是其等效的副回路的部分。图5-15 串级

41、三冲量给水控制系统主回路等效图首先我们可以得知，由此我们可以得出和，计算方法如下: 下面的图5-16和5-17分别为主回路的SIMULINK图和仿真，我们可以在仿真图中可以清晰地看出来曲线最后达到稳定的100mm。其实我们还可以通过动态性能分析出其超调51%，而其中Ts为280s。图5-16 串级三冲量给水控制系统主回路的SIMULINK结构图图5-17 串级三冲量给水控制系统主回路的仿真图从主回路SIMULINK仿真图可以看出，曲线最终能达到稳定值100mm，主回路仿真曲线是一波半，但是动态性能分析，超调为51%，Ts为280s。5.2.3 前馈通路的仿真前馈装置的传递函数一般是根据“虚假水

42、位”的严重程度来确定的，这样的做法可以很好地使保证其控制过程的质量。当负荷开始发生变化的时候，为了更好地消除“虚假水位”现象，我们常使蒸汽流量信号远远大于给水流量信号，其中使K=2。因此我们可以进行仿真，下图5-18和5-19分别为前馈通道的SIMULINK图和仿真。和单级的一样，给定值为3.3，传递系数为0.033，所以我们可以在图5-19中清晰地看到其曲线最后稳定在100mm。而在600s是加入内扰，在800s时加入外扰（蒸汽），我们也可以在仿真图中清晰地看出来。同时我们可以得到其超调51%，Ts为280s。图5-18 串级三冲量前馈通道SIMULINK结构图图5-19 串级三冲量前馈通道

43、仿真图由上文可知其的超调量为51%，显然有点偏大，所以对改系统进行了一些微调。微调后的SIMULINK图为下图5-20，仿真图为图5-21。这样超调量就变为45%，而Ts为450s，很显然的是这样使得性能变得更优。图5-20 微调后的串级三冲量SIMULINK结构图图5-21 微调后的串级三冲量仿真图上面微调的系统可以看出来具有很好的稳定性，接下来就分析内扰和外扰（蒸汽），其中蒸汽流量扰动从是否有前馈装置两方面来研究。1、下图5-22和5-23分别为内扰情况下的SIMULINK图和仿真，从仿真图中可以看出来，在给水流量的扰动下，汽包水位有波动但是不大，最后达到稳定，可以看出来内回路消除了内扰。

44、图5-22 串级三冲量给水流量扰动下SIMULINK结构图图5-23 串级三冲量给水流量扰动下仿真图2、接下来则是研究蒸汽流量扰动了，下图5-24和5-26为有前馈装置的扰动的SIMULINK图和仿真，而图5-25和5-27为无反馈装置的SIMULINK图和仿真。通过两者的比较可以看出来，有前馈装置的系统的仿真曲线最后稳定为0，而不同的是无前馈装置的系统最后也稳定为0，即两者都能抵抗蒸汽流量扰动。这是因为串级三冲量与单级三冲量有所不同，它的水位的偏差都是由主调节器校正的，可以使水位保持稳定。但是从曲线的波动情况可以看出来，有前馈装置的系统显的更加稳定。同时仿真曲线显上升再下降，也是上文研究过的

45、“虚假水位”的现象，该处不做详述。图5-24 有前馈装置的串级三冲量蒸汽流量扰动下SIMULINK结构图图5-25 无前馈装置的串级三冲量蒸汽流量扰动下SIMULINK结构图图5-26 有前馈装置的串级三冲量蒸汽流量扰动下仿真图图5-27 无前馈装置的串级三冲量蒸汽流量扰动下仿真图5.3 单级三冲量给水控制系统与串级三冲量给水控制系统比较我们可以见下面两张仿真图的对比，为给水流量扰动，其中单级三冲量的内扰的最大扰动为0.018mm左右，而串级三冲量的最大扰动却只有mm左右，所以串级三冲量在给水流量扰动下更优。在串级三冲量中的主调节器作用是校正水位的，这和单级相比有很大的优势。当内扰发生时，汽包

46、中的水位发生变化，此时会有水位变送器将信号传送给主调节器，然后主调节器进行调节，这样会使没有进入副回路的扰动消除，所以串级三冲量的最大扰动较小。（a）单级三冲量给水流量扰动下仿真图（b）串级三冲量给水流量扰动下仿真图图5-28 给水流量扰动下仿真曲线对比图下面分析蒸汽流量扰动，其对比如图5-30和5-31，也可以看出来与给水扰动一样的特点就是串级三冲量的最大扰动较小，系统也更加稳定。 当控制系统发生外扰的时候，其产生的蒸汽流量信号就会使得调节阀向正方向运动，让进水量与蒸汽流量相同。当蒸汽流量开始增大的时候，这样就会使调节阀的开度增大，从而可以减小“虚假水位”带来的影响，从这一点来看，串级也比单

47、级的更优。（a）有前馈装置的串级三冲量蒸汽流量扰动下仿真图（b）有前馈装置的串级三冲量蒸汽流量扰动下仿真图图5-30 蒸汽流量扰动下仿真曲线对比图参考文献1 王进.汽包水位控制J.东方锅炉,2009:113-1342 胡武奇.600MW超临界锅炉给水控制系统研究及应用D,20083 林文孚.600MW超临界机组给水控制系统及其仿真研究J.湖北电力,2007:98-374 冯磊华.600MW火电机组给水控制系统优化设计与仿J.仿真技术，2008:132-1145 张子才.锅炉汽包水位控制系统的设计与仿真J.新技术新工艺，2010:102-986 黎国强.火电厂全程给水控制优化研究D,20047

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