[信息與通信]余熱鍋爐水位控制系統的設計-畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 任務是使給水量跟蹤鍋爐的蒸發量，并維持汽包中的水位在工藝允許的范圍內。維持汽包水位在給定范圍內是保證鍋護和汽輪機安全運行的必要條件，也是鍋爐正常運行的主要指標之一。水位過高，會影響汽包內汽水分離效果，使汽包出口的飽和蒸汽帶水增多，蒸汽帶水會使汽輪機產生水沖擊，引起軸封破損、葉片斷裂等事故。同時會使飽和蒸汽中含鹽量增高，降低過熱蒸汽品質，增加在過熱器管壁和汽輪機葉片上的結垢。水位過低，則可能破壞自然循環鍋爐汽水循環系統中某些薄弱環節，以致局部水冷管壁被燒壞，嚴重時會造成爆炸事故。這些后果都是十分嚴重的。隨著鍋爐容量的增加，水位變化速度愈來愈快，人工操作愈來愈繁重，因此對汽包水位實現自動調節提出了迫切的要求。汽包水位不僅受汽包中儲水量的影響，亦受水位下汽泡容積的影響。而水位下汽泡容積與鍋爐的負荷、蒸汽壓力、爐膛熱負荷等有關。因此，影響水位變化的因素很多，其中主要是鍋爐蒸發量即蒸汽流量和給水流量。綜上，引起水位變化的主要擾動是蒸汽流量的變化和給水流量的變化。 汽包水位在給水流量作用下的動態特性給水量是鍋爐的輸入量，如果蒸汽負荷不變，那么在給水流量產生變化時，汽包水位的運動方程式可以表示為： (31)經拉氏變換后可得: (32)從式(32)，可以方便地得到汽包水位在給水流量作用下的傳遞函數為： (33) 對于中壓鍋爐，上式中TW的數值很小，常常可以忽略不計，因此式(33)可以進一步改寫為： (34) 其中 反應速度，即給水流量改變單位流量時水位的變化速度，單位為毫米／秒(噸／小時)。從式(34)可知，汽包水位在給水流量作用下的動態特性為一個積分環節和一個一階滯后環節所組成,ε、T2的數值可通過實驗測試求得，數值的大小同鍋爐的結構有關。有些鍋爐當給水量增加時，在較長的一段時間里，汽包水位并不增加，有一較長的起始慣性段，對于這種鍋爐用式(34)來表示它的動態待性，誤差較大，這時可選用下面(35)式近似計算： (35) τ給水量擾動下的純滯后時間，對于非沸騰式省煤器的鍋爐，τ為0100秒，對于沸騰式省煤器的鍋爐，τ＝100200秒；Ta=1/ε水位的反應時間，它也與鍋爐結構有關。反應速度ε及反應時間Ta都用相對量來表示：ε定義為：當擾動量為100%(從滿負荷突然變化到零)，水位(以允許變化的范圍為100%)的變化速度，單位為每秒。Ta定義為：擾動量為100%，水位變化100%所經歷的時間，單位為秒，例如：一臺230噸／小時的鍋爐，假設汽包的正常水位力200毫米，水位的反應時間Ta為30鈔。這就是說，當鍋爐在滿負荷運行時，如果突然停止供水，則由于出汽和進水流量的不平衡，水位將等速度下降，30秒鐘下降200毫米，如果給水量減少10%(23噸／小時)，則將在30秒鐘水位下降20毫米。如果用反應速度ε表示，則當對于中壓多汽包鍋爐，Ta為300秒；一般中壓鍋爐，Ta＝30100秒；高壓鍋爐Ta＜30秒。hUwΔwttHo圖31給水量擾動下的水位飛升曲線根據式(35)在階躍輸入下作給水擾動(假定在一定范圍內汽包的橫截面積不變，或變化不大)。可以得到如圖31所示的反應曲線。由曲線可知：當突然加大給水量后(這時假定蒸汽量不變)，給水量大于蒸發量，但汽包水位一開始并不立即增加，而呈現出一段起始慣性段，這是因為溫度較低時更多的給水進入水循環系統，它從原有飽和汽水中吸取一部分熱量，汽包和汽水管路中由于熱量的“損失”汽泡體積減少。進入省煤器的給水，首先必須填補由于汽水管路中汽泡減少所讓出的空間，這時，雖然給水量增加，但水位基本不變。當水面下汽泡容積變化過程逐漸平靜時，汽包水位才由于貯水量的增加而逐漸上升。當水面下汽泡容積不再變化、完全穩定下來時，水位變化就隨著貯水量的增加而直線上升。對于采用沸騰式省煤器的鍋爐，給水作用下的慣性段要比上述情況嚴重得多，甚至還可能出現“假水位”現象，在這種情況下，水位變化的特性應該采用如下傳遞函數： (36)式中： UsttHwH1HH2圖32采用沸騰式省煤器給水作用下的水位飛升曲線圖32是給水作用下汽包水位的反應曲線。Hl是只考慮物料不平衡，即給水量大于蒸發量而產生的上升曲線，它由式(36)的1／Ta這一項所確定，其特性表現為積分環節，無自平衡能力；H2是由于給水量增加，蒸發面以下汽泡容積的變化引起的。H是由H1(t)為H2(t)迭加而成的．它的特性實際上是兩個環節的并聯。 汽包水位在蒸汽流量擾動下的動態特性汽包水位在蒸汽流量擾動下的動態特性，可以直接從式(32)導出(假定給水量不變)： (37) 拉氏變換后可得： (38) 則： (39) 上式可以用兩個動態環節的并聯來等效，即： (310) 其中 , UDDttH2HH1H3圖33蒸汽流量擾動下時的水位飛升曲線在蒸汽流量擾動下水位的階躍反應曲線如圖33所示。對大部分調節對象而言，平衡受到破壞的主要影響因素是系統中物料或能量的不平衡。鍋爐汽包水位對象，除上述對象具有的特性以外．還有它特有的性質。當負荷設備的用汽量突然增加△D(假定供熱量及時跟上)，單從物料不平衡考慮，汽包中蒸發量大于給水量，汽包水位應如圖33中H1所示，相當于式(310)中的1／Ta這一項，是直線下降的。但是實際水位不是H1而是H，在擾動的初始瞬間水位不但沒有下降而且是上升的。這是由于鍋爐汽包蒸發面以下和水管系統中蒸汽容積隨負荷的變化而改變所致。在蒸發面下的水中有蒸汽存在，是由于蒸發過程的連續性，在蒸汽向汽水分界面移動的過程中，會有一部分蒸汽在某一段時間內處于水中．在一定負荷和一定壓力下，蒸汽發生量與蒸發面以下蒸汽含量之間有一個確定的對應關系，蒸發面以下的蒸汽容積可以用下式表示： (311) 式中，Vs蒸發面以下的蒸汽容積；k比例系數，隨負荷不同而異；W1汽化強度；γ飽和蒸汽重度；τ汽泡在水中平均停留時間。當蒸汽流量D階躍增加時，汽包中壓力減小，汽水循環管路中水的汽化強度W1加，蒸發面以下蒸汽容積VS增加。汽泡體積膨脹而使水位變化的曲線如圖33中H2所示，實際水位變化曲線H就是H1和H2的迭加。從圖中可以看出，當蒸汽量變化時，汽包水位的變化具有特殊的形式，負荷階躍增大時，汽水混合物中蒸汽的容積迅速增加。此時雖然蒸發量大于給水量，但水位不僅不下降，反而迅速上升。這種特殊現象稱為“虛假水位”。當汽水混合物中汽泡容積與負荷相適應達到穩定后，水位才反映出物料的不平衡，開始下降。應該指出，當負荷階躍改變時，水面下汽泡容積變化引起的水位變化是很快的，圖33中H2的時間常數只有1020秒。由于“假水位”而出現的水位最大偏差很難依靠調節來克服，如果要求水位波動不能太大，只有限制負荷D的變化速度或限制負荷一次變化量。“虛假水位”變化的幅度與鍋爐的汽壓與蒸汽量有關，對于—般100230噸／小時的中高壓鍋爐．加負荷階躍變化10%時，“虛假水位”現象可使水位變化達3040毫米。從以上動態特性分析中可以得到如下結論：(1)汽包水位調節對象在給水量作用下，具有純遲延和慣性，無自衡能力。具體特性可用三種形式來描述，究竟采用何種形式，可根據鍋爐結構和汽化強度來定。(2)汽包水位調節對象在蒸汽流量擾動下，非但沒有自平衡能力，而且存在著“假水位”現象,“假水位”的變化速度很快，變化幅度與蒸發量擾動大小成正比．也與壓力變化速度成正比，在設計調節系統時必須考慮。一、單沖量水位調節系統單沖量水位自動調節如圖34所示。它是汽包水位自動調節中最簡單、最基本的一種形式。水位測量信號經變送器送到水位調節器，水位調節器根據水位測量值與給定值的偏差去控制給水閥門，改變給水量來保持汽包水位在允許的操作范圍內。Gc(s)Gv(s)HmGo(s)HH0+圖34單沖量水位調節系統從單沖量調節系統靜特性看，單