Simulink锅炉汽包水位串级控制系统仿真研究(4)
2.2 汽包水位的动态特性
在讨论给水自动控制系统之前，必须先分析被控对象的动态[18]，然后才能设计出一个合理的给水控制系统。给水调节对象的动态特性是指汽包水位的变化与引起水位变化的各种因素之间的动态关系。汽包水位是汽包中储水量和水面下汽泡容积的综合反映。所以，水位不仅受汽包储水量变化的影响，而且还要受到汽水混合物中汽泡容积变化的影响。从水位反映储水量来看，调节对象是一个无自平衡能力的对象，这是因为储水量的变化是由给水流量和蒸汽流量变化引起的，但是水位变化后既不能影响给水流量，又不能影响蒸发量，所以说水位调节对象是没有自平衡能力的。
图2.1为给水被控对象结构示意图。汽包水位是由汽包中储水量和水面下汽包容积所决定的。因此，凡是引起汽包中储水量和水下面汽包容积变化的各个因素都是给水控制对象的扰动。具体的说影响汽包水位变化的因素主要有：
a) 给水量W扰动：包括给水调节阀门开度的变化和给水压力的变化，这个扰动来自给水管道或给水泵。
b) 蒸汽流量D扰动：包括蒸汽管道阻力的变化和主蒸汽调节阀开度的变化，这个扰动来自汽轮机侧，反映了汽轮机对锅炉的负荷要求。
c) 锅炉炉膛负荷Q扰动：这个扰动主要是燃烧率的变化，它将使蒸汽强度改变，引起输出蒸汽量和汽水容积中汽包的体积变化。
d) 汽包压力的扰动：压力的变化将使汽水容积中汽包的体积发生变化，压力升高，汽水容积中汽包体积减小，水位下降；反之，汽包容积增大，水位上升。
图2.1 给水调节对象结构图
1- 给水母管；2-调节阀；3-省煤器；4-汽包；5-管路；6-过热器；7-蒸汽管
2.2.1 给水量W扰动下水位变化的动态特性
图2.2为给水量扰动下水位阶跃响应曲线。当给水量阶跃增加 后，实际的水位变化如图中曲线1所示，是曲线H1、H2 的合成。图中曲线H1为不考虑水面下汽包容积变化，仅仅考虑物质不平衡时的水位阶跃响应曲线，由于给水压力很高，汽包水位变化对给水量的自平衡作用可以忽略不计，可认为是无自平衡能力的积分环节。曲线H2是不考虑物质不平衡关系，仅由给水过冷度所引起的水位变化曲线，给水的过冷度越大，H2的变化幅度越大，其特性可以看作是一个惯性环节。
对于采用沸腾式省煤器的锅炉，给水作用下的惯性要比上述采用非沸腾式省煤器的情况严重得多，甚至还可能出现“虚假水位”现象。如图2-2中曲线2。
水位在给水量扰动下的传递函数可表示为：
（2.1）
式（2.1）中 为迟延时间，可由响应曲线求取。根据现场资料，一般来说，对于沸腾式省煤器 =100~200s，对于沸腾式省煤器 =30~100s。 为响应速度。
图2.2 给水量扰动下水位阶跃响应曲线
2.2.2 蒸汽流量D扰动下水位变化的动态特性
蒸汽流量扰动下水位的阶跃反应曲线如图2.3所示。当蒸汽流量突然增大 时，仅从物质平衡关系来看，锅炉蒸发量大于给水量，水位变化应如图中 曲线所示。但是，汽包水位还要受汽水混合物中汽包体积的影响，在蒸汽量突然增大时，汽包水面下的汽包体积迅速增大，因此，整个汽水混合物体积增大，水位升高(曲线 )。由于蒸发强度增加是受负荷变化要求所决定的，满足外界要求后就不再增大，由此而引起的水位变化可用惯性环节表示，如图中曲线 所示。而实际显示出的水位响应曲线如H所示( )。由图可知，锅炉负荷变化时，汽包水位的动态特性具有特殊的形式：负荷增加时，蒸发量大于给水 上升，这就是“虚假水位”现象。只有当汽包容积与负荷适应，汽包体积不再变化时，物质平衡关系才对水位变化起决定性作用，水位随负荷增大而下降，呈无自平衡特性。
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