【正文】 、汽包壓力的變化等原因。因此，我們主要考慮給水量和蒸汽流量對(duì)水位的影響。汽包水位過(guò)低，會(huì)影響鍋爐的汽水自然循環(huán)，如不及時(shí)調(diào)節(jié)，就會(huì)使汽包里的水全部汽化掉，可能導(dǎo)致鍋爐燒塌和爆炸事故。所以，水位不僅受汽包儲(chǔ)水量變化的影響，而且還受到汽水混合物中汽泡容積變化的影響。 實(shí)踐證明，無(wú)論是電站鍋爐，或者是工業(yè)鍋爐，用人工操作調(diào)節(jié)水位，既 不安全，也不經(jīng)濟(jì)，其最有效的方法是實(shí)現(xiàn)給水自動(dòng)調(diào)節(jié)。所以，正常運(yùn)行時(shí) 汽包水位應(yīng)在給定值的 ? 15mm上下范圍波動(dòng)。鍋爐的水位是影響安全運(yùn)行的重要因素。泵的下限特性曲線，亦稱為最大流量曲線，它表示給水泵在不同轉(zhuǎn)速下允許的最大流量，大于這個(gè)流量，泵的工作效率降低，而且可能使泵內(nèi)靜壓最低值低于給 水溫度下的飽和壓力，在流道靜壓最低值部分給水將發(fā)生汽化，導(dǎo)致汽蝕。但由于驅(qū)動(dòng)小汽輪機(jī)的蒸汽一般采用主汽輪機(jī)的抽汽，在機(jī)組啟動(dòng)和低負(fù)荷時(shí)，汽輪機(jī)抽汽氣壓太低，無(wú)法維持 氣動(dòng) 泵運(yùn)行，因此采用 氣動(dòng) 給水泵的系統(tǒng)，一般都配有一定容量的電動(dòng)泵，作為機(jī)組啟停和低負(fù)荷時(shí)使用以及 氣動(dòng) 泵故障時(shí)的備用泵。此外，汽包內(nèi)還裝有給水管和 連續(xù)排污管。 由此可見(jiàn)，隨著鍋爐朝大容量、高參數(shù)的發(fā)展，給水系統(tǒng)采用自動(dòng)控制是必不可少的，它可以大大減輕運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，保證鍋爐的安全運(yùn)行。故鍋爐汽包給水控制系統(tǒng)的任務(wù)是保 證汽包水位在允許的范圍內(nèi)，并兼顧鍋爐的穩(wěn)定 運(yùn)行。鍋爐的自動(dòng)化控制 ， 經(jīng)歷了三四十年代單參數(shù)儀 表控制，四五十年代單元組合儀表綜合參數(shù)儀表控制，以及六十年代初期 的計(jì)算機(jī)過(guò)程控制幾個(gè)階段，隨著六十年代第一臺(tái)計(jì)算機(jī)在控制中的應(yīng)用以及此后計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，計(jì)算機(jī)逐漸進(jìn)入了鍋爐控制領(lǐng)域并正在成為這一領(lǐng)域的主要角色。國(guó)外的鍋爐控制工業(yè) 50～ 60 年代發(fā)展最快， 70 年代達(dá)到高峰。 鍋爐概述 鍋爐由汽鍋和爐子組成。電力工業(yè)中電廠熱工生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化技術(shù)相對(duì)于其它 民用工業(yè)部門(mén)有較長(zhǎng)的歷史和較高的自動(dòng)化水平，電廠熱工自動(dòng) 化水平的高低是衡量電廠生產(chǎn)技術(shù)的先進(jìn)與否和企業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。只有電力產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展才有可能保證整個(gè) 國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速而穩(wěn)步的 發(fā)展。兩調(diào)節(jié)器任務(wù)分工明確，整定相對(duì)容易，而且不要求穩(wěn)態(tài)時(shí)給水流量信號(hào)與蒸汽流量信號(hào)完全相等，易于得到較好的調(diào)節(jié)品質(zhì)，因此現(xiàn)場(chǎng) 多采用此控制方式 。負(fù)荷達(dá)到一定值以上時(shí)，疏水和排污閥逐漸關(guān)閉，汽、水趨于平衡， 流量逐漸增大，測(cè)量誤差逐漸減小，這時(shí)原則上可采用三沖量調(diào)節(jié)方式。因此，汽包水位是影響整個(gè)機(jī)組安全經(jīng)濟(jì) 運(yùn)行的重要因素，所以就要有一套較好的控制方案，來(lái)實(shí)現(xiàn)汽包水位的控制 。 電廠熱工自動(dòng)化水平的高低是衡量電廠生產(chǎn)技術(shù)的先進(jìn)與否和企業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。 46 謝辭 45 參考文獻(xiàn) 32 工程整定法 32 廣義頻率特性法 24 給水流量測(cè)量裝置切換系統(tǒng) 23 給水控制系統(tǒng)的切換 20 過(guò)熱蒸汽氣流信號(hào)的壓力、溫度校正 10 串極三 沖量給水控制系統(tǒng)分析 9 給水控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及分析 1 第一章 第一章 給水控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 1 汽包鍋爐給水水位自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 目 錄 引言 3 給水控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性 9 給水控制系統(tǒng)的基本要求 20 測(cè)量信號(hào)的自動(dòng)校正 20 水位信號(hào)的壓力校正 36 串級(jí)三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)整定 37 整個(gè)系統(tǒng)和各種擾動(dòng)量下的 SIMULINK 結(jié)構(gòu)圖和仿真圖 其中，汽包鍋爐給水及水位的調(diào)節(jié)已經(jīng)完全采用自動(dòng)的方式加以控制，在不需要操作人員干預(yù)的情況下，可以很好的完成生產(chǎn)過(guò)程中的給水及水位控制，大大提高了生產(chǎn)效率。 從傳統(tǒng)的控制方式來(lái)看，它們要么系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本低，卻不能有效的 控制鍋爐汽包“虛假水 位”現(xiàn)象，要么能夠在一定程度上控制“虛假現(xiàn)象”，系統(tǒng)卻過(guò)于復(fù)雜 ，成本投入過(guò)大。但由于單級(jí)三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)要求蒸汽流量和給水流量信號(hào)在穩(wěn)態(tài)時(shí)必須相等，否則汽包水位存在靜態(tài)偏差，而且由于測(cè)量裝置及變送器的誤差等因素的影響，實(shí)際上現(xiàn)場(chǎng)這兩個(gè)信號(hào)在穩(wěn)態(tài)時(shí)，經(jīng)常難以做到完全相等，而且單級(jí)三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)一個(gè)調(diào)節(jié)器參數(shù)整定需兼顧的因素多。 在串級(jí)控制系統(tǒng)中，參數(shù)的整定也是非常重要的，由于在系統(tǒng)中所設(shè)計(jì)的對(duì)象是內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 4 確定的，所以只有對(duì)調(diào)節(jié)器進(jìn)行整定，控制系統(tǒng)的參數(shù)整定有理論計(jì)算方法和工程整定方法，理論計(jì)算方法是基于一定的性能指標(biāo)，結(jié)合組成系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)特征，通過(guò)理論計(jì)算求 得調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)參數(shù)設(shè)定值；而工程整定法，則是源于理論分析，結(jié)合實(shí) 驗(yàn)、工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)等一套工程上的方法，其具體方法將在本設(shè)計(jì)中體現(xiàn) 。熱力發(fā)電廠是電力工業(yè)的重要組成部分。 早期的自動(dòng)控制系統(tǒng)因熱力發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量小，對(duì)控制系統(tǒng)要求也不高，所以非常簡(jiǎn)單，只需對(duì)給水、汽溫、汽壓和汽機(jī)的轉(zhuǎn)速作簡(jiǎn)單的控制。爐子是指燃燒設(shè)備，為化石烯料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成熱能提供必要的燃燒空間。我國(guó)的鍋爐工業(yè)是在新中國(guó)成立后才建立和發(fā)展起來(lái)的， 1953 年在上海首創(chuàng)了上海鍋爐廠 ,從其在生產(chǎn)和生活中所起的作用不同，鍋爐可分為電站鍋爐，主要用于發(fā)電；工業(yè)鍋爐，主要用于直接供給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)或驅(qū)動(dòng)機(jī)械能源；生產(chǎn) 鍋爐，主要用于為居民提供熱水和供內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 6 居民取暖。計(jì)算機(jī)很強(qiáng)的記憶功能，邏輯判斷功能以及快速計(jì)算功能 為實(shí)現(xiàn)任意的控制算法提供了可能，這樣，先進(jìn)的控制理論和控制算法進(jìn)入鍋爐控制已經(jīng)有了可能性。 對(duì)蒸汽鍋爐來(lái)說(shuō)，汽包水位是其正 常運(yùn)行的主要指標(biāo)之一，是一個(gè)重要的被調(diào)節(jié)參數(shù)。 主要設(shè)備介紹 汽包： 一般 汽包采用夾層結(jié)構(gòu)，并且汽包上、下兩半部采用不等壁厚，以減輕汽包重量，節(jié)約鋼材。 變速泵： 變速泵又分為電動(dòng)變速泵和氣 動(dòng)變速泵。 圖 12 變速泵的壓力 流量特性 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 8 變速泵的壓力 流量特性如圖 12 所示，為了保證鍋爐和泵的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，泵必須工作在泵的上限特性、下限特性、鍋爐允許最高給水壓力 maxP 和最低給水壓力minP 以及泵的最高轉(zhuǎn)速 maxn 和最低轉(zhuǎn)速 minn 包圍的區(qū)域，該區(qū)域稱為泵的安全工作區(qū)。因此采用變速泵的給水控制系統(tǒng)，在控制給水流量的過(guò)程中必須保證泵的工作點(diǎn)在安全工作區(qū)內(nèi)。水位過(guò)高會(huì)影響汽水分離裝置的 正常工作，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致蒸汽帶水增加，使過(guò)熱器管壁和氣輪機(jī)葉片結(jié)垢，造成事故；對(duì)于工業(yè)鍋爐，蒸汽帶水量過(guò)多，也要影響用戶的某些工藝過(guò)程。 (2)保持給水量穩(wěn)定。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 9 第二章 給水被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性 在討論給水自動(dòng)控制系統(tǒng)之前，必須先分析被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，然后才能設(shè)計(jì)出一個(gè)合理的給水控制系統(tǒng)。從水位反映儲(chǔ)水量來(lái)看，調(diào)節(jié)對(duì)象是一個(gè)無(wú)自平 衡能力的對(duì)象，這是因?yàn)閮?chǔ)水量的變化是由給水流量和蒸汽流量變化引起的，而水位變化后既不能影響給水流量，又不能影響蒸發(fā)量，所以說(shuō)水位調(diào)節(jié)對(duì)象是沒(méi)有自平衡能力的。因此，鍋爐運(yùn)行中，保持汽包水位 在一定范圍是十分 重要 的自動(dòng)控制問(wèn)題。鍋爐水位調(diào)節(jié)對(duì)象的原理結(jié)構(gòu)如圖 21 所示。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 10 各種擾動(dòng)下水位變化的動(dòng)態(tài)特性 給水流量擾動(dòng)下對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性 圖 22 為給水量擾動(dòng)下水位階躍響應(yīng)曲線。在此 過(guò)程中，負(fù)荷還未變化，汽包中水仍在蒸發(fā)，因此水位也有下降趨勢(shì)。 其擾動(dòng)傳遞函數(shù)方框圖如圖 23 所示，可近似認(rèn)為是一個(gè)積分環(huán)節(jié) 和一個(gè)慣性環(huán)節(jié)的并聯(lián)或串聯(lián)的兩種形式。 圖 24 蒸汽流量擾動(dòng)下水位階躍響應(yīng)曲線 H1只考慮貯水量變化的水位反應(yīng)曲線； H2只考慮水面下汽泡容積變化的水位反應(yīng)曲線； H實(shí)際水位反應(yīng)曲線（ H=H1+H2） 兩曲線的疊加，即圖中的曲線 H， 由圖可知，負(fù)荷變化時(shí)汽包水位的動(dòng)態(tài)特性具內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 12 有特殊的形式：負(fù)荷增加時(shí)，蒸發(fā)量大于給水量，但水位不是下降反而迅速上升；負(fù)荷突然減小時(shí)，水位卻先下降，然后迅速上升，這就是“虛假水位” 現(xiàn)象。為了維持水位在允許的范圍內(nèi)，運(yùn)行中應(yīng)對(duì)負(fù)荷的一次變動(dòng)量及負(fù)荷變化速度加以限制。所以在燃料量擾動(dòng)下，汽包水位也會(huì)因汽包容積的增加水位先上升，因此也會(huì)出現(xiàn)“虛假水位”現(xiàn)象，至蒸發(fā)量與燃料量 相 適應(yīng)時(shí)，水位才開(kāi)始下降，即經(jīng)過(guò)了 Tm時(shí)間后水位開(kāi)始下降。為維持水 位在允許的范圍內(nèi)，必須限制負(fù)荷的一次改變量和負(fù)荷變化速度；在負(fù)荷變化后的開(kāi)始階段，給水流量和負(fù)荷的變化方向相反，如果忽視“虛假水位”現(xiàn)象的存在，盲目根據(jù)“水位”來(lái)調(diào)節(jié)給水量，將會(huì)擴(kuò)大鍋爐進(jìn)出流量的不平衡，使水位波動(dòng)加劇，實(shí)際工作中應(yīng)當(dāng)防止和避免。典型的連接如圖 31 所示。此外還裝有鍋爐點(diǎn)火時(shí)省煤器用再循環(huán)門(mén)和事故放水電動(dòng)截止門(mén) 8 和 9。另一臺(tái)是定速 電動(dòng)泵，在單元機(jī)組啟動(dòng)及低負(fù)荷時(shí)使用 。 電 動(dòng)泵組單元制給水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的典型形式是三臺(tái)可變速 電動(dòng)給水泵并聯(lián) ，兩臺(tái)運(yùn)行一臺(tái)備用，泵的轉(zhuǎn)速變化依靠液壓聯(lián)軸節(jié)（靠背輪）滑差實(shí)現(xiàn)。 測(cè)量信號(hào)自動(dòng)校正的基本方法是：先推導(dǎo)出被測(cè)參數(shù)隨溫度、壓力變化的數(shù)學(xué)模型，然后利用各種元件構(gòu)成運(yùn)算電路進(jìn)行運(yùn)算，便可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)校正。 采用電氣校正回路進(jìn)行壓力校正，就是在水位差壓變送器后引入校正回路。在鍋爐啟動(dòng)過(guò)程中，水溫略有增加，但由于同時(shí)壓力也升高，兩種因素對(duì) a? 的影響基本上可抵消，即可近似地認(rèn)為 a? 時(shí)恒值。1)( ksa ???? bpk39。 圖 34 水位壓力自動(dòng)校正線路二 、溫度校正 過(guò)熱蒸汽流量測(cè)量通常采用標(biāo)準(zhǔn)噴嘴。 可以按下列公式進(jìn)行校正 ： 1 0 0 0pTppkpkD??????? ? （ 34） 式中 D過(guò)熱蒸汽流量； 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 18 P過(guò)熱蒸汽壓力； T過(guò)熱蒸汽溫度； p? 節(jié)流件差壓； ? 過(guò)熱蒸汽密度； k流量系數(shù)。若給水溫度變化不大，則不必對(duì)給內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 19 水流量測(cè)量信號(hào)進(jìn)行校正。圖中 1， 2， 3 為 截止 閥， 4， 5， 6 為調(diào)節(jié)閥，7 為總截止 閥。對(duì)于這種采用兩個(gè)測(cè)量元件的給水流量測(cè)量系統(tǒng)，需要用一個(gè)流量信號(hào)運(yùn)算回路，如圖 38所示?？梢?jiàn)比較器 2? 的輸出信號(hào)為 )( 211 wwkww ??? 其中 w總給水流量信號(hào)； 1w 主給水流量信號(hào)； 2w 旁路給水流量信號(hào)。 其他符號(hào)意義可從圖中看出。 當(dāng) GHm?? 值時(shí)，比例組件輸入為正值。 大小給水調(diào)節(jié)閥門(mén)的切換 在給水 控制中，低負(fù)荷時(shí)通常用旁路閥門(mén)（即小閥門(mén)）調(diào)節(jié)給水流量，高負(fù)荷時(shí)用主給水閥門(mén)（即大閥門(mén)）調(diào)節(jié)給水流量。小閥回路乘法器輸出 aac baU ????? 1010?。??c V）。 當(dāng)機(jī)組負(fù)荷增加，給水流量增大到一定值時(shí)，絕對(duì)值報(bào)警組件 H/L 動(dòng)作，使繼內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 24 電 組件 KJ 激勵(lì)，接點(diǎn) KJ 閉合。即在大閥門(mén)開(kāi)大時(shí)，小閥門(mén)相應(yīng)關(guān)小，直到全部關(guān)閉。 系統(tǒng)的無(wú)擾切換 鍋爐在不同的負(fù)荷 和 參數(shù)下，其給水被控對(duì)象 的動(dòng)態(tài) 特性是不同的。 圖 311 單沖量系統(tǒng)與三沖量系統(tǒng)相互切換和跟蹤線路 圖中 PI1 是低負(fù)荷時(shí)的單沖量給水 調(diào)節(jié)器，它只接受經(jīng)過(guò)自動(dòng)校正后的水位信號(hào)。蒸汽流量信號(hào)送入偏差報(bào)警 繼電 器 1KJ，控制繼電器接點(diǎn) 1C 和 3C。為了防止因負(fù)荷波動(dòng)造成系統(tǒng)反復(fù)切換，切換值應(yīng)有 10%的滯環(huán)值，就是說(shuō)由單沖量系 統(tǒng)切換為三沖量系統(tǒng)是在 30%負(fù)荷下進(jìn)行的，由三沖量系統(tǒng)切換為單沖量系統(tǒng)是在 20%負(fù)荷下進(jìn)行的。 （ a） （ b） 圖 312 負(fù)端輸入跟蹤線路原理圖 （ a）原理電路圖；（ b）原理框圖 圖 312是由一個(gè)比較器和一個(gè)積分器組成的反饋線路，主動(dòng)信號(hào)是 A，從動(dòng)信號(hào)是 B。 圖 312中閉環(huán)電路部分還應(yīng)符合負(fù)反饋原則。這是因?yàn)殡娐分杏蟹e分器和負(fù)反饋，并形成閉合回路，最后總能使比較器輸入信號(hào)代數(shù)和為零，始終使