【正文】 管中工質(zhì)則全部為水。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 5 鍋爐的分類(lèi)可以按循環(huán)方式、燃燒方式、排渣方式、運(yùn)行方式以及燃料、蒸汽參數(shù)、爐型、通風(fēng)方式等進(jìn)行分類(lèi)，其中按循環(huán)方式的分類(lèi)最為常見(jiàn)。電廠(chǎng)鍋爐以其容量大、參數(shù)（壓力、溫度）高區(qū)別于一般工業(yè)鍋爐。 鍋爐的概述 鍋爐是火力發(fā)電廠(chǎng)的主要熱力設(shè)備之一，其作用是：燃料在爐膛內(nèi)燃燒將其化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊煔鉄崮?， 煙氣熱能加熱給水，水經(jīng)過(guò)預(yù)熱、汽化、過(guò)熱三個(gè)階段成為具有一定壓力、溫度的過(guò)熱蒸汽。隨著技術(shù)的進(jìn)步，火電廠(chǎng)單元機(jī)組自動(dòng)化 系統(tǒng)的智能化將是一種趨勢(shì)，因此未來(lái)數(shù)年里，實(shí)現(xiàn)信息智能化的儀表與軟件將會(huì)在火電廠(chǎng)得到發(fā)展與應(yīng)用?，F(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，將改寫(xiě)熱工調(diào)節(jié)系統(tǒng)的指標(biāo)。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，發(fā)電機(jī)組已由中溫、中壓、中小容量發(fā)展到今天的大容量、高參數(shù)的單元機(jī)組。迄今為止，熱力發(fā)電廠(chǎng)在世界大多數(shù)國(guó)家中仍占著各種發(fā)電形式中的主導(dǎo)地位，我國(guó)的火力發(fā)電占 70%左右，而且根據(jù)我國(guó)國(guó)情，火力發(fā)電廠(chǎng)基本是燃煤電廠(chǎng)。 火電廠(chǎng)按照原動(dòng)機(jī)不同可分為汽輪機(jī)電廠(chǎng)、燃?xì)廨啓C(jī)電廠(chǎng)、蒸 汽 — 燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)電廠(chǎng)。然而串級(jí)三沖量調(diào) 節(jié)方式，采用主、內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 2 副兩個(gè)調(diào)節(jié)器。目前工業(yè)控制急需一種系統(tǒng)簡(jiǎn)單，并且能夠控制 “ 虛假水位 ”現(xiàn)象，具有高性能的控制系統(tǒng)。汽包嚴(yán)重滿(mǎn)水時(shí)，會(huì)造成蒸汽大量帶水，使蒸汽溫度急劇下降，同時(shí)還可能對(duì)蒸汽管道和汽輪機(jī)產(chǎn)生嚴(yán)重的水沖擊，甚至打壞汽輪機(jī)葉片。其中，鍋爐汽包給水及水位的調(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。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 引 言 自動(dòng)控制技術(shù)目前已廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸和國(guó)防建設(shè)。鍋爐汽包給水自動(dòng)控制系統(tǒng)的任務(wù)是使給水量適應(yīng)鍋爐蒸發(fā)量，并使汽包中水位保持在一定的范圍內(nèi)。汽包水位過(guò)低，則可能破壞水循環(huán)，使水冷壁管的安全受到威脅，如果出現(xiàn)嚴(yán)重缺水又處理不當(dāng)時(shí)，則可能造成水冷壁爆管 。 鍋爐汽包的給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)有三種基本結(jié)構(gòu)：?jiǎn)螞_量調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、雙沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，低負(fù)荷階段，由于疏水和鍋爐排污等因素的影響，給水和蒸汽流量存在著嚴(yán)重的不平衡，而且流量 比較小時(shí)，測(cè)量誤差大，故在低負(fù)荷階段，很難采用三沖量調(diào)節(jié)方式，一般均采用單沖量調(diào)節(jié)方式。兩調(diào)節(jié)器的分工明確，參數(shù)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 串級(jí)三沖量給水 控制方式。但從能量轉(zhuǎn)換觀點(diǎn)分析，其基本過(guò)程都是：燃料的化學(xué)能 → 熱能 → 機(jī)械能→ 電能。在電力行業(yè)中電廠(chǎng)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(chǎng)熱工自動(dòng)化水平的高低是衡量電廠(chǎng)生產(chǎn)技術(shù)先進(jìn)與否和企業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。而具有提高系統(tǒng)的安全性 、 可靠性以及使系統(tǒng)更容易靈活操作的集散控制 系統(tǒng) DCS(Distributed Control System)，是作為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的后起之秀，DCS 為生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制提供了強(qiáng)有力的控制手段，因此它廣泛應(yīng)用于電力行業(yè)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，網(wǎng)絡(luò)化的保護(hù)及故障信息系統(tǒng)將會(huì)不斷發(fā)展，最終基 于網(wǎng)絡(luò)大容量數(shù)據(jù)傳輸可實(shí)現(xiàn)，遠(yuǎn)程專(zhuān)家監(jiān)控診斷系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，火電廠(chǎng)檢修運(yùn)行維護(hù)的結(jié)構(gòu)將徹底改變，屆時(shí)僅需少量人員進(jìn)行機(jī)組的運(yùn)行維護(hù)，更多的是通內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 4 過(guò)遠(yuǎn)程專(zhuān)家監(jiān)控診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組的運(yùn)行監(jiān)控、維護(hù)和故障診斷、處理。 現(xiàn)在是 “ 信息化帶動(dòng)工業(yè)化，工業(yè)化促進(jìn)信息化 ” 的時(shí)代， 隨著世界高科技的飛速發(fā)展和我國(guó)機(jī)組容量的快速提高，電廠(chǎng)熱工自動(dòng)化技術(shù)不斷地從相關(guān)學(xué)科中吸取最新成果而迅速發(fā)展和完善，近幾年更是日新月異，一方面作為機(jī)組主要控制系統(tǒng)的DCS，已在控制結(jié)構(gòu)和控制范圍上發(fā)生了巨大的變化。 鍋爐由鍋爐本體和輔助設(shè)備構(gòu)成。電廠(chǎng)鍋爐在火電廠(chǎng)中是提供動(dòng)力的關(guān)鍵設(shè)備，因而電廠(chǎng)鍋爐技術(shù)的進(jìn)步對(duì)電力生產(chǎn)的發(fā)展有著直接影響。 鍋爐按照循環(huán)方式可分為自然循環(huán)鍋爐、控制循環(huán)鍋爐和直流鍋爐。由于水的密度要大于汽水混合物的密度，所以在下降管和水冷壁之間就會(huì)產(chǎn)生壓力差，在這種壓力差的推動(dòng)下，給水和汽水混合物在蒸發(fā)系統(tǒng)中循環(huán)流動(dòng)。自然循環(huán)鍋爐的循環(huán)倍率約為 4～ 30。自然循環(huán)鍋爐和控制循環(huán)鍋爐的共同特點(diǎn)是都有汽包。直流鍋爐的另一特點(diǎn)是在省煤器、蒸發(fā)部分和過(guò)熱器之間沒(méi)有固定不變的分界點(diǎn)，水在受熱蒸發(fā)面中全部轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝?，沿工質(zhì)整個(gè)行程的流動(dòng)阻力均由給水泵來(lái)克服。 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 汽水循環(huán)系統(tǒng) 給水經(jīng)給水泵送入省煤器和汽包，然后進(jìn)入下降管、水冷壁，水在水冷壁中加熱后成為汽水混合物又回到汽包并經(jīng)汽、水分離，分離出的水繼續(xù)進(jìn)入下降管循環(huán)，分離出的飽和蒸汽離開(kāi)汽包進(jìn)入過(guò)熱器系統(tǒng)。 水在鍋爐中加熱后蒸發(fā)成蒸汽， 經(jīng)過(guò)熱器進(jìn)一步加熱，成為具有規(guī)定壓力和溫度的過(guò)熱蒸汽，然后經(jīng)過(guò)管道送入汽輪機(jī)。排出的蒸汽稱(chēng)為乏汽，它排入凝汽器。汽水系統(tǒng)中的蒸汽和凝結(jié)水在循環(huán)過(guò)程中總有一些損失，因此，必須不斷向給水系統(tǒng)補(bǔ)充經(jīng)過(guò)化學(xué)處理的水。內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 7 汽包水位過(guò)低，致使下降管進(jìn)口帶汽 ， 循環(huán)流動(dòng)壓頭降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起水循環(huán)的破壞，使水冷壁管超溫過(guò)熱 ， 嚴(yán)重缺水時(shí)還可能造成汽包干鍋和水冷壁燒損等嚴(yán)重事故，因此正確認(rèn)識(shí)汽包水位的影響因素加強(qiáng)對(duì)水位的監(jiān)視和調(diào)整對(duì)汽包鍋爐的安全運(yùn)行至關(guān)重要。汽包水位過(guò)高，會(huì)影響汽包內(nèi)汽水分離裝置的正常工作，造成出口蒸汽水分過(guò)多而使過(guò)熱器管壁結(jié)垢，容易燒壞過(guò)熱器。150mm 異常情況： 177。 下面對(duì) 給水控制對(duì)象和各種擾動(dòng)下水位變化的動(dòng)態(tài)特性 進(jìn)行分析 。39。39。()CA????，則上式變?yōu)? DGdtdHC ?? （ 12） 式中 ： H — 汽包水位 ， m 或 cm ； A — 汽水分離面積， 2m 或 2cm ； 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 D — 蒸發(fā)量， /th或 /kgs ； G — 給水量， /th或 /kgs ； C — 容量系數(shù)； 39。 圖 12 汽包鍋爐給水控制對(duì)象的結(jié)構(gòu)系統(tǒng) 對(duì)于汽包鍋爐來(lái)說(shuō)，由飛升速度的定義知 m a xm a xm a xm a xm a x)(1HDGCHdtdHZdtdy ? ?????? ??????????????????? （ 13） 式中 ： ? —— 飛升速度， 1/s 。39。 對(duì)于蒸發(fā)量為 100~230 /th的單汽包爐，當(dāng)水位變化 mm100? 時(shí)， 60 ~ 30aTs? ，對(duì)于蒸 發(fā) 量為更大的汽包爐 30aTs? ，它的意義在于當(dāng)鍋爐在滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，如果突然停止供水，則由于蒸發(fā)量和給水量的不平衡造成水位迅速下降，在 s30 內(nèi)將下降mm200 ，或者換句話(huà)說(shuō)，如果給水量減少 %10 ，經(jīng)過(guò) s30 的時(shí)間，水位將下降 mm20 。 鍋爐熱負(fù)荷擾動(dòng)下的水位動(dòng)態(tài)特性 汽包水位的變化與鍋爐負(fù)荷的變化有密切關(guān)系，因?yàn)樨?fù)荷的變化不僅影響蒸發(fā)受熱面中水的消耗量，而且由此引起汽壓變化，將使鍋 爐 水狀態(tài)發(fā)生變化 ， 其容積也相應(yīng)變化。當(dāng)不考慮排污、漏水、漏氣等的影響時(shí)，如果給水量大于蒸發(fā)量，則水位上升；如果給水量小于蒸發(fā)量，則水位下降。 圖 13 燃料量擾動(dòng)下水位階躍響應(yīng)曲線(xiàn) 在 負(fù)荷突然增加時(shí)，雖然鍋爐的給水流量小于蒸發(fā)量，但開(kāi)始階段的水位不僅 不下降，反而迅速上升（反之，當(dāng)負(fù)荷突然減少時(shí)，水位反而先下降），這種現(xiàn)象稱(chēng)為“ 虛假水位 ” 現(xiàn) 象。水位控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性表現(xiàn)為有慣性的無(wú)自平衡能力。在給水流量擾動(dòng)下實(shí)際的水位變化曲線(xiàn) 2可以認(rèn) 為是曲線(xiàn) 1 和曲線(xiàn) 3 的合成 ??1 。當(dāng)蒸汽流量突然增加（假定供熱量及時(shí)跟上）時(shí)，鍋爐的蒸發(fā)量大于給水流量，汽包的貯水量應(yīng)等速下降，又因?yàn)槠菬o(wú)自平衡對(duì)象，所以水位的變化曲線(xiàn)應(yīng)如圖中曲線(xiàn) H1所示：實(shí)際上當(dāng)蒸發(fā)量突然增加時(shí)，在汽水循環(huán)系統(tǒng)中的蒸發(fā)強(qiáng)度也將成比例的增大，使汽水混合物中汽泡的容積增大 ， 又因爐膛內(nèi)的發(fā)熱量并不能及時(shí)增加，從而使汽包壓力不斷下降，降低了飽和溫度，促使蒸發(fā)速度加快，汽泡膨脹，加大了汽水混合物的總體積，使水位變化過(guò)程如圖 16 中曲線(xiàn) H2所示。在外部負(fù)荷突然減小時(shí)（如汽輪機(jī)甩負(fù)荷）， “ 虛假水位 ” 約在 20 秒內(nèi)即達(dá)到最低值，并且， “ 虛假水位 ” 達(dá)到最低值的時(shí)間和負(fù)荷達(dá)到的最低值的時(shí)間基本 相同。當(dāng)水位高于 給定值后再調(diào)節(jié)給水量，則由于給水量改變后有一定的滯后時(shí)間（或慣性）才能影響到水位，即從給水調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)動(dòng) 做 到汽包水位變化存在著一定的滯后，因此水位必然要有較大的變化，尤其是水位響應(yīng)速度快的鍋爐，水位的偏差更大。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 13 第 二 章 給水自動(dòng)控制系統(tǒng) 的介紹 根據(jù)汽包鍋爐給水控制對(duì)象 動(dòng) 態(tài)特性的特點(diǎn)，我們確定給水控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。 單級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng) 三沖量控制給水就是水位作為主信號(hào)，蒸汽流量作為前饋信號(hào)，以制止 “ 虛假水位 ” 的調(diào)節(jié)偏差 ， 還考慮到改變給水流量到水位響應(yīng)有一定的延遲時(shí)間，再將給水流量信號(hào)作為反饋信號(hào)以保持給水流量與蒸汽流量的平衡；當(dāng)給水自發(fā)擾動(dòng)時(shí)給水流量信號(hào)有前反饋調(diào)節(jié)的作用，可迅速消除內(nèi)擾。蒸汽流量 D 和給水流量 G 的變化是引起水位變化的原因 （ 擾動(dòng)信號(hào) ） ，它們分別作為水位控制的前饋信號(hào)和反饋信號(hào)。 串級(jí)三沖量 給水 控制系統(tǒng) 串級(jí)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是兩個(gè)閉環(huán)，一個(gè)閉環(huán)在內(nèi)部，被稱(chēng)為內(nèi)回路或副回路，在控制中起粗調(diào)的作用 ； 一個(gè)閉環(huán)在外部被稱(chēng)為外回路或主回路，用于細(xì)調(diào)任務(wù)。副對(duì)象是整個(gè)控制對(duì)象的 一部分，常稱(chēng)為控制對(duì)象的導(dǎo)前區(qū)；主對(duì)象是整個(gè)控制對(duì)象中的另一部分，常稱(chēng)為控制對(duì)象的惰性區(qū)。 圖 21 單級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖 22 所示。副回路的作用主要為快速消除內(nèi)擾，主回路用于校正水位偏差，而前饋通路則用于補(bǔ)償外擾，主要用于克服虛假水位現(xiàn)象。 圖 23 串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)原理方框圖 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 16 給水控制任務(wù)由 2個(gè)調(diào)節(jié)器來(lái)完成 ， 主調(diào)節(jié)器采用比例積分控制規(guī)律 ， 保證水位無(wú)靜態(tài)偏差，其輸出信號(hào)、給水流量信號(hào)和蒸汽流量信號(hào)都作用到副調(diào)節(jié)器。這是因?yàn)榇?jí)控制系統(tǒng)具有以下幾方面的特點(diǎn)： 由干副回路具有快速作用，因此， 串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)進(jìn)入副回路的擾動(dòng)有很強(qiáng)的克服能力。因此，在一定負(fù)荷下 ， 即在確定的工作點(diǎn)情況下。 在串級(jí)控制系統(tǒng)中，主回路是一個(gè)定值系統(tǒng)，副回路卻是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)。主調(diào)節(jié)器的作用是校正水位，這比單級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)的工作更為合理，故串級(jí)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量比單級(jí)系統(tǒng)要好一些。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 17 當(dāng)給水流量信號(hào) Ig 和蒸汽流量信號(hào) ID兩個(gè)信號(hào)中由于變送器故障而失去一個(gè)信號(hào)，或變送器特性發(fā)生變化， ID和 Ig 平衡關(guān)系失去時(shí)，主調(diào)節(jié)器由于積分作用可補(bǔ)償失去平衡的電流，使系統(tǒng)暫時(shí)維持工作；而單級(jí)系統(tǒng)當(dāng) ID 或 Ig 因產(chǎn)生故障而失去時(shí)，則無(wú)法控制水位在額定值，因此串級(jí)系 統(tǒng)的安全性較好。通常串級(jí)控制系統(tǒng)是被用來(lái)克服對(duì)象的容積遲延和慣性。串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)進(jìn)入副回路的擾動(dòng)有很強(qiáng)的克服能力，為發(fā)揮這一特殊作用，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，副參數(shù)的選擇應(yīng)使得副回路盡可能多的包括一些擾動(dòng)。太大了，副回路本身的控制性能就差，同時(shí)還可能使主回路的控制性能惡化。如果在某種干擾作用下，主參數(shù)的變化進(jìn)入副回路時(shí)，會(huì)引起副回路中參數(shù)振幅增加，而副參數(shù)的變化傳到主回路后，又迫使主參數(shù)變化幅度增大，如此循環(huán)往復(fù)，就會(huì)使主 、副參數(shù)長(zhǎng)時(shí)間大幅度波動(dòng)，這就是所謂串級(jí)系統(tǒng)的“ 共振現(xiàn)象 ” ， 一旦發(fā) 生 共振 現(xiàn)象 系統(tǒng)就失去控制，不僅使系統(tǒng)控制品質(zhì)惡化，如不及時(shí)處理，甚至可能導(dǎo)致生產(chǎn)事故，引起嚴(yán)重后果。 參數(shù)要求高，副參數(shù)亦有一定要求時(shí)，主、副調(diào)節(jié)器均采用比例積分形式。凡是需采用串級(jí)控制的生產(chǎn)過(guò)程，對(duì)控制的品質(zhì)都是很高的，不允許被調(diào)量存在靜差。 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 第 三 章 給水三沖量 系統(tǒng)的 整定 及仿真 單級(jí)三沖量 給水控制系統(tǒng)的參數(shù) 整定 單級(jí)三沖量給水控制， 把內(nèi)回路作為一般的單回路系統(tǒng)進(jìn)行分析。 圖 31 副回路等效圖 以給定值 V? g為基值，考慮增量情況， HDV V V? ? ? ，這時(shí)可把它當(dāng)作 為 單回路來(lái)分析。主回路的方框圖如圖 32 所示。因此在整定外回路時(shí)若改變 Gn ，應(yīng)相應(yīng)改變 PI 調(diào)節(jié)器的比例帶 ? ，使兩者比值不變，以保證內(nèi)回路穩(wěn)定性。從式（ 34）可以看出， Dn 不是一個(gè)簡(jiǎn)單的環(huán)節(jié)，而是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)，正因?yàn)槠鋸?fù)雜，一般按靜態(tài)特性進(jìn)行整定，即要求在負(fù)