【文章內(nèi)容簡介】 第 8 頁 的計(jì)算機(jī)過程控制幾個(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。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。 從系統(tǒng)角度看，鍋爐包括燃燒負(fù)荷控制系統(tǒng)、送引風(fēng)系統(tǒng)、給水控制系統(tǒng)和輔助控制系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)如圖 21： 圖 21 鍋爐控制系統(tǒng)總圖 鍋爐汽包水位是鍋爐安全運(yùn)行的一個(gè)主要參數(shù)，水位過高會(huì)使蒸汽帶水帶鹽，嚴(yán)重的將引起整體品質(zhì)下降，嚴(yán)重影響生產(chǎn)和安全；水位過低又將破壞部分水冷壁的水循環(huán)，引起水冷壁局部過熱而損壞，尤其是大型鍋爐，一旦控制不當(dāng)，容易使汽包滿水或汽包內(nèi)的水全部汽化，造成重大事故。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。 對(duì)蒸汽鍋爐來說，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)。由于汽包水位在鍋爐運(yùn)行中占首要地位，所以這類鍋爐的生產(chǎn)自動(dòng)化一般是從給水自動(dòng)調(diào)節(jié)開始的。 隨著鍋爐參數(shù)的提高和容量的擴(kuò)大，對(duì)給水控制提出了更高的要求，其主要原因有： （ 1）汽包的個(gè)數(shù)和體積減小，使汽包的蓄水量和蒸發(fā)面積減少，從而加快了汽包水位的變化速度； （ 2）鍋爐容量增大，顯著的提高了鍋爐蒸發(fā)受熱面的熱負(fù)荷，使鍋爐負(fù)荷對(duì)水位的影響加劇了； （ 3）提高了鍋爐的 工作壓力，使給水調(diào)節(jié)閥和給水管道系統(tǒng)相應(yīng)復(fù)雜，調(diào)節(jié)閥的流平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術(shù)學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說 明 書 （ 論 文 ） 第 9 頁 量特性更不易滿足控制系統(tǒng)的要求。 由此可見，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。 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。來自水冷壁的汽水混合物從汽包頂部兩側(cè)進(jìn)入汽包的內(nèi)夾層，沖刷汽包上半部內(nèi)壁，然后再進(jìn)入渦流式分離器，在分離器做第一次分離，每只分離器頂部都裝有立式波形板分離器，作為二次分離元件。汽 包頂部還配有立式波形板分離器，作為三次分離元件，經(jīng)三次分離的飽和蒸汽由汽包頂部的引出管送到過熱器去，下降管安置于汽包最底部，在下降管入口處還裝有十字架，用來消除由于入口產(chǎn)生旋渦而將蒸汽帶入下降管的現(xiàn)象。此外，汽包內(nèi)還裝有給水管和連續(xù)排污管。 變速泵：變速泵又分為電動(dòng)變速泵和氣動(dòng)變速泵。電動(dòng)變速泵的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)經(jīng)液力聯(lián)軸器與水泵相連接，通過改變液力聯(lián)軸器中勺管的徑向行程，改變聯(lián)軸器的工作油量，實(shí)現(xiàn)給水泵轉(zhuǎn)速的改變，氣動(dòng)給水泵由小汽輪機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，通過控制小汽輪機(jī)的進(jìn)氣量，改變氣動(dòng)泵的轉(zhuǎn)速。氣動(dòng)給水泵可直接將蒸汽的 熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，有較高的效率。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。 圖 22 變速泵的壓力 流量特性 變速泵的壓力 流量特性如圖 22 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)。泵的上限特性曲平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術(shù)學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說 明 書 （ 論 文 ） 第 10 頁 線亦稱為最小流量曲線，它表示給水泵在不同轉(zhuǎn)速下必須滿足的最小流量，正如前所述，低于這個(gè)流量，不但運(yùn)行效率很低，而且還會(huì)產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象。這是由于低流量時(shí)，泵內(nèi)機(jī)械能做功產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)帶走，使得給水加熱并汽化，導(dǎo)致汽蝕。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。因此采用變速泵的給水控制系統(tǒng)，在控制給水流量的過程中必須保證泵的工作點(diǎn)在安全工作區(qū)內(nèi)。一般采用的保護(hù)措施是：當(dāng)工作點(diǎn)進(jìn)入上限特性曲線之外時(shí)，打開泵出口至除氧器再循環(huán)管路上的最小流量再循環(huán)閥，稱之為最小流量保護(hù)；當(dāng)工作點(diǎn)進(jìn)入下限特性之外時(shí)，關(guān)小管路的給水調(diào)節(jié)閥或提高水泵轉(zhuǎn)速，稱之為最大流量保護(hù)，從而保證泵的工作點(diǎn)始終在泵的安全經(jīng)濟(jì)工作區(qū)內(nèi)。 給水調(diào)節(jié)的任務(wù) 給水自動(dòng)調(diào)節(jié)也叫水位自動(dòng)調(diào)節(jié)，其主要任務(wù)是： (1)維 持鍋爐水位在允許的范圍內(nèi)，使鍋爐的給水量適應(yīng)于蒸發(fā)量。鍋爐的水位是影響安全運(yùn)行的重要因素。水位過高會(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，蒸汽帶水量過多，也要影響用戶的某些工藝過程。水位過低，則會(huì)破壞汽水正常循環(huán)，以致燒壞受熱面。水位過高或過低，都是不允許的。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)。 (2)保持給水量穩(wěn)定。給水量穩(wěn)定，有助于省煤器和給水管道的安全運(yùn)行。 上述兩 個(gè)任務(wù)中，第一個(gè)任務(wù)尤為重要。實(shí)踐證明，無論是電站鍋爐，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)。 第三章 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)。給水調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性是指汽包水位的變化與引起水位變化的各種因素之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。汽包水位是汽包中儲(chǔ)水量和水面下汽泡容積的綜合反映。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。從水位反映儲(chǔ)水量來看，調(diào) 節(jié)對(duì)象是一個(gè)無自平衡能力的對(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，平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術(shù)學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說 明 書 （ 論 文 ） 第 11 頁 所以說水位調(diào)節(jié)對(duì)象是沒有自平衡能力的。影響汽包水位變化的因素主要有：蒸汽流量 D,給水量 W，爐膛熱負(fù)荷（燃料量 M） ,汽包壓力 P 等。 汽包水位的動(dòng)態(tài)特性 工業(yè)鍋爐的汽包水位是正常運(yùn)行的重要指標(biāo)之一，水位過高，產(chǎn)生蒸汽帶水現(xiàn)象，影響用汽單位的正常生產(chǎn)。汽包水位過低，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。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)控制問題。 影響汽包水位變化的因素很多，主要有燃煤量、給水量和蒸汽流量。燃煤量對(duì)水位變化的影響是非常緩慢的，比較容易克服。因此，我們主要考慮給水量和蒸汽流量對(duì)水位的影響。鍋爐水位調(diào)節(jié)對(duì)象的原理結(jié)構(gòu)如圖 31所示。 圖 31 給水調(diào)節(jié)對(duì)象結(jié)構(gòu)圖 1給水母管； 2調(diào)節(jié)閥； 3省煤器； 4汽包； 5管路； 6過熱器； 7蒸汽管 給水調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性是指各種擾動(dòng)下的汽包水位隨時(shí)間變化的特性。當(dāng)擾動(dòng)為階躍擾動(dòng)時(shí)，對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性稱為階躍響應(yīng)曲線。影響水位變化的原因是很 多的，其中鍋爐的蒸發(fā)量和給水流量的變化是主要的，其它還有爐膛熱負(fù)荷、汽包壓力的變化等原因。 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。圖 32 中曲線 1 為沸騰式省煤器情形下水位的動(dòng)態(tài)特性，曲線 2 為非沸騰式省煤器情形下水位的動(dòng)態(tài)特性。 平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術(shù)學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說 明 書 （ 論 文 ） 第 12 頁 圖 32 給水量擾動(dòng)下水位階躍響應(yīng)曲線 在給水流量突然增加的瞬間，鍋爐的蒸發(fā)量還未改變，給水流量大于蒸發(fā)量，但水位一開始并不立即增加，這是因?yàn)闇囟容^低的給水進(jìn)入省煤器及水循環(huán)系統(tǒng)的流量增加了，從原 有的飽和汽水混合物中吸取了一部分熱量，使水面下的汽泡容積有所減少。事實(shí)上也就是因?yàn)榻o水溫度遠(yuǎn)低于省煤器的溫度，即給水有一定的過冷度，水進(jìn)入省煤器后，使一部分汽變成了水，特別是沸騰式省煤器，給水減輕了省煤器內(nèi)的沸騰度，省煤器內(nèi)汽泡總?cè)莘e減少，因此，進(jìn)入省煤器內(nèi)的水首先用來填補(bǔ)省煤器中因汽泡破滅容積減少而降低的水位，經(jīng)過一段遲延甚至水位下降后，才能因給水不斷從省煤器進(jìn)入汽包而使水位上升。在此過程中，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)。由 H 曲線可以清楚地看出給水被控對(duì)象內(nèi)擾的特點(diǎn)是：給水?dāng)_動(dòng)剛剛 加入時(shí)，由于給水的過冷度影響，水位 H 的變化很慢，經(jīng)過一段時(shí)間之后其變化速度才逐漸增加，最后變?yōu)榘匆欢ㄋ俣戎本€上升，這時(shí)就是物質(zhì)不平衡在起主要作用了，如果給水量和蒸汽量不能平衡，水位就不能確定。下面簡單介紹一下水位在給水?dāng)_動(dòng)下的傳遞函數(shù)。 水位在給水?dāng)_動(dòng)下的傳遞函數(shù)可表示為： )1(1)( ssssWHsW h ?????? ?????? 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。其擾動(dòng)傳遞函數(shù)方框圖如圖 33 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。 平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術(shù)學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說 明 書 （ 論 文 ） 第 13 頁 圖 33 給水?dāng)_動(dòng)傳遞函數(shù)方框圖 蒸汽流量擾動(dòng)下對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性 蒸汽流量擾動(dòng)下水位的階躍起反應(yīng)曲線如圖 24 所示。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自平衡對(duì)象，所以水位的變化曲線應(yīng)如圖中曲線 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，使水位變化過程如圖中曲線 H2所示。水位實(shí)際變化曲線是 H1和 H2 之和。 圖 34 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。虛假水位的變化情況和鍋平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術(shù)學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說 明 書 （ 論 文 ） 第 14 頁 爐的特性有關(guān)，燃料突然減小時(shí)（如鍋爐滅火），“虛假水位”約在 2～ 4 分鐘內(nèi)即達(dá)到最低值。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。汽輪機(jī)甩負(fù)荷擾動(dòng)下的“虛假水位”現(xiàn)象是相當(dāng)嚴(yán)重的，這給組成水位自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)帶來了困難。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。 爐膛熱負(fù)荷擾動(dòng)下對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性 當(dāng)燃料 M增加時(shí)，爐膛熱 負(fù)荷隨著增加，水循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的汽水混合物的氣泡比例增加，蒸發(fā)強(qiáng)度增加。如果負(fù)荷設(shè)備的進(jìn)氣閥不加調(diào)節(jié)，則汽包飽和壓力升高，蒸汽流出量增加，蒸發(fā)量大于給水量，水位應(yīng)該下降。隨著汽包壓力的升高，汽水混合物中汽泡的比例將減小，又使得汽水總?cè)莘e下降；其次，在汽壓升高時(shí)，汽的比容變小，水的比容變大，總的效果是汽水混合物的比容變化不大。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)，水位才開始下降，即經(jīng)過了 Tm時(shí)間后水位開始下降。由于熱慣性的原因，這種“虛 假水位”沒有蒸汽流量擾動(dòng)下的“虛假水位”那樣嚴(yán)重。 圖 35 燃料量擾動(dòng)下水位階躍響應(yīng)曲線 應(yīng)當(dāng)指出，蒸汽量、給水量和燃料量在運(yùn)行中是經(jīng)常變化的，為保持氣壓穩(wěn)定，燃料量與蒸發(fā)量必須相互適應(yīng)，因此這兩種擾動(dòng)總是相伴發(fā)生，只是有先后發(fā)生的差別。 從各種擾動(dòng)下水位的動(dòng)態(tài)特性可估計(jì)到水位調(diào)節(jié)的一些缺點(diǎn)：由于存在延遲，等到水位偏離規(guī)定值后再去進(jìn)行調(diào)節(jié)，水位必然會(huì)有較大的變化（尤其是水位反應(yīng)快的鍋爐），水位的偏差也大；在負(fù)荷變化時(shí)，由于“虛假水位”現(xiàn)象，水位將迅速變化，這種變化幅度不可能用調(diào)節(jié)給水 量來減小。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)荷變化后的開始階段，給水流量和負(fù)荷的變化方向相反，如果忽視“虛平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術(shù)學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說 明 書 （ 論 文 ） 第 15 頁 假水位”現(xiàn)象的存在，盲目根據(jù)“水位”來調(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