【正文】 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。 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。 隨著鍋爐參數(shù)的提高和容量的擴大，對給水控制提出了更高的要求，其主要原因有： （ 1）汽包的個數(shù)和體積減小，使汽包的蓄水量和蒸發(fā)面積減少，從而加快了汽內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設(shè)計說明書 7 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)受熱面的熱負荷，使鍋爐負荷對水位的影響加劇了； （ 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)閥的流量特性 更不易滿足控制系統(tǒng)的要求。 對蒸汽鍋爐來說，汽包水位是其正 常運行的主要指標之一，是一個重要的被調(diào)節(jié)參數(shù)。其結(jié)構(gòu)如圖 11： 圖 11 鍋爐控制系統(tǒng)總圖 鍋爐汽包水位是鍋爐安全運行的一個主要參數(shù)，水位過高會使蒸汽帶水帶鹽，嚴重的將引起整體 品質(zhì)下降，嚴重影響生產(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，容易使汽包滿水或汽包內(nèi)的水全部汽 化，造成重大事故。計算機很強的記憶功能，邏輯判斷功能以及快速計算功能 為實現(xiàn)任意的控制算法提供了可能，這樣，先進的控制理論和控制算法進入鍋爐控制已經(jīng)有了可能性。伴隨著控制理論和控制 技術(shù)的發(fā)展，鍋爐自動化控制的水平也在逐步提高。我國的鍋爐工業(yè)是在新中國成立后才建立和發(fā)展起來的， 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)動機械能源；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)大學本科畢業(yè)設(shè)計說明書 6 居民取暖。 鍋爐作為一種把煤、 石油或天然氣等化石燃料所儲藏的化學能轉(zhuǎn)換 成水或水蒸氣的熱能的重要設(shè)備，長期以來在工業(yè)生產(chǎn)和居民生活中都 扮演著極其重要的角色，它已經(jīng)有二百多年的歷史了，但是鍋爐工業(yè)的迅猛發(fā)展卻是近幾十年的事情。爐子是指燃燒設(shè)備，為化石烯料的化學能轉(zhuǎn)換成熱能提供必要的燃燒空間。隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展，發(fā)電機組已由中溫、中壓、中小容量發(fā)展到今天的大容量、高參數(shù)的單元機組。 早期的自動控制系統(tǒng)因熱力發(fā)電機組單機容量小，對控制系統(tǒng)要求也不高，所以非常簡單，只需對給水、汽溫、汽壓和汽機的轉(zhuǎn)速作簡單的控制。目前的大型燃煤電廠都已經(jīng)有了非常先進的自動控制系統(tǒng)， 自動 控制 水平 的高低 是衡量一個國家的生產(chǎn)技術(shù)和科學水平先進與 否的一項重要標志。熱力發(fā)電廠是電力工業(yè)的重要組成部分。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設(shè)計說明書 5 第一章 概 述 自動控制 技術(shù) 在電廠的應(yīng) 用 電能由于其固有的優(yōu)點而成為國民經(jīng)濟各領(lǐng)域最廣泛使用的能量，從而成為人類社會生產(chǎn) 和生活中時刻不能離開的二次能源， 電力已經(jīng)深入到社會生產(chǎn)和生活的各個領(lǐng)域，一個國家的電氣化程度已成為國民經(jīng)濟現(xiàn)代化的一個重要標 志。 在串級控制系統(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)計的對象是內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設(shè)計說明書 4 確定的，所以只有對調(diào)節(jié)器進行整定，控制系統(tǒng)的參數(shù)整定有理論計算方法和工程整定方法，理論計算方法是基于一定的性能指標，結(jié)合組成系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的動態(tài)特征，通過理論計算求 得調(diào)節(jié)器的動態(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 驗、工程實際經(jīng)驗等一套工程上的方法，其具體方法將在本設(shè)計中體現(xiàn) 。 串級三沖量調(diào)節(jié)方式，采用主 、副兩個調(diào)節(jié)器。但由于單級三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)要求蒸汽流量和給水流量信號在穩(wěn)態(tài)時必須相等，否則汽包水位存在靜態(tài)偏差，而且由于測量裝置及變送器的誤差等因素的影響，實際上現(xiàn)場這兩個信號在穩(wěn)態(tài)時，經(jīng)常難以做到完全相等，而且單級三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)一個調(diào)節(jié)器參數(shù)整定需兼顧的因素多。 汽包鍋爐的給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)有三種基本結(jié)構(gòu)：單沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、單級三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、串級三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，低負荷階段，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重的不平衡，而且流量太小時，測量誤差大，故在低負荷階段，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。 從傳統(tǒng)的控制方式來看，它們要么系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單成本低，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)卻過于復(fù)雜 ，成本投入過大。只有保證汽包水位的波動在允許范圍內(nèi)，才能實現(xiàn)機組安全經(jīng)濟運行。 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)過程中的給水及水位控制，大大提高了生產(chǎn)效率。在火電廠的生產(chǎn)過程中采用的熱工自動控制系統(tǒng)，是伴隨著社會對電能需求的日 益增加、單機容量的日益擴大和自動控制技術(shù)在火力發(fā)電廠中應(yīng)用的深度與廣度與日俱增而逐步發(fā)展起來的。 37 整個系統(tǒng)和各種擾動量下的 SIMULINK 結(jié)構(gòu)圖和仿真圖 36 串級三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)整定 29 第四章 系統(tǒng)的參數(shù)整定及 MATLAB 仿真 28 系統(tǒng)的無擾切換 22 給水流量信號的溫度校正 20 水位信號的壓力校正 20 測量信號的自動校正 16 第三章 給水控制系統(tǒng)的無擾切換 9 給水控制系統(tǒng)的基本要求 3 各種擾動下水位的動態(tài)特性 3 給水控制對象的動態(tài)特性 3 給水控制對象和各種擾動下水位變化的動態(tài)特性 3 鍋爐 給水控制系統(tǒng)的任務(wù) 內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設(shè)計說明書 1 汽包鍋爐給水水位自動控制系統(tǒng)的設(shè)計 目 錄 引言 1 第一章 第一章 給水控制系統(tǒng)的動態(tài)特性 5 第二章 給水自動控制系統(tǒng)的基本要求和基本結(jié)構(gòu) 9 給水控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及分析 9 單沖量給水控制系統(tǒng) 9 前饋 反饋三沖量給水控制系統(tǒng) 10 串極三 沖量給水控制系統(tǒng)分析 20 過熱蒸汽氣流信號的壓力、溫度校正 23 給水控制系統(tǒng)的切換 24 給水流量測量裝置切換系統(tǒng) 24 大小給水調(diào)節(jié)閥門的切換 32 控制系統(tǒng)的參數(shù)整定方法 32 廣義頻率特性法 32 工程整定法 33 調(diào)節(jié)器的選取 35 內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設(shè)計說明書 2 參數(shù)整定及 MATLAB 仿真 36 單沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)整定 及 MATLAB 仿真 41 結(jié)論 45 參考文獻 46 謝辭 47 內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設(shè)計說明書 3 引 言 自動控制技術(shù)在工程和科學發(fā)展中起著極為重要的作用，在火電廠的生產(chǎn)過程中也采用了自動控制技術(shù)。 電廠熱工自動化水平的高低是衡量電廠生產(chǎn)技術(shù)的先進與否和企業(yè)現(xiàn)代化的重要標志。汽包鍋爐給水控制系統(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)。因此，汽包水位是影響整個機組安全經(jīng)濟 運行的重要因素，所以就要有一套較好的控制方案，來實現(xiàn)汽包水位的控制 。目前工業(yè)控制急需一種系統(tǒng)簡單，并且能夠控制“虛假水 位 ” ，具有高性價比的控制系統(tǒng)。負荷達到一定值以上時，疏水和排污閥逐漸關(guān)閉，汽、水趨于平衡， 流量逐漸增大，測量誤差逐漸減小，這時原則上可采用三沖量調(diào)節(jié)方式。因此單級三沖量事實上一般也難以采用。兩調(diào)節(jié)器任務(wù)分工明確，整定相對容易，而且不要求穩(wěn)態(tài)時給水流量信號與蒸汽流量信號完全相等，易于得到較好的調(diào)節(jié)品質(zhì)，因此現(xiàn)場 多采用此控制方式 。 本設(shè)計的目的是采用串級三沖量給水控制系統(tǒng)控制汽包水位，使其平穩(wěn)運行，并通過 MATLAB 仿真，證明所設(shè)計的系統(tǒng)可以很好的克服系統(tǒng)的內(nèi)外擾動，實現(xiàn)汽包鍋爐水位控制的要求。只有電力產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展才有可能保證整個 國民經(jīng)濟的迅速而穩(wěn)步的 發(fā)展。熱力發(fā)電廠包括燃化石燃料（煤、油、氣）的火力發(fā)電廠與使用核燃料的核動力電廠，迄今為止，熱力發(fā)電廠在世界大多數(shù)國家中仍占著各種發(fā)電形式中的主導(dǎo)地位，我國的火力發(fā)電占 70%左右，而且根據(jù)我國國情，火力發(fā)電廠基本是燃煤電廠 。電力工業(yè)中電廠熱工生產(chǎn)過程自動化技術(shù)相對于其它 民用工業(yè)部門有較長的歷史和較高的自動化水平，電廠熱工自動 化水平的高低是衡量電廠生產(chǎn)技術(shù)的先進與否和企業(yè)現(xiàn)代化的重要標志。這些控制系統(tǒng)大多分散在鍋爐和汽機車間就地安裝，整個電廠的機、爐、電也是分散控制的。 鍋爐概述 鍋爐由汽鍋和爐子組成。汽鍋是 為汽水循環(huán)和汽水吸熱以及汽 水分離提供必要的吸熱和分離空間。國外的鍋爐控制工業(yè) 50～ 60 年代發(fā)展最快， 70 年代達到高峰。 應(yīng)該說鍋爐控制問題伴隨著鍋爐的出現(xiàn)也就相應(yīng)的出現(xiàn)了，它長期以來就是控制領(lǐng)域的一個典型問題。鍋爐的自動化控制 ， 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 的計算機過程控制幾個階段，隨著六十年代第一臺計算機在控制中的應(yīng)用以及此后計算機和通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，計算機逐漸進入了鍋爐控制領(lǐng)域并正在成為這一領(lǐng)域的主要角色。 從系統(tǒng)角度看，鍋爐包括燃燒負荷控制系統(tǒng)、送引風系統(tǒng)、給水控制系統(tǒng)和 輔助控制系統(tǒng)。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 運行。由于汽包水位在 鍋爐運行中占首要地位，所以這類鍋爐的生產(chǎn)自動化一般是從給水自動調(diào)節(jié)開始的。 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)采用自動控制是必不可少的，它可以大大減輕運行人員的勞動強度，保證鍋爐的安全運行。來自水冷壁的汽水混合物從汽包頂部兩側(cè)進入汽包的內(nèi)夾層，沖刷汽包上半部內(nèi)壁，然后再進入渦流式分離器，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。此外，汽包內(nèi)還裝有給水管和 連續(xù)排污管。電動變速泵的驅(qū)動電動機經(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，實現(xiàn)給水泵轉(zhuǎn)速的改變， 氣動 給水泵由小汽輪機直接驅(qū)動，通過控制小汽輪機的進氣量，改變 氣動 泵的轉(zhuǎn)速。但由于驅(qū)動小汽輪機的蒸汽一般采用主汽輪機的抽汽，在機組啟動和低負荷時，汽輪機抽汽氣壓太低，無法維持 氣動 泵運行，因此采用 氣動 給水泵的系統(tǒng)，一般都配有一定容量的電動泵，作為機組啟停和低負荷時使用以及 氣動 泵故障時的備用泵。泵的上限特性曲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，低于這個流量，不但運行效率很低，而且還會產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象。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。一般采用的保護措施是：當工作點進入上限特性曲線之外時，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；當工作點進入下限特性之外 時，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，從而 保證泵的工作點始終在泵的安全經(jīng)濟工作區(qū)內(nèi)。鍋爐的水位是影響安全運行的重要因素。水位過低，則會破壞汽水正常循 環(huán)，以致燒壞受熱面。所以，正常運行時 汽包水位應(yīng)在給定值的 ? 15mm上下范圍波動。給水量穩(wěn)定，有助于省煤器和給水管道的安全運行。 實踐證明，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，其最有效的方法是實現(xiàn)給水自動調(diào)節(jié)。給水調(diào)節(jié)對象的動態(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態(tài)關(guān)系。所以，水位不僅受汽包儲水量變化的影響，而且還受到汽水混合物中汽泡容積變化的影響。影響汽包水位變化的因素主要有：蒸汽流量 D,給水量 W，爐膛熱負荷（燃料量 M） ,汽包壓力 P等。汽包水位過低，會影響鍋爐的汽水自然循環(huán)，如不及時調(diào)節(jié)，就會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。 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。因此，我們主要考慮給水量和蒸汽流量對水位的影響。 圖 21 給水調(diào)節(jié)對象結(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)對象的動態(tài)特性是指各種擾動下的汽包水位 隨時間變化的特性。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，其它還有爐膛熱負荷、汽包壓力的變化等原因。圖 22 中曲線 1 為沸騰式省煤器情形下水位的動態(tài)特性，曲線