【正文】 爐負(fù)荷增加而升高；但是，當(dāng)負(fù)荷突然增加燃燒工況來不及改變，在汽壓未恢復(fù)前，由于過熱器的加熱條件沒有改變而流經(jīng)過熱器的蒸汽流量變大了，因此這時的汽溫降低。例如，當(dāng)給水溫度降低時，加熱給水所需要的熱量增加，燃料消耗量必然要增加，進(jìn)入到對流過熱器的煙溫和煙速都要提高，過熱器的吸熱量增加，但此時流經(jīng)過熱器的蒸汽量并未改變，因此汽溫必然升高。 蒸汽側(cè)調(diào)節(jié)過熱蒸汽的溫度的原理在現(xiàn)代電廠中是利用給水作為冷卻工質(zhì)去直接冷卻蒸汽，改變蒸汽的焓增量。 蒸汽側(cè)調(diào)節(jié)汽溫的特點是，它只能使蒸汽減溫而不能升溫。 上面我們對鍋爐的三大任務(wù)進(jìn)行了簡單的介紹和認(rèn)識，現(xiàn)在來具體談?wù)勫仩t的汽水控制系統(tǒng)。因此為了防止鍋爐的氧腐蝕，必須控制給水中氧的含量。 熱力除氧的原理是根據(jù)再恒溫和平衡狀態(tài)下，任何氣體在水中的溶解度與該氣體在水面上的分壓力成正比。當(dāng)水的溫度上升到沸點時，它就不再具有溶解氣體的能力，因此各種氣體如 O2和 CO2 便從水中解析出來，從而達(dá)到除去水中氧及其他氣體的目的。但僅僅是鍋外水處理還不夠，在鍋外水處理的同時還需進(jìn)行鍋內(nèi)水的處理。在鍋爐運行中，人要隨時對鍋爐進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)控，保證鍋爐的安全運行。 在鍋爐運行中，水處理是個必不可少的環(huán)節(jié)。因此，工業(yè)鍋爐水處理工作，就是采取有效措施，保證鍋爐的汽、水品質(zhì)，防止鍋爐結(jié)垢，腐蝕及汽水共滕等不良現(xiàn)象發(fā)生，同時，為了環(huán)保以及節(jié)約水資源，還對運行過程中產(chǎn)生的污水進(jìn)行一系列的處理，并使處理出來的水進(jìn)行二次利用，這樣，即可節(jié)約水資源，又達(dá)到環(huán)保的要求。對于煙廠的節(jié)能與設(shè)備管理達(dá)標(biāo)與否，也產(chǎn)生很大的影響。 除氧器 除氧器的主要作用是除去給水中的氧氣 ， 保證給水的品質(zhì)。在熱交換器中若有氣體聚集就會妨礙傳熱過程的進(jìn)行 ， 降低設(shè)備的傳熱效果。除氧器本身又是給水回?zé)嵯到y(tǒng)中的一個混合式加熱器 ， 同時高壓 加熱器的疏水、化學(xué)補水及全廠各處水質(zhì)合格的疏水、排氣等均可通入除氧器匯總并加以利用 ， 減少發(fā)電廠的汽水損失。氣體的溶解度就是表示氣體溶解于水中的數(shù)量 ， 以毫克 /升計值 ， 它和氣體的種類以及它在水面的分壓力、和水的溫度有關(guān)。同時氣體在水面的分壓力越高其溶解度就越大 ， 反之其溶解度也越低。汽輪機(jī)的凝結(jié)水可能融有大量氧氣 ， 因為空氣能通過處于真空 狀態(tài)下的設(shè)備不嚴(yán)密部分滲入進(jìn)去 。 液面上氣體混合物的全壓力中 ， 包括有液體蒸汽的分壓力 。要達(dá)到這一點 ，不僅要將水加熱到沸點 ， 還要使液面上沒有這些氣體存在 ， 即將逸出的氣體隨時排走。這時除氧器的空間充滿著水蒸汽 ， 而氧氣的分壓力逐漸降低為零 ，溶解于水的氧氣將全部逸出 ， 以保證給水含氧量合格。未除氧的軟水其氧離子將使鍋爐內(nèi)管束氧化，特別在高溫、高壓環(huán)境下，將更加加速設(shè)備的氧化過程，嚴(yán)重降 17 低設(shè)備的使用壽命，減少鍋爐的蒸發(fā)量。按《 GB1576— 2021 低壓鍋爐水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，鍋爐用水的溶解氧量要小于 ，而要達(dá)到此標(biāo)準(zhǔn)，則除氧器壓力必須控制在 ，除氧器溫度必須控 制在 104℃。 除氧器在運行過程中經(jīng)常會發(fā)生負(fù)荷變化，也就是說除氧器的水位會發(fā)生變化，當(dāng)這種變化發(fā)生后，進(jìn)水調(diào)節(jié)閥的開度必須有相應(yīng)的改變，才能保持水位穩(wěn)定，在水位控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器和進(jìn)水調(diào)節(jié)閥構(gòu)成一個負(fù)反饋的閉合回路?？刂圃頌椋焊鶕?jù)工藝指標(biāo)，給出設(shè)定值，當(dāng)變送器測量的水位高于設(shè)定值時，將偏差信號送入調(diào)節(jié)器進(jìn)行 PID 參數(shù)進(jìn)行運算，減 18 小輸出調(diào)節(jié)閥隨之減小開度，因此，進(jìn)水流量減小，水位降低，接近設(shè)定值，反之亦然。操作器作為現(xiàn)場調(diào)節(jié)閥與調(diào)節(jié)器間聯(lián)絡(luò)的紐帶和橋梁，也作為事故狀態(tài)下操作人員進(jìn)行手操，同時手操跟蹤調(diào)節(jié)器輸出，為無擾動切換作準(zhǔn)備，當(dāng)自動系統(tǒng)故障時，將手操器自動切換為手動狀態(tài)。除氧器在運行過程中經(jīng)常會發(fā)生負(fù)荷變化，也就是說除氧器的壓力也會發(fā)生變化，當(dāng)這種變化發(fā)生后，進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥的開度必須有相應(yīng)的改變，才能保持壓力穩(wěn)定。反之亦然。 PID 調(diào)節(jié)器應(yīng)選用“反作用”方式。汽包及蒸發(fā)管系中儲藏著蒸汽和水，儲藏量的多少，是以被制量水位表征的，汽包的流入量是給水量，流出量是蒸汽量，當(dāng)給水量等于蒸汽量時，汽包水位就恒定不變。如果只考慮主要擾動，那么汽包水位對象的動態(tài)特性可表示為 ： 式中 T1， T2 時間常量 Tw—— 給水流量項時間常數(shù)； TD—— 蒸汽流量項時間常數(shù)； 20 Kw—— 給水 流量項的放大系數(shù)； KD—— 蒸汽流量項的放大系數(shù)； h=△ H/Ho(Ho 為穩(wěn)定情況下的水位，△ H 為水位高度變化 )； vw＝△ W/Dmax(△ W 為給水流量的變化， Dmax 為最大蒸汽負(fù)荷量 )； vD=△ D/Dmax(△ D 為蒸汽負(fù)荷的變化 )。給水自動調(diào)節(jié)的另一個任務(wù)是保持給水穩(wěn)定。在控制回路中被調(diào)參數(shù)是汽包水位（ H），調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是給水調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)量是給水流量（ W） 。（如圖 ） 一、蒸發(fā)量 D 擾動作用下水位對象的動態(tài)特性 汽包水位在蒸汽流量擾動下的動態(tài)特性（假定給水流量不變化的情況），可以直接從式（ 3－ 1）導(dǎo)出： 21 拉氏變換后可得： 其傳遞函數(shù)為 ： 上式可以用兩個動態(tài)環(huán)節(jié)的并聯(lián)來等效，即 式中 當(dāng)蒸發(fā)量忽然增加△ D，給水量和燃料量不變時，水位變化如圖 （ a）中所示。但是由 于蒸發(fā)量的增加，汽水混合物中的氣泡容積增加，另外鍋筒中壓力也要降低，使氣泡膨脹，都導(dǎo)致水位上升，如 H2（ t）所示?？梢姡?dāng)鍋爐蒸發(fā)量增加時，雖然蒸發(fā)量大于給水量，但在一開始時，水位不僅沒有下降，反而迅速上升，這是由于氣泡體積迅速增加之故，這種現(xiàn)象稱為“虛假水位”。圖中的τ D 是由“虛假水位”所造成的遲延，其大小決定于鍋爐的特性。此時給水量沒變，所以水位應(yīng)該是下降的。它與圖 （ a）很相似，但水位上升的較少，而遲延τ M 較大，這是由于燃料量增加使蒸汽量增加的同時鍋筒壓力也提高，從而使氣泡體積的增加量減少，因而導(dǎo)致水位上升較少；另一方面隨燃料量的增加而增加的蒸汽量有較大慣性 和遲延，如圖 （ b）中的虛線所示。 三、給水量（ W）擾動時的水位對象的動態(tài)特性 給水量（鍋爐給水量是它的輸入量，如果蒸汽負(fù)荷不變化，那么在給水流量發(fā)生變化時 ， 汽包水位對象的微分方程可以表示為： 經(jīng)拉氏變換后可得： 從式（ 3－ 7）可方便地得到汽包水位在給水流量作用下的傳遞函數(shù)為： 23 對于中壓鍋爐，上式中 TW 的數(shù)值很小，常?？梢院雎圆挥?，因此式（ 3－ 8）可進(jìn)一步改寫為 式中ε =Kw/T1—— 反應(yīng)速度，即給水流量改變單位流量時水位的變化速度，mm/s(t/h)。）； 從式（ 3－ 9）可知，汽包水位在給水流量作用下的動態(tài)特性由一個積分環(huán)節(jié)和一個一階慣性環(huán)節(jié)所組成，∑、 T2 的數(shù)值可通過實驗測試求得，數(shù)值的大小同鍋爐的結(jié)構(gòu)有關(guān)。 給水量增加△ W 水位的反應(yīng)曲線如圖 （ c）所示。 采用沸騰式省煤器，使水位特性的遲延和慣性大為增加，因為給水量的焓值較低，當(dāng)給水量突然增加時，如果熱負(fù)荷不變，則省煤器的沸騰率減小，處于省煤器中氣泡的容積減少。τ w1 約為 100～ 200 秒。 給水壓力控制 鍋爐給水系統(tǒng)中還有一個比較重要的控制回路 是給水壓力回路，因為汽包內(nèi)壓力較高，要給鍋爐補水必須提供更高的壓力，給水壓力回路的作用是提高水壓，使水能夠正常注入汽包。在老式的鍋爐系統(tǒng)中一般采用給水泵一直以工頻方式運轉(zhuǎn)，用回流閥降低水壓防止爆管，現(xiàn)在一般采用通過變頻器恒壓供水的方式控制水壓，具體實現(xiàn)方式是： 系統(tǒng)下達(dá)指令由變頻器自動啟動第一臺泵運行，系統(tǒng)檢測給水管的水壓，當(dāng)變頻器頻率上升到工頻時，如水壓未達(dá)到設(shè)定的壓力值，系統(tǒng)自動將第一臺電機(jī)切換至工頻直供電，并由變頻器拖動第二臺水泵運行，如變頻器運行到 工頻狀態(tài)時供水母管壓力仍未達(dá)到設(shè)定壓力值系統(tǒng)自動將第二臺水泵切換至工頻直供電，再由變頻器拖動第三臺運行，依次類推，直至壓力達(dá)到設(shè)定值。變頻 25 恒壓供水控制系統(tǒng)的實質(zhì)是：始終利用一臺變頻器自動調(diào)整水泵的轉(zhuǎn)速，切換時間以管網(wǎng)的實際壓力和設(shè)定壓力的差值決定，同時保證管網(wǎng)的壓力動態(tài)恒定。 除此之外鍋爐的供水系統(tǒng)中還包括除氧器壓力控制和除氧器水位控制，除氧器壓力控制主要是為了保證除氧器口有足夠的蒸汽壓力用于將軟化水除氧，這是一個單閉環(huán)控制回路，輸入?yún)?shù)是除氧器壓力輸出參數(shù)控制除氧器進(jìn)汽閥。 第 4 章汽包水位控制方案設(shè)計 單沖量給水自動調(diào)節(jié)系統(tǒng) 單沖量給水自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)如圖所示。水位測量信號經(jīng)變送器送到 水位調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器根據(jù)水位測量值與給定值的偏差去控制給水調(diào)節(jié)閥，改變給水量來保持鍋筒水位在允許值范圍內(nèi)，因為只采用水位做調(diào)節(jié)器的信號，故叫單沖量，對于低參數(shù)小容量的工業(yè)鍋爐，因為相對于負(fù)荷來說水容較大，所以虛假水位現(xiàn)象不嚴(yán)重，對調(diào)節(jié)質(zhì)量的要求又不太高，可以采用單沖量給水自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，能夠滿足生產(chǎn)上的要求。單沖量給水自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)如圖 所示。其特點如下： 26 （ 1）在負(fù)荷變 化時，由于虛假水位現(xiàn)象，在調(diào)節(jié)過程一開始，給水量的變化將與負(fù)荷變化的方向相反，擴(kuò)大了進(jìn)出流量的不平衡。 圖 單沖量給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理圖 圖 單沖量給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)方框圖 、雙沖量給水自動調(diào)節(jié)系統(tǒng) 在單沖量水位調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，引進(jìn)蒸汽流量作為前饋信號，構(gòu)成雙沖量給水自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。所以引入蒸汽流量前饋信號可以消除虛假水位對調(diào)節(jié)的不良影響。因而大大減小了給水量和水位的波動，縮短了過渡過程的時間。（如圖 ） 以上的分析可見，雙水量給水自動調(diào)節(jié)能在負(fù)荷變化頻繁的情況下較好 的完成水位調(diào)節(jié)任務(wù)。但是調(diào)節(jié)作用不能及時反映給水側(cè)的擾動。因此，給水母管壓力經(jīng)常有波動，給水調(diào)節(jié)閥前后壓差不易保持正常時， 27 不宜采用雙沖量調(diào)節(jié)。為此將引入給水流量信號，構(gòu)成三沖量 控制系統(tǒng)。蒸汽流量和給水流量是引起水位變化的原因，蒸汽流量作為水位調(diào)節(jié)的前饋信號，當(dāng)蒸汽流量改變時，調(diào)節(jié)器立即動作，相應(yīng)地改變給水流量，而當(dāng)給水流量自發(fā)地變化時，調(diào)節(jié)器也立即動作，使給水流量恢復(fù)到原來數(shù)值，這樣就有效控制了虛假水位的影響。為了提高給水控制系統(tǒng)的可靠性，汽包水位測 量使用了三個變送器。 300mm，而且任意兩個水位測量信號越限177。當(dāng)給水溫度不變，而壓力在某個范圍變化時，給水流量的測量誤差很小， 28 若給水壓力不變，給水溫度在某個范圍內(nèi)變化時，給水流量的測量誤差較大，所以對給水流量信號只采取溫度校正。如果采用標(biāo)準(zhǔn)噴嘴測量蒸汽流量，一方面在高溫高壓下節(jié)流噴嘴容易 磨損，檢修維護(hù)也困難，測量誤差較大，另一方面節(jié)流損失也大，一般不采用此種方法。 三沖量控制方案Ⅰ —— 前饋 (蒸汽流量 )加反饋 (液位，給水流量 )控制系統(tǒng)三沖量控制方案Ⅰ 該系統(tǒng)可看作三沖量的綜合信號作為被控變量的單回路控制系統(tǒng)，投運和整定與單回路控制系統(tǒng)一樣，但是如果系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置不能確保物料平衡，則負(fù)荷變化時，水位將有余差。當(dāng)由于水壓干擾使給水流量改變時，調(diào)節(jié)器能迅速消除干擾。另外，給水流量信號也是調(diào)節(jié)器動作后的反饋信號，能使調(diào)節(jié)器及早知道控制的效果，所以三沖量給水控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)器動作快，還可以避免調(diào)節(jié)過頭，減少波動和失控。 29 圖 三沖量水位單回路控制系統(tǒng)方框圖 Ho—— 給定值； H—— 水位輸出信號； fD—— 蒸汽擾動信號； fW—— 給水?dāng)_動信號 從系統(tǒng)組成方框圖可以看出，三沖量水位控制系統(tǒng)有兩個閉合回路：（ 1）是由給水流量 W、給水分流器、調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥組成的內(nèi)回路；（ 2）由汽包水位對象和內(nèi)回路構(gòu)成的主回路。所以三沖量控制的實質(zhì)是前饋加反饋的控制系統(tǒng)。但是，三沖量給水單級控制系統(tǒng)的靜態(tài)特性不僅和調(diào)節(jié)器的動作規(guī)律有關(guān)，還取決于信號之間的靜態(tài)配合關(guān)系，當(dāng) aD 不等于 aW時，控制系統(tǒng)會有靜差存在，為了克服這一缺點， 、 常采用三沖量串級控制系統(tǒng)。蒸汽流量信號的大小原則上可以這樣來確定，當(dāng)蒸汽流量發(fā)生擾動時，就利用這個擾動信號作為控制信號，通過調(diào)整 aD 使水位變化很小或者基本不變。 三沖量控制方案Ⅱ —— 蒸汽流量前饋 給水流量串級控制系統(tǒng)三沖量控制方案Ⅱ方案 三沖量給水串級控制系統(tǒng)如圖 所示，它相當(dāng)于前饋加串級的控制系統(tǒng)。由于副調(diào)節(jié)器接三個信號，因此也存在信號間的配合問 題。 、 圖 三沖量給水串級控制系統(tǒng)示意圖 DBC—— 差壓變送器； DJK—— 開方器； aD、 aW —— 分流器； PI*—— 主調(diào)節(jié)器； PI—— 副調(diào)節(jié)器； CF—— 伺服放大器； SD—— 執(zhí)行器 給水串級控制系統(tǒng)的特點是：汽包水位偏差△ H 可以由主調(diào)節(jié)器來校正。主調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)是控制系統(tǒng)的主要整定參數(shù)，副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)則跟給水單級 控制系統(tǒng)相同。控制原理為：當(dāng)給水流量由于擾動而增加時，副調(diào)節(jié)器根據(jù) PID參數(shù)進(jìn)行運算，應(yīng)增大輸出，使調(diào)節(jié)閥開度減少，克服干擾，所以副控制器應(yīng)選擇正作用方式。反之亦然。主調(diào)節(jié)器的輸出信號作為副調(diào)節(jié)器的給定值，蒸汽流量作為前饋信號輸入，給水流量作為反饋信號。雙沖量液位控制系統(tǒng)是在單沖量控 制的基礎(chǔ)上，引進(jìn)蒸汽流量作為前饋信號。因而大 32 大減小了給水量與液位的波動，縮短調(diào)節(jié)的時間。雙沖量液位控制系統(tǒng)適用于小型﹑低壓而且給水壓力較穩(wěn)定的鍋爐。為了把液位控制平穩(wěn)，在雙沖量液位調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上引入了給水流量信號，由液位﹑蒸汽流量和給水流量就構(gòu)成了三沖量液位控制系統(tǒng)，在這個系統(tǒng)里，汽包液位是被控變量，是主沖量信號，蒸汽流量﹑給水流量是兩個輔助沖量信