工業(yè)鍋爐熱工控制系統(tǒng)過(guò)程控制課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)

1、目錄一、 概述-211工業(yè)鍋爐概述-212國(guó)內(nèi)工業(yè)鍋爐發(fā)展?fàn)顩r-213國(guó)外工業(yè)鍋爐發(fā)展?fàn)顩r-214工業(yè)鍋爐的調(diào)節(jié)任務(wù)-2二、工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)的基本任務(wù)和要求-321給水控制系統(tǒng)-322過(guò)熱蒸汽溫度的調(diào)節(jié)系統(tǒng)-323燃燒調(diào)節(jié)系統(tǒng)-324鍋爐的主要設(shè)計(jì)參數(shù)-4三、工業(yè)鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)-431給水控制系統(tǒng)-4311 鍋爐汽包給水控制對(duì)象的特點(diǎn)312鍋爐汽包給水控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性313測(cè)量給水控制系統(tǒng)儀表的選擇314給水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)315給水控制系統(tǒng)的工作原理及SAMA圖32過(guò)熱蒸汽溫度的調(diào)節(jié)系統(tǒng)-10321過(guò)熱蒸汽溫度的調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性322測(cè)量過(guò)熱蒸汽溫度儀表的選擇323過(guò)熱蒸汽

2、溫度的調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)324過(guò)熱蒸汽溫度串級(jí)控制系統(tǒng)的工作原理33燃燒調(diào)節(jié)系統(tǒng)-12331燃燒調(diào)節(jié)系統(tǒng)的對(duì)象動(dòng)態(tài)特性332測(cè)量燃燒調(diào)節(jié)系統(tǒng)儀表的選擇333燃燒調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)334燃燒控制系統(tǒng)的工作原理及爐膛負(fù)壓子系統(tǒng)的SAMA圖四、鍋爐的報(bào)警系統(tǒng)-17五、工業(yè)鍋爐熱工控制系統(tǒng)流程圖-17六、設(shè)計(jì)小結(jié)-18七、參考文獻(xiàn)-18八、附頁(yè)-19一、概述11工業(yè)鍋爐概述鍋爐由汽鍋和爐子組成。爐子是指燃燒設(shè)備，為化石燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成熱能提供必要的燃燒空間。汽鍋是指加熱設(shè)備，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。鍋爐作為一種把煤、石油或天然氣等化石燃料所儲(chǔ)藏的化學(xué)轉(zhuǎn)換為水或水蒸氣的熱能的

3、重要設(shè)備，長(zhǎng)期以來(lái)在工業(yè)生產(chǎn)和居民生活中都扮演著重要的角色。它已經(jīng)有二百多年的歷史了，但是鍋爐工業(yè)的迅速發(fā)展卻是近幾十年的事情。國(guó)外的鍋爐制造工業(yè)50至60年代發(fā)展最快，70年代前后達(dá)到高峰。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)，1953年在上海首創(chuàng)了上海鍋爐廠1。鍋爐種類很多，按所用燃料分類，有燃煤鍋爐、燃油鍋爐、燃?xì)忮仩t；有利用殘?jiān)?、殘油、池放氣等為燃料的鍋爐。所有這些鍋爐，雖然料種類各不相同，但蒸汽發(fā)生系統(tǒng)和蒸汽處理系統(tǒng)是基本相同的。12國(guó)內(nèi)工業(yè)鍋爐發(fā)展?fàn)顩r我國(guó)現(xiàn)有鍋爐25萬(wàn)臺(tái)，每年消耗原煤產(chǎn)量的三分之一1。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間里，還會(huì)有越來(lái)越多的工業(yè)鍋爐投入使用

4、。這些工業(yè)鍋爐的管理水平，運(yùn)行水平以及自動(dòng)化水平大多很低，熱效率還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到制造廠家的設(shè)計(jì)指標(biāo)。其中比較突出的原因是管理不完善，設(shè)備落后，既沒(méi)有必要的自動(dòng)化檢測(cè)和控制儀表，也缺乏應(yīng)有的技術(shù)力量，其運(yùn)行水平主要決定于司爐人員的技術(shù)水平、生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和工作的責(zé)任心。13國(guó)外工業(yè)鍋爐發(fā)展?fàn)顩r為了使鍋爐設(shè)備既能安全可靠地運(yùn)行、又能最大限度地提高效率，就必須使鍋爐設(shè)備實(shí)現(xiàn)較高水平的自動(dòng)化。目前國(guó)外較大型的鍋爐設(shè)備2，其自動(dòng)控制系統(tǒng)主要有：自動(dòng)燃燒控制（ACC）、給水控制（FWC）、過(guò)熱蒸汽溫度控制（STC）、再熱蒸汽溫度控制（RTC）、爐內(nèi)壓力控制（BSC）等。此外，還有送風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制、排水的PH控制、

5、燃燒混合控制、空氣預(yù)熱器溫度控制等。14工業(yè)鍋爐的調(diào)節(jié)任務(wù)工業(yè)鍋爐的生產(chǎn)任務(wù)是根據(jù)用戶的要求，產(chǎn)生具有一定參數(shù)（溫度和壓力）的蒸汽或熱水。為了滿足用戶的要求以及保證鍋爐本身運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性，工業(yè)鍋爐主要有以下五項(xiàng)調(diào)節(jié)任務(wù)2：（1） 保持汽包中的水位在規(guī)定范圍內(nèi)；（2） 保持燃燒的經(jīng)濟(jì)性和保證鍋爐運(yùn)行的安全性；（3） 保持爐膛負(fù)壓在規(guī)定范圍內(nèi)；（4） 使鍋爐蒸發(fā)量迅速適應(yīng)用戶的需要；（5） 穩(wěn)定蒸汽或熱水的溫度和壓力。工業(yè)鍋爐自動(dòng)控制主要包括以下4個(gè)方面：（1）自動(dòng)檢測(cè) 自動(dòng)地檢查和測(cè)量反映鍋爐運(yùn)行情況的參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)，如給水流量、蒸汽流量、爐膛負(fù)壓、蒸汽壓力、排煙溫度、鍋爐水位等。（2）程

6、序控制 使鍋爐的起動(dòng)、停止以及正常運(yùn)行等一系列操作自動(dòng)化，程序是根據(jù)操作順序和條件編制的，如燃油鍋爐是按先起動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)、再起動(dòng)油泵、點(diǎn)火和主油閥的順序進(jìn)行的。（3）自動(dòng)保護(hù) 可以分為以下幾種保護(hù)：（a）聯(lián)鎖保護(hù)（b）限值保護(hù)（c）緊急保護(hù)（d）指示和報(bào)警（4）自動(dòng)調(diào)節(jié) 鍋爐的一些被調(diào)參數(shù)應(yīng)自動(dòng)地適應(yīng)運(yùn)行條件的變化，使鍋爐保持在所要求的工況下運(yùn)行。二、工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)的基本任務(wù)和要求21給水控制系統(tǒng)給水控制系統(tǒng)的任務(wù)是保證汽包水位在容許的范圍內(nèi)，并兼顧鍋爐的平穩(wěn)運(yùn)行。被調(diào)量是汽包水位，調(diào)節(jié)量是給水流量，它主要考慮汽包內(nèi)部物平平衡，使水量適應(yīng)鍋爐的蒸汽量，維持汽包中水位在工藝允許范圍內(nèi)。鍋爐在低負(fù)荷

7、（30%額定負(fù)荷）運(yùn)行時(shí)，使用單沖量給水控制系統(tǒng)；當(dāng)鍋爐負(fù)荷大于30%額定負(fù)荷時(shí)，自動(dòng)切換為串級(jí)三沖量控制系統(tǒng)。為使水位信號(hào)測(cè)量更為準(zhǔn)確，對(duì)水位信號(hào)要求通過(guò)汽包壓力Pb進(jìn)行修正。22過(guò)熱蒸汽溫度的調(diào)節(jié)系統(tǒng)汽溫控制主要是過(guò)熱汽溫控制。其基本任務(wù)是維持過(guò)熱器出口溫度在允許范圍之內(nèi)，并保證管理溫度不超過(guò)允許工作溫度，要求采用串級(jí)控制。由于大型鍋爐的過(guò)熱器是在接近過(guò)熱器金屬的極限溫度的條件下運(yùn)行的，金屬管強(qiáng)度的安全系數(shù)不大，過(guò)熱蒸汽溫度過(guò)高會(huì)降低金屬管的強(qiáng)度，影響設(shè)備的安全；而溫度過(guò)低又會(huì)使熱效率下降。同時(shí)過(guò)熱蒸汽溫度也是影響安全生產(chǎn)的重要因素，維持過(guò)熱蒸汽溫度相對(duì)穩(wěn)定顯得極為重要。23燃燒調(diào)節(jié)系統(tǒng)

8、鍋爐燃燒過(guò)程自動(dòng)控制的基本任務(wù)是既要提供適當(dāng)?shù)臒崃恳赃m應(yīng)蒸汽負(fù)荷的需要，又要保證燃燒的經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行的安全性，即使燃料燃燒所產(chǎn)生的熱量適應(yīng)蒸汽負(fù)荷的需要；使燃料量與空氣量之間保持一定比例，以保證經(jīng)濟(jì)燃燒，使引風(fēng)量與送風(fēng)量相適應(yīng)，以保證爐膛負(fù)壓穩(wěn)定。 為此設(shè)置了如下三個(gè)相互關(guān)聯(lián)控制系統(tǒng)。（1）主蒸汽壓力與流量的串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng) 以主被調(diào)量為出口蒸汽壓力PM，副被調(diào)量為燃料流量所組成的串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。這系統(tǒng)帶有燃料閥后壓力選擇性調(diào)節(jié)。為保證燃燒器的正常運(yùn)行，當(dāng)燃燒器前（調(diào)節(jié)閥后）的壓力PBM低于某數(shù)值時(shí)，壓力調(diào)節(jié)器PC發(fā)出大信號(hào)，通過(guò)高值選擇器的切換動(dòng)作，取代正常工況的蒸汽壓力調(diào)節(jié)器去控制燃料調(diào)節(jié)閥，從而

9、使PBM保持在一定數(shù)值，不致過(guò)低而產(chǎn)生熄火。當(dāng)鍋爐帶固定負(fù)荷時(shí)，鍋爐負(fù)荷由定值器給定。此時(shí)，燃料流量決定于定值器的輸出信號(hào)，而與汽壓調(diào)節(jié)器的輸出無(wú)關(guān)。（2）以煙氣含氧量作為燃燒經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，送風(fēng)調(diào)節(jié)是以煙氣含氧量為主被調(diào)量，而以風(fēng)量F（風(fēng)量信號(hào)經(jīng)風(fēng)溫度校正）為副被調(diào)量的串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。煙氣含量的定值隨鍋爐負(fù)荷改變。（3）帶有送風(fēng)調(diào)節(jié)器的輸出為前饋信號(hào)，以爐膛負(fù)壓Pf為被調(diào)節(jié)量，引風(fēng)量為調(diào)節(jié)量的前饋-反饋復(fù)合調(diào)節(jié)系統(tǒng)。為了保證燃料在動(dòng)態(tài)過(guò)程中完全燃燒，在系統(tǒng)中應(yīng)用高值選擇器1和低值選擇器2以實(shí)現(xiàn)加負(fù)荷時(shí)先加風(fēng)，后加燃料，減負(fù)荷時(shí)先減燃料后減風(fēng)。為了消除蒸汽流量、空氣流量、鍋爐汽包水位和爐膛負(fù)壓等被測(cè)

10、信號(hào)的脈動(dòng)，可采用阻尼器f(t)以平滑高頻脈動(dòng)干擾，使整個(gè)控制系統(tǒng)工作平穩(wěn)。24鍋爐的主要設(shè)計(jì)參數(shù)最大連續(xù)蒸發(fā)量： 35t/h主蒸汽壓力： 3900kPa主蒸汽溫度： 450省煤器進(jìn)口給水溫度 150 熱風(fēng)溫度160 冷風(fēng)溫度30排煙溫度：140鍋爐設(shè)計(jì)效率：85.7%三、 工業(yè)鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)31給水控制系統(tǒng)311 鍋爐汽包給水控制對(duì)象的特點(diǎn) 影響鍋爐汽包水位的因素很多，不僅受到給水量（鍋爐的輸入量）和蒸汽量（流出量）之間平衡關(guān)系的影響，同時(shí)還要受到汽水循環(huán)管路中汽水混合物內(nèi)汽水容積變化的影響。因?yàn)殄仩t汽包中的液位H值不僅反映了汽包（包括水循環(huán)的管路）中的蓄水容積，也反映了水面下汽

11、泡的容積。水面下汽泡的容積又和鍋爐的負(fù)荷和蒸汽的壓力有關(guān)。所以影響鍋爐汽包水位變化的因素是很多的，概括起來(lái)有四個(gè)方面2：一是給水方面的擾動(dòng)，包括給水母管壓力的變化和給水調(diào)節(jié)閥開(kāi)度的變化；二是蒸汽負(fù)荷的變化；三是燃料量的變化，還包括影響燃料發(fā)熱量變化的種種因素；四是汽包壓力變化，壓力變化對(duì)汽包水位的影響是通過(guò)汽包內(nèi)部汽水系統(tǒng)的“自凝力”和自“蒸發(fā)力”過(guò)程起作用的。工業(yè)鍋爐汽水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1-1所示。汽包及蒸發(fā)管系中貯藏著蒸汽和水，貯藏量的多少是以被控制量水位表征的，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(shí)，汽包水位就恒定不變。引起水位變化的主要擾動(dòng)是蒸汽流量的變化和給水流量的

12、變化。如果只考慮主要擾動(dòng)，那么汽包水位調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性可表示為： （3-1）式中 h汽包水位的高度； TW給水流量項(xiàng)的時(shí)間常數(shù)，s； TD蒸汽流量項(xiàng)的時(shí)間常數(shù)，s； KW給水流量項(xiàng)的放大系數(shù)； KD蒸汽流量項(xiàng)的放大系數(shù)； D鍋爐蒸汽流量，kg/s； W鍋爐給水流量，kg/s； T1、T2時(shí)間常數(shù)，s.；312鍋爐汽包給水控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性3121汽包水位在給水流量作用下的動(dòng)態(tài)特性如果蒸汽負(fù)荷不變，給水流量產(chǎn)生變化時(shí)，汽包水位調(diào)節(jié)對(duì)象運(yùn)動(dòng)方程式可以表示為：（3-2）將上列微分方程式兩邊進(jìn)行拉氏變換后可得到下式：（3-3）從上式中，可以得到汽包水位調(diào)節(jié)對(duì)象在給水流量作用下的傳遞函數(shù)：（3-4）在

13、工程上，對(duì)于中壓以下的鍋爐，給水流量項(xiàng)的時(shí)間常數(shù)一般較小，常?？梢院雎圆挥?jì)，因此上式可以簡(jiǎn)化為：（3-5）式中 稱為反應(yīng)速度，即給水流量改變單位流量時(shí)水位的變化速度。從式（3-5）可以看出，汽包水位在給水流量作用下的動(dòng)態(tài)特性，是由一個(gè)積分環(huán)節(jié)和一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)組成。這樣，在給水流量發(fā)生階躍變化時(shí)，汽包水位的動(dòng)態(tài)特性如圖2-1所示的反應(yīng)曲線。由曲線可知：當(dāng)突然加大給水流量后（假定蒸發(fā)量不變），給水量大于蒸發(fā)量，但汽包水位一開(kāi)始并不增加，而呈現(xiàn)出一段起始慣性段，而在后階段近等于速度變化。如果做h線的漸進(jìn)線并延長(zhǎng)使之交于汽包在手?jǐn)_動(dòng)作用前的水位線h0，所截得的時(shí)間r，稱為滯后時(shí)間。反應(yīng)曲線h可以認(rèn)為

14、由曲線h1和h2相加而成。h1僅僅反映蓄水量的變化所引起的水位的變化，當(dāng)給水W作階躍變化時(shí)，h1的變化反映了汽包水位對(duì)象的積分特性。h2是反映水面下的汽泡容量變化時(shí)水位的變化，因?yàn)楫?dāng)給水量增加的初級(jí)階段，溫度較低的給水進(jìn)入了水循環(huán)系統(tǒng)，使其中原來(lái)的水溫度降低。所以當(dāng)給水量變化時(shí)，h2的變化反映了起爆1水位對(duì)象的慣性特性，總的曲線h可以看作反應(yīng)曲線h1和h2相加而得。3122汽包水位在蒸汽流量擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性在給水量不變化的情況下，當(dāng)負(fù)荷蒸汽量發(fā)生階躍變化時(shí)，汽包水位調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性微分方程式，可以從（3-1）式導(dǎo)出：（3-6）對(duì)微分方程式進(jìn)行拉氏變換得：（3-7）所以，在蒸汽流量擾動(dòng)下汽包水

15、位調(diào)節(jié)對(duì)象的傳遞函數(shù)為：（3-8）上式化簡(jiǎn)可看作兩個(gè)動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)的并聯(lián)組成，即：（3-9）式中因此，在蒸汽流量擾動(dòng)下，汽包水位調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)特性曲線如圖2-2所示。汽包水位的特征曲線h可以分為h1和h2兩部分，圖中h1僅僅考慮由于蒸汽流量和給水流量不平衡，引起的水位變化；h2是由于蒸汽流量的擾動(dòng)，改變了蒸汽壓力而引起“虛假”4水位的變化。當(dāng)鍋爐的蒸汽負(fù)荷增加時(shí)，蒸發(fā)量大于給水量，從汽包蓄水量來(lái)看，汽包水位應(yīng)該下降，如圖中h1直線所示，但在蒸發(fā)量和蓄水量產(chǎn)生不平衡的初級(jí)階段，因水位下降存在滯后時(shí)間r，所以實(shí)際的變化應(yīng)為h1曲線。但實(shí)際上，當(dāng)蒸汽負(fù)荷增加時(shí)，雖然鍋爐繁榮給水量小于蒸發(fā)量，可水位不但不下降，

16、反而迅速上升，這種特殊現(xiàn)象稱為“虛假水位”現(xiàn)象?！疤摷偎弧碑a(chǎn)生的原因4是，蒸汽流量增加，汽包內(nèi)的氣壓下降，爐水的沸點(diǎn)降低，使?fàn)t管和汽包內(nèi)的汽水混合物的汽容積增加，體積膨脹，引起汽包水位上升。所以，由于虛假水位現(xiàn)象，使汽包水位特性曲線h開(kāi)始上升，當(dāng)汽水混合物中汽的容量與負(fù)荷相適應(yīng)而達(dá)到平衡時(shí)，水位才反映出物料的不平衡，開(kāi)始下降。應(yīng)當(dāng)指出，當(dāng)蒸汽負(fù)荷作階躍變化時(shí)，一開(kāi)始h2的變化速度比h1的變化速度快得多。另外，當(dāng)鍋爐的負(fù)荷突然減小時(shí)，則汽包水位變化的情況是相反的汽包水位先下降后上升。3123汽包水位在燃料量擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性汽包水位在燃料量B擾動(dòng)下的響應(yīng)曲線如圖2-3所示。當(dāng)燃料量增加時(shí)，鍋爐的

17、吸熱量增加，蒸發(fā)量增大，如果用汽量不增大，則隨著汽包壓力的增大，汽包輸出蒸汽量也增大，于是蒸發(fā)量大于給水量，暫時(shí)產(chǎn)生了汽包進(jìn)出口工質(zhì)流量的不平衡。由于水面下的蒸汽容積增大，此時(shí)也會(huì)出現(xiàn)虛假水位現(xiàn)象，但由于燃燒率的增加也將同時(shí)導(dǎo)致汽包壓力的上升，它會(huì)使汽包體積減小，另外由于熱慣性，燃料量的增加只使蒸汽量D緩慢增加，故虛假水位現(xiàn)象要比D擾動(dòng)下緩和得多。313測(cè)量給水控制系統(tǒng)儀表的選擇3131測(cè)量給水流量?jī)x表的確定 在給水控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)量是給水流量，流量的測(cè)量和控制是一個(gè)重要熱工參數(shù)。流體的流量直接反映設(shè)備效率、負(fù)荷高低等運(yùn)行情況。因此連續(xù)測(cè)量和監(jiān)測(cè)流體的流量對(duì)于熱力設(shè)備的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著重要意

18、義。流量測(cè)量的方法很多，在工業(yè)鍋爐中所用的流量?jī)x表3可歸納為三大類：（1）容積式流量計(jì) 其共同特點(diǎn)是：都有一個(gè)精密的、已知體積大小的測(cè)量腔室。按運(yùn)動(dòng)部件的形狀不同，有橢圓齒輪流量計(jì)，腰輪流量計(jì)和刮板流量計(jì)等。（2）速度式流量計(jì) 包括了除容積式流量計(jì)以外的其他各種工作原理的流量測(cè)量?jī)x表。其共同特點(diǎn)是：它們都是利用某一物理參數(shù)與流體的速度或體積流量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量的。（3）質(zhì)量式流量計(jì) 其輸出信號(hào)不受由于流體壓力、溫度等參數(shù)改變引起的流體密度變化的影響，其測(cè)量準(zhǔn)確度有很大的提高。從被測(cè)流體的溫度高低選擇流量計(jì)。一般玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)、橢圓齒輪流量計(jì)、腰輪流量計(jì)、水表、渦輪流量計(jì)和電磁流量計(jì)

19、適用于被測(cè)介質(zhì)溫度在0100度以內(nèi)；金屬轉(zhuǎn)子流量計(jì)、耙式流量計(jì)、渦輪流量計(jì)適用于被測(cè)介質(zhì)溫度在0200度以內(nèi)；差壓式流量計(jì)適用于被測(cè)介質(zhì)在0250度以內(nèi)。根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)要求進(jìn)口給水溫度為150度，結(jié)合又可以測(cè)量水流量的流量?jī)x表，因此，選擇差壓式流量計(jì)。3132測(cè)量汽包水位儀表的確定工業(yè)鍋爐生產(chǎn)過(guò)程中，汽包水位準(zhǔn)確的測(cè)量和控制，對(duì)于鍋爐的安全運(yùn)行極為重要。汽包水位過(guò)高或過(guò)低，都將引起蒸汽品質(zhì)變壞或水循環(huán)惡化，甚至造成嚴(yán)重事故。在給水控制系統(tǒng)中，被調(diào)量是汽包水位。常用的水位測(cè)量?jī)x表及變送器有差壓式水位計(jì)、電接點(diǎn)水位計(jì)和電極式水位控制器等。314給水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)根據(jù)汽包鍋爐給水控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性的特

20、點(diǎn)，我們可以提出確定給水控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一些基本思想：（1） 由于對(duì)象的內(nèi)擾動(dòng)態(tài)特性存在一定的延遲和慣性，所以給水控制系統(tǒng)若采用以水位為被調(diào)量的單回路控制系統(tǒng)，則控制過(guò)程中水位將出現(xiàn)教大的動(dòng)態(tài)偏差，給水流量波動(dòng)較大。因此，對(duì)給水內(nèi)擾動(dòng)態(tài)特性遲延和慣性大的鍋爐應(yīng)考慮采用串級(jí)或其他控制方案。（2） 由于對(duì)象在蒸汽負(fù)荷擾動(dòng)（外擾）時(shí)，有“虛假水位”現(xiàn)象。因此給水控制若采用以水位為被調(diào)量的單回路系統(tǒng)，則在擾動(dòng)的初始階段，調(diào)節(jié)器將使給水流量向與負(fù)荷變化方向相反的方向變化，從而擴(kuò)大了鍋爐進(jìn)、出流量的不平衡。所以在設(shè)計(jì)給水控制系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)考慮采用以蒸汽流量D為前饋信號(hào)5的前饋系統(tǒng)，以改善給水控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)。

21、根據(jù)本次課程設(shè)計(jì)的鍋爐控制系統(tǒng)和設(shè)計(jì)參數(shù)的要求，應(yīng)采用串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)，增加一個(gè)主控制器作水位控制器，兩個(gè)控制器串聯(lián)工作，各司其職，分工明確，整定方便。串級(jí)三沖量控制系統(tǒng)流程圖 2-4 串級(jí)三沖量控制系統(tǒng)原理方框圖 2-5從結(jié)構(gòu)上看:是一個(gè)前饋串級(jí)控制系統(tǒng)；從完成的任務(wù)上看：是一個(gè)串級(jí)比值（變比值）控制系統(tǒng)，維持W=D的最終目的是保證汽包水位等于給定值。315給水控制系統(tǒng)的工作原理及SAMA圖（見(jiàn)附頁(yè)圖2-6） 串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)5的串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)是在前饋-反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)調(diào)節(jié)器構(gòu)成的。其主調(diào)節(jié)器采用比例積分作用，副調(diào)節(jié)器采用比例調(diào)節(jié)作用。串級(jí)系統(tǒng)主、副調(diào)節(jié)器的任務(wù)不同，

22、副調(diào)節(jié)器的任務(wù)是用以消除給水壓力波動(dòng)等因素引起的給水流量的自發(fā)性擾動(dòng)以及當(dāng)蒸汽負(fù)荷改變時(shí)迅速調(diào)節(jié)給水流量，以保證給水流量和蒸汽流量的平衡；主調(diào)節(jié)器的任務(wù)是校正水位偏差。32過(guò)熱蒸汽溫度的調(diào)節(jié)系統(tǒng)321過(guò)熱蒸汽溫度的調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性由圖可見(jiàn)，減溫水流量擾動(dòng)下對(duì)象動(dòng)態(tài)特性最 差， 都大，但工藝過(guò)程確定6只能以減溫水作為操縱量，單回路控制系統(tǒng)顯然無(wú)法滿足控制質(zhì)量要求，為了克服對(duì)象大的慣性和延遲，采用串級(jí)控制最為相宜。過(guò)熱汽溫對(duì)象動(dòng)態(tài)特性圖3-1 影響過(guò)熱器出口汽溫s的因素很多，主要有三個(gè)方面：即蒸汽流量（負(fù)荷）D變化，減溫水量Wj變化和煙氣熱量Q變化。對(duì)于不同的擾動(dòng)，過(guò)熱汽溫對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性如圖

23、3.2所示。比較三種擾動(dòng)的階躍響應(yīng)曲線可知，在各種擾動(dòng)下，過(guò)熱汽溫對(duì)象都是有遲延、有慣性和有自平衡能力的，只是、T值互不相同。當(dāng)蒸汽量或煙氣傳熱量變化時(shí)，沿過(guò)熱器管道長(zhǎng)度方向上的各點(diǎn)溫度幾乎同時(shí)變化。在D、Q擾動(dòng)下，對(duì)象的遲延時(shí)間和時(shí)間常數(shù)T都較小，而當(dāng)減溫水量變化時(shí)，過(guò)熱器內(nèi)的蒸汽及管壁形成具有分布參數(shù)的多容對(duì)象，因而值、T值最大。減溫器離過(guò)熱器出口越遠(yuǎn)，遲延和慣性就越大。322測(cè)量過(guò)熱蒸汽溫度儀表的選擇溫度是表示物體冷熱程度的一個(gè)物理量。溫度測(cè)量?jī)x表種類很多，按其測(cè)量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類。工業(yè)鍋爐生產(chǎn)中常用的測(cè)溫元件3，一般有玻璃液體溫度計(jì)、雙金屬溫度計(jì)、熱電阻和熱電偶等四大類

24、：（1）雙金屬溫度計(jì)適宜于測(cè)量溫度小于300度的介質(zhì)；（2）有機(jī)液體玻璃溫度計(jì)的指示液呈紅色，易于讀數(shù)，但不能帶電接點(diǎn)，適宜于測(cè)量低于100度的介質(zhì)溫度又不要求發(fā)信號(hào)；（3）熱電偶一般用于測(cè)量500度以上的高溫介質(zhì)；（4）熱電阻溫度計(jì)適于測(cè)量-200500度的溫度介質(zhì)，主要用于液體、氣體蒸汽中、低溫測(cè)量。在本過(guò)熱蒸汽溫度的串級(jí)控制系統(tǒng)中，根據(jù)參數(shù)設(shè)計(jì)要求主蒸汽溫度450度，因此，在主副回路中的檢測(cè)儀表都選用熱電阻溫度計(jì)。323過(guò)熱蒸汽溫度的調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)根據(jù)已知該系統(tǒng)的基本任務(wù)是維持過(guò)熱器出口溫度在允許范圍之內(nèi)，并保證管理溫度不超過(guò)允許工作溫度，所以要求采用串級(jí)控制。過(guò)熱蒸汽溫度串級(jí)控制系統(tǒng)原

25、理方框圖3-2對(duì)象在噴水量Wj擾動(dòng)下，過(guò)熱器出口汽溫s有較大的容積遲延，但減溫器出口蒸汽溫度則有明顯的導(dǎo)前作用，若以d為副參數(shù)、s為主參數(shù)組成如圖3-2所示的串級(jí)控制系統(tǒng)，可使控制質(zhì)量得到改善。該系統(tǒng)中副回路及副控制器的任務(wù)是快速消除作用于內(nèi)回路的干擾的影響，主回路及主控制器則保證過(guò)熱器出口汽溫恒定。目前大多數(shù)機(jī)組過(guò)熱器都分段布置采用兩級(jí)噴水減溫常規(guī)串級(jí)控制方式，、級(jí)汽溫控制系統(tǒng)是各自獨(dú)立的串級(jí)系統(tǒng)，如下圖所示。如僅從過(guò)熱器出口主蒸汽溫度的控制效果來(lái)考慮，則級(jí)汽溫控制系統(tǒng)相當(dāng)于粗調(diào)，級(jí)汽溫控制系統(tǒng)相當(dāng)于細(xì)調(diào)；級(jí)汽溫控制的任務(wù)是消除來(lái)自燃燒工況變化等擾動(dòng)的影響，穩(wěn)態(tài)時(shí)維持屏式過(guò)熱器出口汽溫為給定

26、值，該給定值隨負(fù)荷而改變。同時(shí)級(jí)噴水減溫還具有防止屏式過(guò)熱器超溫確保機(jī)組安全運(yùn)行的作用；級(jí)汽溫控制的任務(wù)則是保證過(guò)熱器出口主蒸汽溫度等于給定值。為了改善控制質(zhì)量在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上還考慮了機(jī)組負(fù)荷等作為前饋信號(hào)。過(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)圖3-3324過(guò)熱蒸汽溫度串級(jí)控制系統(tǒng)的工作原理對(duì)象在噴水量擾動(dòng)下，過(guò)熱器出口汽溫有較大的容積遲延6，但減溫器出口蒸汽溫度則有明顯的導(dǎo)前作用， 若以為d 副參數(shù)、s 為主參數(shù)組成如圖所示的串級(jí)控制系統(tǒng)，可使控制質(zhì)量得到改善，該系統(tǒng)中副回路及副控制器的任務(wù)是快速消除作用于內(nèi)回路的干擾的影響，主回路及主控制器則保證過(guò)熱器出口汽溫恒定。33燃燒調(diào)節(jié)系統(tǒng)331燃燒調(diào)節(jié)系統(tǒng)的對(duì)象動(dòng)態(tài)

27、特性鍋爐汽包蒸汽壓力是燃燒系統(tǒng)控制對(duì)象的主要被調(diào)量，分析燃燒系統(tǒng)控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，是確定燃燒系統(tǒng)自動(dòng)控制方案的主要依據(jù)。為此，下面分析一下在主要擾動(dòng)作用下，汽包蒸汽壓力變化的動(dòng)態(tài)特性。以蒸汽壓力作為被控制量的燃燒控制對(duì)象的生產(chǎn)過(guò)程如圖4-1所示。燃燒控制對(duì)象的生產(chǎn)過(guò)程圖 4-1引起蒸汽壓力變化的因素是很多的，如燃料量、送風(fēng)量、給水量、蒸汽流量以及各種使燃燒工況變化的原因。它的主要擾動(dòng)是燃料量的改變（稱為內(nèi)擾動(dòng)）和蒸汽流量的改變（稱為外擾動(dòng)）。3311燃料量改變時(shí)蒸汽壓力變化的動(dòng)態(tài)特性（內(nèi)擾特性）鍋爐正在正常運(yùn)行時(shí)，若進(jìn)入爐膛的燃料量發(fā)生變化，則爐膛發(fā)熱量立即改變，幾乎沒(méi)有延遲和慣性，即為比例

28、環(huán)節(jié)。而蒸發(fā)部分可以看作是一個(gè)儲(chǔ)熱量的容積，反映儲(chǔ)熱量多少的主要參數(shù)是汽包壓力P。當(dāng)爐膛發(fā)熱量Q和蒸汽流量D所帶走的熱量不相等時(shí)，汽包壓力P就要發(fā)生變化，其關(guān)系式為：Q-D=C(dp/dt)Q單位時(shí)間內(nèi)鍋爐爐膛發(fā)熱量；D蒸汽流量（用熱量表示）；C鍋爐蒸發(fā)部分的容量系數(shù)，即汽包壓力變化一個(gè)單位時(shí)，鍋爐蒸發(fā)部分儲(chǔ)熱量的改變；Dp/dt鍋爐汽包壓力對(duì)時(shí)間的變化率。蒸汽壓力變化的動(dòng)態(tài)特性與鍋爐的供汽條件有關(guān)，如果用汽量D不變，而燃料量改變產(chǎn)生內(nèi)擾時(shí)，蒸汽壓力成積分規(guī)律變化，蒸汽壓力變化的階躍反應(yīng)曲線如圖4-2所示。4-2（a） 4-2(b)（a）圖為蒸汽流量不變時(shí)，在燃料階躍B作用下蒸汽壓力變化的反應(yīng)

29、曲線；（b）圖為蒸汽調(diào)節(jié)閥開(kāi)度Ma不變時(shí)，在燃料量階躍B用下，蒸汽壓力的反應(yīng)曲線。3312蒸汽流量改變時(shí)蒸汽壓力變化的動(dòng)態(tài)特性（外擾特性）蒸汽流量改變時(shí)對(duì)蒸汽壓力擾動(dòng)稱為外擾。外擾有兩種情況，一種是負(fù)荷設(shè)備的蒸汽閥門開(kāi)度改變，另一種是負(fù)荷設(shè)備用汽量的突然增加（或減少）所產(chǎn)生的。下面就兩種情況的擾動(dòng)下分別分析蒸汽壓力變化的動(dòng)態(tài)特性。如果負(fù)荷設(shè)備的蒸汽調(diào)節(jié)閥開(kāi)度突然改變，鍋爐的汽壓也隨即改變，其反應(yīng)曲線如4-3，當(dāng)蒸汽調(diào)節(jié)閥開(kāi)度突然開(kāi)大，則從汽包中流向負(fù)荷設(shè)備的蒸汽流量立即增加。但是，由于燃料量沒(méi)有增加，因此蒸汽壓力逐漸下降，從汽包中流出的蒸汽量也逐漸減少，最后蒸汽流量只能恢復(fù)原來(lái)值。外擾的另一種

30、情況，當(dāng)負(fù)荷設(shè)備蒸汽用量突然增加時(shí)，汽包正氣壓力的反應(yīng)曲線如圖4-4，從圖中可以看出，汽包蒸汽壓力隨蒸汽流量的增加反而下降。如果蒸汽流量繼續(xù)保持增大后的數(shù)值，由于燃料量沒(méi)有增加，熱量不能平衡，所以蒸汽壓力一直下降，直到改變?nèi)剂狭渴蛊洚a(chǎn)生的熱料量與蒸汽流量相平衡時(shí)，才能恢復(fù)保持鍋爐的蒸汽壓力。忽略一些次要因素的影響，我們可以把蒸汽流量改變時(shí)蒸汽壓力變化的動(dòng)態(tài)特性近似為一個(gè)積分環(huán)節(jié)和遲后環(huán)節(jié)系統(tǒng)。圖4-3 圖4-4圖4-3是負(fù)荷設(shè)備蒸汽閥門開(kāi)度階躍變化MD時(shí)，鍋爐汽壓的反應(yīng)曲線；圖4-4是蒸汽流量階躍變化D時(shí)鍋爐蒸汽壓力的反應(yīng)曲線。332測(cè)量燃燒調(diào)節(jié)系統(tǒng)儀表的選擇3321測(cè)量蒸汽壓力儀表的確定工業(yè)

31、鍋爐生產(chǎn)中，壓力測(cè)量?jī)x表的種類很多，目前工業(yè)上使用最多的是機(jī)械式彈簧壓力計(jì)和壓力、差壓變送器，以進(jìn)行壓力指示、信號(hào)遠(yuǎn)傳和控制。測(cè)量壓力參數(shù)的系統(tǒng)由被控對(duì)象、取壓口、連接導(dǎo)管和儀表組成。壓力表的選型原則有：（1）對(duì)無(wú)腐蝕的介質(zhì)如蒸汽、水的壓力的測(cè)量可選彈簧管壓力表；（2）對(duì)有腐蝕性介質(zhì)或粘性介質(zhì)的壓力測(cè)量應(yīng)選用膜片式壓力表；（3）對(duì)需要發(fā)出壓力上限、下限極值信號(hào)范圍的測(cè)量，可選帶電接點(diǎn)的壓力表；（4）測(cè)量鍋爐煙風(fēng)道中煙、風(fēng)的微壓時(shí)可選用下列兩種風(fēng)壓表：多管玻璃管式風(fēng)壓表，適用于作成組合測(cè)量時(shí)的風(fēng)壓，如一次風(fēng)壓、二次風(fēng)壓等；膜盒式微壓計(jì)，適用于測(cè)量爐膛、煙風(fēng)道的風(fēng)壓。 根據(jù)主蒸汽壓力與流量的串級(jí)調(diào)

32、節(jié)系統(tǒng)中，主被調(diào)量為出口蒸汽壓力PM要求為3900kPa，所以結(jié)合以上分析選擇彈簧管壓力表。3322測(cè)量煙氣含氧量的儀表確定鍋爐生產(chǎn)過(guò)程燃燒工況的好壞，直接關(guān)系到鍋爐生產(chǎn)燃料消耗率的高低和生產(chǎn)的安全。煙氣中CO2和O2的含量是判定過(guò)?？諝庀禂?shù)大小的依據(jù)，它們之間的關(guān)系還與燃料品種、燃料方式和設(shè)備結(jié)構(gòu)有關(guān)。通過(guò)O2的含量來(lái)確定過(guò)?？諝庀禂?shù)的誤差較小，因此目前鍋爐生產(chǎn)中的煙氣分析一般采用氧量計(jì)：（1）氧化鈷氧量計(jì) 適宜于工作溫度在800度以上，以保證準(zhǔn)確性高。（2）熱磁式氧量計(jì) 利用氣體的熱磁效應(yīng)形成磁風(fēng)，即把被測(cè)煙氣中氧氣的含量轉(zhuǎn)換成介質(zhì)流量信號(hào)，從而再轉(zhuǎn)換為電阻值進(jìn)行測(cè)量，是工業(yè)鍋爐生產(chǎn)過(guò)程中

33、分析煙氣中氧含量的常用儀表。在煙氣含氧量與風(fēng)量的串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，煙氣含氧量為主被調(diào)量，結(jié)合設(shè)計(jì)參數(shù)中的排煙溫度要求在140度，因此，選擇熱磁式氧量計(jì)為測(cè)量煙氣含氧量的儀表。3323測(cè)量爐膛負(fù)壓的儀表確定根據(jù)前面所述，測(cè)量爐膛負(fù)壓的儀表應(yīng)選膜盒式微壓計(jì)。333燃燒調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)要求可知，為了保持在任何時(shí)刻都有足夠的空氣以實(shí)現(xiàn)完全燃燒，當(dāng)負(fù)荷增大時(shí)，應(yīng)先增加送風(fēng)量，后增加燃料量；若負(fù)荷減小時(shí)，則應(yīng)先減少燃料量，再減少送風(fēng)量。因此必須在燃料量和送風(fēng)量?jī)蓚€(gè)單回路之間進(jìn)行協(xié)調(diào)，以滿足上述要求。圖4-5所示控制系統(tǒng)方框圖就是在這兩個(gè)單回路基礎(chǔ)上建立的交叉限制協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。其中和是燃料量檢測(cè)變送器和

34、送風(fēng)量檢測(cè)變送器傳遞函數(shù)。帶交叉限制的最佳空燃比控制系統(tǒng)原理方框圖 4-5進(jìn)一步分析單元機(jī)組燃燒過(guò)程控制的要求及對(duì)象特性可知，燃料量控制子系統(tǒng)任務(wù)在于使進(jìn)入鍋爐的燃料量隨時(shí)與外界負(fù)荷要求相適應(yīng)，維持主汽壓為給定值。為了使系統(tǒng)有迅速消除燃料側(cè)自發(fā)擾動(dòng)的能力，燃料量控制子系統(tǒng)大都采用以主汽壓力為主參數(shù)、燃料量為副參數(shù)的串級(jí)控制方案。單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中鍋爐主控制器就是燃料量控制系統(tǒng)中的主汽壓控制器，即串級(jí)系統(tǒng)主控制器。送風(fēng)子控制系統(tǒng)的最終目的是達(dá)到最高的鍋爐熱效率，保證經(jīng)濟(jì)性。如圖4-6所示，它首先在內(nèi)環(huán)快速保證最佳空燃比(燃燒經(jīng)濟(jì)性粗調(diào))，至于給煤量測(cè)量不準(zhǔn)，則可由煙氣中氧量作串級(jí)校正(燃燒經(jīng)

35、濟(jì)性細(xì)調(diào))。帶氧量串級(jí)校正的送風(fēng)控制系統(tǒng)原理方框圖 4-6爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)的任務(wù)在于調(diào)節(jié)煙道引風(fēng)機(jī)導(dǎo)葉開(kāi)度以改變引風(fēng)量，保持爐膛負(fù)壓為給定值以穩(wěn)定燃燒減少污染，保證安全綜上可以得到單元機(jī)組鍋爐燃燒過(guò)程自動(dòng)控制系統(tǒng)組成方案如下圖4-7所示。圖中五個(gè)控制器均采用PI控制規(guī)律4，穩(wěn)態(tài)下含氧量（O2%)和爐膛負(fù)壓分別等于各自的給定值而單元機(jī)組燃燒過(guò)程控制系統(tǒng)組成方案圖4-7334燃燒控制系統(tǒng)的工作原理及爐膛負(fù)壓子系統(tǒng)的SAMA圖（見(jiàn)附頁(yè)圖4-8）鍋爐燃燒控制系統(tǒng)有三個(gè)被控量，即蒸汽壓力、過(guò)?？諝庀禂?shù)(含氧量O2%)和爐膛負(fù)壓；有三個(gè)控制量2，即燃料量B、送風(fēng)量V和引風(fēng)量G；與此相應(yīng)可組成三個(gè)控制回路分

36、別調(diào)節(jié)燃料量B、送風(fēng)量V和引風(fēng)量G來(lái)維持三個(gè)被控制量分別等于其給定值。從對(duì)象特性看，每一個(gè)控制量對(duì)任意一個(gè)被控量都有影響，如圖所示，鍋爐燃燒對(duì)象是一個(gè)多輸入、多輸出的多變量相關(guān)對(duì)象。因而三個(gè)回路：燃料控制回路、送風(fēng)控制回路和爐膛負(fù)壓(引風(fēng))控制回路動(dòng)作也必須是協(xié)調(diào)相關(guān)，不可分割的，從而構(gòu)成一個(gè)包含三個(gè)彼此關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)的多參數(shù)燃燒過(guò)程控制系統(tǒng)。燃燒過(guò)程控制劃分為三個(gè)子系統(tǒng)，即燃料控制系統(tǒng)、送風(fēng)控制系統(tǒng)和引風(fēng)控制系統(tǒng)。三個(gè)子系統(tǒng)的動(dòng)作是協(xié)調(diào)相關(guān)、不可分割的。鍋爐各控制量對(duì)各被控量的影響圖如上所述，主蒸汽壓力PT被選作為反映鍋爐燃燒率是否滿足外界負(fù)荷要求的被控量，即根據(jù)汽壓的變化改變?nèi)紵剩赃m應(yīng)負(fù)

37、荷的需要。鍋爐燃燒過(guò)程調(diào)節(jié)對(duì)象是復(fù)雜的多變量相關(guān)調(diào)節(jié)對(duì)象，為了減少系統(tǒng)之間的互相影響，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，必須快速而嚴(yán)格地保持B、V、G這三個(gè)控制量的比例關(guān)系。為此，當(dāng)負(fù)荷要求改變時(shí)，在控制系統(tǒng)中應(yīng)考慮采用前饋控制技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)B、V、G調(diào)整時(shí)的快速比例動(dòng)作；在負(fù)荷不變時(shí)，在各控制系統(tǒng)中應(yīng)采用控制量B、V、G的負(fù)反饋技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)B、V、G維持穩(wěn)定。燃燒過(guò)程三個(gè)調(diào)節(jié)對(duì)象的控制通道動(dòng)態(tài)特性的慣遲延都不大，因此燃燒過(guò)程的自動(dòng)控制從原理上看，是不難實(shí)現(xiàn)的。重要的是它的實(shí)現(xiàn)，需要涉及到較多的信號(hào)，如PT、O2、Pf、B、V等。因此正確而又快速地測(cè)量出這些信號(hào)，特別是燃料量信號(hào)B、風(fēng)量信號(hào)V以及氧量信號(hào)O2測(cè)量問(wèn)題的解決是實(shí)現(xiàn)燃燒自