第九章过程控制系统工程应用
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G 2(s)K 2/T 2s1
蒸汽流量扰动时，水位变化动态特性传递函数
G(s)G1G2K sf
K2 T2s1
单冲量存在的问题
1、负荷变化时产生的“虚假水位”，将 使调节器反向错误动作。
如：负荷增大→虚假水位上升→调节器接受到虚 假的信号→调节阀反向关小给水→不能增加水 位
2、负荷变化时，控制作用缓慢。
压 控制变量：燃料量、送风量和引风量 炉膛负压保持在一定的范围内
过热蒸汽系统的自动控制
系统设置目的：对于蒸汽的温度、压力以及含水 量等有要求
被控变量：过热蒸汽温度 控制变量：喷水量
9.1.2 锅炉汽包水位的控制
1、控制通道的特性
F
t
曲线H2：给水温度<汽 包内饱和水温度——给 水流量的增加的初始阶 段，从原来饱和水中吸 取部分热量，导致水位 下降
过热气温控制方法
广泛采用方法：减温水流量（时滞和时间常数大） 串级控制系统——减温器出口温度为副被控变量
（减少过热气温的动态偏差）
双冲量控制系统——减温器出口温度经微分器作 为一个冲量
8.1.4 锅炉燃烧过程的控制 燃料种类 燃烧设备 锅炉形式
1．燃烧过程自动控制任务 1、使锅炉出口蒸汽压力稳定
∑
LV
FC FT
给水
液位调节器 LC
－
流量调节器 FC
－
三冲量控制系统 前馈－串级控制系统
前馈调节器
蒸汽流量干扰DΒιβλιοθήκη Baidu
干扰通道 特性
调节阀 LV
流量对象
液位对象
流量变送器 FT
液位变送器 LT
控制方式选择
如：蒸发量小的锅炉——单冲量简单控制系统 如：大型锅炉系统——串级控制系统 如：多用户蒸汽系统——前馈控制
H
H1
直线H1:水位随着给水
H
量的增加而直线上升
水位变化的曲线H——
t H2
H1、H2的叠加
给水流量作用下的锅炉水位响应曲线
数学描述 近似积分环节和纯滞后环节的串联
传递函数表示
G(s) K0 es s
K0响应速度——给水流量变化单位流量时，水位 的变化速度
阻止水位达到给定值
缺点：负荷发生变化 时，送风量变化落后
于燃料变化。
燃烧过程改进方案
负荷减少时，先减 燃料量后减空气量；
负荷增加时，先加 大空气量，以使燃 烧完全。
3．燃烧过程的烟气氧含量闭环控制
锅炉的热效率(经济燃烧)主要反映在烟气成分(特 别是氧含量)和烟气温度两个方面。
烟气中成分：氧气、二氧化碳、一氧化碳和未燃 烧烃——反映燃料燃烧的情况
蒸汽
LT
汽包 省煤器
用户蒸汽用量
“单冲量”控制系统 单冲量——汽包的水位
LC
液位调节器
调节阀
液位对象
给水
LC －
LV
G0（s）
液位变送器 LT
2、干扰通道的特性
F
t H2
t
H1
H
曲线H1：蒸汽流量D增加时，蒸 汽量D大于给水量，水位下降
曲线H2：蒸汽流量增加，瞬时间 导致汽包压力的下降，汽包内的 水沸腾突然加剧，水位上升
9.1.3蒸汽过热系统的控制 组成：一级过热器、减温器、二级过热器
任务：使过热器出口温度维持在允许范围内，并 且保护过热器使管壁温度不超过允许的工作温度。
过热气温：锅炉汽水通道中温度最高的地方
过热器
减温器
影响过热气温的扰动因素 蒸汽流量 燃烧工况 减温水量 流经过热器的烟气温度、流速
蒸汽 LT
3、给水系统出现扰动时，动作作用缓慢。
汽包 省煤器
LC 给水
双冲量控制系统（蒸汽流量和锅炉水位）
蒸汽 FT
LT
前馈－反馈控制系统
汽包 省煤器
LC ∑
给水
液位调节器 LC
－
前馈调节器
调节阀 LV
液位变送器 LT
蒸汽流量干扰D
干扰通道 特性
液位对象 G0（s）
蒸汽 FT
LT
汽包 省煤器
LC
第九章 过程控制系统的工程应用
9.1 典型传热设备的过程控制 9.1.1概述 锅炉是国民经济各行业必不可少的重要传热设备 驱动发电机 动力机构的动力源 作为热源提供给工业生产装置 民用取暖设施
锅炉设备主要工艺流程图 锅炉热力系统流程
锅炉燃烧系统流程
高温烟气
空气预热器
锅炉设备的调节任务
1. 锅炉供应的蒸汽量适应负荷变化的需要或保持给 定的负荷；
2. 锅炉供给用汽设备的蒸汽压力保持在一定范围内； 3. 过热蒸汽温度保持在一定范围内； 4. 汽包中的水位保持在一定范围内； 5. 保持锅护燃烧的经济性和安全运行； 6. 炉膛负压保持在一定范围内。
锅炉设备控制的若干个控制系统 给水自动控制系统 锅炉燃烧的自动控制 过热蒸汽系统的自动控制 热力除氧 锅炉水处理过程控制
最简便的方法：烟气中氧含量。
实际上完全燃烧所需的空气量要超过理论计算的 量——要有一定过剩空气量。
过剩空气量
过剩空气系数α表示——实际空气量Qp与理论空
气量QT之比
＝ Q p
QT
α与烟气氧含量有直接关系，A0——烟气含氧量
＝
21 21－A0
过剩空气量（％）
2、保证燃烧过程的经济性
3、保持炉膛负压恒定
可供调节的手段：燃料量、送风量和引风量
控制系统设计的总原则应当是：生产负荷变化时， 燃料量、送风量和引风量应同时协调动作
2．蒸汽压力控制和燃料与空气比值控制系统 比值调节系统——燃料与空气保持一定比例
燃料调 节器
主流量
K
送风调 节器
蒸汽压力－燃料流量串级控制（送风量随燃料量变 化而变化的比值控制）
给水自动控制系统(锅炉汽包水位的控制)
锅炉汽包内部保持一定的蒸发空间。
汽包
控制变量是给水流量。 （汽包内部的物料平衡，使给水量适应蒸发量， 维持汽包中水位在工艺允许范围内）
维持汽包中水位在给定范围内是保证锅炉、汽轮 机安全运行的必要条件，是锅炉正常运行的主要 标志之一。
锅炉燃烧的自动控制 主要目的：使燃料和空气达到合理比例 燃料的安全燃烧 被控变量：蒸汽压力(负荷)、烟气成分和炉膛负
曲线H：H1和H2的叠加。 “虚假水位”
H
蒸汽流量扰动作用下的水位阶跃响应曲线
H包含两个方面
一方面：蒸汽流量增加时，在燃料量不变的情况 下，汽包水位直线下降——H1，数学模型：
G1(s)Kf /s
一方面：蒸汽流量增加，汽包内部压力降低，造 成虚假水位，水位上升——H2。数学模型：
蒸汽流量扰动时，水位变化动态特性传递函数
G(s)G1G2K sf
K2 T2s1
单冲量存在的问题
1、负荷变化时产生的“虚假水位”，将 使调节器反向错误动作。
如：负荷增大→虚假水位上升→调节器接受到虚 假的信号→调节阀反向关小给水→不能增加水 位
2、负荷变化时，控制作用缓慢。
压 控制变量：燃料量、送风量和引风量 炉膛负压保持在一定的范围内
过热蒸汽系统的自动控制
系统设置目的：对于蒸汽的温度、压力以及含水 量等有要求
被控变量：过热蒸汽温度 控制变量：喷水量
9.1.2 锅炉汽包水位的控制
1、控制通道的特性
F
t
曲线H2：给水温度<汽 包内饱和水温度——给 水流量的增加的初始阶 段，从原来饱和水中吸 取部分热量，导致水位 下降
过热气温控制方法
广泛采用方法：减温水流量（时滞和时间常数大） 串级控制系统——减温器出口温度为副被控变量
（减少过热气温的动态偏差）
双冲量控制系统——减温器出口温度经微分器作 为一个冲量
8.1.4 锅炉燃烧过程的控制 燃料种类 燃烧设备 锅炉形式
1．燃烧过程自动控制任务 1、使锅炉出口蒸汽压力稳定
∑
LV
FC FT
给水
液位调节器 LC
－
流量调节器 FC
－
三冲量控制系统 前馈－串级控制系统
前馈调节器
蒸汽流量干扰DΒιβλιοθήκη Baidu
干扰通道 特性
调节阀 LV
流量对象
液位对象
流量变送器 FT
液位变送器 LT
控制方式选择
如：蒸发量小的锅炉——单冲量简单控制系统 如：大型锅炉系统——串级控制系统 如：多用户蒸汽系统——前馈控制
H
H1
直线H1:水位随着给水
H
量的增加而直线上升
水位变化的曲线H——
t H2
H1、H2的叠加
给水流量作用下的锅炉水位响应曲线
数学描述 近似积分环节和纯滞后环节的串联
传递函数表示
G(s) K0 es s
K0响应速度——给水流量变化单位流量时，水位 的变化速度
阻止水位达到给定值
缺点：负荷发生变化 时，送风量变化落后
于燃料变化。
燃烧过程改进方案
负荷减少时，先减 燃料量后减空气量；
负荷增加时，先加 大空气量，以使燃 烧完全。
3．燃烧过程的烟气氧含量闭环控制
锅炉的热效率(经济燃烧)主要反映在烟气成分(特 别是氧含量)和烟气温度两个方面。
烟气中成分：氧气、二氧化碳、一氧化碳和未燃 烧烃——反映燃料燃烧的情况
蒸汽
LT
汽包 省煤器
用户蒸汽用量
“单冲量”控制系统 单冲量——汽包的水位
LC
液位调节器
调节阀
液位对象
给水
LC －
LV
G0（s）
液位变送器 LT
2、干扰通道的特性
F
t H2
t
H1
H
曲线H1：蒸汽流量D增加时，蒸 汽量D大于给水量，水位下降
曲线H2：蒸汽流量增加，瞬时间 导致汽包压力的下降，汽包内的 水沸腾突然加剧，水位上升
9.1.3蒸汽过热系统的控制 组成：一级过热器、减温器、二级过热器
任务：使过热器出口温度维持在允许范围内，并 且保护过热器使管壁温度不超过允许的工作温度。
过热气温：锅炉汽水通道中温度最高的地方
过热器
减温器
影响过热气温的扰动因素 蒸汽流量 燃烧工况 减温水量 流经过热器的烟气温度、流速
蒸汽 LT
3、给水系统出现扰动时，动作作用缓慢。
汽包 省煤器
LC 给水
双冲量控制系统（蒸汽流量和锅炉水位）
蒸汽 FT
LT
前馈－反馈控制系统
汽包 省煤器
LC ∑
给水
液位调节器 LC
－
前馈调节器
调节阀 LV
液位变送器 LT
蒸汽流量干扰D
干扰通道 特性
液位对象 G0（s）
蒸汽 FT
LT
汽包 省煤器
LC
第九章 过程控制系统的工程应用
9.1 典型传热设备的过程控制 9.1.1概述 锅炉是国民经济各行业必不可少的重要传热设备 驱动发电机 动力机构的动力源 作为热源提供给工业生产装置 民用取暖设施
锅炉设备主要工艺流程图 锅炉热力系统流程
锅炉燃烧系统流程
高温烟气
空气预热器
锅炉设备的调节任务
1. 锅炉供应的蒸汽量适应负荷变化的需要或保持给 定的负荷；
2. 锅炉供给用汽设备的蒸汽压力保持在一定范围内； 3. 过热蒸汽温度保持在一定范围内； 4. 汽包中的水位保持在一定范围内； 5. 保持锅护燃烧的经济性和安全运行； 6. 炉膛负压保持在一定范围内。
锅炉设备控制的若干个控制系统 给水自动控制系统 锅炉燃烧的自动控制 过热蒸汽系统的自动控制 热力除氧 锅炉水处理过程控制
最简便的方法：烟气中氧含量。
实际上完全燃烧所需的空气量要超过理论计算的 量——要有一定过剩空气量。
过剩空气量
过剩空气系数α表示——实际空气量Qp与理论空
气量QT之比
＝ Q p
QT
α与烟气氧含量有直接关系，A0——烟气含氧量
＝
21 21－A0
过剩空气量（％）
2、保证燃烧过程的经济性
3、保持炉膛负压恒定
可供调节的手段：燃料量、送风量和引风量
控制系统设计的总原则应当是：生产负荷变化时， 燃料量、送风量和引风量应同时协调动作
2．蒸汽压力控制和燃料与空气比值控制系统 比值调节系统——燃料与空气保持一定比例
燃料调 节器
主流量
K
送风调 节器
蒸汽压力－燃料流量串级控制（送风量随燃料量变 化而变化的比值控制）
给水自动控制系统(锅炉汽包水位的控制)
锅炉汽包内部保持一定的蒸发空间。
汽包
控制变量是给水流量。 （汽包内部的物料平衡，使给水量适应蒸发量， 维持汽包中水位在工艺允许范围内）
维持汽包中水位在给定范围内是保证锅炉、汽轮 机安全运行的必要条件，是锅炉正常运行的主要 标志之一。
锅炉燃烧的自动控制 主要目的：使燃料和空气达到合理比例 燃料的安全燃烧 被控变量：蒸汽压力(负荷)、烟气成分和炉膛负
曲线H：H1和H2的叠加。 “虚假水位”
H
蒸汽流量扰动作用下的水位阶跃响应曲线
H包含两个方面
一方面：蒸汽流量增加时，在燃料量不变的情况 下，汽包水位直线下降——H1，数学模型：
G1(s)Kf /s
一方面：蒸汽流量增加，汽包内部压力降低，造 成虚假水位，水位上升——H2。数学模型：