第七章 热力过程自动控制系统

为了讨论多信号时调节系统的静态特性 首先应确定送入调节器的各信号极性。图7-7 为单极三冲量给水调节系统，图中示出了极性 及其输入信号。
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三、给水自动调节系统的方案
图7-7 单级三冲量给水系统
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图7-8 单级三冲量给水调 节系统的静态特性
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三、给水自动调节系统的方案
当蒸汽负荷增加时，为了保持汽包水位的 恒定，调节器的正确动作应增大给水流量，即 调节器输出控制信号与蒸汽流量信号的变化方 向相同，所以蒸汽流量信号定为“+”号（极 性）；
（3）以汽包水位为主调节信号，蒸汽流量 和给水流量为补充信号的给水自动调节系统，
称为三冲量给水自动调节系统。
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一、给水自动调节的任务
汽包锅炉给水自动调节系统，根据 使用厂家的要求和条件，可以选用电动 仪表、气动仪表，也可以选用组装仪表 或锅炉自控仪。
随着科学技术的发展，计算机控制 技术在汽包锅炉自动控制中的应用越来 越多。
水位过低，则破坏了正常水循环，以致烧坏 某些受热面，影响锅炉寿命，严重时会造成爆 炸事故，危及人身和设备的安全。
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一、给水自动调节的任务
所以，及时调整给水流量，维持给水 流量与蒸汽流量间的平衡关系，以适应 负荷变化的要求，实现汽包锅炉水位自 动调节十分必要。
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一、给水自动调节的任务
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二、 给水流量的调节方式
(a) 节流调节系统示意图 (b) 节流调节原理
图7-1 给水流量的节流调节
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二、 给水流量的调节方式
下面我们分别来讨论在这三种扰动作 用下给水调节对象的动态特性。
1、给水流量扰动下的水位动态特性
给水流量扰动下的水位阶跃响应曲线如 图7-2所示.。当给水流量阶跃增加△W后，水 位的变化如图中曲线2所示。给水流量增加， 一方面使进入锅炉汽包的给水量增加；
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二、 给水流量的调节方式
图7-4 蒸汽流量D扰动下水位变化的阶跃响应曲线
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二、 给水流量的调节方式
但从能量守恒看，先假定当锅炉蒸发量突然 增加时，燃料量能及时跟上，由于燃烧强度增加， 锅炉的蒸发强度增强，汽水混合物中的汽泡数量 增加，水容积也迅速增大，使得汽水混合物体积 膨胀，水位升高。
另一方面使温度较低的给水进入省煤器、 汽包及水循环系统，吸收了原有饱和水中的 一部分热量，致使水面下汽泡体积减小。
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二、 给水流量的调节方式
图7-2 给水流量扰动下的水位阶跃响应曲线
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二、 给水流量的调节方式
(1)图中曲线1为不考虑 水面下汽泡容积变 化，仅考虑物料不平衡时的水位反应曲线。由 于给水压力很高，汽包水位变化对给水流量的 自平衡作用可以忽略不计，所以反应曲线1可 以认为是无自平衡能力积分环节的特性。
汽包水位的高低反映了给水量和蒸发量之间 的物料平衡关系。汽包锅炉正常水位一般规 定在汽包中心线以下100—200mm处，允许 波动范围为±50mm。汽包水位的高低直接 影响锅炉的安全运行和蒸汽的品质。
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一、给水自动调节的任务
水位过高，会影响汽水分离装置的正常工作， 严重时导致蒸汽带水量增加，使过热器管壁 和汽轮机喷嘴、叶片结垢，甚至造成汽轮机 发生水冲击而损坏叶轮；
引起水位变化的扰动因素很多，但主要扰动是给水流 量和蒸汽流量的阶跃变化。调节器就是依据水位信号、 蒸汽流量和给水流量的信号来进行调节的。
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一、给水自动调节的任务
引起水位变化的扰动因素很多，但主要扰动 是给水流量和蒸汽流量的阶跃变化。调节器 就是依据水位信号、蒸汽流量和给水流量的 信号来进行调节的。
实际上水位变化曲线H如图7-4所示， 它是曲线H1和H2的合成。
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二、 给水流量的调节方式
由图中可以看出，当锅炉蒸汽负荷变化时， 汽包水位的变化具有特殊的形式：
a. 在负荷突然增加时，虽然锅炉的给水流量 小于蒸发流量，但开始阶段的水位不仅不下 降，反而迅速上升，过一段时间后再下降。
b. 反之，锅炉负荷下降时，水位反而先下降。 这种现象称为“虚假水位”现象。这是因为 在负荷变化的初始阶段，水面下汽泡的体积 变化很快，它对水位变化起着主要影响作用 的缘故。
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二、 给水流量的调节方式
3、 炉膛热负荷扰动下水位调节对象的动 态特性
当燃料量扰动时，例如燃料量增加使炉膛热 负荷增强，这时锅炉蒸发强度增大而使汽压升高， 即使用汽调节阀门不动，蒸汽流量也会有所增加。
这样，蒸汽流量大于给水流量，水位应该下 降。但蒸发强度增大，同样使水面以下汽泡体积 增大，因此在炉膛热负荷扰动下水位调节对象也 会出现“虚假水位”现象。
通过上面对水位调节对象在给水流量扰动 下的阶跃响应曲线分析，可以把水位调节对象 以方框图7-3（a）表示，即把对象看成为是一 个积分环节和一个惯性环节的并联。经过变换 也可把它看作为积分环节和惯性环节的串联如 图7-3（b）所示。
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二、 给水流量的调节方式
(a)积分环节和惯性环节并联 (b) 积分环节和惯性环节串联 图7-3 给水流量扰动时水位调节对象方框图
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三、给水自动调节系统的方案
现代电站锅炉水位调节对象动态特性的 特点，决定了采用单回路反馈系统不能满足生 产对调节品质的要求，所以电站汽包锅炉的给 水调节普遍采用三冲给水自动调节方案，如图
7-6所示。
1、单级三冲量给水调节系统
（1）系统的组成
图7-6为常用的单级三冲量给水调节系统示 意。给水调节器接受汽包水位H，蒸汽流量D 和给水流量W三个信号。
其输出信号去调节给水流量，其中汽包 水位是被调量，所以水位信号称为主信号。
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三、给水自动调节系统的方案
图7-6 单级三冲量给水系统
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三、给水自动调节系统的方案
（2）调节对象的静态特性
给水调节系统的静态特性是被调量H与锅 炉负荷D的静态关系。
对于单信号水位调节系统，只要采用比例 积分调节器，不管负荷如何变化，静态时的水 位H将始终等于其给定值，即被调入量没有静 态偏差，但当调节器接受多个输入信号时，H 和D之间关系就不这样简单了。
如果负荷变化时，燃料量来不及增加，由于 蒸汽量的增加，使汽包内的汽压下降，相应地降 低了汽水混合物的饱和温度，汽化加快，同样使 汽水混合物体积膨胀，水位升高。所以不管燃烧 强度是否增加，都会使水面下汽泡容积增大导致 水位上升.
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二、 给水流量的调节方式
因蒸发强度的增加是有一定限度的， 当蒸发量满足负荷要求后，汽包压力不 再变化，容积增大速度减慢而达到稳定， 故汽泡容积的增大而引起的水位变化可 用惯性环节特性来描述，如图中曲线H2 所示。
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二、 给水流量的调节方式
式中τ—迟延时间(S) ε—给水流量改变一个单位流量时,水位变化的响应速度[mm·S1/(t·h-1) ]。 τ和ε可由水位响应曲线上求得。
Fra Baidu bibliotek
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二、 给水流量的调节方式
总之，当给水流量扰动时，水位调 节对象的动态特性表现为有惯性的无自 平衡能力特征。
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二、 给水流量的调节方式
实际上，改变汽轮机的用汽量引起的蒸汽 流量的阶跃扰动，必定引起汽压的变化，汽压 变化也会影响到水面下汽泡的体积变化，所以 实际的虚假水位现象会更严重些。
虚假水位的变化幅值与锅炉负荷的大小有关， 根据100—230 t/h中高压锅炉的资料，当负荷阶 跃扰动10%时，虚假水位的变化幅值可达3040mm。可见，虚假水位的幅值是相当大的。
保持给水量的稳定内
锅炉在正常运行时，如果给水流量剧烈波动，会影 响省煤器和给水管道的安全运行，所以负荷不变时，
给水流量不应出现剧烈波动。
锅炉汽包水位的自动调节是根据汽包水位的动态特 性来设计的。以汽包水位H作为被调量，以给水调节 阀作为调节机构来改变调节量，即给水量，达到保持 水位在允许的范围之内。
本节 内 容 给水自动调节的任务和调节对象特性 给水流量的调节方式 给水调节系统的方案
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一、给水自动调节的任务
给水自动调节系统的任务主要包括 两个方面：
一是使给水量适应锅炉的蒸发量，维 持汽包水位在规定的范围之内波动；
二是保持给水量的稳定。
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一、给水自动调节的任务
使给水量适应锅炉的蒸发量，维持汽包 水位在规定的范围之内波动 。
所以，工业锅炉的自动化大多数都 是从汽包水位自动调节开始的。
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工业锅炉自动控制系统
被调量：
汽包水位 蒸汽压力 过热蒸汽温度 炉膛负荷 过剩空气系数
干扰因素：
蒸汽负荷 锅炉给水量 燃料量 减温水 送风和引风
汽包水位调节系统 过热蒸汽温度调节系统 燃烧调节系统
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§7-1汽包锅炉给水自控系统分析
承德石油高等专科学校重点课程建设
热工仪表及自动化
（适用于热工、制冷、储运、智建专业）
胡德双
热工仪表教研室
第七章 热力过程自动控制系统
本章主要内容
汽包锅炉给水自动控制系统分析 过热汽温控制系统分析 燃烧过程自动控制系统分析
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第七章 热力过程自动控制系统
在热力生产过程中，汽包锅炉水位 是正常运行的主要指标之一，是非常重 要的被调量，在锅炉运行中占据首要地 位。
也就是说，当给水流量改变后水位并不立 即变化。动态特性参数τ和ε的数值将用来说 明水位响应迟延时间的长短和响应速度的快慢。
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二、 给水流量的调节方式
2、蒸汽流量扰动下水位对象的动态特性
在蒸汽流量D扰动下水位变化的阶跃 响应曲线如图7-4所示。
当蒸汽流量突然阶跃增加时，此时锅 炉蒸发量大于给水量，只从物料守恒考虑， 由于汽包水位对象是无自平衡能力的，这 时水位应按积分规律下降，如图中H1曲线 所示。
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二、 给水流量的调节方式
目前，给水流量的调节方式主要有两种： 一种是依靠改变调节阀门开度来改变给水量的 节流调节方式，另一种是依靠改变给水泵的转 速来改变给水量的变速调节方式。
以往，由于受到变速水泵制造技术的限制， 锅炉大都采用定速水泵供水。锅炉给水量改变 是依靠改变调节阀门的开度来实现的，称为给 水流量的节流调节方式，其系统示意图和节流 调节原理图如图7-1所示：
根据锅炉的容量、负荷变化的快慢以及调节 精度的要求，汽包水位调节系统可分为：
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一、给水自动调节的任务
（1）以汽包水位为唯一调节信号的给水自 动调节系统，称为单冲量给水自动调节系统； 调节 ；
（2）以汽包水位为主调节信号，蒸汽流量 为补充信号的给水自动调节系统，称为双冲量 给水自动调节系统；
蒸汽流量扰动下，汽包水位的动态特性可用图75方框图来表示，其传递函数为:
K (S) H (S)
2
G HD
D(S) 1 S S
T2
式中 T2—H2变化的时间常数；K2—H2变化的传 递函数；ε—H2的响应速度。
上面所讨论的蒸汽流量扰动下的水位调节对 象的动态特性，只是从蒸发强度变化对汽泡容 积的影响方面定性的说明水位变化的特点。
(2)曲线3是不考虑物料不平衡关系，只考虑 给水流量变化时水面下汽泡体积变化所引起的 水位变化。给水流量增加时，汽泡体积收缩， 水位逐渐下降，直到汽泡体积不再变化，所以 曲线3可以看作为是惯性环节的特性。
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二、 给水流量的调节方式
在给水流量扰动下，实际的水位变化曲线2 可以认为是曲线1和3的合成。
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二、 给水流量的调节方式
因此,给水流量扰动下的汽包水位的 动态特性可用传递函数表示为：
G (S) H (S)
HW
W (S) S 1 S S(1 S)
式中τ—迟延时间(S) ε—给水流量改变一个单位流量时,水位变化的响应速度[mm·S1/(t·h-1) ]。 τ和ε可由水位响应曲线上求得。
给水流量信号是反馈信号，它是为稳定给 水流量而引入调节系统的，所以定为“-”号 （极性）。
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三、给水自动调节系统的方案
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二、 给水流量的调节方式
因此，水位随汽泡体积的增大而上升，只 有当汽泡容积与负荷适应而不再变化时，水位 的变化就仅由物料的平衡关系来决定，这时水 位就随负荷的增大而下降，呈现无自平衡特性。
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二、 给水流量的调节方式
图7-5 汽包水位的动态特性
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二、 给水流量的调节方式