典型工业过程控制系统
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虚假 水位
ΔD ΔH2 ΔH
理论 水位
实际 水位
ef K2 H ( s) D(s) s T2 s 1
H0 ΔH1
t
蒸汽流量阶跃干扰下的 汽包水位响应曲线
刘玉长
14
中南大学能源科学与工程学院
热工过程控制工程
(二)锅炉汽包水位的控制方案
1、汽包水位的单冲量控制 如图所示为单冲量水位控制系统仪表 流程图。这里的冲量一词指的是变量，单 冲量即汽包水位。 结构简单，投资少。 适用于虚假水位不严重，负荷较平稳的 场合(小型锅炉)。 为安全运行，可设置水位报警和联锁控 制系统。 但由于存在虚假水位的反向特性，误动 作、控制不及时
H0
刘玉长
12
中南大学能源科学与工程学院
热工过程控制工程
(2)另一方面，蒸汽流量增加，导致汽包压力Pb瞬时下降，在锅 炉蒸发管(水冷壁)内的水沸腾加剧，水中汽泡数量迅速增加， 汽泡体积增大，使汽包水位升高。这种压力下降而非水量增加 (水量实际上在减少)导致汽包水位上升的现象称为“虚假水位 ”现象， 其响应曲线如下，传递函数等效于一个惯性环节：
ΔD
H0
ΔH2
H 2 ( s) K2 D( s) T2 s 1
t 式中K 、T 分别为只考虑水面下汽泡体 2 2
积变化所引起的水位变化的放大倍数和 时间常数。
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刘玉长
蒸汽流量突变时的 “虚假水位”
中南大学能源科学与工程学院
热工过程控制工程
蒸汽流量变化的反向特性
(3)其他条件不变，总的蒸汽流量D突然增加时的响应曲线如下， 为典型的“反向特性”。传递函数为：
刘玉长
3
中南大学能源科学与工程学院
热工过程控制工程
6.1 锅炉设备的控制
锅炉是发电、炼油、化工等工业部门的重要能源、热源动 力设备。锅炉种类很多，按所用燃料分类，有燃煤锅炉、燃油 锅炉、燃气锅炉，还有利用残渣、残油、释放气等为燃料的锅 炉。
刘玉长
4
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热工过程控制工程
送汽轮机
火力发电厂之锅炉系统
系统分解
给水泵、除氧器、省煤 汽 器、锅桶、下降管、联 水 箱、水冷壁、过热器、 再热器、减温器等
给水
煤 粉
空气
燃烧器；送风机、炉膛、 燃 烟道、除尘器、引风机、 烧 烟囱等
刘玉长
烟气
原煤场(仓)、给煤机、 燃 输煤皮带、磨煤机、煤 运 粉仓、给粉机等
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(一)汽包水位的对象特性
1、控制通道特性
当突然加大给水量G后，汽包水位H一开始 不立即增加，而要呈现出一段起始惯性段。其 传递函数等效于一个积分环节和纯滞后环节的 串联：
G
H
H ( s) e 0 t s e G( s) s
t
t
刘玉长
式中e为给水流量作用下，阶跃反应曲线的飞升速度；t为纯滞后时间， 给水温度越低 ，t 越大，一般约在15～100s之间，采用省煤器时在 100～200s之间。
离心泵
无相变 有相变 反应釜 流化床
刘玉长
2
中南大学能源科学与工程学院
热工过程控制工程
热工单元自动控制的一般设计原则 ？
热工单元的作用：用来实现一些特定的物理和（或）化学反应过程 热工单元自控要求： 使物理变化过程和(或)化学反应过程在符合 预定的要求、条件下自动进行 实现热工单元自动控制的原则： 保证工艺质量指标 满足物料平衡条件 满足安全约束条件 提高机械效率和能源利用率
蒸汽温度 蒸汽压力 过剩空气 炉膛负压
锅炉的控制系统：（1）锅炉汽包水位控制 （2）锅炉燃烧系统控制 （3）过热蒸汽系统控制
刘玉长
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热工过程控制工程
6.1.2 锅炉汽包水位的控制
被控变量：汽包水位，用H (s)表示； 控制变量：汽包给水量流量，用G (s)表示； 主要干扰：蒸汽负荷(蒸汽流量)，用D (s)表示； 其它扰动：给水方面的扰动；燃料量的扰动；汽包压力变化； 通道对象：非自衡、反向特性、非线性等特性。 一般要求在运行中，汽包水位 控制在正常值范围 （±30mm-- ±50mm ）。 影响汽包水位H的主要因素？
蒸汽 汽 包 省 煤 器 给 水 LC
单冲量控制系统
刘玉长
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热工过程控制工程
2、汽包水位的双冲量控制 双冲量水位控制系统利 用蒸汽流量变化信号对给水量 进行补偿控制，从而不仅可以 消除或减小虚假水位现象对汽 包水位的影响，而且使给水控 制阀的调节更及时。 双冲量：汽包水位与蒸汽流量 。
中wenku.baidu.com大学能源科学与工程学院
热工过程控制工程
第6章 典型热工过程控制系统
6.1 锅炉设备的控制 6.2 流体输送设备的控制 6.3 传热设备的控制 6.4 化学反应器的自动控制
刘玉长
中南大学能源科学与工程学院
热工过程控制工程
典型热工单元有哪些？
热工设备 流体输送设备 传热设备 反应器 锅 炉 加热炉 容积式泵 压缩机
热工过程控制工程 锅炉系统流程界面
刘玉长
6
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热工过程控制工程
6.1.1 锅炉设备的工艺流程
D PM 减温器 负荷设备 调节阀 过热蒸汽送 负荷设备
组成：燃烧系统 蒸汽发生系统
汽 包
炉墙
燃烧系统：由送风机、 空气预热器、燃料系统、 燃烧室、烟道、除尘器 和引风机等组成 蒸汽发生系统：由给 水系统、省煤器、汽 包和过热器等组成。
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刘玉长
中南大学能源科学与工程学院
热工过程控制工程
汽包水位测量的重要性
汽包水位过高的危害？
水位过低 的危害？
锅炉
过热器
汽轮机 发电机
水冷壁 超温被 烧坏
水 冷 壁
再热器 汽包
～
省煤器
燃料 凝汽器
空气
空预器
爆管
灰斗
去烟囱
空气
空气
给水泵 10
刘玉长
锅炉水循环 效果变差
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热工过程控制工程
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热工过程控制工程
2、干扰通道特性(蒸汽流量变化) 其他条件不变，蒸汽流量D突然增加时： (1)一方面，汽包瞬时流出水量大于流入量，汽包存水量减 少(如下图)。其传递函数等效于一个非自衡单容对象(积分 环节)：
ΔD
ef H1 ( s) D( s ) s
t
ΔH1
式中ef为为蒸汽流量作用下，阶跃 响应曲线的斜率。
过热器 炉 膛
省 煤 器
热空气 送往炉膛 空气预热器 给水 冷空气 烟气 (经引风机送往烟囱)
热空气 燃料 燃料嘴
刘玉长
高温烟气：经过热 器、省煤器预热给 水、过空气预热器 预热锅炉送风，经 引风机送往烟囱排 入大气。
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热工过程控制工程
锅炉设备的控制问题
负 荷 给水量 减温水 燃料量 送风量 引风量 锅炉设备 水 位
ΔD ΔH2 ΔH
理论 水位
实际 水位
ef K2 H ( s) D(s) s T2 s 1
H0 ΔH1
t
蒸汽流量阶跃干扰下的 汽包水位响应曲线
刘玉长
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热工过程控制工程
(二)锅炉汽包水位的控制方案
1、汽包水位的单冲量控制 如图所示为单冲量水位控制系统仪表 流程图。这里的冲量一词指的是变量，单 冲量即汽包水位。 结构简单，投资少。 适用于虚假水位不严重，负荷较平稳的 场合(小型锅炉)。 为安全运行，可设置水位报警和联锁控 制系统。 但由于存在虚假水位的反向特性，误动 作、控制不及时
H0
刘玉长
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热工过程控制工程
(2)另一方面，蒸汽流量增加，导致汽包压力Pb瞬时下降，在锅 炉蒸发管(水冷壁)内的水沸腾加剧，水中汽泡数量迅速增加， 汽泡体积增大，使汽包水位升高。这种压力下降而非水量增加 (水量实际上在减少)导致汽包水位上升的现象称为“虚假水位 ”现象， 其响应曲线如下，传递函数等效于一个惯性环节：
ΔD
H0
ΔH2
H 2 ( s) K2 D( s) T2 s 1
t 式中K 、T 分别为只考虑水面下汽泡体 2 2
积变化所引起的水位变化的放大倍数和 时间常数。
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蒸汽流量突变时的 “虚假水位”
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热工过程控制工程
蒸汽流量变化的反向特性
(3)其他条件不变，总的蒸汽流量D突然增加时的响应曲线如下， 为典型的“反向特性”。传递函数为：
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热工过程控制工程
6.1 锅炉设备的控制
锅炉是发电、炼油、化工等工业部门的重要能源、热源动 力设备。锅炉种类很多，按所用燃料分类，有燃煤锅炉、燃油 锅炉、燃气锅炉，还有利用残渣、残油、释放气等为燃料的锅 炉。
刘玉长
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热工过程控制工程
送汽轮机
火力发电厂之锅炉系统
系统分解
给水泵、除氧器、省煤 汽 器、锅桶、下降管、联 水 箱、水冷壁、过热器、 再热器、减温器等
给水
煤 粉
空气
燃烧器；送风机、炉膛、 燃 烟道、除尘器、引风机、 烧 烟囱等
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烟气
原煤场(仓)、给煤机、 燃 输煤皮带、磨煤机、煤 运 粉仓、给粉机等
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(一)汽包水位的对象特性
1、控制通道特性
当突然加大给水量G后，汽包水位H一开始 不立即增加，而要呈现出一段起始惯性段。其 传递函数等效于一个积分环节和纯滞后环节的 串联：
G
H
H ( s) e 0 t s e G( s) s
t
t
刘玉长
式中e为给水流量作用下，阶跃反应曲线的飞升速度；t为纯滞后时间， 给水温度越低 ，t 越大，一般约在15～100s之间，采用省煤器时在 100～200s之间。
离心泵
无相变 有相变 反应釜 流化床
刘玉长
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热工单元自动控制的一般设计原则 ？
热工单元的作用：用来实现一些特定的物理和（或）化学反应过程 热工单元自控要求： 使物理变化过程和(或)化学反应过程在符合 预定的要求、条件下自动进行 实现热工单元自动控制的原则： 保证工艺质量指标 满足物料平衡条件 满足安全约束条件 提高机械效率和能源利用率
蒸汽温度 蒸汽压力 过剩空气 炉膛负压
锅炉的控制系统：（1）锅炉汽包水位控制 （2）锅炉燃烧系统控制 （3）过热蒸汽系统控制
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6.1.2 锅炉汽包水位的控制
被控变量：汽包水位，用H (s)表示； 控制变量：汽包给水量流量，用G (s)表示； 主要干扰：蒸汽负荷(蒸汽流量)，用D (s)表示； 其它扰动：给水方面的扰动；燃料量的扰动；汽包压力变化； 通道对象：非自衡、反向特性、非线性等特性。 一般要求在运行中，汽包水位 控制在正常值范围 （±30mm-- ±50mm ）。 影响汽包水位H的主要因素？
蒸汽 汽 包 省 煤 器 给 水 LC
单冲量控制系统
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热工过程控制工程
2、汽包水位的双冲量控制 双冲量水位控制系统利 用蒸汽流量变化信号对给水量 进行补偿控制，从而不仅可以 消除或减小虚假水位现象对汽 包水位的影响，而且使给水控 制阀的调节更及时。 双冲量：汽包水位与蒸汽流量 。
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第6章 典型热工过程控制系统
6.1 锅炉设备的控制 6.2 流体输送设备的控制 6.3 传热设备的控制 6.4 化学反应器的自动控制
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热工过程控制工程
典型热工单元有哪些？
热工设备 流体输送设备 传热设备 反应器 锅 炉 加热炉 容积式泵 压缩机
热工过程控制工程 锅炉系统流程界面
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6.1.1 锅炉设备的工艺流程
D PM 减温器 负荷设备 调节阀 过热蒸汽送 负荷设备
组成：燃烧系统 蒸汽发生系统
汽 包
炉墙
燃烧系统：由送风机、 空气预热器、燃料系统、 燃烧室、烟道、除尘器 和引风机等组成 蒸汽发生系统：由给 水系统、省煤器、汽 包和过热器等组成。
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热工过程控制工程
汽包水位测量的重要性
汽包水位过高的危害？
水位过低 的危害？
锅炉
过热器
汽轮机 发电机
水冷壁 超温被 烧坏
水 冷 壁
再热器 汽包
～
省煤器
燃料 凝汽器
空气
空预器
爆管
灰斗
去烟囱
空气
空气
给水泵 10
刘玉长
锅炉水循环 效果变差
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热工过程控制工程
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热工过程控制工程
2、干扰通道特性(蒸汽流量变化) 其他条件不变，蒸汽流量D突然增加时： (1)一方面，汽包瞬时流出水量大于流入量，汽包存水量减 少(如下图)。其传递函数等效于一个非自衡单容对象(积分 环节)：
ΔD
ef H1 ( s) D( s ) s
t
ΔH1
式中ef为为蒸汽流量作用下，阶跃 响应曲线的斜率。
过热器 炉 膛
省 煤 器
热空气 送往炉膛 空气预热器 给水 冷空气 烟气 (经引风机送往烟囱)
热空气 燃料 燃料嘴
刘玉长
高温烟气：经过热 器、省煤器预热给 水、过空气预热器 预热锅炉送风，经 引风机送往烟囱排 入大气。
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热工过程控制工程
锅炉设备的控制问题
负 荷 给水量 减温水 燃料量 送风量 引风量 锅炉设备 水 位