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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,上一页,返回首页,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。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。,上一页,返回首页,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,上一页,返回首页,7-1汽包锅炉给水自控系统分析,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,上一页,返回目录,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。,上一页,返回目录,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。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100200mm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。,上一页,返回目录,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；,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。,上一页,返回目录,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。,上一页,返回目录,一、给水自动调节的任务,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。,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。,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。,上一页,返回目录,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。,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：,上一页,返回目录,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；（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。,上一页,返回目录,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。,上一页,返回目录,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：,上一页,返回目录,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,上一页,返回目录,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；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。,上一页,返回目录,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,上一页,返回目录,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。,(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。,上一页,返回目录,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。,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。,上一页,返回目录,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,上一页,返回目录,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：,式中迟延时间(S)给水流量改变一个单位流量时,水位变化的响应速度mmS-1/(th-1)。和可由水位响应曲线上求得。,上一页,返回目录,二、给水流量的调节方式,式中迟延时间(S)给水流量改变一个单位流量时,水位变化的响应速度mmS-1/(th-1)。和可由水位响应曲线上求得。,上一页,返回目录,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。,也就是说，当给水流量改变后水位并不立即变化。动态特性参数和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。,上一页,返回目录,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。,上一页,返回目录,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,上一页,返回目录,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。,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.,上一页,返回目录,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。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。,上一页,返回目录,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：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。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。,上一页,返回目录,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。,上一页,返回目录,二、给水流量的调节方式,图7-5 汽包水位的动态特性,上一页,返回目录,二、给水流量的调节方式,蒸汽流量扰动下，汽包水位的动态特性可用图7-5方框图来表示，其传递函数为:,式中 T2H2变化的时间常数；K2H2变化的传递函数；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。,上一页,返回目录,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100230 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30-40mm。可见，虚假水位的幅值是相当大的。,上一页,返回目录,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。,上一页,返回目录,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。,上一页,返回目录,三、给水自动调节系统的方案,图7-6 单级三冲量给水系统,上一页,返回目录,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。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。,上一页,返回目录,三、给水自动调节系统的方案,图7-7 单级三冲量给水系统 图7-8 单级三冲量给水调 节系统的静态特性,上一页,返回目录,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）；,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）。,上一页,返回目录,三、给水自动调节系统的方案,当汽包水位H增加时，为了维持水位，调节器的正确操作应使给水流量减小；水位降低时应增加给水流量，即调节器操作给水流量的方向与水位信号的变化方向相反。因此水位信号应规定为负号。但由于汽包锅炉的水位测量装置平衡容器本身具有反号的特性，所以进入调节器的信号应定为正号。,上一页,返回目录,三、给水自动调节系统的方案,（3）单级三冲量给水调节系统的分析 单级三冲量给水系统的方框图为7-9。图7-9 单级三冲量给水系统自动调节的方框图,上一页,返回目录,三、给水自动调节系统的方案,D蒸汽流量；W1给水流量扰动；W2调节阀对给水流量的调节作用；W给水流量（W=W1+W2）；GHW（S）给水流量扰动下水位对象的传递函数；GHD（S）蒸汽流量扰动下水位对象的传递函数；H，W，D 分别为水位，给水流量，蒸汽流量变送设备的斜率；D、W 蒸汽流量和给水流量信号的分流系数；KZ执行器的传递函数；KU调节阀的传递函数。,上一页,返回目录,三、给水自动调节系统的方案,2、给水全程调节系统,在锅炉的起停过程中，给水调节不仅十分重要，而且操作也频繁复杂，因此在考虑自动化系统的大型机组时，对给水流量的全程调节被首先提出来了。目前对于300MW以上的单元机组，大都要求设计具有能实现全程调节的给水调节系统。由于在大幅度负荷变化时调节对象的动态特性会发生明显的变化，所以以往那些建立在线性控制理论上的，视对象动态特性近似不变而设计的调节系统已经不能去完成全程调节的要求了。,上一页,返回目录,三、给水自动调节系统的方案,全程调节系统可以有多种实施方案，如采用以计算机为控制工具的调节系统，也可采用以常规自动控制装置为控制工具的控制方案。本节主要介绍后一种方案构成的给水全程调节系统。,全程当采用常规自动控制仪表，以原有正常运行中使用的三冲量给水调节系统为基础来构成给水全程调节系统时，通常需要解决以下几个方面的技术问题：,上一页,返回目录,三、给水自动调节系统的方案,（1）根据锅炉启，停时工况的变化进行流量信号的校正；（2）设计适用于启停和低负荷阶段的专用给水调节系统，并充分运用逻辑控制技术，以实现各种控制调节系统之间的相互切换，投入或退出等自动操作；（3）对某些因负荷或工况改变而严重影响控制性能的非线性因素进行变换或补偿。,上一页,返回目录,三、给水自动调节系统的方案,3.给水全程调节系统方案 以常规自动调节设备为工具的给水全程调节系统的一种方案提出了在启、停及低负荷时采用单冲量，高负荷时采用三冲量的结构。这种方案的特点是,以经典控制理论为基础,用常规模拟式仪表为工具来实现给水全程调节任务。实践证明，这种方案可以满足生产的要求。对于300MW以上的机组，一般配备三台给水泵并联运行,其中两台为 调速汽泵,容量为锅炉50%的给水流量,用作正常运行,另一台为定速电泵,其容量为25%的锅炉额定给水量,作事故备用,兼作锅炉上水以及机组启动低负荷时投入使用。,上一页,返回目录,7-2过热汽温控制系统分析,本 节 内 容动态特性分析过热汽温自控系统再热汽温控制系统,上一页,返回目录,7-2过热汽温控制系统分析,锅炉蒸汽温度自动调节包括过热蒸汽温度和在热蒸汽温度调节。调节的任务是维持锅炉过热器及再热器的出口汽温在允许的范围之内。,上一页,返回目录,7-2过热汽温控制系统分析,一、调节任务和调节对象的特性 1、过热汽温调节的任务 过热蒸汽温度是锅炉运行质量的重要指标之一。过热汽温的高低都会显著影响电厂的安全性和经济性。过热汽温过高，可能造成过热器，蒸汽管道和汽轮机的高压部分金属损坏；过低，会引起电厂热耗上升，并使汽轮机轴向推力增大而造成推力轴承过载。所以，在锅炉运行中，必须保持过热汽温稳定在规定值附近。一般要求过热汽温与规定值的暂时偏差不超过正负10摄氏度，长期偏差不超过正负5摄氏度。,上一页,返回目录,一、调节任务和调节对象的特性,2、过热汽温调节对象的静态特性 过热汽温调节对象的静态特性指汽温随锅炉负荷变化的静态关系。对流式过热器和辐射式过热器的过热汽温静态特性完全相反，如图7-10所示。现代大型机组的过热器系统都采用了对流式过热器，辐射式过热器和批屏式过热器交替串联布置的结构，这有利于减小过热器出口汽温的偏差，改善了过热器汽温调节对象的动态特性。,上一页,返回目录,一、调节任务和调节对象的特性,图7-10过热汽温的静态特性图 7-11过热汽温调节对象的动态特性,上一页,返回目录,一、调节任务和调节对象的特性,3、过热汽调节对象的动态特性 过热汽温调节对象的动态特性是引起过热汽温变化的扰动与汽温之间的动态关系。引起过热汽温变化的原因很多。归结起来，过热汽温调节对象的扰动主要来自三个方面：蒸汽流量变化（服从变化），加热烟气的热量变化和减温水流量变化（过热器入口汽温变化）。通过对过热器汽温调节对象作阶跃扰动试验，可得到在不同作用下对象的动态特性，如图7-11所示。它们均为有迟延的惯性环节，但各自的动态特性参数有较大的差别。,上一页,返回目录,二、过热蒸汽温度自调节系统方案,目前被广泛采用的是过热汽温调节方法。采用喷水减温器时，由于对象的调节通道有较大的迟延和惯性以及运行中要求有较小的汽温控制偏差，所以采用单回路调节系统往往不能获得较好的调节品质。针对过热汽温调节对象调节通道惯性迟延大，被调信号反馈慢的特点，应该从调节通道中找出一个比被调量反应快的中间信号作为调节器的补充反馈信号，以改善调节对象的动态特性，提高调节系统的质量。目前采用的过热蒸汽温度的调节系统主要有两种方案，串级调节系统和采用导前汽温的微分信号作为补偿信号的调节系统方案。,上一页,返回目录,二、过热蒸汽温度自调节系统方案,1、串级汽温调节系统（1）过热汽温串级调节系统的组成 图7-12为过热汽温串级调节系统。汽温调节对象由减温器和过热器组成，减温水流量Wj为对象调节通道的输入信号，过热器出口汽温为输出信号。对象调节通道的动太特性G0（s）：导前区 G1（S）；惰性区，传递函数为G2（S）。,上一页,返回目录,二、过热蒸汽温度自调节系统方案,图7-12 过热汽温串级调节系统,上一页,返回目录,二、过热蒸汽温度自调节系统方案,2、采用导前汽温微分信号的双回路调节系统(1)导前微分系统组成：采用导前汽温微分信号的汽温调节系统如图7-13所示。这个系统引入了导前汽温的微分信号作为调节器的补充信号，以改善调节品质。因为 和平 的变化趋势是一致的，而且 的反应比 的反应快得多，因此它能迅速的反应 的变化趋势。引入了的微分信号后，将有助于调节器的动作迅速性。,上一页,返回目录,二、过热蒸汽温度自调节系统方案,图7-13 导前汽温微分信号的汽温调节系统,上一页,返回目录,二、过热蒸汽温度自调节系统方案,在动态时，调节器将根据 和 与 的给定值之间的偏差而动作，但在静态时，隙信号消失过热汽温 必然等于给定值，如果不用导前信号 的微分信号，则在静态时调节器将保持 等于给定值，而不能保持 等于给定值。（2）调节系统的分析 图形7-14为采用导前汽温微分信号的双回路调节系统的方框图。这个系统也包括两个闭合的调节回路：落：由对象调节通道的导前区G1(s),导前汽温变送器，微分器Gd(s)调节器GR(s),执行器Kz和减温水调节阀组成的副回路；由对象而通道的惰性区G2(s),主汽温变送器，和副回路组成的主回路。,上一页,返回目录,二、过热蒸汽温度自调节系统方案,图7-14 导前汽温微分信号双回路系统为串级系统的方框图,上一页,返回目录,7-3燃烧过程自动控制系统分析,本 节 内 容燃烧过程自动调节的任务燃烧过程调节的特点汽压调节对象的生产流程及其动态特性,返回目录,上一页,7-3燃烧过程自动控制系统分析,一、燃烧过程自动调节的任务 锅炉燃烧过程自动调节的目的在于使进入锅炉的燃烧的燃烧热量与锅炉的蒸汽负荷要求相适应，同时保证锅炉燃烧过程安全经济地运行。因此，当负荷改变时，锅炉将需要进行燃烧的调整。锅炉燃烧调节需要包括下列几项内容：1、燃料量调节 2、送风量调节 3、引风量调节,上一页,返回目录,7-3燃烧过程自动控制系统分析,二、燃烧过程调节的特点 燃烧过程的调节系统有三个被调量和三个调节量。锅炉的运行实践表明，对燃烧过程的三个被调量的调节存在着明显的相互影响。,这主要由于对象内部每个被调量都同时受到几个调节量的影响，而每个调节量的改变又能同时影响几个被调量。图7-15表示了燃烧对象的调节 量对被调量的这种影响。所以燃烧过程调节对象是一个多输入多输出的多变量相关调节对象。,图 7-15 燃烧对象调节量对被调量 的影响,上一页,返回目录,二、燃烧过程调节的特点,到目前为止，对于各种类型的多变量对象自动调节问题 还很难用统一的理论和方法来分析和设计，这不仅是因为有些方法和理论和实现相当复杂,而且还不一定都能得到满意的实用结果。但是，对于某些多变量生产对象，如果从工程实用观点出发，具体分析生产过程的运行要求和调节对象动态特性的特点，有针对性地制订出调节系统的设计方案，也常可以得到较为满意的实用效果。锅炉燃烧过程自动调节系统的设计就是采取这种方法的一个取得成效的例子。根据锅炉燃烧过程的运行实践及分析,对燃烧过程的调节可以提出以下的几点基本认识:,上一页,返回目录,二、燃烧过程调节的特点,(1)当锅炉的负荷要求变化时，燃烧调节系统应使燃料量B、送风量V、引风量G这三个调节量同时按比例地快速改变，以适应外界负荷的需要，并使汽压PT、过剩空气系数A、炉膛负压SI基本不变；当锅炉的负荷要求不变时,燃烧过程的三个调节系统应能保持各的调节量稳定不变。(2)燃烧过程的三个调节系统，一般可以有1、2、3三种组合方案，如图7-16所示。这几种调节方案的最终调节结果并无差别，主要动作的先后次序略有不同。(3)燃烧自动调节系统的方案与锅炉的运行方式以及负荷调度方式等生产工艺有密切的联系。锅炉的燃烧自动调节系统的方案也有所差别。,上一页,返回目录,二、燃烧过程调节的特点,图7-16 燃烧调节系统组合示意图,上一页,返回目录,三、汽压调节对象的生产流程及其动态特性,汽压调节对象生产流程示意如图7-17所示。燃料与相应的送风量进入炉膛，燃料燃烧产生的热量被布置在炉膛四周的蒸发受热面吸收而产生蒸汽，蒸汽流经过热器加热成过热蒸汽，过热蒸汽由蒸汽管道送入汽轮机做功。根据汽压调节对象的生产流程画出的汽压调节对象方框图如图7-18所示。对汽压调节对象个组成部分的动态特性，可以根据对象的结构和物理特性，应用分析方法近似推导得出。这对在生产现场用实验方法求取汽压对象动态特性具有一定的指导意义。,上一页,返回目录,三、汽压调节对象的生产流程及其动态特性,图7-17 汽压被控对象生产流程示意,上一页,返回目录,三、汽压调节对象的生产流程及其动态特性,汽压调节对象由锅炉燃烧部分（炉膛）、蒸发部分、蒸汽输出部分和汽轮机等四个部分组成。,上一页,返回目录,
