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1、内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书（毕业论文）题 目：基于MCGS的热电厂锅炉控制系统组态 -汽包水位控制系统学生姓名：邱玲学 号：200440503245专 业：测控技术与仪器班 级：测控04-2班指导教师：左鸿飞50内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）基于MCGS的热电厂锅炉控制系统组态-汽包水位控制系统摘 要电力资源在国民经济中是一项不可或缺的能源，在热电厂的生产过程中，最基本的工艺过程是用锅炉生产蒸汽，使汽轮机运转，进而带动发电机发电。而锅炉在发电等工业生产过程中是必不可少的重要的动力设备，因此，锅炉生产过程中的各个主要参数必须严格控制。本设计结合锅炉的生产工艺要求，针对锅炉汽包水
2、位的动态特性，具体分析了单冲量、双冲量、三冲量锅炉汽包水位控制系统，并对其性能特点进行深入的分析和比较，最终选择了三冲量。本设计的主要工作包括：对象特性分析、系统方案分析比较和选择、硬件组成、软件控制方案以及控制组态等。 关键词：汽包水位；三冲量；集散控制系统；MCGS组态软件内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）the boiler control system configuration of the hot power plant based on MCGS -drum water level control system Abstract The power resource is
3、one kind of necessary energy in the national economy，and the most basic craft process is that using the boiler to produce steam and let the vapor to turn，then driving the generator to generate electricity.while the boiler is the essential motive equipment in the production processes such as generate
4、 electricity process.So，each parameter in the boiler production process must be strictly controled.Connecting with the craft requirement of the boiler，the design analyzes the one-variable、two-varisble、three-ariable boiler drum water level control system specificly aims at the dynamic characteristic
5、of the boiler drum water level，and furtherly analyze their function and characteristics ，choosing the three-ariable control system in the end.The main work of this design includes：te object characteristic analysis、analyze compare and choose the system scheme、the hardware constitute、the software cont
6、rol scheme and control configuration etc.key words：drum water level；three-ariable；total distributed control system；MCGS configuration目 录摘 要IAbstractII第一章 引言11.1 电力行业发展现状与趋势11.1.1 热电厂发展趋势11.1.2 热力发电厂生产流程241.2 锅炉设备的工艺和分类271.2.1 锅炉设备的工艺71.2.2 锅炉分类9第二章 锅炉汽包水位控制系统102.1 锅炉汽包水位的动态特性4102.2锅炉汽包水位控制系统的基本方法132
7、.3 单级三冲量和串级三冲量汽包水位控制系统的分析和整定5152.3.1单级三冲量汽包水位控制系统的分析和整定152.3.2串级三冲量给水控制系统的分析和整定202.4 控制给水的手段23第三章 锅炉汽包水位控制系统的硬件设计263.1分散控制系统11263.1.1分散控制系统基础273.1.2分散控制系统基本功能303.1.3分散控制系统的特点303.2锅炉汽包水位控制系统硬件图313.3硬件选型32第四章 汽包水位控制系统的MCGS组态384.1组态软件产生的背景384.1.1组态软件MCGS的简介17394.1.2 MCGS组态软件的系统构成394.1.3 MCGS组态软件的特点414.
8、2汽包水位控制系统的MCGS组态424.2.1定义数据变量424.2.3报警显示与报警数据43总结47参考文献48致谢49内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第一章 引言1.1 电力行业发展现状与趋势火电厂是利用煤、石油、天然气等固体、液体燃料燃烧所产生的热能转换为动能以生产电能的工厂。按燃料的类别可分为燃煤火电厂、燃油火电厂和燃气火电厂等。按功能又可分为发电厂和热电厂。发电厂只生产并供给用户以电能；而热电厂除生产并供给用户电能外，还供应热能。按服务规模可分为区域性火电厂、地方性火电厂以及流动性列车电站。区域性电厂装机容量较大，一般建造在燃料基地，如大型煤矿附近，又称坑口电厂，其电能通过长
9、距离的输电线路供给用户。地方性电厂多建在负荷中心，需经长距离运进燃料，它生产的电能供给比较集中的用户。火电厂还按蒸汽压力分为低压电厂（蒸汽初压力约为0.121.5兆帕（MPa）、中压电厂(24MPa）、高压电厂（610MPa）、超高压电厂（1214MPa） 、亚临压力电厂（ 1618MPa ）和超临界压力电厂（22.6MPa）。在全世界范围内，火电厂的装机容量约占总装机容量的70 ，发电量约占总发电量的80 ，中国火电厂的装机容量占总装机容量的74.27，发电量占总发电量的79.7，可见火电厂对国民经济的发展和人民生活水平的提高都起着重大作用。1882年，中国在上海建成一座装有1台12KW直流
10、发电机的火电厂，这是中国第一座火电厂。 经过了100多年电力行业的发展，截止2006年底，全国发电装机容量达到62200万千瓦。其中，水电达到12857万千瓦，约占总容量20.67%；火电达到48405万千瓦，约占总容量77.82%。全国220千伏及以上输电线路回路长度达到28.15万公里， 220千伏及以上变电设备容量达到98131万千伏安。从电力生产情况看，2006年全国发电量达到28344亿千瓦时。其中，水电发电量4167亿千瓦时，约占全部发电量14.70%；火电发电量23573亿千瓦时，约占全部发电量83.17%；核电发电量543亿千瓦时，约占全部发电量1.92%。“十一五”期间，我国
11、将迎来电网建设的新高潮。到2010年，国家电网在跨区域电网建设方面，交流特高压输电线路建设规模将达到4200千米，变电容量达到3900万千伏安，跨区送电能力达到7000万千瓦；在城乡电网建设方面，220千伏及以上交直流输电线路要超过34万千米，交流变电容量超过13亿千伏安。1.1.1 热电厂发展趋势在本世纪最后十几年左右的时间里，我国热电厂自动化技术应用和发展，尽管经历过挫折和重重困难，但仍以前所未有的速度发展。可以预见，进入21世纪，我国热电厂自动化技术应用很可能将以更快的速度发展，这是由于世界高科技飞速发展，世界进入信息时代。 热电厂将进入信息网络化时代未来21世纪的最初10年，火电厂必将
12、随着不可抗拒的潮流加速进入信息网络时代，火电厂乃至电力系统和电力企业集团将形成生产过程自动化和管理现代化的信息网络。 厂级生产过程自动化和管理现代化系统(简称厂级自动化系统)由厂级监控信息系统(Supervisory information system in plant level,简写SIS)和厂级管理信息系统(Management information system in plant level,简写MIS)组成。SIS主要处理全厂实时数据，完成厂级生产过程的监控和管理，厂级故障诊断和分析，厂级性能计算、分析和经济负荷调度等；MIS主要为全厂运营、生产和行政的管理工作服务，主要完成设备
13、和维修管理、生产经营管理(包括电力市场报价子系统)、财务管理等。SIS和MIS可以是设置在一个网络中的2个功能，共用计算单元和数据服务器， SIS网与MIS网用网关(G)或其它接口分隔成2个网，分别设置相应的计算单元和数据服务器，以提高SIS网的安全性。电力集团企业MIS和电网运营系统与火电厂的厂级MIS相连，而电网调度系统则通过发电端的远程发送单元(RTU)与网内火电厂的的厂级SIS相连，进行1级或2级调度，也可采用传统方法连接到网络站监控系统。随着光缆在各地区，乃至全国范围内的铺设，有可能不再需要RTU，而可以由专用Intrenet网实现上述通信。 辅助车间监控系统一个火电厂有十几个辅助车
14、间，国外已有通过网络集中到1个控制室进行集中控制的做法。过去国内都是一个辅助车间内由PLC和上位机构成一个网络，在车间控制室内控制。目前趋向于采用适度集中控制的方案，例如全厂形成煤、灰、水3个网络、3个监控点，待今后条件成熟时再减少控制点。辅助车间网络通过网关连接到上层网厂级SIS网，不连接到单元机组DCS网，再将信息引到SIS网的做法，因为这样增加了DCS负荷，降低了单元机组监控可靠性，很难处理单元机组公用车间运行管理不同的矛盾，而且单元机组对大量辅助车间信息也没有需要。 单元机组自动化将展现新的特点火电厂单元机组的自动化水平，无论国外和国内，都是比较高的。未来10年左右时间里，可以断定，单
15、元机组自动化必将在下列几个方面进一步向前发展： 控制系统全计算机化，控制室紧凑小型化单元机组实现全CRT监控，传统监控盘台将取消，控制室(2台单元机组)面积由目前的3504000m2，降到150 m2以下。 监控系统的功能配置和物理配置 物理配置随着计算机技术的发展，监控系统将由以前的全部集中到一个控制楼里的配置方式，逐步趋向于采用适度物理分散配置的原则。庞大的控制楼将取消，变成若干个小型的电子设备间，分别布置在锅炉、汽轮机房或其它主设备附近。节省电缆，并为主厂房模块化设计、安装、缩短工期，以及主厂房合理布局创造条件。对现场来的信号，将大量采用远程I/O控制。 功能配置纵观DCS发展史，结合火
16、电厂单元机组控制系统的特点，DCS功能配置将与物理配置走正好相反的方向，正在趋向再适度集中一点的方向发展。首先，单元机组各个控制系统间有着千丝万缕的信号联系，一对控制器故障，往往会导致另一对控制器因没有正确的联系信号而不能正常工作，甚至误动；其次，由于目前大多没有常规后备监控设备，因此，对于大部分重要控制器，只要其中一对控制器故障，可能就要被迫停机，而过多的控制器实际上反而增加了故障停机的概率；再次，目前控制器容量和速度均大大提高，多个相互联系密切的控制系统集中在一对控制器中，反而因内部信息交换方便而提高可靠性。目前有的公司推出的DCS，CPU采用22冗余(由于计算机技术发展，成本增加很小)，
17、可靠性进一步提高。根据电厂特点，应当在提高每一组控制器的可靠性上下功夫，而在控制器容量和速度允许情况下，可以合理地配置控制器，适当提高功能配置的集中度。 现场总线控制系统(FCS)DCS的本质是监控集中，控制分散，故又称集散控制系统(TDCS)，FCS的全数字化通信将引起真正的革命。传统DCS的一个致命弱点是，它可以控制和监视工艺过程，对自身进行诊断、维护和组态。但是，由于其I/O信号采用传统的模拟量信号，因此，它无法在DCS的工程师站上对现场仪表(变送器、执行机构等)进行远方诊断、维护和组态。FCS的现场总线和全数字的现场总线智能化仪表熔入DCS后，将彻底解决这个问题。 辅助车间高度集中控制
18、一个电厂有十几个辅助车间，过去在每个车间都设一个控制室，采用PLC实现顺序控制，值班人员多达100200人，不少电厂辅助车间实际达到的自动化水平不高。辅助车间实现高度集中控制：(1) 提高可控性，并集中解决好某些特殊检测问题，使设计的顺序控制得以可靠运行，实现在当地基本无人值班；(2) 配置好辅助车间的计算机监控网络，实现若干辅助车间远方集中监控。1.1.2 热力发电厂生产流程2热力发电是利用煤、石油、天然气等固体、液体、气体燃料燃烧时产生的热能，通过发电动力装置（包括电厂锅炉、汽轮机和发电机及其辅助装置）转换成电能的一种发电方式。在所有发电方式中，热力发电是历史最久的，也是最重要的一种。发电
19、厂是把各种动力能源的能量转变成电能的工厂。根据所利用的能源形式可分为热力发电、水利发电、核电、地热发电、风力发电等。生产工艺示意图如图1.1所示。图1.1热力发电厂的工艺示意图热力发电厂简称热电厂，是利用煤、石油、天然气等燃料的化学能产生出电能的工厂。按其功用可分为两类，即凝汽式电厂和热电厂。前者仅向用户供应电能，而热电厂除供给用户电量外，还向热用户供应蒸汽和热水，即所谓的“热电联合生产”。火电厂的容量大小各异，具体形式也不尽相同，但就其生产过程来说却是相似的。燃煤，用输煤皮带从煤场运至煤斗中。大型火电厂为提高燃煤效率都是燃烧煤粉。因此，煤斗中的原煤要先送至磨煤机内磨成煤粉。磨碎的煤粉由热空气
20、携带经排粉风机送入锅炉的炉膛内燃烧。煤粉燃烧后形成的热烟气沿锅炉的水平烟道和尾部烟道流动，放出热量，最后进入除尘器，将燃烧后的煤灰分离出来。洁净的烟气在引风机的作用下通过烟囱排入大气。燃煤燃尽的灰渣落入炉膛下面的渣斗内，与从除尘器分离出的细灰一起用水冲至灰浆泵房内，再由灰浆泵送至灰场。在除氧器水箱内的水经过给水泵升压后通过高压加热器送入省煤器。在省煤器内，水受到热烟气的加热，然后进入锅炉顶部的汽包内。在锅炉炉膛四周密布着水管，称为水冷壁。水冷壁水管的上下两端均通过联箱与汽包连通，汽包内的水经水冷壁不断循环，吸收燃烧过程中放出的热量。部分水在冷壁中被加热沸腾后汽化成水蒸汽，这些饱和蒸汽由汽包上部
21、流出进入过热器中。饱和蒸汽在过热器中继续吸热，成为过热蒸汽。过热蒸汽有很高的压力和温度，因此有很大的热势能。具有热势能的过热蒸汽经管道引入汽轮机后，便将热势能转变成动能。高速流动的蒸汽推动汽轮机转子转动，形成机械能。汽轮机的转子与发电机的转子通过连轴器联在一起。当汽轮机转子转动时便带动发电机转子转动。在发电机转子的另一端带着一台小直流发电机，叫励磁机。励磁机发出的直流电送至发电机的转子线圈中，使转子成为电磁铁，周围产生磁场。当发电机转子旋转时，磁场也是旋转的，发电机定子内的导线就会切割磁力线感应产生电流。这样，发电机便把汽轮机的机械能转变为电能。电能经变压器将电压升压后，由输电线送至电用户。生
22、产过程虽然较为繁杂，但从能量转换的角度看却很简单，即燃料的化学能蒸汽的热势能机械能电能。火电厂的主要系统有燃烧系统、汽水系统、电气系统等。除了上述的主要系统外，火电厂还有其它一些辅助生产系统，如燃煤的输送系统、水的化学处理系统、灰浆的排放系统等。这些系统与主系统协调工作，它们相互配合完成电能的生产任务。下面具体介绍燃烧系统，汽水系统。 燃烧系统 燃烧系统是由输煤、磨煤、粗细分离、排粉、给粉、锅炉、除尘、脱流等组成。煤炭是由皮带输送机从煤场,通过电磁铁、碎煤机然后送到煤仓间的煤斗内,再经过给煤机进入磨煤机进行磨粉，磨好的煤粉通过空气预热器来的热风，将煤粉打至粗细分离器，粗细分离器将合格的煤粉（不
23、合格的煤粉送回磨煤机），经过排粉机送至粉仓，给粉机将煤粉打入喷燃器送到锅炉进行燃烧。而烟气经过电除尘脱出粉尘再将烟气送至脱硫装置，通过石浆喷淋脱出流的气体经过吸风机送到烟筒排人天空。图1.2 燃烧系统流程 汽水系统热力发电厂的汽水系统是由锅炉、汽轮机、凝汽器、高低压加热器、凝结水泵和给水泵等组成，他包括汽水循环、化学水处理和冷却系统等。水在锅炉中被加热成蒸汽，经过过热器进一步加热后变成过热的蒸汽，再通过主蒸汽管道进入汽轮机。由于蒸汽不断膨胀，高速流动的蒸汽推动汽轮机的叶片转动从而带动发电机。为了进一步提高其热效率，一般都从汽轮机的某些中间级后抽出作过功的部分蒸汽，用以加热给水。在现代大型汽轮机
24、组中都采用这种给水回热循环。此外，在超高压机组中还采用再热循环，既把作过一段功的蒸汽从汽轮机的高压缸的出口将作过功的蒸汽全部抽出，送到锅炉的再热汽中加热后再引入气轮机的中压缸继续膨胀作功，从中压缸送出的蒸汽，再送入低压缸继续作功。在蒸汽不断作功的过程中，蒸汽压力和温度不断降低，最后排入凝汽器并被冷却水冷却，凝结成水。凝结水集中在凝汽器下部由凝结水泵打至低压加热再经过除氧气除氧，给水泵将预加热除氧后的水送至高压加热器，经过加热后的热水打入锅炉，再过热器中把水已经加热到过热的蒸汽，送至汽轮机作功，这样周而复始不断的作功。在汽水系统中的蒸汽和凝结水，由于疏通管道很多并且还要经过许多的阀门设备，这样就
25、难免产生跑、冒、滴、漏等现象，这些现象都会或多或少地造成水的损失，因此必须不断的向系统中补充经过化学处理过的软化水，这些补给水一般都补入除氧器中。图1.3 汽水系统流程1.2 锅炉设备的工艺和分类2热力发电厂的三大主机是锅炉、汽轮机、发电机。锅炉用燃料燃烧放出的热能将水加热成具有一定压力和温度的蒸汽，然后蒸汽沿管道进入汽轮机膨胀做功，带动发电机一起高速旋转，从而发电。整个过程中存在三种能量转换过程，在锅炉中燃料的化学能转换成热能，在汽轮机将热能转换成机械能，在大电机中将机械能转换成电能。锅炉是发电厂最重要的能量转换设备之一。锅炉是一种将煤炭、木材、甘蔗渣、石油、可燃气体等能源所储存的化学能以及
26、工业生产中的余热或其他热源，转化为一定温度和压力的水或蒸汽的换热设备。锅炉广泛应用于现代社会国民经济的各个领域，我国现阶段70%以上的电能是利用蒸汽推动汽轮机发电机组发电而获得的。工农业生产工艺过程中也都离不开蒸汽，供热通风，空气调节工程以及生活热水供应所需要的热能也都是来自于高温热水或蒸汽。1.2.1 锅炉设备的工艺锅炉设备是由锅炉本体和辅助设备两大部分构成： 锅炉本体：锅炉本体是由锅和炉两大部分组合在一起构成的。“锅”是接受高温烟气的热量并将其传给工质的受热面系统，它承受内部或外部作用压力，构成封闭系统的各个部件，包括锅壳、锅筒（汽包）、下降管、集箱（联箱）、水冷壁、凝渣管、锅炉管束、汽水
27、分离装置、气温调节装置、排污装置、蒸汽过热器、省煤器等。“炉”是将燃料的化学能转变为热能的燃料系统，它是指构成燃料燃烧场所的各种组成部件，包括炉膛（燃烧室）和炉前煤斗、煤闸门、炉排、除渣板、分配送风装置等组成的燃烧设备。 锅炉辅助设备： 燃料供应系统设备：燃料供应系统设备的作用是保证锅炉连续运行所需要的符合质量要求的燃料。燃料的储存设备包括煤场、原煤仓、煤粉仓、贮油罐、工作油箱等。燃料的运输设备包括带式输送机、埋刮板输送机、多斗提升机、电动葫芦吊煤罐、单斗提升机、给煤机、给粉机、桥式抓斗起重机、推煤机、油泵、输油管道、过滤器、调压器等。燃料的加工设备包括破碎机、磨煤机、粗粉分离器、细粉分离器、
28、排粉风机等。 送、引风设备：送、引风设备的作用是给炉子送入燃烧所需要的空气或给磨煤机系统输送热空气干燥剂，并从炉膛内引出燃烧产物烟气，以保证锅炉正常燃烧。送、引风设备包括送风机、引风机、冷风道、热风道、烟道和烟囱等。 汽、水系统设备：汽、水系统包括蒸汽、给水、排污等三大系统。蒸汽系统的作用是将合格的蒸汽送往用户或锅炉自用汽，蒸汽系统设备包括蒸汽管、附件、分汽缸等。给水系统的作用是将经过水处理后的符合锅炉水质要求的给水送入锅炉，以保证锅炉正常运行，给水设备包括水泵、水箱、给水管、再生液管、水的除硬、除碱、除盐和除气设备等。排污系统的作用是将锅水中沉渣和盐分杂排除掉，使锅水符合锅炉水质标准，排污系
29、统设备包括排污管、附件、连续排污膨胀器、定期排污膨胀器、排污降温池等。 除灰渣设备：除灰渣设备的作用是将锅炉的燃烧产物灰渣连续不断地除去并运送到灰渣场。除灰渣设备包括马丁除渣机、螺旋除渣机、刮板出渣机、重型链条除渣机、水力除灰渣系统、沉灰池、渣场、渣斗、桥式抓斗起重机、推灰渣机等。 烟气净化系统设备：烟气净化系统包括烟气的除尘、脱硫、脱硝设备，它们的作用是除去锅炉烟气中夹带的固体的微粒飞灰和氮氧化物等有害物质，改善大气环境。除尘、脱硫、脱硝设备包括重力除尘器、惯性力除尘器、离心力除尘器等。 仪表及自动控制系统设备：仪表及自动控制系统设备的作用是对运行的锅炉设备进行检测、程序控制、自动保护和自动
30、调节。仪表及自动控制系统设备包括微型计算机和温度计、压力表、水位计、流量计、负压表等仪表、烟气氧量表、自动调节阀以及控制系统等。1.2.2 锅炉分类锅炉用途广泛，种类很多，一般按如下几种方法分类： 按用途分类，工业锅炉（用于工业生产、采暖通风、空气调节工程和生活热水供应的锅炉。）、电站锅炉（用于发电，为高参数、大容量锅炉，我国现行电站锅炉标准参数，容量系列中，最大容量锅炉的额定蒸发量为2008t/h,其发电量功率为600MW。）、船用锅炉、机车锅炉。 按锅炉出口工质压力分类，常压热水锅炉、低压锅炉、中压锅炉、高压锅炉、超高压锅炉、亚临界锅炉、超临界锅炉。 按所用燃料或能源分类，燃煤锅炉、燃油锅
31、炉、燃气锅炉、混合燃料锅炉、废料锅炉、余热锅炉、其他能源锅炉。 按燃料方式分类，火床燃烧锅炉、火室燃烧锅炉、流化床燃烧锅炉。 按通风方式分类，自然通风锅炉、机械送风锅炉、机械引风锅炉、平衡通风锅炉。 按循环方式分类，自然循环锅炉、强制循环锅炉、直流锅炉。 按锅炉结构分类，锅壳锅炉、水管锅炉、铸铁锅炉。 按锅炉布置形式分类，锅炉纵置式锅炉、锅炉横置式锅炉。 按锅炉出厂形式分类，快装锅炉、组装锅炉、散装锅炉。第二章 锅炉汽包水位控制系统锅炉汽包水位控制系统是确保锅炉安全稳定运行的重要环节。汽包水位过低，由于锅炉的蒸汽量大，汽包容积相对较小，水的汽化速度很快，如果控制不及时，不能给汽包及时补水，汽包
32、内的水很快就会蒸发光而导致干锅，严重时会引起锅炉爆炸。对于大型锅炉，这种危险尤为突出。汽包水位过高，会影响汽包内汽水分离，使蒸汽带液，这会使过热器结垢导致损坏，同时也会使过热蒸汽温度急剧下降，损坏汽轮机的叶片，影响汽轮机的安全进行，因此汽包的水位必须加以严格的控制。2.1 锅炉汽包水位的动态特性4汽包水位是汽包中的贮水量和水面下的汽泡容积所决定的，因此凡是引起汽包中贮水量变化和水面下的汽包容积变化的各种因素都是给水控制对象的扰动。其中主要的扰动有：给水流量W、锅炉蒸汽流量D、汽包压力Pb、燃烧工况等。给水控制对象的动态特性是指上述水位变化的各种扰动与汽包水位的动态关系。 给水流量扰动下水位的动
33、态特性给水流量扰动下的水位阶跃反应曲线如图2.1所示。在给水流量突然增加的瞬间,锅炉的蒸发量还未改变,给水流量大于蒸发量,但水位一开始并不立即增加,这是因为温度较低的给水进入省煤器及水循环系统的流量增加了,从原有的饱和汽水混合物中吸取了一部分热量,使水面下的汽泡容积有所减少。当水面下汽泡容积不再变化时,水位才开始逐渐上升。如果不考虑水面下汽泡容积的变化,则当给水流量扰动时,水位的反应曲线如图2.1中的直线1所示;实际的水位反应曲线应如图2.1中曲线2 所示。所以给水流量的扰动,水位反应存在一定的迟延时间。图2.1 给水流量扰动下水位的阶跃反应曲线 蒸汽流量扰动下水位的动态特性蒸汽流量扰动下水位
34、的阶跃反应曲线如图2.2所示。当蒸汽流量突然增加(假定供热量及时跟上)时,锅炉的蒸发量大于给水流量,汽包的贮水量应等速下降,又因为汽包是无自平衡对象,所以水位变化曲线应如图中曲线H1所示,实际上当蒸发量突然增加时,在汽水循环系统中蒸发强度也将成比例地增大,使汽水混合物中汽泡的容积增大,又因炉膛内的发热量并不能及时增加,从而使汽包压力不断下降,降低了饱和温度,促使蒸发速度加快,汽泡膨胀,加大了汽水混合物的总体积,使水位变化过程如图中曲线H2所示。水位实际变化过程的曲线是H1和H2 两曲线叠加,即图中的曲线H，由此可知,负荷变化时汽包水位的动态特性具有特殊的形式:负荷增加时,蒸发量大于给水量,但水
35、位不是下降反而上升;负荷突然减小时,水位却先下降,然后逐渐上升,即“虚假水位”现象。 图2.2 蒸汽流量扰动下水位的阶跃反应曲线 炉膛热负荷扰动下水位的动态特性炉膛热负荷扰动下水位的阶跃反应曲线如图2.3所示。当燃料量M增加时,炉膛热负荷随着增加,水循环系统内的汽水混合物的汽泡比例增加,蒸发强度增强。如果负荷设备的进汽阀不加调节,则汽包饱和压力升高,蒸汽流出量增加,蒸发量大于给水量,水位应该下降。随着汽包压力的升高,汽水混合物中汽泡的比例将减小,又使得汽水总容积下降;其次,在汽压升高时,汽的比容变小,水的比容变大,总的效果是汽水混合物的比容变化不大。所以在燃料量扰动下,汽包水位也会出现“虚假水
36、位”现象,但由于热惯性的原因,这种虚假水位没有蒸汽流量扰动下的那样严重。图2.3 炉膛热负荷扰动下水位的阶跃反应曲线2.2锅炉汽包水位控制系统的基本方法如果使用简单的锅炉汽包液位的单冲量控制系统，如图2.4所示,一旦负荷急剧变化,虚假液位的出现,调节器就会误以为液位升高而关小供水阀门，影响了生产甚至造成危险。图2.4 锅炉汽包液位的单冲量调节系统为此,图2.5采取了锅炉汽包液位的双冲量控制,它在单冲量的基础上,再加一个蒸汽冲量,以克服“虚假液位”。其中调节阀为气关阀,液位调节器采用正作用,调节器输出信号在加法器内与蒸汽流量信号相减。双冲量实际上是前馈与反馈调节相结合的调节系统。当负荷突然变化时
37、,蒸汽的流量信号通过加法器,使它的作用与水位信号的作用相反；虚假液位出现时,液位信号a 要关小给水阀,而蒸汽信号b是开大给水阀,这就能克服“虚假液位”的影响。但是如果给水压力本身有波动时,双冲量控制也不能克服给水量波动的影响。图2.5 锅炉汽包液位的双冲量调节系统由于单冲量和双冲量都很难达到理想稳定的控制所以这就要用如图2.6所示的锅炉汽包液位的三冲量调节系统。即再加一个给水流量的冲量c,使它与液位信号的作用方向一致,这种调节系统由于引进了液位、给水流量及蒸汽流量三个参数,叫做三冲量调节系统。 图2.6 锅炉液位的三冲量调节系统锅炉汽包三冲量液位控制系统是在双冲量液位控制基础上引入了给水流量信
38、号,由水位、蒸汽流量和给水流量组成了三冲量液位控制系统。汽包水位是被控变量,是主冲量信号，蒸汽流量，给水流量是两个辅助冲量信号。实质上三冲量控制系统是前馈加反馈控制系统,可分为单级和串级两种控制系统。当蒸汽流量增加时,调节器立即动作,相应地增加给水流量,能有效地减小虚假液位所引起的调节器误动作。当给水流量发生自发性扰动时(例如给水压力波动引起给水流量的波动),调节器也能立即动作,控制给水流量使给水流量迅速恢复到原来的数值,从而使汽包水位基本不变。可见给水流量信号作为反馈信号,其主要作用是快速消除来自给水侧的内部扰动。当汽包水位增加时,为了维持水位, 调节器的正确操作应使给水流量减小,反之亦然,
39、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,因此调节器入口处水位信号定义为负极性但由于汽包锅炉的水位测量装置平衡容器本身已具有反号的特性,所以进入调节器的水位变送信号应为正。2.3 单级三冲量和串级三冲量汽包水位控制系统的分析和整定52.3.1单级三冲量汽包水位控制系统的分析和整定 控制原理:单级三冲量给水控制系统自控原理框图如图2.7所示。图2.7 单级三冲量给水自动控制原理框图图2.7中,各符号意义如下： 给水流量扰动； 调节阀对给水量的调节作用； 给水流量； 蒸汽流量； 蒸汽流量扰动下的水位变化的传递函数； 水位、给水流量、蒸汽流量测量变送器的斜率； , 蒸汽流量信号和给水流量信
40、号的灵敏度； 执行器的比例系数； 调节阀的放大系数。 内回路的分析和整定图2.8单级三冲量给水系统的内回路方框图内回路方框图如图2.8 所示, 可以把内回路作为一般的单回路系统进行分析。应将副回路处理为具有近似比例特性的快速随动系统, 以使副回路具有快速消除内扰及快速跟踪蒸汽流量的能力。如果把调节器以外的环节等效地看作被控对象, 那么被控对象动态特性近似为比例环节。因此调节器的比例带和积分时间Ti 可以取的很小。和Ti的数值以保证内回路不振荡为原则, 一般Ti100 s。给水流量反馈装置的传递系数( 给水流量信号的灵敏度)可任意设置一个数值,得到满意的值, 如果以后有必要改变,则相应地改变值,
41、使保持试探时的值，以保证内回路的开环放大倍数不变，保证内回路的稳定性。 主回路的分析和整定在内回路经过整定之后, 其控制过程是非常快的。这主要因为调节器为比例积分特性, 和Ti又设置的非常小,所以它能迅速动作。当外来控制信号V 改变时,调节器几乎立即成比例地改变给水流量W,使,即,或,因此主回路等效图如图2.9所示。图2.9 单级三冲量给水控制的主回路等效图根据以上的分析,在整定主回路时,应用试验方法求得到对象的阶跃响应曲线。对象的输入信号为给水流量变化W, 输出信号为水位测量变送单元的输出VH,从阶跃响应曲线上求得延迟时间和响应速度,根据响应曲线法可得下述计算公式: （2-1） （2-2）
42、（2-3）由此可见,当变送器的斜率已经确定后,增大给水量的灵敏度, 等于增加主回路调节器的比例带, 因而使给水流量动作缓慢,增加主回路的稳定性(减少主回路的振荡) 。但是对内回路来说,增加就增加了内回路的开环放大倍数, 因而增加了内回路振荡的倾向, 因此由于提高主回路的稳定性而增加时,必须相应地增加调节器的比例带, 以保证内回路的稳定性。 前馈通道的分析和整定对于图2.9所示的串级三冲量给水控制系统, 当反馈回路经过正确整定, 确定了给水流量反馈装置的传递系数及调节器参数, Ti 的数值后, 系统的方框图就可以用图2.10来表示。图2.10 简化的三冲量给水控制系统方框图蒸汽流量前馈(,) 不
43、在控制系统反馈回路之内,因此,它们的动态特性及取值大小不会影响控制系统的稳定性, 故可以根据蒸汽流量D 扰动时水位H不发生变化的原则来确定前馈环节的参数。由 (2-4) 得到 (2-5) 由此可见,前馈环节不是一个简单的比例环节, 而是一个复杂的动态环节, 要从物理上实现式(5) 所表征的动态特性在技术上也是困难的。但是由于控制系统中已有了反馈控制, 而且容许汽包水位在一定范围内变化, 因此蒸汽流量前馈环节的传递函数可以取比较简单的近似形式。前馈环节只要取用比例特性, 就能使在负荷变化时的水位保持在允许范围内, 通常都用蒸汽流量信号和给水流量信号静态配合原则选择。如果要求在不同负荷时,水位的稳
44、定值不变,则 （2-6）一般蒸汽流量变送设备的斜率等于给水流量变送设备的斜率,则 （2-7） 即蒸汽流量前馈装置的传递系数(蒸汽流量信号的灵敏度) 等于给水流量反馈装置的传递系数。2.3.2串级三冲量给水控制系统的分析和整定 控制原理: 串级三冲量给水控制系统的控制原理如图2.11 所示。图2.11 串级三冲量给水控制系统自控原理框图整个系统由两个闭合回路和前馈部分组成的,系统组成如下: 由给水流量W, 给水流量变送器, 给水流量反馈装置副调节器PI2 ,执行器kz 和调节阀k 组成副回路。 由被控对象,水位测量变送器,主调节器PI1 和副回路组成主回路。 由蒸汽流量信号D, 以及蒸汽流量变送
45、器及蒸汽流量前馈装置构成前馈控制部分。 副回路的分析和整定根据串级控制系统的分析整定方法, 应将副回路处理为具有近似比例特性快速随动系统, 以使副回路具有快速消除内扰及快速跟踪蒸汽流量的能力。图3.11中所示副回路与图3.9所示的内回路完全相似,其分析整定原则完全相同。即用试探的方法选择副调节器的比例带2, 以保证内回路不振荡为原则,在试探时,给水流量反馈装置的传递函数可任意设置一个数值,得到满意的2值,如果以后有必要改变,则应相应地改变 2值, 使保持试探时的值,以保证内回路的稳定性。 主回路的分析和整定在主回路中,如果把副回路近似看作比例环节, 则主回路的等效方框图如图3.12 所示。这时
46、,主回路等效为一个单回路控制系统。如果以给水流量W 作为被控对象的输入信号, 则可以把PI1 调节器与副回路两者看作为等效主调节器,它的传递函数为 （2-8） 所以等效主调节器仍然是比例积分调节器, 等效的比例带为 （2-9） 式中1 主调节器PI1 的比例带。等效主调节器的积分时间就是PI1 调节器的积分时间。主回路仍按单回路系统的整定方法整定,如通过试验方法求取主回路被控对象的阶跃响应曲线,并由曲线上求得延迟时间和响应速度,在按曲线整定法中给出的公式计算等效主调节器的整定参数为 （2-10） （2-11）则PI1 调节器的参数为 （2-12） （2-13） 图2.12 串级三冲量给水控制系统的主回路等效图通过对串