1.1.1 概述 锅炉是石油化工、 发电等工业过程中必不可少的重要动力设备， 它所产生的高压蒸汽既 可作为驱动透平的动力源，又可作为精馏、干燥、反应、加热等过程的热源。随着工业生产 规模的不断扩大，作为动力和热源的锅炉，也向着大容量、高参数、高效率方向发展。如某 装置中的一个废热锅炉，能产生 10.8MPa 的高压蒸汽，蒸发量为 181t/h，水在汽包的停留时 间为 10min。另一个辅助锅炉能每小时产生 200t 3.8MPa 的高压蒸汽，水在汽包的停留时间 只有 1min。 锅炉设备根据用途、燃料性质、压力高低等有多种类型和称呼，工艺流程多种多样，为 了了解对锅炉的控制，图 11—19 列出了常见的锅炉设备的主要工艺流程，其蒸汽发生系统 是由给水泵、给水控制阀、省煤器、汽包及循环管等组成。 由图 11—19 可知，燃料与热空气按一定比例送入锅炉燃烧室燃烧，生成的热量传递给蒸汽 发生系统，产生饱和蒸汽 Ds，然后经过热器，形成一定气温的过热蒸汽 D，再汇集到蒸汽 母管。压力为 pm 的过热蒸汽，经负荷设备控制，供给负荷设备用。与此同时，燃烧过程中 产生的烟气， 除将饱和蒸汽变成过热蒸汽外， 还经省煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空 气，最后经引风机送往烟囱，排入大气。 锅炉设备的控制任务是根据生产负荷的需要， 供应一定压力或温度的蒸汽， 同时要使锅 炉在安全、经济的条件下运行。按照这些控制要求，锅炉设备将有如下主要的控制系统。 ①锅炉汽包水位控制。被控变量是汽包水位，操纵变量是给水流量。它主要是保持汽包 内部的物料平衡，使给水量适应锅炉的蒸汽量，维持汽包中水位在工艺允许的范围内。这是 保kaiyun体育全站入口证锅炉、汽轮机安全运行的必要条件，是锅炉正常运行的重要指标。 ②锅炉燃烧系统的控制。有 3 个被控变量：蒸汽压力（或负荷） 、烟气成分（经济燃烧 指标）和炉膛负压。可选用的操纵变量也有 3 个：燃料量、送风量和引风量。组成的燃烧系 统的控制方案要满足燃烧所产生的热量， 适应蒸汽负荷的需要； 使燃料与空气量之间保持一 定的比值，保证燃烧的经济性和锅炉的安全运行；使引风量与送风量相适应，保持炉膛负压 在一定范围内。 ③过热蒸汽系统的控制范围。被控变量为过热蒸汽温度，操纵变量为减温器的喷水量。 使过热器出口温度保持在允许范围内，并保证管壁温度不超过工艺允许的温度。 ④锅炉水处理过程的控制。 这部分主要使锅炉给水的水性能指标达到工艺要求， 一般采 用离子交换树脂对水进行软化处理。 通常应用程序控制， 确保水处理和树脂再生正常交替运 行。 1.1.2 锅炉汽包水位的控制 汽包水位是锅炉运行的重要指标， 保持水位在一定范围内是保证锅炉安全运行的首要条 件，水位过高、过低，都会给锅炉及蒸汽用户的安全操作带来不利影响。首先，水位过高， 会影响汽包内的汽水分离，饱和水蒸汽将会带水过多，导致过热器管壁结垢并损坏，使过热 蒸汽的温度严重下降。如以此过热蒸汽带动汽轮机，则将因蒸汽带液损坏汽轮机的叶片，造 成运行的安全事故。然而，水位过低，则因汽包内的水量较少，而负荷很大，加快水的汽化 速度， 使汽包内的水量变化速度很快， 若不及时加以控制， 将有可能使汽包内的水全部汽化； 尤其是大型锅炉， 水在汽包内的停留时间极短， 从而导致水冷壁烧坏， 甚至引起爆炸， 所以， 必须对汽包水位进行严格的控制。 ⑴汽包水位的动态特性 图 11—19 的锅炉汽水系统，可以图 11—20 来简化其图形结构。决定汽包水位的除了汽 包中（包括循环水管）储水量的多少外，也与水位下汽包容积有关。而水位下汽包容积与锅 炉的负荷、 蒸汽压力、 炉膛热负荷等有关。 在影响汽包水位的诸多因素中， 以锅炉蒸发量 （蒸 汽流量 D）和给水量 W 为主。下面侧重讨论给水流量与蒸汽流量作用下的水位变化的动态

　　式中 K 0 ——飞升速度，即给水流量变化单位流量时水位的变化速度， τ

　　给水温度越低，纯滞后时间τ 越大。通常τ 在 15~100s 之间。如采用省煤器，则由于省 煤器本身的延迟，将使τ 增加到 100~200 之间。 ②汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性， 即干扰通道的动态特性。 在蒸汽流量干扰作 用下，水位变化的阶跃响应曲线 所示。 当蒸汽流量 D 突然增加，在燃料量不变的情况下，从锅炉的物料平衡关系来看，蒸汽 量 D 大于给水量 W，水位变化应如图 11—22 中的曲线 H 。但实际情况并非如此，由于蒸 汽用量突然增加，瞬间必导致汽包压力的下降。汽包内水沸腾突然加剧，产生闪蒸，水中气 泡迅速增加，因气泡容积增加，而使水位变化的曲线 中的 H 。而实际显示的 水位响应曲线 的叠加，即 H=H 1 H 2 。从图中可以看出，当蒸汽量加大时， 虽然锅炉的给水量小于蒸发量，但在一开始，水位不仅不下降反而迅速上升，然后再下降； 反之，蒸汽流量突然减少时，则水位先下降，然后上升。这种现象称之为“虚假水位” 。蒸 汽流量扰动时，水位变化的动态特性可用传递函数表示为：

　　、的设置一般取 1，也可小于 1。 的值应考虑到静态前馈补偿，可现场凑试，也可推导如下。从静态物料平衡看，

　　使汽包水位不变， 成为常数， 应当使 W=D （给水流量等于蒸汽流量） 考虑锅炉排污等损失， 。 W 需稍大于 D，即有： △W＝α △D （11—16） 式中 △W—给水流量的变化量； △D—蒸汽流量的变化量； α —排污系数，α ＞1。 设给水阀的工作特性是线性的，它的放大系数 K v 为： K v =△W/△I （11—17） 式中 △I 为阀门输入信号变化量。

　　特性。 ①汽包水位在给水流量作用下的动态特性，即控制通道的特性。图 11—21 是在给水流 量作用下水位变化的阶跃响应曲线。 如果把汽包和给水看做单容量无自衡对象， 水位阶跃响 应曲线将如图中的 H 线。 由于给水温度要比汽包内饱和水的温度低， 所以给水流量增加后， 需从原有饱和水中吸 取部分热量，使水位下汽包容积减少。当水位下汽包容积的变化过程逐渐平衡时，水位将因 汽包中储水量的增加而上升。 最后当水位下汽包容积不再变化时， 水位变化就完全反映了因 储水量的增加而直线上升。所以图中 H 线是水位的实际变化曲线。在给水量作阶跃变化后， 汽包水位不马上增加，而呈现一段起始惯性段。用传递函数来描述时，它近似于一个积分环 节和纯滞后还节的串联，可表示为：

　　气闭阀，当蒸汽流量加大，给水量亦需加大，I 应减小，即应该取负号；若采用气开阀，I 应增加，即应取正号。而 I 0 的符号与 C 2 相反。这样，加法器的运算应该为： 气闭阀时 气开阀时

　　K 2 —响应曲线 —响应曲线 的时间常数。 虚假水位的变化大小与锅炉的工作压力和蒸发量等有关。对于一般 100~300t/h 的中高 压锅炉，当负荷变化 10%时，虚假水位可达 30~40mm。虚假水位现象属于反向特性，给控 制带来一定的困难，在控制方案设计时，必须引起注意。 （2）单冲量控制系统 单冲量控制系统即汽包水位的单回路液位控制系统， 11—23 所示是典型的单回路控 图 制系统。这里的冲量一词指的是变量，单冲量即汽包水位。 这种控制系统结构简单，对于汽包内水的停留时间长，负荷变化小的小型锅炉，单冲 量水位控制系统可以保证锅炉的安全运行。

　　③ 双冲量控制系统的其他形式 双冲量控制系统除了图 11—24 所示的形式外， 还可 有其他几种形式。图 11—25 所示的双冲量控制系统把加法器放在控制器之前，犹如双冲量

　　均匀控制系统的接法。 因为水位上升与蒸汽流量增加时，要求控制阀的动作方向相反，所以一定是信号相减。 这种接法如果用一只双通道的控制器，就可以省去加法器，减少仪表。但如果水位控制器采 用 PI 作用，则这种接法不能保证水位的无差。只有把蒸汽流量信号经过微分，且不引入固 定分量，才能使水位控制实现无差，如图 11—26 所示。 （4）三冲量控制系统 双冲量控制系统对于给水干扰不能及时克服这个问题，同样不能解决。此外，由于控 制阀的工作特性不一定完全线性，做到静态补偿也比较困难。为此，把给水流量信号引入， 构成三冲量控制系统。 图 11—27 所示的三冲量控制系统，实质上是前馈（蒸汽流量）串级控制系统，从它的 系统方块图 11—28 可明显地看出。 ①加法器系数 C 的确定 如果给水流量的测量是线性的，则有： △ I F ＝

　　I 0 设置目的是在正常负荷下，使控制器和加法器的输出都有一个比较适中 I 0 值与 C I

　　②阀的开闭形式、控制器正反作用及运算器符号决定 为了确保双冲量控制系统能按照设 计意图正常运行，必须正确选定控制阀的开闭形式、控制器的正反作用以及运算器的符号。 决定的步骤是：首先从工艺安全出发，选定阀的开闭形式，然后再依次确定控制器正反作用 与运算器符号。 a、阀的开闭形式选定 从工艺安全角度来考虑，若以保护锅炉安全为主，选气闭式；如以 保护汽轮机用户安全为主，则选气开式。 b、LC 控制器的正反作用 把控制系统视为负反馈系统，因此当气闭阀时为正作用，气开 阀时则为反作用。 c、运算器符号 首先确定 C 2 项是取正号还是负号，它取决于控制阀的开闭形式。若选用

　　但是，单冲量控制系统存在三个问题。 ①当负荷变化产生虚假液位时，将使控制器反向错误动作。例如，蒸汽负荷突然大幅度 增加时，虚假水位上升，此时控制器不但不能开大给水阀，增加给水量，反而关小控制阀， 减少给水量。 等到虚假水位消失时， 由于蒸汽量增加， 送水量反而减少， 将使水位严重下降， 波动厉害， 严重时甚至会使汽包水位降到危险程度而发生事故。 因此这种系统克服不了虚假 水位带来的严重后果。 ②对负荷不灵敏。负荷变化时，需引起汽包水位变化后才起控制作用，由于控制缓慢， 导致控制质量下降。 ③对给水干扰不能及时克服。 当给水系统出现扰动时， 同样需等水位发生变化时才起控 制作用，干扰克服不及时。 为了克服上面三个问题， 除了依据汽包水位以外， 也可依据蒸汽流量和给水流量的变化 来控制给水阀，将能获得良好的控制效果，这就产生了双冲量和三冲量水位控制系统。 （3）双冲量控制系统 针对单冲量控制系统不能克服虚假水位的影响，如果根据蒸汽流量作为校正作用，就 可以纠正虚假水位引起的误动作， 而且也能提前发现负荷的变化， 从而大大改善了控制品质。 将蒸汽流量信号引入，就构成了双冲量控制系统。图 11—24 是典型的双冲量控制系统的原 理图及方块图。 图 11—24 所示双冲量控制系统，实质上是一个前馈（蒸汽流量）加单回路反馈控制的 前馈—反馈控制系统。这里的前馈仅为静态前馈，若要考虑两条通道在动态上的差异，则还 需引入动态补偿环节。 ①加法器系数的确定 图 11—24 中的加法器，其运算式为：