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　　1 前言

　　工廠熱工自動化水平的高低是衡量工廠生產技術的先進與否和企業現代化的重要標志。其中，全自動鍋爐給水及水位的調節已經完全采用自動的方式加以控制，在不需要操作人員干預的情況下，可以很好的完成生產過程中的給水及水位控制，大大提高了生產效率。汽包鍋爐給水控制系統的任務是使給水量適應鍋爐蒸發量，并使汽包中水位保持在一定的范圍內。只有保證汽包水位的波動在允許范圍內，才能實現機組安全經濟運行。因此，汽包水位是影響整個機組安全經濟運行的重要因素，所以就要有一套較好的控制方案，來實現汽包水位的控制。

　　鍋爐作為一種把煤、石油或天然氣等化石燃料所儲藏的化學能轉換成水或水蒸氣的熱能的重要設備，長期以來在工業生產和居民生活中都扮演著極其重要的角色，它已經有二百多年的歷史了，但是鍋爐工業的迅猛發展卻是近幾十年的事情。國外的鍋爐控制工業50 ～60 年代發展最快，70年代達到高峰。我國的鍋爐工業是在新中國成立后才建立和發展起來的，1953年在上海首創了上海鍋爐廠,從其在生產和生活中所起的作用不同，鍋爐可分為電站鍋爐，主要用于發電;工業鍋爐，主要用于直接供給工農業生產或驅動機械能源;生產鍋爐，主要用于為居民提供熱水和供居民取暖。應該說鍋爐控制問題伴隨著鍋爐的出現也就相應的出現了，它長期以來就是控制領域的一個典型問題。伴隨著控制理論和控制技術的發展，鍋爐自動化控制的水平也在逐步提高。計算機很強的記憶功能，邏輯判斷功能以及快速計算功能為實現任意的控制算法提供了可能，這樣，先進的控制理論和控制算法進入鍋爐控制已經有了可能性。

       在串級控制系統中， 參數的整定也是非常重要的， 由于在系統中所設計的對象是確定的，所以只有對調節器進行整定，控制系統的參數整定有理論計算方法和工程整定方法，理論計算方法是基于一定的性能指標，結合組成系統各環節的動態特征，通過理論計算求得調節器的動態參數設定值;而工程整定法，則是源于理論分析，結合實驗、工程實際經驗等一套工程上的方法，其具體方法將在本設計中體現。

　2 汽包水位特性

      鍋爐給水管路連接是和機爐連接方式相適應的，可分母管制與單元制兩類。母管制給水系統是指具有全廠鍋爐共用的給水母管系統。全廠所有的給水泵都連在給水母管上;而每臺鍋爐的給水調節則用各自連接在給水母管上的給水調節門進行。典型的連接如圖1所示。

圖 1 母管制鍋爐給水系統示意圖

　　在上圖1中，#1門是主給水調節閥，#2門是備用主給水調節閥，這兩個閥門允許通過100%負荷的給水量;#3門是旁路給水調節閥，允許通過25%~30%左右負荷的給水量。為了防止調節閥全閉時漏流，各條管路上都安裝了電動截止門#4，#5和#6。為了檢修方便，在主給水管路上又安裝了總的電動截門#7 。此外還裝有鍋爐點火時省煤器用再循環門和事故放水電動截止門#8和#9。

　　另一類是單元制給水系統，每臺單元機組都有自己獨立的給水管路系統。比較典型的有汽動泵、電動泵混合型及單純電動泵組兩種。

　　汽動泵電動泵混合型給水系統共有三臺主給水泵， 其中兩臺是可變速的汽動泵，它們在高負荷時使用。另一臺是定速電動泵，在單元機組啟動及低負荷時使用。由于機組啟動階段還不能得到穩定的氣源，汽動變速泵無法使用，故先用電動泵。這時電動泵通常是工作在定速工況， 所以需用給水調節閥調節給水量。為了保證泵在低負荷時出口有足夠的流量，防止給水泵產生汽蝕現象，安裝了再循環管路。

　　電動泵組單元制給水系統結構的典型形式是三臺可變速電動給水泵并聯，兩臺運行一臺備用，泵的轉速變化依靠液壓聯軸節(靠背輪)滑差實現。為了保證泵的安全運行特性，通常也裝有再循環門和調節閥門。

       3 測量信號的自動校正設計

　　蒸汽參數和負荷在很大范圍內變化，這就使水位、給水流量和蒸汽流量測量信號的準確性受到影響。為了實現全程自動控制，要求這些信號能夠自動地進行壓力、溫度校正。

       3.1過熱蒸汽流量信號的壓力、溫度校正設計

　　過熱蒸汽流量測量通常采用標準噴嘴。這種噴嘴基本上是按定壓運行額定工況參數設計，在該參數下運行時， 測量精度是較高的。但在對系統進行控制時，運行工況不能基本固定。當被測過熱蒸汽的壓力和溫度偏離設計值時，蒸汽的密度變化很大，這就會給流量測量造成誤差， 所以要進行壓力和溫度的校正。

　　可以按下列公式進行校正：

　　式中

       D -------- 過熱蒸汽流量;

　　P-------- 過熱蒸汽壓力;

　　T --------過熱蒸汽溫度;　　

      --------節流件差壓;

　　--------過熱蒸汽密度;

　　k --------流量系數。

　　3.2水位信號的壓力校正設計

　　由于汽包中飽和水和飽和蒸汽的密度隨壓力變化，所以影響水位測量的準確性。通常可以采用以下方法進行壓力校正。

　　采用電氣校正回路進行壓力校正，就是在水位差壓變送器后引入校正回路。

（* 注：pb  - 汽包壓力；H- 汽水連通管之間垂直距離，即最大變化范圍；h- 汽包水位高度；p1 ，p₂- 夾在差壓變送器兩側的壓力；g s - 飽和蒸汽的密度；g G  - 飽和水的密度；g a - 汽包外平衡容器內凝結水的密度。）

圖 2 汽包水位測量系統　　　

　　圖2 表示單元單容器平衡測量系統。從圖中可以看出：

　　當H一定時，水位h是壓差和汽、水密度的函數。密度g a與環境溫度有關，一般可取50℃時水的密度。在鍋爐啟動過程中，水溫略有增加，但由于同時壓力也升高，兩種因素對g a的影響基本上可抵消，即可近似地認為g a時恒值。而飽和水和飽和蒸汽的密度g G 和

g s 均為汽包壓力pb 的函數，即

　　3.3給水流量信號的溫度校正

　　計算和實驗結果表明：當給水溫度為100℃不變， 壓力在0 .1 9 6 -1 9 .6 Mpa范圍內變化時，給水流量的測量誤差為0.47%;若給水壓力為19 .6 Mpa不變，給水溫度在100- 290℃溫度范圍內變化時，給水量測量誤差為13%。所以，對給水流量測量信號可以只采用溫度校正， 若給水溫度變化不大， 則不必對給水流量測量信號進行校正。

　　4 系統無擾切換設計

　　低負荷時，由于蒸汽參數低，負荷變化小，虛假水位現象不太嚴重，對維持水位恒定的要求又不高，所以允許采用單沖量給水控制系統。此時如果采用多種自動校正措施，則會使系統結構復雜，整定困難，同時仍然存在誤差。于是出現了低負荷時采用單沖量，高負荷時采用三沖量給水控制系統，如圖3所示。

圖 3 單沖量系統與三沖量系統相互切換和跟蹤線路

　　圖中PI1是低負荷時的單沖量給水調節器，它只接受經過自動校正后的水位信號。高負荷時采用串級三沖量給水控制系統，其中PI2為主調節器，接受水位信號。PI3 為副調節器，除接受主調節器校正信號外，還接受蒸汽流量信號D及給水流量信號W。兩套控制系統的切換是根據鍋爐負荷(蒸汽流量)的大小進行的。蒸汽流量信號送入

　　偏差報警繼電器1 K J，控制繼電器接點1 C和3 C。當單沖量系統運行時，1C閉合，3C斷開。當要求三沖量系統運行時，3C閉合，1C斷開。系統的切換在25%負荷左右進行。為了防止因負荷波動造成系統反復切換，切換值應有10%的滯環值，就是說由單沖量系統切換為三沖量系統是在30%負荷下進行的，由三沖量系統切換為單沖量系統是在20%負荷下進行的。

　　當三沖量系統運行時，要求PI1調節器的輸出跟蹤PI3 調節器的輸出; 單沖量系統運行時， 要求PI3調節器的輸出跟蹤PI1調節器的輸出;主調節器PI2的輸出應保證加法器 ? 的輸出跟蹤給水流量信號。所謂比較線路是由比較器和積分器組成得線路。

　　如果在信號跟隨電路中客觀需要加入一些其他信號， 例如圖3中，串級調節系統要求副調節器給定信號跟隨給水流量信號W，在PI1調節的積分器后又加入了蒸汽流量信號D，即中間加入了附加信號，仍能使從動信號跟隨主動信號。這是因為電路中有積分器和負反饋，并形成閉合回路，最后總能使比較器輸入信號代數和為零，始終使加法器輸出(即副調的給定值)跟蹤給水流量W值，保證副調節器入口偏差為零，從而保證無擾切換。