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1、工业燃煤锅炉DCS控制系统设计（子课题：控制方案的组态及监控画面的制作）摘要：本文叙述了工业燃煤锅炉的工作原理，具体阐述了锅炉控制中对汽水控制系统方案和自动检测的设计，利用了ControlBuilder软件、UMC800控制器和FIX软件进行35吨工业燃煤锅炉汽水系统的自动检测与控制回路的组态，并设计了友好的监控画面。关键词：锅炉FIXUMC800控制系统汽水系统蒸汽压力引言锅炉微机控制，是近年来开发的一项新技术，它是微型计算机软件、硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物，我国现有中、小型锅炉30多万台，每年耗煤量占我国原煤产量的1/3，目前大多数工业锅炉仍处于能耗高、浪费大、环境污
2、染严重的生产状态。提高热效率，降低耗煤量，降低耗电量，用微机进行控制是一件具有深远意义的工作。工业锅炉采用微机控制和原有的仪表控制方式相比具有以下明显优势：1直观而集中的显示锅炉各运行参数。能快速计算出机组在正常运行和启停过程中的有用数据，能在显示器上同时显示锅炉运行的水位、压力、炉膛负压、烟气含量、测点温度、燃煤量等数十个运行参量的瞬时值、累计值及给定值，并能按需要在锅炉的结构示意画面的相应位置上显示出参数值。给人直观形象，减少观察的疲劳和失误；2可以按需要随时打印或定时打印，能对运行状况进行准确地记录，便于事故追查和分析，防止事故的瞒报漏报现象；3在运行中可以随时方便的修改各种运行参数的控
3、制值，并修改系统的控制参数；4减少了显示仪表，还可利用软件来代替许多复杂的仪表单元，（例如加法器、微分器、滤波器、限幅报警器等），从而减少了投资也减少了故障率；5提高锅炉的热效率。从已在运行的锅炉来看，采用计算机控制后热效率可比以前提高5-10%，据用户统计，一台20T的锅炉，全年平均负荷70%，以平均热效率提高5%计，全年节煤800吨，按每吨煤380元计算每年节约304000元；6锅炉系统中包含鼓风机，引风机，给水泵，等大功率电动机，由于锅炉本身特性和选型的因素，这些风机大部分时间里是不会满负荷输出的，原有方式采用阀门和挡板控制流量，浪费非常严重。通过对风机水泵进行变频控制可以平均节电达到3
4、0%-40%；7锅炉是一个多输入多输出、非线性动态对象，诸多调解量和被调量间存在着耦合通道。例如当锅炉的负荷变化时，所有的被调量都会发生变化。故而理想控制应该采用多变量解偶控制方案。而建立解偶模型和算法通过计算机实现比较方便；8锅炉微机控制系统经扩展后可构成分级控制系统，可与工厂内其他节点构成工业以太网。这是企业现代化管理不可缺少的；9作为锅炉控制装置，其主要任务是保证锅炉的安全、稳定、经济运行，减轻操作人员的劳动强度。在采用计算机控制的锅炉控制系统中，有十分周到的安全机制，可以设置多点声光报警，和自动连锁停炉。杜绝由于人为疏忽造成的重大事故。综合以上所述种种优点可以预见采用计算机控制锅炉系统
5、是行业的大势所趋。本书主要介绍了35吨燃煤锅炉的工艺过程，利用Lead-LineControlBuilder软件实现工业燃煤锅炉汽水控制系统的组态，并用FIX上位机监控软件设计了汽水控制系统的人机界面。基于FIX与HoneywellUMC800控制器对35吨工业燃煤锅炉汽水系统的DCS控制系统的配置。在本书的编写过程中，得到了付丽霞老师的大力支持，在此表示由衷的感谢。由于时间仓促，加之作者的水平有限，书中错误和不妥之处在所难免，恳请读者批评指正，并提出宝贵的意见。编者2006年6月第1章锅炉概述1.1锅炉的一般结构与特点锅炉是一种生产蒸汽的换热设备。它通过煤、油或天然气等燃料的燃烧释放出化学能
6、，并通过传热过程把能量传递给水，使水转变成蒸汽，蒸汽直接供给工业生产中所需的热能，或通过蒸汽动力机械转换为机械能，或通过汽轮发电机转换为电能。所以锅炉的中心任务是把燃料中的化学能最有效地转换为蒸汽的热能。因此，近代锅炉亦称作蒸汽发生器。锅炉除了和所有动力机械产品一样，必须不断降低成本并提高效率和质量以外，由于锅炉本身的特性，它还具有以下特点。1、可靠性要求高。锅炉一旦事故停炉，将使电厂临时对外供电，影响甚广，其直接、间接损失远远超过锅炉本身的价值。2、综合性强。锅炉与汽轮机、发电机同为电厂三大主机，但锅炉除了一般性的产品内在矛盾外，还要能适应燃料性质，使整个电厂得到安全经济的运行，因而多了一个
7、外在矛盾。此外，锅炉还和其他工业部门的发展有着十分密切的关系，如石油化工企业中的废热锅炉，蒸汽燃气联合动力装置中的压力燃烧锅炉及核反应堆工程中的蒸汽发生器等等。3、金属耗量和体积大。以一台配30万千瓦机组的电站锅炉为例，金属耗量达四千多顿，体积达二万多立方米。4、生产周期长。一台大容量锅炉从设计、制造、安装到投入运行，目前一般需时二到三年，今后即使采用设计新技术及制造安装新工艺，提高自动化水平，要想把上述全过程在更短时间内完成，还是比较困难的。5、锅炉产品不能在制造厂内整装试运。除小容量工业锅炉外，不可能把锅炉在制造厂内全部组装好并投入试运行，这给鉴定和提高产品质量带来不少困难。1.2锅炉的工
8、作原理现在我们以一台35顿工业燃煤锅炉为例，来说明锅炉的工作过程及原理。如图1.1所示。锅炉通过燃煤燃烧释放热量，使水变成蒸汽，以供生产需要。该锅炉通过链条炉排把煤送入炉膛中燃烧，锅炉的蒸发受热面都在炉子内壁上，组成水冷壁，充分利用炉膛中的高温烟气辐射出的热量，使燃烧产物在进入以后的对流受热面时，可以达到必须的冷却，同时也起到了保护炉墙的作用。后墙水冷壁（在水平烟道前方）拉稀成数列凝渣管束。拉稀的作用是防止结渣，同时对其后方的过热器也起了保护的作用。过热器放在水平烟道中，位于凝渣管束的后方，过热器的作用是把从锅炉（汽包）出来的饱和蒸汽加热成过热蒸汽，目的是减少供热管道内的冷凝损失。烟气经过过热
9、器后温度降低，然后转弯至尾部受热面尾部受热面之一的省煤器（位于尾部竖井的上方）。省煤器的作用是使给水在进入锅筒之前，被预先加热到某一温度（低于饱和温度或达到饱和温度，甚至产生部分蒸汽）。另一尾部受热面，即空气预热器，它的作用是使空气在进入炉膛以前被加热到一定温度，以改善炉内燃烧过程、降低排烟温度、提高锅炉效率。锅炉的工作情况如下：给水在除氧器被高温蒸汽除氧并加热，由给水管道将水送至省煤器，在其中被加热到某一温度后，进入锅筒，然后沿下降管下行至水冷壁进口集箱。水在水冷壁内吸收炉膛内的辐射热而形成汽水混合物上升到锅筒中，蒸汽经过汽水分离装置，由锅筒上部离开，流到过热器中。在过热器内，饱和蒸汽继续吸
10、热成为过热蒸汽，然后经汽水分离器送往储气罐。煤经链条炉排，进而入炉膛，在炉膛燃烧放出大量的热量。燃烧后的热烟气上升，经过凝流管束、过热器、省煤器和空气预热器后，再经除尘装置清除其中的飞灰，最后才由风机送往烟囱排往大气。第2章锅炉控制系统中各控制回路的介绍锅炉控制系统，一般有燃烧控制、汽水控制、气温控制三大任务，锅炉的燃烧控制实质上是能量平衡系统，它以蒸汽压力作为能量平衡指标，不断根据用汽量与压力的变化调整燃料量与送风量，同时保证燃料的充分燃烧及热量的充分利用；汽水控制主要就是对锅炉汽包的水位进行控制；气温控制则是对锅炉中蒸汽温度的调节及控制，下面就简单的介绍一下各控制系统的控制方法。2.1燃烧
11、控制2.1.1锅炉汽压的调整锅炉运行时主蒸汽压力的控制是通过锅炉出力与汽轮机蒸汽进汽量的平衡来实现的，当两者平衡时，对于定压运行的机组，便能稳定工况、变工况或各种扰动下均保持主蒸汽压力的稳定；对于变压运行的机组，便能始终保持主蒸汽压力按负荷对应的关系进行变化。锅炉在运行时，汽压总是被作为被监视和控制的主要参数之一，汽压降低会减少蒸汽在汽轮机中膨胀作功的焓降，使蒸汽作功能力降低，在外界负荷不变情况下，汽耗量也随之增大，从而降低发电厂的经济性；同时汽轮机的轴向推力增加容易发生推力轴瓦烧坏等事故。如果蒸汽压力降低过多会使汽轮机被迫不能保持额定负荷。汽压过高，使汽轮机转子以及汽缸、锅炉承压管道那机械应
12、力过大，将危及机炉和蒸汽管道的安全。锅炉汽压高低对于汽包水位、汽温等主要运行参数也有很大影响，当汽压降低由于对应的饱和温度降低，使部分炉水蒸发，会引起炉水体积膨胀，故汽包水位要上升，反之则炉水体积要收缩，汽包水位下降，引起虚假水位。汽压变化对汽温的影响，一般是汽压升高时，过热蒸汽的温度也升高，这是因为，当气压升高时对应的饱和温度的焓值增大，在燃料消耗量未改变时，锅炉的蒸发量要瞬间减小，在传热系数传热面积和传热温压基本不变的情况下，平均每公斤蒸汽的吸热量必然增大，导致过热蒸汽温度升高。汽压变化的速度表明了锅炉保持及恢复汽压的能力，汽压的变化速度影响因素是：负荷的变化速度、锅炉的储热能力及燃烧设备
13、的惯性等。负荷变化是主动也是影响最大的因素，负荷变化速度越快，引起汽压变化的速度也越快，对于单元制机组而言，汽轮机负荷的变化幅度将直接影响锅炉主蒸汽压力的变化。锅炉储热能力是指当外界负荷变化而燃烧工况不变时，锅炉能够放出或者吸收热量的能力，锅炉的储热能力对汽压的变化是一个缓冲作用。燃烧设备的惯性是指从燃料量开始变化到炉内建立新的热负荷所需要的时间，在锅炉运行时，燃烧设备惯性越大，负荷变化时，汽压变化的速度就越慢。汽压变化反应了锅炉蒸发量与外界负荷之间的平衡，由于外界负荷、炉内燃烧工况、换热情况以及锅炉内工作情况经常变化，引起锅炉蒸发量的不断变化，所以汽压的变化与波动是必然的，汽压稳定只是相对的
14、。引起锅炉汽压的变化原因很多，主要有两方面：一是锅炉内部因素，一是锅炉外部因素。外部因素是指非锅炉设备本身的原因造成的扰动，主要有外界负荷的变化；高压加热器因故障退出运行；给水压力变化。内部因素主要是指炉内燃烧工况的变动和锅炉内工作情况的异常。当外界负荷不变时，汽压的稳定主要取决于炉内燃烧工况，此外锅炉换热状况的改变也会影响汽压的稳定。对于判断汽压变化的原因主要可以考虑：当蒸汽压力与蒸汽流量的变化方向相反时，是由外部因素造成的；若汽压与蒸汽流量的变化一致时，通常是由于内部扰动的影响。当汽压下降时蒸汽流量下降，说明燃料燃烧的供热量不足，当汽压上升的同时，蒸汽流量增加，说明燃烧供热量偏多。2.1.
15、2锅炉燃烧的调整炉内燃烧调节的具体任务归纳为四点：（1）保证产汽量适应外界负荷的需要，汽压汽温和汽包水位稳定在正常范围内。（2）着火稳定，燃烧中心适当，火焰分布均匀，不烧毁喷燃器过热器等设备，避免结渣。（3）燃烧完全，使机组处于最佳经济状况。（4）炉膛负压的参数调整。负荷变化是锅炉运行中经常碰到的，此时必须及时调整送入炉膛的燃媒量和空气量，相应的改变燃烧工况。锅炉在高负荷下运行时，由于炉膛温度高，着火与混合条件较好，故燃烧一般是稳定的，此时可适当减少过量空气系数，这样既可以减少排烟，又可使炉内温度提高。锅炉在低负荷下运行时，燃烧弱，炉膛温度低，火焰充满度差，燃烧不稳定，可以将炉膛负压适当减小，
16、以减少漏风，提高炉膛温度。燃烧的调节主要包括送引风量的调节。燃料量的调节和燃烧调节等。锅炉负荷发生改变而需要调节进入炉内的燃料量时，通过增加或者减少送煤量的多少来实现。锅炉负荷变化时，送入炉内的风量必须与送入炉内的燃料量相适应，同时也必须对引风量进行相应的调整，通常采用送引风机风量来进行炉内风量调节，目前大型锅炉多采用轴流式风机，通过调节送引风机动叶的角度来改变送引风量的大小。22汽水控制2.2.1汽包水位的调整及控制当汽包水位过高时，由于汽包蒸汽容积和空间高度减小，蒸汽携带的水份会增加，从而蒸汽的品质恶化，容易造成过热器积盐垢，使管子过热损坏。同时，盐垢增加，传热热阻也增大，将引起传热恶化，
17、过热汽温下降使经济性下降。汽包严重满水时，会造成蒸汽大量进水，除引起蒸汽温度急剧下降外，还会引起蒸汽管道和汽轮机内产生严重水冲击，甚至打坏汽机叶片。汽包水位过低则可能破坏水循环，使水冷壁管的安全受到威胁，如果出现严重缺水而又处理不当时，则可能造成水冷壁爆管。汽包水位是否稳定首先取决于锅炉负荷的变动量及其变动速度，因为它不仅影响蒸发设备中水的消耗量，而且还会造成压力的变化，从而引起炉水状态发生变化，促使它的体积也发生变化。锅炉负荷突然增加时，在给水量和燃烧未做相应的调整之前，汽包水位先升高，而后再逐渐降低；而汽压则很快下降。汽压下降的结果，一方面造成汽水混合物比容增大水位上升；另一方面使饱和温度
18、降低，造成金属和炉水放出部分热量用来蒸发炉水，因此炉水内的蒸汽数量大大增加，汽水混合物体积膨胀，促使水位很快上升，形成虚假水位。因此在负荷突然增加时，水位暂时很快上升，从物质不平衡的情况看，蒸发量大于给水量，炉水不是多了而是少了，水位会很快下降。在锅炉负荷和给水量未发生变化的情况下，炉内燃烧工况发生变动多数是由于燃烧不良，给煤量的不稳定所引起。当燃烧加强时，炉内放热量增加，受热面吸热量也增加，炉水汽水加强，炉水中产生的蒸汽汽泡数量增多，体积膨胀，水位暂时提高，由于产生的蒸汽量不断增多，汽压上升，相应提高了饱和温度，使炉水中的蒸汽汽泡数量有所减少，水位又会下降。对于单元机组，如果此时汽压不能恢复
19、则汽轮机调节机构将要关小调速汽门，进汽量减少，因此水位又会上升。燃烧减弱时，情况与之相反。给水压力升高则给水量增多，从而破坏了给水量与蒸发量的平衡，因此必然引起汽包水位的波动，在其他情况为改变的情况下，给水压力升高使给水量增大，水位升高，给水压力低使给水量减少时，水位下降。23汽温控制2.3.1过热器和再热器蒸汽过热器是锅炉的重要组成部分，它的作用是把从汽包出来的饱和蒸汽加热到具有一定过热度的合格蒸汽，并要求在锅炉变工况运行时，保证过热蒸汽温度在允许范围内。汽轮机高压缸的排汽先送到锅炉的再热器中，经过再一次加热升温到一定的温度后，返回到汽轮机的中低压缸和低压缸中继续膨胀做功。通常，再热蒸汽压力
20、为过热蒸汽压力的20%左右，再热蒸汽温度与过热蒸汽温度相近。我国125MW及以上机组都采用了中间再热系统。随着蒸汽参数的提高，过热蒸汽和再热蒸汽的吸热量份额增加，在现代高参数大容量锅炉中，过热器和再热器的吸热量占工质总吸热量的50%以上，因此，过热器和再热气受热面在锅炉总受热面中占有很大比例。再热器的进汽是汽轮机高压缸的排汽，它的压力约为主蒸汽压力的20%左右，温度稍高于相应的饱和温度，流量约为主蒸汽流量的80%，离开再热器后的蒸汽温度约等于主蒸汽温度。再热器与过热器相比，有以下几个特点。（1）再热蒸汽压力低，蒸汽与管壁之间的对流放热系数小，再热蒸汽对管壁的冷却效果差；（2）再热蒸汽压力低、温
21、度高、比容大，再热蒸汽的容积流量比主蒸汽大的多，再热蒸汽连接管道直径比过热蒸汽大；（3）再热蒸汽对汽温偏差较敏感；（4）再热蒸汽出口气温受进口气温的影响；（5）当汽轮机甩负荷或机组起停时，再热蒸汽无蒸汽冷却，可能烧坏，因此过热器和再热器之间装有高压旁路，将过热蒸汽通过高压旁路快速减温减压后引入再热器，从而起到保护再热器的作用。通常采用的汽温调节方法有：使用喷水减温器，喷水减温是将水直接喷入过热蒸汽中，水被加热、汽化和过热，吸收蒸汽中的热量，达到调节汽温的目的。汽气热交换器；蒸汽旁通法；烟气再循环；分隔烟道挡板调温法，当再热器布置在锅炉尾部烟道内时，为了调节再热气温，有时把尾部烟道用隔墙分开，分
22、别将再热器和低温过热器布置在两个并联的烟道中，在它们后面布置省煤器，在出口处设有可调烟气挡板，调节烟气挡板，可以改变流经两个烟道的烟气流量，从而调节再热汽温。2.3.2蒸汽温度的调整及控制过热器出口汽温是蒸汽质量的重要指标之一，过热蒸汽汽温过高，会加快金属材料的蠕变，还会使过热器蒸汽管道汽轮机高压部分产生额外的热应力，从而缩短设备的使用寿命。汽温过低，会使汽轮机最后几级的蒸汽湿度增加，对叶片的侵蚀作用加剧。严重时还会发生水冲击。当压力不变时汽温加大，蒸汽的热焓必然减少，蒸汽的做功能力将减少，汽耗必然增加，工厂经济性降低。影响汽温变化的主要因素是多种多样的，这些因素还可以同时发生。烟气侧的主要影
23、响有：燃料性质的变化，挥发分降低，含炭量增加时，火焰中心上移，炉膛出口烟温升高，将使得汽温升高，燃煤水份增加，炉膛出口烟温增加，烟气流速增加，这样使得对流过热器的传热系数增大，吸热增多汽温升高。风量及其分配的变化，由于送风量或者漏风量增加而使炉内过量空气系数增加时，燃烧生成的烟气量增多，烟气流速提高，导致对流过热器汽温升高，但是，如果风量不足，燃烧不好而在烟道再燃烧时，会使烟气对流过热器的升高，而且可能造成过热器超温损坏。蒸汽侧的主要影响有：锅炉负荷的变化，实际锅炉中，联合过热器的负荷特性通常是呈对流式的，即过热器出口汽温随锅炉负荷增加而升高；但是，当负荷突然增加燃烧工况来不及改变，在汽压未恢
24、复前，由于过热器的加热条件没有改变而流经过热器的蒸汽流量变大了，因此这时的汽温降低。给水温度变化时，为适应加热给水量的变化，导致汽温改变。例如，当给水温度降低时，加热给水所需要的热量增加，燃料消耗量必然要增加，进入到对流过热器的烟温和烟速都要提高，过热器的吸热量增加，但此时流经过热器的蒸汽量并未改变，因此汽温必然升高。由于汽温的变化是由蒸汽侧和烟气侧两方面共同影响的，因此对过热蒸汽汽温的调节也可以从这两方面来进行。蒸汽侧调节过热蒸汽的温度的原理在现代电厂中是利用给水作为冷却工质去直接冷却蒸汽，改变蒸汽的焓增量。为此需要设置减温器，它是将给水之恶疾呈雾状喷射到过热蒸汽中去与之混合，吸收蒸汽的热量
25、使本身加热蒸发过热，并成为过热蒸汽的一部分。蒸汽侧调节汽温的特点是，它只能使蒸汽减温而不能升温。由于一般联合过热器的运行特性都偏向于对流特性，所以当锅炉负荷降低时，汽温也将下降，这时减温水就应关小，直至减温器解列为止，如果此后负荷再降低，由于过热蒸汽失去汽温调节手段，主汽温度就不能保持额定值，故锅炉一般不宜在这样低的负荷下运行。上面我们对锅炉的三大任务进行了简单的介绍和认识，现在来具体谈谈锅炉的汽水控制系统。第3章锅炉汽水控制系统各控制回路3.1锅炉水处理系统3.1.1除氧的目的和原理锅炉给水中含有大量的氧就会引起锅炉氧腐蚀。因此为了防止锅炉的氧腐蚀，必须控制给水中氧的含量。大型锅炉的给水除氧
26、，大都以热力除氧为主。热力除氧的原理是根据再恒温和平衡状态下，任何气体在水中的溶解度与该气体在水面上的分压力成正比。即水中的温度越高，水中气体的溶解度就越小。当水的温度上升到沸点时，它就不再具有溶解气体的能力，因此各种气体如O2和CO2便从水中解析出来，从而达到除去水中氧及其他气体的目的。通过对原水进行过滤、离子交换、除氧就可以得到符合水质指标的给水。但仅仅是锅外水处理还不够，在锅外水处理的同时还需进行锅内水的处理。通常情况下向锅内投加药剂（如Na3PO4、NaOH），使进入锅内的杂质沉淀物形成水渣，或是使水垢转变为水渣，通过定期排污或连续排污排出。在锅炉运行中，人要随时对锅炉进行水质监控，保
27、证锅炉的安全运行。水处理分为锅外水处理：沉淀软化（石灰沉淀软化、石灰-纯碱软化）、离子交换软化（Na+、H+）和锅内水处理：加药（NaCO3、NaOH、Na3PO4、栲胶）、排污控制两项。在锅炉运行中，水处理是个必不可少的环节。如果水质不良，会造成锅炉受热面上结垢和金属腐蚀。因此，工业锅炉水处理工作，就是采取有效措施，保证锅炉的汽、水品质，防止锅炉结垢，腐蚀及汽水共滕等不良现象发生，同时，为了环保以及节约水资源，还对运行过程中产生的污水进行一系列的处理，并使处理出来的水进行二次利用，这样，即可节约水资源，又达到环保的要求。3.2除氧控制锅炉是企业的主要动力设备，锅炉设备运行状况的好坏直接影响到
28、全厂的产品质量及经济效益。对于烟厂的节能与设备管理达标与否，也产生很大的影响。而锅炉设备的使用要达到高效率，最为关键的便是工艺指标的严格控制。3.2.1除氧器除氧器的主要作用是除去给水中的氧气，保证给水的品质。水中溶解了氧气，就会使与水接触的金属腐蚀;在热交换器中若有气体聚集就会妨碍传热过程的进行，降低设备的传热效果。因此水中溶解有任何气体都是不利的，尤其是氧气，它将直接威胁设备的安全运行。除氧器本身又是给水回热系统中的一个混合式加热器，同时高压加热器的疏水、化学补水及全厂各处水质合格的疏水、排气等均可通入除氧器汇总并加以利用，减少发电厂的汽水损失。当水和某种气体混合物接触时，就会有一部分气体
29、融解到水中去。气体的溶解度就是表示气体溶解于水中的数量，以毫克/升计值，它和气体的种类以及它在水面的分压力、和水的温度有关。在一定的压力下，水的温度越高，气体的溶解度就越小；反之气体的溶解度就越大。同时气体在水面的分压力越高其溶解度就越大，反之其溶解度也越低。天然水中常含有大量溶解的氧气可达10毫克/升。汽轮机的凝结水可能融有大量氧气，因为空气能通过处于真空状态下的设备不严密部分渗入进去。此外，补充水中也含有氧气及二氧化碳等其他气体。液面上气体混合物的全压力中，包括有液体蒸汽的分压力。将水加热时，液面附近水蒸气的分压力就会增加，相应的液面附近其他气体的分压力就会降低.当水加热到沸点时，蒸汽的分
30、压力就会接近液面上的全压力，此时液面上其他气体的分压力几乎接近于零，于是这些气体将完全自水中清除出去。要达到这一点，不仅要将水加热到沸点，还要使液面上没有这些气体存在，即将逸出的气体随时排走。除氧器的工作原理即利用蒸汽对水进行加热，使水达到一定压力下的饱和温度，即沸点。这时除氧器的空间充满着水蒸汽，而氧气的分压力逐渐降低为零，溶解于水的氧气将全部逸出，以保证给水含氧量合格。锅炉用水的除氧是工艺指标的重要环节之一。未除氧的软水其氧离子将使锅炉内管束氧化，特别在高温、高压环境下，将更加加速设备的氧化过程，严重降低设备的使用寿命，减少锅炉的蒸发量。同时含氧蒸汽又加速大量输汽管道的氧化，使冷凝水资源的
31、回收亦困难重重。按GB15762001低压锅炉水质标准的规定，锅炉用水的溶解氧量要小于0.1mg/L，而要达到此标准，则除氧器压力必须控制在0.02MPa，除氧器温度必须控制在104。3.2.2除氧器液位控制除氧器水位控制对除氧效果而言是非常重要的，如水位过高，将导致进入除氧器的水雾化空间不够，直接影响除氧效果，如水位过低，又会直接威胁除氧器的正常工作，甚至影响到锅炉的正常给水。除氧器在运行过程中经常会发生负荷变化，也就是说除氧器的水位会发生变化，当这种变化发生后，进水调节阀的开度必须有相应的改变，才能保持水位稳定，在水位控制系统中，调节器和进水调节阀构成一个负反馈的闭合回路。（见图3.1所示
32、）除氧器水位由差压变送器进行测量，输出标准420mADC信号至调节器，PID调节器输出控制调节阀。控制原理为：根据工艺指标，给出设定值，当变送器测量的水位高于设定值时，将偏差信号送入调节器进行PID参数进行运算，减小输出调节阀随之减小开度，因此，进水流量减小，水位降低，接近设定值，反之亦然。PID调节器应选用“反作用”方式。操作器作为现场调节阀与调节器间联络的纽带和桥梁，也作为事故状态下操作人员进行手操，同时手操跟踪调节器输出，为无扰动切换作准备，当自动系统故障时，将手操器自动切换为手动状态。3.2.3除氧器压力控制图3.2除氧器压力控制图根据工艺要求，除氧器的工作压力应保持在0.02MP，温
33、度即为104，此时的除氧效果最佳，因此，稳定除氧器的压力，其重要性是不言而喻的。除氧器在运行过程中经常会发生负荷变化，也就是说除氧器的压力也会发生变化，当这种变化发生后，进气调节阀的开度必须有相应的改变，才能保持压力稳定。如图3.2所示，控制原理为：根据工艺指标，调节器给出设定值，当变送器测量的压力高于设定值时，调节器根据PID参数进行运算，减小输出调节阀随之减小开度，因此，进气流量减小，压力降低，接近设定值。反之亦然。当给水流量增加，除氧箱内吸热加强，此时要增大进汽量，否则压力会拉跨，特别在锅炉给水负荷变动大时。PID调节器应选用“反作用”方式。（如图3.2）3.3锅炉给水控制工业锅炉汽水系
34、统结构如图3.3所示。汽包及蒸发管系中储藏着蒸汽和水，储藏量的多少，是以被制量水位表征的，汽包的流入量是给水量，流出量是蒸汽量，当给水量等于蒸汽量时，汽包水位就恒定不变。引起水位变化的主要扰动是蒸汽流量的变化和给水量的变化。如果只考虑主要扰动，那么汽包水位对象的动态特性可表示为：式中T1，T2时间常量Tw给水流量项时间常数；TD蒸汽流量项时间常数；Kw给水流量项的放大系数；KD蒸汽流量项的放大系数；h=H/Ho(Ho为稳定情况下的水位，H为水位高度变化)；vwW/Dmax(W为给水流量的变化，Dmax为最大蒸汽负荷量)；vD=D/Dmax(D为蒸汽负荷的变化)。3.3.1汽包水位控制对象特性给
35、水自动调节的任务是使给水流量适应锅炉的蒸发量，以维持汽包水位在允许的范围内。给水自动调节的另一个任务是保持给水稳定。在整个控制回路中要全面考虑这两方面的任务。在控制回路中被调参数是汽包水位（H），调节机构是给水调节阀，调节量是给水流量（W）。对汽包水位调节系统产生扰动的因素有蒸发量D、炉膛热负荷（燃料量M），给水量（W）。（如图3.4）一、蒸发量D扰动作用下水位对象的动态特性汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性（假定给水流量不变化的情况），可以直接从式（31）导出：拉氏变换后可得：其传递函数为：上式可以用两个动态环节的并联来等效，即式中当蒸发量忽然增加D，给水量和燃料量不变时，水位变化如图3.4
36、（a）中所示。图中H1(t)直线下降，因为给水量小于蒸发量，使锅炉中的蓄水量不断减少，故水位不断下降。但是由于蒸发量的增加，汽水混合物中的气泡容积增加，另外锅筒中压力也要降低，使气泡膨胀，都导致水位上升，如H2（t）所示。实际水位的变化曲线为H1(t)和H2(t)的合成H(t)。可见，当锅炉蒸发量增加时，虽然蒸发量大于给水量，但在一开始时，水位不仅没有下降，反而迅速上升，这是由于气泡体积迅速增加之故，这种现象称为“虚假水位”。当汽水混合物中气泡容积已与负荷相适应时达到稳定，水位就主要决定于物质平衡，因给水量小于蒸发量，此时水位开始下降。图中的D是由“虚假水位”所造成的迟延，其大小决定于锅炉的特
37、性。二、炉膛负荷扰动（燃料量M扰动）时水位对象的动态特性当燃料量增加M时，锅炉将吸收更多的燃量，蒸汽量增加，如果主汽阀门开度不变，锅炉出口汽压将提高，蒸汽输出量也将增加。此时给水量没变，所以水位应该是下降的。但是由于汽水混合物中气泡体积增大，因此也出现“虚假水位”现象，水位开始上升，然后下降，如图3.4（b）所示。它与图3.4（a）很相似，但水位上升的较少，而迟延M较大，这是由于燃料量增加使蒸汽量增加的同时锅筒压力也提高，从而使气泡体积的增加量减少，因而导致水位上升较少；另一方面随燃料量的增加而增加的蒸汽量有较大惯性和迟延，如图3.4（b）中的虚线所示。M可达34分钟。三、给水量（W）扰动时的
38、水位对象的动态特性给水量（锅炉给水量是它的输入量，如果蒸汽负荷不变化，那么在给水流量发生变化时，汽包水位对象的微分方程可以表示为：经拉氏变换后可得： 从式（37）可方便地得到汽包水位在给水流量作用下的传递函数为：对于中压锅炉，上式中TW的数值很小，常常可以忽略不计，因此式（38）可进一步改写为式中=Kw/T1反应速度，即给水流量改变单位流量时水位的变化速度，mm/s(t/h);Vw蒸发面以下的水容积（m）；从式（39）可知，汽包水位在给水流量作用下的动态特性由一个积分环节和一个一阶惯性环节所组成，、T2的数值可通过实验测试求得，数值的大小同锅炉的结构有关。有些锅炉当给水量增加时，在较长一段时间
39、里，汽包水位并不增加，有一较长的起始惯性段，对于这种锅炉用式（39）描写它的动态特性，误差较大，这时可选用下面近似计算公式：式中给水流量扰动下的纯滞后时间，它的数值对于不同结构的锅炉都有差别。给水量增加W水位的反应曲线如图3.4（c）所示。图中曲线1是锅炉采用沸腾式省煤器情况下的水位特性，曲线2是锅炉采用非沸腾式省煤器情况下的水位特性。采用沸腾式省煤器，使水位特性的迟延和惯性大为增加，因为给水量的焓值较低，当给水量突然增加时，如果热负荷不变，则省煤器的沸腾率减小，处于省煤器中气泡的容积减少。因此进入省煤器的给水首先必须填补省煤器中的气泡减少所让出的空间，所以水位下降，直到过了w1以后，才能使省
40、煤器流入锅筒的水量增加，水位才开始上升。w1约为100200秒。非沸腾式省煤器w2，约为30100秒。3.3.2给水压力控制3.3锅炉给水系统中还有一个比较重要的控制回路是给水压力回路，因为汽包内压力较高，要给锅炉补水必须提供更高的压力，给水压力回路的作用是提高水压，使水能够正常注入汽包。但在蒸汽流量未达到满负荷时，对给水流量的要求也不高。在老式的锅炉系统中一般采用给水泵一直以工频方式运转，用回流阀降低水压防止爆管，现在一般采用通过变频器恒压供水的方式控制水压，具体实现方式是：系统下达指令由变频器自动启动第一台泵运行，系统检测给水管的水压，当变频器频率上升到工频时，如水压未达到设定的压力值，系
41、统自动将第一台电机切换至工频直供电，并由变频器拖动第二台水泵运行，如变频器运行到工频状态时供水母管压力仍未达到设定压力值系统自动将第二台水泵切换至工频直供电，再由变频器拖动第三台运行，依次类推，直至压力达到设定值。若锅炉需要的给水量减少，变频控制系统可自动降低变频器的运行频率，如变频器的频率到零仍不能满足要求，则变频器自动切换至前一台水泵进行变频运行，依次类推。变频恒压供水控制系统的实质是：始终利用一台变频器自动调整水泵的转速，切换时间以管网的实际压力和设定压力的差值决定，同时保证管网的压力动态恒定。值得注意的是为了防止变频器报警停机或其他故障造成水泵不转会引起锅炉缺水，所以应该加反馈装置确保
42、变频器正常工作。除此之外锅炉的供水系统中还包括除氧器压力控制和除氧器水位控制，除氧器压力控制主要是为了保证除氧器口有足够的蒸汽压力用于将软化水除氧，这是一个单闭环控制回路，输入参数是除氧器压力输出参数控制除氧器进汽阀。除氧器水位控制主要是为了保证除氧器内有足够的水提供给锅炉，这是一个单闭环控制回路输入参数，是除氧器水位输出参数控制除氧器进水阀。第4章汽包水位控制方案设计4.1单冲量给水自动调节系统单冲量给水自动调节系统如图所示。它是连续给水自动调节中最简单的一种型式。水位测量信号经变送器送到水位调节器，调节器根据水位测量值与给定值的偏差去控制给水调节阀，改变给水量来保持锅筒水位在允许值范围内，
43、因为只采用水位做调节器的信号，故叫单冲量，对于低参数小容量的工业锅炉，因为相对于负荷来说水容较大，所以虚假水位现象不严重，对调节质量的要求又不太高，可以采用单冲量给水自动调节系统，能够满足生产上的要求。调节器应采用比例积分调节规律，因单纯比例调节规律易从产生水位余差。单冲量给水自动调节系统如图4.1所示。单冲量给水自动调节系统存在一定的缺点，因此该系统只根据水位来调节给水量。其特点如下：（1）在负荷变化时，由于虚假水位现象，在调节过程一开始，给水量的变化将与负荷变化的方向相反，扩大了进出流量的不平衡。（2）给水量变化时，因给水量改变后，要经过一定迟延时间w才能影响到水位，因此必将导致水位波动幅
44、度大，调节时间长。图4.1单冲量给水调节系统原理图图4.2单冲量给水调节系统方框图4.2、双冲量给水自动调节系统在单冲量水位调节的基础上，引进蒸汽流量作为前馈信号，构成双冲量给水自动调节系统。所谓前馈调节就是按扰动变化的大小调节的系统，调节作用在扰动发生的同时就发生，而不是等到扰动引起被调量发生变化后才产生，这就是前馈调节的主要特点。所以引入蒸汽流量前馈信号可以消除虚假水位对调节的不良影响。当蒸汽量变化时，就有一个使给水量与蒸汽量同方向变化的信号，可以减小或抵消由于虚假水位现象而使给水量与蒸汽量相反方向变化的误动作，使调节阀一开始就向正确的方向移动。因而大大减小了给水量和水位的波动，缩短了过渡
45、过程的时间。因适当的选择前馈的作用，采用比例规律的调节器也可以消除静态余差，故双冲量自动调节系统中的调节器可用比例规律也可用比例积分规律。（如图4.3）以上的分析可见，双水量给水自动调节能在负荷变化频繁的情况下较好的完成水位调节任务。在给水压力比较平稳时，采用双冲量调节是能够达到调节要求的。但是调节作用不能及时反映给水侧的扰动。当给水量扰动时，调节系统等于单冲量调节。因此，给水母管压力经常有波动，给水调节阀前后压差不易保持正常时，不宜采用双冲量调节。、图4.3双冲量给水控制系统原理图图4.4双冲量给水调节系统方框图4.3三冲量给水自动调节系统双冲量控制系统有两个缺点：(1)调节阀的工作特性不一
46、定完全是线性，这样要做到静态补偿就比较困难；(2)对于给水系统的扰动不能直接补偿。为此将引入给水流量信号，构成三冲量控制系统。4.3.1三冲量的定义所谓三冲量，就是指汽包水位、蒸汽流量和给水流量。蒸汽流量和给水流量是引起水位变化的原因，蒸汽流量作为水位调节的前馈信号，当蒸汽流量改变时，调节器立即动作，相应地改变给水流量，而当给水流量自发地变化时，调节器也立即动作，使给水流量恢复到原来数值，这样就有效控制了虚假水位的影响。给水控制是串级调节系统，主调节器接受水位信号，对水位起校正作用，是细调；其输出作为副调节器的给定值，副调节器的被调量是给水流量，目的是快速消除来自给水侧的扰动。为了提高给水控制
47、系统的可靠性，汽包水位测量使用了三个变送器。三个经压力校正后的汽包水位信号取中间值，作为控制系统的被调量，当水位测量信号平均值超、过300mm，而且任意两个水位测量信号越限280mm时，发出汽包水位MFT信号。当给水温度不变，而压力在某个范围变化时，给水流量的测量误差很小，若给水压力不变，给水温度在某个范围内变化时，给水流量的测量误差较大，所以对给水流量信号只采取温度校正。蒸汽流量采用汽机调节级压力的测量来表示，调节级压力经过温度修正后，可近似代表蒸汽流量测量值。如果采用标准喷嘴测量蒸汽流量，一方面在高温高压下节流喷嘴容易磨损，检修维护也困难，测量误差较大，另一方面节流损失也大，一般不采用此种
48、方法。当用蒸汽流量转换出负荷小于40%时，送至给水控制系统，切换为三冲量调节汽包水位。4.3.2三冲量控制方案前馈(蒸汽流量)加反馈(液位，给水流量)控制系统三冲量控制方案该系统可看作三冲量的综合信号作为被控变量的单回路控制系统，投运和整定与单回路控制系统一样，但是如果系统参数设置不能确保物料平衡，则负荷变化时，水位将有余差。图4.5三冲量水位单回路控制系统原理图三冲量汽包给水控制系统，采用蒸汽流量信号对给水流量进行前馈控制，当蒸汽、负荷突然发生变化，蒸汽流量信号使给水调节阀一开始就向正确方向移动，即蒸汽流量增加，给水调节阀开大，抵消了由于“虚假水位”引起的反向动作，因而减小了水位和给水流量的波动幅度。当由于水压干扰使给水流量改变时，调节器能迅速消除干扰。如给水流量减少，调节立即根据给水流量减少的信号，开大给水阀门，使给水量保持不变。另外，给水流量信号也是调节器动作后的反馈信号，能使调节器及早知道控制的效果，所以三冲量给水控制系统，调节器动作快，还可以避免调节过
