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摘 要随着科技的发展，人们越来越离不开电。大型火力发电厂地位显得尤其重要。其机组由锅炉、汽轮机发电机组和辅助设备组成的庞大的设备群。工艺流程复杂，设备众多，管道纵横交错，有上千个参数需要监视、操作和控制，这就需要有先进的自动化设备和控制系统使之正常运行，并且电能生产要求高度的安全可靠和经济性，尤其是大型骨干机组。大型发电单元机组是一个以锅炉，高压和中、低压汽轮机和发电机为主体的整体。锅炉作为电厂中的一个重要设备，起着重要的作用，根据生产流程又可以分为燃烧系统和汽水系统。其中，汽包锅炉给水及水位的调节已经完全采用自动的方式加以控制。本次课程设计主要研究发电厂给水控制系统，即锅炉汽包水位控制。其要求是提供合格的蒸汽，使锅炉发汽量适应符合的需要。为此，生产过程的各个主要工艺参数必须加以严格控制。锅炉设备是一个复杂的控制对象，主要输入变量是负荷、锅炉给水、燃料量、减温水、送风和引风等。主要输出变量是汽包水位、蒸汽压力、过热蒸汽温度、炉膛负压、过剩空气等。

发电厂锅炉给水控制系统
1.概述
大型火力发电机组由锅炉、汽轮机发电机组和辅助设备组成的庞大的设备群。工艺流程复杂，设备众多，管道纵横交错，有上千个参数需要监视、操作和控制，这就需要有先进的自动化设备和控制系统使之正常运行，并且电能生产要求高度的安全可靠和经济性，尤其是大型骨干机组。大型发电单元机组是一个以锅炉，高压和中、低压汽轮机和发电机为主体的整体。锅炉作为电厂中的一个重要设备，起着重要的作用，根据生产流程又可以分为燃烧系统和汽水系统。其中，汽包锅炉给水及水位的调节已经完全采用自动的方式加以控制。本次课程设计主要研究发电厂给水控制系统，即锅炉汽包水位控制。锅炉汽包水位是一种非线性、时变大、强耦合的多变量系统。在锅炉运行中，水位是一个很重要的参数。若水位过高，则会影响汽水分离的效果，使用气设备发生故障；而水位过低，则会破坏汽水循环，严重时导致锅炉爆炸。同时高性能的锅炉产生的蒸汽流量很大，而汽包的体积相对来说较小，所以锅炉水位控制显得非常重要。锅炉水位自动控制的任务，就是控制给水流量，使其与蒸发量保持平衡，维持汽包内水位在允许的范围内变化。本次课程设计研究发电厂给水控制系统的控制方式及整定。
2.给水调节对象的动态特性
汽包水位是工业蒸汽锅炉安全、稳定运行的重要指标，是锅炉蒸汽负荷与给水间物质是否平衡的重要标志，维持汽包水位正常是保证锅炉和汽轮机安全运行的必要条件。汽包锅炉给水控制系统的作用是使锅炉的给水量自动适应锅炉的蒸发量，维持汽包水位在规定范围内波动。其中给水流量和蒸汽流量是影响汽包水位的两种主要扰动，前者来自调节器，称为内扰，后者来自负荷侧，称为外扰。汽包炉给水控制对象的结构如图2-1所示。
影响水位的因素主要有：锅炉蒸发量（负荷D），给水量G，炉膛热负荷（燃烧率M），汽包压力。
控制系统的物质平衡方程为：
（2-1）
将式（2-1）进一步变换得：
（2-2）
令 ，则上式变为： （2-3）
式中 ——汽包水位，或； ——汽水分离面积，或；
——水的密度，/或/； ——蒸汽密度，/或/；
——蒸发量，或； ——给水量，或；
——容量系数。

图2-1 给水调节对象
2.1 给水扰动
汽包水位在给水流量作用下的动态特性：给水量是锅炉的输入量，如果蒸汽负荷不变，那么给水流量变化时，汽包水位的运动方程式可以表示为：
(2-4)
可以得到汽包水位在给水流量作用下的传递函数为：
(2-5)
对于中压锅炉，上式中Tw的数值很小，常常可以忽略不计，因此可以进一步改写为：
(2-6)
给水量扰动时水位阶跃响应曲线如图2-2所示。

图2-2 给水量扰动时水位阶跃响应曲线
图2-2中曲线1为沸腾式省煤器情形下水位的动态特性，曲线2为非沸腾式省煤器情形下水位的动态特性。
从物质平衡的观点来看，加大了给水量G，水位应立即上升，但实际上并不是这样，而是经过一段迟延，甚至先下降后再上升。这是因为给水温度远低于省煤器的温度，即给水有一定的过冷度，水进入省煤器后，使一部分汽变成了水，特别是沸腾式省煤器，给水减轻了省煤器内的沸腾度，省煤器内的汽泡总容积减少，因此，进入省煤器内的水首先用来填补省煤器中因汽泡破灭容积减少而降低的水位，经过一段迟延甚至水位下降后，才能因给水量不断从省煤器进入汽包而使水位上升。在此过程中，负荷还未发生变化，汽包中水仍然在蒸发，因此水位也有下降趋势。
2.2 蒸汽流量扰动
汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性，可以用下式表示（假定给水量不变）
（2-7）
则 （2-8）
上式可通过两个动态环节的并联来等效，即
（2-9）
式中： 。

图2-3 蒸汽量D扰动下的水位阶跃响应曲线
如果只从物质平衡的角度来看，蒸发量突然增加时，蒸发量高于给水量，汽包水位是无自平衡能力的，所以水位应该直线下降，如图2-3中所示那样，但实际水位是先上升，后下降，这种现象称为“虚假水位”现象，如图中所示。其原因是由于负荷增加时，在汽水循环回路中的蒸发强度也将成比例增加，水面下汽泡的容积增加得也很快，此时燃料量M还来不及增加，汽包中汽压下降，汽包膨胀，使汽泡体积增大而水位上升。如图2-3中所示。在开始的一段时间的作用大于。当过了一段时间后，当汽泡容积和负荷相适应而达到稳定后，水位就要反映出物质平衡关系而下降。因此，水位的变化应是上述两者之和，即

2.3 燃料量扰动

图2-4 燃料量扰动下水位阶跃响应曲线
炉膛热负荷扰动即是指燃料量M的扰动。燃料量增加时，锅炉吸收更多的热量，使蒸发强度增大，如果不调节蒸汽阀门，由于锅炉出口汽压提高，蒸汽流量也增大，这时蒸发量大于给水量，水位应下降。但由于在热负荷增加时蒸发强度的提高，使汽水混合物中的汽泡容积增加，而且这种现象必然先于蒸发量增加之前发生，从而使汽包水位先上升，从而引起“虚假水位”现象。当蒸发量与燃烧量相适应时，水位便会迅速下降，这种“虚假水位”现象比蒸汽量扰动时要小一些，但其持续时间较长。
以上三种扰动在锅炉运行中都可能经常发生。但是由于控制通道在给水侧，因此蒸汽流量D和燃料量M习惯上称为外部扰动，它们只影响水位波动的幅度。而给水量G扰动在控制系统的闭合回路里产生，一般称为内部扰动。因此，汽包水位对于给水扰动的动态参数是给水控制系统调节器参数整定的依据，此外，由于蒸汽流量D和燃料量M的变化也是经常发生的外部扰动。所以常引入D、M信号作为给水控制系统里的前馈信号，以改善外部扰动时的控制品质。
影响水位的因素除上述之外，还有给水压力、汽包压力、汽轮机调节汽门开度、二次风分配等。不过这些因素几乎都可以用D、M、G的变化体现出来。为了保证汽压的稳定，燃料量和蒸发量必须保持平衡，所以这两者往往是一起变化的，只是先后的差别。
3. 控制方案选择与设计
3.1 方案选择
从反馈控制的思想出发，自然想到一水位信号为被调量，构成单回路控制系统。对于小容量锅炉来说，它的蓄水量较大，水面以下气泡的体积不占很大比重，因此给水容积迟延和假水位现象不明显，可以采用单冲量控制系统。单冲量控制系统即为汽包水位的单回路反馈液位控制系统。单冲量水位控制系统以汽包水位作为唯一的控制信号。单冲量水位控制系统由汽包、变送器、调节器、执行器及调节阀等组成，水位测量信号经变送送到水位调节器，水位调节器根据水位测量值与给定值的偏差去控制给水阀门，改变给水量来保持汽包水位在允许的操作范围内。这种控制系统是典型的单回路定值控制系统。对于水在汽包内的停留时间较长，且负荷又比较稳定的情况，“虚假水位”现象不严重．采用单冲量控制系统，进行PID调节一般就能满足生产要求。单冲量汽包水位调节存在着一些缺点，主要是这种调节方案只根据水位调节给水量，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，而且从给水扰动下水位变化的动态特性可以估计到，当水位已经偏离给定值后再调节给水量，因给水量改变后要经过一定迟延时间才能影响到水位，因此必将导致水位波动幅度大、调节时间长。对于大型超高压锅炉也可以采用这种控制对象，因为在超高压下，汽和水的密度相差不大，假水位并不显著。但是，对于大中型锅炉来说，这种系统不能满足要求。因为汽机耗汽量改变所产生的假水位将引起给水调节机构的的误动作，致使汽包水位激烈地上下波动，严重影响设备的寿命和安全。
从物质平衡的观点来看，只要保证给水量永远等于蒸发量，就可以保证汽包水位大致不变，因此可以采用比值控制系统，用汽机耗汽量D作为调节系统的设定值，使给水量W跟踪耗汽量D。然而，它对于汽包水位来说只是开环控制。如果耗汽量和给水量的测量不准，或者由于有锅炉排污及管道泄漏等，蒸汽量和给水量并非总是确定的比值，此系统不能达到水汽平衡，因为汽包水位H对于（D-W）是一个积分关系，微小的D和W之差可以在长时间的积累中形成很大的水位偏差。所以不能单独使用比值控制系统。所以将两种方案结合构成三冲量控制系统。“冲量”即为变量，三冲量锅炉汽包给水自动控制系统是以汽包水位为主控制信号，蒸汽流量为前馈控制信号，给水流量为反馈控制信号组成的控制系统。三冲量水位控制系统有两个闭合回路：一个是由给水流量、给水变送器、调节器和调节阀组成的内回路；另一个是由汽包水位对象和内回路构成的主回路。所以三冲量控制的实质是前馈加反馈的控制系统。
3.2前馈-反馈三冲量给水控制系统
三冲量控制系统的方框图如图3-1所示。
图3-1 三冲量控制系统框图
调节器
调节阀
变送器
变送器
汽 包
变送器

+
_
_
蒸汽量
H

当负荷(蒸汽流量)突然发生变化，蒸汽流量信号能使给水调节阀一开始就向正确方向移动，即当蒸汽流量增加时，给水调节阀开大，抵消了由于“虚假水位”引起的反向误动作。当水压变化使给水流量改变时，调节器能迅速消除干扰。如给水流量减少，调节器立即根据给水流量减少的信号开大给水阀，从而使给水量保持不变。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，所以使用三冲量控制系统能使调节器动作加快，还可以避免调节过量，减少水位波动，防止失控。其系统框图如图3-2所示
D

GD(s)
nD

Kr
Gc(s)
KP
GP(s)
Hr Ir + ID + W H
+
_ _ IW
nW

IH

nH

图3-2 三冲量水位调节系统方框图
3.2.1 输入信号之间的静态配合
参照图3-2，设调节器采用PI调节规律，静态时，输入增量为0，输出为定值，即有如下关系：
（3-1）
上式可变为：
（3-2）
考虑到给水系统处于稳态时，给水量等于蒸汽量，即W=D,所以有
（3-3）
转动定值器旋钮，可以改变，使, ,代入式（3-3）可得：
（3-4）
式（3-3）与式（3-4）相减得：
（3-5）
依据上式可有以下三个结论：
（1）时，，为无差调节，如图3-3所示曲线1；
（2）时，D越大，H与Hr的负差值越大。这是一根向下的特性曲线，如图3-3所示曲线2；
（3）时，D越大，H与Hr的正差值越大。这是一根向上的特性曲线，如图3-3所示曲线3。
H

2
1

3

D

图3-3 三冲量给水控制系统水位静态特性
3.2.2 控制系统的动态整定
对于三冲量控制系统来说，需要进行整定的参数有5个，分别为分流系数, ,和调节器的比例带及积分时间常数。
内回路是一个流量自稳定系统，由于流量调节系统的响应很快，有
（3-6）
(3-7)
是一个近似比例环节，因此调节器的比例带和积分时间都可以取得很小，它们的具体值可以通过试探法来决定，以保证内回路不振荡为目的。一般取积分时间，试探过程中，可以任意设置值，得到一个满意的比例带值后，再次改变值，改变时须使保持不变，即保证内回路的开环放大倍数不变。
在试探时可将外回路开路，切除水位信号，使Vg=0，设置Ti和的值，手动操作给水阀门，使给水量产生一个阶跃变化后立即投入自动，观察给水量过渡过程曲线形状，能快速稳定即可。
图中为快速副回路的等效环节，把WD1(s)和看作一个等效调节器所控制的对象，则：
（3-8）
而内则是一个常数，这是一个等效比例调节器，其比例带外
另外，WD1(s) 的对象特性可用试验方法测得，它实际上就是在水位G扰动下，VH的变化曲线，从曲线上可求出飞升速度，迟延时间。在迟延时间较大的情况下，可按下列近似公式整定：
外 （3-9）
又因为外=外，故有：
（3-10）
从内、外回路的比例带来看，给水流量的分压系数对内外回路影响正好是相反的，若增大，主回路稳定性增强，副回路则减弱，反之则情况相反。因此在整定外回路时若要改变，应相应改变PI调节器的比例带，使两者的比值不变，以保证内回路稳定性。
我们知道，前馈部分对系统稳定性没有影响，因此在整定前馈通路时可以独立考虑，
（3-11）
。
4.2液位检测元件的选用
通过液位的测量可以知道容器里的水位，以便调节容器中流入流出物料的平衡，保证生产过程中各环节所需的物料或进行经济核算；另外，通过液位的测量，可以了解设备是否正常工作，以便及时监视或控制容器的液位，保证安全生产。液位计有很多种。
浮力式液位计是根据阿基米德原理工作的，即液体对一个物体浮力的大小，等于物体所排开液体的重量。分为两种：一种为恒浮力式液位计，在整个测量过程中其浮力维持不变，在工作时浮标随液位高低而变化；另一种为变浮力式液位计，它根据浮筒在液体内浸没的深度不同而所受浮力不同来测量液位。
静压式液位计对于不可压缩的液体，液位高度与液体的静压力成正比，所以，测出液体的静压力，即可知道液位的高度。
在平行板电容器之间充以不同介质时，其电容量的大小是不同的。所以，可以用测量电容量的变化来检测液位或两种不同介质的液位分界面。在实际应用中，电极的尺寸、形状已定，介电常数亦是基本不变的。所以，测量电容量的变化就可以知道液位的高低。
激光式液位计因为激光光能集中，强度高，而且不易受外来光线干扰，甚至在1500度左右的高温下也能正常工作。另外，激光光束扩散很小，在定点控制液位时，具有较高的精度。
液位检测仪表的选用，根据检测精度、工作条件、测量范围，结合课程设计任务书，可以选用浮力式液位计。
门定位器是气动执行器的主要附件，与气动执行器配套使用可组成闭环回路，利用负反馈原理来改善调节阀的定位精度和提高灵敏度，从而使调节阀能按调节器来的控制信号实现准确定位。
　　阀门定位器的主要功能：（1）实现准确定位。使用阀门定位器可以克服阀杆的摩擦和消除提阿姐发不平衡力的影响，保证法门位置按调节器输出信号正确定位。（2）改善调节阀的动态性能。利用阀门定位器，可以有效的客服气压信号的传递滞后，改变原来调节阀的一阶滞后特性，使之成为比例特性。（3）改变调节阀的流量特性。通过改变阀门定位器对反馈凸轮的几何形状可以改变调节阀的流量特性，即可使调节阀的直线流量特性、对数流量特性互换。（4）实现分程控制。当用一个调节器的输出信号分段分别控制两只启动执行器工作室，可用两个阀门定位器，使它们分别在信号的某一区段完成全行程动作从而实现分程控制。
调节阀气开、气关形式的选择，主要是从工艺生产的安全来考虑：当气源一旦中断时，阀门处于全开还是全关状态，在生产上要能保证设备和人身的安全。本系统的阀门是控制给水流量的，应该选择气开式，当气源中断时，仍有水进入锅炉，不致使其温度过高而烧干或爆炸。为正；对于，当阀门开度增加时，自来水流量亦增加，故为正；一般测量变送器为正。为使系统中各环节静态放大系数极性乘积为正，则调节器为正，即选用反作用调节器。
DDZ-III型调节器是DDZ-III型电动单元组合仪表中的一个重要单元。它接受来自变送器或转换器的1～5VDC测量信号作为输入，与1～5VDC给定信号进行比较，然后对其偏差进行PID运算，输出4～20ADC标准统一信号。由于DDZ-III型仪表采用了线性集成电路，进一步提高了仪表在长期运行中的稳定性和可靠性，从而扩大了调节器的功能，易于组成各种变型调节器，更好地满足生产过程自动化的需要。
4.4 执行元件的选用执行器由执行机构和调节阀两部分组成。在过程控制系统中，它接受调节器输出的控制信号，并转换成直线位移或角位移，来改变调节阀的流通截面积，以控制流入或流出被控过程的物料或能量，从而实现对过程参数的自动控制。
执行器安装在生产现场，直接与介质接触，通常在高温、高压、高粘度、强腐蚀、易结晶、易燃易爆、剧毒等场合下工作，如果选用不当，将直接影响过程控制系统的控制质量。
根据使用能源的不同，执行器可分为三大类：以压缩空气为动力能源的气动执行器；以电为动力能源的电动执行器；以高压液体为能源的液动执行器。气动执行器的输入信号为0.02～0.1MPa；电动执行器的输入信号为0～10mADC或4～20mADC。调节仪表技术参数锅炉水位的测量一般通过平衡容器将水位转换成差压，再经差压变送器转换成电流信号。差压与水位的关系用下式表示：

(4-1)
水位高低与差压大小相反，当水位H最高时，实际差压最小，输出电流最小；水位最低时，实际差压最大，输出电流最大。这样使运行人员观察水位指示表和整定水位变送器时感到很不习惯。改进的办法是把正负压室调换一下，把汽包下部取压口引出管接差压变送器正压室，差变负压室接平衡管，与一般接法相反。再得用差压变送器的负迁移把液位变送器中的因定压差迁移掉，以实现变送器输出与汽包水位高度之间正常的对应关系，即最高水位时，变送器输出最大；最低水位时变送器输出最小。这时压力与水位的关系式可写成：

(4-2)
当H=0时
（4-3）
即为水位变送器中的因定压差。
5.个人总结
这次我的课程设计题目是“发电厂锅炉给水控制系统”， 经过资料查询，了解了发电厂自来水厂的生产工艺流程。通过对锅炉汽包给水控制系统的结构和动态特性的分析，提出采用单冲量和三冲量给水控制系统，单冲量给水控制系统结构比较简单，运行可靠，三冲量给水控制系统结构较复杂，但调节质量比较高。通过对三冲量控制系统的研究实现给水水位自动控制的要求。使我对所学的知识有了更进一步的理解。
通过本次课程设计更加让我认识到过程控制在实际生产生活中的广泛应用和重要作用，它是一门十分重要的课程。这次的课程设计，不仅巩固了我以前所学习的理论知识，更加深了理解，我们学习的目的是要学以致用，学习理论知识用于实践，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计过程中通过查找资料，同学间的讨论让我学到了很多知识。
这学期由于之前面临就业，考研，所以做这次课设的时间有点紧张，在设计方面有些不足的地方。经过努力实现了设计要求，达到了预期目标。这次课程设计让我在对书本上纯理论的知识有了更深层的认识，使我收获颇多。

参考文献
[1]方康玲主编.过程控制系统.武汉理工大学出版社,2006.2
[2]周渊深.电力电子技术与MATLAB仿真.中国电力出版社,2005
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