1 前言

　　工厂热工自动化水平的高低是衡量工厂生产技术的先进与否和企业现代化的重要标志。其中，全自动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，在不需要操作人员干预的情况下，可以很好的完成生产过程中的给水及水位控制，大大提高了生产效率。汽包锅炉给水控制系统的任务是使给水量适应锅炉蒸发量，并使汽包中水位保持在一定的范围内。只有保证汽包水位的波动在允许范围内，才能实现机组安全经济运行。因此，汽包水位是影响整个机组安全经济运行的重要因素，所以就要有一套较好的控制方案，来实现汽包水位的控制。

　　锅炉作为一种把煤、石油或天然气等化石燃料所储藏的化学能转换成水或水蒸气的热能的重要设备，长期以来在工业生产和居民生活中都扮演着极其重要的角色，它已经有二百多年的历史了，但是锅炉工业的迅猛发展却是近几十年的事情。国外的锅炉控制工业50 ～60 年代发展最快，70年代达到高峰。我国的锅炉工业是在新中国成立后才建立和发展起来的，1953年在上海首创了上海锅炉厂,从其在生产和生活中所起的作用不同，锅炉可分为电站锅炉，主要用于发电;工业锅炉，主要用于直接供给工农业生产或驱动机械能源;生产锅炉，主要用于为居民提供热水和供居民取暖。应该说锅炉控制问题伴随着锅炉的出现也就相应的出现了，它长期以来就是控制领域的一个典型问题。伴随着控制理论和控制技术的发展，锅炉自动化控制的水平也在逐步提高。计算机很强的记忆功能，逻辑判断功能以及快速计算功能为实现任意的控制算法提供了可能，这样，先进的控制理论和控制算法进入锅炉控制已经有了可能性。

       在串级控制系统中， 参数的整定也是非常重要的， 由于在系统中所设计的对象是确定的，所以只有对调节器进行整定，控制系统的参数整定有理论计算方法和工程整定方法，理论计算方法是基于一定的性能指标，结合组成系统各环节的动态特征，通过理论计算求得调节器的动态参数设定值;而工程整定法，则是源于理论分析，结合实验、工程实际经验等一套工程上的方法，其具体方法将在本设计中体现。

　2 汽包水位特性

      锅炉给水管路连接是和机炉连接方式相适应的，可分母管制与单元制两类。母管制给水系统是指具有全厂锅炉共用的给水母管系统。全厂所有的给水泵都连在给水母管上;而每台锅炉的给水调节则用各自连接在给水母管上的给水调节门进行。典型的连接如图1所示。

图 1 母管制锅炉给水系统示意图

　　在上图1中，#1门是主给水调节阀，#2门是备用主给水调节阀，这两个阀门允许通过100%负荷的给水量;#3门是旁路给水调节阀，允许通过25%~30%左右负荷的给水量。为了防止调节阀全闭时漏流，各条管路上都安装了电动截止门#4，#5和#6。为了检修方便，在主给水管路上又安装了总的电动截门#7 。此外还装有锅炉点火时省煤器用再循环门和事故放水电动截止门#8和#9。

　　另一类是单元制给水系统，每台单元机组都有自己独立的给水管路系统。比较典型的有汽动泵、电动泵混合型及单纯电动泵组两种。

　　汽动泵电动泵混合型给水系统共有三台主给水泵， 其中两台是可变速的汽动泵，它们在高负荷时使用。另一台是定速电动泵，在单元机组启动及低负荷时使用。由于机组启动阶段还不能得到稳定的气源，汽动变速泵无法使用，故先用电动泵。这时电动泵通常是工作在定速工况， 所以需用给水调节阀调节给水量。为了保证泵在低负荷时出口有足够的流量，防止给水泵产生汽蚀现象，安装了再循环管路。

　　电动泵组单元制给水系统结构的典型形式是三台可变速电动给水泵并联，两台运行一台备用，泵的转速变化依靠液压联轴节(靠背轮)滑差实现。为了保证泵的安全运行特性，通常也装有再循环门和调节阀门。

       3 测量信号的自动校正设计

　　蒸汽参数和负荷在很大范围内变化，这就使水位、给水流量和蒸汽流量测量信号的准确性受到影响。为了实现全程自动控制，要求这些信号能够自动地进行压力、温度校正。

       3.1过热蒸汽流量信号的压力、温度校正设计

　　过热蒸汽流量测量通常采用标准喷嘴。这种喷嘴基本上是按定压运行额定工况参数设计，在该参数下运行时， 测量精度是较高的。但在对系统进行控制时，运行工况不能基本固定。当被测过热蒸汽的压力和温度偏离设计值时，蒸汽的密度变化很大，这就会给流量测量造成误差， 所以要进行压力和温度的校正。

　　可以按下列公式进行校正：

　　式中

       D -------- 过热蒸汽流量;

　　P-------- 过热蒸汽压力;

　　T --------过热蒸汽温度;　　

      --------节流件差压;

　　--------过热蒸汽密度;

　　k --------流量系数。

　　3.2水位信号的压力校正设计

　　由于汽包中饱和水和饱和蒸汽的密度随压力变化，所以影响水位测量的准确性。通常可以采用以下方法进行压力校正。

　　采用电气校正回路进行压力校正，就是在水位差压变送器后引入校正回路。

（* 注：pb  - 汽包压力；H- 汽水连通管之间垂直距离，即最大变化范围；h- 汽包水位高度；p1 ，p₂- 夹在差压变送器两侧的压力；g s - 饱和蒸汽的密度；g G  - 饱和水的密度；g a - 汽包外平衡容器内凝结水的密度。）

图 2 汽包水位测量系统　　　

　　图2 表示单元单容器平衡测量系统。从图中可以看出：

　　当H一定时，水位h是压差和汽、水密度的函数。密度g a与环境温度有关，一般可取50℃时水的密度。在锅炉启动过程中，水温略有增加，但由于同时压力也升高，两种因素对g a的影响基本上可抵消，即可近似地认为g a时恒值。而饱和水和饱和蒸汽的密度g G 和

g s 均为汽包压力pb 的函数，即

　　3.3给水流量信号的温度校正

　　计算和实验结果表明：当给水温度为100℃不变， 压力在0 .1 9 6 -1 9 .6 Mpa范围内变化时，给水流量的测量误差为0.47%;若给水压力为19 .6 Mpa不变，给水温度在100- 290℃温度范围内变化时，给水量测量误差为13%。所以，对给水流量测量信号可以只采用温度校正， 若给水温度变化不大， 则不必对给水流量测量信号进行校正。

　　4 系统无扰切换设计

　　低负荷时，由于蒸汽参数低，负荷变化小，虚假水位现象不太严重，对维持水位恒定的要求又不高，所以允许采用单冲量给水控制系统。此时如果采用多种自动校正措施，则会使系统结构复杂，整定困难，同时仍然存在误差。于是出现了低负荷时采用单冲量，高负荷时采用三冲量给水控制系统，如图3所示。

图 3 单冲量系统与三冲量系统相互切换和跟踪线路

　　图中PI1是低负荷时的单冲量给水调节器，它只接受经过自动校正后的水位信号。高负荷时采用串级三冲量给水控制系统，其中PI2为主调节器，接受水位信号。PI3 为副调节器，除接受主调节器校正信号外，还接受蒸汽流量信号D及给水流量信号W。两套控制系统的切换是根据锅炉负荷(蒸汽流量)的大小进行的。蒸汽流量信号送入

　　偏差报警继电器1 K J，控制继电器接点1 C和3 C。当单冲量系统运行时，1C闭合，3C断开。当要求三冲量系统运行时，3C闭合，1C断开。系统的切换在25%负荷左右进行。为了防止因负荷波动造成系统反复切换，切换值应有10%的滞环值，就是说由单冲量系统切换为三冲量系统是在30%负荷下进行的，由三冲量系统切换为单冲量系统是在20%负荷下进行的。

　　当三冲量系统运行时，要求PI1调节器的输出跟踪PI3 调节器的输出; 单冲量系统运行时， 要求PI3调节器的输出跟踪PI1调节器的输出;主调节器PI2的输出应保证加法器 å 的输出跟踪给水流量信号。所谓比较线路是由比较器和积分器组成得线路。

　　如果在信号跟随电路中客观需要加入一些其他信号， 例如图3中，串级调节系统要求副调节器给定信号跟随给水流量信号W，在PI1调节的积分器后又加入了蒸汽流量信号D，即中间加入了附加信号，仍能使从动信号跟随主动信号。这是因为电路中有积分器和负反馈，并形成闭合回路，最后总能使比较器输入信号代数和为零，始终使加法器输出(即副调的给定值)跟踪给水流量W值，保证副调节器入口偏差为零，从而保证无扰切换。