锅炉是工业生产过程中必不可少的重要动力设备。它通过煤、油、天然气的燃烧释放出的化学能，通过传热过程把能量传递给水，使水变成水蒸气。这种高压蒸汽即可以作为蒸馏、化学反应、干燥和蒸发过程的能源，又可以作为风机、压缩机、大型泵类的驱动透平的动力源。随着石油化学工业生产规模的不断扩大，生产过程不断强化，生产设备的不断更新，作为全厂动力和热源的锅炉，亦向着高效率，大容量发展。为确保安全，稳定生产，对锅炉设备的自动控制就显得十分重要。 超声波换能片4.3.1工艺流程简介
给水经给水泵、给水控制阀、省煤器进入锅炉的汽包，燃料和热空气按一定的比例送入燃烧室内燃烧，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 ，汇集至蒸汽母管。压力为Pm 的过热蒸汽，经负载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，排到大气。图4.3-1给出了一个20T/h 工业燃煤锅炉工艺流程图。 热空气燃料
不锈钢镀钛给水(由给水泵来)
冷空气(由送风机来)
烟气(由引风机送往烟囱)
图4.3-1 20T/h 工业燃煤锅炉工艺流程图
锅炉是全厂重要的动力设备，其要求是供给合格的蒸汽，使锅炉发热量适应负荷的需要。为此，生产过程的各个主要工艺参
数必须严格控制。锅炉设备的主要控制
要求如下。
或保持给定负荷。
② 锅炉供给用汽设备的蒸汽压力
应保持在一定范围内。
③ 过热蒸汽温度应保持在一定范
围内。
⑤ 保持锅炉燃烧的经济性和安全
运行。
给水量 减温水 燃料量 送风量 引风量 汽包水位 蒸汽温度 蒸汽压力 过剩空气 炉膛负压 图4.3-2 锅炉控制对象
⑥ 炉膛负压保持在一定范围内。
锅炉设备是一个复杂的控制对象，如图4.3-2所示，主要输入变量是锅炉给水量、燃料量、减温水量、送风量和引风量等；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（氧
气含量等）。
上述输入变量与输出变量之间相互关联。如果蒸汽负荷发生变化，必将引起汽包水位、蒸汽压力和过热蒸汽温度等的变化。燃料量的变化不仅影响蒸汽压力，同时还会影响汽包水位、过热蒸汽温度、过剩空气和炉膛负压。给水量的变化不仅影响汽包水位，而且对蒸汽压力、过热蒸汽温度等亦有影响。减温水的变化会导致过热蒸汽温度、蒸汽压力、汽包水位等的变化；等等。所以锅炉设备是一个多输入，多输出且相互关联的控制对象。目前工程处理上作了一些假设之后，将锅炉设备划分为若干个控制系统，主要控制系统如下。
① 锅炉汽包水位控制（给水自动控制系统）。锅炉液位高度是确保生产和提供优质蒸汽的重要参数。特别是对现代工业生产来说，由于蒸汽量显著提高，汽包溶剂相对减小，水位速度变化很快，稍不注意即造成汽包满水或烧干锅，无论满水还是缺水都会造成极其严重的后果。因此，主要从汽包内部的物料平衡，使给水量适应锅炉的蒸发量，维持汽包中水位在工艺允许范围内。这是保证锅炉，汽轮机安全运行的必要条件之一，是锅炉正常运行的重要指标。因而，此控制系统的受控变量是汽包水位，操纵变量是给水量。主要考虑汽包内部的物料平衡，使给水量适应蒸发量，维持汽包中水位在工艺要求的范围之内。
② 锅炉燃烧的自动控制。蒸汽压力、烟气成分、炉膛负压为三个被控变量，分别利用燃料流量、送风
流量和引风流量作为三个操纵变量。这三个被控变量和操纵变量互相关联，组成合适的燃烧系统控制方案，以满足燃料燃烧所产生的热量适应蒸汽负荷的需要，使燃料与空气间保持一定比值，以保证最经济的燃烧（常以煤烟中的氧含量为受控变量），提高锅炉的燃烧效率，满足燃烧的完全和经济性。保持炉膛负压在一定的范围内，使锅炉安全运行。
③ 过热蒸汽温度的自动控制。是以过热蒸汽温度为被控变量，喷水量为操纵变量的温度控制系统，维持过热器出口温度在一定范围内，并保证管壁温度不超过允许的工作温度。
4.3.2锅炉汽包水位的控制
保持汽包水位在一定范围内是锅炉稳定安全运行的主要指标。水位过低会造成汽包内水量太少，当负荷有较大变动时，汽包内的水量变化速度很快，如来不及控制，就会使汽包内的水全部气化，会导致水冷壁的损坏，严重时会发生锅炉爆炸。水位过高则会影响汽包内的汽水分离，产生蒸汽带液现象，一方面会使过热器管壁结垢，传热效率下降，同时由于蒸汽温度的下降，液化的蒸汽驱动透平机时会使透平机叶片遭到毁坏，影响运行的安全性和经济性。
1．汽包水位的动态特性
影响汽包水位的因素有：汽包（包括循环水管）中储水量和水位下气泡容积。而水位下气泡容积与锅
炉的蒸汽负荷、蒸汽压力、炉膛热负荷等有关。锅炉汽包水位主要受到锅炉蒸发量（蒸汽流量D ）和给水流量W 的影响。
1）干扰通道的动态特性——蒸汽负荷对水位的影响
在蒸汽流量D （既负荷增大或减小）的阶跃干扰下，汽包水位的阶跃响应曲线如图4.3-3所示。锅炉汽包水位H 对干扰输入蒸汽流量D 的传递函数可以描述为
消防电动开窗机1222()()()()()()1
f k H s H s k H s D s D s D s s T s =+=-++ （4.3.1） 其中，f k 为响应速度，即蒸汽流量作单位流量变化时，汽包水位的变化速度；2k 和2T 分别为响应曲线2H 的增益和时间常数。
根据物料守恒关系，当蒸汽用量突然增加而燃料量不变的情况下，汽包内的水位应该是
降低的。但是由于蒸汽用量突然增加，瞬时必导致汽包内压力下降，因此水的沸点降低，汽包内水的沸腾突然加剧，水的气泡迅速增加，将整个水位提高，即蒸汽用量突然增加对汽包水位不是理论上的降低而是升高，这就是所谓的假水位现象。
当蒸汽流量突然增加时，由于假水位现
象，开始水位先上升后下降，如图中曲线H 所示。当蒸汽流量阶跃变化时，根据物料平衡关
系，蒸汽量大于给水量，水位应下降，如图中
的曲线1H 所示。曲线2H 是只考虑水面下气泡
容积变化时的水位变化曲线。而实际水位变化
曲线H 是1H 与2H 的叠加，即12H H H =+。
对于蒸汽用量减少时同样可用上述方法进行
分析。
假水位变化幅度与锅炉规模有关，例如一般100-300 T/H 的高压锅炉当负荷变化10%时
假水位可达30-40mm ，因此在实际运行中选择
控制方案时应将其考虑在内。
2）控制通道的动态特性——给水量对汽包水位的影响
给水流量W 作阶跃变化时，锅炉水位H 的响应曲线如图4.3-5所示，可以用下列传递函数描述。
0()()s k H s e W s s
τ-= （4.3.2） 其中，0k 为响应速度，即给水流量作单位流量变化时，水位的变化速度；τ为时滞。
当给水量增加时，由于给水温度必然低
于汽包内饱和水温度，因而需要从饱和水中
吸收部分热量，因此导致汽包内的水温降
试水接头
低，使汽包内水位下的气泡减少，从而导致
水位下降，只有当水位下气泡容积变化达到
平衡后，给水量增加才与水位成比例增加。表现在响应曲线的初始段，水位的增加比较
缓慢，可用时滞特性近似描述。因此实际的
水位响应曲线为如图4.3-4所示。当突然加
大给水量时，汽包水位一开始并不立即增加
皮尔斯电子而需要一段起惯性段，τ为滞后时间，其中0H 为不考虑给水增加而导致汽包中气泡减少的实际水位变化图。
2．锅炉汽包水位的控制
锅炉汽包水位的控制系统中，被控变量为汽包水位，操纵变量是给水流量。主要的干扰变量有以下四个来源。
① 给水方面的干扰。例如，给水压力、减温器控制阀开度变化等。
② 蒸汽用量的干扰。包括管路阻力变化和负荷设备控制阀开度变化等。
③ 燃料量的干扰。包括燃料热值、燃料压力、含水量等。
④ 汽包压力变化。通过汽包内部汽水系统在压力升高时的“自凝结”和压力降低时的“自蒸发”影响水位。
1）单冲量水位控制系统
D （蒸汽流量）H （汽包水位）图 4.3-3 蒸汽流量阶跃干扰下锅 炉汽包水位的响应曲线
W H （汽包水位）
图 4.3-4 给水量作用下锅炉汽包 水位的阶跃响应曲线
汽包水位控制系统的操纵变量总选用给水流量。基于这一原理，可构成如图4.3-5所示的单冲量控制系统。单冲量水位控制系统是最简单和基本的控制系统。单冲量指只有一个变量，即汽包水位。这是一个典型的单回路控制系统。其特点主要有
① 结构简单，投资少。
② 适用于汽包容量较大，虚假水位不严重，负荷较平稳的场合。
③ 为安全运行，可设置水位报警和连锁控制系统。
根据锅炉水位动态特性分析，该控制过程具有虚假水位的反向特性。当水蒸气负荷突然大幅度增加时，由于假水位现象，控制器输出误动作。控制器不但不能开大给水阀增加给水量，维持锅炉的物料平衡，而是关小控制阀的开度，减小给水量。等到假水位消失后，水位严重下降，影响控制系统的控制品质，严重时甚至会使汽包水位降到危险程度以致发生事故。因此对于停留时间短，负荷变动较大的情况，这样的系统不能适合，水位不能保证。然而对于小型锅炉，由于汽包停留时间较长，在蒸汽负荷变化时假水位的现象并不显著，配上一些连锁报警装置。也可以保证安全操作，故采用这种单冲量控制系统尚能满足生产的要求。
图 4.3-5 单冲量控制系统
图 4.3-6 双冲量控制系统
20)
F C P C +
2）双冲量水位控制系统
在汽包水位的控制中，最主要的干扰是负荷的变化。如果引入蒸汽流量来起校正作用，就可以纠正虚假水位引起的误动作，而且使控制阀及时动作，从而减少水位的波动，改善控制品质。考虑到蒸汽负荷的扰动可测但不可控，因此可将蒸汽流量信号引入系统中作为前馈信号，与汽包水位组成前馈－反馈控制系统，通常称为双冲量水位控制系统。构成的双冲量水位控制系统如图4.3-6所示。图中加法器的输出为 120C F P C P C P C =±+。 （4.3.3）
式中，LC 为液位控制器，C P 为液位控制器的输出；F P 为蒸汽流量变送器（一般经开方器）的输出；0C 为初始偏置值；1C 、2C 为加法器的系数。
图4.3-7 双冲量控制系统方框图
图4.3-7给出了典型的双冲量控制系统的原理及方框图。这是一个前馈（蒸汽流量）加单回路反馈控制的复合控制系统。这里的前馈系统仅为静态前馈，若需要考虑控制通道和扰动通道在动态特性上的差异，须加入动态补偿环节。下面分析这些系数的设置。
（1）系数2C 符号的选取原则
系数2C 取正号还是负号（即进行加法还是减法），要根据调节阀的特性是气开还是气关而定。而调节阀的选取一般要从生产安全角度进行选取。如果高压蒸汽是供给蒸汽透平机等，为保护这些设备以选择气开阀为宜。如果蒸汽作为加热及工艺生产中的热源时，应考虑采用气关阀，以防止烧干锅，保护锅炉设备安全。若调节阀为气开型，则取正号；若为气关型，则取负号。
此处考虑锅炉蒸汽作加热用，则2C 项取负号，这样当蒸汽流量加大时，测量到的干扰F P 增加，计算所得控制器的输出P 则减小，调节阀开度加大。
（2）2C 数值大小的确定
根据前馈控制工作原理，静态前馈时（即只有负荷干扰的条件下，汽包水位整体不变），应满足下列不变性条件。
2()()()()0PD m V PC G s C G s G s G s += （4.3.4）
检测变送环节的传递函数()m G s 以增益2m k 表示，则2m k 可按（4.3.5）式计算。
max min 2max
F m S z z P k D Q -∆==∆ （4.3.5） 式中，F P ∆表示蒸汽流量变送器的输出变化量；D ∆为蒸汽流量变化量；max min z z -为蒸汽流量变送器输出最大变化范围；max S Q 为蒸汽流量变送器的量程，从零开始。设调节阀的工作特性是线性的，则它的放大系数v W k Q P =∆∆。式中，W Q ∆为给水流量变化量；P ∆为阀门输入信号变化量。若令22()ff mG s k C =，则由（4.3.4）可得
220()()1()()()()f PD ff s V PC v k k G s s T s G s k G s G s k e s τ--++=-
=- （4.3.6）
若采用静态补偿，则 2200lim ()f ff m s v k G s k C k k →== （4.3.7）
由式（4.3.1）可知，f S k H Q =∆∆为在蒸汽流量作用下的汽包水位的阶跃响应曲线的速度；由式（4.3.2）可知，0W k H Q =∆∆为在给水流量作用下的汽包水位的阶跃响应曲线的速度。根据达到稳态时满足物料平衡的原理，有W s Q Q α∆=∆。由于排污等水损失，因此给水流量的增量w Q ∆应大于蒸汽流量用量s Q ∆，即1α>。因而可得系数
22v m C k k α=
（4.3.8）
（3）系数1C 的确定 由于1C 是与调节器放大倍数的乘积，相当于简单调节系统中调节器放大倍数的作用。一般取11C ≤。
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