典型工业过程控制系统
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虚假 水位
ΔD ΔH2 ΔH
理论 水位
实际 水位
ef K2 H ( s) D(s) s T2 s 1
H0 ΔH1
t
蒸汽流量阶跃干扰下的 汽包水位响应曲线
刘玉长
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中南大学能源科学与工程学院
热工过程控制工程
(二)锅炉汽包水位的控制方案
1、汽包水位的单冲量控制 如图所示为单冲量水位控制系统仪表 流程图。这里的冲量一词指的是变量，单 冲量即汽包水位。 结构简单，投资少。 适用于虚假水位不严重，负荷较平稳的 场合(小型锅炉)。 为安全运行，可设置水位报警和联锁控 制系统。 但由于存在虚假水位的反向特性，误动 作、控制不及时
H0
刘玉长
12
中南大学能源科学与工程学院
热工过程控制工程
(2)另一方面，蒸汽流量增加，导致汽包压力Pb瞬时下降，在锅 炉蒸发管(水冷壁)内的水沸腾加剧，水中汽泡数量迅速增加， 汽泡体积增大，使汽包水位升高。这种压力下降而非水量增加 (水量实际上在减少)导致汽包水位上升的现象称为“虚假水位 ”现象， 其响应曲线如下，传递函数等效于一个惯性环节：
ΔD
H0
ΔH2
H 2 ( s) K2 D( s) T2 s 1
t 式中K 、T 分别为只考虑水面下汽泡体 2 2
积变化所引起的水位变化的放大倍数和 时间常数。
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刘玉长
蒸汽流量突变时的 “虚假水位”
中南大学能源科学与工程学院
热工过程控制工程
蒸汽流量变化的反向特性
(3)其他条件不变，总的蒸汽流量D突然增加时的响应曲线如下， 为典型的“反向特性”。传递函数为：
刘玉长
3
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热工过程控制工程
6.1 锅炉设备的控制
锅炉是发电、炼油、化工等工业部门的重要能源、热源动 力设备。锅炉种类很多，按所用燃料分类，有燃煤锅炉、燃油 锅炉、燃气锅炉，还有利用残渣、残油、释放气等为燃料的锅 炉。
刘玉长
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热工过程控制工程
送汽轮机
火力发电厂之锅炉系统
系统分解
给水泵、除氧器、省煤 汽 器、锅桶、下降管、联 水 箱、水冷壁、过热器、 再热器、减温器等
给水
煤 粉
空气
燃烧器；送风机、炉膛、 燃 烟道、除尘器、引风机、 烧 烟囱等
刘玉长
烟气
原煤场(仓)、给煤机、 燃 输煤皮带、磨煤机、煤 运 粉仓、给粉机等
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(一)汽包水位的对象特性
1、控制通道特性
当突然加大给水量G后，汽包水位H一开始 不立即增加，而要呈现出一段起始惯性段。其 传递函数等效于一个积分环节和纯滞后环节的 串联：
G
H
H ( s) e 0 t s e G( s) s
t
t
刘玉长
式中e为给水流量作用下，阶跃反应曲线的飞升速度；t为纯滞后时间， 给水温度越低 ，t 越大，一般约在15～100s之间，采用省煤器时在 100～200s之间。
离心泵
无相变 有相变 反应釜 流化床
刘玉长
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热工过程控制工程
热工单元自动控制的一般设计原则 ？
热工单元的作用：用来实现一些特定的物理和（或）化学反应过程 热工单元自控要求： 使物理变化过程和(或)化学反应过程在符合 预定的要求、条件下自动进行 实现热工单元自动控制的原则： 保证工艺质量指标 满足物料平衡条件 满足安全约束条件 提高机械效率和能源利用率
蒸汽温度 蒸汽压力 过剩空气 炉膛负压
锅炉的控制系统：（1）锅炉汽包水位控制 （2）锅炉燃烧系统控制 （3）过热蒸汽系统控制
刘玉长
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热工过程控制工程
6.1.2 锅炉汽包水位的控制
被控变量：汽包水位，用H (s)表示； 控制变量：汽包给水量流量，用G (s)表示； 主要干扰：蒸汽负荷(蒸汽流量)，用D (s)表示； 其它扰动：给水方面的扰动；燃料量的扰动；汽包压力变化； 通道对象：非自衡、反向特性、非线性等特性。 一般要求在运行中，汽包水位 控制在正常值范围 （±30mm-- ±50mm ）。 影响汽包水位H的主要因素？
蒸汽 汽 包 省 煤 器 给 水 LC
单冲量控制系统
刘玉长
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热工过程控制工程
2、汽包水位的双冲量控制 双冲量水位控制系统利 用蒸汽流量变化信号对给水量 进行补偿控制，从而不仅可以 消除或减小虚假水位现象对汽 包水位的影响，而且使给水控 制阀的调节更及时。 双冲量：汽包水位与蒸汽流量 。
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热工过程控制工程
第6章 典型热工过程控制系统
6.1 锅炉设备的控制 6.2 流体输送设备的控制 6.3 传热设备的控制 6.4 化学反应器的自动控制
刘玉长
中南大学能源科学与工程学院
热工过程控制工程
典型热工单元有哪些？
热工设备 流体输送设备 传热设备 反应器 锅 炉 加热炉 容积式泵 压缩机
热工过程控制工程 锅炉系统流程界面
刘玉长
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热工过程控制工程
6.1.1 锅炉设备的工艺流程
D PM 减温器 负荷设备 调节阀 过热蒸汽送 负荷设备
组成：燃烧系统 蒸汽发生系统
汽 包
炉墙
燃烧系统：由送风机、 空气预热器、燃料系统、 燃烧室、烟道、除尘器 和引风机等组成 蒸汽发生系统：由给 水系统、省煤器、汽 包和过热器等组成。
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刘玉长
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热工过程控制工程
汽包水位测量的重要性
汽包水位过高的危害？
水位过低 的危害？
锅炉
过热器
汽轮机 发电机
水冷壁 超温被 烧坏
水 冷 壁
再热器 汽包
～
省煤器
燃料 凝汽器
空气
空预器
爆管
灰斗
去烟囱
空气
空气
给水泵 10
刘玉长
锅炉水循环 效果变差
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热工过程控制工程
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热工过程控制工程
2、干扰通道特性(蒸汽流量变化) 其他条件不变，蒸汽流量D突然增加时： (1)一方面，汽包瞬时流出水量大于流入量，汽包存水量减 少(如下图)。其传递函数等效于一个非自衡单容对象(积分 环节)：
ΔD
ef H1 ( s) D( s ) s
t
ΔH1
式中ef为为蒸汽流量作用下，阶跃 响应曲线的斜率。
过热器 炉 膛
省 煤 器
热空气 送往炉膛 空气预热器 给水 冷空气 烟气 (经引风机送往烟囱)
热空气 燃料 燃料嘴
刘玉长
高温烟气：经过热 器、省煤器预热给 水、过空气预热器 预热锅炉送风，经 引风机送往烟囱排 入大气。
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热工过程控制工程
锅炉设备的控制问题
负 荷 给水量 减温水 燃料量 送风量 引风量 锅炉设备 水 位
ΔD ΔH2 ΔH
理论 水位
实际 水位
ef K2 H ( s) D(s) s T2 s 1
H0 ΔH1
t
蒸汽流量阶跃干扰下的 汽包水位响应曲线
刘玉长
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热工过程控制工程
(二)锅炉汽包水位的控制方案
1、汽包水位的单冲量控制 如图所示为单冲量水位控制系统仪表 流程图。这里的冲量一词指的是变量，单 冲量即汽包水位。 结构简单，投资少。 适用于虚假水位不严重，负荷较平稳的 场合(小型锅炉)。 为安全运行，可设置水位报警和联锁控 制系统。 但由于存在虚假水位的反向特性，误动 作、控制不及时
H0
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热工过程控制工程
(2)另一方面，蒸汽流量增加，导致汽包压力Pb瞬时下降，在锅 炉蒸发管(水冷壁)内的水沸腾加剧，水中汽泡数量迅速增加， 汽泡体积增大，使汽包水位升高。这种压力下降而非水量增加 (水量实际上在减少)导致汽包水位上升的现象称为“虚假水位 ”现象， 其响应曲线如下，传递函数等效于一个惯性环节：
ΔD
H0
ΔH2
H 2 ( s) K2 D( s) T2 s 1
t 式中K 、T 分别为只考虑水面下汽泡体 2 2
积变化所引起的水位变化的放大倍数和 时间常数。
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蒸汽流量突变时的 “虚假水位”
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蒸汽流量变化的反向特性
(3)其他条件不变，总的蒸汽流量D突然增加时的响应曲线如下， 为典型的“反向特性”。传递函数为：
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6.1 锅炉设备的控制
锅炉是发电、炼油、化工等工业部门的重要能源、热源动 力设备。锅炉种类很多，按所用燃料分类，有燃煤锅炉、燃油 锅炉、燃气锅炉，还有利用残渣、残油、释放气等为燃料的锅 炉。
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热工过程控制工程
送汽轮机
火力发电厂之锅炉系统
系统分解
给水泵、除氧器、省煤 汽 器、锅桶、下降管、联 水 箱、水冷壁、过热器、 再热器、减温器等
给水
煤 粉
空气
燃烧器；送风机、炉膛、 燃 烟道、除尘器、引风机、 烧 烟囱等
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烟气
原煤场(仓)、给煤机、 燃 输煤皮带、磨煤机、煤 运 粉仓、给粉机等
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(一)汽包水位的对象特性
1、控制通道特性
当突然加大给水量G后，汽包水位H一开始 不立即增加，而要呈现出一段起始惯性段。其 传递函数等效于一个积分环节和纯滞后环节的 串联：
G
H
H ( s) e 0 t s e G( s) s
t
t
刘玉长
式中e为给水流量作用下，阶跃反应曲线的飞升速度；t为纯滞后时间， 给水温度越低 ，t 越大，一般约在15～100s之间，采用省煤器时在 100～200s之间。
离心泵
无相变 有相变 反应釜 流化床
刘玉长
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热工单元自动控制的一般设计原则 ？
热工单元的作用：用来实现一些特定的物理和（或）化学反应过程 热工单元自控要求： 使物理变化过程和(或)化学反应过程在符合 预定的要求、条件下自动进行 实现热工单元自动控制的原则： 保证工艺质量指标 满足物料平衡条件 满足安全约束条件 提高机械效率和能源利用率
蒸汽温度 蒸汽压力 过剩空气 炉膛负压
锅炉的控制系统：（1）锅炉汽包水位控制 （2）锅炉燃烧系统控制 （3）过热蒸汽系统控制
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6.1.2 锅炉汽包水位的控制
被控变量：汽包水位，用H (s)表示； 控制变量：汽包给水量流量，用G (s)表示； 主要干扰：蒸汽负荷(蒸汽流量)，用D (s)表示； 其它扰动：给水方面的扰动；燃料量的扰动；汽包压力变化； 通道对象：非自衡、反向特性、非线性等特性。 一般要求在运行中，汽包水位 控制在正常值范围 （±30mm-- ±50mm ）。 影响汽包水位H的主要因素？
蒸汽 汽 包 省 煤 器 给 水 LC
单冲量控制系统
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热工过程控制工程
2、汽包水位的双冲量控制 双冲量水位控制系统利 用蒸汽流量变化信号对给水量 进行补偿控制，从而不仅可以 消除或减小虚假水位现象对汽 包水位的影响，而且使给水控 制阀的调节更及时。 双冲量：汽包水位与蒸汽流量 。
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第6章 典型热工过程控制系统
6.1 锅炉设备的控制 6.2 流体输送设备的控制 6.3 传热设备的控制 6.4 化学反应器的自动控制
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典型热工单元有哪些？
热工设备 流体输送设备 传热设备 反应器 锅 炉 加热炉 容积式泵 压缩机
热工过程控制工程 锅炉系统流程界面
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6.1.1 锅炉设备的工艺流程
D PM 减温器 负荷设备 调节阀 过热蒸汽送 负荷设备
组成：燃烧系统 蒸汽发生系统
汽 包
炉墙
燃烧系统：由送风机、 空气预热器、燃料系统、 燃烧室、烟道、除尘器 和引风机等组成 蒸汽发生系统：由给 水系统、省煤器、汽 包和过热器等组成。
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热工过程控制工程
汽包水位测量的重要性
汽包水位过高的危害？
水位过低 的危害？
锅炉
过热器
汽轮机 发电机
水冷壁 超温被 烧坏
水 冷 壁
再热器 汽包
～
省煤器
燃料 凝汽器
空气
空预器
爆管
灰斗
去烟囱
空气
空气
给水泵 10
刘玉长
锅炉水循环 效果变差
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热工过程控制工程
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热工过程控制工程
2、干扰通道特性(蒸汽流量变化) 其他条件不变，蒸汽流量D突然增加时： (1)一方面，汽包瞬时流出水量大于流入量，汽包存水量减 少(如下图)。其传递函数等效于一个非自衡单容对象(积分 环节)：
ΔD
ef H1 ( s) D( s ) s
t
ΔH1
式中ef为为蒸汽流量作用下，阶跃 响应曲线的斜率。
过热器 炉 膛
省 煤 器
热空气 送往炉膛 空气预热器 给水 冷空气 烟气 (经引风机送往烟囱)
热空气 燃料 燃料嘴
刘玉长
高温烟气：经过热 器、省煤器预热给 水、过空气预热器 预热锅炉送风，经 引风机送往烟囱排 入大气。
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锅炉设备的控制问题
负 荷 给水量 减温水 燃料量 送风量 引风量 锅炉设备 水 位