1、 . 51/59畢業設計（論文）原創性聲明和使用授權說明原創性聲明本人重承諾：所呈交的畢業設計（論文），是我個人在指導教師的指導下進行的研究工作與取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標注和致的地方外，不包含其他人或組織已經發表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得與其它教育機構的學位或學歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了意。作 者 簽 名：日 期：指導教師簽名： 日期：使用授權說明本人完全了解大學關于收集、保存、使用畢業設計（論文）的規定，即：按照學校要求提交畢業設計（論文）的印刷本和電子版本；學校有權保存畢業設計（論文）的印刷本和電子

2、版，并提供目錄檢索與閱覽服務；學校可以采用影印、縮印、數字化或其它復制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學校可以公布論文的部分或全部容。作者簽名： 日 期：學位論文原創性聲明本人重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經發表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。作者簽名： 日期： 年 月 日學位論文使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規定，同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件

3、和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權大學可以將本學位論文的全部或部分容編入有關數據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。涉密論文按學校規定處理。作者簽名：日期： 年 月 日導師簽名： 日期： 年 月 日注意事項1.設計（論文）的容包括：1）封面（按教務處制定的標準封面格式制作）2）原創性聲明3）中文摘要（300字左右）、關鍵詞4）外文摘要、關鍵詞5）目次頁（附件不統一編入）6）論文主體部分：引言（或緒論）、正文、結論7）參考文獻8）致9）附錄（對論文支持必要時）2.論文字數要求：理工類設計（論文）正文字數不少于1萬字（不包括圖紙、程序清單等），文科類論文正文字

4、數不少于1.2萬字。3.附件包括：任務書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復印件）。4.文字、圖表要求：1）文字通順，語言流暢，書寫字跡工整，打印字體與大小符合要求，無錯別字，不準請他人代寫2）工程設計類題目的圖紙，要求部分用尺規繪制，部分用計算機繪制，所有圖紙應符合國家技術標準規。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書寫，不準用徒手畫3）畢業論文須用A4單面打印，論文50頁以上的雙面打印4）圖表應繪制于無格子的頁面上5）軟件工程類課題應有程序清單，并提供電子文檔5.裝訂順序1）設計（論文）2）附件：按照任務書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復印件）次序裝訂3）其它電站鍋爐自動測控系統摘

5、要隨著社會對電力需求量的增加，電站鍋爐正在向著大型化和超大型化的方向發展，因此對鍋爐蒸發量的要求就越來越大，但是鍋爐尺寸相對變化并不大。在保證快速性的前提下，對鍋爐經濟性要求也更高，這樣就對鍋爐控制系統提出了更高的要求。本文簡要介紹了火力發電廠的生產過程與電站鍋爐自動控制系統的各個組成部分和控制目標，重點對水位控制系統進行了比較深入的研究，在對系統的結構、特性充分理解的基礎上，分析了水位控制系統通常使用的單沖量控制、雙沖量控制和三沖量控制，并進行綜合的分析和比較，詳細設計了三沖量控制系統。基于對現場狀況實時掌控的要求，本文運用MCGS組態軟件設計了鍋爐狀態監控程序，以動畫顯示、報警處理、實時曲

6、線、歷史曲線和報表輸出等多種方式向用戶提供解決實際工程問題的方案，達到了實時監控的目的。關鍵詞：電站鍋爐；自動控制；水位控制；MCGS組態Automatic measurement and control system power plant boilerAbstractWith the communitys increasing demand for electricity, power plant boiler is large and very large toward the direction of development, evaporation and therefore the

7、 requirements of the boiler on the growing, but the boiler is not large relative changes in size. In ensuring the rapid under the premise of the economic requirements of the boiler is also higher, so that the boilers control system to a higher demand. This paper introduces the process of producing c

8、oal-fired power plants and power plant boiler automatic control system and control the various components of the target, with a focus on water level control system more in-depth studies of the structure, features fully understood on the basis of Analysis of the water level control systems typically

9、use a single-impulse control, dual impulse control and three-impulse control, and comprehensive analysis and comparison of the detailed design of a three-impulse control systems. The scene based on real-time control of the state of the request, this paper MCGS boiler configuration software designed

10、to monitor the status of procedures in order to display animation, alarm processing, real-time curve, and the statements of the historical curve output provides users with a variety of ways to solve practical engineering problems programs to reach the purpose of real-time monitoring. Keyword：powerpl

11、ant boiler; automatic control; water level control; MCGS configuration目 錄TOC o 1-3 h z uHYPERLINK l _Toc232755570摘要 PAGEREF _Toc232755570 h IHYPERLINK l _Toc232755571Abstract PAGEREF _Toc232755571 h IIHYPERLINK l _Toc232755572第一章 緒論 PAGEREF _Toc232755572 h 1HYPERLINK l _Toc2327555731.1 火力發電概述 PAGERE

12、F _Toc232755573 h 1HYPERLINK l _Toc2327555741.2 鍋爐自動控制介紹 PAGEREF _Toc232755574 h 1HYPERLINK l _Toc2327555751.3 國外鍋爐自動控制的發展 PAGEREF _Toc232755575 h 3HYPERLINK l _Toc2327555761.4 本文研究的主要容 PAGEREF _Toc232755576 h 5HYPERLINK l _Toc232755577第二章 電站鍋爐系統概述 PAGEREF _Toc232755577 h 6HYPERLINK l _Toc2327555782

13、.1 火力發電廠工藝介紹 PAGEREF _Toc232755578 h 6HYPERLINK l _Toc2327555792.2 鍋爐系統概述 PAGEREF _Toc232755579 h 9HYPERLINK l _Toc2327555802.3 鍋爐原理 PAGEREF _Toc232755580 h 10HYPERLINK l _Toc2327555812.4 鍋爐的類型 PAGEREF _Toc232755581 h 11HYPERLINK l _Toc2327555822.5 鍋爐本體與輔助設備 PAGEREF _Toc232755582 h 12HYPERLINK l _To

14、c2327555832.6 鍋爐主要控制系統 PAGEREF _Toc232755583 h 14HYPERLINK l _Toc2327555842.6.1 燃燒控制系統 PAGEREF _Toc232755584 h 14HYPERLINK l _Toc2327555852.6.2 給水控制系統 PAGEREF _Toc232755585 h 15HYPERLINK l _Toc2327555862.6.3 汽溫控制系統 PAGEREF _Toc232755586 h 16HYPERLINK l _Toc2327555872.7 鍋爐安全監測保護系統 PAGEREF _Toc2327555

15、87 h 16HYPERLINK l _Toc232755588第三章 鍋爐汽包水位控制系統研究 PAGEREF _Toc232755588 h 18HYPERLINK l _Toc2327555893.1 汽包鍋爐給水控制系統的任務 PAGEREF _Toc232755589 h 18HYPERLINK l _Toc2327555903.2 水位控制對象的動態特性 PAGEREF _Toc232755590 h 18HYPERLINK l _Toc2327555913.2.1 給水流量擾動下水位的動態特性 PAGEREF _Toc232755591 h 19HYPERLINK l _Toc2

16、327555923.2.2 蒸汽流量擾動下水位的動態特性 PAGEREF _Toc232755592 h 20HYPERLINK l _Toc2327555933.2.3 燃燒率擾動下水位的動態特性 PAGEREF _Toc232755593 h 21HYPERLINK l _Toc2327555943.3 給水控制手段 PAGEREF _Toc232755594 h 22HYPERLINK l _Toc2327555953.4 水位控制的基本方法 PAGEREF _Toc232755595 h 23HYPERLINK l _Toc2327555963.4.1 單沖量水位控制系統 PAGERE

17、F _Toc232755596 h 24HYPERLINK l _Toc2327555973.4.2 雙沖量水位控制系統 PAGEREF _Toc232755597 h 25HYPERLINK l _Toc2327555983.4.3 三沖量水位控制系統 PAGEREF _Toc232755598 h 26HYPERLINK l _Toc2327555993.5 水位控制系統詳細設計 PAGEREF _Toc232755599 h 32HYPERLINK l _Toc2327556003.5.1 給水流量控制器的正反作用與控制規律的選擇 PAGEREF _Toc232755600 h 32HY

18、PERLINK l _Toc2327556013.5.2 汽包液位控制器的正反作用與控制規律的選擇 PAGEREF _Toc232755601 h 33HYPERLINK l _Toc2327556023.5.3 前饋部分的設計 PAGEREF _Toc232755602 h 33HYPERLINK l _Toc2327556033.5.4 控制過程 PAGEREF _Toc232755603 h 34HYPERLINK l _Toc2327556043.5.5 儀表選型 PAGEREF _Toc232755604 h 36HYPERLINK l _Toc2327556053.6 幾種先進控制

19、方式在鍋爐水位控制中的應用 PAGEREF _Toc232755605 h 37HYPERLINK l _Toc2327556063.6.1 預測控制 PAGEREF _Toc232755606 h 37HYPERLINK l _Toc2327556073.6.2 專家控制 PAGEREF _Toc232755607 h 38HYPERLINK l _Toc2327556083.6.3 模糊控制 PAGEREF _Toc232755608 h 39HYPERLINK l _Toc232755609第四章 監控程序設計 PAGEREF _Toc232755609 h 41HYPERLINK l

20、_Toc2327556104.1 MCGS組態軟件簡介 PAGEREF _Toc232755610 h 41HYPERLINK l _Toc2327556114.2 鍋爐監控系統設計 PAGEREF _Toc232755611 h 41HYPERLINK l _Toc232755612參考文獻 PAGEREF _Toc232755612 h 45HYPERLINK l _Toc232755613附錄一 PAGEREF _Toc232755613 h 47HYPERLINK l _Toc232755614附錄二 PAGEREF _Toc232755614 h 48HYPERLINK l _Toc

21、232755615致 PAGEREF _Toc232755615 h 49緒論火力發電概述火電廠的燃料構成決定國家資源情況和能源政策。20世紀80年代以后，中國火電廠的燃料主要是煤。1987年，火電廠發電量的87是煤電，其余13是燒油或其它能源發出的。有煙煤資源或依賴進口煤的國家，其火電廠主要燃用煙煤，因其熱值高、易燃。其它煤種占較大比重的國家，有用褐煤（德國、澳大利亞）、無煙煤（前聯、西班牙、朝鮮等）的；中國燃用煤一半以上是煙煤，貧煤次之，無煙煤在10以下。一些國家還根據石油國際市場的情況，采用燃油和天然氣發電機組。除蒸汽機組外，還有的用燃氣輪機和燃機發電機組。70年代以來，燃氣蒸汽聯合循環

22、機組發電的火電廠得到重視。現代化火電廠是一個龐大而又復雜的生產電能與熱能的工廠。它由下列5個系統組成：燃料系統；燃燒系統；汽水系統；電氣系統；控制系統。在上述系統中，最主要的設備是鍋爐、汽輪機和發電機，它們安裝在發電廠的主廠房。主變壓器和配電裝置一般裝放在獨立的建筑物或戶外，其他輔助設備如給水系統、供水設備、水處理設備、除塵設備、燃料儲運設備等，有的安裝在主廠房，有的則安裝在輔助建筑中或在露天場地。火電廠基本生產過程是，燃料在鍋爐中燃燒，將其熱量釋放出來，傳給鍋爐中的水，從而產生高溫高壓蒸汽，蒸汽通過汽輪機又將熱能轉化為旋轉動力，以驅動發電機輸出電能。到80年代為止，世界上最好的火電廠的效率達

23、到40，即把燃料中40的熱能轉化為電能。鍋爐自動控制介紹熱力過程自動化技術是實現發電廠熱力過程現代化的重要技術措施之一，是確保電廠安全經濟運行的重要手段。所謂自動控制，就是指在沒有人直接參與的條件下，自動控制裝置使生產設備或生產過程按預訂的目標進行的一切技術手段。目前火電廠鍋爐部分主要的熱工自動化控制系統有：給水控制系統、燃燒控制系統、過熱汽溫控制系統等。在鍋爐側最主要的子控制系統就是燃燒控制系統。單元機組的能量輸入是靠燃料的與時供給和在爐膛的良好燃燒來保證的。大型火電機組鍋爐大多是采用直吹式制粉系統向鍋爐供應煤粉的。燃燒控制系統又主要包括以下子控制系統：燃料控制系統；風量控制系統；爐膛壓力控

24、制系統；磨煤機一次風量和出口溫度控制系統；一次風壓力控制系統；輔助風控制系統；燃料風（周界風）控制系統和燃盡風控制系統等。汽包鍋爐給水自動控制的任務是使鍋爐的給水量適應鍋爐的蒸發量，維持汽包水位在規定的圍。汽包水位是鍋爐運行中的一個重要監控參數，它反映了鍋爐蒸汽負荷與給水量之間的平衡關系，維持汽包水位正常是保證鍋爐和汽輪機安全運行的必要條件。汽包水位過高，會影響汽包汽水分離裝置的正常工作，造成汽包出口蒸汽水分過多，含鹽濃度增大，易使過熱器管壁結垢而導致過熱器燒壞；同時還會使過熱汽溫產生急劇變化，直接影響機組運行的安全性和經濟性。汽包水位過低，則可能破壞鍋爐水循環，造成水冷壁管燒壞而破裂。因此，

25、為保證機組安全運行，正常情況下，一般限制汽包水位在（3050）mm圍變化。過熱蒸汽溫度自動控制的任務是維持過熱器出口蒸汽溫度在允許圍，并且保護過熱器，使管壁溫度不超過允許的工作溫度。過熱蒸汽溫度是影響大型鍋爐生產過程安全性和經濟性的重要參數。因為過熱器是在高溫、高壓條件下工作的，過熱器出口的過熱蒸汽溫度是全廠整個汽水過程中工質溫度的最高點，也是金屬管壁的最高處。過熱蒸汽溫度過高，容易燒壞過熱器，也會使蒸汽管道、汽輪機某些零部件產生過大的熱膨脹變形而損壞，影響機組的安全運行，因而過熱汽溫的上限一般不應超過額定值5；過熱蒸汽溫度過低，又會降低全廠的熱效率，不僅增加燃料消耗量，浪費能源，而且還將使汽

26、輪機最后幾級的蒸汽濕度增加，加速汽輪機葉片的水蝕。另外，過熱蒸汽溫度降低還會導致汽輪機高壓部分級的焓降減少，引起各級反動度增大，軸向推動增大，影響汽輪機的安全經濟運行，因而過熱汽溫的下限一般不低于額定值10。過熱汽溫的額定值通常在500以上，例如，高壓鍋爐一般為540，就是說要使過熱汽溫保持在540。國外鍋爐自動控制的發展鍋爐控制系統的發展可以認為跟隨了過程控制的發展，大致經歷了基地式氣動儀表控制系統、電動單元組合模擬儀表控制系統、集中式數字控制系統、集散控制系統DCS和現場總線控制系統FCS幾個階段。二十世紀五十年代以前，由于當時的生產規模小，檢測儀表還處于發展的初級階段，所采用的僅僅是安裝

27、在生產設備現場、具備簡單檢測功能的基地式氣動儀表，其信號僅在本儀表起作用，一般不能傳送給別的儀表或系統。隨著生產規模的擴大，出現了電氣、電動的單元組合式儀表，此時出現了集中控制室。現場各處的信號通過統一的模擬信號送到集中控制室，操作員可以在控制室觀察生產現場的狀況。當時的工業是精密性比較差的工業，模擬控制系統基本上滿足了一定的要求。隨著控制、計算機、通信、網絡技術以與超大規模集成電路技術的發展，計算機生產成本急劇下降，運算速度加快、體積大幅減小，出現了數字調節器、可編程控制器（PLC）以與由多個計算機構成的集中、分散相結合的集散控制系統，這就是DCS集散控制系統。DCS在八、九十年代占主導地位

28、，其核心思想是集中管理、分散控制，即管理與控制相分離，上位機用于集中監視管理，若干下位機分散到現場實現分布式控制，上位機和下位機之間用控制網絡互連以實現相互之間的信息傳遞。但DCS還不是一個完全開放的系統。FCS正是順應以上潮流而誕生，它用現場總線這一開放的、可互操作的網絡將現場各控制器與儀表設備互連，構成現場總線控制系統。同時控制功能徹底下放到現場，降低了安裝成本和維護費用。因此，FCS實質上是一種開放的、具互操作性的、徹底分散的分布式控制系統。最新的鍋爐控制系統一般采用PLC和工業PC機為主的控制方案，通過以太網或現場總線實現雙向通訊。這樣，控制系統一般由以下幾部分組成：鍋爐本體、檢測裝置

29、、PLC、工業PC、手/自動切換操作、執行機構與閥門、滑差電機等部分。檢測裝置將鍋爐的溫度、壓力、流量、氧量、轉速等量轉換成電壓、電流信號送入PLC；對于手/自動操作切換部分，手動操作時由操作人員手動控制，用操作器控制滑差電機與閥門等，自動操作時PLC發出控制信號經執行部分進行自動操作。PLC作為下位機對整個鍋爐的運行進行監測、報警、控制以保證鍋爐正常、可靠地運行，工業PC機作為上位機對鍋爐的運行數據進行監視和顯示，并可以提供各種歷史數據。除此以外，為保證鍋爐運行的安全，在進行自動控制系統設計時，對鍋爐水位、鍋爐汽包壓力等重要參數應設置常規儀表與報警裝置，以保證水位和汽包壓力有雙重甚至三重報警

30、裝置，以免鍋爐發生重大事故。我國從60年代開始就從事鍋爐自控系統的研制工作，交通部船舶運輸科學研究所在長江航行的蒸汽動力船“紅十號”、“紅八號”和“紅四號”上安裝了氣動的鍋爐自動調節系統采用自行研制的基地式氣動調節器，到70年代初研制成強制循環輔助鍋爐的全自動控制系統，直到90年代才開始研制以可編程控制器為核心的輔助鍋爐燃燒控制裝置，現在國鍋爐業迅速發展，但是輔助鍋爐的控制系統大部分仍以進口產品為主，如：丹麥AALBORG公司、德國SAACKE公司、瑞典SUNROD公司和日本OSAKA公司的產品，這些公司幾乎都采用了可編程控制器組成的控制系統。 本文研究的主要容本文主要講述了電站鍋爐自動測控系

31、統相關容，在第一章中主要講述了火力發電的生產過程，鍋爐自動控制概述以與國外鍋爐自動控制的發展歷程與特點。第二章可表述為電站鍋爐概述，包括有鍋爐的類型、本體組成、鍋爐主要設備、鍋爐原理以與主要的控制系統。第三章中重點研究鍋爐汽包水位控制系統，簡要的說明了單沖量、雙重量控制方法，對三沖量控制方法進行了相對詳細的分析與介紹，進行綜合比較，對自動控制過程做了較為詳細的說明和分析，同時還有儀表選型，控制器正/反作用的判定和控制規律的選擇，并簡要的介紹了先進控制方式在水位控制系統中的應用，包括預測控制，專家控制和模糊控制。第四章講述了運用MCGS組態軟件實現對鍋爐實時監控，并與時對所定數據上限值和下限值進

32、行報警，以達到監控的目的。電站鍋爐系統概述火力發電廠工藝介紹火力發電由三大主要設備鍋爐、汽輪機、發電機與相應輔助設備組成，它們通過管道或線路相連構成生產主系統，即燃燒系統、汽水系統和電氣系統。其生產流程如圖2-1所示。圖2-1 火力發電生產過程原理框圖 燃燒系統燃燒系統如圖2-2，包括鍋爐的燃燒部分、輸煤、除灰和煙氣排放系統等。燃煤由傳送帶輸送到鍋爐車間的煤斗，進入磨煤機磨成煤粉，然后與經過預熱器預熱的空氣一起噴入爐燃燒，將煤的化學能轉換成熱能，煙氣經除塵器清除灰分后，由引風機抽出，由煙囪排入大氣。爐渣和除塵器下部的細灰由灰渣泵排至灰場。圖2-2 燃煤系統流程圖 汽水系統汽水系統流程如圖2-3

33、所示，包括鍋爐、汽輪機、凝汽器與給水泵等組成的汽水系統循環和水處理系統、冷卻水系統等。水在鍋爐中加熱后蒸發成蒸汽，流經過熱器之后圖2-3 汽水系統流程圖進一步加熱，成為具有規定壓力和溫度的過熱蒸汽，然后經過管道送入汽輪機。在汽輪機中，蒸汽不斷膨脹，高速流動，沖擊汽輪機的轉子，以額定轉速（3000r/min）旋轉，將熱能轉換成機械能，帶動與汽輪機同軸的發電機發電。在膨脹過程中，蒸汽的壓力和溫度不斷降低。蒸汽做功后從汽輪機下部排出。排出的蒸汽稱為乏汽，它排入凝汽器。在凝汽器中，汽輪機的乏汽被冷卻水冷卻，凝結成水。凝汽器下部所凝結的水由凝結水泵升壓后進入低壓加熱器和除氧器，提高水溫并除去水中的氧（以

34、防止腐蝕爐管等），再由給水泵進一步升壓，然后進入高壓加熱器，再回到鍋爐，完成水蒸汽水的循環。給水泵以后的凝結水稱為給水。汽水系統中的蒸汽和凝結水在循環過程中總會有一些損失，因此，必須不斷向給水系統補充經過化學處理的水。補給水進入除氧器，同凝結水一起由給水泵打入鍋爐。 電氣系統電氣系統如圖2-4所示，包括發電機、勵磁系統、廠用電系統和升壓變電所等，發電機的機端電壓和電流隨其容量不同而變化，其電壓一般在1020kV之間，電流可達數千安。因此，發電機發出的電一般由主變壓器升高電壓后，經變電所高壓電器設備和輸電線送往電網。極少部分電通過廠用變壓器降低電壓后，經廠用電配電裝置和電纜供廠風機、水泵等各種輔

35、機設備和照明等用電。圖2-4 電氣系統圖綜上所述，燃煤由列車運來后，卸煤設備把它卸到煤場而儲存備用。在生產中，煤由輸煤設備從煤場輸入鍋爐的爐前煤斗存放，經給煤機送入磨煤機磨制成煤粉，以利于燃燒。與煤同時進入磨煤機的熱空氣起到干燥、輸送煤粉的作用。煤粉與空氣混合同時進入鍋爐，迅速燃燒，同時放出熱量，把鍋爐中的水加熱成過熱蒸汽。含有熱能的高溫、高壓蒸汽被送入汽輪機，釋放能量推動汽輪機旋轉，把蒸汽的熱能轉換成汽輪機旋轉的機械能。汽輪機拖動與它相連的發電機同步旋轉，發電機在旋轉中把輸入的機械能轉變成電能。鍋爐系統概述鍋爐是火力發電廠的主要設備之一，在電力生產過程中占有相當重要的地位。鍋爐是利用燃料（如

36、煤、天然氣、焦爐煤氣、高爐煤氣、重油等）燃燒釋放的熱能加熱給水，生產規定品質和參數的過熱蒸汽的設備，又稱蒸汽發生器。在熱力發電廠中，將煤、石油、天然氣等燃料燃燒或其它熱源釋放出來的熱量，通過金屬受熱面傳遞給經凈化的水，將其加熱到一定壓力和溫度的水或蒸汽的換熱設備稱為鍋爐。鍋爐是工業企業的重要動力設備，它是火力發電廠的三大支柱之一（即鍋爐、汽輪機和發電機），鍋爐工業的發展直接影響著火力發電的發展和大電站的建設。此外，鍋爐還是輕工業生產中的熱源和動力源，如為蒸餾、化學反應、干燥蒸發等提供熱能，為風機、壓縮機、泵類提供動力。在大型熱力發電廠中，鍋爐包括一個龐大的建筑和一整套熱交換、熱動機械和處理的設

37、備，工作情況十分復雜，其中某個部位產生故障，就會使整臺機組停運，造成國民經濟的重大損失。由此可見，國民經濟各部門發展也離不開鍋爐工業的發展，它在我們建設有中國特色的社會主義，大力發展經濟實現現代化的進程中，起到了十分重要的作用。鍋爐生產實際上是實現能量的轉換和傳遞，將燃料的能轉換為蒸汽的熱能。整個工作過程可分為三個相互關聯的子過程：燃料的燃燒過程、火焰和煙氣向水與汽傳遞熱量的過程、蒸汽的生產過程。圖2-5是鍋爐設備主要工藝流程圖。圖2-5 鍋爐設備主要工藝流程圖鍋爐原理火力發電廠的生產過程是利用煤、石油、天然氣作為燃料，在鍋爐設備過燃燒和傳熱，把燃料的化學能轉換成水蒸氣的熱能，再借助于汽輪機設

38、備將蒸汽的熱能轉換成機械能，然后通過發電機將機械能轉換成電能。其中鍋爐部分簡要的工作過程可大致概括如下。原煤由原煤倉經給煤機進入磨煤機，經干燥和磨制后形成合格的煤粉。煤粉暫存于煤粉倉中，然后經給粉機和一次風管后由燃燒器噴入爐膛燃燒。外界冷空氣由送風機加壓后送入空氣預熱器，被加熱后的空氣有以下用途：一是送入磨煤機，用以干燥并輸送煤粉；二是送入一次風管將煤粉帶入燃燒器；三是作為二次風直接送入燃燒器，提供燃料燃燒所需的氧氣。煤粉和空氣在爐膛燃燒，放出的熱量首先將水冷壁中的水加熱，所產生的高溫煙氣流經爐膛和煙道，依次將熱量傳遞給過熱器、再熱器、省煤器與空氣預熱器等傳熱設備，加熱其中的蒸汽、水和空氣等工

39、質。這時，煙氣溫度降低了很多。最后，煙氣經除塵器除去大部分飛灰后由引風機送入煙囪排往大氣。另外，燃料燃燒生成的少量灰渣由排渣裝置排出爐外進行進一步處理。經過除氧器的水由給水泵加壓，并經省煤器加熱升溫后進入汽包暫時存儲。汽包中的水沿下降管道經下聯箱后進入水冷壁管。水冷壁管吸收爐膛的輻射放熱后，經熱傳導將水冷壁管中的部分水加熱變成水蒸汽，然后，這部分汽水混合物又重新返回汽包。經汽包的汽水分離器分離后，水繼續留在汽包下部，與新送入的給水一起進行下一次加熱循環，而蒸汽從汽包頂部引出，經過熱器進一步加熱后，由飽和蒸汽變為過熱蒸汽，送往汽輪機。對于大型發電機組，經汽輪機高壓缸做過部分功，且溫度和壓力都有所

40、降低的蒸汽會被再次送入再熱器，然后再送回汽輪機的中、低壓缸繼續做功。這樣，就進一步提高了發電機組的熱力循環效率和安全性。鍋爐的類型鍋爐的種類很多，如果按反映鍋爐生產能力的鍋爐容量來分，有小型鍋爐、中型鍋爐和大型鍋爐；按額定過熱蒸汽壓力與溫度等蒸汽參數來分，有低壓鍋爐、中壓鍋爐、高壓鍋爐、超高壓鍋爐、亞臨界壓力鍋爐和超臨界壓力鍋爐等；按燃料燃燒方式來分，有火床燃燒鍋爐、火室燃燒鍋爐、流化床燃燒鍋爐和旋風爐燃燒鍋爐等；按水循環方式來分，有自然循環鍋爐、強制循環鍋爐和直流鍋爐等；按通風方式來分，有自然通風鍋爐、機械送風鍋爐、機械引風鍋爐和平衡通風鍋爐等；按煙氣在鍋爐流動的狀況分，有水管鍋爐、鍋殼鍋爐

41、（火管鍋爐）、水火管組合式鍋爐；按用途分，包括生活鍋爐、工業鍋爐、電站鍋爐；按介質分，有蒸汽鍋爐、熱水鍋爐、汽水兩用鍋爐、有機熱載體鍋爐；按燃料分，有燃煤鍋爐、燃油鍋爐、燃氣鍋爐、余熱鍋爐、電加熱鍋爐、生物質鍋爐；按鍋爐數量分，單鍋筒鍋爐、雙鍋筒鍋爐；按燃燒定在鍋爐部或外部分為燃式鍋爐、外燃式鍋爐，等等。鍋爐本體與輔助設備鍋爐本體是鍋爐的主要組成部分，包括爐膛、燃燒器、點火裝置、空氣預熱器、省煤器、蒸發器、汽包、過熱器與再熱器等，其中爐膛又包括水冷壁、爐墻和構架等。下面作簡要介紹。（1）爐膛爐膛是噴入燃油燃燒的場所，它的作用就是提供足夠的空間，使燃油得以充分燃燒，同時，使燃燒發出的熱量盡少散失

42、到鍋爐外面去。爐膛由耐火磚墻和水冷壁組成。水冷壁是鋪設在爐膛壁上的密集管排，組成水循環回路的上升管，它可以保護耐火磚不致因過熱而損壞，但是由于它吸收的是高溫輻射熱，所以熱負荷非常高，成為受熱面的重要組成部分。水冷壁大約吸收相當于煙氣在鍋爐中總燴值下降量的1/31/2的熱量，使煙氣溫度從燃燒溫度1700左右下降到1100左右。（2）蒸發受熱面在鍋爐中直接受熱并產生飽和蒸汽的鍋筒或管束，統稱為蒸發受熱面。在蒸發管束中煙氣通過對流傳熱的方式，將熱量傳給管束的水。由于傳熱方式的不同，我們將水冷壁與靠近爐膛的幾排蒸發管束稱為輻射受熱面，而將蒸發管束的其余部分稱為對流受熱面。（3）蒸汽過熱器蒸發受熱面產生

43、的蒸汽是含有一定濕度的飽和蒸汽，它聚集在汽包上半部的蒸汽空間中。如果動力機械需要過熱蒸汽，則必須將汽包中的濕蒸汽送往蒸汽過熱器進行再加熱。蒸汽過熱器是由管子組成的，其受熱面的多少與放置的位置是根據蒸汽參數的高低而定的。根據傳熱方式的不同，蒸汽過熱器也可以分為輻射式過熱器和對流式過熱器。（4）省煤器省煤器也稱經濟器，它是由管子組成的，用來加熱進入鍋爐的給水。由于它是安裝在蒸發受熱面的后面，吸收煙氣中的余熱，所以能達到節能的作用。在D型水管鍋爐煙道的后部，有的在蒸發受熱面之后安裝有經濟器加熱給水和空氣預熱器。由于它們能回收鍋爐排煙的余熱，減少排煙所帶走的熱量，因而使鍋爐效率得以提高。經濟器比蒸發受

44、熱面的傳熱溫差要大，而且經濟器給水是強迫流動，因此其受熱面積可以小一些，受熱面的管徑也小，結構簡單緊湊，占據的空間小，造價也便宜。給水經過經濟器加熱后再送入汽包，除能提高熱效率外，還可減少汽包因給水溫度低而產生的熱應力，使汽包的工作條件得以改善。設置經濟器后，煙氣側的通風阻力增加了；此外經濟器中的給水在溫度升高的過程中，將析出一部分溶解在其中的氧氣，造成金屬的腐蝕。所以設置經濟器的鍋爐對給水中含氧量的限制很嚴，必須帶有除氧器的裝置。（5）空氣預熱器空氣預熱器是利用煙氣的余熱來加熱助燃的空氣以改善燃料的燃燒。空氣預熱器位于經濟器之后，它將進入爐膛的空氣預熱，使排煙溫度進一步降低，以提高鍋爐效率；

45、另一方面由于空氣溫度提高，使爐膛溫度上升，為改善燃燒提供了有利條件。但是由于空氣對管壁的對流放熱系數很小，空氣預熱器又處于低溫煙氣區，因此所需的受熱面積很大。（6）再熱器隨著蒸汽壓力的提高，相應要求提高蒸汽溫度，否則蒸汽膨脹做功到汽輪機尾部時，蒸汽濕度會過高。它不僅會使汽輪機的相對效率降低，影響設備的經濟運行，而且會加劇汽輪機末幾級葉片的侵蝕。嚴重時甚至造成葉片斷裂。但提高過熱汽溫受到金屬材料的限制，因而采用中間再熱過程。再熱器的作用是將汽輪機高壓蒸汽通過再熱器再加熱成一定溫度（通常取用與過熱蒸汽一樣的溫度）的再熱蒸汽，然后再送入汽輪機的中壓缸和低壓缸中繼續膨脹做功。在鍋爐負荷或其它工況變動時

46、，再熱蒸汽溫度值也應處在波動圍。采用再熱系統可使電站的熱經濟性提高45。另外，輔助系統中的汽水系統由給水系統、水處理系統、蒸汽系統、凝水系統、排污系統、換熱系統組成。其中的給水系統主要由給水泵、補給水泵、加壓泵、給水箱、給水管路與閥門附件組成。水處理系統主要由軟化設備、除堿設備、除氧設備等組成，如離子交換器、各種類型的除氧器、除二氧化碳器、中間水箱、中間水泵以與再生用的鹽液制備系統設備和酸液制備系統設備。蒸汽系統主要指鍋爐房的蒸汽母管、支管、分汽缸。凝結水系統主要指凝結水箱、凝結水泵與其管路附件。排污系統主要指連續排污和定期排污管路附件與排污擴容器、排污冷卻池。換熱系統主要指循環水泵、補給水泵

47、、定壓設備、換熱設備等。鍋爐主要控制系統采用自動化儀表裝置來自動完成控制任務的系統，稱為自動控制系統。目前，火電廠鍋爐部分主要的熱工自動控制系統有：給水控制系統、燃燒控制系統、過熱蒸汽溫度控制系統等。燃燒控制系統鍋爐燃燒自動控制系統的基本任務是使燃料所提供的熱量適應外界對鍋爐輸出的蒸汽負荷的需求，同時保證鍋爐的安全經濟運行。鍋爐燃燒過程自動控制主要包括三項控制容。（1）控制燃料量。當外界對鍋爐蒸汽負荷的要求變化時，必須相應地改變鍋爐燃燒的燃料量。（2）控制送風量。為了實現經濟燃燒，當燃料量改變時，必須相應地改變送風量，使送風量與燃料量相適應。燃燒過程的經濟與否可以通過過量空氣系數是否合適來衡量

48、，過量空氣系數通常用煙氣的含氧量來間接表示。實現經濟燃燒最基本的方法是使風量與燃料量成一定比例。控制送風量也是為了實現安全運行，若風量相對于燃料量太少的話，也可能導致鍋爐的熄火事故。當然，送風量過多也不經濟。（3）控制引風量。為了保證爐膛壓力在要求圍，引風量必須與送風量相適應。爐膛壓力的高低也關系著鍋爐的安全和經濟運行。爐膛壓力過低，會使大量的冷風漏入爐膛，將會增大引風機的負荷和排煙損失，爐膛壓力太低甚至會引起爆；反之，爐膛壓力高且高出大氣壓力時，會使火焰和煙氣冒出，不僅會影響環境衛生，甚至可能影響設備和人身安全。為實現燃料量、送風量和引風量的控制，相應地有三個控制系統，即燃料量控制系統、送風

49、量控制系統和引風量控制系統。三個控制系統之間存在著密切的相互關系，要控制好燃燒過程，必須使燃料量、送風量和引風量三者協調變化。鍋爐正常運行時，燃料量、送風量兩者必須成適當比例，代表這兩個成適當比例的變量被定義為鍋爐的燃燒率。給水控制系統鍋爐給水自動控制的任務是使鍋爐的給水量適應鍋爐的蒸發量，維持汽包水位在規定的圍。汽包水位是鍋爐運行中一個重要的監控參數，它反映了鍋爐蒸汽負荷與給水量之間的平衡關系，維持汽包水位正常時保證鍋爐和汽輪機安全運行的必要條件。汽包水位過高，會影響汽包汽水分離裝置的正常工作，造成汽包出口蒸汽水分過多，含鹽濃度增大，易使過熱器管壁結垢而導致過熱器燒壞；同時還會使過熱汽溫產生

50、急劇變化，直接影響機組運行的安全性和經濟性。汽包水位過低，則可能破壞鍋爐水循環，造成水冷壁管燒壞而破裂。隨著鍋爐容量和參數的提高，汽包的容積相對減小，鍋爐蒸發受熱面的熱負荷顯著提高。因而加快了負荷變化時水位的變化速度，因而對給水自動控制提出了更高的要求。因此，為保證機組安全運行，正常情況下，一般限制汽包水位在（3050）mm圍變化。鍋爐給水自動控制的另一任務就是要維持給水流量不要有過大的頻繁波動，以保證省煤器、給水管道的安全。一般應限制給水流量波動圍在額定給水流量的510以。汽溫控制系統鍋爐過熱蒸汽溫度是影響機組生產過程安全性和經濟性的重要參數。現代鍋爐的過熱器是在高溫、高壓的條件下工作的，過

51、熱器出口的過熱蒸汽溫度是機組整個汽水過程中工質溫度的最高點，也是金屬壁溫的最高點。過熱器采用的是耐高溫高壓的合金鋼材料，過熱器正常運行時的溫度已接近材料所允許的最高溫度。如果過熱蒸汽溫度過高，容易損壞過熱器，也會使蒸汽管道、汽輪機某些零部件產生過大的熱膨脹和熱應力，影響機組的安全運行。如果過熱蒸汽溫度過低，將會降低機組的熱效率，一般蒸汽溫度每降低510，熱效率降低約1，不僅增加燃料消耗量，浪費能源，而且還將使汽輪機最后幾級中蒸汽的溫度增加，加速汽輪機葉片的水蝕。另外，過熱蒸汽溫度降低還會導致汽輪機高壓部分級的焓降減小，引起各級反動度增大，軸向推動增大，也對汽輪機的安全運行帶來不利影響。所以，過

52、熱蒸汽溫度過低或過高都是生產所不允許的。過熱汽溫控制的任務是維持過熱器出口主蒸汽溫度在允許的圍，并對過熱器進行保護，使管壁金屬不超過允許的工作圍。正常運行時，一般要求過熱器出口蒸汽溫度與額定值偏差不超過5。鍋爐安全監測保護系統FSSS（Furnace Safeguard Supervisory System）稱為鍋爐爐膛安全監控系統，又稱燃燒器控制系統或燃燒器管理系統BMS（Burner Manage System）。它的主要功能是在鍋爐啟動和運行的各個階段，防止爐膛的任何部位積聚燃料和空氣的混合物導致鍋爐發生爆燃而損壞設備，并能對各類燃燒器的投入、切除實現自動控制，同時對燃燒系統的運行工況進

53、行連續的監控，對異常工況做出快速反應。它對鍋爐的正常燃燒與鍋爐的安全運行起著決定性的作用。爐膛安全監控系統的功能是確保鍋爐的安全運行。為達到此目的，首先要解決的是爐膛燃爆問題。因此，爐膛安全監控系統必須具有能避免由于燃料系統故障或運行人員誤操作而造成的爐膛爆燃事故的功能。維持連續和穩定的燃燒過程是鍋爐運行中的一個重要問題。單元機組在低負荷或甩負荷工況下，進入鍋爐的燃料急劇減少，往往會出現不穩定燃燒工況，故系統中應考慮在低負荷工況時自動點燃油燃燒器以穩定燃燒，以與在汽輪發電機甩負荷時能自動維持鍋爐穩定燃燒而滅火的控制功能。此外，在機組與鍋爐發生重大事故超過局部故障（如部分輔機跳閘限制負荷）時，為

54、了保證安全，往往需要與時地切斷全部燃料或減少燃料。FSSS亦應具有這種功能。爐膛安全監控系統還能根據不同的運行方式，進行燃燒器投切操作與點、熄火自動控制，并控制燃燒器風門擋板的狀態，從而改善鍋爐燃燒工況，提高運行性能與經濟性。因此，爐膛安全監控系統具有的功能主要包括：爐膛點火前的吹掃，油點火控制，煤粉燃燒器投入控制，連續運行的監控，緊急停爐，磨煤機組、燃燒器、點火器停運，停爐后的吹掃。鍋爐汽包水位控制系統研究汽包鍋爐給水控制系統的任務汽包水位是鍋爐運行的主要指標，是一個非常重要的被控變量，維持水位在一定圍是保證鍋爐安全運行的首要條件，這是因為：（1）水位過高會影響汽包汽水分離，飽和水蒸汽帶水過

55、多，同時過熱蒸汽溫度急劇下降。該過熱蒸汽作為汽輪機的動力，將會損壞汽輪機葉片，影響運行的安全性與經濟性。（2）水位過低，說明汽包的水量較少，而當負荷很大時，水的汽化速度加快，則汽包的水位變化速度亦隨之加快，如不與時調節，就會使汽包的水全部汽化，導致爐管燒壞，甚至引起爆炸。因此，鍋爐汽包水位必須嚴加控制。隨著鍋爐容量增大和參數提高，汽包容積相對縮小，而鍋爐蒸發受熱面的熱負荷顯著提高，加快了負荷變化時的速度，因而對給水控制提出了更高的要求。水位控制對象的動態特性汽包鍋爐給水控制對象的結構示意如圖3-1所示。汽包水位決定于其保存的儲水量和水面下的汽泡容積，因此凡是引起汽包中儲水量變化和水面下的汽泡容

56、積變化的各種因素都是給水控制對象的擾動。給水對象的主要擾動有以下幾種。（1）給水流量W擾動。這個擾動來自給水調節閥閥門開度變化、給水壓力變化、給水泵轉速波動等引起鍋爐給水流量改變的一切因素。（2）蒸汽流量D擾動。這個擾動是指汽輪機負荷變化而引起的蒸汽流量的改變。（3）鍋爐爐膛熱負荷B擾動。這個擾動主要是由于鍋爐燃燒率的變化改變了蒸發強度而引起的，它影響鍋爐的輸出蒸汽流量和汽水容積中的汽泡體積。圖3-1 汽包鍋爐給水控制對象的結構示意圖給水流量擾動下水位的動態特性給水流量是調節機構所改變的控制量，給水流量擾動來自控制側的擾動，又稱擾。給水流量擾動下水位的階躍響應曲線如圖3-2所示。圖3-2 給水

57、流量擾動下的水位響應曲線當給水流量階躍增加W后，水位的變化如圖曲線2所示。當給水流量增加時，如果僅考慮流入量和流出量的物質不平衡關系，汽包水位應按曲線1（積分特性）上升；但由于給水溫度低于汽包的飽和水溫度，當相對冷的給水進入汽包后，吸收了原飽和水中的一部分熱量，使水面下汽泡體積減小，則汽包水位下降，直到給水溫度與飽和水溫度相近時，汽水混合物中的汽泡體積不再變化，水位停止下降，如圖中曲線3（慣性特性）所示。實際水位變化曲線是曲線1與曲線3的合成，即在給水流量階躍擾動的初始階段，水位上升的速度與水位下降的速度基本一致，所以實際水位在開始時并不變化，當汽水混合物中的汽泡體積不再變化后，水位的變化就由

58、物質平衡關系決定，即按積分特性上升。在給水流量擾動下，水位控制對象的動態特性表現為有遲滯的無自平衡能力的特點。蒸汽流量擾動下水位的動態特性蒸汽流量擾動主要來自汽輪機發電機組的負荷變化，屬于外部擾動。在蒸汽流量D擾動下，水位變化的階躍響應曲線如圖3-3所示。圖3-3 蒸汽流量擾動下水位的動態特性當蒸汽流量突然階躍增大時，如果單從汽包流入量和流出量的物質不平衡關系來考慮，水位應按積分規律下降，如圖中曲線1所示；如單獨考慮水面下汽泡體積的變化，則當汽輪機用汽量突然增加時，汽包壓力迅速下降，汽包水面下的汽泡體積也迅速增大，從而使水位升高，隨后，鍋爐燃燒率根據用汽量的需求增加，使鍋爐蒸發量增加，導致水位

59、的升高受到限制，因此汽泡容積增大而引起的水位變化可用慣性環節特性來描述，如圖中曲線2所示，實際上的水位變化如曲線3所示，即為曲線1和曲線2的合成。由圖中可以看出，當鍋爐蒸汽負荷變化時，汽包水位的變化具有特殊的形式：在負荷突然增加時，雖然鍋爐的給水流量小于蒸汽流量，但開始階段的水位不僅不下降，反而迅速上升（反之，當負荷突然減少時，水位反而先下降），這種現象稱為“虛假水位”現象，這顯然是因為在負荷變化的初始階段，水面下汽泡的容積與負荷適應而不再變化時，水位的變化就僅由物質平衡關系來決定，這時水位就隨負荷增大而下降，呈無自平衡特性。在蒸汽流量擾動下，水位控制對象的動態特性表現為有虛假水位的無自平衡能

60、力的特點。上面所述的蒸汽流量擾動下的水位控制對象的動態特性，只是從蒸發強度變化對汽泡容積的影響方面定性地說明水位變化的特點。實際上，改變汽輪機的用汽量引起的蒸汽流量的階躍擾動，必定引起汽包出口汽壓的變化，汽壓變化也會影響到水面下汽泡的體積變化，所以實際的虛假水位現象會更嚴重些。燃燒率擾動下水位的動態特性 當燃料量擾動時，傳給鍋爐水的熱量也增多，上升管的蒸發強度增大，使蒸發面下的汽泡膨脹，液位上升，隨之蒸汽流量與汽包壓力增加，但是給水流量并沒有增加，因而這種液位變化也屬于“虛假液位”。當熱量和水量在爐重新達到平衡時，液位才慢慢回降。然而這種由于燃料量的突然變化引起的虛假液位比較小，而且熱負荷可由