第一章 绪论
1.1引言
汽包水位是锅炉运行的主要指标是一个非常重要的被控变量，维持水位在一定范围内是保证锅炉安全运行的首要条件，这是因为：(1) 水位过高会影响汽包内汽水分离，饱和蒸汽带水过多，同时过热蒸汽温度急剧下降。(2) 水位过低，说明汽包内的水量较少，而当负荷很大时，水的汽化速度加快，则汽包内的水位变化速度亦随之加快，如不及时调节，就会使汽包内的水全部汽化，导致炉管烧坏，甚至引起爆炸。因此,锅炉汽包水位必须严加控制。在本设计中，我通过单片机的控制，使锅炉汽包水位维持在正常的标准下，在水位超过上限或下限时能够及时报警和采取自动停车等保护措施。
1.2 锅炉汽水系统结构
锅炉汽水系统结构如图1-1所示。汽包水位不仅受汽包(包括循环水管) 中储水量的影响，亦受水位下汽泡容积的影响。而水位下汽泡容积与蒸汽负荷蒸汽压力炉膛热负荷等有关。因此，影响水位变化的因素很多，其中主要的因素是锅炉蒸发量(蒸汽流量S) 和给水流量W
图1-1 锅炉汽水系统结构
l 汽包水位在给水流量作用下的动态特性
图1-2 汽包水位在给水流量作用下的动态特性
上图所示是给水流量W 作用下，水位L 的阶跃响应曲线。如果把汽包的给水看作单容量无自衡过程，水位阶跃响应曲线如上图L1 曲线。但由于给水温度比汽包内饱和水的温度低，所以给水流量W增加后，从原有饱和水中吸收部分热量，这使得水位下汽泡容积有所减少。当水位下汽泡容积的变化过程逐渐平衡时，水位就由于汽包中储水量的增加而逐渐上升，最后当水位下汽泡容积不再变化时，水位变化就完全反映了由于储水量的增加而逐渐上升。因此，实际水位曲线如图中L 线。即当给水量作阶跃变化后，汽包水位一开始不立即增加，而要呈现出一段起始惯性段。给水温度越低,时滞τ亦越大。
l 汽包水位在蒸汽流量作用下的动态特性
在蒸汽流量S 扰动作用下，水位的阶跃响应曲线如图1-3 所示。当蒸汽流量S 突然增加时，从锅炉的物料平衡关系来看，蒸汽量S 大于给水量W，水位应下降，如图中曲线L1。但实际情况并非这样，由于蒸汽用量增加，瞬间必然导致汽包压力的下降。汽包内水的沸腾突然加剧，水中汽泡迅速增加，由于汽泡容积增加而使水位变化的曲线如图中L2 所示。而实际显示的水位响应曲线L 为L1 + L2 。从图上可以看出，当蒸汽负荷增加时，虽然锅炉的给水量小于蒸发量，但在一开始时，水位不仅不下降反而上升，然后再下降(反之，蒸汽流量突然减少时，则水位先下降，然后再上升) ，这种现象称之为“虚假液位”。应当指出的是：当负荷突然变化时,水位下汽泡容积变化而引起水位的变化速度是很快的，一般为10～20 秒。“虚假液位”的变化幅度与锅炉的汽包压力和蒸发量有关。当负荷变化10 %时，“虚假液位”现象属于反向特性，变化速度很快，变化幅度与蒸发量扰动大小成正比，也与压力变化速度成正比，这给控制带来一定困难，在设计控制方案时，必须加以注意。
图1-3 汽包水位在蒸汽流量作用下的动态特性
l 汽包水位在炉膛热负荷作用下的动态特性
当燃料量突然增加时，传给锅炉水的热量也增多，上升管的蒸发强度增大，使蒸发面下的汽泡膨胀，液位上升,随之蒸汽流量及汽包压力增加，但是给水流量并没增加，因而这种液位变化也属于“虚假液位”。当热量和水量在炉内重新达到平衡时，液位才慢慢回降。然而这种由于燃料量的突然变化引起的虚假液位比较小，而且热负荷可由蒸汽压力调节系统来保证，因而这种扰动的因素是次要的。
1.3锅炉汽包水位的控制方案的介绍
单冲量控制系统(冲量一词指的是变量，单冲量即汽包液位) 是采用汽包液位直接控制给水调节阀，它是汽包液位自动控制中最简单最基本的一种形式，是典型的单回路定值控制系统。该系统结构简单投资少容易实现，用于小型低压锅炉。因为这种锅炉的蒸汽负荷比较稳定，汽包的相对容积大，用户对蒸汽的要求往往不十分严格，该控制系统若再配上一些报警联锁装置，也可以满足生产要求。在停留时间较短，负荷变化较大时，就不能采用单冲量液位控制系统。这是因为：
(1) 负荷变化时产生的“虚假液位”将使调节器反向错位动作，负荷增大时反而关小给水调节阀，当闪急汽化平息下来时，会使水位严重下降，产生剧烈波动，调节的动态品质很差。
