绪论
1.1 锅炉设备及概述
锅炉是一种承受一定工作压力的能量转换设备。其任务就是有效地把燃料中的化学能转换为热能，从而产生出一定数量和质量(温度和压力)的蒸汽。根据锅炉在生产和生活中所起的作用不同，可将其分为电站锅炉、工业锅炉、生活锅炉等。其中，电站锅炉主要用于发电。伴随着科学技术及电力工业的发展，电站锅炉也向着大容量、高参数、高效率方向发展。为确保安全、稳定生产，对锅炉设备的高自动化控制就显得十分重要。
锅炉系统主要包括燃烧系统、送引风系统、汽水系统及辅助系统等。其主要工艺流程如图1-1所示。
图1-1 锅炉系统主要工艺流程图
Fig. 1-1 Main craft flow chart of the boiler system
1—燃烧嘴；2—炉膛；3—汽包；4—减温器；5—炉墙；6—过热器；7—省煤器；
由图1-1可知，给水泵、给水调节阀、省煤器、汽包及循环管等构成了蒸汽发生系统。燃料和热空气按一定比例进入燃烧室燃烧，生成的热量传给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽 ，然后经过过热器，形成具有一定温度和压力的过热蒸汽 D，汇集至蒸汽母管，然后送至汽轮机。与此同时，燃烧过程中产生的烟气，将饱和蒸汽变成过热蒸汽后，再经省煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空气，最后由引风机送往烟囱，排入大气[1]。
锅炉设备应根据生产负荷的需要，保持一定压力和温度的蒸汽，同时要保证在安全、经济的条件下运行。所以，其主要的调节任务有：
（1）锅炉供应的蒸汽量要适应负荷的变化或保持给定的负荷；
（2）锅炉供给负荷的蒸汽压力保持在一定范围内；
（3）过热蒸汽温度及汽包中的水位保持在一定范围内；
（4）炉膛负压保持在一定范围内；
（5）保持锅炉燃烧的经济性和安全运行；
锅炉是典型的复杂热工控制系统，其建模与控制问题一直是人们关注的焦点，在国际上始于七十年代。1972年，K. J. Astrom 基于一系列物理实验数据提出了锅炉的简化非线性模型，从而开创了系统地研究锅炉建模与控制的方法。在实际工程中，为实现上述调节任务，锅炉设备的控制主要包含了以下控制系统[1]：
（1）锅炉汽包水位的控制。操纵变量是给水流量。它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允许范围内。这是保证锅炉和汽轮机安全运行的必要条件，也是锅炉正常运行的主要标志之一。
（2）锅炉燃烧系统的控制。燃烧系统中有三个被控变量：蒸汽压力（或负荷）、烟气成分（反映燃烧经济性的指标）和炉膛负压及三个操纵变量：燃料量、送风量和引风量。这些变量相互关联，需要统筹兼顾，组成合适的燃烧系统控制方案，使燃料量和空气量保持一定的比例，以保证燃烧的经济性和锅炉的安全性；同时使引风量和送风量相适应，使炉膛负压保持在一定的范围内。
（3）过热蒸汽系统的控制。以过热蒸汽温度为被控变量，喷水量为操纵变量组成的温度控制系统，使过热器出口温度保持在允许范围内，并保证管壁温度不超过允许的工作温度。
（4）锅炉水处理过程的控制。这一控制过程的作用主要是使锅炉给水性能指标达到工艺要求。一般采用离子交换树脂对水进行软化处理。
1.2 给水控制的任务
给水控制系统的任务是维持汽包水位在允许范围内。它以汽包水位为被控量，以调节给水流量作为控制手段。由于汽包水位同时受锅炉侧和汽轮机侧的影响，因此，当锅炉负荷变化或汽轮机用汽量变化时，给水控制系统都应能限制汽包水位只在给定的范围内变化。
给水控制系统常采用三种量系统。所谓三冲量，是指主蒸汽流量(汽包出口流量)、汽包水位和给水流量这三个信号，其中主蒸汽流量信号反映了汽轮机侧对汽包水位的影响。由于大型锅炉存在严重的“虚假水位”现象，在设计给水自动控制系统时必须予以考虑。给水控制系统有多种不同的设计方案。常用的系统有单级三冲量给水控制系统(前馈-反馈控制系统)和串级三冲量给水控制系统。