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緒論
1.1 鍋爐裝置及概述
鍋爐是一種承受一定工作壓力的能量轉換裝置。其任務就是有效地把燃料中的化學能轉換為熱能，從而產生出一定數量和質量(溫度和壓力)的蒸汽。根據鍋爐在生產和生活中所起的作用不同，可將其分為電站鍋爐、工業鍋爐、生活鍋爐等。其中，電站鍋爐主要用於發電。伴隨著科學技術及電力工業的發展，電站鍋爐也向著大容量、高參數、高效率方向發展。為確保安全、穩定生產，對鍋爐裝置的高自動化控制就顯得十分重要。
鍋爐系統主要包括燃燒系統、送引風系統、汽水系統及輔助系統等。其主要工藝流程如圖1-1所示。
圖1-1 鍋爐系統主要工藝流程圖
Fig. 1-1 Main craft flow chart of the boiler system
1—燃燒嘴；2—爐膛；3—汽包；4—減溫器；5—爐牆；6—過熱器；7—省煤器；
由圖1-1可知，給水泵、給水調節閥、省煤器、汽包及迴圈管等構成了蒸汽發生系統。燃料和熱空氣按一定比例進入燃燒室燃燒，生成的熱量傳給蒸汽發生系統，產生飽和蒸汽 ，然後經過過熱器，形成具有一定溫度和壓力的過熱蒸汽 D，彙集至蒸汽母管，然後送至汽輪機。與此同時，燃燒過程中產生的煙氣，將飽和蒸汽變成過熱蒸汽後，再經省煤器預熱鍋爐給水和空氣預熱器預熱空氣，最後由引風機送往煙囪，排入大氣[1]。
鍋爐裝置應根據生產負荷的需要，保持一定壓力和溫度的'蒸汽，同時要保證在安全、經濟的條件下執行。所以，其主要的調節任務有：
（1）鍋爐供應的蒸汽量要適應負荷的變化或保持給定的負荷；
（2）鍋爐供給負荷的蒸汽壓力保持在一定範圍內；
（3）過熱蒸汽溫度及汽包中的水位保持在一定範圍內；
（4）爐膛負壓保持在一定範圍內；
（5）保持鍋爐燃燒的經濟性和安全執行；
鍋爐是典型的複雜熱工控制系統，其建模與控制問題一直是人們關注的焦點，在國際上始於七十年代。1972年，K. J. Astrom 基於一系列物理實驗資料提出了鍋爐的簡化非線性模型，從而開創了系統地研究鍋爐建模與控制的方法。在實際工程中，為實現上述調節任務，鍋爐裝置的控制主要包含了以下控制系統[1]：
（1）鍋爐汽包水位的控制。操縱變數是給水流量。它主要考慮汽包內部的物料平衡，使給水量適應蒸發量，維持汽包中水位在工藝允許範圍內。這是保證鍋爐和汽輪機安全執行的必要條件，也是鍋爐正常執行的主要標誌之一。
（2）鍋爐燃燒系統的控制。燃燒系統中有三個被控變數：蒸汽壓力（或負荷）、煙氣成分（反映燃燒經濟性的指標）和爐膛負壓及三個操縱變數：燃料量、送風量和引風量。這些變數相互關聯，需要統籌兼顧，組成合適的燃燒系統控制方案，使燃料量和空氣量保持一定的比例，以保證燃燒的經濟性和鍋爐的安全性；同時使引風量和送風量相適應，使爐膛負壓保持在一定的範圍內。
（3）過熱蒸汽系統的控制。以過熱蒸汽溫度為被控變數，噴水量為操縱變數組成的溫度控制系統，使過熱器出口溫度保持在允許範圍內，並保證管壁溫度不超過允許的工作溫度。
（4）鍋爐水處理過程的控制。這一控制過程的作用主要是使鍋爐給水效能指標達到工藝要求。一般採用離子交換樹脂對水進行軟化處理。
1.2 給水控制的任務
給水控制系統的任務是維持汽包水位在允許範圍內。它以汽包水位為被控量，以調節給水流量作為控制手段。由於汽包水位同時受鍋爐側和汽輪機側的影響，因此，當鍋爐負荷變化或汽輪機用汽量變化時，給水控制系統都應能限制汽包水位只在給定的範圍內變化。
給水控制系統常採用三種量系統。所謂三衝量，是指主蒸汽流量(汽包出口流量)、汽包水位和給水流量這三個訊號，其中主蒸汽流量訊號反映了汽輪機側對汽包水位的影響。由於大型鍋爐存在嚴重的“虛假水位”現象，在設計給水自動控制系統時必須予以考慮。給水控制系統有多種不同的設計方案。常用的系統有單級三衝量給水控制系統(前饋-反饋控制系統)和串級三衝量給水控制系統。