锅炉汽包水位控制系统设计

西安建筑科技大学课程设计（论文）西安建筑科技大学课程设计（论文）任务书专业班级：自动化1002学生姓名：马千云指导教师（签名）：一、课程设计（论文）题目锅炉汽包液位控制二、本次课程设计（论文）应达到的目的本次课程设计是自动化专业学生在学习了《计算机控制技术与系统》和《过程控制及仪表》两门专业必修课程及《单片机原理与应用》、《可编程控制器》等相关专业选修课程之后进行的一次全面的综合训练，其主要目的是加深学生对计算机控制技术相关理论和知识的理解，进一步熟悉计算机控制系统工程设计的基本理论、方法和技能；掌握工程应用的基本内容和要求，整合各专业课程的理论知识和方法，做到理论联系实际；培养学生分析问题、解决问题的能力和独立完成系统设计的能力，并按要求编写相关的设计说明书、技术文档和总结报告等。三、本次课程设计（论文）任务的主要内容和要求（包括原始数据、技术参数、设计要求等）锅炉汽包液位的阶跃响应曲线数据如下表所示，控制量阶跃变化5u。试根据实验数据设计一个超调量25%p的无差控制系统。时间/min0510152025被控量0.6500.6510.6520.6680.7350.817时间/min303540455055被控量0.8810.9791.0751.1511.2131.239时间/min606570758085被控量1.2621.3111.3291.3381.3501.351具体要求如下：（1）根据实验数据选择一定的辨识方法建立对象的数学模型；（2）根据辨识结果设计符合要求的控制系统（控制系统原理图、控制规律选择等）；（3）根据设计方案选择相应的控制仪表；对设计的控制系统进行仿真，整定运行参数。（4）撰写课程设计报告一份，要求字数3000～5000字。四、应收集的资料及主要参考文献：1．王再英等.过程控制系统与仪表.机械工业出版社,20062．潘新民,王燕芳.微型计算机控制技术.高等教育出版社,20013．王锦标.计算机控制系统.清华大学出版社,2008五、审核批准意见教研室主任（签字）西安建筑科技大学课程设计（论文）摘要锅炉是典型的复杂热工系统，目前，中国各种类型的锅炉有几十万台，由于设备分散、管理不善或技术原因，使多数锅炉难以处于良好工况，增加了锅炉的燃料消耗，降低了效率。锅炉的建模与控制问题一直是人们关注的焦点，而汽包水位是工锅炉安全、稳定运行的重要指标，保证水位控制在给定范围内，对于高蒸汽品质、减少设备损耗和运行损耗、确保整个网络安全运行具有要意义。锅炉汽包水位高度，是确保安全生产和提供优质蒸汽的重要参数，对现代工业生产来说尤其是这样。因为现代锅炉的特点之一就是蒸发量显著提高，汽包容积相对变小，水位变化速度很快，稍不注意就容易造成汽包满水或者烧成干锅。在现代锅炉操作中，即使是缺水事故，也是非常危险的，这是因为水位过低，就会影响自然循环的正常进行，严重时会使个别上水管形成自由水面，产生流动停滞，致使金属管壁局部过热而爆管。无论满水或缺水都会造成事故，因此，必须严格控制水位在规定范围之内。维持汽包水位在给定范围内是保证锅护和汽轮机安全运行的必要条件，也是锅炉正常运行的主要指标之一。水位过高，会影响汽包内汽水分离效果，使汽包出口的饱和蒸汽带水增多，蒸汽带水会使汽轮机产生水冲击，引起轴封破损、叶片断裂等事故。同时会使饱和蒸汽中含盐量增高，降低过热蒸汽品质，增加在过热器管壁和汽轮机叶片上的结垢。水位过低，则可能破坏自然循环锅炉汽水循环系统中某些薄弱环节，以致局部水冷管壁被烧坏，严重时会造成爆炸事故。这些后果都是十分严重的。随着锅炉容量的增加，水位变化速度愈来愈快，人工操作愈来愈繁重，因此对汽包水位实现自动调节提出了迫切的要求。汽包水位的控制是锅炉控制的一个难点，目前，对汽包水位控制大多采用常规PID控制方式，传统的常规PID控制方式是根据控制对象的数学模型建立，由于锅炉水位系统存在非线性、不确定性时滞和负荷干扰、非最小相位特征等，其精确的数学模型往往无法获得而且常规PID控制的参数是固定不变的，难以适应各种扰动及对象变化，其控制效果往往难以满足要求，控制效果不理想。关键词：冲量，汽包水位控制，PID控制，仿真西安建筑科技大学课程设计（论文）目录1．绪论............................................................11.1锅炉的工作过程简介...........................................11.2锅炉汽包水位自动控制的意义...................................21.3锅炉液位控制的难点...........................................22.汽包锅炉水位控制系统的设计.......................................32.1概述.........................................................32.2单冲量控制系统...............................................32.3双冲量控制系统...............................................42.4三冲量控制系统．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．52.4.1单级三冲量控制系统．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．52.4.2串级三冲量控制系统．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．63.锅炉汽包水位的动态特性的数学建模.................................73.1给水流量作用下的动态特性.....................................73.2蒸汽流量扰动下的动态特性...................................83.3根据所给数据进行曲线拟合....................................93.3.1相关MATLAB程序及结果．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．93.3.2控制变量的确定...........................................103.4串级三冲量的框图............................................104.硬件选择．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．124.1流量传感器选择..............................................124.2水位传感器选择..............................................124.3电机的选择..................................................124.4接触器的选择................................................134.5阀的开闭选择形式............................................135.PID参数的整定和SIMULINK仿真...................................135.1串级三冲量仿真电路图的搭建..................................13西安建筑科技大学课程设计（论文）5.2串级三冲量PID参数的整定....................................145.3仿真分析....................................................15总结...............................................................16参考文献...........................................................17西安建筑科技大学课程设计（论文）第1页共21页1．绪论1.1锅炉的工作过程简介锅炉是工业过程中不可缺少的动力设备，锅炉的任务是根据外界负荷的变化，输送一定质量(汽压、汽温)和相应数量的蒸汽。它所产生的蒸汽不仅能够为蒸馏、化学反应、干燥等过程提供热源，而且还可以作为风机、压缩机、泵类驱动透平的动力源。锅炉是由“锅”和“炉”两部分组成的。“锅”就是锅炉的汽水系统，如图所示。由省煤器3、汽包4、下降管8、过热器5、上升管7、给水调节阀2、给水母管1及蒸汽母管6等组成。锅炉的给水用给水泵打入省煤器，在省煤器中，水吸收烟气的热量，使温度升高到本身压力下的沸点，成为饱和水然后引入汽包。汽包中的水经下降管进入锅炉底部的下联箱，又经炉膛四周的水冷壁进入上联箱，随即又回入汽包。水在水冷壁管中吸收炉内火焰直接辐射的热，在温度不变的情况下，一部分蒸发成蒸汽，成为汽水混合物。汽水混合物在汽包中分离成水和汽，水和给水一起再进入下降管参加循环，汽则由汽包顶部的管子引往过热器，蒸汽在过热器中吸热、升温达到规定温度，成为合格蒸汽送入蒸汽母管。图1.1锅炉的汽水系统“炉”就是锅炉的燃烧系统，由炉膜、烟道、喷燃器、空气预热器等组成。锅炉燃料燃烧所需的空气由送风机送入，通过空气预热器，在空气预热器中吸收烟气热量，成为热空气后，与燃料按一定的比例进入炉膛燃烧，生成的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽。然后经过过热器，形成一定的过热蒸汽，西安建筑科技大学课程设计（论文）第2页共21页汇集到蒸汽母管。具有一定压力的过热蒸汽，经过负荷设备调节阀供负荷设备使用。与此同时，燃烧过程中产生的烟气，其中含有大量余热，除了将饱和蒸汽变成过热蒸汽外，还预热锅炉给水和空气，最后经烟囱排入大气。1.2锅炉汽包水位自动控制的意义锅炉汽包水位自动调节的任务是使给水量跟踪锅炉的蒸发量，并维持汽包中的水位在工艺允许的范围内。维持汽包水位在给定范围内是保证锅护和汽轮机安全运行的必要条件，也是锅炉正常运行的主要指标之一。水位过高，会影响汽包内汽水分离效果，使汽包出口的饱和蒸汽带水增多，蒸汽带水会使汽轮机产生水冲击，引起轴封破损、叶片断裂等事故。同时会使饱和蒸汽中含盐量增高，降低过热蒸汽品质，增加在过热器管壁和汽轮机叶片上的结垢。水位过低，则可能破坏自然循环锅炉汽水循环系统中某些薄弱环节，以致局部水冷管壁被烧坏，严重时会造成爆炸事故。这些后果都是十分严重的。随着锅炉容量的增加，水位变化速度愈来愈快，人工操作愈来愈繁重，因此对汽包水位实现自动调节提出了迫切的要求。1.3锅炉液位控制的难点液位的控制技术是通过控制进水或出水阀门的开度，改变水流量来实现的，而水温的控制是通过调节加热的功率来实现的。锅炉液位的控制是锅炉控制系统较为重要和比较难于控制的一项。由于在锅炉运行过程中存在进水量和出水量的变化，所以很难通过调整PID控制器参数来满足所有的运行条件，获得理想的控制效果。调整过量会导致流量回路动作频繁，从而给下游设备带来了额外的干扰。这样就导致液位控制器通常处于欠调正状态允许液位在一定范围内波动，以减小出水量的变化。然而，欠调正的PID不能及时抑制大扰动，这就可能引起锅炉运行的安全问题。另外，液位的波动也会破坏锅炉运行过程的稳定，使得蒸汽输送等不易控制。影响锅炉液位的关键变量有给水流量，蒸汽出口流量和混合燃料的进料量。各变量都有各自不同的扰动。较冷的给水造成相应的纯滞后。蒸汽流出量的突然增加造成了典型的“假水位”现象，使得过程暂时改变了方向，容易产生误操作而导致发生事故。西安建筑科技大学课程设计（论文）第3页共21页2汽包锅炉水位控制系统的设计