基于Matlab锅炉仿真

内蒙古科技大学MATLAB课程设计任务书2012题目：锅炉汽包水位控制系统学生姓名：林三彪学号：0967112127专业：测控技术与仪器班级：2009-1指导教师：梁丽I摘要锅炉是化工、炼油、发电、造纸和制糖等工业生产过程中必不可少的重要动力设备。锅炉往往成了不少工厂不可缺少的一部分，因而，对锅炉设备中的自动控制系统进行分析研究是必要的。锅炉是全厂重要的动力设备，其要求是供给合格蒸汽，使锅炉蒸汽量适应负荷的需要。为此，生产过程的各个主要工艺参数必须严格控制。锅炉水位控制系统是过路生产控制系统中最重要的环节。锅炉是一种特种设备，是工业生产中的常用设备。对锅炉生产操作如果不合理，管理不善，处理不当，往往会引起事故。这些事故中的大部分是由于锅炉水位控制不当引起的，可见锅炉汽包水位控制在锅炉设备控制系统中的重要性。而对水位的控制不当，往往是汽包受到蒸汽负荷干扰后，产生虚假水位，使控制器反向动作。本文在分析了锅炉汽包水位特性的基础上，梳理了控制系统的几种方案，对其中的第三种方案进行了Matlab仿真。关键词：锅炉；汽包水位控制；仿真；控制策略II目录绪论.............................................................10.1锅炉的简介....................................................10.2虚假水位的形成及对策..........................................2第一章锅炉汽包水位的动态特性......................................31.1给水流量作用下的动态特性......................................32.2蒸汽流量作用下的动态特性......................................3第二章汽包锅炉水位控制系统的设计..................................52.1概述..........................................................52.2单冲量控制系统................................................52.3双冲量控制系统................................................62.4三冲量控制系统................................................7第三章锅炉汽包水位的MATLAB仿真...................................83.1仿真软件功能概述..............................................83.2汽包锅炉水位控制系统的仿真....................................83.2.1参数设定.................................................93.2.2仿真结果.................................................103.2.3仿真结果分析.............................................10总结..........................................................11参考文献..........................................................121绪论0.1锅炉的简介21世纪自动控制技术在工程和科学发展中起着极为重要的作用，热力发电厂的生产过程中也毫无例外的采用了自动控制技术。在热力发电厂的生产过程中采用的热工自动控制系统，是伴随着社会对电能需求的日益增加、单机容量的日益扩大和自动控制技术在热力发电厂中应用的深度与广度与日俱增而逐步发展起来的。锅炉是一种既受压又直接受火的特种设备，是工业生产中的常用设备。对过滤生产如果操作不合理，管理不善，处理不当，往往会引起事故，因此，锅炉的安全问题是一项非常重要的问题，必须引起高度重视。工业锅炉中常见的事故有：锅炉缺水，锅炉超压，锅炉满水，汽水共腾，炉管爆破，炉膛爆破，二次燃烧，锅炉灭火等。其中以锅炉缺水事故比例最高。这些事故中的大部分是由于锅炉水位控制不当引起的，可见锅炉汽包水位控制在锅炉设备控制系统中的重要性。汽包水位是影响锅炉安全运行的重要参数，同时锅炉汽包水位高度关系着汽水分离的速度和生产蒸汽的质量。随着科学技术的飞速发展，现代锅炉要向蒸发量大，汽包容积相对减小的方向发展。这样，要使锅炉的蒸发量随时适应负载设备的需要量，汽包水位的变化速度必然很快，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，必须对汽包水位进行自动调节，将水位严格控制在规定的范围之内。维持锅炉水位在一定的范围内变化，是汽机和锅炉安全经济运行的重要条件。若水位过高，会影响汽包的汽水分离装置的正常工作，导致锅炉出口蒸汽带水和含盐量过大，使过热器受热面结垢甚至破坏，影响机组的正常运行和经济性指标。若汽包水位过低，会使锅炉水循环工况破坏，造成水冷壁供水不足而烧坏。随着锅炉参数的提高和容量的扩大，对给水控制提出了更高的要求。随着锅2炉容量的增大，锅炉负荷变化对水位的影响加剧了。另外，锅炉工作压力的提高，使给水调节阀和给水管道系统相应复杂，调节阀的流量特性更不易满足控制系统的要求。因此，随着汽包锅炉朝着大容量、高参数的发展，给水系统采用自动控制是必不可少的，它可以保证水位控制的准确性，保证锅炉运行的安全可靠，而且大大减轻运行工作人员的工作强度，减少人为因素的影响。0.2虚假水位的形成及对策虚假水位是锅炉运行时不真实的水位。虚假水位的产生是由于当汽包压力突降时，炉水饱和温度下降到压力较低时的饱和温度，使炉水大量放出热量来进行蒸发。于是炉水内的汽泡增加，汽水混合物体积膨胀，使水位不是下降而是很快上升，形成虚假水位。当汽包压力突升时，则相应的饱和温度提高一部分热量被用于加热炉水，而用来蒸发炉水的热量则减少，炉水中汽泡量减少，使汽水混合物的体积收缩，使水位不是上升而是很快下降，形成虚假水位。此外当锅炉内热负荷增加或骤减时，水的比容将增大或减小，也会形成虚假水位。锅炉负荷突变、灭火、安全门动作、燃烧不稳时，都会产生虚假水位。在负荷突然变化时，汽压也相应变化，这时将会出现虚假水位。负荷变化速度越快，虚假水位越明显。如遇汽轮机甩负荷，汽压突然升高，水位将瞬时下降；运行中燃烧突然增强或减弱，引起汽泡量突然增大或减少，使水位瞬时升高或下降；安全阀起座时，由于压力突然下降，水位瞬时明显升高；锅炉灭火时，由于燃烧突然停止，锅水中汽泡产量迅速减少，水位也将瞬时下降。在输入端引入蒸汽流量信号，设置水位系统的前馈调节，于是当蒸汽流量增大时，给水量随之增大，给水量增多，水温又较低，有利于克服“虚假水位”的影响。3第一章锅炉汽包水位的动态特性1.1给水流量作用下的动态特性根据物料不平衡和热平衡的关系，锅炉汽包水位调节对象的动态特性方程经推导，可简化成：DDDD（2-1）式中：h为汽包水位的高度；WT为给水流量项的时间常数；DT为蒸汽流量项的时间常数；DK为蒸汽流量项的放大倍数；1T、2T为时间常数。同时DU、WU的式子如下：MAXDDDUMAXWDWU（2-2）式中：D为锅炉蒸汽流量；W为锅炉给水流量。可见，引起汽包水位变化的扰动主要是蒸汽流量（称为外扰动）和给水流量（称为外扰动），因此，在给水流量作用下的汽包水位调节对象的运动方程式可表示为：12221（2-3）两边取拉氏变换，结合工程实际忽略较小的，并考虑到汽包水位在较长一段时间里不随给水量的增加而增加。因此，可得到锅炉汽包水位在给水流量作用下的动态数学模型如下：STSKSUSHSGaWW11（2-4）通过现场数据的采集和数据的分析处理，最终，可得到锅炉汽包水位在给水流量作用下的动态数学模型为：SSSTSKSUSHSGaWW15105.011（2-5）2.2蒸汽流量作用下的动态特性同理，可得到在外扰动下，汽包水位调节对象的动态特性方程为：4DDDDUKdtdUTdtdhTdthdTT12221（2-6）对上式方程进行拉氏变换，并令12TTTKKDD、DKTT1得到锅炉汽包水位在蒸汽流量作用下的动态数学模型如下：TSSTKSUSHSGDD112（2-7）经过对现场数据的分析和处理，最终可得到锅炉汽包水位在蒸汽流量作用下的动态数学模型为：SSTSSTKSUSHSGDD05.01155112（2-8）5第二章汽包锅炉水位控制系统的设计2.1概述汽包水位的控制问题伴随着锅炉的出现而出现，长久以来一直是控制领域的一个典型的难问题。随着控制理论、控制技术和现代控制方法的发展，锅炉自动化控制的水平也在逐渐提高。其间主要经历了上世纪三四十年代单参数仪表控制，四五十年代单元组合仪表综合参数仪表控制，以及六十年代兴起的计算机控制等几个阶段。通常有如下几种方案：(1)单冲量控制系统。即汽包水位的单回路水位控制系统；(2)双冲量控制系统。即在单冲量系统的基础上引入了蒸汽流量信号；(3)三冲量控制系统。是在双冲量系统的基础上再引入给水流量信号而构成。2.2单冲量控制系统单冲量水位控制系统以汽包水位作为唯一的控制信号，冲量即变量。水位测量信号经变送器送到水位调节器，调节器根据汽包水位测量值H与给定值H0的偏差，通过执行器去控制给水调节阀以改变给水量，保持汽包水位在允许的范围内。系统框图为图2-1所示。图2-1单冲量控制系统框图这种控制系统结构简单，是典型的单回路定制控制系统。对于水在汽包内的停留时间较长，且负荷又比较稳定，“虚假水位”现象不严重的情况下，采用单冲量控制系统，进行PID调节一般就能满足生产要求。单冲量汽包水位调节的优点是：系统结构简单，在汽包容量比较大、水位在受到扰动后的反应速度比较慢、“虚假水位”现象不很严重的场合，采用单冲量6水位调节时能够满足生产要求。单冲量汽包水位调节存在着一些缺点，主要有：（1）单冲量控制方案只根据水位信号控制给水量，在锅炉负荷变化大，即阶跃扰动很大时，由于锅炉的“虚假水位”现象，例如负荷蒸汽增加时，水位一开始先上升，调节器只根据水位作为控制信号，就去关小阀门减少给水量，这个动作对锅炉流量平衡是错误的，从而在过程一开始就扩大蒸汽流量和给水流量的波动幅度，扩大了进出流量的不平衡。（2）从给水扰动下水位变化的动态特性可以看出，由于给水压力变化等原因造成给水量变化时，调节器要等到水位变化后才开始动作，而在调节器动作后又要经过一段滞后时间才能对汽包水位发生影响，因此必将导致汽包水位波动幅度大，过程时间长。2.3双冲量控制系统在汽包的水位控制中，最主要的扰动是负荷的变化。双冲量控制系统是以锅炉汽包水位测量信号作为主控信号，以蒸汽流量信号作为前馈信号构成的“前馈-反馈”控制系统。系统框图为图2-2所示。图2-2双冲量控制系统框图双冲量控制系统的优点是：引入蒸汽流量前馈信号可以消除“虚假水位”所引起的不良影响。当蒸汽量变化时，就有一个给水量与蒸汽量同方向变化的信号，可以减少或抵消由于“虚假水位”现象引起的假水位；引入蒸汽流量前馈信号，能够改善控制系统的静