三冲量锅炉汽包水位控制系统设计

xx大学毕业设计（论文）1前言自动控制技术在工程和科学发展中起着极为重要的作用，其中，汽包锅炉给水及水位的调节已经完全采用自动的方式加以控制，在不需要操作人员干预的情况下，可以很好的完成生产过程中的给水及水位控制，大大提高了生产效率。汽包锅炉给水控制系统的任务是使给水量适应锅炉蒸发量，并使汽包中水位保持在一定的范围内。只有保证汽包水位的波动在允许范围内，才能实现机组安全经济运行。因此，汽包水位是影响整个机组安全经济运行的重要因素，所以就要有一套较好的控制方案，来实现汽包水位的控制。从传统的控制方式来看，它们要么系统结构简单成本低，却不能有效的控制锅炉汽包“虚假水位”现象，要么能够在一定程度上控制“虚假现象”，系统却过于复杂，成本投入过大。目前工业控制急需一种系统简单，并且能够控制“虚假水位”，具有高性价比的控制系统。汽包锅炉的给水调节系统有三种基本结构：单冲量调节系统结构、双冲量调节系统结构、串级三冲量调节系统结构。低负荷阶段，由于疏水和锅炉排污等因素的影响，给水和蒸汽流量存在着严重的不平衡，而且流量太小时，测量误差大，故在低负荷阶段，很难采用三冲量调节方式，一般均采用单冲量调节方式。负荷达到一定值以上时，疏水和排污阀逐渐关闭，汽、水趋于平衡，流量逐渐增大，测量误差逐渐减小，这时原则上可采用三冲量调节方式。但由于单级三冲量调节系统要求蒸汽流量和给水流量信号在稳态时必须相等，否则汽包水位存在静态偏差，而且由于测量装置及变送器的误差等因素的影响，实际上现场这两个信号在稳态时，经常难以做到完全相等，而且单级三冲量调节系统一个调节器参数整定需兼顾的因素多。因此单级三冲量事实上一般也难以采用。串级三冲量调节方式，采用主、副两个调节器。两调节器任务分工明确，整定相对容易，而且不要求稳态时给水流量信号与蒸汽流量信号完全相等，易于得到较好的调节品质，因此现场多采用此控制方式。在串级控制系统中，参数的整定也是非常重要的，由于在系统中所设计的对象是确定的，所以只有对调节器进行整定，控制系统的参数整定有理论计算方法和工程整定方法，理论计算方法是基于一定的性能指标，结合组成系统各环节的动态特征，通过理论计算求得调节器的动态参数设定值；而工程整定法，则是源于理论分析，结合实验、工程实际经验等一套工程上的方法，其具体方三冲量锅炉汽包水位控制系统设计2法将在本设计中体现。本设计的目的是采用串级三冲量给水控制系统控制汽包水位，使其平稳运行，并通过MATLAB仿真，证明所设计的系统可以很好的克服系统的内外扰动，实现汽包锅炉水位控制的要求。xx大学毕业设计（论文）31概述1．1工业锅炉系统概述锅炉是化工、炼油、发电等工业生产过程中必不可少的重要的动力设备。它通过煤、石油、天然气的燃烧所释放出的化学能，通过传热过程把能量传递给它水，使水变成水蒸气。这所产生的高压蒸汽，既可以作为风机、压缩机、大型泵类的驱动的动力源，又可作为蒸馏、化学反应、干燥和蒸发等过程的热源。随着石油化学工业生产规模的不断扩大，生产设备的不断创新，生产过程的不断强化，作为全厂动力和热源的锅炉，亦向着大容量、高参数、高效率发展。为了确保安全，稳定生产，锅炉设备的控制系统就显得愈加重要。工业锅炉的管理水平、运行水平和自动化水平大都很低，就其设备来说，数量大、耗煤高、设备陈旧、热效率远远没有达到锅炉制造厂家的设计指标，但也不能否认，以上现象与工业锅炉缺少必要的检测、控制手段等有关。可见，加速工业锅炉的技术改造，迅速提高其自动控制水平是刻不容缓的任务。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。图1-1锅炉设备主要工艺流程图Fig.1-1Themainprocessflowdiagramoftheboilerequipment三冲量锅炉汽包水位控制系统设计41．2锅炉工艺流程简介一般工业蒸汽锅炉主要由以下五部分组成：1）汽包：由上下锅筒和三组沸水管组成。水在管内受外部烟气加热，发生自然循环流动，并逐渐汽化，产生的饱和蒸汽集聚在上锅筒。2）炉膛：是使燃料充分燃烧并释放热量的设备。3）过热器：是将锅炉所产生的饱和蒸汽继续加热为合格蒸汽的换热器件。4）省煤器：是利用烟气预热锅炉的给水，以降低烟气温度的换热器件。5）空气预热器：是继续利用离开省煤器后的烟气余热，加热燃料燃烧时所需的空气的热器件。图1-1给出了常见的蒸汽锅炉的主要工艺流程图。给水经过水泵、给水控制阀、省煤器进入锅炉的汽包，燃料和空气按一定比例送入炉膛燃烧，产生的热量传给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽，然后再经过过热蒸汽，形成满足一定质量指标的过热蒸汽输出，经负载设备控制供给负荷设备用。同时燃烧过程中产生的烟气，经过过热器将饱和蒸汽加热成过热蒸汽后，再经省煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空气，最后经引风机送往烟囱排入大气。锅炉设备给水量减温水送风量燃料量引风量汽包水位蒸汽温度过剩空气炉膛负压负荷蒸汽压力图1-2锅炉控制对象Fig.1-2Boilercontrolobjectxx大学毕业设计（论文）5锅炉设备是一个复杂的控制对象，是多输入，多输出多回路，非线性的输入输出变量间相互关联的对象。主要输入变量是负荷，锅炉给水、燃料量、送风和引风等。主要输出量是汽包水位，蒸汽压力，过热蒸汽温度、炉膛负压、过剩空气（烟气含氧量）等。这些入变量与输出变量之间相互关联。锅炉是全厂重要的动力设备，其要求是供给合格的蒸汽，使锅炉的发热量适负荷的需要。所以，生产过程中的各个主要工艺参数必须严格控制。锅炉的主要调节任务是：1）汽包中水位保持在一定范围内；2）锅炉供应的蒸汽量适应负荷变化的需要或保持给定的负荷；3）锅炉供给用汽设备的蒸汽压力保持在一定的范围内；4）过热器的蒸汽温度保持在一定范围内；5）保持锅炉燃烧的经济性和安全性；6）炉膛负压保持在一定范围内。锅炉控制中的调节任务之一是锅炉汽包水位的控制，也是难点之一。如果水位过低，则由于汽包内的水量较少，而负荷却很大，水的汽化速度又快，因而汽包内的水量变化速度很快，如不及时控制，就会使汽包内的水全部汽化，导致锅炉烧坏或爆炸；水位过高会影响汽包的汽水分离，产生蒸汽带水现象，会使过热器管壁结构导致破坏。在锅炉控制系统中，汽包水位的控制是最基本的也是及其重要的。汽包水位控制的任务是，使锅炉给水量始终跟着蒸发量，维持汽包水位在锅炉生产允许的范围内。汽包及蒸发管储存着蒸汽和水，储存量的多少，是以被控制量水位表征的，通常情况下汽包的流入量是给水量，流出量是蒸汽量，当给水量等于蒸汽量时，汽包水位就恒定不变。引起水位变化的主要扰动式蒸汽流量和给水量的变化。当蒸汽流量突然增大，汽包压力将急剧下降，饱和水将快速蒸发，使得饱和水中产生大量的汽包致使水位上升，而此时给水量并没有增加。这就是锅炉的“虚假水位”现象，此时的水位并不能代表锅炉中水位真实情况。因此，必须对汽包水位进行控制，将其严格控制在规定的范围内。锅炉汽包水位控制常采用的方式有：单冲量、双冲量、三冲量控制等。它们常采用PID控制算法。通过分析发现，单、双冲量控制系统结构简单廉价，系统的可靠性不高，控制效果差，不能避免“虚假水位”现象；三冲量控制系统控制效果好，可靠性高，能有效的避免“虚假水位”现象。可见，“虚假水位”给水位控制带来了困难和挑战。本文采用的是串级三冲量汽包水位控制系统。三冲量锅炉汽包水位控制系统设计62汽包水位动态特性2．1锅炉汽水系统结构工业锅炉的汽包水位是正常运行的重要指标之一，水位过高，产生蒸汽带水现象，影响用汽单位的正常生产。汽包水位过低，会影响锅炉的汽水自然循环，如不及时调节，就会使汽包里的水全部汽化掉，可能导致锅炉烧塌和爆炸事故。因此，锅炉运行中，保持汽包水位在一定范围是十分重要的自动控制问题。影响汽包水位变化的因素很多，主要有燃煤量、给水量和蒸汽流量。燃煤量对水位变化的影响是非常缓慢的，比较容易克服。因此，我们主要考虑给水量和蒸汽流量对水位的影响。锅炉水位调节对象的原理结构如图2-1所示。图2-1锅炉汽水系统结构图Fig.2-1Boilersteaming-watersystemstructure给水调节对象的动态特性是指各种扰动下的汽包水位随时间变化的特性。当扰动为阶跃扰动时，对象的动态特性称为阶跃响应曲线。影响水位变化的原因是很多的，其中锅炉的蒸发量和给水流量的变化是主要的，其它还有炉膛热负荷、汽包压力的变化等原因。影响汽包水位H的主要因素有给水量W，蒸汽流量D和燃料量B三个主xx大学毕业设计（论文）7要因素。2．2给水量对汽包水位的影响如果把汽包及其水循环系统看作一个单容水槽，那么水位的给水阶跃扰动响应曲线应该为图2-2所示的曲线H1所示。但考虑到给水的温度低于汽包内饱和的水温度，当它进入汽包后吸收了原有的饱和水中的一部分热量使得锅炉内部的蒸汽产量下降，水面以下的汽泡的总体积V也就会相应的减小，从而导致水位下降如图2-2所示的曲线H2所示。水位的实际响应曲线应是曲线H1和H2之和，如图2-2所示的曲线H所示。从图中可以看出该响应过程有一段延迟时间。即它是一个具有延迟时间的积分环节，水的过冷度越大则响应延迟时间就会越长。其传递函数可以近似表示为：(2-1）()11s(1)GSSετ=+式2-1中表示汽包水位的变化速度，表示延迟时间。1ετtHH1HH2图2-2给水扰动响应曲线Fig.2-2Watersupplydisturbanceresponsecurve图2-3给水扰动传递函数方框图Fig.2-3Watersupplydisturbancetransferfunctionblockdiagram其扰动传递函数方框图如图2-3所示，可近似认为是一个积分环节和一个三冲量锅炉汽包水位控制系统设计8惯性环节的串联的形式。2．3蒸汽流量对汽包水位的影响当锅炉负载耗汽量D突然做阶跃增加时，一方面改变了汽包内的物质平衡状态，使汽包内液体蒸发量变大从而使水位下降，如图2-4所示的曲线H1所示，另一方面由于锅炉负载耗汽量D的突然增加，将迫使锅炉内汽泡增多，同时由于燃料量维持不变，汽包压力下降，会导致水面以下蒸汽泡膨胀，总体积V增大，从而导致汽包水位上升，如图2-4所示曲线H2所示。水位的实际响应曲线应该是曲线H1和H2之和，如图2-4所示曲线H所示。对于大中型锅炉来说，后者的影响要大于前者，因此负荷做阶跃增加后的一段时间内会出现水位不但没有下降反而明显升高的现象，这种反常现象通常被称为“假水位现象”。可以认为这是一个惯性加积分环节，其传递函数可以近似的表示为：(2-2）2021()KSTSGsε=−++式2-2中表示汽包水位对于蒸汽流量的飞升速度，表示“假水位现象”的2ε0T延迟时间。tHH1HH2图2-4蒸汽流量扰动响应曲线Fig.2-4Steamflowdisturbanceresponsecurve2．4燃料量扰动的影响xx大学毕业设计（论文）9燃料量的扰动必然也会引起蒸汽流量D的变化，因此也同样会有“假水位现象”发生。但由于汽包水循环系统中有大量的水，汽包和水冷壁管道也会存储大量的热量，因此具有一定的热惯性。燃料量的增大只能使蒸汽量缓慢增大，而且同时汽压也会缓慢上升，它将使汽泡体积减小，因此燃料量扰动下的“假水位现象”比负荷扰动下要缓和的多。由以上分析可知道给水量扰动下的水位响应有迟滞性，负荷扰动下的水位响应有“假水位现象”。这些特性使得汽包水位的变化受到多种因素影响，因而对它的控制变得比较复杂和困难。此外，通过汽包内部汽水系统在压力升高时的“自凝结”和压力降低时的“自蒸发”影响水位。由于汽包压力对汽包水位影响较为复杂且不很显著，本设计未涉及对它的研究。三冲量锅炉汽包水位控制系统设计103三冲量锅炉汽包水位控制系统设计3．1单冲量水位控制系统单冲量水位控制系统是以汽包水位测量信号为唯一的控制信号，即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与给定值的偏差去控制给水调节阀，改变给水量以保持汽包水位在允许范围内。单冲量水位控制系统，是汽包水位控制系统中最简单最基本的一种形式。图3-1单冲量水