水箱水位控制系统.docx

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水箱水位控制系统

摘要

汽包水位是影响锅炉安全运行的一个重要参数，汽包水位的过高过低都将影响锅炉的正常运行，因此对汽包水位必须进行严格控制。

影响汽包水位的因数主要有锅炉蒸发量、给水量、炉膛负荷、汽包压力。

给水调节的任务就是使汽包水位维持在一个允许范围内。

本文从影响汽包水位的各种因数出发，分析了汽包水位的假水位现象。

设计出低负荷时采用单冲量控制及高负荷时采用三冲量控制给水控制系统，并进行了仿真测试。

从而实现锅炉给水的自动化控制。

关键词：

汽包水位单冲量三冲量

Abstract

Thedrumwaterlevelisanessentialparameterfortheboiler'ssafeoperation.Bothlowandhighlevelwillinfluenceboiler'snormaloperation;therefore,itmustbecontrolledseriously.Themainfactorswhichwillinfluencethelevelaretheevaporatingcapacityofboiler,thecapacityoffeedwater,thefurnaceloadandthedrumpressure.Themissionoffeedwaterregulationistomakethelevelkeepinacceptableranges.

Basedontheanalysisofallkindsoffactorsinfluencingthedrumwaterlevel,'falsewaterlevelphenomenon'isanalyzed.Lowloadadoptingsingleimpulsecontrolandhighloadusingthreeimpulsearecarriedoutforthefeedwatercontrolsystem,andsimulationtestingisdone.Thus,automaticcontrolofboilerfeedwaterisachieved.

Keywords:

DrumwaterlevelSingleimpulseThreeimpulse

第一章绪论

1.1选题背景及意义

液位是工业生产过程控制中很重要的被控变量。

工业生产中的润滑油、冷却水、调速油、油质加工、液态燃料供应、废油净化、溶液加工与传输等场合，常需对容器中液位进行有效可靠的控制，否则将不能使液体循环系统乃至整个机组正常运行。

另外，在这些生产领域里，极容易出现操作失误，引起事故，造成厂家的损失。

可见，在实际生产中，液位控制的准确程度和控制效果直接影响工厂的生产成本、经济效益甚至设备的安全系数。

所以，为了保证安全、方便操作，就必须研究开发先进的液位控制方法和策略。

工业生产过程中的液位系统通常是时变的，具有明显的滞后特性。

在热工生产与传输质量或能量的过程中，存在着各种形式的容积和阻力，加上对象多具有分布参数，好像被不同的阻力和容积相互分隔着一样。

生产实际中的被控对象往往是由多个容积和阻力构成的多容对象。

两个串连的单容对象构成的双容对象就比较典型。

液位控制设计依赖的自动控制理论，经历了经典控制理论、现代控制理论两个发展阶段，现在已进入了非线性智能控制理论发展时期。

从控制理论解决的问题而论，很多重大的、根本的问题，如可控性、可观测性、稳定性等系统的基本性质，控制系统的综合方法等在传统控制中都建立了比较完善的理论体系。

应用传统控制理论基本能够满足工程技术及各种其它领域的需要。

但是随着工业和现代科学技术的发展，各个领域中自动控制系统对控制精度、响应速度、系统稳定性与适应能力的要求越来越高，应用范围也更加广泛。

特别是本世纪80年代以来，电子计算机的快速更新换代和计算技术的高速度发展，推动了控制理论研究的深入开展，并进入了一段新的历程。

控制理论的迅速发展，出现了许多先进的控制算法。

变结构控制系统在50年代就有了相当的研究，随着人们逐渐认识到它的一些优点，如对摄动的某种完全适应性，并可用来设计日益复杂对象的控制规律，近年来又受到较大重视并获得巨大的发展。

人们生活以及工业生产经常涉及到液位和流量的控制问题，因此液位是工业控制过程中一个重要的参数。

特别是在动态的状态下，采用适合的方法对液位进行检测、控制，能收到很好的生产效果。

由于液位检测应用领域的不同，性能指标和技术要求也有差异，但适用有效的测量成为共同的发展趋势，随着电子技术及计算机技术的发展，液位检测的自动控制成为其今后的发展趋势，控制过程的自动化处理以及监控软件良好的人机界面，操作人员在监控计算机上能根据控制效果及时修运行参数，这样能有效地减少工人的疲劳和失误，提高生产过程的实时性、安全性。

随着计算机控制技术应用的普及、可靠性的提高及价格的下降，液位检测的微机控制必将得到更加广泛的应用。

1.2国内外研究现状

1.2.1过程控制的特点

液位控制系统一般指工业生产过程中自动控制系统的被控变量为液位的系统。

在生产过程中，对液位的相关参数进行控制，使其保持为一定值或按一定规律变化，以保证质量和生产安全，使生产自动进行下去。

液位过程参数的变化不但受到过程内部条件的影响，也受外界条件的影响，而且影响生产过程的参数一般不止一个，在过程中的作用也不同，这就增加了对过程参数进行控制的复杂性，或者控制起来相当困难，因此形成了过程控制的下列特点：

1）对象存在滞后

热工生产大多是在庞大的生产设备内进行，对象的储存能力大，惯性也较大，设备内介质的流动或热量传递都存在一定的阻力，并且往往具有自动转向平衡的趋势。

因此，当流入（流出）对象的质量或能量发生变化时，由于存在容量、惯性、阻力，被控参数不可能立即产生响应，这种现象叫做滞后。

2）对象特性的非线性

对象特性大多是随负荷变化而变化，当负荷改变时，动态特性有明显的不同。

大多数生产过程都具有非线性，弄清非线性产生的原因及非线性的实质是极为重要的。

3）控制系统较复杂

从生产安全方面考虑，生产设备的设计制造都力求生产过程进行平稳，参数变化不超出极限范围，也不会产生振荡，作为被控对象就具有非振荡环节的特性。

过程的稳定被破坏后，往往具有自动趋向平衡的能力，即被控量发生变化时，对象本身能使被控量逐渐稳定下来，这就具有惯性环节的特性。

也有不能趋向平衡，被控量一直变化而不能稳定下来的，这就是具有积分的对象。

任何生产过程被控制的参数都不是一个，这些参数又各具有不同的特性，因此要针对这些不同的特性设计相应不同的控制系统。

1.2.2液位控制系统的发展现状

目前在实际生产中应用的液位控制系统，主要以传统的PID控制算法为主。

PID控制是以对象的数学模型为基础的一种控制方式。

对于简单的线性、时不变系统，数学模型容易建立，采用PID控制能够取得满意的控制效果。

但对于复杂的大型系统，其数学模型往往难以获得，通过简化、近似等手段获得数学模型不能正确地反映实际系统的特性。

对于此类问题，传统的PID控制方式显得无能为力。

液位控制由于其应用极其普遍，种类繁多，其中不乏一些大型的复杂系统。

但由于其时滞性很大、具有时变性和非线性等因素，严重影响PID控制的效目前，已经开发出来的控制策略（算法）很多，但其中许多算法仍然只是停留在计算机仿真或实验装置的验证上，真正能有效地应用在工业过程中的并有发展潜力的仍为数不多。

随着生产水平和科学技术的发展，现代控制系统的控制的规模日趋大型化，复杂化，对设备和被控系统的安全性，可靠性，有效性的要求也越来越高，为了确保工业生产过程高效，安全的进行，保证并提高产品的质量,对生产过程进行在线监测,及时准确地把握生产运行状况,已成为目前过程控制领域的一个研究热点。

近几十年来，液位控制系统已被广泛使用，在其研究和发展上也已趋于完备。

在轻工行业中，液位控制的应用非常普遍，从简单的浮球液位开关、非接触式的超声波液位检测一直到高精度的同位素液位检测系统到处都可以见到他们的身影。

而控制的概念更是应用在许多生活周遭的事物上。

而且液位控制系统已是一般工业界所不可缺少的元件。

凡举蓄水池,污水处理场等都需要液位元的控制.如果能通过一定的系统来自动维持液位的高度那么操作人员便可轻易地在操作时获知真个设备的储水状况,如此不但工作人员工作的危险性,同时更提升了工作的效率及简便性.

液位控制系统在国内各行各业的应用已经十分广泛，但从国内生产的液位控制器来讲，同国外的日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有差距。

目前，我国液位控制主要以常规的PID控制器为主，它只能适应一般系统控制，难于控制滞后、复杂、时变温度系统控制。

而适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。

由于工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外液位控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果，在这方面，以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的液位控制器及仪器仪表，并在各行业广泛应用。

1.2.3液位控制的前景

在构建液位控制系统的过程中，我们得知实际操作的变异性存在其中，因此如何分析、调整及改良便是我们日后所要着重的要点。

而在完成传统的PID操作控制系统后，未来我们更将利用GeneticAlgorithms找出最好的参数并建构在液位控制系统。

且比较加入智能型控制后的系统与传统PID是否会有性能上的差异。

近年来液位控制系统取得了很大进步，出现了许多新型的液位控制仪，如超声波液位仪、雷达液位仪、光电液位开关等，这些控制器利用无线电波的折射及反射原理。

光线在两种介质的分接口将产生反射或折射现象。

当被测液体处于高位时则被测液体与光电开关形成一种分界面，当被测液体处于低位时，则空气与光电开关形成另一种分界面。

这两种分接口使光电开关内部光接受晶体所吸收的反射光强度不同，即对应两种不同的开关状态，这些控制器的出现大大提高了控制系统的精度，实现了控制系统的丰富多样性。

1.3本文研究内容

液位控制系统是以液位为控制对象的控制系统，它在工业中的各个领域都有广泛的应用。

液位控制一般指对某控制对象的液位进行控制调节，使其达到所要求的控制精度。

在工业生产的过程中，很多场合都要对液位进行控制，使其高精度、快速度地到达并保持给定的数值。

如在化工生产过程中，锅炉液位的稳定性及快速性将直接影响到成品的质量；在建材行业中，玻璃炉窑液位的稳定性对炉窑的使用寿命及产品的质量起着决定性的作用；民用水塔的供水，如果水位太低，则会影响居民的生活用水；工矿企业的排水与进水制得当与否，关系到车间的生产状况；锅炉汽包液位过低，会使锅炉过热，可能发生事故；精馏塔液位控制，控制精度与工艺的高低会影响产品的质量与成本等。

在本文中，液位控制系统中的锅炉为控制对象，液位为控制量。

为了使液位的控制达到一定的精度，并且具有较好的动态性能，采用了区别于传统控制方式的串级控制。

这样使控制系统能够达到更好的控制要求，提高了系统的控制性能。

本文主要研究内容：

汽包锅炉给水控制系统，水位控制方案，给水控制全程实例，MATLAB软件仿真。

第二章汽包锅炉水位控制方案的设计

锅炉是重要的动力设备，其任务是供给合格稳定的蒸汽，以满足负荷的需要。

汽包水位是影响锅炉安全运行的重要参数，如果水位过高，会破坏汽水分离装置的正常工作，严重时会导致蒸汽带水增多，增加在管壁上的结垢和影响蒸汽质量。

如果水位过低，则会破坏水循环，引起水冷壁管的破裂，严重时会造成干锅，损坏汽包。

所以锅炉汽包水位过高过低都可能造成重大事故。

在锅炉汽包水位控制系统中被控量是汽包水位，而调节量则是给水流量，通过对给水流量的调节,使汽包内部的物料达到动态平衡状态，从而使汽包水位的变化在允许范围之内，保证锅炉的安全运行，生产出合格稳定的高质量蒸汽，以满足负荷的需要。

本设计控制对象的主要参数有：

汽包水位控制在：

300±10mm

正常工作时的蒸发量：

35t/h

水位稳定时供水量为：

35m3/h

正常工作时汽包蒸汽压力大约是0.5MP

2.1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。

2.2汽包水位的影响因素

首先应该从分析汽包水位的动态特性入手。

锅炉给水调节对象如图2.1所示。

给水调节机构为变频器调节给水量W，汽轮机耗汽量D是由汽轮机阀门开度来控制的。

图2.1锅炉给水调节对象

初看起来，汽包水位的动态特性似乎和单容水槽一样，给水量和蒸汽流量影响汽包水位的高低[4]。

但实际情况并非如此，最突出的一点就是水循环系统中充满了夹杂着大量蒸汽汽泡的水，而蒸汽泡的体积V是随着汽包压力和炉膛热负荷的变化而变化的。

如果有某种原因使汽泡的总体积变化了，即使水循环系统的总水量没有发生变化，汽包水位也会因此随之发生改变从而影响水位的稳定。

影响汽包水位H的主要因素有给水量W，汽轮机耗汽量D和燃料量B三个主要因素。

（1）给水扰动的影响

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。

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）

式2.1中

表示汽包水位的飞升速度，

表示延迟时间。

图2.2给水扰动响应曲线

（2）汽轮机耗汽量扰动的影响

当汽轮机耗汽量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2.3所示的曲线H1所示，另一方面由于汽轮机耗汽量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2.3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2.3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）

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”的延迟时间。

图2.3汽轮机耗汽量扰动响应曲线

（3）燃料量扰动的影响

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。

2.3汽包水位的控制方案设计

从反馈的思想出发很容易想到以汽包水位信号作为反馈量，给水流量作为被控量，构成单回路反馈控制系统，即水位单冲量控制系统。

如图2.4所示，这是一个基本的控制方案其方框图如图2.5所示。

对于小容量锅炉来说由于它的储水容量较大，水面以下的汽泡体积并不占有非常大的比重，因此水容积延迟和假水位现象并不是非常明显，因此可以采用汽包水位单冲量控制系统来控制汽包水位。

但对于大中型锅炉来说这种控制方案就不能满足控制要求，因为汽轮机蒸汽量的负荷扰动引起的假水位现象将引起给水调节机构的误动作，导致汽包水位激烈的上下振荡而不稳定，严重的影响设备的运行寿命和安全，所以大中型锅炉不宜仅仅只采用汽包水位单冲量控制系统，必须寻找其他的解决办法来控制汽包水位。

图2.4汽包水位单冲量控制系统

图2.5汽包水位单冲量控制系统框图

如果从物质平衡的角度出发，只要能够保证给水量永远等于蒸汽蒸发量就可以保证汽包水位大致不变。

因此可以采用图2.6所示的蒸汽流量随动控制系统，其中流量调节器采用PI调节器，使汽轮机的蒸汽量作为系统的给定使给水流量跟踪蒸汽流量的变化，构成了一个以蒸汽量作为给定的随动系统从而保证汽包水位的恒定。

该方案的结构框图如图2.7所示。

图2.6蒸汽流量随动控制系统

图2.7蒸汽流量随动控制系统框图

采用该方案的优点是系统完全根据物质平衡条件工作，给水量的大小只取决于汽轮机的耗汽量，假水位现象不会引起给水调节机构的误动作。

但是这个系统对于汽包水位来说只是开环控制系统。

由于给水量和蒸汽量的测量不准确以及锅炉系统引入的其他扰动使得给水量和蒸汽量并非准确的比值关系而保持水位恒定。

由于水位对于二者的偏差是积分关系，微小的偏差长时间积累也会形成很大的水位差，因此不宜采用随动控制系统。

如果把以上所述两种方案结合起来，就构成了汽包水位双冲量控制系统如图2.8所示，其结构框图如图2.9所示。

双冲量指的是同时引入两个测量信号：

汽包水位和蒸汽流量。

这个系统对以上所分析的两种方案取长补短，可以极大的提高汽包水位的控制质量。

当汽轮机耗汽量出现阶跃增大时，一方面由于“假水位现象”汽包水位会暂时有所升高，将使调节机构做出误动作错误的减少给水量；另一方面汽轮机耗汽量的增大又通过比值控制系统指挥调节机构增大给水量，实际给水量的增减情况要根据实际情况通过参数整定来确定。

当假水位现象消失后水位和蒸汽信号都能正确的指挥调节机构动作。

只要参数整定合适，给水量必然等于蒸汽量从而保证水位恒定。

图2.8汽包水位双冲量控制系统

图2.9汽包水位双冲量控制系统框图

此外考虑到给水流量的变化可以通过串级控制的方法让给水量的扰动通过内回路自行调节，设计如图2.10所示的三冲量控制系统，其结构框图如图2.11所示。

即前馈—反馈—串级复合控制系统。

该三冲量控制系统包含给水流量控制回路和汽包水位控制回路两个控制回路以及一个蒸汽流量前馈通道，实质上是蒸汽流量前馈与水位－流量串级系统组成的复合控制系统。

串级控制系统的主参数是汽包水位，副参数是给水流量，主调节器是给水流量调节器，副调节器是液位调节器。

一方面可以克服给水扰动，使给水流量自行调节，另一方面可以有效地抑制“假水位现象”。

当蒸汽流量发生变化时，锅炉汽包水位控制系统中的给水流量控制回路可迅速改变进水量的大小以完成粗调，然后再由汽包水位调节器完成水位的细调维持汽包水位的稳定。

图2.10汽包水位三冲量控制系统

图2.11汽包水位三冲量控制系统框图

第三章水位控制系统实例

3.1给水全程控制的概述

顾名思义，“给水全程自动控制”是指锅炉给水全程中部是自动的，即在控制设备正常的条件下，不需要操作人员的干涉。

就能保持汽包水位在允许的范围内。

这比常规给水控制要复杂得多，因此，对给水全程自动控制系统提出以下要求：

（1）实现给水全程控制可以采用改变调节门开度，即改变给水管路阻力的方法来改变给水量v也可以采用改变给水泵转速，即改变给水压力的方法来改变给水量。

前一种方法节流损失大，给水泵的消耗功率多，不经济，故在一被单元机组的大型锅炉中都采用后一种方法。

在给水全程控制系统中不仅要满足给水量调节的要求，同时还要保证给水泵工作在安全工作区内。

这往往需要有两套控制系统来完成、即所谓两段调节G

（2）由于机组在高、低负荷下呈现不同的对象持性，要求控制系统能适应这样的特性。

随着负荷增长和下降，系统要从单冲量过渡到三冲量，或从三冲量过渡到单冲量系统，由此产生了系统的切换问题。

并且必须有保证两套系统相互无扰切换的控制线路。

（3）由于全程控制系统的工作范围较宽，对各个信号的准确测量提出了更严格的要求。

（4）在多种调节机构的复杂切换过程中，给水全程控制系统都必须保证无干扰。

高、低负荷需用不同的调节阀门，必须解决切换问题，调节阀门的切换伴随着有关截门的切换，而裁门的切换过程需要一定的时间，导致了水位保持的困难。

在低负荷时采用改变阀门的开度来保持泵的出口压力，高负荷时用改变调速泵的转速保持水位，这又产生了阀门与调速泵间的过渡切换问题。

点火后，升诅升压过程中，由于锻炉没有输出蒸汽量，给水量及其变化量都很小，此时单冲量调节系统也不十分理想，就需要用开启阀门的方法（观位调节方式）进行水位调节。

（5）给水全程控制还必须适应机组定压运行和滑压运行工况，必须适应冷态启动和热态启动情况。

3.2全程给水控制实例

下面以600MW单元机组的给水系统为例，介绍全程给水控制系统的运行原理及结构特点。

给水控制系统中重要的组成部分为：

汽包水位、主蒸汽流量、主给水流量及给水泵的控制。

总的SAMA图如下，但是为了方便理解，下面分别介绍每部分的功能及运行原理。

3.2.1汽包水位的测量及校正

锅炉从启动到正常运行的过程中，汽包压力不断变化。

由于汽包中饱和水及饱和汽水的密度随压力变化，影响了汽包水位测量的准确性，因此对于采用差压原理测量饱和水的系统，必须对压差信号进行压力、温度修正才能代表真正的汽包水位。

差压式水位计准确测量汽包水位的关键是水位与差压之间的准确转换，这种转换是通过平衡容器形成参比水柱来实现的。

目前，国内外最常用的是通过平衡容器下的参比水柱形成压差来测量汽包水位的。

差压水位表式利用比较水柱高度差值的原理来测量汽包水位的，测量时将汽包水位对应的水柱产生的压强与作为参比的平衡容器中保持不变的水柱所产生的压强进行比较，比较的基准点是水位表水侧取样孔的中心线，由于参比水柱的高度是保持不变的，测得的压差就可以直接反映出汽包中的水位。

参比水柱的高度就是平衡容器内的水面到水位表水侧取样孔的中心线。

在平衡容器安装完以后，参比水柱的高度就是一个定值，而用来测量差压的差压变送器的量程也就等于参比水柱的高度。

图3-1汽包水位的测量如下图所示

ρS　＿＿　汽包内饱和蒸汽密度，汽包压力的单值函数

ρW——汽包内饱和水密度，汽包压力的单值函数

ρa——单室平衡容器内非饱和水密度，它是压力及温度的函数（基准水柱）

L——差压水位计的量程范围

Lyc——单室平衡容器引出管中心距

H——汽包实