锅炉汽包水位双冲量控制系统的设计Word格式.docx

锅炉汽包水位双冲量控制系统的设计Word格式.docx

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保持的水位在一定范围内是保证锅炉安全运行的首要条件。

因为水位过高，会影响汽包内汽水分离，饱和水蒸气带水过多，是过热器管壁结垢并损坏，同时使过热蒸汽的温度急剧下降。

如果该带液蒸汽被用户用来带汽轮机，将会损坏汽轮机的叶片。

水位过低，由于汽包内的水量较少，而负荷很大时，水的汽化速度加快，惹不及时加以控制，将使汽包内的水全部汽化，导致水冷壁烧坏，甚至引起爆炸。

因此必须对锅炉汽包水位进行严格控制.

汽包水位自动调节的任务是给水量与锅炉蒸发量相平衡，并维持汽包水位在工艺规定的范围内。

保持锅炉汽包水位在一定范围是锅炉稳定安全运行的主要指标。

在参考了多种设计方案后，本系统设计一种双冲量水位控制系统，能够很好补偿扰动产生的“假水位”现象,有利服务于现实生产。

锅炉汽包水位双冲量控制系

统的设计

1.概述

1.1锅炉汽水系统介绍

如图1所示，经过处理后的水通过给水母管在给水调节器作用下，流经省煤器被加热后送入汽包，然后在汽包和管束系统中进行自然对流交换，汽包产生的蒸汽在上汽包中分离，从主汽管流出，在过热器中进行一步加热形成过热蒸汽后流向分汽缸，以便与工业生产以及其他用它用途。

图1锅炉汽包系统图

1.2汽包水位控制的难点

水位的控制技术是通过控制进水和出水阀的开度，改变水流量来实现到。

锅炉汽包水位的控制是锅炉控制系统较为重要和比较难控制的一项。

由于锅炉在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参数来满足所以的运行条件，获得理想的效果。

调节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，这样就倒是水位通常出于欠调整状态允许液位在一定范围内波动，以减小出水量的变化。

然而欠调整的PID不能及时的抑制打扰动，这就可能引起锅炉运行的安全问题。

此外，液位的波动也会破坏锅炉运行过程的稳定，使得整齐输送等不容易控制。

影响锅炉汽包水位的关键量有给水流量，蒸汽出口流量和混合燃料的进料口。

各变量都有各自不同的扰动。

较冷的给水造成的相应的纯滞后。

蒸汽流量的突然增加导致了典型的虚假水位现象，使得过程暂时改变了方向，容易发生误操作而导致发生事故。

2设计意义与要求

2.1设计意义

因此必须对锅炉汽包水位进行严格控制。

2.2设计要求

初始条件：

锅炉汽包水位自动调节的任务是给水量与锅炉蒸发量相平衡，并维持汽包水位在工艺规定的范围内。

汽包水位自动调节很重要，汽包水位过高，会影响汽水分离效果，使蒸汽带液，如果水位过低，会损坏锅炉，甚至引起爆炸。

该对象的只要扰动是蒸汽负荷的变化。

设计一控制系统，使汽包水位维持在100±

0.5㎝，并能对蒸汽负荷的扰动能及时克服。

要求任务:

1、了解锅炉生产蒸汽工艺设备及其工作流程

2、基于对象特点分析，绘制液位－蒸汽双冲量控制系统方案图

3、确定系统所需检测元件、执行元件、控制器技术参数

4、撰写系统调节原理及调节过程说明书

5、对该双冲量控制系统进行数值仿真

6、总结课程设计的经验和收获

3.汽包水位特性及其控制

3.1汽包水位特性

汽包和蒸发管系统中储藏着蒸汽和水，储存量的多少是以被控制量水位来表征的。

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的时候，汽包水位就能恒定不变，引起水位变化的主要是蒸汽量的变化和给水量的变化。

如果只考虑主要扰动，那么汽包水位对象的动态特性方程可以表示为：

（1）

式子中，T1，T2为时间常数，

为给水流量项时间常数，

为蒸汽流量项时间常数，

为给水流量项的放大系数，

为蒸汽流量项的放大系数。

3.1.1汽包水位在给水流量作用下的动态特性

给水量是锅炉的输入量，如果蒸汽负荷不变，那么给水量发生变化的时候，汽包水位的微分方程可以表示为：

（2）

从而可以得到汽包水位在给水量的作用下的传递函数：

（3）

的数值一般很小常常可以忽略不计，对于一些锅炉，在给水量增加较长时间里，汽包水位并不增加，存在较长一段时间的起始惯性。

可以用以下式子近似表示;

（4）

由于要得出此动态数学模型必须通过现场数据采集和数据分析处理，最后可以得到锅炉汽包水位在给谁流量作用下的数学动态模型，在本次课设中，我查阅相关资料了选取了一个实例的动态数学模型：

（5）

在给水流量的阶跃输入作用下，当突然加大给水量（蒸汽量不变）是给水量大于蒸汽量，但是因为温度较低的给多水进入了水环系统，使他从原有的饱和汽水中吸取了一部分热量，汽包和汽水管路中由于热量的损失，汽包减少。

经省煤器进入汽包给水，首先必须填补由于汽水管路中蒸汽减少让出的空间，这时虽然给水量增加，但是水位还是基本保持不变。

但水面下汽包的体积变化过程逐渐平静时，汽包水位才由于储存量的增加而逐渐上升。

当水面下汽包体积不再变化，完全稳定下来时，水位就随着存水量的增加而上升。

3.1.2汽包水位在蒸汽流量的作用下的动态特性

汽包水位在蒸汽流量扰动的动态特性可以用下面式子表示;

（6）

在其它条件不变的情况下，蒸汽用量突然增加，瞬时间必然会导致汽包压力下降，汽包内水的沸腾突然加剧，水中气泡迅速增加，气泡体积增大，使汽包水位升高（水量实际上在减少）。

这种压力下降而非水量增加导致的汽包水位上升的现象成为“虚假水位”现象，图2给出了在蒸汽流量扰动作用下，汽包水位的阶跃响应曲线。

图2其蒸汽流量阶跃扰动作用下的汽包水位相应曲线

当蒸汽流量D突然增加

时，从锅炉的物料平衡关系来看，蒸汽大于给水量，水位应下降，如图曲线

，实际上，由于蒸汽流量的增加瞬时间必然导致汽包压力下降。

汽包内的沸腾突然增加，水中气泡迅速增加，由于气泡的体积增加使水位的响应曲线如图中/,而实际显示的水位曲线应该是

为

和

的叠加，即

。

从图中可以看出蒸汽用量增加，在开始阶段水位不会下降反而会先上升，然后再下降，这个现象称为“虚假水位”蒸汽扰动时。

水位的变化的动态特性用传递函数表示为：

（7）

式中

为蒸汽流量变化的单位流量时水位的变化速度，

为响应曲线

的放大倍数，

为响应曲线的

时间常数。

造成虚假液位的原因：

一是锅炉蒸汽负荷增加使炉管和汽包中汽水混合物的汽水比例发生变化（汽容积增加）而引起汽包水位上升，这是引起汽包虚假液位的主要原因。

二是蒸汽流量增加，汽包气压下降，泸水沸点下降，由于锅炉水位饱和水的汽化，是汽包水位随压力下降而升高。

虚假水位变化的大小与锅炉的工作压力和蒸发量有关。

一般蒸发量为100—230t/h的高压锅炉中，当负荷变化10%时，假水位可以达到30—40mm.所以克服虚假水位现象带来调节的误动作变得很有必要。

查阅一个实例的汽包水位在蒸汽流量作用下的动态数学模型：

（8）

3.2汽包水位控制方式

汽包水位控制的目的是要克服锅炉负荷变化引起的虚假液位的影响和各种干扰对水位的影响，维持汽包水位在允许的范围内变化。

在工业汽包水位的自动控制中，针对不同的控制信号有单冲量控制系统，双冲量控制系统和三冲量控制系统。

按照此次课设的方案是设计双冲量控制系统。

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。

汽包水位的主要扰动是蒸汽流量的变化，如果系统除了汽包水位控制外，还能利用蒸汽流量变化对水流量进行补偿控制，就可以消除或减小虚假水位现象对汽包水位的影响，而且使给水调节阀的调节及时，这就构成了双冲量控制系统，如图3所示。

双冲量控制系统实质是一个前馈控制（蒸汽流量）加单回路反馈控制的前馈-反馈控制系统，当蒸汽流量变化时，调节阀及时按照蒸汽流量的变化变化进行给水流量补偿，而其他干扰对水位的影响由反馈控制回路克服。

图3双冲量控制系统框图

途中加法器将控制器的输出信号和蒸汽流量变送器的信号求和后，控制调节阀的开度，调节给水量。

当蒸汽流量变化时，通过前馈补偿直接控制给水调节阀。

使汽包进出水量不受虚假水位的影响而及时达到平衡，这样就克服了由于蒸汽流量变换引起假水位变化所造成的汽包水位剧烈波动。

引入蒸汽流量来校正不仅可以补偿“虚假水位”所引起的误动作，而且还能是给水调节阀的动作及时从而提高控制质量。

但这里的前馈仅为静态前馈，如果要考虑两条通道在动态上的差异则还需要引入动态补偿环节。

在给水量压力比较平稳时，采用双重量控制就能够达到控制要求。

双冲量水位控制系统存在的问题有：

一是对于给水系统的扰动不能直接补偿。

当给水量发生扰动时，要等到汽包水位信号变化时才能通过调节阀来执行调节，之后时间长，水位的波动就大。

二是，调节阀的工作不是完全线性的，因此要做到静态补偿就比较困难。

4仪表选择

4.1压力变送器的选择

SK-DBS208、308系列压力变送器具有工作可靠、性能稳定、安装使用方便、体积小、重量轻、性能价格比高等点，能在各种正负压力测量中得到广泛应用。

压力变送器采用进口扩散硅或陶瓷芯体作为压力检测元件，传感器信号经高性能电子放大器转换成0-10mA或4-20mA统一输出信号。

技术参数如下：

精度等级：

0.25级基本误差±

0.25% 

非线性误差：

0.3级≤±

0.3%FS

滞后误差：

≤±

0.3%FS 

输出特性：

①0-10mA输出，负载电阻0-1.5KΩ

②4-20mA输出，负载电阻0-600Ω

③恒流输出内阻大于10MΩ

④二线制4-20mA输出：

标准供电DC24V 

防爆标志：

（RPT-Ⅲ）：

Exia 

Ⅱ 

CT4-6

4.2液位变送器的选择

对于大型锅炉汽包水位的测量，我们常用的方式主要有三种：

连通管式就地水位计、电接点水位计、差压式水位计。

本课设中采用差压式水位计。

图4差压式水位计工作原理图

正压头是从宽容器引出，负压头是从置于宽容器的汽包水侧连通管中取得。

宽容器的水面高度是一定的，因此当宽容器的中的水密度一定时，正压头为定值。

负压管与汽包是联通的，因此，负压管中输出压头的变化反映了汽包水位变化。

根据物理学原理可得输出压差

与汽包水位

的关系：

（9）

式中：

、

都是额定压力、

额定温度下的密度值，是额定压力下平衡容器中的水的密度，该值与平衡容器的的类型及环境温度有关。

HR-1151ST液位变送器是一种直接安装在管道或容器上的现场变送器。

由于隔离膜片直接与液体介质相接触，无须将正压侧用导压管引出，因此可以测量高温、高粘度、易结晶、易沉淀和强腐蚀等介质的液位、压力和密度，然后将其转换成4～20mA.DC信号输出。

技术参数如下：

输出信号：

4～20MA.DC二线制（模拟）；

二线制4～20mA直流信号上叠加数字信号，由用户选择线性或开方输出。

（智能）

供电电源：

12～45V.D

电源影响：

<

0.005%/V

负载影响：

电源稳定时，无负载影响。

测量精度：

调校量程的±

0.2%，±

0.25%，±

0.5%

迁移特性：

最大正迁移量500%，最大负迁移量600%

启动时间：

2秒，不需预热

工作环境：

环境温度-29～93℃（模拟放大器）

-29～75℃（数字/智能放大器）

-29～65℃（带显示表头）

环境湿度：

0～95%

指示表（%）：

电流表：

标尺长44.5mm，精度±

2；

液晶数显：

精度±

0.2%

振动影响：

任何方向200Hz振动时，±

0.05%/g。

4.3控制器的选择

经过分析此系统的控制器的的作用方式为正作用方式。

采用万讯仪表有限公式生产的AI系列全通用人工只能调节仪表，其中SA-12智能调节仪控制挂件为AI-818，SA-13智能位式调节仪为AI-708型。

AI-818型仪表为PID控制型，输出为4-2ADC信号。

AI-708型仪表为位式控制型，输出为继电器触电开关信号。

AI系列仪表通过RS485串口通信协议与上位计算机通讯，从而实现系统的实时监控。

AI仪表常用参数设置：

Ctrl:

控制方式。

Ctrl=0采用位式控制；

Crtl=1时采用人工智能调节PID调节；

ctrl:

启动自整定参数功能；

Ctrl=3:

自整定结束。

Sn:

输入规格：

Sn=21,Pt100热电阻输入；

Sn=32,0.2-1VDC电压输入；

Sn=33:

1-5VDC输入。

DIL：

输入显示值，一般DIL＝0.

DIH:

输入上限显示值。

输入为液位信号时，DIH=50；

输入为热电阻信号时，DIH=100；

输入为流量信号时，DIH=100.

OPI:

输出方式，一般为4-20mA线性电流输出。

CF:

系统功能选择。

CF=0为内部给定，反作用调节；

CF=1为内部给定，正作用调节；

CF=8为外部给定，反作用调节；

CF=9为外部给定，正作用调节。

Addr:

通讯地址。

4.4执行器的选择

执行器为气动、电动和液压执行器三种，液压执行器很少采用，本系统中选用电动执行器。

执行器的有执行机构和调节机构两部分构成。

4.4.1执行机构

电动执行机构有角行程和直行程两种，他将输入的直流电流信号线性的转换成位移量。

这两种执行机构是以交流电为动力的位置伺服机构，两者的电器原理完全相同，只是减速器不一样。

本系统采用角行程执行机构。

4.4.2调节机构

调节机构又称调节阀，它和普通的阀门一样是一个局部阻力可以变化的节元件。

由于阀芯在阀体内移动，改变了阀芯与阀座之间的流通面积，即改变了阀的阻力系数，被控介质的流量也相应的改变，从而达到调节工艺变量的目的。

最常用的调节阀是直通单座调节阀，他由上阀、下阀盖，阀体阀座阀芯阀杆填料和压板等部件组成。

出于生产工艺安全考虑，当系统发生故障时，要求能够持续供水。

如一旦发生事故，供水调节阀应出于全开位置，锅炉不至于因给水中断烧坏，避免爆炸等事故的发生。

所以应选用气关型。

4.4.3YHR电动执行器

本系统可以选用YHR角行程电动执行器。

YHR系列回转式电动执行机构功能齐全，有开关型，调节型等，它体积小，重量轻，性能可靠，轴承和关键器件采用进口产品，蜗轮输出一体化，消除了联结，间隙，传动精度高，回差小；

全行程时间有多种速度可选，采用单相电源驱动，外线线路简单，此外YHR内采用了先进的数字技术和高度集成的模块，机电一体化的设计可直接接收计算机或仪表等输出的4-20mADC或1-5VDC标准信号，实现对电动阀门的智能控制和精确定位

输入信号：

0~10mADC4~20mADC

　　输入电阻：

200Ω（Ⅱ型）250Ω（Ⅲ型）

输入通道：

3个（相互电隔离）

　　基本误差：

±

2.5％

　　回差：

15％

　　死区：

≤3％

　　电源电压：

220V.AC、50Hz

　　输出轴转角范围：

0~70。

、0~90。

　　使用环境条件：

环境温度：

伺服放大器-25~50℃、执行机构-25℃~+70℃。

5.参数整定

5.1PID各环节对系统控制的作用

在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为PID控制，即比例积分微分控制。

PID控制器是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。

（1）比例（P）控制

比例环节实时地按照一定比例反映系统的偏差量，即一旦偏差出现，控制器立即产生控制作用，以减小偏差。

比例系数Kp越大，系统的调整时间就越短，稳态误差也越小，但Kp过大，会造成超调量过大，引起系统不稳定

（2）积分（I）控制

积分环节消除系统的稳态误差，提高系统的无差度。

积分系数Ki越大，积分作用越强，稳态误差越小，调整时间越短，但Ki大，会造成稳定性变差.

（3）微分（D）控制

微分环节能起到超前控制的作用，即在按照偏差变化的速度进行控制，能在偏差很小的时，提前增大控制作用，改善控制品质。

通常，微分系数Kd大，系统超调量减小，但Kd大，也会造成系统稳定性下降.

5.2PID参数整定方法

PID调节是比例积分微分调节规律的线性组合，它吸取了比例调节反应快速、积分调节能消除静态误差以及微分调节提前预见性的特点，是一种比较理想的微分调节规律。

简单控制系统的控制品质，与被控过程的特性、干扰信号的形式和大小、控制方案及调节参数等因数密切相关。

一旦控制方案确定，受工艺条件和设备特性限制的广义对象特性、干扰特性等因数就完全确定，不可随意改变。

这是控制系统的品质完全取决于调节器的参数整定。

简单控制系统参数的参数整定，就是通过一定的方法和步骤，确定系统出于最佳过渡控制过程时，调节器的比例度P、积分时间Ti、稳份时间Td的具体参数。

所谓的最佳参数整定，就是在某种评价指标下，系统达到最佳控制状态时，调节器的调节规律所对应的一组参数。

对于单回路控制系统，较为通用的标准是所谓的“典型最佳调节过程”，即在控制系统的阶跃扰动下，被控参数的过渡过程呈4：

1（10:

1）的衰减振荡过程。

控制器参数整定的方法很多，主要有两大类，一类是理论计算的方法，另一类是工程整定法。

理论计算的方法是根据已知的各环节特性及控制质量的要求，通过理论计算出控制器的最佳参数。

这种方法由于比较繁琐、工作量大，计算结果有时与实际情况不甚符合，故在工程实践中长期没有得到推广和应用。

工程整定法是在已经投运的实际控制系统中，通过试验或探索，来确定控制器的最佳参数。

这种方法是工艺技术人员在现场经常使用的。

常用的工程整定方法有稳定边界法、衰减曲线法、反应曲线法、经验法。

5.2.1稳定边界法

属于闭环整定方法，根据纯比例控制系统临界振荡试验所得数据（临界比例度Pm和振荡周期Tm），按经验公式求出调节器的整定参数。

（1）置调节器Ti，Td=0，比例度P较大值，将系统投入运行。

（2）逐渐减小P，加干扰观察，直到出现等幅减振荡为止。

记录此时的临界值Pm和Tm。

（3）根据Pm和Tm，按经验公式计算出控制器的参数整定值

5.2.2衰减曲线法

也属于闭环整定方法，但不需要寻找等幅振荡状态，只需寻找最佳衰减振荡状态即可。

（1）把调节器设成比例作用（Ti=∞，Td=0），置于较大比例度，投入自动运行。

（2）在稳定状态下，阶跃改变给定值（通常以5%左右为宜），观察调节过程曲线。

（3）适当改变比例度，重复上述实验，到出现满意的衰减曲线为止。

（4）按表（n=4:

1）或按表（n=10:

1）求得各种调节规律时的整定参数。

5.2.3响应曲线法

属于开环整定方法。

以被控对象控制通道的阶跃响应为依据，通过经验公式求取调节器的最佳参数整定值。

5.2.4经验法

凭经验凑试，其关键是“看曲线，调参数”。

在闭环的控制系统中，凭经验先将控制器参数放在一个数值上，通过改变给定值施加干扰，在记录仪上观察过渡过程曲线，根据P、TI、TD对过渡过程的影响为指导，对比例度P、积分时间TI和微分时间TD逐个整定，直到获得满意的曲线为止。

5.3参数整定及其仿真

两冲量控制系统的SIMULINK仿真模型如图5所示：

图5两冲量控制系统的SIMULINK仿真模型

在本次课程设计中，我采用衰减曲线法进行PID参数整定，按衰减比n=10:

1,其整定步骤如下：

首先取Ti=

Td=0,比例度P置于较大数值，将系统投入自动运行状态。

待系统工作平稳后，对设定值做阶跃扰动，然后观察其过渡过程。

如果过渡过程振荡衰减太快，就减小比例度P，反之增大比例度P，直到系统出现震荡过程n=10:

1,从此过渡曲线上测出此时的震荡周期Ts,峰值时间Tr,并记录此时的比例度Ps.

图6衰减比为10：

1时的仿真效果

按给出的经验公式计算调节器的整定参数P、Ti、Td,并按计算结果设置调节器参数，再做设定值扰动实验，观察过渡过程曲线。

若系统过渡过程曲线不理想，再对P，Ti,Td计算值进行调整，知道出现满意的结果为止。

可以计算出整定后Kp=2.25,Ki=0.03,Kd=36,代入并在500S加上蒸汽干扰进行仿真，然后再对参数进行微调，当Kp=2.25,Ki=0.03,Kd=20时得到较为满意仿真效果如下图7所示。

图7仿真效果

可以由图计算出超调量

=14/100=14%，上升时间小，系统响应快，衰减性好，稳定误差极小为

cm，满足设计要求。

当施加较大蒸汽干扰时，能在很短时间后快速恢复，恢复后稳态误差在-0.1cm内，说明该系统的稳定性能很好，能满足设计要求.

6心得体会

本次课程设计是锅炉汽包水位两冲量控制系统的设计，锅炉汽包水位低的良好的控制是保证系统输出蒸汽温度稳定的前提。

按照设计要求是采用两冲量控制系统也就是前馈控制系统。

控制量是锅炉汽包水位，蒸汽流量是干扰量，干扰量通过前馈通道引入，当系统出现蒸汽流量这个扰动时，立即将其测量出来，通过前馈控制器，根据扰动量的大小改变控制变量，以抵消扰动对被控参数的影响。

这有利与克服虚假水位的引起的误动作。

接着分析了PID参数对对象系统的影响，以及PID参数对整定及其仿真，最终成功使汽包水位控制在给定的范围内，同时在强干扰的情况下依然保持良好的稳态性能。

通过为期一周的过程控制设计这一实践环节，感受颇多，由原先的课堂理论知识到动手实践环节是一次重大的转变，也是联系实际的最好表现。

在整个课设中我查阅和整合了很多相关资料，考验了我怎样从显示生产中发现问题、分析问题和解决问题的逻辑思维能力，学会了消化吸收，融会贯通，把别人的东西变为自己的东西。

在本次课设中，由于经历有限，可能还存