锅炉水位控制系统的设计说明书 精品.doc

设计题目：锅炉水位控制系统的设计第1章 绪论1.1锅炉概述3锅炉，简言之，由汽锅和炉子组成。炉子是指燃烧设备，为化石燃料的化学能转换成热能提供必要的燃烧空间。汽锅是指加热设备，为汽水循环和汽水吸热以及汽水分离提供必要的吸热和分离空间。锅炉作为一种把煤、石油或天然气等化石燃料所储藏的化学能转换成水或水蒸汽的热能的重要设备，长期以来在工业生产和居民生活中都扮演着极其重要的角色。它己经有二百多年的历史了，但是锅炉工业的迅猛发展却是近几十年的事情。国外的锅炉制造工业5060年代发展最快，70年代前后达到高峰。我国的锅炉工业是在新中国成立后才建立和发展起来的，1953年在上海首创了上海锅炉厂。从其在生产和生活中所起的作用不同，锅炉可分为电站锅炉，主要用于发电；工业锅炉，主要用于直接供给工农业生产或驱动机械能源；生活锅炉，主要用于为居民提供热水和供居民取暖。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。随着工业生产规模的不断扩大，生产设备的不断创新，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1。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。一般工业蒸汽锅炉主要由以下五部分组成：l) 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换热器件。1.2 目前锅炉控制的研究现状因为锅炉的控制系统是多输入多输出系统，并且各参数之间相互影响，相互制约，并且有时受负荷干扰严重，因此很难用精确的数学模型来表示，用经典控制理论难以实现有效的控制，目前在工程设计中经常采用的方法是具体分析生产过程的特点和要求，在设计单回路为主的基础上，考虑多变量系统的特点，加以补充修正。因各回路之间的相互制约，控制效果也不近人意，并且设计复杂，造价高，这样中小型用户就难以应付。因此还相当多的锅炉特别是中小型锅炉还在简单的启动停止的状态下运行，控制靠人工实现，这样锅炉运行好坏完全依靠工人的经验和责任心。这一方面造成经济效益差，不安全，还容易造成工业事故，另一方面，煤燃烧不充分也造成严重的环境污染。目前针对锅炉的控制特性，世界上大部分科研人员和电厂技术人员常运用以下控制理论来控制锅炉： PID控制传统的PID控制用在锅炉控制中，原理简单，易于实现，鲁棒性较强，是应用最广泛的控制方法，但是也存在局限性，超调量大，无法实现非线性系统的精确控制。 模糊控制模糊控制是以模糊集合理论为基础的一种新兴的控制手段，它是模糊系统理论和模糊技术与自动控制技术相结合的产物。自从这门科学诞生以来，它产生了许多探索性甚至是突破性的研究与应用成果，同时，这一方法也逐步成为了人们思考问题的重要方法论。 模糊PID控制模糊PID控制用在锅炉控制中，能对不确定的条件、参数、延迟和干扰等因素进行检测分析，采用模糊推理的方法实现PID参数，的在线自整定，不仅保持了常规控制系统原理简单、使用方便、鲁棒性较强等优点，而且具有更大的灵活性、适应性，控制也更精确。 最优控制最优控制问题研究的主要内容是：怎样选择控制规律才能使控制系统的性能和品质在某种意义下为最优，求解最优控制问题的方法，目前主要的就是上述的两种方法，另外可能还会用到一些数值解法。用这些方法已经成功的解决了许多动态控制问题，如最小时间控制，最少燃料控制和最佳调节器等。最优控制已经在航天，航海，导弹，电力系统，控制装置，生产设备和生产过程中得到了比较成功的应用，而且在经济系统和社会系统中也得到了广泛的应用。 自适应控制在日常生活中，所谓自适应是指生物能改变自己的习性以适应新的环境的一种特征。因此，直观地讲，自适应控制器应当是这样一种控制器，它能修正自己的特性以适应对象和扰动的动态特性的变化。自适应控制的研究对象是具有一定程度不确定性的系统，这里所谓的“不确定性”是指描述被控对象及其环境的数学模型不是完全确定的，其中包含一些未知因素和随机因素。 专家控制专家控制是基于知识的智能控制，它是人工智能、专家系统、自动控制、模糊技术相结合的产物。它利用专家系统的推理机制决定控制方法的灵活选用，实现解析规律与启发式逻辑的结合、知识模型与控制模型的结合，它模仿人的智能行为，采取有效的控制策略，从而使控制性能的满意实现成为可能。专家控制用在锅炉控制中，控制效果好，动态特性较好，简单易懂，参数调整相对于传统PID控制也简单的多。1.3课题提出及意义目前我国有各类锅炉几十万台，其中相当大的部分还在使用常规仪表控制。由于锅炉水位存在一定的反向特性即“虚假水位”现象，而常规仪表所常用的PID算法对“虚假水位”现象的控制效果并不理想，若要较好的控制“虚假水位”现象，采用常规仪表所构成的控制器，其结构复杂性又会增加，造成成本较高。因此，研究新型的水位控制系统，使其能进一步提高水位控制的效果，同时又具有结构简单、容易实现的特点，还是非常有必要的。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之间相互关联的对象。主要输入变量是负荷，锅炉给水、燃料量、送风和引风等。主要输出变量是汽包水位，蒸汽压力，过热蒸汽温度、炉膛负压、过剩空气(烟气含氧量)等。这些输入变量与输出变量之间相互关联。锅炉的主要调节任务是：汽包中水位保持在一定范围内；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；锅炉供给用汽设备的蒸汽压力保持在一定的范围内；过热器蒸汽温度保持在一定范围内；保持锅炉燃烧的经济性和安全性；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。在锅炉生产过程中，汽包水位控制常采用的方式有：单冲量控制、双冲量控制、三冲量控制等。它们常采用PID控制算法。通过分析发现，单冲量和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”现象的存在给水位控制带来了困难和挑战。1.3.1“虚假水位”现象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是蒸汽流量和给水流量的变化。当蒸汽流量突然增大时，汽包压力将急剧下降，由于饱和蒸汽的压力下降，饱和水将快速蒸发使得饱和水中产生大量的气泡，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。可见此时的水位并不能代表锅炉中水位的真实情况。1.3.2课题提出的意义及背景锅炉是能源转换和消耗的重要设备，其控制系统复杂且重要。而汽包水位控制尤其如此。从传统的控制方式来看，主要包括位式、单冲量、双冲量、三冲量等控制系统。采用的算法多是经典的PID算法。它们要么系统结构简单成本低，却不能有效地控制锅炉汽包“虚假水位”现象；要么能够在一定程度上控制“虚假水位”现象，系统却过于复杂，成本投入过大。在现实生产和生活中，往往要求系统既具有较好的性能和较高的可靠性，同时又要求系统成本投入较低。即要求系统具有较高的性价比。锅炉是一种受压又直接受火的特种设备，是工业生产中的常用的动力设备。对锅炉生产如果操作不合理，管理不善，处理不当，往往会引起事故，轻则停炉影响生产，重则发生爆炸，造成人身伤亡，损坏厂房、设备，后果十分严重。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。工业锅炉中最常见的事故有：锅内缺水，锅内高压，锅内满水，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。工业锅炉汽包水位控制的任务是，使跟踪锅炉的蒸发量并维持汽包水位在工艺允许的范围内。维持锅炉汽包水位在规定的范围内，是保证锅炉安全生产运行的必要条件，也是锅炉正常生产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，增加在过热管壁上的结垢。水位过低则可造成水的急速蒸发，汽水自然循环破坏，局部水冷管壁被烧坏，严重时造成爆炸事故。因此，锅炉汽包水位必须严加控制。水位控制是汽包运行中的一项重要工作，其控制的好坏直接影响了汽包能否正常运行。当前运行人员把很多精力放在汽包水位控制上，但受经验等方面影响，总体效果不甚理想。若能实现水位自动控制，则可大大减少人力资源，同时很大程度上提高汽包运行的可靠性。锅炉正常运行中，汽包液位的控制是一个重要的参数，锅炉汽包水位的控制是安全生产和提供优质蒸汽的保证。1.4 本文的主要工作本文以工业锅炉控制为背景，主要以其中的汽包水位控制系统为对象，研究了三种控制算法并用MATLAB工具作了仿真并且对三种控制算法的结果作了比较，主要作了以下工作：采用机理建模法建立锅炉汽包水位的动态模型；对锅炉汽包水位控制系统做了详细的分析，并提出了单冲量、双冲量、三冲量等三种控制方案，对三种方案作比较后得出了适合于本项目设计要求的控制方案；引入了三种汽包水位控制系统的控制算法，即：PID控制、前馈控制和串级控制；建立汽包水位仿真数学模型，引进MATLAB仿真工具，建立仿真系统模型，选定以上三种控制算法，进行仿真，最后对它们进行了对比分析。第2章 锅炉汽包水位PID控制系统的设计2.1锅炉控制系统456应该说锅炉控制问题伴随着锅炉的出现也就相应的出现了，它长期以来就是控制领域的一个典型问题。伴随着控制理论和控制技术的发展锅炉自动化控制的水平也在逐渐提高。锅炉的自动化控制，经历了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过程控制几个阶段。随着六十年代第一台计算机在控制中的应用以及此后计算机和通信技术的迅猛发展，计算机逐渐进入了锅炉控制领域并正在成为这一领域的主要角色。计算机很强的记忆功能，逻辑判断功能以及快速计算功能为实现任意的控制算法提供了可能，这样，先进的控制理论和控制算法进入锅炉控制已经有了可能性。2.1.1锅炉控制系统结构总图7从系统角度看，锅炉包括燃烧负荷控制系统，送引风控制系统，给水控制系统，辅助控制系统。其结构如图2.1。锅 炉 控 制燃烧控制系统给水控制系统汽温控制系统辅助控制系统燃料量控制风量控制负压控制省煤器控制空气预热控制水位控制过热温度控制除氧器控制输渣除尘控制 图2.1控制系统结构图2.1.2锅炉燃烧控制系统锅炉燃烧过程自动控制的基本任务是既要提供适当的热量以适应蒸汽负荷的需要，又要保证燃烧的经济性和运行的安全性。为此，燃烧过程控制系统有三个控制任务：维持主汽压以保证蒸汽的品质；维持最佳的空燃比以保证燃烧的经济性；维持炉膛内有一定的负压以保证运行的安全性。因此燃烧控制系统包括以下几个部分。1、燃料量控制系统根据锅炉所使用的主要燃料的不同，其控制系统有所不同。当使用煤粉时，锅炉在启动和低负荷时还是使用燃油，另外，燃油还用于点火和煤粉的稳定燃烧，故对于煤粉炉，燃料量的控制又分为燃油控制和燃煤控制。在燃油控制中，包括燃油压力的控制(保证燃油压力不低于油枪安全运行所需要的最低油压)、燃油量控制(保证燃油量满足负荷的要求)和雾化蒸汽压力控制(保证雾化蒸汽压力总是大于燃油压力以使燃油能充分雾化)。在燃煤控制中，主要是根据锅炉指令并与送风量相配合，产生各台给煤机的转速指令。一方面，它与风量控制系统一起，保证送入锅炉热量满足负荷的要求和气压稳定，另一方面，它将需求的燃料量平均分配给各台给煤机。2、风量控制系统风量控制和燃料量控制一起，共同保证锅炉的出力能适应外界负荷的要求，同时使燃烧过程在经济、安全的状况下进行。燃烧需要的空气由送风机提供，锅炉燃烧的总风量为送风机风量和一次风量之和。此外，在风量控制系统中，还包括二次风的分配控制(燃料风、辅助风和过燃风)。3、炉膛压力控制系统炉膛压力控制系统的任务是调节锅炉的引风量，使之与送风量相适应，以维持炉膛具有一定的负压力，保证锅炉运行的安全性和经济性。2.1.3锅炉气温控制系统汽温控制主要是过热汽温控制。由于大型锅炉的过热器是在接近过热器金属的极限温度的条件下运行的，金属管强度的安全系数不大，过热蒸汽温度过高会降低金属管的强度，影响设备的安全；而温度过低又会使热效率下降。同时过热蒸汽温度也是影响安全生产的重要因素，维持过热蒸汽温度相对稳定显得极为重要。2.1.4锅炉给水控制系统锅炉汽包水位是锅炉安全运行的一个主要参数，水位过高，会使蒸汽带水带盐，严重时将引起蒸汽品质下降，严重影响生产和安全；水位过低又将破坏部分水冷壁的水循环，引起水冷壁局部过热而损坏。尤其是大型锅炉，相对来说，汽包的容积很小，一旦控制不当，容易使汽包满水或汽包内的水全部汽化，造成重大事故。故锅炉汽包给水控制系统的任务是保证汽包水位在容许的范围内，并兼顾锅炉的平稳运行。对蒸汽锅炉而言，汽包水位是其正常运行的主要指标之一，是一个重要的被调节参数。由于汽包水位在蒸汽锅炉运行中占首要地位，所以这类锅炉的生产自动化一般是从给水自动调节开始的。2.1.5辅助控制系统辅助控制系统主要有：除氧器压力控制系统；空气预热器温度控制系统；清渣除尘控制系统等。第3章 PID控制理论3.1 PID理论概述这个理论和应用自动控制的关键是，做出正确的测量和比较后，如何才能更好地纠正系统。PID(比例-积分-微分)控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。PID控制器由比例单元、积分单元和微分单元组成。其输入与输出的关系为式中积分的上下限分别是0和t因此它的传递函数为： 其中为比例系数；为积分时间常数；为微分时间常数3.2 PID控制及其控制算法3.2.1PID控制概述当今的自动控制技术绝大部分是基于反馈概念的。反馈理论包括三个基本要素：测量、比较和执行。测量关心的是变量，并与期望值相比较，以此误差来纠正和控制系统的响应。反馈理论及其在自动控制中应用的关键是：做出正确测量与比较后，如何用于系统的纠正与调节。在过去的几十年里，PID控制，也就是比例积分微分控制在工业控制中得到了广泛应用。在控制理论和技术飞速发展的今天，在工业过程控制中95%以上的控制回路都具有PID结构，而且许多高级控制都是以PID控制为基础的。PID控制器由比例单元、积分单元和微分单元组成，它的基本原理比较简单，基本的PID控制规律可描述为： PID控制用途广泛，使用灵活，已有系列化控制器产品，使用中只需设定三个参数(、和)即可。在很多情况下，并不一定需要三个单元，可以取其中的一到两个单元，不过比例控制单元是必不可少的。PID控制具有以下优点：(1)原理简单，使用方便，PID参数、和可以根据过程动态特性变化，PID参数就可以重新进行调整与设定。(2)适应性强，按PID控制规律进行工作的控制器早已商品化，即使目前最新式的过程控制计算机，其基本控制功能也仍然是PID控制。PID应用范围广，虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过适当简化，也可以将其变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，就可以进行PID控制了。(3)鲁棒性强，即其控制品质对被控对象特性的变化不太敏感。但不可否认PID也有其固有的缺点。PID在控制非线性、时变、偶合及参数和结构不缺点的复杂过程时，效果不是太好；最主要的是：如果PID控制器不能控制复杂过程，无论怎么调参数作用都不大。在科学技术尤其是计算机技术迅速发展的今天，虽然涌现出了许多新的控制方法，但PID仍因其自身的优点而得到了最广泛的应用，PID控制规律仍是最普遍的控制规律。PID控制器是最简单且许多时候最好的控制器。在过程控制中，PID控制也是应用最广泛的，一个大型现代化控制系统的控制回路可能达二三百个甚至更多，其中绝大部分都采用PID控制。由此可见，在过程控制中，PID控制的重要性是显然的，下面将讲述PID控制。3.2.2 PID控制3.2.2.1比例（P）控制比例控制是一种最简单的控制方式，其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳定误差。比例控制器的传递函数为： 式中，称为比例系数或增益（视情况可设置为正或负），一些传统的控制器又常用比例带(Proportional Band， PB)，来取代比例系数，比例带是比例系数的倒数，比例带也称为比例度。对于单位反馈系统，0型系统响应实际阶跃信号1(t)的稳态误差与其开环增益K近视成反比，即： 对于单位反馈系统，I型系统响应匀速信号(t)的稳态误差与其开环增益近视成反比，即： P控制只改变系统的增益而不影响相位，它对系统的影响主要反映在系统的稳态误差和稳定性上，增大比例系数可提高系统的开环增益，减小系统的稳态误差，从而提高系统的控制精度，但这会降低系统的相对稳定性，甚至可能造成闭环系统的不稳定，因此，在系统校正和设计中P控制一般不单独使用。系统的特征方程式为： 3.2.2.2比例微分(PD)控制环节具有比例加微分控制规律的控制称为PD控制，PD的传递函数为： 其中，为比例系数，为微分常数，与两者都是可调的参数。PD控制器的输出信号为： 在微分控制中，控制器的输入与输出误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。微分控制反映误差的变化率，只有当误差随时间变化时，微分控制才会对系统起作用，而对无变化或缓慢变化的对象不起作用。因此微分控制在任何情况下不能单独与被控制对象串联使用，而只能构成PD或PID控制。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至不稳定，其原因是由于存在有较大惯性的组件(环节)或有滞后的组件，具有抑制误差的作用,其变化总是落后于误差的变化。解决的方法是使抑制误差变化的作用“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制中引入“比例”项是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”,它能预测误差变化的趋势，这样，具有“比例+微分”的控制器，就能提前使抑制误差的作用等于零甚至为负值，从而避免被控量的严重超调。因此对有较大惯性或滞后的被控对象，比例微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态性。另外，微分控制对纯时控制环节不能改善控制品质而具有放大高频噪声信号的缺点。在实际应用中，当设定值有突变时，为了防止由于微分控制的突跳，常将微分控制环节设置在反馈回路中，这种做法称为微分先行，即微分运算只对测量信号进行，而不对设定信号进行。3.2.2.3积分(I)控制具有积分控制规律的控制称为积分控制，即I控制，I控制的传递函数为： 其中, 称为积分系数控制器的输出信号为: 或者说,积分控制器输出信号u(t)的变化速率与输入信号e(t)成正比，即： 对于一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差,在控制器必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。通常，采用积分控制器的主要目的就是使用系统无稳态误差，由于积分引入了相位滞后，使系统稳定性变差，增加积分器控制对系统而言是加入了极点，对系统的响应而言是可消除稳态误差，但这对瞬时响应会造成不良影响，甚至造成不稳定，因此，积分控制一般不单独使用，通常结合比例控制器构成比例积分(PI)控制器。3.2.2.4比例积分(PI)控制具有比例加积分控制规律的控制称为比例积分控制器，即PI控制，PI控制的传递函数为： 其中，为比例系数，称为积分时间常数，两者都是可调的参数。控制器的输出信号为： PI控制器可以使系统在进入稳态后无稳态误差。PI控制器在与被控对象串联时，相当于在系统中增加了一个位于原点的开环极点，同时也增加了一个位于s左半平面的开环零点。位于原点的极点可以提高系统的型别，以消除或减小系统的稳态误差，改善系统的稳态性能；而增加的负实部零点则可减小系统的阻尼程度，缓和PI控制器极点对系统稳定性及动态过程产生的不利影响。在实际工程中，PI控制器通常用来改善系统的稳定性能。3.2.2.5比例积分微分(PID)控制具有比例+积分+微分控制规律的控制称为比例积分微分控制，即PID控制，PID控制的传递函数为： 其中，为比例系数，为微分时间常数，为微分时间常数，三者都是可调的参数。PID控制器的输出信号为: PID控制器的传递函数可写成： PI控制器与被控对象串联连接时，可以使系统的型别提高一级，而且还提供了两个负实部的零点。与PI控制器相比，PID控制器除了同样具有提高系统稳定性能的优点外，还多提供了一个负实部零点，因此在提高系统动态系统方面提供了很大的优越性。在实际过程中，PID控制器被广泛应用。PID控制通过积分作用消除误差，而微分控制可缩小超调量，加快反应，是综合了PI控制与PD控制长处并去除其短处的控制。从频域角度看，PID控制通过积分作用于系统的低频段，以提高系统的稳定性，而微分作用于系统的中频段，以改善系统的动态性能。4.3本章小结本章主要介绍了PID理论，认识到PID控制器由比例单元(P)、积分单元(I)和微分单元(D)组成，及其它的适应性强，鲁棒性强和原理简单等优点，并介绍了PID控制的基本原理。第4章 锅炉汽包水位特性及其控制4.1锅炉汽包水位系统介绍锅炉汽水系统结构如图4.1所示2。汽包及蒸发管中贮藏的蒸汽和水，贮藏量的多少是以被调量水位表征的，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时，汽包水位就恒定不变。耗汽量 给水调节汽包 给水量水冷壁燃烧量 省煤器图4.1锅炉汽水系统结构锅炉汽水系统流程如图4.2所示。汽水系统由省煤器、汽包、对流管束、水冷壁、过热器等组成。给水系统由储水箱、给水泵、给水管路、省煤器等组成。经过软化的水进入储水箱(有热力除氧系统，软化水经除氧后进入储水箱)，由给水泵通过给水管打入省煤器后，经加热温度升高到汽包工作压力下的沸点，成为饱和水进入汽包，然后又经下降管进入炉膛四周的水冷壁，在此吸收炉膛中的热量汽化后又回到汽包。供汽系统由过热器、减温器、集汽包、供汽管路等组成。由锅炉汽包引出的饱和蒸汽，通过过热器把整齐的温度提高一定程度，由减温器温度控制所需温度，再由蒸汽管道送之用户。汽包锅炉给水自动控制的任务是维持汽包水位在一定范围内变化。汽包水位是锅炉运行中的一个重要的监控参数，它间接地表示了锅炉负荷和给水的平衡关系。维持汽包水位是保持汽机和锅炉安全运行的重要条件。锅炉汽包水位过高，影响汽包内汽水分离装置的正常工作，造成出口蒸汽中水分过多，结果使过热器受热面结垢而导致过热器烧坏，同时还会使过热器温度产生急剧变化，直接影响机组运行的经济性和安全性；汽包水位过低，则可能使锅炉水循环工况破坏，造成水冷壁管供水不足而烧坏。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，其主要原因有：l) 汽包的个数和体积减少，使汽包的蓄水量和蒸发面积减少，从而加快了汽包水位的变化速度；2) 锅炉容量的增大，显著地提高了锅炉蒸发受热面的热负荷，是锅炉负荷变化对水位的影响加剧了；3) 提高了锅炉的工作压力，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宜满足控制系统的要求。由此可见，随着锅炉的超大容量、高参数发展，给水系统采用自动控制是必不可少的，它可以大大减轻运行人员的劳动强度，保证锅炉的安全运行。本文先介绍了汽水系统结构原理的基础上再分析了汽水系统的动态特性。除氧水箱生产回水省煤器给水泵软化器生水减温箱汽 包对流管束对流管束水冷壁水冷壁连续排污定期排污联 箱下降管过热器用户图4.2锅炉的汽水系统流程示意图4.2锅炉汽包水位的特性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。影响锅炉汽包水位的因素很多，不仅受到给水量(锅炉的输入量)和蒸汽量(流出量)之间平衡关系的影响，同时还受到汽水循环管路中汽水混合物内汽水容积变化的影响。因为锅炉汽包中的水位值不仅反映了汽包(包括水循环的管路)中的蓄水容积，也反映了水面下汽泡的容积。水面下汽泡的容积又和锅炉的负荷和蒸汽压力有关系。所以影响锅炉汽包水位变化的因素是很多的，概括起来有四个主要方面：一是给水方面的扰动，包括给水母管压力的变化和给水调节阀开度的变化，二是蒸汽负荷的变化，三是燃料量的变化，还包括影响燃料发热量变化的种种因素；四是汽包压力的变化，压力变化对汽包水位的影响是通过汽包内部汽水系统的“自凝结”和“自蒸发”过程起作用的。在蒸汽发生过中，汽包内部可以看成由蒸汽空间的蒸汽容积，蒸发面以下的汽水容积，即蒸汽容积和水容积三部分组成。根据物料平衡和热平衡的关系，考虑到由于燃料量对汽包水位的影响有较大的传送滞后和容量滞后，影响十分缓慢，可以忽略不计。对于汽包压力的变化往往是由于蒸汽负荷变化引起的，因此，压力的变化可以归并到蒸汽负荷中去，所以，压力的变化对汽包水位的影响也可以忽略不计。这样，汽包水位调节对象的动态特性方程式，经过推导和化简可以写成： 式中： 汽包水位的高度； 给水流量项的时间常数，s； 蒸汽流量项的时间常数，s； 给水流量项的放大倍数； 蒸汽流量项的放大倍数； 锅炉蒸汽流量，； 锅炉给水流量，； 、时间常数，s。通过锅炉汽包水位的动态微分方程式可以看出，引起汽包水位变化的主要扰动是蒸汽流量的变化和给水流量的变化。下面我们将着重分析在给水流量(称内扰动)和蒸汽流量(称外扰动)扰动下，汽包水位调节对象的动态特性。3.2.1 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，那么在给水流量产生变化时，汽包水位的运动方程式可以表示为： 经拉式变换后可得， 从中，可以得到汽包水位调节对象在给水流量作用下的传递函数： 在工程上，对于中压以下的锅炉，给水流量项的时间常数一般较小，常常可以忽略不计，因此可以简化为： 式中，称为反应速度，即给水流量改变单位流量时水位的变化速度。 图4.3在给水量阶跃扰动作用下汽包水位变化的反应曲线从可以看出，汽包水位在给水流量作用下的动态特性，是由一个积分环节和一个一阶惯性环节组成。这样，在给水流量发生阶跃变化时，汽包水位的动态特性如图4.3所示的反应曲线。由曲线可知：当突然加大给水量后(假定蒸发量不变)，给水量大于蒸发量，但汽包水位一开始并不增加，而呈现出一段起始惯性段，而在后阶段近于等速度变化。如果做线的渐近线并延长使之交于汽包在受扰动作用前的水位线，所截得的时间，称为滞后时间。反应曲线可以认为由曲线和处相加而成。仅仅反映汽包蓄水量的变化所引起的水位的变化，当给水量作阶跃变化时，的变化反映了汽包水位对象的积分特性。是反映水面下汽包容量变化时水位的变化，因为当给水量增加的初级阶段，温度较低的给水进入了水循环系统，使其中原来的水温度降低，从而汽水混合物中的汽泡容量减少，由于这个原因，促使汽包的水位下降。所以当给水量变化时，的变化反映了汽包水位对象的惯性特性，总的曲线可以看作反应曲线和相加而得。3.2.2 汽包水位在蒸汽流量作用下的动态特性在给水量不变化的情况下，当负荷蒸汽量发生阶跃变化(突然增加一个数值)时，汽包水位调节对象的动态特性微分方程式，可以从导出： 对微分方程式进行拉式变换得， 所以，在蒸汽流量扰动下汽包水位调节对象的传递函数为： 上式化简可看作两个动态环节的并联组成，即： 式中，为上升速度，即给水流量变化一个单位流量时水位的变化速度；为响应曲线的放大系数；为响应曲线的时间常数。 图4.4蒸汽流量扰动下汽包水位的反应曲线因此，在蒸汽流量扰动下，汽包水位调节对象的动态特性曲线如图4.4所示。汽包水位的特征曲线可分为和两部分，图中是仅仅考虑由于蒸汽流量和给水流量不平衡，引起的水位变化；是由于蒸汽流量的扰动，改变了蒸汽的压力而引起“虚假水位”的变化。当锅炉的蒸汽负荷突然增加时，蒸发量大于给水量，从汽包蓄水量来看，汽包水位应该下降，如图中直线所示。但在蒸发量和蓄水量产生不平衡的初级阶段，因水位下降存在滞后时间，所以实际水位的变化应为曲线。但实际上，当蒸汽负荷增加时，虽然锅炉的给水量小于蒸发量，可水位不但不下降，反而迅速上升，这种特殊现象称为“虚假水位”现象。“虚假水位”产生的原因是，蒸汽流量增加，汽包内的汽压下降，炉水的沸点降低，使炉管和汽包内的汽水混合物的汽容积增加，体积膨大，引起汽包水位上升。所以，由于虚假水位现象，使汽包水位特性曲线开始上升，当汽水混合物中汽的容量与负荷相适应而达到平衡时，水位才反映出物料的不平衡，开始下降。应当指出，当蒸汽负荷作阶跃变化时，一开始的变化速度比快得多。另外，当锅炉的负荷突然减小时，则汽包水位变化的情况是相反的，汽包水位先下降后上升。3.2.3 汽包水位在燃烧量扰动下的动态特性汽包水位在燃料量扰动下的响应曲线如图4.5所示。 图3.3汽包水位在燃料量扰动下的动态特性曲线当燃料量增加时，锅炉的吸热量增加，蒸发量增大。如果用汽量不增大，则随着汽包压力的增大，汽包输出蒸汽量也增大，于是蒸发量大于给水量，暂时产生了汽包进出口工质流量的不平衡。由于水面下的蒸汽容积增大，此时也会出现虚假水位现象，但由于燃烧率的增加也将同时导致汽包压力的上升，它会使汽包体积减小，另外由于热惯性，燃料量的增加只使蒸汽量缓慢增加，故虚假水位现象要比扰动下缓和得多。3.3 锅炉水位控制系统锅炉汽包水位的自动调节是根据汽包水位的动态特性来设计的。上面说过，引起水位变化的因素很多，但主要扰动来自给水量和蒸汽量的阶跃变化，调节器是根据水位信号、蒸汽流量和给水流量的偏差信号进行调节的。汽包水位调节系统，根据锅炉的容量，负荷变化的速度，调节精度的要求，通常有单冲量控制系统、双冲量控制系统、三冲量控制系统。3.3.1 汽包水位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与给定值的偏差，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。其原理结构如图4.6所示。变送器调节器执行器 过热器 省煤器 图4.6单冲量控制系统结构图调节器调节阀变送器汽包 + - 图4.7单冲量控制系统框图单冲量水位控制系统框图如图4.7所示。这种控制系统结构简单，是典型的单回路定值控制系统。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，采用单冲量水位调节是能够满足生产要求。单冲量汽包水位调节存在着一些缺点，主要有：根据水位调节给水量，在负荷变化时，由于“虚假水位”现象，在调节过程一开始，给水量的变化将与负荷变化的方向相反，扩大了进出流量的不平衡；从给水扰动下水位变化的动态特性可以看到，因给水量改变后要经过一定迟延时间才能影响到水位，因此必将导致水位波动幅度大、调节时间长。3.3.2 汽包水位双冲量控制系统变送器调节器执行器变送器过热器省煤器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。其原理结构如图4.8所示： 图4.8双冲量控制系统结构图上图中，加法器的输出为： 式中，：水位调节器的输出；：蒸汽流量变送器(一般经开方器)的输出；：初始偏置值；，：加法器系数。的设置目的是在正常负荷下，使调节器和加法器的输出都能有一个比较适中的数