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积分
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jl016
电厂
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设计
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【JL016】电厂锅炉水位串级控制系统设计,jl016,电厂,锅炉,水位,控制系统,设计
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英 文 翻 译 系 别 自动化系 专 业 自动化 班 级 191003 学生姓名 戴生宝 学 号 103630 指导教师 金文凯 外文原文： is a in A to a a by a ID to on of to at of is to a as of a or of a in ID ID of be in of of to an to of of ID of or or to is by of to A be a P in of PI is to of an to to of of in of a is to s at of to on a to at is a of or is to is is e), or by a to is of of a of a be of as it is be of as is or to a is is is to a to If to be in a or A do we ID do to be up is as If a a at by be in to in or to on on V. on V as to or in a to In a be to a a an to V. in to a is an of a to of of or of ID ID ID is to ID of as he a to is to be by by a p, is a e: t: or of pA in a in a in If is In a in a to a a or If is be to In of at a is a of it is of he is to of of is by to of of to is by is a e: : in to to of a is to it to a in on he of of is by of to of by d. of of to is is a e: t: or of of is to is to of by of a in is to in a to if he to of ID u(t) as of ID p: p An to i is be by we d to to in of to ID he ID in by to ID ID is be to a V is or ID a a be a to in of or a in to an of is a of a is to a is a ID an to of of is by to if be in a is to an in as a In of is to of is in of an 4. ID ID to in ID be so be by or of a or as ID to of ID be to to of is by it to in in to a or is or If a ID is to of or by it is to it to of ID is or a of is of ID in to or of in to ID a ID is ID in is ID ID or to A to A is of or of in It is to a in to so by is a be in of is to ID as a PI 5. ne ID is ID be to is ID In ID of A as as or as of as a or It be of is of is by ID 中文 翻译： 制器 比例积分微分控制器（ 一个控制环，广泛地应用于工业控制系统里的反馈机制。 出正确的调整，从而有规律地纠正控制过程。 例，积分，微分。比例控制是对当前偏差的反应，积分控制是基于新近错误总数的反应，而微分控制则是基于错误变化率的反应。这三种控制的结合可用来调节过程系统，例如调节阀的位置，或者加热系统的电源调节。根据具体的工艺要求，通过 而提供调节作用。控制器的响应可以被认为是对系统偏差的响应。注意一点的是， 一些应用可能只需要运用一到两 种方法来提供适当的系统控制。这是通过把不想要的控制输出置零取得。在控制系统中存在 P,D,节器。 节器很普遍，因为微分控制对测量噪音非常敏感。积分作用的缺乏可以防止系统根据控制目标而达到它的目标值。 注释：由于控制理论和应用领域的差异，很多相关变量的命名约定是常用的。 一个关于控制环类似的例子就是保持水在理想温度，涉及到两个过程，冷、热水的混合。人可以凭触觉估测水的温度。基于此他们设计一个控制行为：用冷水龙头调整过程。重复这个过程，调节热水流直到温度处于期望的稳定值。 感 觉水温就是对过程值或变量的测量。期望得到的温度称为给定值。控制器的输出对象和过程的输入对象称为控制参数。测量值与给定值之间的差就是偏差值，太高、太低或正常。作为一个控制器，在确定温度给定值后，就可以粗略决定改变阀门位置多少，以及怎样改变偏差值。首次估计即是 制器的比例度的确定。当它几乎正确时， 分作用就是根据水温变得更热、更冷，以及变化速率来决定什么时候、怎 样调整那些阀门。当偏差小时而做了一个大变动，相当于一个大的调整控制器，会导致超调。如果控制器反 复进行大的变动并且反复越过给定值的改变，控制环将会不稳定。输出值将在期望值或一常量周围摆动，甚至破坏系统稳定性。人不会这样做，因为我们是有智慧的控制人员，可以从历史经验中学习，但 须正确的设定。为有效的控制系统选择正确的参数被称为整定控制器。 如果控制器在零偏差从稳定开始，然后进一步的变化将导致其它一些影响过程的能测量、不能测量值的变化，并且作用于偏差值上。除主过程以外，其他的对扰动有影响的过程可以用来抑制扰动或实现对目标值的改变。供给水温的变化就构成了对过程的一个扰动。 理论上， 控制器能用来控制可测量对象，以及可以影响偏差的输出、输入标准值的所有过程参数。控制器在工业中被用来调节温度，压力，流速，化学组成，速度以及其它任何存在可测量的对象。汽车游览控制就是一个自动化的过程控制的例子。 由于它们悠久的历史，简易，良好的理论基础以及简单的设置、维护要求， 注释：这部分描述 于其他形式，请看“其它的表达式和 部分。 参数结合起来就形成控制参数 。因此： 面分别予以确定。 比例度是根据当前的错误值而做出的变动。比例度可以通过恒定的 加来调整，称为比例增益。 比例度计算如下： 例度 例系数，协调参数。 e:偏差 =t:时间或瞬时时间（当前的） 一个高的比例增益产生于一种输出值的大的变化。如果比例增益太高，系统将变得不稳定。响应地，一个小的调整产生于一小的输出变化，而如果比例增益太低，当对系统振荡作出反映时，控制作用可能太小。 缺少扰动的情况下，纯粹的比例控制不能完全解决问题，但是将保留从过 程中获得的具有比例增益的功能的稳态偏差。尽管有稳态补偿，理论和工业实践都表明比例度在输出控制中起到大部分的作用。 积分值的大小与偏差的大小及持续时间成正比。根据即时的超时的错误改正，进行积累补偿。积累的误差通过积分调节后再作用于输出。对总的控制作用的积分大小由积分时间常数来决定，即 分值计算如下： 分值 分时间常数，协调参数 e:偏差 =：积分时间 积分值加速面向设定值的过程运动并且消除残余的只与控制器发生作用的稳态偏差。然而，因为积分从过去的积累误差作出反应，引起当前的值越过设定值（跨过设定值向其它方向改变）。想了解更多的关于积分和控制器稳定度的知识，请参见关于环路调谐的部分。 过程偏差的变化率通过超时错误的斜率来计算（即它第一个关于调节的微分），并增加由微分时间常数 整个控制行为的微分作用的大小称为微分值 微分值计算如下： 分输出值 分时间常数，协调参数 e:偏差 =t:时间或瞬时时间（当前的） 微分作用减缓 了控制器输出的变化率，这种效果最接近于控制器的给定值。因此，微分控制用来降低由积分部分产生的因素并改进控制器过程控制的稳定度。但是，信号噪音对偏差值非常敏感，而且如果噪音和微分度足够大的话，将使系统变得不稳定。 三种参数控制的输出值，比例，积分和微分综合起来能够计算出 算控制器输出时， u(t)为： 协调参数分别是： 例增益 偏差愈大时， 例期补偿更大。过大的比例增益会导致系统的不稳定乃至崩溃。 分， 稳态偏差会更迅速地被消除。在达到稳态之前，在瞬态响应期间组合的任何误差必须分开。 分。 大时，越容易超调，但是不同扰动区域的信号噪音的瞬态响应可能导致系统的不稳定。 基于 于理想 可以被处理通过： 初始化控制器对期望值不可缺少。 整定函数，知道 限制不可缺少的偏差被计算的时间段。 避免不可缺少的时间段高于或低于预设值。 许多 环控制一个机械设备（如一个阀门）。 机械维护可能是主要的费用，并在对输入信号的机械反应里以某些形式抑制扰动。机械的比率主要是一个设备变动一次的函数。 小系统输出的频率。如果变化缓慢，修改控制器使其输出稳定是可以的。实际输出值改变之前，被计算的输出值 必须保持稳定。当系统偏差值增加时，比例、微分控制能产生积极的变动，例如设定值的变动。就微分而言，取决于对错误的积分。 当 在一些应用过程中不好使用。当单独使用并且必须降低 制器会给出劣质的控制性能。 因此，控制系统不超调。在给定值附近摆动。控制系统可以通过结合 于系统的知识，可以用前馈和 独的前馈控制经常能提供主要控制器输出值的部分。 制器还能对在 V 的实际值之间的偏差作出反应。因为前馈生产没被过程反馈影响，它永远不能引起控制系统摆动，且有助于改进系统的稳定性。 例如，在大多数运动控制系统中，为了在控制一机械负荷，需要更多的来自电动机、发动机或作动器的力量或者力矩。如果一速度 驱动被原动力使用的 力或者力矩，它有利于赋予负荷所需的加速度，恰当估价并且给 度环控制器的输出添加给定值。这表明每当负荷被加速或者被降速时，成比例的力量从那些原动力产生而不受反馈值影响任何导致输出增加或减少的因素，为了降低给定值与反馈值的差值。同时工作时，结合的开环前馈控制器和封闭环 靠的控制系统。 面临 制器的另一个问题是他们是在线的。 因此，在非线性系统 (象空调系统 那样 )内的 制器的工作是易变的。经常 制器通过各种方法获得 或者 模糊逻辑 来进一步提高。 更进一步的实际应用问题起因于连接控制器的检测仪表。保证足够高的取样率，测量精密和测量准确度以使控制器取得足够的控制性能。 一个关于微分方面的问题是少量测量或者过程 噪音 能引起输出的大量改变。 为了除去高频率的噪音组成部分，用 低通滤波器 过滤测量数据是经常有帮助的。 不过，低通滤波器和微分控制能互相消除，那么以检测仪表方法降低噪音是更好的选择。 或者，这些不同的因素可以被很多系统避免。这相当于使用 制器作为一个 5. 串级控制 制器的一个特 别的优势是两个 制器可以一同被使用以产生更 好的动态特性。 这被称作串联 制。 在串级控制，有二个 制器控制另一个参数值。 一个 制器担任外环控制器，例如易流动物体或者速度控制主要物质参数。另一控制器担任内环控制器，读取答 辩 人：戴生宝 指导老师：金文凯 题目：电厂锅炉水位串级控制系统设计 西北工业大学 明 德学院 本科生毕业设计 专 业： 自动化 论文报告概要 本次设计重点针对串级三冲量给水系统进行了详细的设计及仿真研究。根据实验给定的参数，用理论计算的方法整定调节器的参数，同时借助 定系统，得到串级三冲量给水控制系统对各种典型影响因素的干扰均能做出快速反应，具有较高的调节质量和调节精度，能够维持汽包水位的稳定，保障锅炉的安全稳定运行。 研究背景 锅炉是我国工业生产和生活上应用面最广、数量最多的热力设备，是化工、炼油、发电、造纸和制糖等工业生产过程必不可少的重要动力设备。锅炉安全是一个非常重要的问题，必须引起高度重视。汽包水位是锅炉系统正常运行的重要参数，维持锅炉汽包水位在规定范围内，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。锅炉的几个调节系统中，汽包水位的控制是保证锅炉安全运行的必要条件，是锅炉正常运行的主要标志之一。锅炉的水位控制作为锅炉控制中重要的控制任务之一，在锅炉的安全生产、降低能耗、蒸汽产量和品质等方面起着重要作用。 锅炉的控制系统中汽包液位是工业锅炉安全运行的一个十分重要的参数 ， 是自动控制的重要环节 ， 汽包液位保持在规定范围内是保证锅炉正常运行的必要条件 。 “ 虚假水位 ” 现象给水位控制带来了困难和挑战 ， 所以要对锅炉水位进行控制 ， 以保证锅炉能安全 、 可靠 、 有效地运行 。 控制锅炉水位的意义 汽包锅炉给水控制的任务是使给水量适应锅炉蒸发量 ， 并使汽包中的水位保持在一定范围内 ， 具体要求有以下两个方面： 1. 维持汽包水位在一定范围内 。 汽包水位是影响锅炉安全运行的重要因素 。 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 ， 从而增加在过热器管壁上和汽轮机叶片上的结垢 ， 甚至使汽轮机发生水冲击而损坏叶片；水位过低 ， 则会破坏水循环 ， 引起水冷壁的破裂 。 正常运行时水位波动范围： （ 30 50） 常情况： 200故情况： 350. 保持稳定的给水量 给水量不应该时大时小地剧烈波动 ,否则 ,将对省煤器和给水管道的安全运行不利 。 锅炉水位控制系统的任务 汽包炉给水控制对象的结构系统 给水控制对象的动态特性 给水量扰动下水位变化的动态特性 给水量扰动时水位阶跃响应曲线 从物质平衡的观点来看 ， 加大了给水量 G， 水位应立即上升 ， 但实际上并不是这样 ， 而是经过一段迟延 ， 甚至先下降后再上升 。 这是因为给水温度远低于省煤器的温度 ， 即给水有一定的过冷度 ， 水进入省煤器后 ， 使一部分汽变成了水 ， 特别是沸腾式省煤器 ， 给水减轻了省煤器内的沸腾度 ， 省煤器内的汽泡总容积减少 ， 因此 ，进入省煤器内的水首先用来填补省煤器中因汽泡破灭容积减少而降低的水位 ， 经过一段迟延甚至水位下降后 ， 才能因给水量不断从省煤器进入汽包而使水位上升 。 在此过程中 ， 负荷还未发生变化 ， 汽包中的水仍然在蒸发 ， 因此水位也有下降趋势 。 蒸汽流量扰动下水位的动态特性 如果只从物质平衡的角度来看 ， 蒸发量突然增加 时 ， 蒸发量高于给水量， 汽包水位是无自平衡力的 ， 所以水位应该直线下降 ， 如图中 所示那样 ，但实际水位是先上升 ， 后下降 ， 这种现象称为 “ 虚假水位 ” 现象 ， 如图中 所示 。 其原因是由于负荷增加时 ， 在汽水循环回路中的蒸发强度也将成比例增加 ， 水面下汽泡的容积增加得也很快 ，此时燃料量 还来不及增加 ， 汽包中汽压 下降 ， 汽包膨胀 ， 使汽泡体积增大而水位上升 。 蒸汽量 燃料量扰动下水位的动态特性 此处的炉膛热负荷扰动是指燃料量 M 的扰动 。 燃料量 锅炉吸收更多的热量 ， 使蒸发强度增大 ， 如果不调节蒸汽阀门 ， 由于锅炉出口汽压提高 ， 蒸汽流量也增大 ， 这时蒸发量大于给水量， 水位应下降 。 但由于在热负荷增加时蒸发强度的提高 ， 使汽水混合物中的汽泡容积增加 ， 而且这种现象必然先于蒸发量增加之前发生 ， 从而使汽包水位先上升 ， 从而引起 “ 虚假水位 ” 现象 。 当蒸发量与燃烧量相适应时 ， 水位便会迅速下降 ， 这种 “ 虚假水位 ” 现象比蒸汽量扰动时要小一些 ， 但持续时间较长 。 燃料扰动下水位阶跃响应曲线 给水控制对象的动态特性总结 以上三种扰动在锅炉运行中都经常发生 。 但是由于控制通道在给水侧 ， 因此蒸汽流量 习惯上称为外部扰动 ， 它们只影响水位波动的幅度 。 而给水量 一般称为内部扰动 。 因此 ， 汽包水位对于给水扰动的动态参数是给水控制系统调节器参数整定的依据 ， 此外 ， 由于蒸汽流量 的变化也是经常发生的外部扰动 。 所以常引入蒸汽流量信号 以改善外部扰动时的控制品质 。 锅炉水位控制系统方案 单冲量控制系统 单冲量指只有一个变量 ， 即汽包水位 。 单冲量控制系统的特点有： 1. 结构简单 ， 投资少 。 2. 适用于汽包容量较大 ， 虚假水位不严重， 负荷较平稳的场合 。 3. 为安全运行 ， 可设置水位报警和连锁控制系统 。 该过程具有虚假水位的反向特性 ， 因此 ，当负荷变化较大时 ， 会造成控制器输出误动作， 影响控制系统的控制品质 。 蒸汽负荷变化后， 要在引起水位变化后才改变给水量 ， 因此 ，控制不及时 。 单冲量控制系统 双冲量控制系统 双冲量即增加蒸汽流量作为前馈信号 ， 坐车前馈加反馈控制系统 。 双冲量控制系统的特点有： 1. 采用蒸汽流量作为前馈信号， 可克服蒸汽负荷变化的影响 。 2. 对给水流量扰动的影响未加考虑 ， 因此 ， 适用于给水流量波动较小的场合 。 3. 由排污等水损失 ， 给水流量应大于蒸汽流量 。 双冲量控制系统 单级三冲量水位控制系统 单级三冲量给水控制系统结构图 从图中可以看出 ， 调节器接受三个信号 (H,W,D),其输出通过执行结构去控制给水流量 W， 其中水位 水位高时应减少给水流量 ， 水位低时应增加给水流量 。 蒸汽流量 的变化是引起水位变化的主要原因 （ 扰动信号 ） ， 它们分别作为水位控制的前馈信号和反馈信号 。 当 调节器动作 。 适当地改变给水量W， 保证 比值不变；而当 恢复原来数值 ， 有效地控制水位的变化 。 单级三冲量给水控制系统原理图 特点：具有单冲量和双冲量控制的优点，但对比值参数要求严格 串级三冲量水位控制系统 串级三冲量给水控制系统结构图 串级三冲量给水控制系统有主调节器和副调节器 。 主调节器接受水位信号作为主控信号区控制副调节器 。 副调节器除接受主调节器信号 外， 还接受给水量反馈信号 和蒸汽流量信号 ，组成一个三冲量的串级控制系统 ， 其中副调节器的作用主要是通过内回路进行蒸汽流量 的比值调节 ， 并快速消除来自给水侧的扰动 。 根据对象在外扰下虚假水位的严重程度来适当加强蒸汽流量信号作用强度 ， 以便在负荷变化时 ， 使蒸汽流量信号能更快地补偿虚假水位的影响 ， 从而改变蒸汽负荷扰动下的水位控制质量 。 串级三冲量给水控制系统原理图 特点：具有单冲量和双冲量控制的优点，比值参数的误差可通过主调节器校正 给水三冲量系统的整定与仿真 副回路整定与仿真 通过反复调试比较我们最终可以确定副调节器的增益是 20。当副调节器增益为20，则被控对象增益为 35/20=回路为时间常数 为 递函数为： SG f 副回路 副回路仿真波形 由图可以看出仿真结果快速性好 ， 而且达到稳定的时间也比较短 主回路整定与仿真 通过整定公式 可以知道对于 35t/ 则 182 22 361( 0 . 6 1a 主回路 主回路仿真波形 由图可看出系统的性能稳定 ，超调量为 25%， 00s 串级三冲量控制系统整定与仿真 给水流量传递函数： )361()()()(蒸汽流量传递函数： 222 )()( 串级三冲量控制系统的 峰值时间： 50s 调节时间： 00s 超调量 %=25%衰减率 = 衰减率为 在 满足设计要求 ， 从仿真结果图我们可以看出 ， 串级三冲量给水控制系统对蒸汽流量和给水流量的扰动均能作出快速反应 ， 使系统能够稳定于期望的值， 达到维持汽包水位稳定的目的 ， 满足设计要求 。 总结 锅炉的汽包水位能够间接反映锅炉蒸汽负荷与给水量之间的平衡关系，维持汽包水位正常是保证锅炉和汽轮机安全运行的必要条件。汽包水位过高，会影响汽包内汽水分离装置的正常工作，造成出口的蒸汽水分过多，导致过热器管壁结垢而被烧坏，也使过热蒸汽温度急剧变化，直接影响机组的稳定运行。汽包水位过低，可能破坏锅炉水循环，导致水冷壁管被烧坏。 通过对几种控制方案的分析、研究与比较，选串级三冲量系统作为最佳控制方案，并着力研究串级三冲量系统的特点。最后通过仿真，验证设计，得到串级三冲量给水控制系统对各种典型影响因素的干扰均能做出快速反应，具有较高的调节质量和调节精度，能够维持汽包水位的稳定，保障锅炉的安全稳定运行。 本文在设计时由于设计者能力有限，难免有一些漏洞，希望各位老师指出错误，我将虚心的接受并加以改进。 谢谢各位老师的指导！ 本科毕业设计论文 题 目 电厂锅炉水位串级控制系统设计 自动化 专业名称 戴生宝 学生姓名 金文凯 指导教师 毕业时间 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 I 毕业设计任务书 一、题目 电厂锅炉水位串级控制系统设计 二、指导思想和目的要求 通过毕业设计使学生对所学自动化基本知识和专业理论加深理解，掌握工业 生产过程控制系统设计和仿真的基本方法，培养独立开展 设计 工作的能力。 要求在毕业设计中： 1 分 析 研究 大中型火力发电厂 锅炉汽包水位控制 要求，特点及控制系统设计方法，设计 蒸汽锅炉汽包水位串级三冲量控制系统，其 主要技术指标 达到设计要求； 2开展 控制系统方案论证， 建立系统数学模型，进行水位控制系统 分析 ； 3设计水位三冲量控制系统控制规律，进行参数整定； 4进行数学 仿真，验证 设计 ； 5撰写毕业设计论文。 三、主要技术指标 1. 锅炉汽包内径 身长 20m； 正常水位在汽包几何中心线下 1000 ； 给水流量 W=0450t/h， 蒸汽流量 D=0500t/h； 2. 在给水流量变化和蒸汽流量扰动下，锅炉汽包水位控制系统能稳定运行，衰减系数 ； 3. 过程动态性能指标为： （ 1）水位波动最大偏差不超过 80 （ 2）水位恢复到 15 4. 锅炉稳定运行时，汽包水位应在给定值的 15 四 、进度和要求 1. 1集查阅资料； 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 . 4成总体 方案设计和建模； 3. 7成系统分析和控制规律设计 ； 4. 9成仿真验证及修改； 5. 12成毕业设计论文 . 五、主要参考书及参考资料 1 金以慧，方崇智 华大学出版社， 2002年； 2 张栾英，孙万云 国电力出版社， 2004年； 3 于希宁，刘红军 国电力出版社， 2004 年 . 学生 戴生宝 指 导教师 金文凯 系主任 史仪凯 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 要 现代大型锅炉的水位动态特性复杂，汽包存在着严重的“虚假水位”现象，为了给水系统的安全可靠，有多种设计方案，三冲量给水系统包括单级三冲量给水系统和串级三冲量给水系统，设计中重点针对串级三冲量给水系统进行了详细的设计及仿真研究。 本次设计是根据实验给定的参数，用理论计算的方法整定调节器的参数，同时借助 用软件 进行仿真 ， 整定系统。 本文在具体分析了一些影响汽包水位对象控制主要因数的基础上，讨论了目前通常采用的控制方法 ,分析了水位对象模型 的动静特性， 水位扰动、蒸汽流量扰动下的系统的性能和蒸汽流量信号丢失后的水位变化情况 。通过对几种控制方案的分析、研究与比较，选 串级 三冲量系统作为最佳控制方案，并着力研究 串级 三冲量系统的特点。随后对其在 并 进行 仿真，验证 设计 。得到 串级三冲量给水控制系统对各种典型影响因素的干扰均能做出快速反应，具有较高的调节质量和调节精度，能够维持汽包水位的稳定，保障 锅炉 的安全稳定运行。 关键词 ：汽包锅炉， 三冲量控制系统 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 he of in in to is a of a on of is on by of on In on of of of of of of as to of ID is of of of to of 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 V 目 录 第一章 绪论 . 1 炉水位控制的任务 . 1 制锅炉水位的意义 . 1 炉水位控制系统的任务与要求 . 1 业设计任务分析 . 2 炉水位控制技术国内外现状分析 . 2 第二章 汽包锅炉与给水控制原理及动态特性 . 4 炉设备的控制 . 4 炉设备的主要控制要求 . 4 炉 控制的主要控制系统 . 4 包锅炉简介 . 5 炉给水控制对象的结构与工作原理 . 6 水控制对象的动态特性 . 8 水量扰动下水位变化的动态特性 . 8 汽流量扰动下水位的动态特性 . 9 料量扰动下水位的动态特性 . 10 第三章 锅炉水位控制系统方案 . 12 包水位控制方法 . 12 冲量控制 . 12 冲量控制 . 12 三冲量控制 . 12 级三冲量水位控制系统 . 13 作原理 . 13 ,W,D 三信号的静态配合 . 14 节器参数整定 . 14 级控制简介 . 15 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 串级控制系统的结构 . 15 级控制系统的特点 . 15 级控制系统的设计 . 16 级三冲量水位控制系统 . 18 作原理 . 18 号的静态配合 . 18 节器参数整定 . 19 制方案比较 . 20 第四章 真简介 . 21 . 21 . 21 第五章 给水三冲量串级系统的建模与仿真 . 24 级控制系统参数的整定 . 24 . 25 级三冲量控制系统的参数整定 . 26 包水位控制系统的参数整定 . 26 回路参数整定 . 28 回路参数整定 . 29 级三冲量控制系统仿真分析 . 31 级三冲量控制系统仿真 . 31 真结果分析 . 33 第六章 锅炉水位串级控制系统设计结论 . 35 参考文献 . 36 致谢 . 37 毕业设计小结 . 38 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 1 第一章 绪论 炉水位控制的任务 制锅炉 水位的意义 随着能源和环保意识的增强，以及国家的一系列相关政策的出台，对锅炉的运行控制提出了新的要求。一台锅炉要能安全、可靠、有效地运行，使运行参数达到设计值，除锅炉本身设备和各种辅机完好外，还必须要求仪表的正常工作和自动控制系统设计方案正确。如上所述，锅炉的控制系统中汽包液位是工业锅炉安全运行的一个十分重要的参数，是自动控制的重要环节，汽包液位保持在规定范围内是保证锅炉正常运行的必要条件。“虚假水位”现象给水位控制带来了困难和挑战，原传统的三冲量控制系统虽然能有效避免“虚假水位”现象，但系统复杂， 成本太高。所以说开发出新型的水位控制系统，以解决目前水位控制系统在性价比方面的矛盾，为水位控制提出可靠、廉价、系统性能优良的解决方案，开发出能适应汽包水位控制低成本自动化系统已势在必行。 基于上述原因，我们有必要采用一种新型的控制方式，即使能控制系统的负责程度降低，又能达到设备的控制要求，同时，还要尽可能减少人工干扰。对于锅炉这种多变量和耦合性强的控制对象，采用经典控制理论往往无法达到预期的目的，随着计算机在控制作用中的强大的记忆能力、逻辑判断能力、快速计算能力的发展，为实现复杂的控制算法提供了物 质基础。这样，就可以在锅炉控制中运用先进的控制理论和控制算法，有效地控制汽包水位，达到希望的水位静特性。 炉水位控制系统的任务与要求 汽包锅炉给水控制的任务是使给水量适应锅炉蒸发量，并使汽包中的水位保持在一定范围内，具体要求有以下两个方面： 1. 维持汽包水位在一定范围内。汽包水位是影响锅炉安全运行的重要因素。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，从而增加在过热器管壁上和汽轮机叶片上的结垢，甚至使汽轮机发生水冲击而损坏叶片；水位过低，则会破坏水循环， 引起水冷壁的破裂。 正常运行时水位波动范围：（ 30 50） 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 2 异常情况： 200故情况： 350. 保持稳定的给水量 给水量不应该时大时小地剧烈波动 ,否则 ,将对省煤器和给水管道的安全运行不利。 上述两个任务中，第一个任务尤为重要。实践证明，无论是电站锅炉，或者是工业锅炉，用人工操作调节水位，既不安全，也不经济，其最有效的方法是实现给水自动调节。 业设计任务分析 本论文主要通过以下几个方面， 设计 电厂锅炉水位串级三冲量控制系统： 1. 简要介绍汽包锅炉及 自动控制系统的发展，其中包括汽包锅炉的工作原理及特点、国内外发展的现状。 2. 对水位控制展开研究，介绍分析锅炉水位控制系统的动态特性及水位控制系统的控制方法。 3. 介绍和分析锅炉给水控制系统方案，利用 展控制系统方案论证，建立系统数学模型。 4. 对锅炉水位控制系统进行 用 真做最后的验证。 炉水位控制技术国内外现状分析 蒸汽锅炉是企业重要的动力设备，其任务是供给合格稳定的蒸汽产品，以满足负荷的需要。锅炉是一个十分复杂的控制对象，为 保证提供合格的蒸汽产品以适应负荷的需要，与其配套设计的控制系统必须满足各主要工艺参数的需要。保持锅炉汽包水位在正常范围内是锅炉运行的一项重要的安全性能指标，由于负荷、燃烧状况及给水流量等因素的变化，汽包水位会经常发生变化。因此锅炉汽包水位应当根据设备的运行状况进行实时调节加以严格控制以保证锅炉的安全运行。 工业蒸汽锅炉汽包水位控制的任务是控制给水流量使其与蒸发量保持动态平衡，维持汽包水位在工艺允许的范围内，是保证锅炉安全生产运行的必要条件，锅炉汽包水位也是锅炉运行中一个重要的监控参数，它间接地体现 了锅炉负荷和给水之间的平衡关系。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 3 传统的控制方法是以各种分立器件的应用为基础，利用各种检测器件对被控参数实时进行检测并反馈给控制器件，再根据自动控制理论的有关算法完成相应的运算并驱动调节机构完成相应的动作，从而达到自动控制的目的。但是这种控制方式受分立器件的性能影响大，系统各部分之间影响较大，自动化水平不高，控制效果并非十分理想，而且容易出现故障，不利于系统的长期安全、高效运行。现在广泛使用的控制技术还有 散控制系统，但由于 统适合有多个控制回路同时工作的复杂系统，而且集散控制系统往往 价格昂贵，对于像汽包水位这样的控制系统来说性价比太高，因此对于汽包水位控制系统来说并非理想的选择。 目前 ,国内外汽包水位控制策略采用三冲量控制、模糊控制及 校准与自调整的比较多 ,特别是前 2种 ,其中模糊控制主要是朝智能化方向发展 ,表现在模糊控制与智能控制的结合 ,采用遗传算法优化模糊控制等。主要解决的问题是 :规则的完整性、规则的优化和控制系统的稳定性 ;调整、自校正主要采用不同的优化方法对参数进行自调整 ;预测函数控制、广义预报自适应控制、模型参考自适应控制等基于模型的控制方法发展的比较少 ,具 体在实际应用过程中应用的则更少 ;前叙的各种汽包水位控制策略各有优缺点 ,引入汽包水位噪声的因素 ,并基于这些控制策略开发新的控制策略将是项很有意义的工作 ,也是可行的。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 4 第二章 汽包锅炉与给水控制原理及动态特性 炉设备的控制 炉设备的主要控制要求 锅炉本身是锅炉的主要组成部分，包括炉膛、燃烧器、点火装置、空气预热器、省煤器、蒸发器、汽包、过热器及再热器等。由锅炉的组成可知道锅炉的主要控制要求有一下几点 : 1、供给蒸汽流量应适应负荷变化需要或保持给定负 荷。 2、锅炉供给用汽设备的蒸汽压力保持在一定范围内。 3、过热蒸汽温度保持在一定范围内 . 4、汽包水位保持在一定范围内。 5、保持锅炉燃烧的经济性和安全运行。 6、炉膛负压保持在一定范围内。 炉 控制的主要控制系统 1、锅炉汽包水位控制系统：锅炉汽包水位高度是确保安全生产和蒸汽质量的重要参数。该控制系统的控制变量是汽包水位，操纵变量是给水量，重要考虑汽包内的物料平衡，使给水量适应蒸汽量的变化，并维持起搏啊水位在工艺允许的范围之内。 2、锅炉燃烧 控制系统：锅炉燃烧控制系统重要包括三个控制系统，即蒸汽压力控制系统、炉膛负压控制系统、燃烧比控制系统。 3、过热蒸汽温度控制系统：被控变量是过热蒸汽温度，操纵变量是减温水量，控制目标是是过热器出口温度保持在一定范围内。 把锅炉主要的控制系统整理为如下表格：可以更清楚的反映出锅炉的主要的控制系统、其被控制的对象以及控制要求等等。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 5 表 炉设备的主要控制系统 控制系统 被控变量 操纵变量 控制目的 锅炉汽包水位控制系统 锅炉汽包水位 给水流量 锅炉内生产的蒸汽和给水的物料平衡 蒸汽过 热控制系统 过热蒸汽温度 喷水流量 过热蒸汽是温度和安全性 锅炉燃烧控制系统 蒸汽出口压力 烟气成分（燃气流量） 炉膛负压 燃料流量 送风流量 引风流量 蒸汽负荷的平衡 燃料的完全和经济性 锅炉运行的安全性 汽包水位时锅炉运行的重要指标，维持汽包水位在一定范围之内是保证锅炉安全正常运行的首要条件。因此，锅炉汽包水位控制是锅炉控制系统最重要的控制系统；本节重要介绍锅炉汽包水位控制系统的动态设计。 包锅炉简介 在设计锅炉汽包水位控制的过程中首先从汽包锅炉入手，汽包锅炉有自然循环方 式和强制循环方式两种，汽包锅炉自动控制的任务与直流锅炉几乎一样，也是主要包括四个方面：（ 1）保证系统安全运行；（ 2）保持燃烧的经济性；（ 3）保持炉膛负压在一定范围内；（ 4）运行中保证气轮机所需的蒸汽量，过热蒸汽压力和蒸汽温度的恒定。无论上一自然循环还是强制循环锅炉，其给水控制的任务都是为了保证锅炉负荷和给水的平衡关系。但是，汽包锅炉由于有了汽包的存在，使锅炉的运行方式、锅炉的结构、工作原理与直流锅炉不同，这就使实现控制的方式，采用被调量都有所区别。 汽包锅炉的工作原理：汽包锅炉的蒸发系统有汽包、 下降管、分配水管、下联箱、上升管、上联箱、上升管、上联箱、汽水引出管、汽水分离器组成，这种与直流锅炉结构的不同的最大优点是：这个蒸发系统是闭合的，工质在所有时候都在这个闭合的蒸发管道系统中不断循环。锅炉的蒸发受热面是有比较明显的分界线的。无论是自然循环还是强制循环汽包锅炉只是工质的循环方式不同，并不改变汽包锅炉的工作原理。这主要是由锅炉运行参数决定的，而且没有很严格 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 6 的规定，当锅炉压力工作在 围内时，汽水密度差可以自行推动工质流动，因此可以采用自然循环；当锅炉工作压力 16 ，一般可以采用强制循环。 调节过程特点：汽包水位成为给水控制的唯一标志，因此汽包水位：（ 1）反映了锅炉负荷与给水的平衡关系；（ 2）汽包水位影响蒸发面的改变，影响锅炉的安全运行。因此在汽包锅炉中，给水控制比直流锅炉的给水控制简单，其对象可以看成是带有可测扰动的两输入输出系统，其指标是单一的，也即把水位维持在一个范围内即可。 炉给水控制对象的结构与工作原理 汽包炉给水控制对象结构如图 2示。 图 2包炉给水控制对象的结构系统 影响水位的因素主要有 ：锅炉蒸发量（负荷 D ），给水量 G ，锅炉热负荷（燃烧率 M ），汽包压力 控制系统的物质平衡方程为 d tG d ()( (2将上式进一步变换得 )( (2令 ()，则上式变为 (2 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 7 式中： H 汽包水位， m 或 A 汽水分离面积， 2m 或 2 D 蒸发量， /kg s ； G 给水量， /kg s ； C 容量系数； 水的密度， t / 3m 或 3 蒸汽密度， t / 3m 或 3 容量系数 C 是用来表征锅炉结构系数的，而它的动态特性则往往用飞升速度或飞升时间来表征。 对于汽包锅炉来说，由飞升速度的定义知 m a xm a xm a xm a xm a x)(1 (2中 飞升 速度， 1/s。 把扰动量即水位变化量转变成用相对量表示的水位变化范围，通常的水位允许变化范围为 200个范围扰动量的相对极限值为 100%。上式中右边一项表示汽包内工质的变化量，当给水量 0G 时，而蒸发量 D 为最大时，变化量最大，因此有 m a xm a x )(1)/( (2m a xm a x )/1()/( (2可见这时的扰动量是下降的。故有 )(m a xm a xm a xm a x 式中 锅炉最大的蒸发量； 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 8 水位变化允许的最大范围。 飞升时间 1/ 。 对于蒸发量为 100 230 /水位变化 时，60 30，对于蒸发量为更大的汽包炉 30，它的意义在于当锅炉在满负荷运行时，如果突然停止供水，则由于蒸发量和给水量的不平衡造成水位迅速下降，在 将下降 或者换句话说，如果给水量减少 %10 ，经过 位将下降 水控制对象的动态特性 水量扰动下水位变化的动态特性 图 2曲线 1 为沸腾式省煤器情形下的水位的动态特性。曲线 2 则是非沸腾式省煤器时的水位动态特性。 图 2水量扰动时水位阶跃响应曲线 从物质平衡的观点来看，加大了给水量 G ，水位应立即上升，但实际上并不是这样，而是经过一段迟延，甚至先下降后再上升。这是因为给水温度远低于省煤器的温度，即给水有一定的过冷度，水进入省煤器后，使一部分汽变成了水，特别是沸腾式省煤器，给水减轻了省煤器内的沸腾度，省煤器内的汽泡总容积减少，因此，进入省煤器内的水首先用来填补省煤器中因汽泡破灭容积减少而降低的水位，经过一段迟延甚至水位下降后，才能因给水量不断从省煤器进入汽包而使水位上升。 在此过程中，负荷还未发生变化，汽包中的水仍然在蒸发，因此水 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 9 位也有下降趋势。 沸腾式省煤器的延迟时间 T 为 100 200s。 非沸腾式省煤器的延迟时间 T 为 30 100s。 水位在给水量扰动下的传递函数可表示为 1(1)( )( (2当 T 时，上式可变为 )1/ ()(/)( (2水位对象近似认为是一个积分环节和一个惯性环节并联形式。用一阶近似表示为 s /)(/)( (2汽流量扰动下水位的动态特性 如果只从物质平衡的角度来看，蒸发量突然增加 D 时，蒸发量高于给水量，汽包 水位是无自平衡能力的，所以水位应该直线下降，如图 2 1()实际水位是先上升，后下降，这种现象称为“虚假水位”现象，如图 2)原因是由于负荷增加时，在汽水循环回路中的蒸发强度也将成比例增加，水面下汽泡的容积增加得也很快，此时燃料量 M 还来不及增加，汽包中汽压 降，汽包膨胀，使汽泡体积增大而 水位上升。 图 2汽量 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 10 如图 2()开始的一段时间后，当汽泡容积和负荷相适应而达到稳定后，水位就要反映出物质平衡关系而下降。因此，水位的变化应是上述两者之和，即 12( ) ( ) ( )H t H t H t (2传递函数也为两者的代数和 221)()(2式中 2T 2()为 10 20s； 2K 2() 飞升速度。 一般 100 230t/h 的中高压炉，负荷突然变化 10%时，“虚假水位”现象可使水位变化达 30 40 料量扰动下水位的动态特性 此 处的炉膛热负荷扰动是指燃料量 M 的扰动。燃料量 M 增加时，锅炉吸收更多的热量，使蒸发强度增大，如果不调节蒸汽阀门，由于锅炉出口汽压提高，蒸汽流量也增大，这时蒸发量大于给水量，水位应下降。但由于在热负荷增加时蒸发强度的提高，使汽水混合物中的汽泡容积增加，而且这种现象必然先于蒸发量增加之前发生，从而使汽包水位先上升，从而引起“虚假水位”现象。当蒸发量与燃烧量相适应时，水位便会迅速下降，这种“虚假水位”现象比蒸汽量扰动时要小一些， 但持续时间较长。燃料量扰动下水位阶跃响应曲线如图 2示。 图 2料扰动下水位阶跃响应曲线 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 11 以上三种扰动在锅炉运行中都经常发生。但是由于控制通道在给水侧，因此蒸汽流量 D 和燃料量 M 习惯上称为外部扰动，它们只影响水位波动的幅度。而给水量 G 扰动在控制系统的闭合回路里产生，一般称为内部扰动。因此，汽包水位对于给水扰动的动态参数是给水控制系统调节器参数 整定的依据，此外，由于蒸汽流量 D 和燃料量 M 的变化也是经常发生的外部扰动。所以常引入蒸汽流量信号 D 作为给水控制系统里的前馈信号，以改善外部扰动时的控制品质。 影响水位的因素除上述之外，还有给水压力、汽包压力、汽轮机调节汽门开度、二次风分配等。不过这些因素几乎都可以用 D 、 M 、 G 的变化体现出来。为了保证汽压的稳定，燃料量和蒸发量必须保持平衡，所以这两者往往是一起变化的，只是先后的差别。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 12 第三章 锅炉水位控制系统方案 给水控制的任务是维持汽包中水位在工艺允许范围内。由于影响汽包水位的几个因素中，燃料量的扰动影响较小，因此，汽包水位的控制中，主要的目的是以汽包水位为被控变量，以调节给水流量为控制手段。同时，由于汽包水位不仅受锅炉侧的影响，也受到汽轮机侧的影响，当锅炉负荷变化或汽轮机用汽量变化时，给水控制都应能限制汽包水位只在给定的范围内变化。 常用的汽包水位控制方式有单冲量、双冲量及三冲量控制。 包水位控制方法 冲量控制 单冲量指只有一个变量，即汽包水位。 单冲量控制系统的特点有： 1. 结构简单，投资少。 2. 适用于汽包容量较大，虚假水位不严重，负荷较平稳的场合。 3. 为安全运行，可设置水位报警和连锁控制系统。 该过程具有虚假水位的反向特性，因此，当负荷变化较大时，会造成控制器输出误动作，影响控制系统的控制品质。 蒸汽负荷变化后，要在引起水位变化后才改变给水量，因此，控 制不及时。 冲量控制 双冲量即增加蒸汽流量作为前馈信号，前馈加反馈控制系统。 双冲量控制系统的特点有： 1. 采用蒸汽流量作为前馈信号，可克服蒸汽负荷变化的影响。 2. 对给水流量扰动的影响未加考虑，因此，适用于给水流量波动较小的场合。 3. 由排污等水损失，给水流量应大于蒸汽流量。 三冲量控制 三冲量即引入给水流量，组成汽包水位为主被控变量，给水流量为副被控变量的串级控制系统与蒸汽流量作为前馈信号的前馈 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 13 三冲量控制系统的特点有： 1. 给水流量、给水压力等扰动被引入串级控制系统的副环，补充了双冲量控制系统的缺点。 2. 能先于水位偏差进行前馈控制，及时调节给水流量，以跟踪蒸汽流量的变化，维持汽包内的物料平衡，克服虚假水位，减小水位的动态偏差。 3. 由给水流量为副被控对象构成的副回路，可及时消除给水流量的自身干扰（主要由给水压力的波动引起的）对水流的影响。 级三冲量水位控制系统 作原理 单级三冲量给水控制系统的结构图和原理方框图如图 33示 。 图 3级三冲量给水控制系统结构图 从图中可以看出，调节器接受三个信号 (H,W,D),其输出通过执行结构去控制给水流量 W，其中水位 H 是主要控制信号，水位高时应减少给水流量，水位低时应增加给水流量。蒸汽流量 D 和给水流量 W 的变化是引起水位变化的主要原因（扰动信号），它们分别作为水位控制的前馈信号和反馈信号。当 D 改变时，调节器动作。适当地改变给水量 W，保证 D 和 W 比值不变；而当 W 自发地改变时， 立即动作使 W 恢复原来数值，有效地控制水位的变化。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 14 图 3级三冲 量给水控制系统原理图 ,W,D 三信号的静态配合 由图 3知，进入 节器的三个信号, I=0(3上式有四个数值，可得到三种不同的水位静态特性。 时，则水位信号汽包水位在不同负荷时将恒等于给定值。 DI水 位 H 在不同负荷时为上升静态特性。 通过试验减少了不降低内回路 品质，同时要减小2。 外回路：在主回路中，把内回路看作是一个随动系统，便可按单回路整定方法整定。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 20 制方案比较 单冲量水位控制是汽包水位自动控制中最简单最基本的一种形式，是典型的单回路定值控制系统，但它不能克服“虚假水位”的影响，而且没有给水流量信号的反馈，所以水位波动较大。双冲量水位控制系统是在单冲量控制的基础上，引进蒸汽流量作为前馈信号。该控制系统的特点是：引入的蒸汽流量前馈信号可以消除“虚假水位” 对调节品质的不良影响。当蒸汽流量变化时，就有一个给水量与蒸汽量向同方向变化的信号，可以减小或抵消由于“虚假水位”引起的给水量与蒸
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