毕业设计 基于mcgs的锅炉汽包水位计算机控制系统设计

本科生毕业设计说明书（毕业论文）题目基于MCGS的锅炉汽包水位计算机控制系统设计学生姓名学号专业测控技术与仪器班级基于MCGS的锅炉汽包水位计算机控制系统设计摘要汽包水位是影响锅炉安全运行的一个重要参数，它间接地反映了锅炉负荷和给水的平衡关系，汽包水位过高或者过低的后果都非常严重，因此对汽包水位必须进行严格控制。PLC技术的快速发展使得PLC广泛应用于过程控制领域并极大地提高了控制系统性能，PLC已经成为当今自动控制领域不可缺少的重要设备。本文从分析影响汽包水位的各种因素出发，重点分析了锅炉汽包水位的“虚假水位现象”，提出了锅炉汽包水位控制系统的三冲量控制方案。根据控制要求和所设计的控制方案进行硬件选型以及系统的硬件设计，利用PLC编程实现控制算法进行系统的软件设计，最终完成PLC在锅炉汽包水位控制系统中应用。采用自动化监控软件MCGS进行操作站的组态设计，现场数据检测及输出控制，实现了对锅炉汽包水位的控制。关键词汽包水位；PLC；三冲量调节系统；PID控制；MCGS监控软件BASEDONTHEMCGSBOILERDRUMWATERLEVELOFTHECOMPUTERCONTROLSYSTEMDESIGNABSTRACTTHESTEAMDRUMWATERLEVELISAVERYIMPORTANTPARAMETERFORTHEBOILERSAFEOPERATION,ITREFLECTSTHEBALANCEOFBOILERSLOADANDSUPPLYINGWATERINDIRECTLY,BOTHHIGHANDLOWSTEAMDRUMWATERLEVELMAYLEADTOEXTREMELYSERIOUSCONSEQUENCE,THEREFOREITMUSTBESTRICTLYTOBECONTROLLEDWITHTHERAPIDDEVELOPMENTOFPLCTECHNOLOGY,ITCANWIDELYBEAPPLIEDTOTHEPROCESSCONTROLDOMAINANDENHANCESTHEPERFORMANCEOFCONTROLSYSTEMENORMOUSLYPLCHASALREADYBECOMETHEESSENTIALIMPORTANTEQUIPMENTINAUTOMATICCONTROLDOMAINBASEDONTHEANALYSISOFALLKINDSOFFACTORSWHICHINFLUENCESTEAMDRUMWATERLEVEL,“UNREALWATERLEVELPHENOMENON”ISANALYZEDSPECIALLY,ANDTHREEIMPULSESCONTROLPLANFORSTEAMDRUMWATERLEVELCONTROLSYSTEMISPROPOSEDACCORDINGTOTHENEEDSOFCONTROL,THESELECTIONOFCONTROLREQUIREMENTSHARDWAREANDSYSTEMHARDWAREDESIGNASWELLASSYSTEMSOFTWAREDESIGNARECARRIEDOUTFINALLYTHEAPPLICATIONOFPLCINBOILERSTEAMDRUMWATERCONTROLSYSTEMISCOMPLETEDWECHOOSEAUTOMATICMONITOREDSOFTWAREMCGSASOPERATIONSTATIONWHICHCANREALIZECONFIGURATIONDESIGNFOROPERATIONSTATIONANDREALIZEDATATESTINGANDOUTPUTCONTROLINTHESCENEASARESULT,THISCANREALIZETHECONTROLFORTHEWATERLEVELOFTHESTEAMMANIFOLDSOFBOILERSKEYWORDSSTEAMDRUMWATERLEVELPLCTRIIMPULSECONTROLLINGSYSTEMPIDCONTROLMCGSMONITORINGANDSOFTWARE目录摘要IABSTRACTII第一章引言111课题背景112汽包水位控制现状及存在问题313本课题主要任务6第二章锅炉系统概述721锅炉的结构722锅炉的汽水系统9221锅炉水循环系统9222锅炉蒸汽发生过程1123锅炉汽包水位控制特性13231汽包水位调节对象的动态特性13232汽包的热平衡方程13第三章锅炉控制系统总体方案1531锅炉控制系统概述1532锅炉汽包水位控制系统1633锅炉燃烧控制系统1634过热蒸汽温度控制系统1735除氧器控制系统17第四章锅炉汽包水位控制系统设计1841汽包水位的影响因素1842锅炉汽包水位常规控制策略2043汽包水位系统控制方案确定2444汽包水位的控制方案设计25441硬件工作原理25442PLC与过程监控软件概况及选择27第五章PID控制算法及PLC编程2951PID控制算法2952PID控制原理3053PID对控制的影响3154PLC软件要完成的任务3255PID调节器的PLC编程33551程序流程设计33552梯形图程序设计34第六章MCGS组态软件设计3561MCGS组态软件简介3562MCGS组态软件的系统构成3563MCGS监控界面设计36第七章结论与展望38参考文献40致谢42附录43第一章引言11课题背景锅炉是发电、炼油、化工等工业部门的重要能源、热源动力设备。为保证提供合格的蒸汽适应负荷的需要以及锅炉的运行安全，锅炉系统各个环节的工艺参数必须严格控制。锅炉系统主要的被控参数有汽包水位，过热蒸汽压力，过热蒸汽温度，炉膛负压，燃空配比；主要的控制变量有锅炉给水、燃烧量、减温水流量、送风量。由于锅炉负荷变化比较大、启停频繁，依靠人工操作很难确保其在经济工况下安全、稳定地长期运行，所以锅炉系统必须装备自动控制设备。对它的控制要求建立较为精确的数学模型，但是对于锅炉这一时变、死区、非线性、多变量祸合、扰动大的复杂系统而言，这绝非一件易事，而且锅炉对象的特征会随着锅炉运行工况的改变而改变，没有确定的数学模型1。汽包水位是锅炉正常运行的重要参数，维持汽包水位在一定的范围内变化，是锅炉水位控制的重要任务之一，也是保证汽机和锅炉安全运行的重要条件。如果汽包水位过高，会影响汽包的汽水分离装置的正常工作，导致锅炉出口蒸汽带水和含盐量过大，使过热器受热面结垢甚至遭到破坏，影响机组的正常运行和经济性指标；如果汽包水位过低，会使锅炉水循环工况破坏，造成水冷壁供水不足而被烧坏。在锅炉汽包水位控制中被控变量是汽包水位，操作变量是给水流量，给水量的变化不仅影响汽包水位，而且对蒸汽压力、过热蒸汽温度等都有影响。它主要考虑汽包内部的物料平衡，使给水量适应锅炉的蒸汽量，维持汽包中水位在工艺允许范围内。维持汽包水位在给定范围内是保证锅炉安全运行的必要条件。锅炉汽包水位控制的任务是控制给水流量，使其与蒸发量保持平衡，维持锅筒内水位在允许的范围内变化。锅炉长期在高水位下运行，已成为高参数汽包锅炉普遍存在的问题。研究汽包内部实际水位与理想水位差值的成因，并设法修正和消除这个差值，合理控制汽包水位，保证锅炉安全运行有着重要的现实意义。为了满足负荷设备的要求，保证锅炉本身运行的安全性和经济性，各种锅炉主要有如下自动调节25任务1保持汽包水位在指定范围锅炉汽包水位用来表示其蒸发面的高低。汽包水位过高，蒸汽空间缩小，将会引起蒸汽带水，使蒸汽带水，使蒸汽品质恶化，以致在过热器内产生盐垢沉积，使管子过热，金属强度降低而发生爆破；满水时蒸汽大量带水，将会引起管道和汽轮机内水循环的破坏，使水冷壁管超温严重缺水时，还可能造成很严重的设备损坏和人身事故。2维持蒸汽压力气压过高是很危险的。气压过高而安全阀万一发生故障不动作，则可能发生爆炸事过，对设备和人身安全都带来严重的危害。另一方面，即使安全阀工作正常，气压过高时由于机械应力过大，也将影响锅炉各承压部件的长期安全性。当安全阀经常动作时，排入大量蒸汽，也会造成经济上的损失。当安全阀经常动作，由于磨损或者有污物沉淀在阀座上，容易发生回座时关闭不严，以致造成经常性漏气损失，有时还需停炉进行检修。3维持炉膛负压锅炉在正常运行中，炉膛压力应保持在1020PA的负值范围之内。负压过大，漏风严重，总的风量烟气热量损失增大，同时引风机的电耗增加，不利于经济燃烧，负压偏大，炉膛要向外喷火，不利于安全生产，有害于环境卫生。为了使锅炉生产运行在最佳工况，必须要维持炉膛压力在一定的范围之内。4维持过热蒸汽温度恒定蒸汽温度也是锅炉运行中必须监视和控制的主要参数之一。锅炉运行中如果过热蒸汽温度偏离额定值过大，将会直接影响到锅炉和汽轮机的安全、经济。过热蒸汽汽温过高，若超过设备部件（如过热器管、汽轮机的喷管和叶片，以及蒸汽管道、阀门等）的允许工作温度，将使钢架加速蠕变，从而降低设备使用寿命，严重超温甚至会使管子过热而爆破。过热蒸汽汽温过低，将会降低热力设备的经济性。如果在蒸汽初始压力为1176245MPA时，过热蒸汽气温每降低10,大约会使循环效率降低05；气温过低还会使汽轮机的最后几级的蒸汽湿度增加，对叶片的侵蚀作用加剧。严重是将会发生水冲击，威胁汽轮机的安全。因此，运行中规定，当汽温降低到一定数值时，汽轮机就要减负荷甚至紧急停车。5保证锅炉燃烧的经济性燃烧过程的稳定性，直接关系到锅炉运行的可靠性。如果燃烧过程不稳定将引起蒸汽参数发生变动；炉膛内温度过低将影响燃烧的着火和正常燃烧，容易造成锅炉灭火；炉膛内温度过高或火焰中心偏斜将引起水冷壁、炉膛出口受热面结渣，并可能增大过热器的热偏差，造成局部管壁超温等。所以，适当调节燃烧，使燃烧工况稳定，是保障锅炉安全可靠运行的重要条件。12汽包水位控制现状及存在问题先进控制策略的发展主要向预先控制、自适应控制、智能控制、模拟控制等方面发展。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PID自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。它避免了只凭经验和试凑法设计模糊控制器所存在的困难和盲目性，有效地提高了模糊控制器的控制品质，FNN的结构考虑了模糊推理及模糊规则，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；PID自调整、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6。目前较为流行也运用较多的锅炉控制方法如PID控制，其优点是控制系统结构较为简单，易于实现。但是对于锅炉汽包水位控制，最大问题是在汽包运行中出现的“虚假水位”现象。过高的水位会影响汽水分离装置的汽水分离效果,使锅炉出口的饱和蒸汽的湿度增大,含盐量增多,造成过热器和汽轮机通流部分结垢,从而引起过热器管壁超温甚至爆管。当水位严重过高时,还将使汽轮机产生水冲击,引起破坏性事故。水位过低,会影响锅炉的水循环安全,造成局部水冷壁管过热,严重缺水时造成锅炉爆炸。若采用简单的PID控制方式控制汽包水位，在出现“虚假水位”时，控制系统将会减少汽包进水流量，致使汽包中供水量进一步减少。因此，常规的PID控制器难以获得良好的控制效果。PLC是70年代发展起来的中大规模的控制器，是集CPU、RAM、ROM、I/O接口与中断系统于一体的器件3，已经被广泛应用于机械制造、冶金、化工、能源、交通等各种行业。随着计算机在操作系统、应用软件、通信能力上的飞速发展，大大增强了PLC通信能力，丰富了PLC编程软件和编程技巧，增强了PLC过程控制能力。因此，无论是单机还是多机控制、生产流水线控制及过程控制都可以采用PLC技术。PLC控制锅炉技术是近年来开发的一项新技术。它是PLC软、硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物。作为锅炉控制装置，其主要任务是保证锅炉的安全、稳定、经济运行，减轻操作人员的劳动强度。采用PLC控制技术，能实现对锅炉运行过程的自动检测、自动控制等多项功能。它的被控量是汽包水位，而调节量则是汽包给水流量，通过对汽包水位的实时检测并进行反馈，PLC对反馈信号和给定信号进行比较，然后根据控制算法对二者的偏差进行相应的运算，运算结果输出给执行机构从而实现给水流量的调节，使汽包内部的物料达到动态平衡，汽包水位变化在允许范围之内。锅炉汽包水位的控制问题伴随着锅炉的出现而出现，长久以来一直是控制领域的一个典型问题。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。其间主要经历了上世纪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控制等几个阶段。锅炉汽包水位控制的任务是锅炉的给水量适应锅炉的蒸发量，维持汽包水位在规定的范围内。汽包水位反应了汽包锅炉蒸汽负荷与给水量之间的平衡关系，是锅炉运行中一个非常重要的监控参数，保证汽包水位正常是保证锅炉与汽轮机安全运行的必要条件。汽包水位过高，影响汽包内汽水分离装置的正常工作，造成出口蒸汽水分过高而使过热器管壁结垢，容易导致过热器烧坏。汽包出口蒸汽中水分过多，也会使气温过热产生急剧变化，直接影响机组运行的经济性和安全性。汽包水位过低，则可能破坏锅炉水循环，造成水冷壁管烧坏而破裂。锅炉汽包水位系统结构图如图11所示。图11锅炉汽包水位系统结构图汽包水位控制系统是一个能从锅炉启动、停炉、低负荷、正常负荷及至在机组发生某些重大事故等各种不同工况下都能实现汽包水位自动控制的系统，而且从一种控制状态到另一种控制状态的判断、转换、故障检测也常常是由系统本身自动完成的。因此，现代锅炉的汽包水位控制系统的功能越来越完善，对其可靠性要求也越来越高，所以系统的结构也越来越复杂。13本课题主要任务本文以发电厂锅炉汽包水位为研究对象，针对汽包水位的控制现状，在讨论汽包水位对象特性控制理论的基础上，将PID控制算法融入PLC控制技术应用于汽包水位控制进行了研究。本文主要进行了以下几个方面的工作1设计锅炉汽包水位控制方案从锅炉汽包水位的动态性能入手，分析影响锅炉汽包水位的主要因素，并对这些因素对锅炉汽包水位动态性能的影响进行理论研究。在此基础之上，根据各个因素对锅炉汽包水位的影响采用汽包水位三冲量方案，达到控制锅炉汽包水位稳定的目的。2硬件设备的选型与设计根据所设计的控制方案合理地选择检测元件、执行机构和控制设备以及其它必要设备，并在此基础之上根据控制方案合理地进行硬件设计，完成各种设备之间的接线与配置，并进行设备的安装调试。为整个系统的实现以及稳定、可靠运行打下基础。3PID控制算法锅炉汽包水位监控系统在发生扰动的情况下，控制器采用PID控制策略3，提高了系统在恶劣情况下的抗干扰能力和控制系统的鲁棒性能，保证了生产过程的稳定和安全。在锅炉水位控制系统中，将PID算法融于PLC控制系统，取得了良好的控制效果。4PLC程序和监控界面设计根据参数整定和仿真的结果利用相关软件进行PLC梯形图程序设计，最终实现控制算法。同时利用组态软件进行监控界面的设计，实现通过上位机对整个系统运行状态的实时监控功能，使之能够动态显示系统的运行状况，并可以通过监控界面对系统进行相关操作。PLC对整个锅炉的运行进行监测、报警、控制，以保证锅炉正常可靠地运行。5对本文的工作进行总结，得出结论，并对本文涉及的内容进行进一步的展望。第二章锅炉系统概述21锅炉的结构锅炉设备中的“锅”与炉”，一个吸热，一个放热这两个密切相关的系统组成了一套完整的设备。为了对锅炉设备有一个总体的了解，下面以图21所示的SZP1025/400型锅炉S表示双汽包，Z表示纵置式，P表示抛煤机，10表示锅炉容量T/H，25表示过热蒸汽压力大气压，约合25MPA400表示过热蒸汽温度为例，对锅炉的风煤烟系统和汽水系统作一简要介绍。图21SZP1025/400型锅炉简图1烟管；2灰渣斗；3手捅炉排；4抛煤机；5侧水冷壁；6炉膛；7前下降管；8前水冷壁；9汽包；10汽包入孔门；11、15、18挡火墙；12空气门；13燃尽室；14安全门；16过热器；17饱和蒸汽管；19对流管束；20下汽包；21省煤器；22空气预热器；23烟道；24飞灰复燃器；25旁通烟道汽包既是自然循环锅炉的一个主要受压部件，又是将锅炉各部分受热面，如水冷壁、对流管束、过热器和省煤器等连接在一起的闭合件，其内部部件布置如图22所示。同时它和水冷壁或蒸发管束、下降管等组成自然水循环回路。由于它能储存一定数量的水，因而增加了锅炉运行的安全性。由于汽包里的水是饱和水，能在汽压增高时吸收热量，而在汽压降低时放出热量，所以当外界负荷波动时，它能起减缓汽压变化速度的作用。此外，蒸发管中来的汽水混合物要在汽包内进行汽水自然分离，当其分离能力不够时，还要在汽包内装设汽水分离装置。为了提高蒸汽品质，中压以上锅炉的汽包内还要装设蒸汽清洗装置。为了改善炉水品质，使其不致在炉内生成水垢，要在汽包内进行炉水的加药处理和炉水排污。为了保证锅炉的安全运行，在汽包的外面还装有一些指示仪表和保护设备，如水位计、压力表、安全门等。图22汽包内部部件布置图B连排管；C化学加药管；F给水管；V抗涡流元件；DC下降管汽包是用钢板焊制成的圆筒形容器，它由简体和封头两部分组成。汽包的长度随着锅炉蒸发量的不同可从几米至十几米，汽包直径可从08M2M。汽包简壁的厚度随着锅炉汽压、汽包直径和所用材料的不同可从十几毫米至一百多毫米。中、低压锅炉的汽包材料常为专用的锅炉碳素钢A3G、15G、20G等，高压锅炉的汽包常用低合金钢制造。汽包两端的封头是用钢板冲压而成的，并焊接在汽包的简体上。为了便于进入汽包进行检修等工作，至少应在一个封头上开有入孔，入孔盖自汽包里侧向外用螺栓拉紧，这样可借助于汽包内的压力使入孔封闭得更加严密。22锅炉的汽水系统在火力发电厂中，锅炉生产具有一定温度和压力的过热蒸汽，是重要的热源、能源动力设备。锅炉是由以下两个系统组成1风煤烟系统在这一系统中，煤与空气中的氧气化合燃烧放热，产生高温的火焰和烟气。烟气在炉膛和烟道中流动时，不断地把热量传递给汽水系统而使本身温度逐渐降低，最后被排出炉外，这一过程是放热。2水循环系统送入锅炉的水，在水循环系统内首先吸收热量蒸发成饱和蒸汽，然后再吸收热量变成过热蒸汽，这一过程的特点是吸热。221锅炉水循环系统锅炉的汽水系统如图23和图24所示。由结水泵送到锅炉来的水，先进入省煤器1。省煤器装在锅炉的尾部烟道中，它的作用是利用烟气的热量加热锅炉给水，降低排烟温度，减少排烟热损失，提高锅炉热效率。水经省煤器提高温度后，进入汽包3。汽包是用钢板焊制而成的圆筒形容器，它能贮存一定的水量，增加锅炉运行的安全性和稳定性。由于汽包内有一定的蒸汽空间并装有汽水分离设备，因此它还有汽水分离作用。汽包中的水沿对流管束4进入下汽包5。这些对流管束处于锅炉的后部烟道，烟气温度较低，对流传热较弱，水在这些对流管束中是自上而下流动的，因此它起着下降管的作用。图23SZP1025/400型锅炉汽水系统简图1省煤器；2给水管；3汽包；4、6对流管束；5下汽包；7下降管；8后联箱；9后水冷壁；10侧联箱；11侧水冷壁；12前下降管；13前联箱；14前水冷壁；15过热器下汽包是比汽包小的圆筒形容器，也是用钢板焊制而成。它的作用是汇集和分配炉水。另外，下汽包中还设有定期排污装置。下汽包中的水，一部分进入对流管束6。这些对流管束处于烟气温度较高的烟道，对流传热较强，对流管束中的水部分汽化，汽水混合物自下而上流动进入汽包3。下汽包中的水，另一部分则沿下降管7分别进入后联箱8和侧联箱10。后联箱中的水经过后水冷壁9部分蒸发后，汽水混合物回到汽包，侧联箱中的水经过侧水冷壁11部分蒸发后，汽水混合物回到汽包。在锅炉的前部，汽包中有一部分水沿前下降管12进入前联箱13，然后沿前水冷壁14部分蒸发后，汽水混合物回到汽包。联箱是用大口径的无缝钢管焊制面成，它起着汇集和分配炉水的作用。前水冷壁、后水冷壁和两侧水冷壁都装置在炉膛内，由靠近炉墙并排布置的许多较细的无缝钢管组成。由于水冷壁装置在炉膛内，温度很高的火焰和烟气对它产生强烈的辐射传热，使水冷壁管中的水受热汽化，产生蒸汽，汽水混合物自下而上进入汽包。因此，水冷壁是锅炉的主要蒸发受热面。另外，由于水冷壁的大量吸热，降低了炉膛内壁的温度，所以它能够保护炉墙不被烧坏，使炉墙在结构上可以减薄，并有防止炉膛结渣的作用。给水泵下汽包汽包省煤器汽包对流管束对流管束前下降管前水冷壁侧、后水冷壁过热器汽轮机图24锅炉汽水系统方框图进入汽包的汽水混合物，在汽包内分离成水和饱和蒸汽，前者将继续参加循环，后者将进入过热器15内过热。过热器是由许多蛇形的、较细的无缝钢管组成，装置在烟气温度较高的烟道中。它的作用是利用烟气的热量把饱和蒸汽加热成为过热蒸汽。过热蒸汽就是锅炉的产品，通过蒸汽管道送往汽轮机。222锅炉蒸汽发生过程锅炉的任务使利用燃烧放出的热能产生具有一定压力和温度的蒸汽。在锅炉中，蒸汽可以看作是在压力不变的情况下产生的。蒸汽的发生过程如图25所示由给水泵送入锅炉的水首先进入省煤器，水流经省煤器时，吸收烟气中的热量被加热，温度逐渐升高。由省煤器出来的水进入汽包，然后经下降管进入下汽包，水经下汽包分配到水冷壁（或对流管束）中去，在一定压力下继续加热，温度不断升高。当温度升高到一定数值时，水开始沸腾，水开始沸腾时的温度叫沸腾温度或饱和温度，饱和温度与压力有关，在一定压力下有一定的饱和温度。压力越高，饱和温度就越高。水达到饱和温度之后，继续加热，水便开始汽化。在汽化的整个过程中温度是不变的，即维持在与当时的压力相对应的饱和温度之下。处于饱和温度下的水称之为饱和水，处于饱和温度下的蒸汽称之为饱和蒸汽,含有水滴的饱和蒸汽为饱和蒸汽。饱和蒸汽是极不稳定的，即使压力和温度只有很小的变化，蒸汽也会部分凝结或使蒸汽中所含有的水滴汽化。图25锅炉蒸汽发生过程示意图水冷壁（或对流管束）中所产生的饱和蒸汽与尚未汽化的水一同进入汽包。汽包中装有汽水分离设备，在汽水分离设备的作用下，饱和蒸汽与水分开。分离出来的水进入汽包的水容积继续参加循环，而饱和蒸汽则被引入过热器继续吸收烟气中的热量，使蒸汽温度升高到规定的数值，这种温度高于饱和蒸汽叫做过热蒸汽。综上所述，由水变成蒸汽的过程，是在不断有热量供给的情况下进行的，并且由以下三个阶段组成1加热过程，水由初温加热到饱和温度；2汽化过程，由饱和水变成饱和蒸汽；3过热过程，蒸汽过热到规定的温度。其中汽包是以上过程中的核心部件，它是自然循环锅炉的一个主要受压部件，汽包是用钢板焊制而成的圆筒形容器，它和水冷壁（或蒸发管束），下降管等组成自然水循环回路。由于它能储存一定数量的水，因而增加了锅炉运行的安全性和稳定性。由于汽包里的水是饱和水，能在汽压增加时吸收热量，而在汽压降低时放出热量，所以当外界负荷波动时，它能起减缓汽压变化速度的作用。此外，蒸发管中来的汽水混合物要在汽包内进行汽水自然分离，当其分离能力不够时，还要在汽包内装设汽水分离装置。23锅炉汽包水位控制特性231汽包水位调节对象的动态特性在热力生产过程中，汽包锅炉水位是正常运行的主要指标之一，是非常重要的被调量，在锅炉运行中占据首要地位。所以，工业锅炉的自动化大多数都是从汽包水位自动调节开始的。其中锅炉汽包水位自动调节中的被调量和干扰因素包括被调量汽包水位、蒸汽压力、过热蒸汽温度、炉膛负荷、过剩空气系数；干扰因素蒸汽负荷、锅炉给水量、燃料量、减温水、送风和引风。给水自动调节系统的任务主要包括两个方面1使给水量适应锅炉的蒸发量，维持汽包水位在规定的范围之内波动；2保持给水量的稳定。汽包水位的高低反映了给水量和蒸发量之间的物料平衡关系。汽包锅炉正常水位一般规定在汽包中心线以下100200MM处，允许波动范围为50MM。汽包水位的高低直接影响锅炉的安全运行和蒸汽的品质。水位过高，会影响汽水分离装置的正常工作，严重时导致蒸汽带水量增加，使过热器管壁和汽轮机喷嘴、叶片结垢，甚至造成汽轮机发生水冲击而损坏叶轮；水位过低，则破坏了正常水循环，以致烧坏某些受热面，影响锅炉寿命，严重时会造成爆炸事故，危及人身和设备的安全。所以，及时调整给水流量，维持给水流量与蒸汽流量间的平衡关系，以适应负荷变化的要求，实现汽包锅炉水位自动调节十分必要。232汽包的热平衡方程锅炉是利用燃料燃烧放热生产一定数量和质量的蒸汽。从能量平衡观点看，当锅炉处于稳定工况运行时，输入锅炉的热量与锅炉支出的热量应当平衡。将锅炉输入热量等于支出热量的这种平衡关系，用公式表示出来，就是锅炉的热平衡方程。在稳定工况下，以公斤燃料为基础的热平衡方程如下654321QQR21式中RQ1KG燃料和随此燃料一起进入锅炉的热量，锅炉输入热量KJ/KG；1对应于1KG燃料的有效利用热量，KJ/KG；2对应于1KG燃料的排烟损失热量，KJ/KG；3对应于1KG燃料的化学不完全燃烧损失热量，KJ/KG；4Q对应于1KG燃料的机械不完全燃烧损失热量，KJ/KG；5对应于1KG燃料的锅炉热散损失，KJ/KG；6对应于1KG燃料的炉渣物理热损失，KJ/KG；将上式各项均除以R,并乘以100，则可用热量的百分数写出锅炉热平衡方程10654321QQ22式中01RQQ；0RQ1锅炉有效利用热百分数，；2Q排烟热损失百分数，；3化学不完全燃烧热损失百分数，；4机械不完全燃烧热损失百分数，；5Q锅炉散热损失百分数，；6炉渣物理热损失百分数，第三章锅炉控制系统总体方案31锅炉控制系统概述锅炉是电厂重要的动力设备，其任务是供给合格稳定的蒸汽，以满足负荷的需要。为此，锅炉生产过程的各个主要参数都必须进行严格控制。锅炉设备是一个复杂的控制对象，主要输入变量是负荷、锅炉给水、燃料量、减温水、送风和引风量。主要输出变量包括汽包水位、过热蒸汽温度及压力、烟气氧量和炉膛负压等。因此锅炉是一个多输入、多输出且相互关联的复杂控制对象。锅炉控制系统主要包括锅炉汽包水位控制系统、锅炉燃烧控制系统、过热蒸汽温度控制系统、除氧器控制系统等，其主要工艺流程如图31。12345678过热蒸汽送负荷设备热空气送往炉壁给水由给水泵来冷空气由送风机来烟气经引风机送往烟囱热空气燃料图31锅炉主要工艺流程图1燃烧嘴；2炉膛；3汽包；4减温器；5炉墙；6过热器；7省煤器；8空气预热器由图31可知，给水泵、给水调节阀、省煤器、汽包及循环管等构成了蒸汽发生系统。燃料和热空气按一定比例进入燃烧室燃烧，生成的热量传给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽DS，然后经过过热器，形成具有一定温度的过热蒸汽D，汇集至蒸汽母管。压力为PM的过热蒸汽，经负荷设备调节控制机构，提供给生产负荷设备使用。与此同时，燃烧过程中产生的烟气，将饱和蒸汽变成过热蒸汽后，再经省煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空气，最后由引风机送往烟囱，排入大气。供热锅炉设备的控制任务是根据热负荷的需要，供应一定温度和压力的蒸汽，同时使锅炉在经济安全的条件下运行。按照这些控制要求，锅炉设备有以下主要的控制系统。32锅炉汽包水位控制系统汽包水位是影响锅炉安全运行的重要参数，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。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，所以其值过高过低都可能造成重大事故。它的被调量是汽包水位，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，变化在允许范围之内，由于锅炉汽包水位对蒸气流量和给水流量变化的响应呈积极特性。但是在负荷急剧增加时，表现却为“逆响应特性“，即所谓的“虚假水位“，造成这一原因是由于负荷增加时，导致汽包压力下降，使汽包内水的沸点温度下降，水的沸腾突然加剧，形成大量汽泡，而使水位抬高。汽包水位控制系统，实质上是维持锅炉进出水量平衡的系统。它是以水位作为水量平衡与否的控制指标，通过调整进水量的多少来达到进出平衡，将汽包水位维持在汽水分离界面最大的汽包中位线附近，以提高锅炉的蒸发效率，保证生产安全。由于锅炉水位系统是一个设有自平衡能力的被控对象，运行中存在虚假水位现象，实际应用中可根据情况采用水位单冲量、水位蒸汽量双冲量和水位、蒸汽量、给水量三冲量的控制方法。33锅炉燃烧控制系统锅炉燃烧控制过程有三个任务给煤控制，给风控制，炉膛负压控制。保持煤气与空气比例使空气过剩系数在108左右、燃烧过程的经济性、维持炉膛负压，所以锅炉燃烧过程的自动调节是一个复杂的问题。以35T锅炉为例来说燃烧放散高炉煤气，要求是最大限度地利用放散的高炉煤气，故可按锅炉的最大出力运行，对蒸汽压力不做严格要求，燃烧的经济性也不做较高的要求。这样锅炉燃烧过程的自动调节简化为炉膛负压为主参数的定煤气流量调节。炉膛负压PF的大小受引风量、鼓风量与煤气量（压力）三者的影响。炉膛负压太小，炉膛向外喷火和外泄漏高炉煤气，危及设备与运行人员的安全。负压太大，炉膛漏风量增加，排烟损失增加，引风机电耗增加。根据多年的人工手动调节摸索，35T锅炉的PF20PA来进行设计。调节方法是初始状态先由人工调节空气与煤气比例，达到理想的燃烧状态，在引风机全开时达到炉膛负压20PA，投入自动后，只调节煤气蝶阀，使压力波动下的高炉煤气流量趋于初始状态的煤气流量，来保持燃烧中高炉煤气与空气比例达到最佳状态。因此，锅炉燃烧过程自动控制系统按照控制任务的不同可分为三个子控制系统，即蒸汽压力控制系统、烟气氧量控制系统和炉膛负压控制系统。34过热蒸汽温度控制系统过热蒸汽的温度是锅炉生产过程的重要参数，一般由锅炉和汽轮机生产的工艺确定。从安全生产和经济技术指标上看，必须控制过热蒸汽温度在允许范围之内。调节手段是改变减温水流量。从结构上看，这是一个简单的单回路控制系统，但是实际系统存在以下问题锅炉的进水系统中实际有三台调节阀，即锅炉总给水阀、减温水阀和汽包给水支阀。因为这3个阀都控制给水量，将会通过进水交点处压力P的变化而产生关联作用。35除氧器控制系统除氧器控制系统包括除氧器压力和液位两个控制子系统。在35T锅炉计算机控制系统中，除氧器压力控制系统和除氧器液位控制系统都设计为单回路PI控制方式。在满足锅炉生产的实际要求的前提下，单回路PI控制方式具有结构简单、容易整定和实现等优点。对于除氧器压力系统而言，当除氧器压力发生变化时，压力控制系统调节除氧器的进汽阀，改变除氧器的进汽量，从而将除氧器的压力控制在目标值上；同样，对于除氧器液位系统，当除氧器液位发生变化时，液位控制系统调节除氧器的进水阀，改变除氧器的进水量，从而将除氧器的液位控制在目标值上。第四章锅炉汽包水位控制系统设计41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41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。省煤器过热器水冷壁汽包变频器图41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。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42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42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42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11SSG41式中1表示汽包水位的飞升速度，表示延迟时间。THH1HH2图42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43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43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43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STKSG022142式中2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。THH1H2图43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”。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。42锅炉汽包水位常规控制策略典型的锅炉汽包水位控制策略包括单冲量、双冲量和三冲量。由于单冲量、双冲量及单级三冲量控制策略比较简单，并且难以适应现代各种复杂锅炉的控制要求，目前各种锅炉汽包水位控制绝大多数采用三冲量水位控制策略。锅炉汽包水位的单冲量控制系统这里指的单冲量即汽包水位，这种控制系统是典型的单回路控制系统。当蒸汽负荷突然大幅度增加时，由于假水位现象，控制器不但不能开大给水阀增加给水量，以维持锅炉的物料平衡，而是关小控制阀的开度减小给水量。等假水位消失后，由于蒸汽量增加，送水量反而减少，将使水位严重下降，波动很厉害，严重时甚至会使汽包水位降到危险程度以致发生事故。因此对于停留时间短、负荷变动大的情况，这种的系统不能适应，水位不能保证。图44和45为汽包水位单冲量控制系统结构图及框图。省煤器过热器水冷壁汽包变频器HTHC图44汽包水位单冲量控制系统给水流量调节器变频器液位变送器汽包液位给水流量液位给定图45汽包水位单冲量控制系统框图锅炉汽包水位的双冲量控制系统在汽包水位控制中，最主要的扰动是负荷的变化。如果根据蒸汽流量来起校正作用，就可以纠正虚假水位引起的误动作，而且使控制阀的动作十分及时，从而减少水位的波动，改善控制品质。将蒸汽流量信号引入，就构成双冲量控制系统。这是一个前馈蒸汽流量加单回路反馈控制的复合控制系统。这里的前馈系统就仅为静态的前馈，若需要考虑两条通道在动态上的差异，需加入动态补偿环节。这个控制系统有两个缺点，控制阀的工作特性不一定成为线性，对于蒸汽负荷变化要做到静态补偿比较困难；而对于给水系统的扰动仍不能克服。图46和47为汽包水位双冲量控制系统结构图及框图。省煤器过热器水冷壁汽包变频器FCHTHCFTFC图46汽包水位双冲量控制系统液位流量调节器给水流量调节器汽包前馈调节器液位变送器变送器_蒸汽流量液位给定给水流量液位变频器图47汽包水位双冲量控制系统框图三冲量控制系统的特点此系统是前馈串级控制系统。其前馈控制是根据蒸汽流量来起校正作用，以纠正虚假水位引起的误动作，而且使控制阀的动作非常及时，从而减少水位的波动，改善控制品质，其串级控制对于主要调节器是保证汽包水位的静态准确性，同时副调节器能快速克服给水阀前压力波动干扰。在此设计中也采用三冲量水位控制调节系统。图48和49为汽包水位三冲量控制系统结构图及框图。省煤器过热器水冷壁汽包变频器FTFCHTHCFTFC图48汽包水位三冲量控制系统给水流量调节器汽包前馈调节器给水流量变送器液位变送器变频器蒸汽流量管道液位流量调节器变送器给水流量液位液位给定图49汽包水位三冲量控制系统框图汽包水位调节重要性是维持水位在一定范围内，它也是保证锅炉安全运行的重要条件。原因1水位过高会影响汽包内汽水分离，饱和水蒸汽带水过多，在过热器管壁结垢，导致损坏。同时过热蒸汽温度急剧下降，会毁坏锅炉。2水位过低，水量较少，当负荷较大时，水的汽化速度快，如不及时控制，汽包内水会全部汽化，导致水冷壁烧坏，甚至爆炸。根据汽包水位条件的重要性和此设计中对汽包水位的要求使用三冲量控制其优点是1系统适合于对于汽包水位要求严格或变化频繁、虚假水位严重的系统。2对信号的静态配合要求没有那么严格，主调节器能自动校正信号配合不准所引起的误差。3可以实现无差调节（不存在稳态配合问题）。三冲量调节系统，即前馈串级复合控制系统，它的设计思想是以锅炉汽包水位测量信号作为主控制信号，构成主调节回路，以蒸汽流量信号作为前馈信号，构成前馈调节回路，总给水流量作为串级信号，构成副调节回路，由主调节回路、前馈调节回路、副调节回路来共同构成锅炉汽包水位串级三冲量自动控制系统。43汽包水位系统控制方案确定经过以上对汽包水位影响因素的分析和各种控制方案的比较，可得出以下几条结论1单冲量和双冲量水位控制系统，无法克服汽包“虚假水位”现象，水位波动幅度较大，难以把汽包水位稳定在一定的范围内。而且，随着锅炉向大容量发展，锅炉容量越大，对汽包水位的允许波动范围的要求就越严格，所以，单冲量和双冲量水位控制系统不能适应锅炉发展的要求。2三冲量汽包水位控制系统充分考虑了“虚假水位”的影响，设置前馈环节对蒸汽流量引起的汽包水位波动进行提前补偿，尤其在适当添加了动态前馈之后，不仅最大限度地降低了“虚假水位”动态偏差和调节时间，而且对静态品质没有影响。3串级前馈、反馈控制结构，构成主、副调节双回路，既能提高系统的响应速度，又能有力地克服内环给水压力等所造成的扰动。4汽包水位对象具有惯性纯延迟和无自衡能力的特性，是具有多个调节变量如蒸汽流量、给水流量和汽包压力和各种干扰因素的复杂系统。5对给水流量检测信号进行一阶惯性环节滤波，削弱了电动执行机构的振动，不仅有利于保持给水压力和汽包水位的稳定，而且能降低能量消耗，延长了设备寿命。三冲量水位控制系统以锅炉水位为主控信号，蒸汽流量为前馈信号，给水流量为控制器的反馈信号来控制给水流量，它以物料平衡关系为依据，能适应负荷的快速变化，它不仅能克服“虚假水位”的影响，也能克服由于给水压力变化等因素引起给水流量变化的影响，从而使系统有更好的动态响应和静态特征。在本文我们设计出以三冲量串级控制方案为核心的锅炉汽包水位PLC控制系统。44汽包水位的控制方案设计441硬件工作原理一、变频器工作原理变频器从电网接收工频50HZ的交流电，经过恰当的强制变换方法，将输入的工频交流电变换成为频率和幅值都可调节的交流电输出到交流电动机，实现交流电动机的变速运行。将工频交流电变换成为可变频的交流电输出的变换方法主要有两种一种称为直接变换方式，又称为交交变频方式，它是通过可控整流和可控逆变的方式，将输入的工频电直接强制成为需要频率的交流输出，因而称其为交流交流的变频方式。另一种称为间接变换方式，又称为交流直流交流变频方式。三相交流电引入整流装置通过整流器得到直流电，对直流电利用可控开关器件控制其导通次序、开关频率、导通时间可以实现调频、调压的效果。常规的控制方式只能得到阶梯波形的输出电压，高次谐波分量较多，不利于电机的稳定运行。采用SPWM技术，按照有关算法控制逆变电路的触发信号，即控制可控开关器件的导通角度按正弦规律变化，这样变频器实际输出的电压是一系列宽度按正弦规律变化的脉冲，这种电压波形中含有的高次谐波分量少，经过滤波后可以等效为正弦电压波形，这样可以极大地提高变频器的控制效果能够使电机稳定运行。二、PLC工作原理PLC（PROGRAMMABLELOGICCONTROLLER）中文全称为可编程逻辑控制器，是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。典型的PLC结构图可以表示为图410所示。输入接口输出接口CPU电源图410PLC结构图电源模块分别为输入接口、CPU、输出接口提供直流电源。输入接口将外部输入的数字量、模拟量送入CPU，CPU根据所编程序完成相应的运算并由输出接口输出给外部设备实现控制的目的。其工作过程可以分为如下三个阶段1输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映像区中相应的单元内。2用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序梯形图。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映像区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映像区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映像区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。3输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映像区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。442PLC与过程监控软件概况及选择控制设备方面以往的单元组合仪表及计算机集中控制方式（如DDC，SPC等）已被淘汰，目前国内外大多采用商品化的分布式计算机控制系统（DCS）与可编程逻辑控制器（PROGRAMMABLELOGICCONTROLLERS，PLC）计算机控制系统。其控制对象方面受约束的MIMO（多输入多输出）系统，控制目标考虑操作条件的最优化。其控制方法的发展趋势为结合最优化技术、计算机网络与数据信息处理技术的现代集成制造系统（CIMS）。控制设备的选择首先系统需对原水量、蒸汽产量及燃料消耗量进行流量计量，以便工厂进行投入产出核算。合理地原材料消耗及实时性的准确汇总、科学的报表统计，它关系到生产管理、成本核算、提高经济效益等问题。分布式计算机控制系统（DCS）和可编程逻辑控制器（PLC）计算机控制系统配有多种通讯协议，支持多种现场总线技术，为数据信息处理技术的实时性、准确性实现提供了保障。其次系统生产过程的重要参数和设备运行状态进行实时控制及检测，以往采用众多数字显示仪表进行现场参数检测的方法