锅炉汽包水位控制系统方案

1、目录1. 汽包水位的动态特性描述11.1.汽包在给水流量作用下的动态特性11.2.汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性22. 汽包水位控制方案的选择及其原理42.1.三冲量控制原理及各部分的作用4控制原理4各部分的作用53. 前馈 - 串级控制系统的特点和调节器作用方式判断73.1.控制系统的特点7前馈控制系统的特点7串级控制系统特点73.2.调节器作用方式判断7判断副调节器的作用方式7判断主调节的作用方式74. 控制仪表及技术参数84.1.控制仪表的选定84.2.各元器件的型号及参数85. 总结与体会10参考文献11摘要在锅炉运行中，水位是一个很重要的参数。若水位过高，则会影响汽水分离的效果，

2、使用气设备发生故障；而水位过低，则会破坏汽水循环，严重时导致锅炉爆炸。同时高性能的锅炉发生的蒸汽流量很大，而汽包的体积相对来说较小，所以锅炉水位控制显得非常重要。锅炉水位自动控制的任务，就是控制给水流量，使其与蒸发量保持平衡，维持汽包水位在允许的围变化。锅炉汽包水位是一种非线性、时变大、强耦合的多变量系统，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。首先从锅炉汽包水的热平衡、物质平衡原理出发 , 推导出了用来描述锅炉水位对象的通用机理控制模型 , 通过对几种控制方案的分析、研究与比较 , 选三冲量系统作为最佳控制方案 , 并着力研究三冲量系统的特点。关键词：锅炉汽包水位控制

3、三冲量控制系统锅炉汽包水位控制系统1. 汽包水位的动态特性描述1.1.汽包在给水流量作用下的动态特性为了在给水量扰动试验过程中保障机组运行的安全性和试验效果，选择某一负荷工况下试验，因为此时给水泵出力有较大的裕量，万一试验中汽包水位上升过快，运行人员可及时手操控制； 另外，选择 10%的扰动量不会影响机组的安全运行，且试验效果比较明显。在某一负荷工况下，汽包水位控制由自由控制方式切换为手动控制方式；手操迅速改变气泵转速；使给水流量迅速增加10%；记录给水量扰动试验曲线如图2-1，相当于积分环节和惯性环节之和，其表达式如下，H 1, H 21s,则sHSWwH 2sH1S 1 S s 1 sWS

4、从实验图 2-1 可以看出，在锅炉燃烧工况不变，即锅炉蒸发量不变时，减少给水量，汽包水位的虚假水位并不明显；另外，通过试验曲线能够求得汽包水位控制对象在给水量扰动下的滞后时间和响应速度，从而求得汽包水位对象在给水量扰动下的传递函数。传递函数表达式如下，HWw sWs(1 s) s 1 s从物质平衡的观点来看，加大给谁流量W ，水位应立即上升，但试验情况实际并不如此，而水位经过一段时间的延迟，甚至先下降后上升，主要是由于给水温度远低于省煤器的温度，使省煤器汽泡总容积减少，因此，进入省煤器部的水首先用来填补省煤器中因汽泡破灭引起的容积减少而降低的水位，经过一段时间延迟甚至水位下降后，水位才能不断上

5、升。WWOtH2HHtOAHH2B图 2-1给水流量扰动曲线1.2.汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性蒸汽的流量阶跃增大时，蒸汽流量扰动试验曲线，如图2-2 所示。蒸汽流量扰动试验曲线相当于一阶惯性环节2 和积分环节 1 传递函数差对应的试验曲线，表现为有虚假水位的无自平衡能力的对象，汽包水位控制对象传递函数如下，H 1, H 2K 2,s1 T 2sH (s)H 1H 2K 2则 Ww sT 2s sD (s)1DDtOHHhH2K2tOHHH1图 2-2蒸汽流量扰动曲线蒸汽流量扰动时，蒸汽流量高于给水流量，汽包水位无自平衡能力，所以水位应该直线下降，但试验中实际水位先上升后下降，这种现象称

6、为虚假水位现象。出现虚假水位的原因是符合增加时，燃料量来不及增加，使汽包压力下降，汽泡膨胀，体积增大而水位上升；一段时间后，汽泡容积与负荷相适应达到稳定，水位就要反应物质平衡关系而下降。2. 汽包水位控制方案的选择及其原理因为单冲量汽包水位调节存在着一些缺点，即单冲量控制方案只根据水位信号控制给水量，在锅炉负荷变化大，也就是阶跃扰动很大时，会出现锅炉的假水位现象。所以目前现场采用的比较先进的方案一般是三冲量控制。2.1.三冲量控制原理及各部分的作用控制原理考虑到给水流量的扰动影响及由于被控对象的非线性等因素，将给水流量引入到双冲量过程控制系统中，组成三冲量水位控制系统，三冲量水位控制系统中，出

7、了汽包水位和蒸汽流量外，引入的第三个冲量是水流量。三冲量水位控制系统是将汽包水位作为主被控变量，给水流量作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串级反馈控制系统。三冲量水位控制系统以锅炉水位为主控信号，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。三冲量水位控制系统方框图如下图3-1，蒸测量变汽F1T量送给定 +偏差水位调流量调调节阀汽包-节器节器LC测量变F2T送测量变送LT图 3-1三冲量水位控制系统方框图三冲

8、量水位控制系统原理图如下图3-2，FYf(x)FT203203过热器汽包LC201LY+201省煤器图 3-2三冲量水位控制系统原理图在双冲量的基础上引入给水流量信号，构成三冲凉控制系统。三冲量控制根据汽包水位、蒸汽量、给水流量三个信号区控制给水流量稳定汽包水位，其中，汽包水位是主信号，蒸汽流量是前馈信号，给水量为副信号，三冲量控制对象为电泵和汽泵。各部分的作用控制模块 PID 参数调整：由于给水流量与蒸汽流量的变化使汽包水位发生变化需要一定的时间，因此，控制系统为串级回路控制，控制器为反作用，引入蒸汽量与给水流量信号，这样可以使给水泵提前动作，消除迟缓。三冲量控制回路：当汽包水位上升或下降时

9、，与设定值产生偏差，主控制器的输出将减小或增大，此值与前馈信号相加，即为副控制器的设定值。将设定值与给水流量进行比较，副控制的输出减小或增大，从而使电泵和汽泵的转速降低或升高，实现汽包水位的自动控制。三冲量控制前馈回路：当蒸汽流量改变时，通过加法器和副控制器改变给水泵转速即给水流量。由于蒸汽流量代表负荷，所以当负荷改变时，相应改变给水流量，从而减少或抵消由于虚假水位现象而使给水流量向与负荷相反方向变化的趋势。三冲量控制副回路：当给水流量发生变化时，副控制器立即动作，使给水流量恢复到原来的数值，给水流量信号能消除给水流量的自发性变化，因而当给水流量发生自发性变化时，汽包水位基本上不受影响。3.

10、前馈 - 串级控制系统的特点和调节器作用方式判断3.1.控制系统的特点前馈控制系统的特点（ 1）前馈控制是基于原理工作的，比反馈控制及时有效；（ 2）前馈控制是属于开环控制系统；（ 3）前馈控制使用的是视对象特性而定的“专用”控制器。又称前馈补偿装置（ 4）一种前馈作用只能克服一种干扰。串级控制系统特点串级控制系统的特点有：按偏差进行调节；调节量小，失调量小，能随时了解被控量变化情况；输出影响输入(闭环 )。因此，将前馈控制和串级控制相结合起来，构成前馈 -串级控制系统， 是具有良好控制效果的控制方式，可以进一步提高系统前馈控制的精度。3.2.调节器作用方式判断判断副调节器的作用方式系统原理方

11、框图所示，当测量值W 上升时，由于阀门为气开阀，调节器的输出减小，即当调节器的输入值增加时，调节器的输出减小，调节器的作用为反作用。判断主调节的作用方式系统原理方框图所示，当测量值H 上升时，测量值 W 应该下降，副调节器的作用方式为反作用，则主调节器的输出应增大，即主调节器的输入上升时，其输出也上升，主调节器的作用为正作用。4. 控制仪表及技术参数4.1.控制仪表的选定在汽包水位控制系统设计中，所需要使用的仪表由主副调节器、主副变送器、电动执行器、电动操作器、显示仪表等。其选型如下：在前馈 -串级控制系统中， 调节器的作用是准确保证被控量符合生产要求， 工艺上对控制品质的要求不是很高，不允许

12、被调量存在较大的偏差，因此，调节器都必须具有积分作用，一般都采用 PI 调节器，故采用实验室的智能仪表控制型号为才 SA-11.前馈反馈系统的整定要比简单系统复杂些。对于调节器正反作用方式的选择，要使一个过程控制系统正常工作，系统必须采用负反馈。本系统选择控制阀为气开式，因为要保证锅炉汽包的安全，在没有信号的时候是关闭的。 Kv>0,变送环节 Km>0，因为阀体的开度增大， 流量增大从而被控对象也就是锅炉汽包的液位也会增加，所以， Kp>0，满足 KvKmKpKc>0, 所以 Kc>0,即控制器选用反作用控制器。当水位变送器检出水位偏离设定值，控制器反作用，控制器

13、输出就小，阀的开度变小，进水量变小。4.2.各元器件的型号及参数调节器选型：主调节器选择的型号为CR-6031CR-6031 技术指标：工作电压：最大： 28V最小： 20V电流环：两线制 4mv20mv工作压力：22MPamax测量围：1500mm测量周期：0.5 秒环境温度：-4065（摄氏度）防护等级：IP65变送器选型变送器选择的型号为MS-121MS-121 技术指标：输出信号： 4-20mv， 0-10v电流消耗： 40mv 为最大防护： NEMA 4X(IP66)安装：隔膜垂直方向安装调节阀选型调节阀选择的型号为ZAJP 电动单座调节阀ZAJP 技术指标：型式：电动执行机构（如D

14、KZ 型执行机构）电源： 220V 或 380V输入信号： 4-20mA 或 0-10V?DC输出信号： 4-20mA?DC5. 总结与体会通过这次课程设计，让我学到了许多课堂上学不到的东西，不仅锻炼了我搜集信息、提取信息的能力，而且还教会了我一种做学问的态度。使我深刻的认识到做好一个课程设计是很困难的，而且需要严谨的态度才能完成。因为我所学的知识有限，所以在设计的过程就难免会很吃力并且出现很多错误，这就需要我们有自强不息的能力。通过这次过程控制课程设计，我不仅更加深刻的理解了锅炉汽包水位的三冲量控制，而且将我们过程控制与基本的办公软件word， visio等，当然还有 Auto CAD 相结

15、合，更一步提高了我们综合运用知识的能力。在设计一开始的时候，我还认为课程设计给了2 周的时间，实在是太长了，慢慢的才发现课程设计不是这么好做的。课程设计的模板、格式都什么也不知道，通过老师的讲解，还有自己去图书馆查阅资料，上网搜索才慢慢捋顺。就这样我才一步步的完成了本次课程设计。经过对这些资料的整理、理解和消化，使我对过程控制技术尤其是锅炉的炉膛负压控制技术有了更深一层次的理解。我喜欢做课程设计，因为它不但巩固我所学的基础知识，而且可以提高我的动手能力和动脑能力。同时，还要感老师们为我们安排了生产实习和过程控制课程设计这样能够锻炼我们能力的实践性环节，及左鸿飞老师对我们课程设计的顺利完成所付出汗水。参考文献【 1】 艳华，海燕等，锅炉设