锅炉汽包液位控制

1、天津城建大学课程设计任务书2017 -2018学年第 2学期控制与机械工程 学院 电气工程及其自动化 专业 班级 姓名 学号课程设计名称： 过程控制 设计题目： 锅炉汽包液位控制 完成期限：自 2018 年 6 月 11 日至 2018 年 6 月 15 日共 1 周设计依据、要求及主要内容： 一、设计任务 加热炉出口温度控制系统，测取温度对象的过程为：当系统稳定时，在温度调节阀上做3%变化，输出温度记录如下： t/min024681012270.0270.0267.0264.7262.7261.0259.5t/min14161820222426258.4257.8257.0256.5256.

2、0255.7255.4t/min28303234363840255.2255.1255.0255.0255.0255.0255.0试根据实验数据设计一个超调量的无差控制系统。具体要求如下： （1） 根据实验数据选择一定的辨识方法建立对象的数学模型；（2） 根据辨识结果设计符合要求的控制系统（控制系统原理图、控制规律选择等）；（3） 根据设计方案选择相应的控制仪表；（4） 对设计的控制系统进行仿真，整定运行参数。二、设计要求 采用MATLAB仿真；需要做出以下结果：（1）超调量（2）峰值时间（3）过渡过程时间（4）余差（5）第一个波峰值（6）第二个波峰值（7）衰减比（8）衰减率（9）振荡频率（1

3、0）全部P、I、D的参数（11）PID的模型（12）设计思路三、设计报告课程设计报告要做到层次清晰，论述清楚，图表正确，书写工整；详见“课程设计报告写作要求”。四、参考资料1 何衍庆工业生产过程控制（1版）北京：化学工业出版社，20042 邵裕森过程控制工程北京：机械工业出版社20003 过程控制教材指导教师（签字）： 系主任（签字）： 批准日期： 2018 年 6 月 1 日目录1、 绪论11.1锅炉的工作过程简介11.2锅炉汽包水位自动控制的意义11.3 锅炉液位控制的难点12、汽包锅炉水位控制系统的设计22.1概述22.2单冲量控制系统22.3双冲量控制系统22.4三冲量控制系统32.4

4、.1单级三冲量控制系统32.4.2串级三冲量控制系统43、锅炉汽包水位的动态特性的数学建模53.1给水流量作用下的动态特性53.2 蒸汽流量扰动下的动态特性63.3 根据所给数据进行曲线拟合63.3.1相关MATLAB程序及结果63.3.2控制变量的确定73.4串级三冲量的框图84、硬件选择94.1流量传感器选择94.2水位传感器选择94.3电机的选择94.4接触器的选择94.5阀的开闭选择形式95、PID参数的整定和SIMULINK仿真105.1串级三冲量仿真电路图的搭建105.2串级三冲量PID参数的整定105.3仿真分析12总 结13参考文献141、 绪论1.1锅炉的工作过程简介锅炉是我

5、国工业生产和日常生活中应用最广泛的热工设备。锅炉的任务是根据外部负荷的变化，输送一定质量的蒸汽(蒸汽压力、蒸汽温度)和相应的蒸汽量。它产生的蒸汽不仅可以为蒸馏、化学反应、干燥等过程提供热源，而且可以作为风扇、压缩机和泵驱动涡轮机的动力源。锅炉由“锅”和“炉”两部分组成。“锅”是锅炉的蒸汽水系统,如图所示。本实用新型由省煤器3、汽包4、下降管8、过热器5、上升管7、给水控制阀2、水母管1和蒸汽主管6组成。锅炉给水泵进入省煤器,省煤器内的水吸收烟气的热量,使温度在自身压力下升高到沸点,变成饱和水。然后引入汽包。滚筒中的水通过降液管进入锅炉底部的下部集管,并通过炉周围的水壁进入上部集箱。然后返回到滚

6、筒。水从水冷壁管中吸收直接火焰辐射的热量.在恒温下,一部分水蒸发成蒸汽,蒸汽和水的混合物。蒸汽和蒸汽的混合物在滚筒中被分离成水和蒸汽。水和给水进入降液管参与循环。蒸汽通过汽缸顶部的油管被带到过热器。蒸汽在过热器中吸收热量,并将其加热到规定的温度。成为合格的蒸汽输送主管。 图1.1 锅炉的汽水系统炉膛是由炉膜、烟道、燃烧器和空气预热器组成的锅炉燃烧系统。锅炉燃料燃烧所需的空气通过空气预热器送至鼓风机,空气预热器吸收空气预热器中的烟气热量,形成热空气。与燃料按一定比例燃烧到炉膛中。所产生的热量被传送到蒸汽产生系统以产生饱和蒸汽。然后通过过热器形成一定量的过热蒸汽并收集到蒸汽集管中。负荷调节阀在一定

7、压力下采用过热蒸汽。同时,烟气在燃烧过程中产生大量的余热。此外,饱和蒸汽转化为过热蒸汽,它还预热锅炉给水和空气,最后通过烟囱进入大气。1.2锅炉汽包水位自动控制的意义锅炉水位是保证锅炉安全运行的重要标志。当水位过低时,负荷越大,汽化速度越快。锅炉管中的水一旦完全蒸发,这会导致锅炉燃烧甚至爆炸,水位过高。它影响锅炉汽缸的蒸汽分离,并产生蒸汽和液体相结合的现象,这是由过热器的关闭和结垢引起的。同时过热的蒸汽温度也随之降低,易发生太阳涡轮叶片它影响机组运行的安全性和经济性。随着锅炉容量的增加,水位变化越来越快,手工操作越来越繁重。因此,迫切需要汽包水位的自动调节。 1.3 锅炉液位控制的难点液位控制

8、技术是通过控制进、出口阀的开度和改变水的流量来实现的,而水温的控制则是通过调节加热功率来实现的。在锅炉控制系统中,锅炉液位控制尤为重要和困难。在锅炉运行过程中,由于进水量和输出量的变化,PID控制器的参数难以调节。以满足各种工况的要求,获得理想的控制效果。过多的调整将导致频繁的流动回路运动,这将对下游设备造成额外的干扰。这样,液位控制器通常处于欠调节状态,允许液位在一定范围内波动,从而减少输出水的变化。然而,PID不能及时抑制大扰动,导致锅炉运行的安全性。此外,液位波动也会影响锅炉运行的稳定性,使蒸汽输送难以控制。影响锅炉水位的主要因素有给水流量、蒸汽出口流量和混合燃料进给率。每个变量都有自己

9、的干扰。相对冷的供水造成相应的纯滞后。蒸汽外流的突然增加引起了一种典型的“假水位”现象,它暂时改变了过程的方向,导致误操作和事故。2、汽包锅炉水位控制系统的设计2.1概述随着锅炉的出现,汽包水位的控制一直是控制领域中的一个典型问题。随着控制理论、控制技术和现代控制方法的发展,锅炉自动化控制水平也在逐步提高。在此期间,经历了30、40年代的单参数仪表控制、40年代组合仪表的综合参数仪表控制和60年代的计算机控制等几个阶段,通常有几种方案：(1) 单脉冲控制系统。即汽包水位单回路水位控制系统；(2) 双冲量控制系统。即在单冲量系统的基础上引入了蒸汽流量信号；(3) 三冲量控制系统。是以双脉冲系统为

10、基础,介绍了进水流量信号。2.2单冲量控制系统单脉冲水位控制系统将汽包水位作为唯一的控制信号,脉冲是可变的。水位测量信号通过发射机发送到水位调节器。根据汽包水位H的测量值与给定值H0之间的偏差,调节器通过执行器控制给水调节阀,以改变供水量。使滚筒的水位保持在允许的范围内。系统框图为图2.1所示。图2.1单冲量控制系统框图该控制系统结构简单,是典型的单回路定制控制系统。在长的停留时间、稳定的负荷和鼓内水的“假水位”的情况下,采用单脉冲控制系统,PID调节一般能满足生产要求。单脉冲汽包水位调节系统结构简单,汽包容量大,扰动后水位响应慢,“假水位”现象严重。单脉冲水位调节可满足生产要求。单脉冲鼓式液

11、位调节存在一些不足。主要有：（1）单脉冲控制方案仅根据水位信号控制供水。当锅炉负荷变化很大时,也就是说,当阶跃扰动很大时,由于锅炉的“假水位”现象,例如当负荷蒸汽增加时,水位首先升高。调节器只使用水位作为控制信号来关闭小阀门以减少供水。这种行为对于锅炉的流量平衡是不正确的,从而增加了蒸汽流量和给水流量的波动范围。扩大了进出口贸易的不平衡。（2）)从供水扰动下水位变化的动态特征可以看出,当供水压力变化引起供水变化时,调整器直到水位变化后才开始运行。但调整器作用后,必须经过一段时间的滞后时间,才能影响汽包的水位,因此,汽包水位波动较大,加工时间较长。2.3双冲量控制系统在汽包水位控制中,主要的干扰

12、是负荷的变化。双脉冲控制系统是以锅炉汽包水位测量信号为主控制信号,以蒸汽流量信号为前馈信号的前馈-反馈控制系统。系统框图为图2.2所示。图2.2双冲量控制系统框图双冲量控制系统的优点是：蒸汽流量前馈信号的引入，可以消除“假水位”带来的不利影响。当蒸汽量发生变化时，可以产生与蒸汽相同方向的信号,以减少或消除由“假水位”现象引起的虚假水位。通过引入蒸汽流量的前馈信号,可以提高控制系统的静态特性。提高控制质量。双脉冲控制系统的问题是给水系统的扰动不能直接补偿,当供水受到干扰时,只有当水位信号发生变化,滞后时间较长时,才能由调整器进行调节。水位波动很大。2.4三冲量控制系统2.4.1单级三冲量控制系统

13、三水锅炉给水自动控制系统是以给水水位H为主要控制信号,蒸汽流量D为前馈控制信号,给水流量W为反馈控制信号的控制系统。三冲量控制系统采用蒸汽量进行前馈控制。当负荷(蒸汽流量)突然变化时,蒸汽流量信号可使给水调节阀开始向正方向移动,即当蒸汽流量增加时,供水调节阀打开。以弥补“虚假水位”带来的误导。如果给水流量降低,则调节器根据减少的进水流量信号立即打开进给阀,从而维持恒定的供水。此外,给水流量信号也是调节器运行后的反馈信号,可以使调节器尽早了解控制效果。因此,采用三冲量控制系统可以加快调速器的动作速度,避免过大的调节,减少水位的波动。防止逃跑。系统框图为图2.3所示。 图2.3单级三冲量控制系统框

14、图从系统框图可以看出，单级三冲量控制系统有两个闭合回路：一个是由供水流量W、给水变送器、调节器和调节阀组成的内环,另一个是由汽包水位对象组成的主回路。内圈。蒸汽流量D及其蒸汽发射机不包括在这两个闭环中。然而,其引入可提高控制质量,不影响闭环稳定性。因此,三冲量控制的本质是前馈加反馈控制系统。单级三冲量控制系统具有如下优点：与单脉冲和双脉冲控制系统相比，其控制质量最好，能有效地满足系统对速度、稳定性和精度的要求，有效地避免了“假水位”现象。与单脉冲和双脉冲相比，最大的缺点是系统成本高，系统复杂，不易设置。2.4.2串级三冲量控制系统随着生产过程向大、连续、强化方向发展,操作要求越来越严格,各参数

15、之间的关系更加复杂,对控制精度和功能提出了新的要求。因此,有必要在单回路的基础上采取其他措施,形成一个复杂的控制系统。在图所示的三冲量串级控制系统的框图中,主调节器接收水位信号作为主控制信号,蒸汽流量信号控制二次调节器的给水设定值,除接收主调节器的设定信号外,还接收水流信号。前馈信号用作给水流量前馈的前馈信号。当蒸汽负荷突然变化时,蒸汽流量信号使给水调节阀立即向右移动,即当蒸汽流量增加时,供水调节阀大大打开,从而抵消了由虚假水位引起的反应。从而减小了水位和供水流量的波动范围。作为调节阀运行后的反馈信号,给水流量信号可以使调整器尽早了解控制效果,并进行相应的调整。系统框图为图2.4所示。图2.4

16、串级三冲量控制系统框图在实际应用中,由于选择的控制阀不同,级联三脉冲的设计不同。3、锅炉汽包水位的动态特性的数学建模 3.1给水流量作用下的动态特性当水流量突然增加时,锅炉的蒸发量不变,流量大于蒸发率,但随着低温供水和节约用水,节约用水和节约用水的流量增加。ING不会立即增加。一些热量从原来的饱和蒸汽混合物中吸收,从而减少了表面以下气泡的体积。事实上,由于水的温度远低于省煤器的温度,供水具有一定程度的过冷度。当水进入省煤器时,一些蒸汽将转化为水,尤其是沸腾的省煤器。给水降低了省煤器内的沸腾程度。省煤器内蒸汽气泡的总体积减小,因此,首先用进入省煤器的水填充因气泡破裂体积减小而降低的省煤器水位,在

17、一段时间之后,即使水位下降后,水位也上升,因为供水从省煤器连续进入滚筒。在这个过程中,负荷不变,滚筒内的水仍在蒸发,所以水位也在下降。从H曲线可以清楚地看出。给水被控对象的内部扰动特征是,由于给水过冷的影响,当加水扰动时,水位H的变化非常缓慢,经过一段时间后水位的变化率逐渐增大。最后,当质量不平衡起主要作用时,它以一定的速度直线上升。如果水的供应和蒸汽的数量不平衡,水位不确定。简要介绍了水位扰动下水位的传递函数。 根据物料不平衡与热平衡的关系,可将锅炉汽包水位调节对象的动态特性方程简化为： （3.1）式中：h为汽包水位的高度； 为给水流量项的时间常数； 为蒸汽流量项的时间常数； 为蒸汽流量项的

18、放大倍数； 、为时间常数。同时、的式子如下： （3.2）式中：D为锅炉蒸汽流量； W为锅炉给水流量。可以看出,滚筒水位变化的扰动主要是蒸汽流(称为外部扰动)和水流(称为外部扰动)。因此,汽包水位调节对象在供水作用下的运动方程可以表示为： （3.3）两边取拉氏变换，结合工程实际忽略较小的，在较长时间内,随着供水量的增加,滚筒水位不增加。因此,在给水流量作用下锅炉汽包水位的动态数学模型可以得到如下： （3.4）3.2 蒸汽流量扰动下的动态特性 当负荷变化时,汽包水位的动态特性有一个特殊的形式：负荷增加时，蒸发量大于给水量，但水位不是下降反而迅速上升；负荷突然减小时，水位却先下降，然后迅速上升，这就

19、是“虚假水位”现象。锅炉水位的变化与锅炉的运行特性有关。几小时内燃料的突然减少(例如,"假水位"在大约2分钟或4分钟内达到最低水平)(例如,锅炉熄灭了火)。在“假水位”在20秒左右达到最低值,而“假水位”达到最低值的时间与负荷达到最低值的时间基本相同。水轮机甩负荷时出现的“假水位”现象十分严重,给水位自动调节系统的组成带来了困难。为了使水位保持在允许范围内,负荷和负荷变化的变化应受到限制。汽包水位调节对象的动态特性方程也可在外界干扰下得到： （3.5）对上式方程进行拉氏变换，并令、 得到锅炉汽包水位在蒸汽流量作用下的动态数学模型如下： （3.6)3.3 根据所给数据进行曲线

20、拟合 3.3.1相关MATLAB程序及结果>> x=0,2,4,6,8,10,12,14,16,18,20,22,24,26,28,30,32,34,36,38,40;>>y=270.0,270.0,267.0,264.7,262.7,261.0,259.5,258.4,257.8,257.0,256.5,256.0,255.7,255.4,255.2,255.1,255.0,255.0,255.0,255.0,255.0>> figure(1);>> subplot(2,1,1);>> plot(x,y,'o');&

21、gt;> aa=polyfit(x,y,5);>> f_x=vpa(poly2sym(aa,'x'),4) f_x = 5.124e-10*x5 - 3.795e-8*x4 - 7.444e-6*x3 + 0.0007902*x2 - 0.008607*x + 0.6594 >> x=0:5:85;>> subplot(2,1,2);>> plot(x,polyval(aa,x),'r-o');>> axis(0 85 0 1.500)图3.1 拟合曲线3.3.2控制变量的确定 通过现场数据采集和

22、数据分析处理,最终得出锅炉汽包水位在给水流量作用下的动态数学模型： （3.7） 通过对现场实测数据的分析和处理,得出锅炉汽包水位在蒸汽流量下的动态数学模型： （3.8） 3.4串级三冲量的框图给水流量给定液位蒸汽流量给水流量调节器电机汽包给水流量变送器蒸汽流量变送器蒸汽管道液位液位变送器变频器液位调节器图3.2汽包水位三冲量控制系统框图图3.3 单级三冲量控制系统框图从系统框图可以看出，单级三冲量控制系统有两个闭合回路：一个由供水流量W、给水变送器、调节器和调节阀组成;另一个是由汽包水位对象和T组成的主回路。他内心的循环。蒸汽流量D及其蒸汽变送器不包括在两个闭环中。但它的引入可以提高控制质量,

23、不影响闭环操作的稳定性。因此,三冲量控制的本质是前馈加反馈控制系统。单级三冲量控制系统具有如下优点：相对单脉冲和双脉冲控制系统具有最佳的控制品质,能有效满足系统对快速性、稳定性和准确性的要求,并能有效地避免“虚假水位”。与单脉冲和双脉冲相比,最大的缺点是系统成本高,系统复杂,不易设置。4、硬件选择4.1流量传感器选择根据控制方案,流量传感器可用于测量水流量和蒸汽流量。这两种信号可以有效地提高控制质量。因此,合理选择流量传感器可以有效地改善整个流量传感器系统的控制质量。众所周知，35t/h锅炉汽包水位应控制，即锅炉正常运行时每小时蒸发35吨蒸汽，即35吨水蒸发成蒸汽，当水位稳定时，供水为35m3

24、/h。上海正波自动化仪表有限公司生产的LUGB-99涡街流量计是一种基于卡门涡原理的新型流体振动流量计。具有测量范围宽、压力损失小、性能稳定、精度高、安装使用方便等优点。它被广泛用于封闭工业管道中液体、蒸汽和蒸汽介质的体积和质量流量的测量。4.2水位传感器选择因为设计的目的是控制水位的稳定性,而整个控制系统是基于水位的精确测量,水位的准确测量直接关系到控制的质量。水位传感器的合理选择是水位控制系统设计的关键。已知鼓级应控制在300±10毫米。根据过程控制仪表范围的选择原则,仪器范围应为测量参数的4/33/2倍。因此,所选择的传感器的最大范围是400450毫米。滚筒的水位应控制在300

25、±10毫米,因此所选水位传感器的精度应高于10/450=2.2% FS,因此测量精度的选择只能满足要求。4.3电机的选择电机是锅炉汽包供水的动力设备。电动机的准确选择与汽包能否准确供水和影响汽包水位的稳定性有关。锅炉的控制蒸发量为35t/h,鼓风机压力为50MPa,管径为50mm,因此电机的功率可估算如下： (4.1)从计算结果可以看出,功率为100kW的三相异步电动机完全能满足工作要求。由于采用变频调速,无需选择绕线式异步电动机,鼠笼式电机可满足要求。济南华力贝尔机电设备有限公司YJTG三相变频电机是专门设计用于变频调速的,可根据技术要求设定额定电压380V和额定功率100kW。4

26、.4接触器的选择接触器是系统中使用的一种重要开关设备。合理选择接触器,可以保证交流电动机能够准确、及时地启动和停止。通过分析,三相交流异步电动机的最大工作电流在50Hz交流电压下工作,其工作电流为: (4.2)因此,根据设计要求,浙江宏利电气有限公司生产的HLC-3X系列空调接触器主要适用于50Hz或60Hz,当AC-7B额定工作电压为230V或480V时,额定电流为40A电路。起动和控制三相交流电动机(压缩机)和其他三相负载,选择五套这种A型接触器可同时驱动电机以满足设计要求。 4.5阀的开闭选择形式给水调节阀开合气的选择一般是从安全的角度考虑的,第一个依据是人员安全、生产安全和系统设备安全

27、。由于工业生产过程中的控制阀大多是气动控制阀,因此有必要对控制阀的开闭方式进行选择。锅炉给水调节阀一般采用密闭式空气调节阀。一旦发生事故,系统失控,供水调节阀处于全开状态,即锅炉不会因供水中断而烧毁,避免发生爆炸等事故。5、PID参数的整定和SIMULINK仿真5.1串级三冲量仿真电路图的搭建图5.1 串级三冲量仿真电路图5.2串级三冲量PID参数的整定图5.2 主控制器PID图5.3 副控制器PID无差控制，在运行300和450处加蒸汽扰动，抗干扰能力好图5.4 控制图像超调量：响应的最大偏离量与终值的差与终值比的百分数，即从图5.4估读：延迟时间：响应曲线第一次到达其终值一半所需的时间=2.5s上升时间：响应从终值10%上升到终值90%所需的时间=5s峰值时间：响应超过其终值到达第一个峰值所需的时间=15s调节时间：响应到达并保持在终值内所需的时间=25s5.3仿真分析采用主回路校正水位偏差，二次回路快速消除内部扰动，前馈路径补偿外部干扰，克服假水位现