锅炉汽包水位控制系统设计[1]

1、西安建筑科技大学课程设计（论文）西安建筑科技大学课程设计（论文）任务书专业班级： 自动化1002 学生姓名： 马千云 指导教师（签名）： 一、课程设计（论文）题目锅炉汽包液位控制二、本次课程设计（论文）应达到的目的本次课程设计是自动化专业学生在学习了计算机控制技术与系统和过程控制及仪表两门专业必修课程及单片机原理与应用、可编程控制器等相关专业选修课程之后进行的一次全面的综合训练，其主要目的是加深学生对计算机控制技术相关理论和知识的理解，进一步熟悉计算机控制系统工程设计的基本理论、方法和技能；掌握工程应用的基本内容和要求，整合各专业课程的理论知识和方法，做到理论联系实际；培养学生分析问题、解决问

2、题的能力和独立完成系统设计的能力，并按要求编写相关的设计说明书、技术文档和总结报告等。三、本次课程设计（论文）任务的主要内容和要求（包括原始数据、技术参数、设计要求等）锅炉汽包液位的阶跃响应曲线数据如下表所示，控制量阶跃变化。试根据实验数据设计一个超调量的无差控制系统。时间/min0510152025被控量0.6500.6510.6520.6680.7350.817时间/min303540455055被控量0.8810.9791.0751.1511.2131.239时间/min606570758085被控量1.2621.3111.3291.3381.3501.351具体要求如下： （1） 根据

3、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；对设计的控制系统进行仿真，整定运行参数。（4）撰写课程设计报告一份，要求字数30005000字。四、应收集的资料及主要参考文献：1王再英等.过程控制系统与仪表.机械工业出版社,20062潘新民,王燕芳.微型计算机控制技术.高等教育出版社,20013王锦标.计算机控制系统.清华大学出版社,2008五、审核批准意见教研室主任（签字） 摘 要锅炉是典型的复杂热工系统，目前，中国各种类型的锅炉有几十万台，由于设备分散、管理不善或技术原因，使

4、多数锅炉难以处于良好工况，增加了锅炉的燃料消耗，降低了效率。锅炉的建模与控制问题一直是人们关注的焦点，而汽包水位是工锅炉安全、稳定运行的重要指标，保证水位控制在给定范围内，对于高蒸汽品质、减少设备损耗和运行损耗、确保整个网络安全运行具有要意义。锅炉汽包水位高度，是确保安全生产和提供优质蒸汽的重要参数，对现代工业生产来说尤其是这样。因为现代锅炉的特点之一就是蒸发量显著提高，汽包容积相对变小，水位变化速度很快，稍不注意就容易造成汽包满水或者烧成干锅。在现代锅炉操作中，即使是缺水事故，也是非常危险的，这是因为水位过低，就会影响自然循环的正常进行，严重时会使个别上水管形成自由水面，产生流动停滞，致使金

5、属管壁局部过热而爆管。无论满水或缺水都会造成事故，因此，必须严格控制水位在规定范围之内。维持汽包水位在给定范围内是保证锅护和汽轮机安全运行的必要条件，也是锅炉正常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，增加在过热器管壁和汽轮机叶片上的结垢。水位过低，则可能破坏自然循环锅炉汽水循环系统中某些薄弱环节，以致局部水冷管壁被烧坏，严重时会造成爆炸事故。这些后果都是十分严重的。随着锅炉容量的增加，水位变化速度愈来愈快，人工操作愈来愈繁重，因此对汽包水位

6、实现自动调节提出了迫切的要求。汽包水位的控制是锅炉控制的一个难点，目前，对汽包水位控制大多采用常规PID控制方式，传统的常规PID控制方式是根据控制对象的数学模型建立，由于锅炉水位系统存在非线性、不确定性时滞和负荷干扰、非最小相位特征等，其精确的数学模型往往无法获得而且常规PID控制的参数是固定不变的，难以适应各种扰动及对象变化，其控制效果往往难以满足要求，控制效果不理想。关键词：冲量，汽包水位控制，PID控制，仿真目录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21.3锅炉液位控制的难点22. 汽包锅炉水位控制系统的设计32.1概述32.2单冲量控制系统32.3双冲量

7、控制系统42.4三冲量控制系统 5 2.4.1单级三冲量控制系统52.4.2串级三冲量控制系统63. 锅炉汽包水位的动态特性的数学建模73.1给水流量作用下的动态特性73.2 蒸汽流量扰动下的动态特性83.3 根据所给数据进行曲线拟合9 3.3.1相关MATLAB程序及结果93.3.2控制变量的确定103.4串级三冲量的框图104. 硬件选择124.1流量传感器选择124.2水位传感器选择124.3电机的选择124.4接触器的选择134.5阀的开闭选择形式135. PID参数的整定和SIMULINK仿真135.1串级三冲量仿真电路图的搭建135.2串级三冲量PID参数的整定145.3仿真分析1

8、5总结.16参考文献.171 绪论1.1锅炉的工作过程简介 锅炉是工业过程中不可缺少的动力设备，锅炉的任务是根据外界负荷的变化，输送一定质量(汽压、汽温)和相应数量的蒸汽。它所产生的蒸汽不仅能够为蒸馏、化学反应、干燥等过程提供热源，而且还可以作为风机、压缩机、泵类驱动透平的动力源。 锅炉是由“锅”和“炉”两部分组成的。“锅”就是锅炉的汽水系统，如图所示。由省煤器3、汽包4、下降管8、过热器5、上升管7、给水调节阀2、给水母管1及蒸汽母管6等组成。锅炉的给水用给水泵打入省煤器，在省煤器中，水吸收烟气的热量，使温度升高到本身压力下的沸点，成为饱和水然后引入汽包。汽包中的水经下降管进入锅炉底部的下联

9、箱，又经炉膛四周的水冷壁进入上联箱，随即又回入汽包。水在水冷壁管中吸收炉内火焰直接辐射的热，在温度不变的情况下，一部分蒸发成蒸汽，成为汽水混合物。汽水混合物在汽包中分离成水和汽，水和给水一起再进入下降管参加循环，汽则由汽包顶部的管子引往过热器，蒸汽在过热器中吸热、升温达到规定温度，成为合格蒸汽送入蒸汽母管。 图1.1 锅炉的汽水系统“炉”就是锅炉的燃烧系统，由炉膜、烟道、喷燃器、空气预热器等组成。锅炉燃料燃烧所需的空气由送风机送入，通过空气预热器，在空气预热器中吸收烟气热量，成为热空气后，与燃料按一定的比例进入炉膛燃烧，生成的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽。然后经过过热器，形成一定的过热

10、蒸汽，汇集到蒸汽母管。具有一定压力的过热蒸汽，经过负荷设备调节阀供负荷设备使用。与此同时，燃烧过程中产生的烟气，其中含有大量余热，除了将饱和蒸汽变成过热蒸汽外，还预热锅炉给水和空气，最后经烟囱排入大气。1.2锅炉汽包水位自动控制的意义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。维持汽包水位在给定范围内是保证锅护和汽轮机安全运行的必要条件，也是锅炉正常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

11、过热器管壁和汽轮机叶片上的结垢。水位过低，则可能破坏自然循环锅炉汽水循环系统中某些薄弱环节，以致局部水冷管壁被烧坏，严重时会造成爆炸事故。这些后果都是十分严重的。随着锅炉容量的增加，水位变化速度愈来愈快，人工操作愈来愈繁重，因此对汽包水位实现自动调节提出了迫切的要求。1.3 锅炉液位控制的难点液位的控制技术是通过控制进水或出水阀门的开度，改变水流量来实现的，而水温的控制是通过调节加热的功率来实现的。锅炉液位的控制是锅炉控制系统较为重要和比较难于控制的一项。由于在锅炉运行过程中存在进水量和出水量的变化，所以很难通过调整PID控制器参数来满足所有的运行条件，获得理想的控制效果。调整过量会导致流量回

12、路动作频繁，从而给下游设备带来了额外的干扰。这样就导致液位控制器通常处于欠调正状态允许液位在一定范围内波动，以减小出水量的变化。然而，欠调正的PID不能及时抑制大扰动，这就可能引起锅炉运行的安全问题。另外，液位的波动也会破坏锅炉运行过程的稳定，使得蒸汽输送等不易控制。影响锅炉液位的关键变量有给水流量，蒸汽出口流量和混合燃料的进料量。各变量都有各自不同的扰动。较冷的给水造成相应的纯滞后。蒸汽流出量的突然增加造成了典型的“假水位”现象，使得过程暂时改变了方向，容易产生误操作而导致发生事故。2 汽包锅炉水位控制系统的设计2.1概述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

13、典型的难问题。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。通常有如下几种方案：(1) 单冲量控制系统。即汽包水位的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。是在双冲量系统的基础上再引入给水流量信号而构成。2.2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H与给定值H0的偏差，通过执

14、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。系统框图为图2.1所示。图2.1单冲量控制系统框图这种控制系统结构简单，是典型的单回路定制控制系统。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时能够满足生产要求。单冲量汽包水位调节存在着一些缺点，主要有：（1）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，即阶跃扰动很大时，由于锅炉的“虚

15、假水位”现象，例如负荷蒸汽增加时，水位一开始先上升，调节器只根据水位作为控制信号，就去关小阀门减少给水量，这个动作对锅炉流量平衡是错误的，从而在过程一开始就扩大蒸汽流量和给水流量的波动幅度，扩大了进出流量的不平衡。（2）从给水扰动下水位变化的动态特性可以看出，由于给水压力变化等原因造成给水量变化时，调节器要等到水位变化后才开始动作，而在调节器动作后又要经过一段滞后时间 才能对汽包水位发生影响，因此必将导致汽包水位波动幅度大，过程时间长。2.3双冲量控制系统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

16、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：引入蒸汽流量前馈信号可以消除“虚假水位”所引起的不良影响。当蒸汽量变化时，就有一个给水量与蒸汽量同方向变化的信号，可以减少或抵消由于“虚假水位”现象引起的假水位；引入蒸汽流量前馈信号，能够改善控制系统的静态特性，提高控制质量。双冲量控制系统存在的问题是：对于给水系统的扰动不能直接补偿，当给水量发生扰动时，要等到汽包水位信号变化时才能通过调节器操作执行调节，滞后时间长，水位波动大。2.4三冲量控制系统2.4.1单级三冲量控制系统三冲量锅炉汽包给水自动控制系统，是以汽包水位H为主控制信号，蒸汽流量D为前馈控制信

17、号，给水流量W为反馈控制信号组成的控制系统。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）突然发生变化，蒸汽流量信号能使给水调节阀一开始就向正方向移动，即当蒸汽流量增加时，给水调节阀开大，抵消了由于“虚假水位”引起的方向误动作。如给水流量减少，调节器立即根据给水流量减少的信号，开大给水阀，从而使给水量保持不变。另外，给水流量信号也是调节器动作后的反馈信号，能使调节器及早知道控制的效果，所以使用三冲量控制系统，能使调节器动作加快，还可以避免调解过量，减少水位波动，防止失控。系统框图为图2.3所示。图2.3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：一个是

18、由给水流量W、给水变送器、调节器和调节阀组成的内回路；另一个是由汽包水位对象和内回路构成的主回路。蒸汽流量D及其蒸汽变送器未包含在这两个闭合回路之内。但它的引入可以改善控制质量，且不影响闭合回路工作的稳定性。所以三冲量控制的实质是前馈加反馈的控制系统。单级三冲量控制系统具有如下优点：相对单冲量和双冲量控制系统，其控制品质最好，能有效地满足系统对快速性、稳定性、准确性的要求，能有效地避免“虚假水位”现象。与单冲量和双冲量相比，最大的不足是，系统成本高，系统复杂，不容易整定。2.4.2串级三冲量控制系统随着生产过程向着大型、连续和强化的方向发展，对操作的要求更加严格，参数间相互关系更加复杂，对控制

19、的精度和功能提出新的要求。为此，需要在单回路的基础上，采取其它措施，组成复杂控制系统。如图所示的三冲量串级控制系统框图中，主调节器接受水位信号作为主控信号和蒸汽流量信号去控制副调节器的给水设定值，副调节器除了接受主调节器的设定信号外，还接受给水流量信号。蒸汽流量信号作为前馈信号对给水流量进行前馈控制，当蒸汽负荷突然发生变化时，蒸汽流量信号使给水调节阀立即向正确的方向移动，即当蒸汽流量增加时，给水调节阀开大，从而抵消了由于虚假水位引起的反向作用，因此减少了水位和给水流量的波动幅度。给水流量信号作为调节阀动作后的反馈信号，能使调节器及早知道控制的效果，做出相应的调整。系统框图为图2.4所示。图2.

20、4串级三冲量控制系统框图在实际应用中，由于选定的控制阀门不一样，串级三冲量作为控制系统的设计也就不一样。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在给水流量突然增加的瞬间，锅炉的蒸发量还未改变，给水流量大于蒸发量，但水位一开始并不立即增加，这是因为温度较低的给水进入省煤器及水循环系统的流量增加了，从原有的饱和汽水混合物中吸取了一部分热量，使水面下的汽泡容积有所减少。事实上也就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，省煤器内汽泡总容积减少，因此，进入省煤器内的水首先用来填

21、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，负荷还未变化，汽包中水仍在蒸发，因此水位也有下降趋势。由H曲线可以清楚地看出给水被控对象内扰的特点是：给水扰动刚刚加入时，由于给水的过冷度影响，水位H的变化很慢，经过一段时间之后其变化速度才逐渐增加，最后变为按一定速度直线上升，这时就是物质不平衡在起主要作用了，如果给水量和蒸汽量不能平衡，水位就不能确定。下面简单介绍一下水位在给水扰动下的传递函数。 根据物料不平衡和热平衡的关系，锅炉汽包水位调节对象的动态特性方程经推导，可简化成： （3.1）式中：h为汽包水位的高度；

22、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。可见，引起汽包水位变化的扰动主要是蒸汽流量（称为外扰动）和给水流量（称为外扰动），因此，在给水流量作用下的汽包水位调节对象的运动方程式可表示为： （3.3）两边取拉氏变换，结合工程实际忽略较小的，并考虑到汽包水位在较长一段时间里不随给水量的增加而增加。因此，可得到锅炉汽包水位在给水流量作用下的动态数学模型如下： （3.4）3.2 蒸汽流量扰动下的动态特性 负荷变化时汽包水位的动态特性具有特殊的形式：负荷增加时，蒸发量大于给水量，但

23、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，这就是“虚假水位”现象。虚假水位的变化情况和锅炉的特性有关，燃料突然减小时（如锅炉灭火），“虚假水位”约在24分钟内即达到最低值。在外部负荷突然减小时（如汽轮机甩负荷），“虚假水位”约在20秒内即达到最低值，并且，“虚假水位”达到最低值的时间和负荷达到的最低值的时间基本相同。汽轮机甩负荷扰动下的“虚假水位”现象是相当严重的，这给组成水位自动调节系统带来了困难。为了维持水位在允许的范围内，运行中应对负荷的一次变动量及负荷变化速度加以限制。同理，可得到在外扰动下，汽包水位调节对象的动态特性方程为： （3.5）对上式方程进行拉氏变

24、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拟合 3.3.1相关MATLAB程序及结果 x=0,5,10,15,20,25,30,35,40,45,50,55,60,65,70,75,80,85;y=0.650,0.651,0.652,0.668,0.735,0.817,0.881,0.979,1.057,1.151,1.213,1.239,1.26 2,1.311,1.329,1.338,1.350,1.351 figure(1); subplot(2,1,1); plot(x,y,o); aa=polyfit(x,y,5); f_

25、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 通过现场数据的采集和数据的分析处理，最终，可得到锅炉汽包水位在给水流量作用下的动态数学模型为： （3.7） 经过对现场数据的分析和处理，最终可得到锅炉汽包水位在蒸汽流量作用下的动态数学模型为： （3

26、.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：一个是由给水流量W、给水变送器、调节器和调节阀组成的内回路；另一个是由汽包水位对象和内回路构成的主回路。蒸汽流量D及其蒸汽变送器未包含在这两个闭合回路之内。但它的引入可以改善控制质量，且不影响闭合回路工作的稳定性。所以三冲量控制的实质是前馈加反馈的控制系统。单级三冲量控制系统具有如下优点：相对单冲量和双冲量控制系统，其控制品质最好，能有

27、效地满足系统对快速性、稳定性、准确性的要求，能有效地避免“虚假水位”现象。与单冲量和双冲量相比，最大的不足是，系统成本高，系统复杂，不容易整定。4 硬件选择4.1流量传感器选择根据控制方案可以知道流量传感器用于测量给水流量和蒸汽流量，这两个信号可以有效地改善控制质量，因此合理的选择流量传感器能够有效的改善整个系统的控制质量。知道所要控制的是35t/h锅炉的汽包水位，即该锅炉正常工作时每小时蒸发35t蒸汽也就是有35t水被蒸发成为蒸汽，水位稳定时供水量为：35 m3/h 。上海正博自动化仪表有限公司生产的LUGB-99型涡街流量计是一种基于卡门涡街原理流体振动式新型流量计，它具有测量范围广、压损

28、小、性能稳定、准确度高和安装、使用方便等优点，广泛应用于封闭工业管道中液体、汽体和蒸汽介质体积和质量流量的测量。 4.2水位传感器选择由于该设计的目的是控制水位稳定，而整个控制系统的基础是对水位的准确测量，因此水位能否准确测量直接关系到控制质量的优劣。合理的选择水位传感器在水位控制系统的设计中有关键作用。知道汽包水位应该控制在30010 mm，根据过程控制仪表量程选择原则：仪表量程应该为被测量参数的4/33/2倍。因此所选传感器的最大量程为:400450 mm。而且汽包水位应该控制在30010 mm，因此所选水位传感器的精度应该高于10/450=2.2%FS，因此选择该测量精度才可以满足要求。

29、4.3电机的选择电机是锅炉汽包供水的动力设备，电机的准确选型关系到汽包能否准确供水进而影响到汽包水位的稳定。控制的锅炉蒸发量为：35t/h，汽包压力0.5MP，管道直径50mm因此可以对正常工作时电机的功率作如下估算： (4.1)由计算结果可以知道选用功率为100Kw的三相异步电动机完全可以满足工作要求，由于使用变频调速不必选用绕线型异步电动机，选用鼠笼型电机就可以满足要求。济南华力贝尔机电设备有限公司生产的YJTG三相变频调速电机专门为变频调速设计可以根据技术要求设定其额定电压为380V,额定功率为100kw。4.4接触器的选择接触器是系统中用到的重要开关设备，接触器的合理选择能保证交流电动

30、机能够准确及时的启动、停止。根据分析三相交流异步电机的最高工作电流是工作于50Hz交流电压下，其工作电流为： (4.2)因此根据设计的要求浙江宏立电器有限公司生产的HLC-3X系列空调接触器主要适用于50Hz或60Hz、在AC-7b使用类别额定工作电压为230V或480V时额定电流至40A电路中，适用于起动和控制三相交流电动机(压缩机)及其它三相负载，选择五套该类型接触器同时带动一台电机可以满足设计要求。 4.5阀的开闭选择形式关于给水调节阀的气开气关的选择，一般都是从安全角度考虑的，人员安全、生产安全、系统设备安全的需要为首要依据。由于工业生产过程的调节阀绝大部分为气动调节阀，所以要选择调节阀的气开气关方式。锅炉给水调节阀一般采用气关式，一旦事故发生，系统失控，供水调节阀处于全开位置，是锅炉不致因给水中断烧坏，避免爆炸等事故的发生。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