汽包控制系统 2

1、 一、设计目的本设计是采用前馈串级复合控制三冲量给水控制系统控制汽包水位，使其平稳运行，并通过MATLAB仿真，证明所设计的系统可以很好的克服系统的内外扰动，实现汽包锅炉水位控制的要求。2、 设计要求 1、设计锅炉汽包水位控制方案 2、控制算法的参数整定 3、控制系统的matlab仿真。3、 设计内容 （一）概述 1、计算机控制技术的应用 计算机控制技术是一门以电子技术、自动控制技术、计算机应用技术为基础，以计算机控制技术为核心，综合可编程控制技术、单片机技术、计算机网络技术，从而实现生产技术的精密化、生产设备的信息化、生产过程的自动化及机电控制系统的最佳化的专门学科。而且，企业对具备较强的计

2、算机控制技术应用能力专门人才需求很大，调查统计数据表明，2005年2012年计算机控制技术专业人才需求已进入社会总体需求前五名的行业，该专业的毕业生有很大的市场需求和广泛的就业前景。 2、锅炉概述 锅炉是一种能量转换设备，向锅炉输入的能量有燃料中的化学能、电能、高温烟气的热能等形式，而经过锅炉转换，向外输出具有一定热能的蒸汽、高温水或有机热载体。锅的原义指在火上加热的盛水容器，炉指燃烧燃料的场所，锅炉包括锅和炉两大部分。锅炉中产生的热水或蒸汽可直接为工业生产和人民生活提供所需热能，也可通过蒸汽动力装置转换为机械能，或再通过发电机将机械能转换为电能。提供热水的锅炉称为热水锅炉，主要用于生活，工业

3、生产中也有少量应用。产生蒸汽的锅炉称为蒸汽锅炉，常简称为锅炉，多用于火电站、船舶、机车和工矿企业。 3、汽包 汽包的概念是指气压通过水循环导致气压下降或上升，也可以理解为汽包是气体和水分融合后形成的气压变化，极限压力中的空气与水分子会提高气体的压力上升，导致高压达到一定数值后产生的压力集分子。工业中汽包罐是能够承受汽包产生的空气压力和水位压力的一种工业设备。其中汽包的作用主要有： 1）是工质加热、蒸发、过热三过程的连接枢纽，保证锅炉正常的水循环。 2）内部有汽水分离装置和连续排污装置，保证锅炉蒸汽品质。 3）有一定水量，具有一定蓄热能力，缓和汽压的变化速度。 4) 汽包上有压力表、水位计、事故

4、放水、安全阀等设备，保证锅炉安全运行。 4、汽水分离器 汽水分离器为压力容器结构碳钢或不锈钢设备，接口型式是法兰结构DIN16/DIN25/DIN40；汽水分离器必须安装于水平管线上，排水口垂直向下，所有口径的汽水离器均带安装支架，以减小管道承载。为确保被分离的液体迅速排放，应在汽水分离器底部的排水口连接合适的一套疏水阀组合。 本类阀门在管道中一般应当水平安装。汽水分离器的工作原理：大量含水的蒸汽进入汽水分离器，并在其中以离心向下倾斜式运动；夹带的水份由于速度降低而被分离出来；被分离的液体流经疏水阀排出，干燥清洁的蒸汽从分离器出口排出。 5、过热器 过热器是锅炉中将一定压力下的饱和水蒸气加热成

5、相应压力下的过热水蒸气的受热面。 6、省煤器 省煤器就是锅炉尾部烟道中将锅炉给水加热成汽包压力下的饱和水的受热面，由于它吸收的是比较低温的烟气，降低了烟气的排烟温度，节省了能源，提高了效率，所以称之为省煤器。钢管式省煤器不受压力限制，可以用作沸腾式，一般由外径为3251毫米的碳素钢管制成。有时在管外加鳍片和肋片，以改善传热效果。钢管式省煤器由水平布置的并联弯头管子（习称蛇形管）组成。（二）控制系统设计 1、给水被控对象的动态特性 在讨论给水计算机控制系统之前，必须先分析被控对象的动态特性，然后才能设计出一个合理的给水控制系统。给水调节对象的动态特性是指汽包水位的变化与引起水位变化的各种因素之间

6、的动态关系。汽包水位是汽包中储水量和水面下汽泡容积的综合反映。所以，水位不仅受汽包储水量变化的影响，而且还受到汽水混合物中汽泡容积变化的影响。从水位反映储水量来看，调节对象是一个无自平衡能力的对象，这是因为储水量的变化是由给水流量和蒸汽流量变化引起的，而水位变化后既不能影响给水流量，又不能影响蒸发量，所以说水位调节对象是没有自平衡能力的。影响汽包水位变化的因素主要有：蒸汽流量D,给水量W，炉膛热负荷（燃料量M）,汽包压力P等。 2、汽包水位的动态特性工业锅炉的汽包水位是正常运行的重要指标之一，水位过高，产生蒸汽带水现象，影响用汽单位的正常生产。汽包水位过低，会影响锅炉的汽水自然循环，如不及时调

7、节，就会使汽包里的水全部汽化掉，可能导致锅炉烧塌和爆炸事故。影响汽包水位变化的因素很多，主要有燃煤量、给水量和蒸汽流量。燃煤量对水位变化的影响是非常缓慢的，比较容易克服。因此，我们主要考虑给水量和蒸汽流量对水位的影响。锅炉水位调节对象的原理结构如图2-1所示。图2-1 给水调节对象结构图1-给水母管；2-调节阀；3-省煤器；4-汽包；5-管路；6-过热器；7-蒸汽管给水调节对象的动态特性是指各种扰动下的汽包水位随时间变化的特性。当扰动为阶跃扰动时，对象的动态特性称为阶跃响应曲线。影响水位变化的原因是很多的，其中锅炉的蒸发量和给水流量的变化是主要的，其它还有炉膛热负荷、汽包压力的变化等原因。 3

8、、各种扰动下水位变化的动态特性 （1）给水流量扰动下对象的动态特性图2-2为给水量扰动下水位阶跃响应曲线。图2-2中曲线1为沸腾式省煤器情形下水位的动态特性，曲线2为非沸腾式省煤器情形下水位的动态特性。图2-2 给水量扰动下水位阶跃响应曲线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

9、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。水位在给水扰动下的传递函数可表示为：其扰动传递函数方框图

10、如图2-3所示，可近似认为是一个积分环节和一个惯性环节的并联或串联的两种形式。其扰动传递函数方框图如图2-3所示，可近似认为是一个积分环节和一个惯性环节的并联或串联的两种形式。图2-3 给水扰动传递函数方框图 （2）蒸汽流量扰动下对象的动态特性蒸汽流量扰动下水位的阶跃起反应曲线如图2-4所示。当蒸汽流量突然增加（假定供热量及时跟上）时，锅炉的蒸发量大于给水流量，汽包的贮水量应等速下降，又因为汽包是无自平衡对象，所以水位的变化曲线应如图中曲线H1所示：实际上当蒸发量突然增加时，在汽水循环系统中的蒸发强度也将成比例的增大，使汽水混合物中汽泡的容积增大；又因炉膛内的发热量并不能及时增加，从而使汽包压

11、力不断下降，降低了饱和温度，促使蒸发速度加快，汽泡膨胀，加大了汽水混合物的总体积，使水位变化过程如图中曲线H2所示。水位实际变化曲线是H1和H2 之和。 图2-4 蒸汽流量扰动下水位阶跃响应曲线 H1-只考虑贮水量变化的水位反应曲线；H2-只考虑水面下汽泡容积变化的水位反应曲线； H-实际水位反应曲线（H=H1+H2）。两曲线的叠加，即图中的曲线H，由图可知，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），“

12、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。应当指出，蒸汽量和给水量在运行中是经常变化的，为保持气压稳定，燃料量与蒸发量必须相互适应，因此这两种扰动总是相伴发生，只是有先后发生的差别。从各种扰动下水位的动态特性可估计到水位调节的一些缺点：由于存在延迟，等到水位偏离规定值后再去进行调节，水位必然会

13、有较大的变化（尤其是水位反应快的锅炉），水位的偏差也大；在负荷变化时，由于“虚假水位”现象，水位将迅速变化，这种变化幅度不可能用调节给水量来减小。为维持水位在允许的范围内，必须限制负荷的一次改变量和负荷变化速度；在负荷变化后的开始阶段，给水流量和负荷的变化方向相反，如果忽视“虚假水位”现象的存在，盲目根据“水位”来调节给水量，将会扩大锅炉进出流量的不平衡，使水位波动加剧，实际工作中应当防止和避免。 （3）给水控制系统概况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

14、蒸汽水分含量过多，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。汽包锅炉给水控制系统地作用是使锅炉的给水量自动适应锅炉的蒸发量，维持汽包水位在规定的范围内波动。汽包水位H是汽包中储水量和水面下汽包容积的综合体现，不仅受汽包储水量变化的影响，还受汽水混合物中汽包容积变化的影响。其中主要的扰动为给水流量W、锅炉蒸发量D、汽包压力、炉膛热负荷等，其对水位的影响各不相同。其中给水流量和蒸汽流量是影响汽包水位的2种主要扰动，前者来自调节侧，称为内扰，后者来自负荷侧，称为外扰。 4、串级三冲量给水控制系统现代大型锅炉的水

15、位动态特性复杂，汽包存在着严重的“虚假水位”现象，为了保证给水系统的安全可靠,汽包锅炉的给水控制普遍采用三冲量给水控制方案。 （1）串级三冲量给水控制系统的工作原理大型汽包锅炉的控制对象具有给水内扰动态特性延迟和惯性大的特点，且无自平衡能力，给水控制系统若采用以水位为被调量的单回路系统，控制过程中水位将出现较大的动态偏差，给水流量波动较大，应此，应考虑采用三冲量给水控制系统方案。另外，控制对象在蒸汽负荷扰动（外扰）时，存在“虚假水位”现象，应此在扰动的初始阶段，调节器将使给水流量向与负荷变化相反的方向变化，加剧了锅炉的进、出流量的不平衡。因此应采用以蒸汽流量D为前馈信号的前馈控制，从而能够根据

16、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的作用强度，以改善蒸汽负荷扰动下的水位控制品质。采用串级控制系统将具有更好的控制品质，调试整定也比较方便，故在大型汽包炉上可采用串级三冲量给水控制系统。串级三冲量给水控制系统的原理图如图4-2和所示。图4-2 串级三冲量给水控制系统原理方框图这个系统有三个回路，为副回路，包括给水量W、副调节器、执行器放大系数、阀门系数、给水流量变送器斜率和给水流量分压系数；为主回路，包括水位被控对象、水位变送器斜率、主调节器和副回路；位前馈通路，包括蒸汽流量变送器斜率和蒸汽流量分压系数、副回路和被控对象。这个系统中使用了两个调节器，构成串级控制系统。为保证被

17、调量无静差，主调节器采用PI控制规律，副调节器采用PI或P控制规律，副调节器接受三个输入信号，信号之间有静态配合问题，但系统的静态特性由主调节器决定，因此蒸汽流量信号并不要求与给水流量信号相等。副回路的作用主要为快速消除内扰，主回路用于校正水位偏差，而前馈通路则用于补偿外扰，主要用于克服虚假水位现象。 （2）调节器的选择调节规律是指调节器输出信号与其输入信号之间的动态关系，从理论上说可有各种形式的函数关系，然而在实践中总结出三种基本调节关系，广为采用。这三种基本调节规律就是比例调节规律、积分调节规律、微分调节规律。三种调节规律的组合可设计出多种调节规律的调节器，如比例调节器、比例积分调节器、比

18、例积分微分调节器等。调节器作为控制系统组成部分之一，其动态特性对控制过程有着很大的影响，因为对象的特性是不容易改变的。主、副回路调节器调节规律的选择原则： 1）主参数控制质量要求不十分严格，同时在对副参数的要求也不高的情况下，为使两者兼顾而采用串级控制方式时，主、副调节器均可采用比例控制。 2）要求主参数波动范围很小，且不允许有余差（稳态误差），此时副调节器可采用比例控制，主调节器采用比例积分控制。 3）主参数要求高，副参数亦有一定的要求，这时主、副调节器均采用比例积分形式。 5、串级三冲量给水控制系统的参数整定 （1）主、副调节器的参数整定在串级三冲量给水控制系统中，副回路是一个调节器，一般

19、用试探法整定副回路的和。主回路参数整定是把副回路等效成一个比例环节，然后用经验公式进行整定；前馈通路的选择是基于“虚假水位”而定的。它主要是为了补偿“虚假水位”现象。副回路可看作一个随动系统，如图4-4所示。图4-4 副回路等效图把调节阀和普通管道系统作为被调对象，则作为以外的环节都作为等效调节器。 （2）前馈通路的设计 前馈通路的简化图见图4-6，通路中的选择是基于“虚假水位”情况而定的。图4-6 前馈通路等效图前馈通路中完全补偿条件为： （三）串级三冲量给水控制系统的仿真 1、串级三冲量给水控制系统的仿真系统参数：给水流量传函 ： 蒸汽流量传函 ： 负荷从0100t/h变化时，开方器输出0

20、100mA调节器输出从010mA变化时，阀门开度变化0%100%，即执行器放大系数 。 2、PI子程序流程图定义内存单元、清零采样、形成偏差e(k)取、e（k）,做乘法e（k）累加第k次积分结果有溢出？取偏差值e(k)e(k)大于0？输出值u(k减1输出值u(k)加1 输出值u(k) 数据传送3、副回路的仿真副回路SINMULINK结构图图5-2 副回路的SIMULINK结构图由仿真曲线可知，将副回路整定成快速随动系统。4、 主回路的仿真主回路的整定是建立在副回路可以等效为一个快速比例环节基础上的。图5-7 主回路的SIMULINK结构图5、外扰下的仿真分析下面对整个系统进行仿真实验，并分析在

21、各种扰动下系统的稳定性。串级三冲量系统的SIMULINK结构图如图5-14所示：图5-14 串级三冲量系统的SIMULINK结构图串级三冲量系统的仿真中我们可以看出，系统能够很快的稳定于期望的值，并且波形符合一波半，系统的稳定性很好，说明参数整定合理，符合设计要求。6、仿真结果分析在上述的设计与仿真中，主回路是用于校正水位偏差的，副回路的作用则是快速消除内扰，前馈通路用于补偿外扰，克服虚假水位现象。在串级三冲量给水控制系统中给水流量扰动是内扰，串级三冲量给水控制系统中主调节器的任务是校正水位，这比单级三冲量给水控制系统的工作更为合理。当水位发生扰动时，汽包水位变化，系统立刻通过水位变送器将变化

22、量反馈到主调节器，使主调节器动作，进行调节，从而消除未进入副回路的扰动，稳态时保持汽包水位等于原来设定值，维持系统安全可靠的运行。但这种扰动发生后，系统是通过反馈作用来进行调节的，所以系统调节会存在一定的迟延，不如调节前馈扰动量及时。而蒸汽流量扰动是外扰，在串级三冲量给水控制系统中当蒸汽流量发生扰动时，蒸汽流量信号使给水调节阀一开始就向正方向移动，保持水和蒸汽平衡，即蒸汽流量增加，给水调节阀开大，抵消了由于“虚假水位”引起的反方向移动，因而减少了水位和给水流量的波动幅度。主调节器的作用是校正水位偏差，最后稳态时保持汽包水位等于原来设定值，维持系统安全可靠的运行。前馈控制的思路是这样的，系统被调

23、量除了跟随给定量变化而应该变化外，被调量还会产生偏差，其原因是由于扰动作用引起的。倘若在扰动出现时，就能立即进行控制，而不是等到偏差发生后再进行控制，这样就可以有效地消除扰动对系统被调量的影响。前馈控制是将扰动信号经前馈控制器处理后用以消除扰动对被调量的影响，它是按扰动进行的补偿控制，所以前馈控制又叫作“扰动补偿”。由自动控制原理知道，扰动补偿属于开环控制。前馈控制对系统的稳定性无影响，只要原系统是稳定的，施以前馈控制后，系统仍然稳定。前馈控制只能对于可以测量的扰动作用进行扰动补偿。前馈控制器的结构、参数取决于被控制对象与扰动通道的特性。从仿真效果可知，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，保障机组的安全稳定运行。结 论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