锅炉汽包水位控制系统的设计

1、过程控制系统实验报告专 业 xxxxxx 班 级 xxxxxxxxx 学生姓名 xxxxxx 学 号 xxxxxxxx 锅炉汽包水位控制系统设计一、 控制要求设计一个汽包水位控制系统，使汽包水位维持在90CM，稳态误差±0,5CM，以满足生产要求。二、 完成的主要任务1. 掌控锅炉生产蒸汽工及其工作流程2. 对被控对象进行特性分析，画出汽包水位控制系统方框图和流程图3. 选择被控参数和被控变量，说明其选择依据4. 设计控制系统方案，如何选择检测仪表，说明其选择原则和仪表性能指标5. 说明单回路控制系统4个环节的工作形式对控制过程6. 对控制进行PID控制说明其参数整定理论7. 对锅炉

2、汽包水位进行simulink仿真，对参数进行整定，其仿真图要满足动态性能指标8. 总结实验课程设计的经验和收获过程控制系统实验报告- 0 -第一章锅炉汽包水位控制系统的组成原理- 3 -1.1概述- 3 -1.2锅炉生产蒸汽工艺简述- 3 -1.3锅炉生产蒸汽工作流程- 4 -第二章锅炉汽包水位控制系统的方案设计- 5 -2.1 对被控对象进行特性分析- 5 -2.2汽包水位控制系统方框图和流程图- 5 -液位控制系统的方框图- 5 -液位控制系统的方案图- 6 -2.3选择被控参数和被控变量- 6 -2.4选择检测仪表，说明其选择原则和仪表性能指标- 7 -传感器、变送器选择- 7 -执行器

3、的选择- 8 -关于给水调节阀的气开气关的选择。- 8 -2.4.4 关于给水调节阀型号的选择。- 8 -2.4.5 给水流量 蒸汽流量- 8 -2.5 四个环节的工作形式对控制过程- 8 -第三章PID控制- 10 -3.1对控制进行PID控制- 10 -3.2整定PID理论参数- 11 -第四章 仿真- 12 -4.1对锅炉汽包水位进行simulink仿真- 12 -4.2对系统参数进行整定- 13 -第四章结束语- 15 -第一章 锅炉汽包水位控制系统的组成原理1.1 概述 随着电子产品的降价及自动化生产线工艺控制连续稳定优势的凸现，越来越多的企业准备将自己的核心生产线改成全自动化生产线

4、或者对个别关键工艺参数采用自动控制。工业应用自控技术在中国的推广使用较晚，但近年来发展较快。国内现在做汽包水位自动控制系统方面的设计公司很多，但由于能够集工艺要求、自动化技术和电气技术三者于一体的设计不多，所以人们清楚地认识到自动控制技术在工业应用中的重要地位和作用。从传统的控制方式来看，结构简单成本低的方案不能有效的控制锅炉汽包“虚假水位”现象，而能够在一定程度上控制“虚假 现象”，系统却过于复杂，成本较高。故三种基本结构应运而生：单冲量调节系统结构，单级三冲量调节系统结构，串级三冲量调节系统 结构。低负荷阶段，由于疏水和排污等因素的影响，给水和蒸汽流量存在着严重的不平衡，而且流量太小时，测

5、量误差大，故在低负荷阶段，一般采用单冲量调节方式。单冲量水位控制系统是以汽包水位作为唯一的控制信号，冲量即变量。单冲量水位控制系统由汽包、变送器、调节器、执行器及调节阀等组成，系统框图如下所示：调节器调节阀汽包检测变送器送器图1.1 液位控制系统方框图1.2 锅炉生产蒸汽工艺简述水位控制系统的任务是使给水量与锅炉蒸汽量相适应，维持汽包水位在工艺规定的范围内。汽包水位反映了锅炉蒸汽流量与给水量之间的平衡关系，是锅炉运行中非常重要的监控参数。汽包水位过高，会影响汽水分离的效果，使蒸汽带液，过热器结垢，影响过热器的效率；如果使带液蒸汽进入汽轮机，会损坏汽轮机叶片。如果水位过低，会破坏水循坏而损坏锅炉

6、，尤其是大型锅炉，一旦停止给水，汽包存水会在很短时间内完全汽化而造成重大事故，甚至引起爆炸。因此汽包水位需要严格控制。1.3 锅炉生产蒸汽工作流程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（气压，气温）和相应数量的蒸汽。锅炉是由“锅”和“炉”俩部分组成。“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箱，又经炉膛四周的水冷壁进入

7、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，水和给水一起在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、升温到规定温度，成为合格蒸汽送入蒸汽母管。“炉”就是锅炉的燃烧系统，由炉膜、烟道、吸燃器、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，通过空气预热机，在空气预热机中吸收烟气热量，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，形成一定的过热蒸汽，汇集到蒸汽母管。具有一定的压力的过热蒸汽，经过负荷

8、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。第二章锅炉汽包水位控制系统的方案设计2.1 对被控对象进行特性分析在设计锅炉汽包水位控制的过程中首先从汽包锅炉入手，汽包锅炉有自然循环方式和强制循环方式两种，汽包锅炉自动控制的任务与直流锅炉几乎一样，也是主要包括四个方面：（1）保证系统安全运行；（2）保持燃烧的经济性；（3）保持炉膛负压在一定范围内；（4）运行中保证气轮机所需的蒸汽量，过热蒸汽压力和蒸汽温度的恒定。无论上一自然循环还是强制循环锅炉，其给水控制的任务都是为了保证锅炉负荷和给水的平衡关

9、系。但是，汽包锅炉由于有了汽包的存在，使锅炉的运行方式、锅炉的结构、工作原理与直流锅炉不同，这就使实现控制的方式，采用被调量都有所区别。2.2汽包水位控制系统方框图和流程图22.12.22.2.1 液位控制系统的方框图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与的偏差，通过执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。系统方框图如下所示。调节器调节阀汽包检测变送器送器图2.1 液位控制系统方框图这种控制系统结构简单，是典型的单回路控制系统。采用单冲量控制系统，进行调节一般就能满足生产要求。2.2.2

10、 液位控制系统的方案图以汽包水位为被控参数，给水量作为控制变量可构成如图所示的单回路水位控制系统，工程上也称为单冲量控制系统。这种系统的优点是所用设备少，结构简单，参数整定和使用维护方便。在如图所示的单冲量控制系统中，当锅炉蒸汽负荷（流量）突然大幅度增加时，由于假水位现象，调节器不但不及时开大给水阀来增加给水量，反而去关小调节阀的开度，减小给水量。这样由于蒸汽量增加、给水量减少使汽包存水量减少。等到假水位消失后，汽包水位会严重下降，甚至会使汽包水位降到危险的程度，以至发生事故。对于负荷变动较大的大、中型锅炉，单冲量控制系统不能保证水位稳定，难以满足水位控制要求和生产安全。而对小型锅炉，由于蒸汽

11、负荷变化时假水位的现象并不明显，如果在配上相应的一些联锁报警装置，这种单冲量控制系统也能满足生产的要求，并保证安全生产。图2.2 液位控制系统方案图2.3选择被控参数和被控变量被控参数：能在生产过程中借助自动控制保持恒定值（或按一定规律变化）的变量。控制变量：用来克服干扰对被控参数的影响，实现控制作用的变量。又称为操纵变量。最常见的操纵变量是介质的流量，也有以转速、电压等作为操纵变量的。本次实验设计的控制变量为出口流体的流量。控制变量的确定被控变量选定以后，应对工艺进行分析，找出所有影响被控变量的因素。在这些变量中，有些是可控的，有些是不可控的。1、在诸多影响被控变量的因素中选择一个对被控变量

12、影响显著且便于控制的变量，作为控制变量；2、其它未被选中的因素则视为系统的干扰。2.4选择检测仪表，说明其选择原则和仪表性能指标调节器的选型与调节规律的选择对过程控制系统的控制品质有至关重要的影响，也是过程控制系统设计的核心内容之一。调节器的输出决定于被控参数的测量值与设定值之差，被控参数的测量值与设定值变化，对输出的作用方向是相反的。过程控制中，对于调节器的正反作用的定义为：当设定值不变时，随着测量值的增加，调节器的输出也增加，则称为“正作用”方式；同样，当测量值不变，设定值减小时，调节器输出增加，称为“正作用”方式。调节阀正、反作用方式的选择是在调节阀气开、气关方式确定之后进行的，其确定原

13、则是使整个单回路构成负反馈系统。图2.2 液位控制系统流程图传感器、变送器选择 传感器、变送器完成对被控参数的检测，并将测量信号传送至控制器。测量信号是调节器进行控制的依据，被控参数迅速、准确地测量是实现高性能控制的重要条件。测量不准确或不及时，会产生失调、误调或调节不及时。因此，传感器、变送器的选择是过控系统设计中重要的一环。执行器的选择 过程控制使用最多的是由执行机构和调节阀组成的执行器。 A、调节阀工作区间的选择 B、调节阀的流量特性选择 C、调节阀的气开、气关作用方式选择 2.4.3关于给水调节阀的气开气关的选择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。如果高压蒸汽供给

14、蒸汽透平压缩机的重要负荷，为保护这些设备以选用气开(FC)阀为宜。如果蒸汽作为工艺生产中的热源时，为保护锅炉，以选用气关(FO)阀为宜。综合起来考虑，一般选带保位装置(FIJ的给水阀，即事故状态该阀停在原位。2.4.4 关于给水调节阀型号的选择关于给水调节阀型号的选择。由于流经给水阀的除氧水压力为60MPa 温度为104 ，极宜产生汽蚀现象。对于轻度汽蚀，一般给水阀的阀芯 阀座选用司钛莱合金堆焊即可。对于重度汽蚀，一般给水阀选用多级高压调节阀，使高压除氧水在流过调节阀多级节流孔后逐渐降压，而每级阀芯上只承担一部分压差，使节流后的压力在阀的部分恢复不到流体的饱和蒸汽压力，可以有效的避免汽蚀现象，

15、也有效的防止了汽蚀引起的噪声振动和对阀芯 阀座的侵蚀。2.4.5 给水流量 蒸汽流量给水流量蒸汽流量的一次元件如果选用节流装置，则差压变送器输出的信号需经开方器后再输入到加法器进行信号叠加。这样可以减少非线性对系统调节品质的影响。若是选用流量变送器则不必加开方器。它们的显示仪表的量程应选择的相同，其范围应比额定蒸汽负荷大一些，以保证锅炉在额定负荷下的给水流量有波动的余地。2.5 四个环节的工作形式对控制过程确定调节系统的方案时，要根据对象的特性和工艺要求，选择合适的调节规律，使组成的调节系统满足预期的品质指标。调节器的调节规律，即它的输出量与输入量（偏差值）之间的函数关系。P = f ( e

16、)调节器的作用是根据偏差，按规定的调节规律产生输出信号，推动执行机构，对生产过程进行调节。1、比例控制（P）适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺上没有提出无差要求的系统，2、比例积分控制（PI）适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺参数不允许有余差的系统。3、比例微分控制（PD）适用于控制通道滞后较大的系统。例如加热较慢的温度控制系统。4、比例积分微分控制（PID）适用于容量滞后较大、负荷变化大、控制质量要求较高的系统，应用最普遍的是温度控制系统与成分控制系统。第三章PID控制3.1对控制进行PID控制求出系统的传递函数，画出液位控制系统方框图。在稳定状态下,水位测量信号等于给定值,

17、水位调节器的输出,蒸汽流量及给水流量等三个信号,通过加法器得到的输出电流为: I0= K1 I1-K2 I2+ K3 I3 式中,I1 为液位调节器的输出电流;I2 为蒸汽流量变送器的电流;I3 为给水流量变送器的电流;K1 、K2 、K3 分别为加法器各通道的衰减系数。设计K2 I2= K3 I3 此时I0 正是调节阀处于正常开度时所需要的电流信号(为了安全调节阀必须用气关阀) 。假定在某一时刻,蒸汽负荷突然增加,蒸汽流量变送器的输出电流I2 相应增加,加法器的输出电流I0 就减少, 从而开大给水调节阀。但是与此同时出现了假水位现象,水位调节器输出电流I1 将增大。由于进入加法器的两个信号相

18、反, 蒸汽流量变送器的输出电流I2 会抵消一部分假水位输出电流I1 , 所以, 假水位所带来的影响将局部或全部被克服。待假水位过去,水位开始下降,水位调节器输出电流I1 开始减小, 此时, 它与蒸流量信号变化的方向相反, 因此加法器的输出电流I0 减小, 意味着要求增加给水量, 以适应新的负荷需要并补充水位的不足。图3.1 液位控制系统方框图3.2整定PID理论参数调节器参数的工程整定方法在控制系统设计或安装完毕后，被控对象、测量变送器和执行器这三部分的特性就完全确定了，不能任意改变。只能通过控制器参数的工程整定，来调整控制系统的稳定性和控制质量。控制器参数的整定，就是按照已定的控制方案，求取

19、使控制质量最好的控制器参数值。具体来说，就是确定最合适的控制器比例度P、积分时间TI，和微分时间TD。1）稳定边界法（临界比例度法） 属于闭环整定方法，根据纯比例控制系统临界振荡试验所得数据（临界比例度Pm和振荡周期Tm），按经验公式求出调节器的整定参数。（1） 若置调节器Ti® ¥，Td=0，比例度P ®较大值，将系统投入运行。（2） 逐渐减小P ，加干扰观察，直到出现等幅减振荡为止。记录此时的临界值Pm和Tm。y(t)Tm 系统临界振荡曲线t 图3.2 液位控制系统图根据Pm和Tm，按经验公式计算出控制器的参数整定值第四章 仿真4.1对锅炉汽包水位进行simulink仿真稳定边界法： 图4.1比例控制图图4.4 比例控制 simulink仿真结果 图4.3系统