锅炉汽包水位控制系统的设计

1、锅炉汽包水位控制系统的设计i字/孝上挈本科生课程设计（论文）目录第1章绪论11.1 锅炉汽包水位自动控制的意义11.2 锅炉液位控制的难点1第2章方案论证22.1 单冲量控制系统22.2 双冲量控制系统22.3 三冲量控制系统2第3章硬件设计53.1 液位变送器的选择53.2 压力传感器/变送器63.3 控制器的选择63.4 执行器的选择73.5 控制器的作用方式83.6 阀的开闭选择形式8第4章软件设计94.1 PID对控制的影响94.2 PID控制器的参数整定94.3 锅炉汽包水位的三冲量用级PID控制系统仿真11第5章总结14参考文献15小e票本科生课程设计（论文）第1章绪论1.1 锅炉

2、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

3、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。1.2 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c调整过量会导致流量回路动作频繁，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

4、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。1本科生课程设计（论文）第2章方案论证锅炉汽包水位的控制方案：根据锅炉汽包水位特性，选取锅炉汽包水位为被控量，给水流量为控制量，蒸汽流量和给水流量为干扰量，通过控制给水量来使锅炉汽包水位维持在满足负荷需求的高度。同时，为保证锅炉安全生产，调节节水量的执行机构选取气关式。2.1 单冲量控制系统所谓单冲量就是指锅炉汽包水位为

5、被控参数，给水量作为控制变量可构成的单回路控制系统，如图2-1所示。当蒸汽用量突然增加时，应该加大给水量以满足负荷需求；但是由于假水位现象，导致控制器会先减小给水量来抑制瞬间的水位升高，随着假水位消失，汽包水位会在负荷增加和给水量减少的双重作用下，产生严重的水位下降，甚至发生危险。对于小型锅炉，由于蒸汽负荷变化时假水位的现象不明显，如果再配上一些联锁报警装置，这种单冲量控制系统能满足要求。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。因此，该控制方案不适用于负荷变动较大的情况。2.2 双冲量控制系统蒸汽流量是影响汽包水位最主要的扰动，也是造成假

6、水位的主要因素。如果将蒸汽流量这一可测不可控的干扰作为前馈引入单冲量系统，就可以有效避免假水位引起的误动作，并及时控制水位，减小水位波动。由此，构成如图2.2所示的双冲量控制系统，其本质为前馈-反馈复合控制系统，即给水量不仅取决于汽包水位，还受到蒸汽用量影响。可见，该控制方案能有效适应负荷需求变化，但对给水系统中的水压等干扰因素造成的波动不能及时抑制。2.3 三冲量控制系统为进一步改善控制品质，引入给水流量信号，构成三冲量控制系统，如图2.3所示。所谓三冲量，值得是引入了三个测量信号：汽包水位、给水流量和蒸汽流量。三冲量控制本质上时前馈-申级复合控制系统：主回路实现水位调节，副回路使给水流量能

7、适应负荷和水位要求。24女n本科生课程设计（论文）在稳定状态下，液位测量信号为给定值，液位调节器的输出，蒸汽流量及给水流量三个信号通过加法器得到输出电流。若在某一时刻，蒸汽负荷突然增加，蒸汽流量变送器的输出电流增加，加法器的输出电流减少，从而会开大给水调节阀，与此同时出现了虚假液位现象，液位调节器输出电流将增大。由于进入加法器的两个信号相反，蒸汽流量变送器的输出电流会抵消一部分虚假液位输出电流，所以虚假液位所带来的影响将局部或全部被抵消。待虚假液位过去，水位开始下降，液位调节器输出电流开始减小，此时它与蒸汽流量信号变化的方向相反，因此加法器的输出电流减小，此时要求增加给水量以适应新的负荷需要并

8、补充液位的不足。调节过程进行到液面重新稳定在给定值，给水量和蒸发量达到新的平衡为止。当蒸汽负荷不变，给水量本身因压力波动而变化时，加法器的输出相应变化，调节阀门开度直至给水量恢复到所需的数值为止。由于引进了蒸汽流量和给水流量两个辅助冲量，起到了“超前信号”的作用，使给水阀一开始就向正确的方向移动，因而可减小液位的波动幅度，抵消虚假液位的影响，并可缩短过渡过程时间。图2.4为三冲量液位调节方框图。三冲量调节系统能及时克服负荷（蒸汽量）和给水流量的干扰作用，调节精度较高，适用于汽包容积较小、负荷和给水干扰较大的场合。目前已得到了应用，实践证明效果良好。蒸汽蒸汽LTLTFTTTTT省LC省TTFC煤

9、C煤C器C器2LC给水给水图2.1单冲量控制系统图2.2双冲量控制系统3本科生课程设计（论文）蒸汽蒸水给汽位水LTTF1LCLC省FC1煤+CO+OC01LF器FC2给2FC2给水水图2.3三冲量控制系统图2.4三冲量控制系统连接关系蒸汽流量D蒸汽流量变送器给水液位流量水位给定值流量调节阀气泡调节调节2+水位器（主）器（副）流量变送器液位变送器图2.5三冲量液位控制系统框匿4本科生课程设计（论文）第3章硬件设计3.1 液位变送器的选择选才？TK3051L液位变送器，如图3.1（1）工作原理：工作时高低压侧的隔离膜片和灌充液将过程压力传给灌充液，接着灌充液将压力传递到传感器中心的传感膜片上。传感

10、膜片是一个张紧的弹性元件，其位移随所受压而变化（对于GP表压变送器，大气压如同施加在传感膜片上的低压侧一样）。AP绝压变送器，低压侧始终保持一个参考压力。传感膜片的最大位移量为0.004英寸（0.1毫米），且位移量与压力成正比。两侧的电容板极检测传感膜片的位置。传感膜片和电容极板之间电容的差值被转换为相应的电流，电压或数字HART（速可寻址远程发送器数据公路）输出信号。特点：完整的变送系列；测量范围：0-0.5inH20至6000psig;结构小巧、坚固、抗震；模块化结构；阻尼可调；多种选项，量应用灵活；智能，模拟或低耗电路；电气连接及安装：配有多种过程连接器和安装法兰a液位测量精度达0.07

11、5%b校验量程从2.5inH20至8310inH20c平面式，2-,4-,与6英寸伸出式膜片d多种可选灌充液，可满足不同场合要求e小巧而质轻，易于安装与维护f接液件材料：不锈钢，哈氏合金钥图3.1TK3051L液位变送器5本科生课程设计（论文）3.2 压力传感器/变送器PTH501/502/503/504压力传感器/变送器采用全不锈钢封焊结构，具有良的防潮能力及优异的介质兼容性。广泛用于工业设备、水利、化工、医疗、电力、空调、金刚石压机、冶金、车辆制动、楼宇供水等压力测量与控制量程:-0.10,1,150（MPa）综合精度：0.1%FS、0.2%FS0.5%FS1.0%FS输出信号：4,20m

12、A（二线制）、0,5V、1,5V、0,10V（三线制）供电电压：24DCV（9,36DCV）介质温度：-20,85,150?环境温度：常温（-20,85?）负载电阻：电流输出型：最大800Q;电压输出型：大于50KQ绝缘电阻：大于2000收（100VDC密封等级:IP65长期稳定性能：0.1%FS/年振动影响：在机械振动频率20Hz,1000Hz内，输出变化小于0.1%FS电气接口（信号接口）：四芯屏蔽线、四芯航空接插件、紧线螺母机械连接（螺纹接口）：1/2-20UNF、M14X1.5、M20X1.5、M22X1.5等，其它螺纹可依据客户要求设计图3.2压力传感器/变送器3.3 控制器的选择采

13、用上海万讯仪表有限公司生产的AI系列全通用人工智能调节仪表，其中SA-12智能调节仪控制挂件为AI-818,SA-13智能位式调节仪为AI-708型。AI-818型仪表为PID控制型，输出为420mAD桔号。AI-708型仪表为位式控制型，输出为继电器触点型开关信号。AI系列仪表通过RS48期口通信协议与上位计6本科生课程设计（论文）算机通讯，从而实现系统的实时监控。AI仪表常用参数设置：CtrL:控制方式。CtrL=0,采用位式控制；CtrL=1,采用AI人工智能调节/PID调节;CtrL=2,启动自整定参数功能；CtrL=3;自整定结束。Sn:输入规格。Sn=21,Pt100热电阻输入；S

14、n=32,0.21VDC电压输入；Sn=33,15VDC4压输入。DIL:输入下显示值，一般DIL=0.DIH:输入上限显示值。输入为液位信号时，DIH=50;输入为热电阻信号时，DIH=100;输入为流量信号时，DIH=100.OPI：输出方式，一般为420mAfe性电流输出。CF:系统功能选择。CF=M内部给定，反作用调节；CF=1为内部给定，正作用调节;CF=8为外部给定，反作用调节；CF=9为外部给定，正作用调节。Addr:通讯地址。单回路实验Addr=1;用级实验主控Addr=1;副控为Addr=2;三闭环实验主控为Addr=1,副控为Addr=2,内环为Addr=3。实验中各仪表通

15、讯地址不允许相同。P、I、D参数可根据实验需要调整。图3.3智能调节仪表3.4 执行器的选择RZX国新系列气动调节阀采用顶导向结构，配用多弹簧执行机构。具有结构紧凑、重量轻、动作灵敏、充体通道呈S流线型、压降损失小、阀容量大、流量特性精确、拆装方便等优点。广泛应用于精确控制气体、液体等介质，气动调节阀的工艺参数如压力、流量、温度、液位保持在给定值。特别适用于允许泄漏量小阀前后压差不大的工作场合。7本科生课程设计（论文）本系列产品的标准型、调节切断型、波纹管密封型、夹套保温型等多种品种。产品公称压力等级有PN1Q16、40、64;阀体口径范围DN20200适用流体温由-200?560?£

16、;围内多种档次。泄漏量标准有IV级或VI级。流量特性为线性或等百分比。多种多样的品种规格可供选择。图3.4RZXP型新系列气动调节阀3.5 控制器的作用方式当设定值不变时，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；当测量值不变时，设定值减小时，调节器输出也增加，称为“正作用”方式；如果测量值增加或设定值减小时，调节器输出减小，则称为“反作用”方式。经分析此系统为正作用方式。3.6 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

17、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。84九4攵挈本科生课程设计（论文）第4章软件设计4.1PID对控制的影响(1) 比例 P 调节uKe=p在P调节中，调节器的输出信号与偏差信号成比例，即比例调节是有差调节，比例调节的残差随着比例带的加大而加大d=1Kp称为比例带，其中KP为比例系数。人们希望尽量减小比例带，然而，减小比例带就等于加大调节系统的开环增益，其后果是导致系统的激烈振荡甚至不稳定。稳定性是任何闭环系统的首要要求，比例带的设置必须保证系统具有一定的稳定裕度。比例带具有一个临界值，此时系统处于稳

18、定边界的情况，进一步减小比例带系统就不稳定了。(2) 积分I调节du在I调节中，调节的输出信号的变化速度与偏差信号e成正比，即dtdu=Se0称为积分速度，其中TI为积分时间常数。dt增大积分速度将会降低控制系统的稳定程度，直至出现发散的振荡过程。I调节是无差调节，只有当被调量偏差为零时，I调节的输出才保持不变。I调节的稳定作用比P调节差,如果只采用I调节不可能得到稳定的系统，且振荡频率较低。(3)微分D调节deuT=DD调节中的输出与被调量或其偏差对于时间的导数成正比，即。dtTD为微分时间。微分的作用在于改善系统的动态特性。单纯的微分调节器是不能工作的。因此微分调节只能起辅助的调节作用，与

19、P结合PD或与PI构成PID调节。总之，PID控制器中，比例环节主要减少偏差；积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度;微分调节能加快系统的动作速度，减少调节时间。2.2 PID控制器的参数整定控制器的参数整定对系统的控制质量起到了决定性的作用。确定控制器最佳过渡过程中的比例带6,积分时间TI和微分时间TD的数值称为控制器参数整定。控制器参数整定的方法，在工程上常用的有以下几种工程整定法9本科生课程设计(论文)(1)经验法：其整定参数的顺序是，先整定比例带6,待过渡过程稳定后再加入积分作用以消除余差，最后加入微分，以加快过渡过程，进一步提高控制质量。PID控制器的经验法整定：先将TD置为0,

20、置TI为？，先整定比例带使之达到4:1衰减过程，然后将比例带放大(10%-20%),而积分时间TI由大到小逐步加入，直至达到4:1的衰减过程，然后将比例带减小到比原值小(10%-20%)的位置，而积分时间也适当减小，再把TD由小到大加入，观察曲线，直到满意的过程为止。(2)稳定边界法：这是一种闭环的整定方法。具体步骤如下：置控制器积分时。间逐渐减小比例带，直到系统出现等幅振荡，即临界振荡过程如图4.1录此时的临界比例带6K及两个波峰的时间TK利用6K和TK值，按稳定边界法计算表给出的相应公式求出控制器的稳定参数6、TI、TD(3)衰减曲线法：它是在经验法和稳定边界潜藏顾虑，针对它们的不足，反复

21、实验而得出的一种参数整方法。具体步骤如下：将控制器积分时间TI为最大值，微分时间为0,在纯比例作用下，系统试运行。待系统稳定后，作设定值阶跃扰动，并观察系统响应如图4.1。若系统响应衰减太快，则减小比例带，反之，则增大比例带。直到系统出现4:1的衰减振荡过程，记下此时的比例带和TS的数值。利用4:1衰减整定参数表求得控制器的PID数值。将比例带放到比计算值大一些的数值上，然后把积分时间按计算值加入，再把微分时间加入，最后把比例带减小到计算值，观察过渡过程曲线，调整到满意的结果。rrrr00tttyy10400TtTtks图4.110i夕/4上挈本科生课程设计(论文)2.3 锅炉汽包水位的三冲量

22、用级PID控制系统仿真1、试验得到下列近似传递函数及系数(1)给水流量的传递函数：0.037(3-14)Gs=()pss+(301)(2)蒸汽流量的传递函数：(3-15)3.60.037Gs=-()Dss+151(3)变送器的比例系数：水位变化范围为？50mm水位变送器白电流变化为0-10mA所以水位变送器1的比例系数为：0.01K=H250*KK=0.015给水流量和蒸汽流量变送器的比例系数为：。DW2、通过估算及仿真实验得到：根据，给水流量信号和蒸汽流量信nKnK=DDWW号的分流系数为:0.21。PID控制器的参数采用逐步逼近法，通过仿真实验得到：KKK=0.35,0.002,0.001

23、PID(1)主控制器的PID参数为：KKK=5,150,0.001(2)副控制器的PID参数为:PID3、汽包水位三冲量用级PID控制系统0.037Gs=（）p控制系统如图4.1所示，在水位传递函数为仿真结果如ss+（301）0.037Gs=（）p图4.2所示。在水位传递函数为的仿真结果如图4.3所ss+（801）4、汽包水位双冲量PID控制系统若汽包水位采用双冲量单级PID控制系统，控制系统如图3-18所示。对其在无、有干扰情况下进行仿真。仿真结果与三冲量PID进行比较如图3-19、3-20所示。从控制系统仿真曲线图可以看出（1）采用PID控制器，系统的静态特性较好（2）三冲量控制与双冲量，采用三冲量系统对干扰有很好有控制能力（3）用级系统对系统内的干扰有较强的控制能力。（4）当对象参数发生改变时，系统发11i才/44挈本科生课程设计（论文）生巨大响应，超调量