锅炉汽包水位控制系统设计61506

1、南华大学过程限制仪表课程设计设计题目锅炉汽包水位限制系统设计学生姓名欧鹏专业班级自动化1201学号20214460140指导老师一_刘冲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儿十万台,由于设备分散、治理不善或技术原因,使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.锅炉的建模与限制问题一直是人们关注的焦点,而汽包水位是工锅炉平安、稳定运行的重要指标,保证水位限制在给定范围内,对于高蒸汽品质、减少设备损耗和运行损耗、保证整个网络平安运行具有要意义.锅炉汽包水位高度,是保证平安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.由于现代锅炉的特点之一就是蒸发

2、量显著提升,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,这是由于水位过低,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,必须严格限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平安运行的必要条件,也是锅炉正常运行的主要指标之一.水位过高,会影响汽包内汽水别离效果,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

3、过热器管壁和汽轮机叶片上的结垢.水位过低,那么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.汽包水位的限制是锅炉限制的一个难点,目前,对汽包水位限制大多采用常规PID限制方式,传统的常规PID限制方式是根据限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限制的参数是固定不变的,难以适应各种扰动及对象变化,其限制效果往往难以满足要求,

4、限制效果不理想.目录1 .绪论11.1 锅炉的工作过程简介11.2 锅炉汽包水位自动限制的意义21.3 锅炉液位限制的难点22 .汽包锅炉水位限制系统的设计32.1 概述32.2 单冲量限制系统32.3 双冲量限制系统42.4 三冲量控制系统52.4.1 单级三冲量限制系统52.4.2 串级三冲量限制系统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83-4串级三冲量的框图93.3 件选择4J流量传感器选择104.2 水位传感器选择104.3 电机的选择104.4 接触器的选择104.5 阀的开闭选择形式105.PID参数的整定和S

5、IMULINK仿真115.1 串级三冲量仿真电路图的搭建125.2 串级三冲量PID参数的整定135.3 3仿真分析14总结15参考文献161.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镭、化学反响、枯燥等过程提供热源,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“炉两局部组成的.“锅就是锅炉的汽水系统,如下图.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

6、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,乂经炉膛四周的水冷壁进入上联箱,随即乂回入汽包.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,一局部蒸发成蒸汽,成为汽水混合物.汽水混合物在汽包中别离成水和汽,水和给水一起再进入下降管参加循环,汽那么由汽包顶部的管子引往过热器,蒸汽在过热器中吸热、升温到达规定温度,成为合格蒸汽送入蒸汽母管.图1.1锅炉的汽水系统燃烧室“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

7、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,聚集到蒸汽母管.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 锅炉汽包水位自动限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平安运行的必要条件,也是锅炉正常运行的主要指标之一.水位过高,会影响汽包内汽水别离效果,使汽包出口的饱和蒸汽带水增多,蒸汽带水会

8、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,那么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 锅炉液位限制的难点液位的限制技术是通过限制进水或出水阀门的开度,改变水流量来实现的,而水温的限制是通过调节加热的功率来实现的.锅炉液位的限制是锅炉限制系统较为重要和比拟难于限制的一项.由于在锅炉运行过程中存在进水量和出

9、水量的变化,所以很难通过调整PID限制器参数来满足所有的运行条件,获得理想的限制效果.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.这样就导致液位限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平安问题.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限制.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.蒸汽流出量的忽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

10、锅炉水位限制系统的设计2.1 概述汽包水位的限制问题伴随着锅炉的出现而出现,长久以来一直是限制领域的一个典型的难问题.随着限制理论、限制技术和现代限制方法的开展,锅炉自动化限制的水平也在逐渐提升.其间主要经历了上世纪三四十年代单参数仪表限制,四五十年代单元组合仪表综合参数仪表限制,以及六十年代兴起的计算机限制等几个阶段.通常有如下几种方案：1单冲量限制系统.即汽包水位的单回路水位限制系统；2双冲量限制系统.即在单冲量系统的根底上引入了蒸汽流量信号；3三冲量限制系统.是在双冲量系统的根底上再引入给水流量信号而构成.2.2 单冲量限制系统单冲量水位限制系统以汽包水位作为唯一的限制信号,冲量即变量.

11、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Ho的偏差,通过执行器去限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.U图2.1单冲量限制系统框图这种限制系统结构简单,是典型的单回路定制限制系统.对于水在汽包内的停留时间较长,且负荷乂比拟稳定,“虚假水位现象不严重的情况下,采用单冲量限制系统,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,在汽包容量比拟大、水位在受到扰动后的反响速度比拟慢、“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

12、量限制方案只根据水位信号限制给水量,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限制信号,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,而在调节器动作后乂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 双冲量限制系统在汽包的水位限制中,最主要的扰动是负荷的变化.双冲量限制

13、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-反响限制系统.系统框图为图2.2所示.图2.2双冲量限制系统框图双冲量限制系统的优点是：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,能够改善限制系统的静态特性,提升限制质量.双冲量限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 三冲量限制系统2.4-1单级三冲量限制系统三

14、冲量锅炉汽包给水自动限制系统,是以汽包水位H为主限制信号,蒸汽流量D为前馈限制信号,给水流量W为反响限制信号组成的限制系统.三冲量限制系统采用蒸汽量进行前馈限制.当负荷蒸汽流量忽然发生变化,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响信号,能使调节器及早知道限制的效果,所以使用三冲量限制系统,能使调节器动作加快,还可以E谶,懒麻包登藕麻图2.3单级三冲量限制系统框图从系统框图可以看出,单级三冲量

15、限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限制质量,且不影响闭合回路工作的稳定性.所以三冲量限制的实质是前馈加反响的限制系统.单级三冲量限制系统具有如下优点：相对单冲量和双冲量限制系统,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,能有效地防止“虚假水位现象.与单冲量和双冲量相比,最大的缺乏是,系统本钱高,系统复杂,不容易整定.242串级三冲量限制系统随着生产过程向着大型、连续和强化的方向开展,对操作的要求更加严格,参数间

16、相互关系更加复杂,对限制的精度和功能提出新的要求.为此,需要在单回路的根底上,采取其它举措,组成复杂限制系统.如下图的三冲量用级限制系统框图中,主调节器接受水位信号作为主控信号和蒸汽流量信号去限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限制,当蒸汽负荷忽然发生变化时,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冏动作后的反馈信号,能使调节器及早知道限制的效果,做出相应的调整.系统框图

17、为图2.4所示.图2.4串级三冲量限制系统框图在实际应用中,由于选定的限制阀门不一样,吊级三冲量作为限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忽然增加的瞬间,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,这是由于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局部热量,使水面下的汽泡容积有所减少.事实上也就是由于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,使一局部汽变成了水,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

18、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：给水扰动刚刚参加时,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：d2hdh(dUwf

19、dUDdrdtdtJdt)(3.1)式中：h为汽包水位的高度；%为给水流量项的时间常数;C为蒸汽流量项的时间常数;K,为蒸汽流量项的放大倍数;岂、为时间常数.同时U.、Uw的式子如下：UD=/DMAXUr=MV/Dmax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：中2察+碎=和警+drmat（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：G_-

20、K、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,但水位不是下降反而迅速上升；负荷忽然减小时,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,燃料忽然减小时如锅炉灭火,“虚假水位约在24分钟内即到达最低值.在外部负荷忽然减小时如汽轮机甩负荷,“虚假水位约在20秒内即到达最低值,并且,“虚假水位到达最低值的时间和负荷到达的最低值的时间根本相同.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

21、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：依爷+吟=不曾叫35对上式方程进行拉氏变换,并令k=k“2-访用、r=7/K.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:GKDUd(S)T2S+lIS3.63.3 限制变量确实定由于现场采集数据实现比拟困难,这里我们设定锅炉的吨位为35t,并且取&=0.8,=25,于是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：G_0.08HUwsS+TaSsl+25S3.7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：GS-HS-K1-5008DUDT2s+1TS25S+1S3834串级三冲量的框图蒸汽图3.2汽包水位

22、三冲量限制系统框图从系统框图可以看出,单级三冲量限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限制质量,且不影响闭合回路工作的稳定性.所以三冲量限制的实质是前馈加反响的限制系统.4硬件选择4.1 流量传感器选择根据限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限制质量,因此合理的选择流量传感器能够有效的改善整个系统的限制质量.上海正博自动化仪表生产的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

23、量计,它具有测量范围广、压损小、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限制水位稳定,而整个限制系统的根底是对水位的准确测量,因此水位能否准确测量直接关系到限制质量的优劣.合理的选择水位传感器在水位限制系统的设计中有关键作用.假设汽包水位应该限制在3oowmm,根据过程限制仪表量程选择原那么：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：4.045.mm.而且汽包水位应该限制在3.010mm,因此所选水位传感器的精度应该高于io/45O=2.2%FS,因此选择该测

24、量精度才可以满足要求.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.假设限制的锅炉蒸发量为：35t/h,汽包压力0.5MP,管道直径5omm因此可以对正常工作时电机的功率作如下估算：门35000x10m/x500000x3.14x2.52“,、P=、95Kw4.136005x10000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3

25、8.工额定功率为wokwo44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：100/Cvv71x3801,8152442因此根据设计的要求浙江宏立电器生产的HLC-3X系列空调接触器主要适用于50Hz或6oHz、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,适用于起动和限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

26、平安角度考虑的,人员安全、生产平安、系统设备平安的需要为首要依据.由于工业生产过程的调节阀绝大局部为气动调节阀,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,防止爆炸等事故的发生.5PID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串级三冲量仿真电路图5.2 串级三冲量PID参数的整定根据工程整定及经验公式法粗略估算主限制器的P=2.,1=1,D=6.,副控制器根据阶跃扰动信号粗略计算得到P=16,1=3.,D=0.5.根据上述参数输入控制器.得到的限制图像如下列图5.2所示：图

27、5.2限制图像通过图像可以看出在该参数限制下,系统存在较大的超调和震荡,因此我采用增大微分作用和减弱积分时间的方法来提升系统的稳定性.改良参数如下列图5-3和5.4所示：图5.3主限制器PIDThisblockinplclientscontinuous-anddiscrete-tineP1Dcontrolalgorithnsandincludesadvancedfeaturessuclas2inti-windup.cxlcinalreset,andsignaltracking.YoucantunethePIDgainsautonaticallyusingtheIunc,button(requi

28、resSimulinkCon,ttrolDesign).Controller;PIDFoiji;ParallelPinedoaain:.ContinuoiKS-1ineQDiscrete-timeMainPIDAdvancedDataTypesStsrteAttributesControllerparanctcrsProporlional(P)：IdEJC-nncnfftcicfcirmnl,Integral(I):Derivalive(D):Filtercoefficient10014-.V1IniiialconditionsSource:irrtcmalIntecraior：0OKICancelHeId1IAddIy图5.4副限制器PID改良限制参数后限制图像如下列图5.2所示:图5.5改良后限制图像5.3 仿真分析主回路是用于校正水位偏差的,副回路的作用那么是快速消除内扰,前馈通路用于补偿外扰,克服虚假水位现象.在吊级三冲量给水限制系统中给水流量扰动是内扰,串级三冲量给水限制系统中主调节器的任务是校正水