锅炉水位单回路控制系统

1、锅炉是化工、炼油、发电等工业生产过程中必不可少的重要动力设备。锅炉控制的目的 是供给合格的蒸汽，使锅炉产气量适应符合的需要，同时保证燃烧的经济性、安全性。液位 控制技术作为锅炉系统控制中较为重要的一项技术，也成为了锅炉制造企业技术含量的衡量 点。锅炉液位是通过操纵流进量或流出量来控制的，因此其液位被认为是比较容易控制的回 路。但是，在实际生产运行中，锅炉的液位控制直接影响了锅炉是否正常运行以及运行的安 全状况。1、锅炉汽包液位控制必要性在实际生产运行中，锅炉是一个复杂的被控对象，主要输入变量包括符合的蒸汽需求量、 给水量、燃料量、减温水量、送风量和引风量等；主要输出变量有锅筒水位、蒸汽压力、过

2、 热蒸汽温度、炉膛负压、过剩空气（烟气含氧量）等如果蒸汽符合变化或给水量发生变化， 会引起锅筒水位、蒸汽压力和过热蒸汽温度等的变化；而燃料量的变化不仅影响蒸汽压力， 还会影响锅筒水位、过热蒸汽温度、过剩空气和炉膛负压、可见，锅炉是一个具有多输入、 多输出且变量之间相互关联的被控对象。由于负荷、燃烧工况及给水流量的变化，汽包水位会经常变化。众所周知，水位过高或 急剧波动会引起蒸汽品质恶化和带水，造成受热面结盐，严重时会导致汽轮机水冲击振动、 叶片损坏；水位过低会引起排污失效，炉内加药进入蒸汽，甚至引起下降管带汽，影响炉水 循环工况，造成炉管大面积爆破。由于汽包水位测量和控制问题而造成的上述恶性事

3、故的情 况时有发生，严重影响火电厂运行的安全性。锅炉运行中，我们是通过水位测量系统来监视 和控制汽包水位的。当汽包水位超出正常运行范围时，报警系统将发出报警信号，保护系统 将立即采取必要的保护措施，以确保锅炉和汽轮机的安全。因此，锅炉汽包水位测量系统是 机组安全运行的极端重要的系统。7 S8 r* x+根据锅炉汽包水位测量的重要性和测量技术的特点，锅炉汽包水位测量系统至少应满足 下列基本要求：1.准确性好：众所周知，锅炉汽包水位相对主蒸汽压力、温度这类参数而 言，并不是需要精确控制的参数，一般情况下，二个汽包水位测量示值偏差在30mm以内是可 以接受的。而在正常条件下保持这样的精确度不是十分困

4、难的。但是，由于汽包水位测量对 象十分复杂，而汽包水位测量采用的联通管式或差压式测量原理，使得汽包压力和测量参比 条件变化时会造成远远超出上述要求的非常大的误差。所以长期以来，保证汽包水位测量准 确性一直是摆在我们面前的一个难点和关键问题。2.可靠性高：汽包水位测量系统应从取 样开始，到信号转换控制和保护回路，以及供电回路均应十分可靠。此外，除了提高装置本 身的可靠性外，还应提高系统的可靠性，包括对汽包水位测量、控制和保护系统的配置应采 取严格的冗余要求，应采用两种或以上工作原理共存的配置原则；锅炉汽包水位控制和保护 用的水位测量信号应采取三重冗余等。3.维护性好：锅炉汽包水位测量系统的维护应

5、简单、 维护工作量应尽可能少，而且应便于进行在线实际水位信号的保护联动试验等。2、锅炉汽包水位特性及控制湛切母nl3*，博下峰图1锅炉汽水系统原理图2.1锅炉汽包水位特性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

6、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 水位不仅受汽包中储水量的影响，亦受水位下汽泡容积的影响。而水位下汽泡容积与锅炉的 负荷、蒸汽压力、炉膛热负荷等有关。因此，影响水位变化的因素很多，其中主要是锅炉蒸 发量即蒸汽流量D和给水流量W。2.2汽包水位在给水流量W作用下的动态特性图2是锅炉汽包水位在给水流量作用下，水位的阶跃响应曲线。把汽包水位看作单容量 无自衡过程，水位的阶跃响应曲线如图中的Hl线。图2给水流量作用

7、下水位阶跃响应但是由于给水温度比汽包内饱和水的温度低，所以给水流量增加后，从原有饱和水中吸 收部分热量，这使得水位下汽泡容积有所减少，当水位下汽泡容积的变化过程逐渐平衡时， 水位的变化就完全反映了由于汽包中储水量的增加而逐渐上升。因此，实际水位曲线如图中 的万线，即当给水量作阶跃变化后，汽包水位一开始不立即增加，而要呈现出一段起始惯性 段。用传递函数表示时，它近似于一个积分环节和时滞环节的串联。系统特性可表示为 ：G1(s)=k1S (T S + 1) n12-1式中K1反应速度，即给水流量改变单位流量时水位的变化速度，单位为毫米/秒或(吨 /小时)。从式2-1可知，汽包水位在给水流量作用下的

8、动态特性由一个积分环节和一个滞后 环节所组成，Kl、T1的数值可通过实验测试求得，数值的大小同锅炉的结构有关。有些锅炉 当给水量增加时，在较长的一段时间里，汽包水位并不增加，有一较长的起始惯性段，对于 这种锅炉用式2-1来表示它的动态特性，误差较大，这时可选用下面近似计算：2-2式中，T 一给水量扰动后的纯滞后时间，对非沸腾式省煤器的锅炉，T这时为30至 100秒;对于沸腾式省煤器的锅炉，T为100至200秒;K0水位的反应速度。给水温度越低， 时滞T亦越大。由此可见，汽包水位调节对象的动态特性可以有二种形式:反应曲线变化最 快的可用式(2-1)表示，这时的动态特性可以等效为一个积分环节和一个

9、惯性环节相串联；另 外也可用式(2-2)表示，相当于一个积分环节和一个纯滞后环节的串联。对于不同的锅炉设备， 究竟采用何种形式的传递函数来表示它的动态特性，还要根据具体条件来定，原则是:表达特中北大学课程设计说明书 性最符合实际情况、传递函数式尽可能地简单。总之，汽包水位调节对象在给水量作用下， 具有纯迟延和惯性，无自衡能力。具体特性可用二种形式来描述，究竟采用何种形式，可根 据锅炉结构和汽化强度来定。2.3汽包水位在蒸汽流量D扰动下的动态特性在蒸汽流量刀扰动作用下，水位的阶跃响应曲线如图3所示。当蒸汽流量突然增加，从 锅炉的物料平衡关系看，蒸汽流量D大于给水量矶水位应下降，如图中曲线H1。但

10、实际并非 如此，由于蒸汽用量增加，瞬间导致汽包压力的下降。汽包内水的沸腾突然加剧，水中汽泡 迅速增加，由于汽泡容积增加而使水位变化的曲线如图中的H2线。因此，实际的水位曲线为 H1+H2，即为图中的H。从图中可以看出，当蒸汽负荷增加时，水位不仅不下降反而上升，然 后再下降（反之，蒸汽流量突然减少时，则水位先下降，然后再上升），这种现象称之为“虚 假水位”。当汽水混合物中汽泡容积与负荷相适应达到稳定后，水位才反映出物料的不平衡， 开始下降。应该指出，当负荷阶跃改变时，水面下汽泡容积变化引起的水位变化是很快的， 图2.2中H2的时间常数只有1020秒。蒸汽流量扰动时，水位变化的动态特性可表示为：G

11、2( s)=H (s)=七 * k 2D (s) S (T S + 1) n2-3式中，Kf 一一响应速度，即蒸汽流量变化单位流量时，水位的变化速度，单位为毫米/ 秒或（吨/小时）。K2 一一响应曲线玩的放大系数T2 一一响应曲线的时间常数图3蒸汽流量扰动下水位阶跃响应“虚假水位”变化的幅度与锅炉的汽压与蒸汽量有关，对于一般100 一 230吨/小时的中 高压锅炉，如负荷阶跃变化10%时，“虚假水位”现象可使水位变化达30 一 40毫米。由于“虚中北大学课程设计说明书 假水位”现象属于反向特性，其出现的水位最大偏差很难依靠调节来克服，如果要求水位波 动不能太大，只有限制负荷D的变化速度或限制负

12、荷一次变化量。由此可见，汽包水位调节 对象在蒸汽流量扰动下，非但没有自平衡能力，而且存在着“虚假水位”现象，“虚假水位” 的变化速度很快，变化幅度与蒸发量扰动大小成正比，也与压力变化速度成正比，在设计调 节系统时必须考虑。在蒸汽负荷不变而给水流量变化的情况下，汽包水位的动态微分方程可以表示为：T 丁 d2 h 丁 dH 丁 du 1 2 dt 1 dt W dt W W对上式进行拉普拉斯变换，可得：TT s2H (s) + T sH (s) = -(T U (s) + K U (s)1 21D DD D于是，我们得到汽包水位在给水流晕作用下的传递函数：g ( s ) = Q = K U (S)

13、 TS (T S + 1)对于中压(蒸汽压力2.0MPa)以下锅炉，Tw一般较小，可以忽略不计。故上式可以化简 为：可以简化为：G (S)=KWS (T S + 1)2.4单冲量控制方式单冲量水位控制方式原理图及方框图如图5所示。它是汽包水位自动调节中最简单、最 基本的一种形式。它引入汽包水位作为反馈量，是典型的单回路定值控制系统。此方式将水 位测量信号经变送器送到水位调节器，水位调节器根据水位测量值与给定值的偏差去控制给 水阀门，改变给水量来保持汽包水位在允许的操作范围内。这种控制方式，在停留时间较长， 负荷也比较稳定的场合，再配上一些联锁报替装置，也可以保证安全操作.但在停留时间较短， 负

14、荷变化较大时，采用此方式就不合适。这是由于：负荷变化时产生的“虚假水位”，将使调节器反向错误动作，负荷增大时反向关小给水调 节阀，一到闪急汽化平息下来，将使水位严重下降，波动很大，动态品质很差。负荷变化时，控制作用缓慢。即使“虚假水位”现象不严重，从负荷变化到水位下降要 有一个过程，再由水位变化到阀动作己滞后一段时间。如果水位过程时间常数很小，偏差必 然相当显著。（3）给水系统出现扰动时，阀门动作缓慢。假定给水泵的压力发生变化，进水流量立即变化， 然而到水位发生偏差而调节阀动作，同样不够及时。总之，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、

15、“假水位”现象不 很严重的场合，采用单冲量水位调节是能够满足生产要求的。3、仪表的选型3.1单冲量连续给水调节仪SZD-S-4（竖式）系列单冲量连续给水调节仪是最新研制的给水调节仪，体积小，具有报 警消音功能、数字显示、双色双光柱显示等。应用于1 35T/h，压力2.5Mpa各类锅炉炉筒 水位指示和控制，具有水位高、低、和危低极限声光报警及触点输出，手动、自动切换，和 电动执行器配套使用，能实现锅炉连续给水调节（仪表内含伺服放大器），维持锅炉水位正常， 延长锅炉使用寿命，是安全生产的自控仪表。3.2液位差压变送器差压变送器的基本原理是、将一个空间用敏感元件（多用膜盒）分割成两个腔室，分别 向两

16、个腔室引入压力时，传感器在两方压力共同作用下产生位移（或位移的趋势），这个位移 量和两个腔室压力差（差压）成正比，将这种位移转换成可以反映差压大小的标准信号输出。4、单冲量单回路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只与给定值H0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，其原理结构如图所示。图4锅炉工艺流程图根据锅筒水位特性，选取汽包液位是被控变量，蒸汽流量和给水流量是冲量信号，通过控制给水量来使锅筒水位维持在满足负荷需求的高度,一旦蒸汽流量或给水流量发生波动，加法器

17、立即改变调节阀的开度进行校正，提高被调参数液位的调节精度。控制方框图:图5控制方框图可见，它根据当前锅筒水位来确定给水量，是一个单回路控制系统。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，锅筒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。因此，该控制方案不适用于负荷变动较大的情况。5、控制系统仿真5.1各个环节传递函数及各个参数的确定小型锅炉如35t/h，为维持锅炉液位范围在15-35mm内稳定进行，维持蒸汽压力在 1.2-1.3MPa，蒸汽压力的范围波动0.1MPa，

18、具体设置参数值为:根据本文所控制的水位被控对象的数据，给水量的时间常数T2定为15min，T1=1min，斗.20 - 4丸GLM = 土 = 5的数学模型为：K0=100mm，汽包水位变化范围在水位变送器的电流范围4-20mA，所以水位变送器的比例系数放大系数为2。调节阀的比例系数为：Kw = 2。因此水位被控对象0.1KWS (T S + 1) S (15 S + 1)05.2matlab 仿真PID参数整定，根据经验试凑法液位控制只需比例P控制调节即可。对于外界干扰作用 较频繁的系统，更合适。ft untitled 土 口| 回图6系统仿真连接图根据调节器参数经验数据P取15,下面从5开始试值进行整定。图7当P=5时系统响应曲线图50100150200图8当P=3时系统响应曲线图图7、图8曲线超调量太大，超出了锅炉液位波动范