热电厂中压锅炉水位双冲量控制系统

热电厂中压锅炉水位双冲量控制系统一、系统概况锅炉是我国工业生产和生活上应用面最广、数量最多的热力设备。由十锅炉往往负荷变化大、起停频繁依靠人工操作很难保证其安全、稳定地在经济工况下长期运行，所以必须装备自动控制设备。工业锅炉的汽包液位是正常运行的主要指标之一。液位过高会影响水汽分离，产生蒸汽带液现象；液位过低会影响锅炉的汽水自然循环，如不及时调节就会使汽包里的水全部汽化掉，可能导致锅炉烧坏或爆炸事故。所以在锅炉运行中保持汽包液位是十分重要的，对锅炉设备的自动控制首先是从汽包液位的自动调节开始。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、过热蒸汽温度、炉膛负压、过剩空气（烟气含氧量）等，图1所示为输入变量与输出变量之间的相互关系。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。图1锅炉的输入输出变量示意图图1锅炉的输入输出变量示意图锅炉汽包液位是锅炉运行中一个重要的监控参数，反映了锅炉负荷与给水的平衡关系，要求汽包液位控制在一定范围内。锅炉汽水系统结构如图2所示。图2锅炉汽水系统1—给水泵；2一给水母管；3—调节阀；4—省煤器5一锅炉汽包；6一下降管；7—上升管；8—蒸汽母管锅筒水位是保证锅炉安全运行的重要标志。水位过低时，如果负荷(蒸汽用量)较大，水的汽化速度又快，使锅筒内的水量变化速度较快，一旦锅筒内的水全部汽化，会导致锅炉烧坏，甚至爆炸；水位过高，影响锅筒的汽水分离，产生蒸汽带液现象，使过热器关闭结果导致损坏，同时过热蒸汽温度下降，容易损坏汽轮机叶片，影响机组运行的安全和经济性。因此，必须严格控制锅筒水位的高低。锅筒水位的最大特点是水中央夹带着大量蒸汽气泡。在锅筒内水量不变的情况下，蒸汽气泡体积的变化会引起锅筒水位的变化。蒸汽气泡的体积取决于锅筒压力、锅筒内水温和负荷需求。因此，影响锅筒水位主要有给水量、蒸汽用量等因素。二、系统组成(1)单冲量水位控制系统单冲量水位控制系统是典型的单回路调节系统，由被控对象、测量变送单元、调节器和执行器组成，通过给水流量调节气包液位，这里指的单冲量即气包液位。其控制方案如图3所示，该控制方案系统结构简单，投资少，易实现。但它不能克服“虚假液位”的影响，且不能及时反映给水量的扰动，控制作用迟缓，因此，只适用于小型低压锅炉。(2)双冲量水位控制系统双冲量水位控制系统是在单冲量水位控制的基础上，将蒸汽流量作为前馈信号引入控系统，这样就可消除“虚假现象”对调节系统的不良影响，从而改善调节特性，提高调节质量且投资增加不多，其控制方案如图4所示，该控制方案依旧存在不能及时反映给水流量对调节的干扰，因此双冲量水位控制适用于负荷变化较频繁的小型低压锅炉，而不适用于给水母管压力经常有波动的锅炉系统。经试验测试得到一组特性，TOC\o"1-5"\h\z其中控制通道的特性为：G1（s）=湍%毫米水柱/（吨/小时）（2-1）扰动通道的特性为：G（s）=区-些（2-2）\o"CurrentDocument"215s+1s由于该对象的给水比较稳定，所以可以把蒸汽负荷的变化当作主要扰动看待，于是构成图5所示的前馈-反馈负荷控制系统，式（2-1）表明控制通道的纯滞后时间很小（本例，巧R0），因此采用以比例为主导作用的PI调节器，即比例增益较大（Kp=2.5〜5），积分时间较长（Ti=1〜2分钟），所以系统的主要设计任

务是选择前馈补偿环节的传递函数。务是选择前馈补偿环节的传递函数。图5中压锅炉水位的前馈-反馈复合控制系统方框图(2-3)三、前馈补偿环节的设计(2-3)根据前馈补偿原理D-KD-Gf(s)KG1(s)+DG2(s)=0或者(2-4)式中kd为蒸汽流量变送器的仪表转换系数。选择电动单元组合仪表III型的变送器（包括差压变送器与开放器）作为蒸汽流量变送器，且其量程选择为0~120吨/小时，则知流量变送器的仪表转换系数为：或者K=-16毫安/（吨/小时）=0.133毫安/（吨/小时）。d120Kv为包括执行器在内的调节阀的仪表转换系数。选择线性阀门，其最大流量为120吨/小时，则知K=史（吨/小时）/毫安=7.5（吨/小时）/毫安。将上述求得v16的Kd，%以及已知的G1（s）与G2（s）代入式（2-4），得到前馈补偿函数为)=^|^|_6邙-(5因为蒸汽流量变化比较缓慢，二阶微分部分可以略去，所以式（2-5）可以近似为G（s）俐1-67.3s俐1-TdS（2-6）fT—DS+1y式（2-6）所示的前馈补偿函数可以用图6的结构来实现。引入定值器偏置信号ID0的目的是因为Gf（s）是一个增量传递函数，If应减去正常蒸汽流量所对应的仪表信号I，假如正常蒸汽流量为62吨/小时，则I=-16x62+4=12.27毫安，补DoD0120偿器的输出信号为I广Id-1%-1a图6前馈函数的构成四、基于Labview软件的系统仿真（1）Labview系统介绍界面图7系统介绍界面简单介绍系统的控制环节。(2)工业流程图界面图8.1系统流程图界面如图8.1所示为完整的系统流程图界面，其中图8.2所示为各仪表测量值输出，工业上设定为显示控件。由于此次仿真没有涉及硬件，我们将其设置为输入控件，从而来模拟系统的传感器。如图8.3所示为液位设定调节，为了防止误操作，只有当按下确认按键后设定值才会改变。设定值的初始值为500.液位设定值(mm)500IIIIIIII|IIIIIII|IIIIIII|IIIIIII|IIIIIII|0200400600SOOLOGO图8.3液位设定值调节如图8.4所示为液位报警模块，此处我们设置了5种报警状态，分别是“高危！水位已达X，超过高高限，请立即关闭进水阀！”、“注意！水位已达X，超过高限，请及时采取安全措施厂'、“系统正常运行中。。疽'、“注意！水位只有X，低于低限，请及时采取安全措施！”、“高危！水位只有X，低于低低限，请立即将

进水阀全开！”。而高高限、高限、低限、低低限的初始值分别为900、800、200、100。同时，当水位超过高限或者低于低限时，报警灯会亮起。［眼w绿r-I■.-—■:逾1E常运^中…图8.4报警模块通过调节阀值大小来改变炉底进水流量，从而实现锅炉的水位控制。炉内产生的蒸汽从炉顶流出，并由流量计测得的蒸汽流量反馈给系统，实现锅炉的前馈-反馈控制。当阀值大于0，进水管道产生流动效果；同样的，当蒸汽流量大于0，蒸汽出口产生流动效果。运行过程中，各仪表数据实时显示，直到按下停止键，系统停止运行。具体程序如图8.5所示。(3流程图.vi程序框图文件(B编辑旧(3流程图.vi程序框图文件(B编辑旧»(V)项目但)握作(Q)TMCD窗口曲蒂助叵］「回网回岫|叱璀|j7pt££m暨^体后］辰HE］阿报警系统函数回||►Express||►炫||►用户库:1汽管道动态图8.5流程图界面程序（3）控制面板界面图9.1控制面板界面如图9.1所示为完整的控制面板界面。变量控制模块可以进行手自动切换、控制器正反作用切换、手动时的阀值设置（0〜100）、PID参数设置、滤波系数以及定值器（0〜120吨/小时）设置。当选择为手动操作时，PID参数、滤波系数和定值器数据将无法进行修改；当选择为自动操作时，阀值数据将无法进行修改。实时数据显示可以实时监控水位设定值、实际水位、给定阀值、蒸汽流量、炉内温度和炉内压力。报警点设置可以根据需要更改安全水位界限，只有按下确定按键设置才有效，其中初始设定值分别是：高高限为900毫米水柱、高限为800毫米水柱、低限为200毫米水柱、低低限为100毫米水柱。如图9.2所示为控制面板的程序图。由于阀值范围为0〜100，流量范围为0~120吨/小时，采样时间为0.5秒，所以，当操作方式为手动时，阀值和水位关系可以表示为：实际水位现值二实际水位过去值+（阀值*1.2-蒸汽流量）/7200。

阀值和水位计算second迎实时曲线►XScale.CffJet►XSc-ale.Minbfrii£Ti|►XScale.Marfmum蓟i（番.minutehour读取当前时间阀值和水位计算second迎实时曲线►XScale.CffJet►XSc-ale.Minbfrii£Ti|►XScale.Marfmum蓟i（番.minutehour读取当前时间并将其转换为昌0点始的秒数作为X0图9.2控制面板程序图状态曲阕►XScalHist如图9.3所示为控制器自动调节计算程序图。根据前馈-反馈控制器的设置，将变量离散化，得到如下公式：0.133*(Td-T)*D(k)+0.133*D(k-1)=Td*I(k)+1(k-1)(公式4-1)TOC\o"1-5"\h\zrDr\o"CurrentDocument"Kp*I(k)-0.016*Kp*H(k)+阻*I(k-1)-0.016*虫*H(k-1)=I(k)RTiRTim（公式4-2）4.1625*(I(k-1)+1(k-1))+0.2775*(I(k)+1(k)+D*16/120+4)+...MM091.35*D(k)+1.935*D(k-1)+0.037*D(k-2)=...450*H(k)+45*H(k-1)+H(k-2)（公式4-3）将(公式4-1)、(公式4-2)、(公式4-3)转换成C得到公式如下:floatIk0,Hk0;if(r>0&&td>0)Ik0=(0.133*(td/r-td)*Dk0+0.133*Dk1-Ik1)*r/td;elseIk0=Ik1;Hk0=(4.1625*(Ik1+IMk1)+0.2775*(Ik2+IMk2+d0)+91.35*Dk0+1.935*Dk1-0.037*Dk2-Hk2-45*Hk1)/450;floatIMk0;if(ti>0)IMk0二kp*IRk0-0.016*kp*Hk0+kp/ti*IRk1-0.016*kp/ti*Hk1;elseIMk0=IMk1;图9.3控制器自动调节计算程序图（4）实时数据记录界面□□□□□口口口!□口口□□口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口□口口□□!□口,水.实瓯水位|Y|I•.二□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□图10.2实时数据记录程序图,水.实瓯水位|Y|I•.二□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□图10.2实时数据记录程序图系统介绍流程图控制面板实时数据退出当前时间:2011/12/31lea佳00:30:20实时•记录表时间水位给定值实毗位给定阀值蒸汽曜炉内温度炉内压力2011/12/31lea佳00:29:310.0000000.0000000.0000000.0000000.0000000.0000002011/12/31lea佳00:29:32500.000000500.00000050.0000000.0000000.0000000.0000002011/12/31lea佳00:29:33500.000000500.00000050.0000000.0000000.0000000.0000002011/12/31lea佳00:29:34500.000000500.00000050.00000060.9552080.0000000.0000002011/12/31lea侄00:29:35500.000000500.00000050.00000060.9552080.0000000.0000002011/12/31lea佳00:29:36500.000000500.00000050.00000060.95520862.8792040.0000002011/12/31lea佳00:29:37500.000000500.00000050.00000060.95520862.87920485.5534132011/12/31lea佳00:29:38500.000000500.00000050.00000060.95520862.87920485.5534132011/12/31lea佳00:29:39500.000000500.00000050.00000060.95520862.87920485.5534132011/12/31lea佳00:29:40500.000000500.00000050.00000060.95520862.879204185.5534132011/12/31lea佳00:29:41500.000000500.00000050.00000060.95520862.87920485.5534132011/12/31lea佳00:29:42500.000000500.00000050.00000060.95520862.87920485.5534132011/12/31lea佳00:29:43500.000000500.00000050.00000060.95520862.87920485.5534132011/12/31lea佳00:29:44500.000000500.00000050.00000060.95520862.87920485.5534132011/12/31lea佳00:29:45500.000000500.00000050.00000060.95520862.879204185.5534132011/12/31lea佳00:29:46500.000000500.00000050.00000060.95520862.87920485.5534132011/12/31lea佳00:29:47500.000000500.00000050.00000060.95520862.879204185.5534132011/12/31lea佳00:29:48500.000000500.00000050.00000060.95520862.87920485.5534132011/12/31lea佳00:29:49500.000000500.00000050.00000060.95520862.87920485.5534132011/12/31lea佳00:29:50500.000000500.00000050.00000060.95520862.87920485.5534132011/12/31lea佳00:29:51500.000000500.00000050.00000060.95520862.87920485.5534132011/12/31lea佳00:29:52500.000000500.00000050.00000060.95520862.879204185.5534132011/12/31lea佳00:29:53500.000000500.00000050.00000060.955208|62.879204|85.5534132011/12/31lea佳00:29:54500.000000500.00000050.00000060.95520862.879204:85.5534132011/12/31lea佳00:29:55500.000000500.00000050.00000060.95520862.87920485.5534132011/12/31lea佳00:29:56500.000000500.00000050.00000060.95520862.879204185.553413—2011/12/31lea佳00:29:57500.000000500.00000050.00000060.95520862.879204185.5534132011/12/31lea佳00:29:58500.000000500.00000050.00000060.95520862.879204185.5534132011/12/31lea佳00:29:59500.000000500.00000050.00000060.95520862.879204185.5534132011/12/31lea佳00:30:00500.000000500.00000050.00000060.95520862.879204185.5534132011/12/31lea佳00:30:01500.000000500.00000050.00000060.95520862.879204185.5534132011/