锅炉水位控制系统的研究报告及设计

.zPAGEI锅炉水位控制系统PAGEI摘要随着我国经济的开展，资源和环境矛盾日趋锋利，使我国的现代化建立面临严峻挑战。作为供热系统重要能源转换设备的燃煤锅炉能耗巨大，占我国原煤产量的三分之一左右。然而，我国目前运行的很多锅炉控制系统的自动化水平不高、平安性低，工作效率和环境污染普遍低于国家标准，因此实现锅炉的计算机自动控制具有重要的意义。锅炉的建模与控制问题一直是人们关注的焦点，而汽包水位是工业锅炉平安、稳定运行的重要指标，保证水位控制在给定*围内，对于提高蒸汽品质、减少设备损耗和运行损耗、确保整个网络平安运行具有重要意义。本文分析了汽包水位对象的动态特性，介绍传统的控制方式。由于锅炉水位控制系统的调节器输入端常加有三个输入量，极易引起水位控制偏差，本文提出了两种消除水位偏差的方法：〔1〕辅助信号自消方法〔2〕辅助信号对消方法。根据三冲量水位调节系统控制水位误差,设计采用了三冲量PID串级控制方式采用辅助信号蒸汽流量和给水流量对消方法消除水位偏差。关键词：汽包水位；三冲量；串级系统；PID控制；-.z-.z目录TOC\o\h\z\u摘要I第1章引言1第2章工业锅炉的根底理论2.1锅炉工艺流程简介12.2课题背景及本文研究内容3第3章汽包水位特性43.1汽包水位在给水流量作用下的动态特性53.2汽包水位在蒸汽流量干扰下的动态特性9第4章汽包水位的控制124.1单冲量水位控制系统124.2双冲量水位控制系统134.3三冲量水位控制系统164.4.1三冲量控制方案一164.4.2三冲量控制方案二184.4.3三冲量控制方案三194.4锅炉水位控制原理图28结论44致谢45参考文献461.引言在锅炉运行中,水位是一个很重要的参数。假设水位过高,则会影响汽水别离的效果,使用电气设备发生故障;而水位过低,则会破坏汽水循环,严重时导致锅炉爆炸。同时高性能的锅炉产生的蒸汽流量很大,而汽包的体积相对来说较小,所以锅炉水位控制显得非常重要。锅炉水位自动控制的任务,就是控制给水流量,使其与蒸发量保持平衡,维持汽包内水位在允许的*围内变化。目前我国有各类锅炉几十万台，其中相当大的局部还在使用常规仪表控制。由于锅炉水位存在一定的反向特性即“假水位〞现象，而常规仪表所常用的PID算法对“假水位〞现象的控制效果并不理想，假设要较好的控制“假水位〞现象，采用常规仪表所构成的控制器，其构造复杂性又会增加，造本钱钱较高。因此研究新型的水位控制系统，使其能进一步提高水位控制的效果，同时又具有构造简单、容易实现的特点，还是非常必要的。模糊控制是以模糊集合理论为根底的一种新兴的控制手段，它是模糊系统理论和模糊技术与自动控制技术相结合的产物。模糊控制的核心就是利用模糊集合理论，把人的控制策略的自然语言转化为计算机能够承受的算法语言所描述的控制算法，这种方法不仅能实现控制，而且能模拟人的思维方式对一些无法构造数学模型的被控对象进展有效的控制。三冲量锅炉水位控制系统中的主回路控制局部与蒸汽前馈控制局部正是属于这种情况：由于虚假液位的影响和各种参数存在的时变性而导致无法确定这一过程的数学-.zPAGE7第2章工业锅炉的根底理论1.1锅炉工艺流程简介锅炉是一种承受一定工作压力的能量转换设备.其作用就是有效地把燃料中的化学能转换为热能,或再通过相应设备将热能转化为其它生产和生活所需的能量形式,长期以来在生产和居民生活中都起很重要的作用。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、气温)和相应数量的蒸汽。它所产生的蒸汽不仅能够为蒸馏、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，如图1-1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、升温到达规定温度，成为合格蒸汽送入蒸汽母管。-.z燃燃烧室空气12345678图1-1锅炉的汽水系统“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。经上介绍，锅炉系统的主要包括燃烧系统、送引风系统、汽水系统及辅助系统等。其主要工艺流程如图1-2：-.z图1-2锅炉主要工艺流程图1燃烧嘴；2炉膛；3汽包；4减温器；5炉墙；6过热器；7省煤器；8空气预热器1.2课题背景及本文研究内容由前述可知，在锅炉的几个调节系统中，汽包水位的控制是保证锅炉平安运行的必要条件，是锅炉正常运行的主要标志之一。锅炉的水位控制作为锅炉控制中重要的控制任务之一，在锅炉的平安生产、降低能耗、蒸汽产量和品质等方面起着重要作用。汽包水位过高会导致蒸汽带水进入过热器并在过热管内结垢，影响传热效率，严重的引起过热器爆管；水位过低又将破坏局部水冷壁的水循环，引起水冷壁局部过热而爆管。汽包水位的动态特性主要有：非线性、不确定性、时滞和负荷干扰、非最小相位特征等。-.z第2章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*围内。维持汽包水位在给定*围内是保证锅炉和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*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和给水流量。综上，引起水位变化的主要扰动是蒸汽流量的变化和给水流量的变化。如果只考虑主要扰动，则根据汽包物质平衡,则汽包水位的动态特性可表示为如下平衡方程式：F(t)=Qw(t)-QD(t)(2-1)其中Qw(t)、QD(t)分别为给水流量与进出汽包的蒸汽，F(t)为汽包水位的变化量。通过检测仪器〔蒸汽流量变送器、水流量变送器、水位变送器〕可得到Qw(t)、QD(t)、F(t)的信号,则从(2-1)式可得到:〔2-2〕其中为c锅炉截面积，ρ为锅炉水重度，H(t)为水位;α为水量流系数，Δpw为流经水流量的节流装置的差压;β为蒸汽流量系数，ΔpD为流经蒸汽流量节流装置的差压。对式〔2-2)取泰勒级数经化简可近似得到如下方程：(2-3)其中，TD、KD、TW、KW、分别与流量变送器的流量转换系数及展开的系数有关，T1、T2为水位变送器及汽包截面积有关的系数。下面我们着重讨论在给水和蒸汽流量两种主要扰动下水位对象的动态特性。2.1汽包水位在给水流量作用下的动态特性给水量是锅炉的输入量，如果蒸汽负荷不变，则在给水流量产生变化时，汽包水位的运动方程式可以表示为：(2-4)经拉氏变换后可得，(2-5)从式(2-4)，可以方便地得到汽包水位在给水流量作用下的传递函数为：(2-6)对于中压锅炉，上式中TW的数值很小，常常可以忽略不计，因此式(2-6)可以进一步改写为：(2-7)其中反响速度，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·(吨／小时)。从式(2-7)可知，汽包水位在给水流量作用下的动态特性为一个积分环节和一个一阶滞后环节所组成,ε、T2的数值可通过实验测试求得，数值的大小同锅炉的构造有关。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(2-7)来表示它的动态待性，误差较大，这时可选用下面(2-8)式近似计算：(2-8)τ给水量扰动下的纯滞后时间，对于非沸腾式省煤器的锅炉，τ为0-100秒，对于沸腾式省煤器的锅炉，τ＝100-200秒；Ta=1/ε水位的反响时间，它也与锅炉构造有关。反响速度ε及反响时间Ta都用相对量来表示：ε定义为：当扰动量为100%(从满负荷突然变化到零)，水位(以允许变化的*围为100%)的变化速度，单位为每秒。Ta定义为：扰动量为100%，水位变化100%所经历的时间，单位为秒，例如：一台230吨／小时的锅炉，假设汽包的正常水位力200毫米，水位的反响时间Ta为30钞。这就是说，当锅炉在满负荷运行时，如果突然停顿供水，则由于出汽和进水流量的不平衡，水位将等速度下降，30秒钟下降200毫米，如果给水量减少10%(23吨／小时)，则将在30秒钟水位下降20毫米。如果用反响速度ε表示，则当对于中压多汽包锅炉，Ta为300秒；一般中压锅炉，Ta＝30-100秒；高压锅炉Ta＜30秒。-.zhhuwΔwttHo图2-1给水量扰动下的水位飞升曲线根据式(2-7)在阶跃输入下作给水扰动(假定在一定*围内汽包的横截面积不变，或变化不大)。可以得到如图2-1所示的反响曲线。由曲线可知：当突然加大给水量后(这时假定蒸汽量不变)，给水量大于蒸发量，但汽包水位一开场并不立即增加，而呈现出一段起始惯性段，这是因为温度较低时更多的给水进入水循环系统，它从原有饱和汽水中吸取一局部热量，汽包和汽水管路中由于热量的“损失〞汽泡体积减少。进入省煤器的给水，首先必须填补由于汽水管路中汽泡减少所让出的空间，这时，虽然给水量增加，但水位根本不变。当水面下汽泡容积变化过程逐渐平静时，汽包水位才由于贮水量的增加而逐渐上升。当水面下汽泡容积不再变化、完全稳定下来时，水位变化就随着贮水量的增加而直线上升。对于采用沸腾式省煤器的锅炉，给水作用下的惯性段要比上述情况严重得多，甚至还可能出现“假水位〞现象，在这种情况下，水位变化的特性应该采用如下传递函数：(2-9)式中：,uwuwtthwh1hh2图2-2采用沸腾式省煤器给水作用下的水位飞升曲线图2-2是给水作用下汽包水位的反响曲线。hl是只考虑物料不平衡，即给水量大于蒸发量而产生的上升曲线，它由式〔2-9的1／Ta这一项所确定，其特性表现为积分环节，无自平衡能力；h2是由于给水量增加，蒸发面以下汽泡容积的变化引起的。h是由h1(t)为h2(t)迭加而成的．它的特性实际上是两个环节的并联。由此可见，汽包水位调节对象的动态特性可以有三种形式：反响曲线变化最快的可用式(2-7)表示，这时的动态特性可以等效为一个积分环节和一个惯性环节相串联；其次是用式(2-8)表示，相当于一个积分环节和一个纯滞后环节的串联；在有“假水位〞的情况下，需要用式(2-9)来表示其动态特性。对于不同的锅炉设备，终究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：表达特性最符合实际情况、传递函数式尽可能地简单。2.2汽包水位在蒸汽流量干扰下的动态特性汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性，可以直接从式(2-3)导出(假定给水量不变)：(2-10)拉氏变换后可得：(2-11)则：(2-12)上式可以用两个动态环节的并联来等效，即：(2-13)其中，uuDDtth2hhh3图2-3蒸汽流量扰动下时的水位飞升曲线在蒸汽流量扰动下水位的阶跃反响曲线如图2-3所示。对大局部调节对象而言，平衡受到破坏的主要影响因素是系统中物料或能量的不平衡。锅炉汽包水位对象，除上述对象具有的特性以外．还有它特有的性质。当负荷设备的用汽量突然增加△D(假定供热量及时跟上)，单从物料不平衡考虑，汽包中蒸发量大于给水量，汽包水位应如图2-3中h1所示，相当于式(2-13)中的1／Ta这一项，是直线下降的。但是实际水位不是h1而是h，在扰动的初始瞬间水位不但没有下降而且是上升的。这是由于锅炉汽包蒸发面以下和水管系统中蒸汽容积随负荷的变化而改变所致。在蒸发面下的水中有蒸汽存在，是由于蒸发过程的连续性，在蒸汽向汽水分界面移动的过程中，会有一局部蒸汽在*一段时间内处于水中．在一定负荷和一定压力下，蒸汽发生量与蒸发面以下蒸汽含量之间有一个确定的对应关系，蒸发面以下的蒸汽容积可以用下式表示：(2-14)式中，Vs蒸发面以下的蒸汽容积；k比例系数，随负荷不同而异；W1汽化强度；γ饱和蒸汽重度；τ汽泡在水中平均停留时间。当蒸汽流量D阶跃增加时，汽包中压力减小，汽水循环管路中水的汽化强度W1加，蒸发面以下蒸汽容积VS增加。汽泡体积膨胀而使水位变化的曲线如图2-3中h2所示，实际水位变化曲线h就是h1和h2的迭加。从图中可以看出，当蒸汽量变化时，汽包水位的变化具有特殊的形式，负荷阶跃增大时，汽水混合物中蒸汽的容积迅速增加。此时虽然蒸发量大于给水量，但水位不仅不下降，反而迅速上升。这种特殊现象称为“虚假水位〞。当汽水混合物中汽泡容积与负荷相适应到达稳定后，水位才反映出物料的不平衡，开场下降。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2-3中h2的时间常数只有10-20秒。由于“假水位〞而出现的水位最大偏差很难依靠调节来抑制，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荷一次变化量。“虚假水位〞变化的幅度与锅炉的汽压与蒸汽量有关，对于—般100-230吨／小时的中高压锅炉．加负荷阶跃变化10%时，“虚假水位〞现象可使水位变化达30-40毫米。从以上动态特性分析中可以得到如下结论：(1)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。具体特性可用三种形式来描述，终究采用何种形式，可根据锅炉构造和汽化强度来定。(2)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“假水位〞现象,“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。第3章汽包水位的控制3.1单冲量水位控制系统图3-1单冲量水位控制系统如图3-1所示是单冲量变量水位控制系统。单冲量即汽包水位。这种控制构造简单，是单回路定制控制系统，在汽包内水的停留时间较长，负荷又比较稳定的场合下再配上一些锁报警装置就可以平安操作。然而，在停留时间较短，负荷变化较大时，采用单冲量水位控制系统就不能适用。这是由于：①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，波动厉害，动态品质很差。②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，再有水位变化到阀动作已滞后一段时间。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，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使调节阀动作，同样不够及时；为了抑制上述这些矛盾，可以不仅依据水位，同时也参考蒸汽流量和给水流量的变化，则可用双冲量或三冲量控制系统来控制给水调节阀，能收到很好的效果。从反响控制的思想出发，很自然地会以水位信号Ｈ作为被调量，给水流量作为调节量，构成单回路反响系统。这是一个根本的控制方案。对于小容量锅炉来说，它的蓄水量较大，水面以下的汽包体积不占很大比重。因此，给水容积延迟和假水位现象不明显，可以采用单冲量控制系统。对于大型超高压〔接近临界压力〕锅炉也可采用这种控制对象，因为在超高压汽和水密度相差不大，假水位现象不显著。但是，对于大量的大中型锅炉来说，这种系统不能满足要求。因为汽机耗气量改变所产生的假水位将引起给水调节机构的误动作，致使汽包水位剧烈地上下波动，严重的影响设备的寿命和平安。所以对大中型锅炉不能采用单冲量控制系统，必须寻求其他解决方法。3.2双冲量水位控制系统〔a〕原理图〔b〕方框图图3-2双冲量控制系统在汽包的水位控制中，最主要的扰动是负荷的变化。用双冲量控制系统不但可以引用蒸汽量来效正，而且可以补偿“虚假水位〞所引起的误动作，使给水调节阀的动作及时。其控制系统如图3-2所示从本质上看，双冲量控制系统是一个前馈〔蒸汽流量〕加单回路反响控制系统的复合控制系统。这里前馈仅为静态前馈，假设需要考虑两条通道在动态上的差异，需引入动态补偿环节。图3-2所示连接方式中，加法器的输出Ｉ是：式中――水位调节器的输出；――蒸汽流量变送器〔一般经开放器〕的输出；――初始偏置值；――加法器的系数。C2是取正号还是负号，即进展加法还是减法，要由调节阀的气开或气关形式来确定。一般从平安的角度选用调节阀的气开和气关的。如果高压蒸汽是供给蒸汽透平机等，则为保护这些设备以选用气开阀为宜；如果蒸汽作为工艺生产热源时，为保护锅炉设备以采用气关阀，Ｉ应减小即C2应取负号；如果采用气开阀，Ｉ应增加即C2应取正号。C2的数值应该考虑到达静态补偿。倘使现场试凑，则应该在只有负荷的情况下调整到水位根本不变，倘使有阀门特性数据，它的放大系数KV是：＝式中――阀门输入信号变化量；——给水流量变化量。在测量方面，假设为线性，则式中，—蒸汽流量变送器的输出变化量；―蒸汽流量变化量；—蒸汽流量变送器量程，从零开场；—变送器输出的最大变化*围。要到达静态补偿，应保持物料平衡，即有：上式中是一个系数。如果给水流量和蒸汽流量用体积来表示，显然不等于１。即使用重量来表示，由于排污要放出一局部水，进水重量要稍大于蒸汽量，即要求>1。由于加法器的作用，在负荷变化△时，给水量的变化是：有些装置中，由于水位上升与蒸汽流量增加时，阀门动作方向相反，信号一定相减；而采用另一种接法，即将加法器放在调节器之前。如图3-3〔a〕所示：〔a〕〔b〕图7双冲量控制系统的其它接法这样的接法的好处是使用的仪表少，因为一台双通道调节器就可以实现加减和控制的功能。〔假设水位调节器采用单比例，则这种接法与图3-2可以等效转换，差异不大〕。但是，水位调节器采用PI作用，而测量值又是水位与蒸汽流量之差，结果显然不能保证水位无差。除非流量参数经过微分，而且不引入固定分量，见图3-3〔b〕。等效转换后其等式项是：只有对流量信号不起积分作用，才可保证水位无余差。3.3三冲量水位控制系统双冲量控制系统还有两个弱点，即调节阀的工作特性不一定是线性，这样要做到静态补偿不是很准；同时对于给水系统的扰动不能直接补偿。为此，将给水流量信号引入，构成三冲量控制。三冲量控制方案之一图3-4所示是三冲量控制方案之一。该方案实质上是前馈〔蒸汽流量〕加反响控制系统。这种三冲量控制方案构造简单，只需要一台多通道调节器，整个系统亦可看作三冲量的综合信号为被控变量的单回路控制系统，所以投运和整定与单回路一样，但是如果系统设置不能确保物料平衡，当负荷变化时，水位将有余差。〔a〕原理图〔b〕方框图图3-4三冲量控制方案之一依据这条原则，可以确定和的比值，具体是这样设置的：蒸汽流量的变化量与其变送器〔线性〕的关系是：给水流量的变化量与其变送器〔线性〕的关系是：由物料平衡关系可得：而所以，由上两式比较可得：第二是用来确定前馈作用的强弱，因为上式仅知道和的比值，其大小依据过程特性确定，其大小反映了前馈作用的强弱。越大其前馈作用越强，则扰动出现时，调节阀开度的变化亦越大。三冲量控制方案二三冲量控制方案二如图3-5所示，该方案与方案一相类似，仅是加法器位置从调节器前移至调节器后。该方案相当于前馈--串级控制系统，而副回路的调节器比例度为100%，该方案不管系数和如何设置，当负荷变化时，液位可以保持无差。原理图〔b〕方框图图3-5三冲量控制方案之二三冲量控制方案三图3-6所示是三冲量控制方案之三，这是一种前馈〔蒸汽流量〕与串级控制组成的复合控制系统。在汽包停留时间较短，“虚假水位〞严重时，需引入蒸汽流量信号的微分作用，如图中虚线所示。这种微分作用应是负微分作用，起一个动态前馈作用，以防止由于负荷突然增加或减少时，水位偏离设定值过高或过低而造成锅炉停车。原理图方框图图3-6三冲量控制之三对图3-6中方框图进展分析。假设副回路跟踪很好，近似为1：1的环节，则前馈补偿模型为：由前述动态特性可知：∴假设，，，事实上不可能得到，因此前馈补偿模型可近似为：所以蒸汽流量信号引入负微分〔无恒定分量〕后，可以满足上式，这样动态补偿可以获得较好的效果。三冲量控制对单、双冲量控制方案取长补短，极大地提高了水位控制质量。例如，当耗气量D突然阶跃增大时，一方面由于假水位现象水位会暂时升高，它使调节器错误地指挥调节机构增加给水量。另一方面，D的增大又通过双冲量控制作用指挥调节机构增加给水量。实际给水量是增大还是减少，取决于系统系数的整定。当假水位现象消失后，水位和蒸汽信号都能正确地指挥调节机构动作。只要参数整定适宜，当系数恢复平衡以后，给水量必然等于蒸汽流量，水位