鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)

1、目錄1.汽包水位的動態(tài)特性描述11.1.汽包在給水流量作用下的動態(tài)特性11.2.汽包水位在蒸汽流量擾動下的動態(tài)特性22.汽包水位控制方案的選擇及其原理42.1.三沖量控制原理及各部分的作用42.1.1.控制原理42.1.2.各部分的作用53.前饋-串級控制系統(tǒng)的特點和調節(jié)器作用方式判斷73.1.控制系統(tǒng)的特點73.1.1.前饋控制系統(tǒng)的特點73.1.2.串級控制系統(tǒng)特點73.2.調節(jié)器作用方式判斷73.2.1.判斷副調節(jié)器的作用方式73.2.2.判斷主調節(jié)的作用方式74.控制儀表及技術參數84.1.控制儀表的選定84.2.各元器件的型號及參數85.總結與體會10參考文獻11摘要在鍋爐運行中，水

2、位是一個很重要的參數。若水位過高，則會影響汽水分離的效果，使用氣設備發(fā)生故障；而水位過低，則會破壞汽水循環(huán)，嚴重時導致鍋爐爆炸。同時高性能的鍋爐發(fā)生的蒸汽流量很大，而汽包的體積相對來說較小，所以鍋爐水位控制顯得非常重要。鍋爐水位自動控制的任務，就是控制給水流量，使其與蒸發(fā)量保持平衡，維持汽包內水位在允許的范圍內變化。鍋爐汽包水位是一種非線性、時變大、強耦合的多變量系統(tǒng)，討論了目前通常采用的控制方法,分析了水位對象模型的動靜特性。首先從鍋爐汽包內水的熱平衡、物質平衡原理出發(fā),推導出了用來描述鍋爐水位對象的通用機理控制模型,通過對幾種控制方案的分析、研究與比較,選三沖量系統(tǒng)作為最佳控制方案,并著力

3、研究三沖量系統(tǒng)的特點。關鍵詞： 鍋爐汽包 水位控制 三沖量控制系統(tǒng)鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)1. 汽包水位的動態(tài)特性描述1.1. 汽包在給水流量作用下的動態(tài)特性 為了在給水量擾動試驗過程中保障機組運行的安全性和試驗效果，選擇某一負荷工況下試驗，因為此時給水泵出力有較大的裕量，萬一試驗中汽包水位上升過快，運行人員可及時手操控制；另外，選擇10%的擾動量不會影響機組的安全運行，且試驗效果比較明顯。在某一負荷工況下，汽包水位控制由自由控制方式切換為手動控制方式；手操迅速改變氣泵轉速；使給水流量迅速增加10%；記錄給水量擾動試驗曲線如圖2-1，相當于積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)之和，其表達式如下，則從實驗圖2-1可以

4、看出，在鍋爐燃燒工況不變，即鍋爐蒸發(fā)量不變時，減少給水量，汽包水位的虛假水位并不明顯；另外，通過試驗曲線能夠求得汽包水位控制對象在給水量擾動下的滯后時間和響應速度，從而求得汽包水位對象在給水量擾動下的傳遞函數。傳遞函數表達式如下，從物質平衡的觀點來看，加大給誰流量W，水位應立即上升，但試驗情況實際并不如此，而水位經過一段時間的延遲，甚至先下降后上升，主要是由于給水溫度遠低于省煤器的溫度，使省煤器內汽泡總容積減少，因此，進入省煤器內部的水首先用來填補省煤器中因汽泡破滅引起的容積減少而降低的水位，經過一段時間延遲甚至水位下降后，水位才能不斷上升。圖2-1 給水流量擾動曲線1.2. 汽包水位在蒸汽流

5、量擾動下的動態(tài)特性 蒸汽的流量階躍增大時，蒸汽流量擾動試驗曲線，如圖2-2所示。蒸汽流量擾動試驗曲線相當于一階慣性環(huán)節(jié)2和積分環(huán)節(jié)1傳遞函數差對應的試驗曲線，表現為有虛假水位的無自平衡能力的對象，汽包水位控制對象傳遞函數如下， 則圖2-2 蒸汽流量擾動曲線 蒸汽流量擾動時，蒸汽流量高于給水流量，汽包水位無自平衡能力，所以水位應該直線下降，但試驗中實際水位先上升后下降，這種現象稱為虛假水位現象。出現虛假水位的原因是符合增加時，燃料量來不及增加，使汽包壓力下降，汽泡膨脹，體積增大而水位上升；一段時間后，汽泡容積與負荷相適應達到穩(wěn)定，水位就要反應物質平衡關系而下降。2. 汽包水位控制方案的選擇及其原

6、理因為單沖量汽包水位調節(jié)存在著一些缺點，即單沖量控制方案只根據水位信號控制給水量，在鍋爐負荷變化大，也就是階躍擾動很大時，會出現鍋爐的假水位現象。所以目前現場采用的比較先進的方案一般是三沖量控制。2.1. 三沖量控制原理及各部分的作用2.1.1. 控制原理 考慮到給水流量的擾動影響及由于被控對象的非線性等因素，將給水流量引入到雙沖量過程控制系統(tǒng)中，組成三沖量水位控制系統(tǒng)，三沖量水位控制系統(tǒng)中，出了汽包水位和蒸汽流量外，引入的第三個沖量是水流量。三沖量水位控制系統(tǒng)是將汽包水位作為主被控變量，給水流量作為副被控變量的串級控制系統(tǒng)與蒸汽流量作為前饋信號的前饋串級反饋控制系統(tǒng)。三沖量水位控制系統(tǒng)以鍋爐

7、水位為主控信號，給水流量為控制器的反饋信號來控制給水流量，它以物料平衡關系為依據，能適應負荷的快速變化，它不僅能克服“虛假水位”的影響，也能克服由于給水壓力變化等因素引起給水流量變化的影響，從而使系統(tǒng)有更好的動態(tài)響應和靜態(tài)特征。三沖量水位控制系統(tǒng)方框圖如下圖3-1， 圖3-1 三沖量水位控制系統(tǒng)方框圖三沖量水位控制系統(tǒng)原理圖如下圖3-2，圖3-2 三沖量水位控制系統(tǒng)原理圖在雙沖量的基礎上引入給水流量信號，構成三沖涼控制系統(tǒng)。三沖量控制根據汽包水位、蒸汽量、給水流量三個信號區(qū)控制給水流量穩(wěn)定汽包水位，其中，汽包水位是主信號，蒸汽流量是前饋信號，給水量為副信號，三沖量控制對象為電泵和汽泵。2.1.

8、2. 各部分的作用控制模塊PID參數調整：由于給水流量與蒸汽流量的變化使汽包水位發(fā)生變化需要一定的時間，因此，控制系統(tǒng)為串級回路控制，控制器為反作用，引入蒸汽量與給水流量信號，這樣可以使給水泵提前動作，消除遲緩。三沖量控制回路：當汽包水位上升或下降時，與設定值產生偏差，主控制器的輸出將減小或增大，此值與前饋信號相加，即為副控制器的設定值。將設定值與給水流量進行比較，副控制的輸出減小或增大，從而使電泵和汽泵的轉速降低或升高，實現汽包水位的自動控制。 三沖量控制前饋回路：當蒸汽流量改變時，通過加法器和副控制器改變給水泵轉速即給水流量。由于蒸汽流量代表負荷，所以當負荷改變時，相應改變給水流量，從而減

9、少或抵消由于虛假水位現象而使給水流量向與負荷相反方向變化的趨勢。三沖量控制副回路：當給水流量發(fā)生變化時，副控制器立即動作，使給水流量恢復到原來的數值，給水流量信號能消除給水流量的自發(fā)性變化，因而當給水流量發(fā)生自發(fā)性變化時，汽包水位基本上不受影響。3. 前饋-串級控制系統(tǒng)的特點和調節(jié)器作用方式判斷3.1. 控制系統(tǒng)的特點3.1.1. 前饋控制系統(tǒng)的特點（1）前饋控制是基于原理工作的，比反饋控制及時有效；（2）前饋控制是屬于開環(huán)控制系統(tǒng)；（3）前饋控制使用的是視對象特性而定的“專用”控制器。又稱前饋補償裝置（4）一種前饋作用只能克服一種干擾。3.1.2. 串級控制系統(tǒng)特點 串級控制系統(tǒng)的特點有：按

10、偏差進行調節(jié)；調節(jié)量小，失調量小，能隨時了解被控量變化情況；輸出影響輸入(閉環(huán))。因此，將前饋控制和串級控制相結合起來，構成前饋-串級控制系統(tǒng)，是具有良好控制效果的控制方式，可以進一步提高系統(tǒng)前饋控制的精度。3.2. 調節(jié)器作用方式判斷3.2.1. 判斷副調節(jié)器的作用方式系統(tǒng)原理方框圖所示，當測量值W上升時，由于閥門為氣開閥，調節(jié)器的輸出減小，即當調節(jié)器的輸入值增加時，調節(jié)器的輸出減小，調節(jié)器的作用為反作用。3.2.2. 判斷主調節(jié)的作用方式 系統(tǒng)原理方框圖所示，當測量值H上升時，測量值W應該下降，副調節(jié)器的作用方式為反作用，則主調節(jié)器的輸出應增大，即主調節(jié)器的輸入上升時，其輸出也上升，主調節(jié)

11、器的作用為正作用。4. 控制儀表及技術參數4.1. 控制儀表的選定在汽包水位控制系統(tǒng)設計中，所需要使用的儀表由主副調節(jié)器、主副變送器、電動執(zhí)行器、電動操作器、顯示儀表等。其選型如下：在前饋-串級控制系統(tǒng)中，調節(jié)器的作用是準確保證被控量符合生產要求，工藝上對控制品質的要求不是很高，不允許被調量存在較大的偏差，因此，調節(jié)器都必須具有積分作用，一般都采用PI調節(jié)器，故采用實驗室的智能儀表控制型號為才SA-11.前饋反饋系統(tǒng)的整定要比簡單系統(tǒng)復雜些。對于調節(jié)器正反作用方式的選擇，要使一個過程控制系統(tǒng)正常工作，系統(tǒng)必須采用負反饋。 本系統(tǒng)選擇控制閥為氣開式，因為要保證鍋爐汽包的安全，在沒有信號的時候是關

12、閉的。Kv>0,變送環(huán)節(jié)Km>0，因為閥體的開度增大，流量增大從而被控對象也就是鍋爐汽包的液位也會增加，所以，Kp>0，滿足KvKmKpKc>0,所以Kc>0,即控制器選用反作用控制器。當水位變送器檢出水位偏離設定值，控制器反作用，控制器輸出就小，閥的開度變小，進水量變小。4.2. 各元器件的型號及參數調節(jié)器選型：主調節(jié)器選擇的型號為CR-6031CR-6031技術指標：工作電壓： 最大：28V 最?。?0V電流環(huán)： 兩線制4mv20mv工作壓力： 22MPa max測量范圍： 1500mm測量周期： 0.5秒環(huán)境溫度： -4065（攝氏度）防護等級： IP65變

13、送器選型變送器選擇的型號為MS-121MS-121技術指標：輸出信號：4-20mv，0-10v電流消耗：40mv為最大防護：NEMA 4X(IP66)安裝：隔膜垂直方向安裝調節(jié)閥選型調節(jié)閥選擇的型號為ZAJP 電動單座調節(jié)閥ZAJP技術指標：型 式：電動執(zhí)行機構（如DKZ型執(zhí)行機構）電 源：220V或380V輸入信號：4-20mA或0-10VDC輸出信號：4-20mADC5. 總結與體會通過這次課程設計，讓我學到了許多課堂上學不到的東西，不僅鍛煉了我搜集信息、提取信息的能力，而且還教會了我一種做學問的態(tài)度。使我深刻的認識到做好一個課程設計是很困難的，而且需要嚴謹的態(tài)度才能完成。因為我所學的知識

14、有限，所以在設計的過程就難免會很吃力并且出現很多錯誤，這就需要我們有自強不息的能力。通過這次過程控制課程設計，我不僅更加深刻的理解了鍋爐汽包水位的三沖量控制，而且將我們過程控制與基本的辦公軟件word，visio等，當然還有Auto CAD相結合，更一步提高了我們綜合運用知識的能力。在設計一開始的時候，我還認為課程設計給了2周的時間，實在是太長了，慢慢的才發(fā)現課程設計不是這么好做的。課程設計的模板、格式都什么也不知道，通過老師的講解，還有自己去圖書館查閱資料，上網搜索才慢慢捋順。就這樣我才一步步的完成了本次課程設計。經過對這些資料的整理、理解和消化，使我對過程控制技術尤其是鍋爐的爐膛負壓控制技術有了更深一層次的理解。我喜歡做課程設計，因為它不但鞏固我所學的基礎知識，而且可以提高我的動手能力和動腦能力。同時，還要感謝老師們?yōu)槲覀儼才帕松a實習和過程控制課程設計這樣能夠鍛煉我們能力的實踐性環(huán)節(jié)，及左鴻飛老師對我們課程設計的順利完成所付出汗水。參考文獻【1】 崔艷華，劉海燕