鍋爐汽包水位單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū).doc

中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)1、鍋爐及鍋爐汽包的簡(jiǎn)述1.1、鍋爐的基礎(chǔ)鍋爐是工廠重要的動(dòng)力設(shè)備，其要求是供給合格蒸汽，使鍋爐發(fā)汽量適應(yīng)負(fù)荷的需要。為此，生產(chǎn)過(guò)程的各個(gè)主要工藝參數(shù)必須嚴(yán)格控制。鍋爐設(shè)備是一個(gè)復(fù)雜的被控對(duì)象，主要輸入變量是負(fù)荷，鍋爐給水，燃料量，減溫水，送風(fēng)和引風(fēng)等。主要輸出變量是汽包水位，蒸汽壓力，過(guò)熱蒸汽溫度，爐膛負(fù)壓，過(guò)剩空氣（煙氣含量）等。這些輸入變量與輸出變量之間的相互關(guān)聯(lián)。如果蒸汽負(fù)荷發(fā)生變化，必將會(huì)引起汽包水位，蒸汽壓力和過(guò)熱蒸汽溫度等的變化。燃料量的變化不僅影響蒸汽壓力，同時(shí)還會(huì)影響汽包水位，過(guò)熱蒸汽溫度，過(guò)?？諝夂蜖t膛負(fù)壓；給水量的變化不僅影響汽包水位，而且對(duì)蒸汽壓力，過(guò)熱蒸汽溫度等亦有影響；減溫水的變化會(huì)導(dǎo)致過(guò)熱蒸汽溫度，蒸汽壓力，汽包水位等的變化等。所以鍋爐設(shè)備是一個(gè)多輸入，多輸出且相互關(guān)聯(lián)的被控對(duì)象。11.2、鍋爐水位控制在工業(yè)控制系統(tǒng)中的重要性鍋爐是一種受壓又直接受火的特種設(shè)備，是工業(yè)生產(chǎn)中的常用設(shè)備。對(duì)鍋爐生產(chǎn)如果操作不合理，管理不善，處理不當(dāng)，往往會(huì)引起事故，輕則停爐影響生產(chǎn)，重則造成爆炸，造成人身傷亡，損壞廠房、設(shè)備，后果十分嚴(yán)重。因此，鍋爐的安全問(wèn)題是一項(xiàng)非常重要的問(wèn)題，必須引起高度重視。工業(yè)鍋爐中最常見(jiàn)的事故有：鍋內(nèi)缺水，鍋爐超壓，鍋內(nèi)滿水，汽水共騰，爐管爆破，爐膛爆破，二次燃燒，鍋爐滅火等。其中以鍋爐缺水事故比例最高。這些事故中的大部分是由于鍋爐水位控制不當(dāng)引起的，可見(jiàn)鍋爐汽包水位控制在鍋爐設(shè)備控制系統(tǒng)中的重要性。工業(yè)鍋爐汽包水位控制的任務(wù)是，使跟蹤鍋爐的蒸發(fā)量并維持汽包水位在工藝允許的范圍內(nèi)。維持鍋爐汽包水位在規(guī)定的范圍內(nèi)，是保證鍋爐安全生產(chǎn)運(yùn)行的必要條件，也是鍋爐正常生產(chǎn)運(yùn)行的主要指標(biāo)之一。水位過(guò)高，會(huì)影響汽包內(nèi)汽水分離效果，使汽包出口的飽和蒸汽帶水增多，蒸汽帶水會(huì)使汽輪機(jī)產(chǎn)生水沖擊，引起軸封破損，葉片斷裂等事故。同時(shí)會(huì)使飽和蒸汽中含鹽量增高，降低過(guò)熱蒸汽品質(zhì)，增加在過(guò)熱管壁上的結(jié)垢。水位過(guò)低則可造成水的急速蒸發(fā)，汽水自然循環(huán)破壞，局部水冷管壁被燒壞，嚴(yán)重時(shí)造成爆炸事故。因此，鍋爐汽包水位必須嚴(yán)加控制。1.3 鍋爐汽包的簡(jiǎn)介 汽包亦稱(chēng)鍋筒。對(duì)于自然循環(huán)的水管鍋爐來(lái)說(shuō)，汽包是非常重要的部件，由封頭和簡(jiǎn)體組焊而成。汽包內(nèi)分成汽空間和水空間。用以進(jìn)行蒸汽凈化，對(duì)下降管進(jìn)行可靠供水，保證鍋爐正常水循環(huán)。自然循環(huán)的水循環(huán)回路由汽包、下降管、上升管和集箱組成。為了保證對(duì)下降管可靠供水，汽包中必須維持一定水位。汽包一般不直接受火焰的輻射熱。低壓鍋爐的汽包有時(shí)則受到一定的煙氣沖刷。對(duì)于水火管臥式鍋殼式鍋爐的汽包(鍋筒)，則是位于爐膛上方，直接受到火焰的輻射熱，如果水處理效果不好則導(dǎo)致鍋筒底部水渣堆積和結(jié)垢，影響傳熱。這種鍋爐鍋筒下部鼓包變形多有發(fā)生，特別是熱水鍋爐更為嚴(yán)重。為此，原勞動(dòng)部1991年頒發(fā)的熱水鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程明確規(guī)定，為了防止或減少此類(lèi)事故的發(fā)生，鍋爐制造單位在兩年內(nèi)必須采取有效措施加以解決，否則不準(zhǔn)再生產(chǎn)。31.4鍋爐汽包的作用1、是工質(zhì)加熱、蒸發(fā)、過(guò)熱三過(guò)程的連接樞紐，保證鍋爐正常的水循環(huán)；2、內(nèi)部有汽水分離裝置和連續(xù)排污裝置，保證鍋爐蒸汽品質(zhì)；3、有一定水量，具有一定蓄熱能力，緩和汽壓的變化速度；4、汽包上有壓力表、水位計(jì)、事故放水、安全閥等設(shè)備，保證鍋爐安全運(yùn)行。2、鍋爐汽包的控制意義在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中，鍋爐的液位控制直接影響了鍋爐是否正常運(yùn)行以及運(yùn)行的安全狀況。鍋爐是一個(gè)復(fù)雜的被控對(duì)象，主要輸入變量包括符合的蒸汽需求量、給水量、燃料量、 減溫水量、送風(fēng)量和引風(fēng)量等；主要輸出變量有鍋筒水位、蒸汽壓力、過(guò)熱蒸汽溫度、爐膛 負(fù)壓、過(guò)?？諝猓煔夂趿浚┑热绻羝献兓蚪o水量發(fā)生變化，會(huì)引起鍋筒水位、蒸汽壓力和過(guò)熱蒸汽溫度等的變化； 而燃料量的變化不僅影響蒸汽壓力，還會(huì)影響鍋筒水位、過(guò)熱蒸汽溫度、過(guò)?？諝夂蜖t膛負(fù)壓、可見(jiàn)，鍋爐是一個(gè)具有多輸入、多輸出且變量之間相互關(guān)聯(lián)的被控對(duì)象。3、鍋爐液位控制的難點(diǎn) 液位的控制技術(shù)是通過(guò)控制進(jìn)水或出水閥門(mén)的開(kāi)度，改變水流量來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而水溫的控制是通過(guò)調(diào)節(jié)加熱的功率來(lái)實(shí)現(xiàn)的。鍋爐液位的控制是鍋爐控制系統(tǒng)較為重要和比較難與控制的一項(xiàng)。由于鍋爐運(yùn)行過(guò)程中存在進(jìn)水量的變化，所以很難通過(guò)調(diào)整pid控制其參數(shù)來(lái)滿足所有的運(yùn)行條件，獲得理想的控制效果。調(diào)整過(guò)量會(huì)導(dǎo)致流量回路動(dòng)作頻繁，從而給下游設(shè)備帶來(lái)了額外的干擾。另外，液位的波動(dòng)也會(huì)破壞鍋爐運(yùn)行過(guò)程的穩(wěn)定，使得蒸汽輸送等不易控制。影響鍋爐液位的關(guān)鍵變量有給水量，蒸汽出口流量和混合燃料的進(jìn)料量。各變量都有各自不同的擾動(dòng)。較冷的給水造成相應(yīng)的純滯后。蒸汽流出量的突然增加造成了典型的“假水位”現(xiàn)象，使得過(guò)程暫時(shí)改變了方向，容易產(chǎn)生誤操作而導(dǎo)致發(fā)生事故。4、儀表的選型4.1電機(jī)的選型電機(jī)是鍋爐汽包供水的動(dòng)力設(shè)備，電機(jī)的準(zhǔn)確選型關(guān)系到汽包能否準(zhǔn)確供水進(jìn)而影響到汽包水位的穩(wěn)定?？刂频腻仩t蒸發(fā)量為：35t/h，汽包壓力0.5mp，管道直徑50mm因此可以對(duì)正常工作時(shí)電機(jī)的功率作如下估算： 2 由計(jì)算結(jié)果可以知道選用功率為100kw的三相異步電動(dòng)機(jī)完全可以滿足工作要求，由于使用變頻調(diào)速不必選用繞線型異步電動(dòng)機(jī)，選用鼠籠型電機(jī)就可以滿足要求。 yjtg三相變頻調(diào)速電機(jī)專(zhuān)門(mén)為變頻調(diào)速設(shè)計(jì),可以根據(jù)技術(shù)要求設(shè)定其額定電壓為380v額定功率為100kw。4.2變頻器的選型變頻器是電機(jī)的供能設(shè)備，合理選擇變頻器關(guān)系到電機(jī)能否正常為汽包供水。由電機(jī)的選型可以知道電機(jī)在50hz三相交流電下工作時(shí)電機(jī)的功率大約是100kw，當(dāng)三相交流電動(dòng)機(jī)在基頻以下工作時(shí)為恒轉(zhuǎn)矩輸出，而此時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)小于額定轉(zhuǎn)速，因此電機(jī)的輸出功率也會(huì)小于額定功率，同時(shí)由于電機(jī)的轉(zhuǎn)矩保持不變，其工作電流同在50hz三相交流電下工作時(shí)電流基本一致。根據(jù)以上的分析可以選擇三菱變頻器 fr-f740系列的變頻器。給變頻器可以輸入380v-480v 50/60hz三相交流電，輸出380-480v三相交流電并通過(guò)控制信號(hào)控制其輸出頻率，其容量是37kw220kw，可以滿足設(shè)備功率要求。該型號(hào)變頻器具有豐富靈活的控制接口，可以通過(guò)控制信號(hào)方便地改變變頻器的工作特性。內(nèi)置pid，變頻器/工頻切換和多泵循環(huán)運(yùn)行功能。內(nèi)置獨(dú)立的rs485通訊口。帶有節(jié)能監(jiān)控功能，節(jié)能效果一目了然。4.3水位傳感器的選型由于該設(shè)計(jì)的目的是控制水位穩(wěn)定，而整個(gè)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)是對(duì)水位的準(zhǔn)確測(cè)量，因此水位能否準(zhǔn)確測(cè)量直接關(guān)系到控制質(zhì)量的優(yōu)劣。合理的選擇水位傳感器在水位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中有關(guān)鍵作用。知道汽包水位應(yīng)該控制在30030mm，根據(jù)過(guò)程控制儀表量程選擇原則：儀表量程應(yīng)該為被測(cè)量參數(shù)的4/33/2倍。因此所選傳感器的最大量程為:400450 mm。而且汽包水位應(yīng)該控制在30030 mm，因此所選水位傳感器的精度應(yīng)該高于10/450=6.7%fs。cr-6031型智能鍋爐汽包液位計(jì)，采用獨(dú)特結(jié)構(gòu)，耐高溫、高壓，其中變送器利用液位變化與其對(duì)測(cè)量探極產(chǎn)生的電容變化之間的關(guān)系，通過(guò)專(zhuān)用模式系統(tǒng)軟件將檢測(cè)的電容變化經(jīng)各種補(bǔ)償計(jì)算后輸出與物位成正比的4-20madc 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。選擇測(cè)量圍為：100500mm，測(cè)量精度在1%fs的型號(hào)可以滿足控制要求。該型號(hào)的傳感器主要技術(shù)參數(shù)如下：量程：100500mm(水位高/深度)綜合精度: 1.0%fs 輸出信號(hào): 420ma(二線制)、05v、15v、010v(三線制) 供電電壓: 24dcv(936dcv) 負(fù)載電阻: 電流輸出型：最大800；電壓輸出型：大于50k 絕緣電阻: 大于2000m (100vdc )密封等級(jí): ip68 長(zhǎng)期穩(wěn)定性能: 0.1%fs/年 振動(dòng)影響: 在機(jī)械振動(dòng)頻率20hz1000hz內(nèi)，輸出變化小于0.1%fs 電氣接口(信號(hào)接口): 緊線防水螺母與五芯通汽電纜連接機(jī)械連接(螺紋接口): 投入式使用時(shí)可以采用24v直流電源為水位傳感器供電保證其正常工作，將15v電壓信號(hào)作為反饋量引入plc模擬量輸入端口進(jìn)行控制運(yùn)算。4.4流量傳感器的選型根據(jù)控制方案可以知道流量傳感器用于測(cè)量給水流量和蒸汽流量，這兩個(gè)信號(hào)可以有效地改善控制質(zhì)量，因此合理的選擇流量傳感器能夠有效的改善整個(gè)系統(tǒng)的控制質(zhì)量。知道所要控制的是35t/h鍋爐的汽包水位，即該鍋爐正常工作時(shí)每小時(shí)蒸發(fā)35t蒸汽也就是有35t水被蒸發(fā)成為蒸汽，水位穩(wěn)定時(shí)供水量為：35 m3/h 。lugb-99型渦街流量計(jì)是一種基于卡門(mén)渦街原理流體振動(dòng)式新型流量計(jì)，它具有測(cè)量范圍廣、壓損小、性能穩(wěn)定、準(zhǔn)確度高和安裝、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于封閉工業(yè)管道中液體、汽體和蒸汽介質(zhì)體積和質(zhì)量流量的測(cè)量。該流量計(jì)的技術(shù)參數(shù)如下：（1）測(cè)量介質(zhì)：蒸汽、汽體、液體（2）傳感器的感應(yīng)元件不直接與被測(cè)介質(zhì)接觸，性能穩(wěn)定、可靠性高（3）傳感器內(nèi)無(wú)可動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而牢固，壓損小維擴(kuò)量小、使用壽命長(zhǎng)（4）范圍度寬達(dá)10：115：1（5）測(cè)量范圍：正常工作范圍，雷諾數(shù)為20，0007，000，000；輸出信號(hào)不受液體溫度、壓力、粘度及組份影響。測(cè)量可能范圍，雷諾數(shù)8，0007，000000（6）精度等級(jí)：液體，指示值的1.0%；蒸汽，指示值的1.5%（7）輸出信號(hào)：a.電壓脈沖低電平：0-1v；高電平：大于4v；占空比為 50% b .電流: 420ma(三線制) （8）電源電壓： 24dcv（9）殼體材料：碳鋼；不銹鋼(1cr18ni9ti)（10）規(guī)格：(管道內(nèi)徑)20、25、32、40、50、65、80、125、150、200、 250、300(大于dn300 口徑為插入式)根據(jù)過(guò)程控制儀表量程選擇原則儀表量程應(yīng)該為被測(cè)量參數(shù)的4/33/2倍，流量計(jì)應(yīng)當(dāng)能夠檢測(cè)的最大流量為：46.552 m3/h，因此汽包送水管道直徑選用50 mm并用lugb-99型渦街流量計(jì)檢測(cè)流量可以檢測(cè)的流量范圍是350 m3/h，可以滿足設(shè)計(jì)要求進(jìn)行檢測(cè)汽包給水流量信號(hào)。由于lugb-99型渦街流量計(jì)既可用于液體流量檢測(cè)也可用于蒸汽流量檢測(cè)，因此還可以選擇該流量計(jì)作為汽包負(fù)荷蒸汽流量的檢測(cè)傳感器。正常工作時(shí)汽包蒸汽壓力大約是0.5mp，由蒸汽密度表可以查到蒸汽密度大約是2700kg/ m3，根據(jù)過(guò)程控制選擇儀表量程原則儀表量程應(yīng)該為被測(cè)量參數(shù)的4/33/2倍，流量計(jì)應(yīng)當(dāng)能夠檢測(cè)的最大流量為：17.219.2 m3/h因此汽包蒸汽管道直徑選用20 mm，并用lugb-99型渦街流量計(jì)檢測(cè)流量可以檢測(cè)的流量范圍是880 m3/h，可以滿足設(shè)計(jì)要求進(jìn)行檢測(cè)蒸汽流量信號(hào)。4.5接觸器的選型接觸器是系統(tǒng)中用到的重要開(kāi)關(guān)設(shè)備，接觸器的合理選擇能保證交流電動(dòng)機(jī)能夠準(zhǔn)確及時(shí)的啟動(dòng)、停止。根據(jù)分析三相交流異步電機(jī)的最高工作電流是工作于50hz交流電壓下，其工作電流為： 5 因此根據(jù)設(shè)計(jì)的要求選用hlc-3x系列空調(diào)接觸器，它主要適用于50hz或60hz、額定工作電壓為220v或480v時(shí)額定電流至40a電路中，適用于起動(dòng)和控制三相交流電動(dòng)機(jī)(壓縮機(jī))及其它三相負(fù)載，選擇五套該類(lèi)型接觸器同時(shí)帶動(dòng)一臺(tái)電機(jī)可以滿足設(shè)計(jì)要求。4.6熔斷器的選型由于系統(tǒng)的主要耗電設(shè)備是電動(dòng)機(jī)，因此系統(tǒng)穩(wěn)定工作時(shí)電流大約在150a左右，當(dāng)系統(tǒng)異常工作是可能導(dǎo)致工作電流變大因此可設(shè)定工作電流為200a時(shí)進(jìn)行過(guò)流保護(hù)。生產(chǎn)xrnt-12型限流熔斷器型額定電流可以設(shè)定為200a，可以滿足設(shè)計(jì)要求。4.7功率三極管的選型 為了能使plc輸出的數(shù)字量能夠控制接觸器的通斷設(shè)計(jì)如下電路： 圖3.1接觸器控制線路當(dāng)plc數(shù)字量輸出為高電平時(shí)三極管導(dǎo)通工作于飽和狀態(tài)，接觸器線圈上電使接觸器觸點(diǎn)閉合，否則plc數(shù)字量輸出為低電平時(shí)三極管截止工作于截止?fàn)顟B(tài)，接觸器線圈失電通過(guò)二極管續(xù)流，使接觸器觸點(diǎn)斷開(kāi)。i3dd5686型功率三極管最大工作電流超過(guò)5a，完全可以滿足工作要求。4.8變壓器的選型 液位傳感器、流量傳感器設(shè)備需要在dc24v電壓下才能正常工作。sa-100-24型變壓器采用脈沖寬度調(diào)制(pwm)方式。該變壓器效率高，工作溫度低，體積小，重量輕，電壓變動(dòng)率低。內(nèi)附突入電流抑制電路、具有短路保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)等功能。進(jìn)口器材，高可靠性高，內(nèi)置濾波器，低紋波?？砷L(zhǎng)期滿載使用。產(chǎn)品規(guī)格如下： 1）品名：開(kāi)關(guān)電源式變壓器 6）調(diào)制方式 脈沖寬度調(diào)制(pwm)式2）型號(hào)：sa-100/24 7)晶體管連接方式）全橋式3）額定功率：100w 8）頻率：47hz/63hz 4）輸入電壓：220v/110(ac) 9) 紋波及噪音：100mvp-p5）輸出電壓：24v(dc) 10)工作環(huán)境溫度：-10-605、關(guān)于汽包水位測(cè)量的問(wèn)題由于汽包水位波動(dòng)較大，-般選用平衡容器測(cè)量汽包水位。平衡容器連通管中的水位始終與汽包水位等高，上端的蒸汽冷凝后會(huì)在托盤(pán)上形成水柱，若水柱高出托盤(pán)自溢口后自溢，并經(jīng)平衡閥返回汽包，進(jìn)行熱量與水量的交換，以求達(dá)到汽包內(nèi)部水體與平衡容器內(nèi)部的水體比重-致且恒定，將托盤(pán)水面高于正取壓端口h。做負(fù)遷移，則差壓變送器量程所對(duì)應(yīng)的平衡管正壓端水柱壓力的變化就能夠?qū)嵎从称坏淖兓ｋp室平衡容器的結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖，其測(cè)量筒分別與汽包上部和下部接通，上部引入蒸汽，遇冷蒸汽溫度下降不斷冷凝，冷凝水流入冷凝臺(tái)進(jìn)入a管，a管是充滿液體的，b管與汽包連通。 參考書(shū)目1其大致結(jié)構(gòu)原理圖： 圖2 186、給水控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性汽包水位是工業(yè)蒸汽鍋爐安全、穩(wěn)定運(yùn)行的重要指標(biāo)，是鍋爐蒸汽負(fù)荷與給水間物質(zhì)是否平衡的重要標(biāo)志，維持汽包水位正常是保證鍋爐和汽輪機(jī)安全運(yùn)行的必要條件。汽包鍋爐給水控制系統(tǒng)的作用是使鍋爐的給水量自動(dòng)適應(yīng)鍋爐的蒸發(fā)量，維持汽包水位在規(guī)定范圍內(nèi)波動(dòng)。其中給水流量和蒸汽流量是影響汽包水位的兩種主要擾動(dòng)，前者來(lái)自調(diào)節(jié)器，稱(chēng)為內(nèi)擾，后者來(lái)自負(fù)荷側(cè)，稱(chēng)為外擾。6.1給水控制任務(wù)汽包鍋爐給水控制的任務(wù)是使給水量適應(yīng)鍋爐蒸發(fā)量，并使汽包的水位保持在一定的范圍內(nèi)，具體要求有以下兩個(gè)方面:(1)維持汽包水位在一定范圍內(nèi)。汽包水位是影響鍋爐安全運(yùn)行的重要因素。水位位過(guò)高，會(huì)破壞汽水分離裝置的正常工作，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致蒸汽帶水增多，從而增加在過(guò)熱器壁上和汽輪機(jī)葉片上的結(jié)垢，甚至使汽輪機(jī)發(fā)生水沖擊損壞葉片；水位過(guò)低，則會(huì)破壞水循環(huán)，引起水冷壁的破裂。正常運(yùn)行時(shí)的水位波動(dòng)范圍：2050mm異常情況：200mm事故情況：350mm(2)保恃穩(wěn)定的給水量。穩(wěn)定工況下，給水量不應(yīng)該時(shí)大時(shí)小地劇烈波動(dòng)，否則,將對(duì)省煤器和給水管道的安全運(yùn)行不利。對(duì)于蒸發(fā)量為100230t/h的單汽包爐，當(dāng)水位變化100mm時(shí)，t= 6030s，對(duì)于蒸汽量為更大的汽包爐t=30s，它的意義在于鍋爐在滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，如果突然停止供水，則由于蒸發(fā)量和給水量的不平衡造成水位迅速下降，在30s內(nèi)將下降200mm，或者換句話說(shuō)，如果給水量減少10%，經(jīng)過(guò)30s的時(shí)間，水位將下降20mm。從物質(zhì)平衡的觀點(diǎn)來(lái)看，加大了給水量g水位應(yīng)立即上升，但實(shí)際上并不是這樣，而是經(jīng)過(guò)一段遲延，甚至下降后再上升。這足因?yàn)榻o水溫度遠(yuǎn)低于省煤器的溫度，即給水有一定的過(guò)冷度，水進(jìn)入省煤器后，使-部分汽變成了水，特別是沸騰式省煤器，給水減輕了省煤器內(nèi)的沸騰度，省煤器內(nèi)的汽泡總?cè)莘e減少，因此，進(jìn)入省煤器內(nèi)的水首先來(lái)填補(bǔ)省煤器中因汽泡破滅容積減少而降低的水位，經(jīng)過(guò)一段遲延甚至水位下降后，才能因給水量不斷從省煤器進(jìn)入汽包而使水位.在此過(guò)程中，負(fù)荷還未發(fā)生變化，汽包中水仍然在蒸發(fā)，因此水位也有下降趨勢(shì)。沸騰式省煤器的延遲時(shí)間t為100200s。非沸騰式省煤器的延遲時(shí)間丁為30100s。水位在給水?dāng)_動(dòng)下的傳遞函數(shù)可表示為： 1當(dāng)t=時(shí)，上式可變?yōu)? 1水位對(duì)象可近似認(rèn)為足-個(gè)積分環(huán)節(jié)和個(gè)慣性環(huán)節(jié)并聯(lián)形式。6.2蒸汽流量擾動(dòng)下水位的動(dòng)態(tài)特性 如果只從物質(zhì)平衡的角度來(lái)看，蒸發(fā)量突然增加時(shí)，蒸發(fā)量高于給水量，汽包水位是無(wú)自平衡能力的，所以水位應(yīng)該直線下降，但實(shí)際水位是先上升，后下降，這種現(xiàn)象稱(chēng)為“虛假水位”現(xiàn)象，如圖所示。其原因是由于負(fù)荷增加時(shí)，在汽水循環(huán)回路中的蒸發(fā)強(qiáng)度也將成比例增加，水面下汽泡的容積增加得也很快，此時(shí)燃料量m還來(lái)不及增加，汽包中氣壓pb降，汽包膨脹，使汽泡體積增大而水位上升。如圖2-3中所示，開(kāi)始的一段時(shí)間的作用大于h（t）。過(guò)了一段時(shí)間后，當(dāng)汽泡容積和負(fù)荷相適應(yīng)而達(dá)到穩(wěn)定后，水位就要反映出物質(zhì)平衡關(guān)系而下降。因此，水位的變化應(yīng)時(shí)上述兩者之和，即傳遞函數(shù)也為兩者的代數(shù)和: 2 2一般100230t/hd 的中高爐，負(fù)荷突然變化10%時(shí)，虛假水位化現(xiàn)象可使水位變化達(dá) 30 40mm。汽包水位調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性方程式，通過(guò)理論推導(dǎo)和化簡(jiǎn)后可寫(xiě)成: 2式中，tw：給水流量項(xiàng)的時(shí)間常數(shù)；td：蒸汽流量項(xiàng)的時(shí)間常數(shù)；kd，kw：分別為蒸汽流量和給水流量的放大系數(shù)；uw，ud：分別是給水流量和蒸汽流量的標(biāo)值；，：水位的時(shí)間常數(shù)。在蒸汽負(fù)荷小變而給水流量變化的情況下，汽包水位的動(dòng)態(tài)微分方程可以表示為： 2對(duì)上式進(jìn)行拉普拉斯變換，可得： 2于是，我們得到汽包水位在給水流量作用下的傳遞函數(shù)：對(duì)于中壓（蒸汽壓力2.0mpa）以下鍋爐，tw般較小，可以忽略不計(jì)。故上式可以化簡(jiǎn)為：可以簡(jiǎn)化為：在給水量不變而蒸汽負(fù)荷變化的情況下，汽包水位的動(dòng)態(tài)微分方程可以表示為：對(duì)上式進(jìn)行拉普拉斯變換，可得：于是，我們得到汽包水位在蒸汽流量作用下的傳遞函數(shù)：上式可以用兩個(gè)動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)的并聯(lián)來(lái)等效，即：式中，為上升速度，即給水流量變化一個(gè)單位流量時(shí)水位的變化速度；（）為響應(yīng)曲線的放大系數(shù)；為響應(yīng)曲線的時(shí)間常數(shù)。下圖給水流量作用下水位的階躍響應(yīng)曲線和蒸汽用量擾動(dòng)下水位的階躍響應(yīng)曲線7、單沖量單回路控制系統(tǒng)單沖量水位控制系統(tǒng)以汽包水位作為唯一的控制信號(hào)，沖量即變量。水位測(cè)量信號(hào)經(jīng)變送器送到水位調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器根據(jù)汽包水位測(cè)量值只與給定值h。的偏差，通過(guò)執(zhí)行器去控制給水調(diào)節(jié)閥以改變給水量，保持汽包水位在允許的范圍內(nèi)，其原理結(jié)構(gòu)如圖所示。圖3鍋爐工藝流程圖7.1鍋筒水位的控制方案根據(jù)鍋筒水位特性，選取汽包液位是被控變量，蒸汽流量和給水流量是沖量信號(hào)，通過(guò)控制給水量來(lái)使鍋筒水位維持在滿足負(fù)荷需求的高度,一旦蒸汽流量或給水流量發(fā)生波動(dòng)，加法器立即改變調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度進(jìn)行校正,提高被調(diào)參數(shù)液位的調(diào)節(jié)精度。控制方框圖： 圖4控制方框圖控制系統(tǒng)方框圖：圖5控制系統(tǒng)方框圖圖中，lc為流量控制器，gv為調(diào)節(jié)閥傳遞函數(shù)， gp1為水流量變化對(duì)水位變化對(duì)象傳遞函數(shù)，glm為液位檢測(cè)環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)，gd2為水流量擾傳遞函數(shù)，gd1為蒸汽流量干擾傳遞函數(shù)?？梢?jiàn)，它根據(jù)當(dāng)前鍋筒水位來(lái)確定給水量，是一個(gè)單回路控制系統(tǒng)。當(dāng)蒸汽用量突然增加時(shí)，應(yīng)該加大給水量以滿足負(fù)荷需求；但是由于假水位現(xiàn)象，導(dǎo)致控制器會(huì)先減小給水量來(lái)抑制瞬間的水位升高，隨著假水位消失，鍋筒水位會(huì)在負(fù)荷增加和給水量減少的雙重作用下，產(chǎn)生嚴(yán)重的水位下降，甚至發(fā)生危險(xiǎn)。因此,該控制方案不適用于負(fù)荷變動(dòng)較大的情況。8、控制系統(tǒng)仿真8.1各個(gè)環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)及各個(gè)參數(shù)的確定小型鍋爐如35t/h，為維持鍋爐液位范圍在15-35mm內(nèi)穩(wěn)定進(jìn)行，維持蒸汽壓力1.2-1.3mpa，蒸汽壓力的范圍波動(dòng)0.1mpa，具體設(shè)置參數(shù)值為：根據(jù)本文所控制的水位被控對(duì)象的數(shù)據(jù)，給水量的時(shí)間常數(shù)t2定為15min，k=50mm，因此水位被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型為：8.2 matlab仿真pid參數(shù)整定，一般說(shuō)，液位控制只需比例p控制調(diào)節(jié)即可。但是該系統(tǒng)只用p控制，k取較小值時(shí)，超調(diào)量較小，但是穩(wěn)定值偏低，且k越小越低，k取較大值時(shí)，震蕩變大，穩(wěn)定較差；如果加入積分環(huán)節(jié)i，效果會(huì)很好，但i不能取很大，用matlab仿真i可以取的范圍是0.01-1之間,加上積分環(huán)節(jié)效果不是很好，該仿真結(jié)果，最好控制是pd，效果是穩(wěn)定快，超調(diào)量小，抗干擾能力強(qiáng)。由之前計(jì)算過(guò)程和系統(tǒng)框圖可知,該控制系統(tǒng)為單回路,從而在simulink中表現(xiàn)為單回路,由一個(gè)pid調(diào)節(jié)器控制,通過(guò)高電平信號(hào)和階躍干擾信號(hào)共同激發(fā)傳遞函數(shù),然后通過(guò)示波器示波,從而建立如下simulink模型，并將上述模型數(shù)據(jù)代入 見(jiàn)圖6：圖6單回路控制系統(tǒng)圖simulink模型一、 該系統(tǒng)采用純比例控制時(shí)，有以下處理過(guò)程：在實(shí)際調(diào)試中，只能先大致設(shè)定一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，然后根據(jù)調(diào)節(jié)效果修改。（1） 初步令ti=0，td=0，延時(shí)時(shí)間t=1，即kp=1，ti=0，td=0，=1（2） kp=3，ti=0，td=0，=1（3） kp=3.6，ti=0，td=0，=1由圖可知，該系統(tǒng)采用純比例控制時(shí)，當(dāng)獲得4:1的衰減震蕩曲線時(shí)，觀察圖形可得以下結(jié)論該系統(tǒng)在150s左右趨于穩(wěn)定，調(diào)節(jié)時(shí)間約為120s，峰值時(shí)間約為30s，并且可以看出該控制系統(tǒng)在比例控制器的控制之下比較穩(wěn)定。二、該系統(tǒng)采用pd控制時(shí)經(jīng)反復(fù)試湊比例度、積分時(shí)間、微分時(shí)間的大小，得出k=60，i=0，d=95時(shí)響應(yīng)曲線呈4：1衰減，如下圖所示，由圖可以看出，峰值時(shí)間約為5s左右，調(diào)節(jié)時(shí)間約為40s，在50s左右系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。8.3仿真結(jié)果分析在本次仿真實(shí)驗(yàn)中我采用了兩種控制方式，分別為比例（p）控制和比例微分（pd）控制，其中，比例控制仿真模擬時(shí)，在p調(diào)節(jié)中，調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)與偏差信號(hào)成比例,比例調(diào)節(jié)是有差調(diào)節(jié)，比例調(diào)節(jié)的殘差隨著比例帶的加大而加大。我們希望盡量減小比例帶，然而，減小比例帶就等于加大調(diào)節(jié)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)增益，其后果是導(dǎo)致系統(tǒng)的激烈振蕩甚至不穩(wěn)定。穩(wěn)定性是任何閉環(huán)系統(tǒng)的首要要求，比例帶的設(shè)置必須保證系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定裕度。比例帶具有一個(gè)臨界值，此時(shí)系統(tǒng)處于穩(wěn)定邊界的情況，進(jìn)一步減小比例帶系統(tǒng)就不穩(wěn)定了。通過(guò)查閱相關(guān)資料得知，在實(shí)際調(diào)試中，只能先大致設(shè)定一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，然后根據(jù)調(diào)節(jié)效果修改，對(duì)于液位系統(tǒng)：p（%）20-80，i（分）1-5。故而在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中選擇從1開(kāi)始取值，并最終確定3.6為最佳值，而比例微分控制時(shí)，通過(guò)衰減曲線法反復(fù)試湊得出當(dāng)k=60，i=0，d=95時(shí)仿真效果較好，通過(guò)兩種調(diào)節(jié)方式的對(duì)比，我們可以明顯看出在純比例控制下雖然系統(tǒng)最終也能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，但是其調(diào)節(jié)時(shí)間和峰值時(shí)間都太長(zhǎng)，且曲線不是特別光滑，而比例微分控制則能大大減少調(diào)節(jié)時(shí)間，調(diào)節(jié)過(guò)程相對(duì)比例調(diào)節(jié)比較完善，仿真