汽包水位自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、一、課程設(shè)計(jì)(綜合實(shí)驗(yàn))的目的與要求鍋爐是工業(yè)生產(chǎn)及人民生活的主要的動(dòng)力及能源。 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)，水位過(guò)高會(huì)導(dǎo)致蒸汽帶水進(jìn)入過(guò) 熱器，并在過(guò)熱管內(nèi)結(jié)垢，影響傳熱效率，嚴(yán)重的將引起過(guò)熱器爆管；水位過(guò)低又將 破壞部分水冷壁的水循環(huán)引起水冷壁局部過(guò)熱而爆管。高丿性能的鍋爐產(chǎn)生的蒸汽流量很 大，而 汽包的體積相對(duì)來(lái)說(shuō)較小，水位的時(shí)間常數(shù)很小。大容量鍋爐若給水不及時(shí)， 數(shù) 秒之內(nèi)就可能達(dá)到危險(xiǎn)水位，所以鍋爐汽包水位的控制顯得非常重要。因此，必 須 采取有效、精確的自動(dòng)調(diào)節(jié)，嚴(yán)格控制汽包水位在規(guī)定范圍內(nèi)。 影響汽包水位變化的因素很多，如燃煤量、給水量和蒸汽流量。燃煤量對(duì)水位

2、變 化的影響是比較緩慢的，容易克服。因此，主要考慮給水量和蒸汽流量對(duì)水位的影響。 水位過(guò)高會(huì)影響汽包內(nèi)汽水分離，飽和水蒸汽溫度急劇下降，該過(guò)熱蒸汽作為汽輪機(jī)動(dòng) 力的話，將會(huì)損壞汽輪機(jī)葉片，影響運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。水位過(guò)彳氐，則由于汽包內(nèi) 的水量轉(zhuǎn)少，而負(fù)荷很大時(shí)，如不及時(shí)調(diào)節(jié)就會(huì)使汽包內(nèi)的水全部液化，導(dǎo)致水冷壁燒 壞，甚至引起爆炸。因此，鍋爐汽包水位必須嚴(yán) 加控制。 二、設(shè)計(jì)(實(shí)驗(yàn))正文 1控制系統(tǒng)的整體分析： 1.1影響汽包水位的主要因素 1) 給水流量w 2) 主蒸汽流量D 3) 燃料量B 1.2控制指標(biāo) 保證給水流量W和主蒸汽流量D保持平衡，維持汽包水位H在較小范圍內(nèi)波動(dòng)。 1.3汽包

3、水位控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性分析做各種主要影響因素的階躍擾動(dòng)，記錄并分析汽 包水位的響應(yīng)曲線 1) 給水?dāng)_動(dòng)： Matlab仿真如圖1 : 衡能力，且有較大的遲延，因此應(yīng)采用串級(jí)控制，將給水流量的擾動(dòng)消除在采用帶比 例作用的副調(diào)節(jié)回路中，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定T生。 2) 蒸汽擾動(dòng)： Matlab仿真如圖3 : 圖3 :蒸汽擾動(dòng)Matlab仿真 運(yùn)行結(jié)果如圖4: 圖4 :蒸汽擾動(dòng)下的水位響應(yīng)曲線 由仿真結(jié)果看出對(duì)象在蒸發(fā)量D擾動(dòng)下，水位階躍反應(yīng)曲線有一段上升的過(guò) 程，表現(xiàn)有“虛假水位”現(xiàn)象，（出現(xiàn)虛假水位現(xiàn)象的原因：當(dāng)負(fù)荷突然增加，蒸汽 流量增加，汽包的壓強(qiáng)變小，導(dǎo)致水氣化，導(dǎo)致水位升高，同樣的，當(dāng)負(fù)荷突

4、然減 小，蒸汽流量減小，汽包的壓強(qiáng)變大，導(dǎo)致水中氣泡液化，水位降低，這兩種情況都 會(huì)出現(xiàn)虛假水位現(xiàn)象。）這種現(xiàn)象的反應(yīng)速度比內(nèi)擾快，為了克服“虛假水位”現(xiàn)象 對(duì)控制系統(tǒng)的不利影響，應(yīng)考慮引入蒸汽流量的補(bǔ)償信號(hào)。 通過(guò)上述對(duì)被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特F生分析，確定采用串級(jí)前饋三沖量控制系統(tǒng)： 1）因?yàn)榇?jí)系統(tǒng)可以有效克服二次干擾，尤其是本系統(tǒng)是有純遲延環(huán)節(jié)，可以 有效提高系統(tǒng)的快速性和準(zhǔn)確性，改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特T生，此外，串級(jí)系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷的 變化有一定的自適應(yīng)能力。 2）通過(guò)靜態(tài)前饋環(huán)節(jié)的加入，也可以有效改善負(fù)荷變化（蒸汽流量變化）帶來(lái) 的“虛假水位”現(xiàn)象，當(dāng)蒸汽流量D突然階躍增加，由于虛假水位現(xiàn)象會(huì)使水位

5、增 加，錯(cuò)誤地使調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)減小給水量，但引入前饋后，D的增加通過(guò)副回路的比例作用 又使得調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)增加給水量，所以通過(guò)合適的參數(shù)整定，將會(huì)有效克服“虛假水位” 現(xiàn)象。 1.4，系統(tǒng)框圖、控制系統(tǒng)流程圖及SAMA圖如下所示: 圖6 :串級(jí)三沖量水位控制系統(tǒng)工藝流程圖 在該調(diào)節(jié)系統(tǒng)中：調(diào)節(jié)器接受汽包水位、蒸汽流量和給水流量三個(gè)測(cè)量信號(hào)控制系統(tǒng) 說(shuō)明如下： 1）水位H是主信號(hào)，任何擾動(dòng)引起的水位變化，都會(huì)使調(diào)節(jié)器輸信號(hào)發(fā)生變化，改 變給水流量，使水位恢復(fù)到給定值。 2）主汽流量信號(hào)D做前饋信號(hào)，其作用是削弱由于“虛假水位”而使調(diào)節(jié) 器產(chǎn)生的誤動(dòng)作，用以改善蒸汽流量擾動(dòng)時(shí)的調(diào)節(jié)質(zhì)量 3) 控制系統(tǒng)由兩個(gè)閉

6、合回路及前饋調(diào)節(jié)部分組成。主回路由主調(diào)節(jié)對(duì)象Gp(s)、水 位測(cè)量變送器Kh、主調(diào)節(jié)Gc1 (s)和副回路組成；副回路由給水流量W、給水流量變送 器Kw、副調(diào)節(jié)器Gc2(s)、執(zhí)行器K|i組成；前饋部分由蒸汽流量信號(hào)D、蒸汽流量變 送器Kd構(gòu)成。 4) 副調(diào)節(jié)器的任務(wù)是當(dāng)給水量擾動(dòng)時(shí)，迅速動(dòng)作使給水量保持不變；當(dāng)蒸汽量擾動(dòng) 時(shí)，副調(diào)節(jié)器迅速改變給水量，保持給水量和蒸汽量平衡。主調(diào)節(jié)器的作用是校正水 位，維持穩(wěn)定水位不變。 SAMA圖解 析： 08 汽包液位 LT 給水流量 AI 蒸汽流量 FT AI 04 Al QC H/L QC 02 QC 03 蒸汽流量 給定值M KJ T TR A_|

7、H/L 1 1 燈 01汽包水位出口信號(hào)故障 02給水流雖出口信號(hào)故障 TR 03蒸汽流蛍出口信號(hào)故障 M汽包水位偏差大 A/M 05給水閥位偏差大 05 06蒸汽流蛍變化幅度過(guò)大 X TR H/L 合水切手動(dòng)07 lA?Tl 07 08 AO ZT?(X) 圖名 汽包水位控制系統(tǒng) 圖號(hào) 1 單位 華北電力大學(xué) 頁(yè)號(hào) 第1頁(yè) 設(shè)計(jì) 高欣 審核 制圖 高欣 日期 2013.1.8 SAMA圖中操作器要保證手自動(dòng)的無(wú)擾切換： 主調(diào)節(jié)器跟蹤是為了保證副調(diào)節(jié)器無(wú)偏差；副調(diào)節(jié)器跟蹤保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)無(wú)偏差。 切手動(dòng)的條件： 除了測(cè)量信號(hào)故障及調(diào)節(jié)器的輸入偏差大，又加入了蒸汽流量變化幅度過(guò)大的要 求，因?yàn)榍梆伒?/p>

8、引入，雖然減小了 “虛假水位”期間調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的誤動(dòng)作，但是并不能完全 消除該現(xiàn)象，切水位H對(duì)蒸汽流量擾動(dòng)D的響應(yīng)速度比對(duì)內(nèi)部擾動(dòng)W的響應(yīng)速度要快 得多，所以當(dāng)蒸汽流量變化過(guò)大時(shí)還是會(huì)引起誤動(dòng)作，故加入了蒸汽流量變化幅度的限 制。 1.5控制系統(tǒng)的仿真及參數(shù)整定： 1）副回路的整定： 副回路的主要作用是消除二次擾動(dòng)即給水閥的擾動(dòng)，要求副回路的快速性和穩(wěn)定 性，保證給水流量的穩(wěn)定。整定時(shí)，斷開(kāi)主回路，把副回路看成是一個(gè)單回 路，為保證其 快速靈活的特性，此處采用比例調(diào)節(jié)。 副回路整定Matlab仿真： 其中設(shè)置PID調(diào)節(jié)器于比例調(diào)節(jié)，P=30 o仿真時(shí)，在20S時(shí)加入幅度為0.5 的階躍擾動(dòng) 仿真結(jié)

9、果如圖9: 差很小，可以滿足內(nèi)回路快速準(zhǔn)確的要求。 2）主回路的整定：整定主回路時(shí)，可以把副回路的整體看成一個(gè)比例環(huán)節(jié)，用衰減曲 線法整定主回路。 主回路采用PI控制，其中P=0.9 1=0.015，微調(diào)副回路的比例P=35. 仿真結(jié)果如圖11: 圖11:主回路仿真結(jié)果 衰減率為：85% 3）給水?dāng)_動(dòng)測(cè)試：測(cè)試串級(jí)回路對(duì)給水?dāng)_動(dòng)的控制效果，如圖12 ： 在第20S加入給水?dāng)_動(dòng)，可以看出系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)幾乎不受給水?dāng)_動(dòng)的影 響，滿足整定時(shí)快速消除內(nèi)擾的要求，最終系統(tǒng)的輸出幾乎無(wú)靜差，且滿足衰減 率的要求，其快速性和準(zhǔn)確性得到保證。 圖12 ：給水?dāng)_動(dòng)下系統(tǒng)的輸出 4）加入前饋及蒸汽擾動(dòng)測(cè)試：加入靜

10、態(tài)前饋和蒸汽擾動(dòng)及給水?dāng)_動(dòng)，仿真Matlab 圖13所示： 圖13 ：加入給水及蒸汽流量擾動(dòng)仿真結(jié)果如圖14 : 控制系統(tǒng)在加入兩種干擾后，系統(tǒng)可以快速調(diào)節(jié)，最終也穩(wěn)定在給定值，系統(tǒng)誤差 較小，超調(diào)量也滿足了整定的要求，整體效果達(dá)到整定目的。三、課程設(shè)計(jì)總結(jié) 此次課程設(shè)計(jì)的題目是汽包水位的控制系統(tǒng)，三沖量控制系統(tǒng)利用給水流量、蒸汽 流量和水位三個(gè)參數(shù)進(jìn)行液面控制。該系統(tǒng)中汽包水位是主沖量信號(hào)，給水流量 蒸汽 流量是輔助沖量信號(hào)，該控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)給水流量和蒸汽流量擾動(dòng)下的仿真實(shí)驗(yàn)，能有效 地克服虛假水位和給水干擾對(duì)控制系統(tǒng)的影響。從仿真效果可知，串級(jí)三沖量給水控制 系統(tǒng)對(duì)各種典型影響因素的干擾均能做出快速反應(yīng)，具有較高的調(diào)節(jié)質(zhì)量和調(diào)節(jié)精度， 能夠維持汽包水位的穩(wěn)定，保障機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，改善了高壓汽包的運(yùn)行狀況， 極大地提高了控制系統(tǒng)的性能，使高壓汽包的液位波動(dòng)很小，液位控制非常平穩(wěn)。 在這次課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，收獲很多，深刻了解了汽包水位調(diào)節(jié)的整個(gè)過(guò)程，并在應(yīng) 用中體會(huì)到了串級(jí)控制和前饋控制的具體作用和實(shí)施的細(xì)節(jié)。在系統(tǒng)參數(shù)的整定過(guò)程 中，應(yīng)用到了 MATLAB仿真，大體掌握了利用MATLAB進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)試的方