575203355畢業(yè)設(shè)計（論文）鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的設(shè)計

1、電氣信息工程學院畢業(yè)設(shè)計論文 鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的設(shè)計目 錄1 引言11.1 論文選題背景、目的和意義11.1.1 電廠熱工自動化控制的發(fā)展21.1.2 自動控制理論的發(fā)展21.2 控制系統(tǒng)規(guī)模、組成結(jié)構(gòu)和硬件的發(fā)展31.2.1 初級階段31.2.2 常規(guī)儀表階段31.2.3 大型自動化階段31.3 國外一些主要的dcs系統(tǒng)42 汽包鍋爐工藝42.1 汽包鍋爐簡介42.2 汽包水位控制系統(tǒng)52.3 汽包水位的動、靜態(tài)特性52.3.1 汽包水位在給水流量作用下的動態(tài)特性62.3.2 汽包水位在蒸汽流量擾動下的動態(tài)特性72.3.3 燃料量擾動下汽包水位的動態(tài)特性82.3.4 水位對象靜態(tài)特性分析

2、93 目前主要存在單沖量水位控制系統(tǒng)、雙沖量控制系統(tǒng)、三沖量系統(tǒng)93.1 單沖量水位控制方案93.2 雙沖量控制方案103.3 三沖量控制系統(tǒng)133.3.1 三沖量控制方案之一133.3.2 三沖量控制方案二153.3.3 三沖量控制方案三163.4 幾種控制方案的比較183.5 最優(yōu)方案解析193.6 三沖量控制系統(tǒng)的工程整定213.6.1 輸入信號之間的靜態(tài)配合213.6.2 控制系統(tǒng)動態(tài)整定234 工程中需要注意的問題254.1 關(guān)于汽包水位測量的問題254.2 給水閥的選擇問題254.2.1 關(guān)于給水調(diào)節(jié)閥的氣開氣關(guān)的選擇。254.2.2 關(guān)于給水調(diào)節(jié)閥型號的選擇。254.3 給水流量

3、 蒸汽流量265 結(jié)束語26參 考 文 獻26致 謝27鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的設(shè)計 攀枝花學院電氣信息工程學院，攀枝花 617000文 摘 本文在具體分析了一些影響汽包水位對象控制主要因數(shù)的基礎(chǔ)上，討論了目前通常采用的控制方法,深入分析了水位對象模型的動靜特性。首先從鍋爐汽包內(nèi)水的熱平衡、物質(zhì)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，并著力研究三沖量系統(tǒng)的特點。隨后對其在pid的參數(shù)整定方面也進行了必要的分析，并略述了工程中需要注意的問題。在此基礎(chǔ)上，我們可以了解到汽包水位控制系統(tǒng)的新發(fā)展。關(guān)鍵詞 鍋爐汽包

4、；水位控制；三沖量控制系統(tǒng)；pid；參數(shù)整定；最佳方案1 引言1.1 論文選題背景、目的和意義 隨著電子產(chǎn)品的降價及自動化生產(chǎn)線工藝控制連續(xù)穩(wěn)定優(yōu)勢的凸現(xiàn)，越來越多的企業(yè)準備將自己的核心生產(chǎn)線改成全自動化生產(chǎn)線或者對個別關(guān)鍵工藝參數(shù)采用自動控制。工業(yè)應用自控技術(shù)在中國的推廣使用較晚，但近年來發(fā)展較快。國內(nèi)現(xiàn)在做汽包水位自動控制系統(tǒng)方面的設(shè)計公司很多，但由于能夠集工藝要求、自動化技術(shù)和電氣技術(shù)三者于一體的設(shè)計不多，所以人們清楚地認識到自動控制技術(shù)在工業(yè)應用中的重要地位和作用，在水位控制系統(tǒng)中，主要采用“三沖量控制”方案來實現(xiàn)鍋爐汽包水位控制更是重中之重。本設(shè)計是通過了解了鍋爐汽包水位控制的發(fā)展并

5、在具體分析其動、靜特性的基礎(chǔ)上從單沖量控制到雙沖量控制最后到三沖量控制的設(shè)計方案中擇優(yōu)選擇了“三沖量”控制，具體的方案設(shè)計存在的優(yōu)缺點詳見下文解析。本課題的目的及意義：鍋爐汽包水位控制是維持鍋筒水位在允許的范圍內(nèi)，使鍋爐的給水量適應鍋爐的蒸發(fā)量。由于鍋爐的水位同時受到鍋爐側(cè)和氣輪機側(cè)的影響，因此，當鍋爐負荷變化或氣輪機用汽量變化時，通過給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)保持鍋爐的水位正常是保證鍋爐和氣輪機安全運行的重要條件。水位過高或過低，都是不允許的。水位過高會影響汽水分離器的正常工作，嚴重時會導致蒸汽帶水增加，使過熱器管壁和氣輪機葉片結(jié)垢，造成事故；鍋爐出口蒸汽帶水過多還會使過熱蒸汽溫度產(chǎn)生急劇變化。水位過低，

6、則會破壞正常水循環(huán)，危及水冷壁受熱面的安全。一般要求鍋筒水位維持在設(shè)計值75100mm范圍內(nèi)。1.1.1 電廠熱工自動化控制的發(fā)展 自動控制理論及工程應用的發(fā)展至今已有100多年的歷史，隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的飛速發(fā)展，自動控制系統(tǒng)應用范圍也越來越廣泛。電廠熱工系統(tǒng)更不例外主要表現(xiàn)在系統(tǒng)越來越大，高參數(shù)大容積，除了對控制硬件提出了高可靠性要求之外，對控制理論也不斷提出新要求，希望能不斷解決新出現(xiàn)的控制難題，自動控制的發(fā)展主要包括兩個方面：（1）控制理論的發(fā)展；（2）控制系統(tǒng)規(guī)模及組成結(jié)構(gòu)和硬件的發(fā)展。有效控制虛假水位現(xiàn)象并使水位在允許的范圍內(nèi)，保證鍋爐的安全高效運行，1.1.2 自動控制理論的發(fā)展l

7、 “經(jīng)典控制理論”階段上世紀50年代前發(fā)展的控制理論被稱為“古典控制理論”。它主要研究的自動控制系統(tǒng)為線性定常系統(tǒng)，被控對象集中于siso系統(tǒng)。經(jīng)典控制理論所采用的方法通常是以傳遞函數(shù)、頻率特性、根軌跡分布為基礎(chǔ)的波德圖法和根軌跡法，包括各種穩(wěn)定性判據(jù)和對數(shù)頻率特性。l “現(xiàn)代控制理論”階段60年代以后發(fā)展起來的現(xiàn)代控制理論主要研究mimo系統(tǒng)。系統(tǒng)可以是線性或非線性的，定?；驎r變的。它采用狀態(tài)方程代替經(jīng)典理論中的一個高階微分方程式來描述系統(tǒng)，并且系統(tǒng)中各個變量均為時間t的函數(shù)，因而屬于時域分析方法。采用狀態(tài)方程的好處可以研究系統(tǒng)的內(nèi)部特性，可以分析系統(tǒng)的本質(zhì)。主要內(nèi)容包括：（1）系統(tǒng)運動狀態(tài)

8、的描述和能控性、能觀性分析；（2）李亞譜諾夫穩(wěn)定性理論和李亞譜諾夫函數(shù)，系統(tǒng)識別和卡爾曼濾波理論；（3）非線性系統(tǒng)控制；（4）系統(tǒng)最優(yōu)控制及自適應控制l “大系統(tǒng)理論和先進控制理論”階段前兩個階段的控制理論的發(fā)展與應用，主要討論存在數(shù)學模型的自動控制系統(tǒng)，但是對于那些不具有數(shù)學模型或很難找到數(shù)學模型的被控對象，應用經(jīng)典控制理論的方法等無法解決。但是，由于計算機技術(shù)的快速發(fā)展和價格的下降，使計算機的應用領(lǐng)域越來越寬，先進控制日益發(fā)展和應用起來了。先進控制主要包括自適應控制、預測控制、智能控制、魯棒控制等。人工智能學科的發(fā)展促進了自動控制理論向著智能控制方向發(fā)展，而智能控制和具有智能化的自動控制系

9、統(tǒng)又是人工智能的一個既有廣泛應用前景的研究領(lǐng)域。70年代末開始的智能控制理論和大系統(tǒng)理論的研究與應用，是現(xiàn)代控制論在深度上和廣度上的開拓，因此在控制工程界受到極大的關(guān)注，主要包括：專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制、學習控制等。智能控制具有如下特點：以專家和熟練操作工人的知識為基礎(chǔ)進行推理、判斷、預測和規(guī)劃，采用符號信息處理、啟發(fā)式程序設(shè)計，知識表示和自學習、推理與決策的智能化技術(shù)，實現(xiàn)問題的綜合性求解。先進控制離不開前兩個階段的控制理論，只是把自動控制理論推向一個更深化的嶄新階段。1.2 控制系統(tǒng)規(guī)模、組成結(jié)構(gòu)和硬件的發(fā)展1.2.1 初級階段本世紀50年代前后，熱工生產(chǎn)過程主要是憑生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，局

10、限于一般的控制元件和機電式控制儀器，采用比較笨重的基地式儀表實現(xiàn)機、爐、電各自獨立的分散的局部自動控制。各控制系統(tǒng)之間沒有或很少有聯(lián)系，所應用的理論是經(jīng)典控制理論。1.2.2 常規(guī)儀表階段50年代末及以后十年間，隨著儀表工業(yè)大力發(fā)展，先后出現(xiàn)了電動單元儀表和巡回監(jiān)測裝置，這些高性能的儀表廣泛應用于熱工過程，并且機組容量增大，對效率及安全的要求越來越突出，因此熱工控制的要求和精度變得越來越高。要求實現(xiàn)把機、爐作為一單元整體來進行集中控制，儀表盤表裝在一起監(jiān)視，從而使機、爐啟停更為協(xié)調(diào)，對提高設(shè)備效率和強化生產(chǎn)過程有所促進。此時所用的儀表有電動及組裝儀表。理論發(fā)展主要是處于“經(jīng)典控制理論”階段，但

11、也開始考慮最優(yōu)控制等，各種ddz型儀表廣泛應用于水位控制中。1.2.3 大型自動化階段70年代至今，由于集成電路及計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，實現(xiàn)了過程控制最優(yōu)化與管理調(diào)度自動化相結(jié)合的分散計算機控制，目前火電發(fā)電廠都發(fā)展到了管理、決策、財務、生產(chǎn)過程一體化的（cips）階段，整個機組的生產(chǎn)過程的控制只是其中的一個子系統(tǒng)。采用集中分散型計算機控制系統(tǒng)，dcs它把各系統(tǒng)之間、廠級管理、調(diào)度等用大型計算機進行集中管理，而各個子回路分散控制，充分發(fā)揮了集中控制和分散控制各自的優(yōu)點，是一種比較合理的新型計算機控制系統(tǒng)。隨著這個過程，控制理論的應用有了新的發(fā)展，各種先進控制技術(shù)也能廣泛應用于熱工過程。水位控制

12、的模式主要是三沖量，但是先進控制技術(shù)也應用到水位控制中來，如自適應控制、預測控制、模糊控制、還有可以用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行控制。甚至應用建模技術(shù)，可以對過程實時建摸，更加提高了控制效果。1.3 國外一些主要的dcs系統(tǒng) 國外dcs系統(tǒng)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，計算機集散控制系統(tǒng)已被廣泛應用于包括電廠在內(nèi)的諸多工業(yè)部門。目前，世界上約有40多家公司生產(chǎn)近百種簡單控制系統(tǒng)的商業(yè)產(chǎn)品。比較有名的如美國的abb、honeywell、tayler、foxboro；以及日本的橫河北辰、日立、東芝；德國的siemens等多跨國公司。這些成熟的dcs系統(tǒng)都有可靠的性能，都有對于專門的生產(chǎn)過程發(fā)展的dcs系統(tǒng)，可以很方便、任意

13、的組態(tài)，里面都包含了幾乎所有的控制算法，用戶可以根據(jù)現(xiàn)場情況實現(xiàn)自己的控制策略。由于這些系統(tǒng)的良好的開放性，用戶可以在此基礎(chǔ)上作二次開發(fā)，把最新的技術(shù)應用到自己的系統(tǒng)中來，增強原系統(tǒng)的功能。2 汽包鍋爐工藝2.1 汽包鍋爐簡介在設(shè)計鍋爐汽包水位控制的過程中首先從汽包鍋爐入手，汽包鍋爐有自然循環(huán)方式和強制循環(huán)方式兩種，汽包鍋爐自動控制的任務與直流鍋爐幾乎一樣，也是主要包括四個方面：（1）保證系統(tǒng)安全運行；（2）保持燃燒的經(jīng)濟性；（3）保持爐膛負壓在一定范圍內(nèi)；（4）運行中保證氣輪機所需的蒸汽量，過熱蒸汽壓力和蒸汽溫度的恒定。無論上一自然循環(huán)還是強制循環(huán)鍋爐，其給水控制的任務都是為了保證鍋爐負荷和

14、給水的平衡關(guān)系。但是，汽包鍋爐由于有了汽包的存在，使鍋爐的運行方式、鍋爐的結(jié)構(gòu)、工作原理與直流鍋爐不同，這就使實現(xiàn)控制的方式，采用被調(diào)量都有所區(qū)別。 汽包鍋爐的工作原理：汽包鍋爐的蒸發(fā)系統(tǒng)有汽包、下降管、分配水管、下聯(lián)箱、上升管、上聯(lián)箱、上升管、上聯(lián)箱、汽水引出管、汽水分離器組成，這種與直流鍋爐結(jié)構(gòu)的不同的最大優(yōu)點是：這個蒸發(fā)系統(tǒng)是閉合的，工質(zhì)在所有時候都在這個閉合的蒸發(fā)管道系統(tǒng)中不斷循環(huán)。鍋爐的蒸發(fā)受熱面是有比較明顯的分界線的。無論是自然循環(huán)還是強制循環(huán)汽包鍋爐只是工質(zhì)的循環(huán)方式不同，并不改變汽包鍋爐的工作原理。這主要是由鍋爐運行參數(shù)決定的，而且沒有很嚴格的規(guī)定，當鍋爐壓力工作在9.8mpa

15、18.6mpa范圍內(nèi)時，汽水密度差可以自行推動工質(zhì)流動，因此可以采用自然循環(huán)；當鍋爐工作壓力16mpa時，一般可以采用強制循環(huán)。調(diào)節(jié)過程特點：汽包水位成為給水控制的唯一標志，因此汽包水位：（1）反映了鍋爐負荷與給水的平衡關(guān)系；（2）汽包水位影響蒸發(fā)面的改變，影響鍋爐的安全運行。因此在汽包鍋爐中，給水控制比直流鍋爐的給水控制簡單，其對象可以看成是帶有可測擾動的兩輸入輸出系統(tǒng)，其指標是單一的，也即把水位維持在一個范圍內(nèi)即可。2.2 汽包水位控制系統(tǒng) 眾所周知，工業(yè)過程控制系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性、準確性和經(jīng)濟性是企業(yè)考慮的重中之重，是衡量系統(tǒng)是否可靠的重要指標。隨著工業(yè)自動化整體水平的提高，方案的選擇

16、范圍增多，但據(jù)不同的要求和不同的側(cè)重點，最優(yōu)方案始終是我們的首選。下面以汽包水位控制系統(tǒng)的設(shè)計為例，對幾種方案略解。汽包水位是鍋爐運行的主要指標之一，是一個非常重要的被控量。維持水位在一定范圍內(nèi)是保證鍋爐安全運行的首要條件，這是因為：水位過高會影響汽包內(nèi)汽水分離，飽和水蒸氣溫度急劇下降，該過熱蒸汽作為氣輪機動力的話，將會損壞氣輪機葉片，影響運行的安全性和經(jīng)濟性。水位過低，則由于汽包內(nèi)的水量轉(zhuǎn)少，而負荷很大時，如不及時調(diào)節(jié)就會使汽包內(nèi)的水全部液化，導致水冷壁燒壞，甚至引起爆炸。因此，鍋爐汽包水位必須嚴加控制。2.3 汽包水位的動、靜態(tài)特性 1給水母管2給水調(diào)節(jié)閥3省煤器4汽包5下降管6上升管7過

17、熱器8蒸汽母管 圖1 鍋爐給水系統(tǒng)鍋爐汽水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，汽包水位不僅受汽包（包括循環(huán)水管）中儲水量的影響，亦受水位下氣泡容積的影響。而水位下氣泡容積與鍋爐的負荷、蒸汽壓力、爐膛熱負荷等有關(guān)。因此，影響水位變化的因數(shù)很多，其中主要是鍋爐蒸發(fā)量（蒸汽流量d）、給水流量w和燃料擾動。下面著重討論在給水流量作用下的汽包水位的動態(tài)特性。2.3.1 汽包水位在給水流量作用下的動態(tài)特性圖2 給水流量擾動下水位階段響應曲線圖2所示是給水流量作用下，水位的階躍響應曲線。把汽包和給水看作單容量無自衡過程，水位階躍響應曲線如圖中h1線。但是由于給水溫度比汽包內(nèi)飽和水的溫度低，所以給水流量增加后，從原有飽和水中

18、吸取部分熱量。這使得水位下汽包容積有所減少，使水位下降，單考慮這個因數(shù)，水位的變化如圖中曲線h2，相當于一個慣性環(huán)節(jié)，實際上水位h的響應為h1與h2的和。當水位下汽包容積的變化過程逐漸平衡時，水位變化就完全反映了由于汽包中儲水量的增加而逐漸上升。最后當水位下汽包容積不再變化時，水位變化就完全反映了由于儲水量的增加而直線上升。因此，實際水位曲線如圖2中h線。即當給水量作階躍變化后，汽包水位一開始不立即增加，而是呈現(xiàn)出一段起始慣性段。用傳遞函數(shù)來描述時，它近似于一個積分環(huán)節(jié)和時滯環(huán)節(jié)的串聯(lián)。可表示為： 式中響應速度，即給水流量變化單位流量時，水位的變化速度，（mm/s）/(t/h) 時滯，秒 給水

19、溫度低，時滯亦越大。對于非沸騰式省煤器的鍋爐，=30100s, 對于沸騰式省煤器的鍋爐, =100200s有些文獻上響應速度用相對量來表示，即當擾動量為100%時，水位（用相對量來表示，以允許變化的范圍為100%）的變化速度。并以的倒數(shù)（稱為響應時間）來表示。響應時間的定義是：當擾動量為100%時，水位變化100%所經(jīng)過的時間單位為s。2.3.2 汽包水位在蒸汽流量擾動下的動態(tài)特性蒸汽流量擾動主要來自氣輪機的負荷變化，這是一個經(jīng)常發(fā)生的擾動，屬于調(diào)節(jié)系統(tǒng)的外擾。在蒸汽流量d擾動作用下，水位的階躍響應曲線如圖3所示：圖3 汽包水位在蒸汽流量擾動作用下的階躍響應曲線當蒸汽流量d突然增加時，從鍋爐的

20、物料平衡關(guān)系來看，蒸汽量d大于給水量w，水位應下降，如圖中直線h1所示。但實際情況并非這樣，由于蒸汽用量的增加，瞬間必然導致汽包壓力的下降。汽包內(nèi)的水沸騰突然加劇，水中汽包迅速增加，由于汽包容積增加而使水位變化的曲線如圖3中h2所示。而實際顯示的水位響應曲線h為h1+h2。從圖上可以看出，當蒸汽負荷增加時，雖然鍋爐的給水量小于蒸發(fā)量，但在一開始時，水位不僅不下降，反而迅速上升，然后在下降（反之，蒸汽流量突然減少時，則水位先下降，然后上升）這種現(xiàn)象稱之為“虛假水位”。 應該指出：當負荷變化時，水位下汽包容積變化而引起水位的變化速度是很快的，圖中h2的時間常數(shù)只有1020s。蒸汽流量擾動時，水位變

21、化的動態(tài)特性可用函數(shù)表示為： =+ =+式中，響應速度，即蒸汽流量變化單位流量時水位的變化速度，（mm/s）/(t/h); 響應曲線的放大系數(shù)；響應曲線的時間常數(shù)；“虛假水位”變化的幅度與鍋爐的工作壓力和蒸發(fā)量有關(guān)。例如，一般t/h的中高壓鍋爐，當負荷變化時，“虛假水位”可達mm?！疤摷偎弧爆F(xiàn)象屬于反向特性，其變化與鍋爐的氣壓和蒸發(fā)量的變化的大小有關(guān)，而與給水流量無關(guān)。2.3.3 燃料量擾動下汽包水位的動態(tài)特性汽包水位在燃料量擾動下的響應曲線如圖4所示，當燃料量增加時，鍋爐的吸熱量增加，蒸發(fā)強度增大。如果氣輪機側(cè)的用汽量不加調(diào)節(jié)，則隨著汽包壓力的增高，汽包輸出蒸汽量也將增加，于是蒸發(fā)量大于給

22、水量，暫時產(chǎn)生了汽包進出口工質(zhì)流量的不平衡。由于水面下的蒸汽容積增大，此時也會出現(xiàn)虛假水位現(xiàn)象，但由于燃燒率的增加也將氣量緩慢增加，故虛假水位現(xiàn)象要比擾動下緩和得多。圖4 汽包水位在燃燒率擾動下的階躍響應曲線2.3.4 水位對象靜態(tài)特性分析對于一臺固定容量的汽包鍋爐，當設(shè)計完成后，其汽包、蒸發(fā)管道容量是固定的。汽包及蒸發(fā)管道系統(tǒng)中貯藏著蒸汽、水，貯藏量的多少，是以汽包水位表征的，其大小受到汽包的流入量（給水量），流出量（蒸發(fā)量）之間平衡關(guān)系的影響，同時還受到在給水循環(huán)、管道中汽水混合物內(nèi)汽水容積變化的影響。系統(tǒng)輸入輸出之間的靜態(tài)關(guān)系式為：f (w,d)其中：汽包水位； w給水流量； d蒸汽流量

23、； 系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時，給水量和蒸發(fā)量之間保持平衡，汽水容積也保持不變，水位h保持穩(wěn)定h=0。3 目前主要存在單沖量水位控制系統(tǒng)、雙沖量控制系統(tǒng)、三沖量系統(tǒng)3.1 單沖量水位控制方案圖5 單沖量水位控制系統(tǒng)如圖5所示是單沖量變量水位控制系統(tǒng)。單沖量即汽包水位。這種控制結(jié)構(gòu)簡單，是單回路定制控制系統(tǒng)，在汽包內(nèi)水的停留時間較長，負荷又比較穩(wěn)定的場合下再配上一些鎖報警裝置就可以安全操作。然而，在停留時間較短，負荷變化較大時，采用單沖量水位控制系統(tǒng)就不能適用。這是由于：負荷變化時產(chǎn)生的“虛假水位“將使調(diào)節(jié)器反向錯誤動作，負荷增大時反向關(guān)小給水調(diào)節(jié)閥，一到閃急汽化平息下來，將使水位嚴重下降，波動厲害，動態(tài)品質(zhì)

24、很差。負荷變化時，控制作用緩慢。即使”虛假水位“現(xiàn)象不嚴重，從負荷變化到水位下降要有一個過程，再有水位變化到閥動作已滯后一段時間。如果水位過程時間常數(shù)很小，偏差必然相當顯著。給水系統(tǒng)出現(xiàn)擾動時，動作緩慢。假定給水泵的壓力發(fā)生變化，進水流量立即變化，然而到水位發(fā)生偏差而使調(diào)節(jié)閥動作，同樣不夠及時；為了克服上述這些矛盾，可以不僅依據(jù)水位，同時也參考蒸汽流量和給水流量的變化，則可用雙沖量或三沖量控制系統(tǒng)來控制給水調(diào)節(jié)閥，能收到很好的效果。從反饋控制的思想出發(fā)，很自然地會以水位信號作為被調(diào)量，給水流量作為調(diào)節(jié)量，構(gòu)成單回路反饋系統(tǒng)。這是一個基本的控制方案。對于小容量鍋爐來說，它的蓄水量較大，水面以下的

25、汽包體積不占很大比重。因此，給水容積延遲和假水位現(xiàn)象不明顯，可以采用單沖量控制系統(tǒng)。對于大型超高壓（接近臨界壓力）鍋爐也可采用這種控制對象，因為在超高壓汽和水密度相差不大，假水位現(xiàn)象不顯著。但是，對于大量的大中型鍋爐來說，這種系統(tǒng)不能滿足要求。因為汽機耗氣量改變所產(chǎn)生的假水位將引起給水調(diào)節(jié)機構(gòu)的誤動作，致使汽包水位激烈地上下波動，嚴重的影響設(shè)備的壽命和安全。所以對大中型鍋爐不能采用單沖量控制系統(tǒng)，必須尋求其他解決辦法。3.2 雙沖量控制方案（a）原理圖（b）方框圖圖6 雙沖量控制系統(tǒng)在汽包的水位控制中，最主要的擾動是負荷的變化。用雙沖量控制系統(tǒng)不但可以引用蒸汽量來效正，而且可以補償“虛假水位”

26、所引起的誤動作，使給水調(diào)節(jié)閥的動作及時。其控制系統(tǒng)如圖6所示從本質(zhì)上看，雙沖量控制系統(tǒng)是一個前饋（蒸汽流量）加單回路反饋控制系統(tǒng)的復合控制系統(tǒng)。這里前饋僅為靜態(tài)前饋，若需要考慮兩條通道在動態(tài)上的差異，需引入動態(tài)補償環(huán)節(jié)。圖6所示連接方式中，加法器的輸出是： 式中水位調(diào)節(jié)器的輸出；蒸汽流量變送器（一般經(jīng)開放器）的輸出；初始偏置值；加法器的系數(shù)。c2是取正號還是負號，即進行加法還是減法，要由調(diào)節(jié)閥的氣開或氣關(guān)形式來確定。一般從安全的角度選用調(diào)節(jié)閥的氣開和氣關(guān)的。如果高壓蒸汽是供給蒸汽透平機等，那么為保護這些設(shè)備以選用氣開閥為宜；如果蒸汽作為工藝生產(chǎn)熱源時，為保護鍋爐設(shè)備以采用氣關(guān)閥，應減小即c2應

27、取負號；如果采用氣開閥，應增加即c2應取正號。c2的數(shù)值應該考慮達到靜態(tài)補償。倘使現(xiàn)場試湊，那么應該在只有負荷的情況下調(diào)整到水位基本不變，倘使有閥門特性數(shù)據(jù)，它的放大系數(shù)kv是：式中閥門輸入信號變化量； 給水流量變化量。在測量方面，假設(shè)為線性，則 式中，蒸汽流量變送器的輸出變化量；蒸汽流量變化量； 蒸汽流量變送器量程，從零開始； 變送器輸出的最大變化范圍。要達到靜態(tài)補償，應保持物料平衡，即有：上式中是一個系數(shù)。如果給水流量和蒸汽流量用體積來表示，顯然不等于。即使用重量來表示，由于排污要放出一部分水，進水重量要稍大于蒸汽量，即要求1。 由于加法器的作用，在負荷變化時，給水量的變化是： 有些裝置中

28、，由于水位上升與蒸汽流量增加時，閥門動作方向相反，信號一定相減；而采用另一種接法，即將加法器放在調(diào)節(jié)器之前。如圖7（a）所示： （a） （b） 圖7 雙沖量控制系統(tǒng)的其它接法 這樣的接法的好處是使用的儀表少，因為一臺雙通道調(diào)節(jié)器就可以實現(xiàn)加減和控制的功能。（假如水位調(diào)節(jié)器采用單比例，則這種接法與圖6可以等效轉(zhuǎn)換，差別不大）。 但是，水位調(diào)節(jié)器采用pi作用，而測量值又是水位與蒸汽流量之差，結(jié)果 顯然不能保證水位無差。除非流量參數(shù)經(jīng)過微分，而且不引入固定分量，見圖7（b）。等效轉(zhuǎn)換后其等式項是： 只有對流量信號不起積分作用，才可保證水位無余差。3.3 三沖量控制系統(tǒng)雙沖量控制系統(tǒng)還有兩個弱點，即調(diào)

29、節(jié)閥的工作特性不一定是線性，這樣要做到靜態(tài)補償不是很準；同時對于給水系統(tǒng)的擾動不能直接補償。為此，將給水流量信號引入，構(gòu)成三沖量控制。3.3.1 三沖量控制方案之一圖8所示是三沖量控制方案之一。該方案實質(zhì)上是前饋（蒸汽流量）加反饋控制系統(tǒng)。這種三沖量控制方案結(jié)構(gòu)簡單，只需要一臺多通道調(diào)節(jié)器，整個系統(tǒng)亦可看作三沖量的綜合信號為被控變量的單回路控制系統(tǒng)，所以投運和整定與單回路一樣，但是如果系統(tǒng)設(shè)置不能確保物料平衡，當負荷變化時，水位將有余差。 （a）原理圖 （b）方框圖圖8 三沖量控制方案之一依據(jù)這條原則，可以確定和的比值，具體是這樣設(shè)置的： 蒸汽流量的變化量與其變送器（線性）的關(guān)系是： 給水流量

30、的變化量與其變送器（線性）的關(guān)系是： 由物料平衡關(guān)系可得： 而 所以，由上兩式比較可得： 第二是用來確定前饋作用的強弱，因為上式僅知道和的比值，其大小依據(jù)過程特性確定，其大小反映了前饋作用的強弱。越大其前饋作用越強，則擾動出現(xiàn)時，調(diào)節(jié)閥開度的變化亦越大。3.3.2 三沖量控制方案二 三沖量控制方案二如圖9所示，該方案與方案一相類似，僅是加法器位置從調(diào)節(jié)器前移至調(diào)節(jié)器后。該方案相當于前饋-串級控制系統(tǒng)，而副回路的調(diào)節(jié)器比例度為100%，該方案不管系數(shù)和如何設(shè)置，當負荷變化時，液位可以保持無差。(a) 原理圖 （b） 方框圖 圖9 三沖量控制方案之二3.3.3 三沖量控制方案三圖10所示是三沖量控

31、制方案之三，這是一種前饋（蒸汽流量）與串級控制組成的復合控制系統(tǒng)。在汽包停留時間較短，“虛假水位”嚴重時，需引入蒸汽流量信號的微分作用，如圖中虛線所示。這種微分作用應是負微分作用，起一個動態(tài)前饋作用，以避免由于負荷突然增加或減少時，水位偏離設(shè)定值過高或過低而造成鍋爐停車。 (a) 原理圖（b） 方框圖圖10 三沖量控制之三對圖10中方框圖進行分析。假如副回路跟蹤很好，近似為1：1的環(huán)節(jié)，則前饋補償模型為：由前述動態(tài)特性可知： 假設(shè)，事實上不可能得到，因此前饋補償模型可近似為： 所以蒸汽流量信號引入負微分（無恒定分量）后，可以滿足上式，這樣動態(tài)補償可以獲得較好的效果。 三沖量控制對單、雙沖量控制

32、方案取長補短，極大地提高了水位控制質(zhì)量。例如，當耗氣量d突然階躍增大時，一方面由于假水位現(xiàn)象水位會暫時升高，它使調(diào)節(jié)器錯誤地指揮調(diào)節(jié)機構(gòu)增加給水量。另一方面，d的增大又通過雙沖量控制作用指揮調(diào)節(jié)機構(gòu)增加給水量。實際給水量是增大還是減少，取決于系統(tǒng)系數(shù)的整定。當假水位現(xiàn)象消失后，水位和蒸汽信號都能正確地指揮調(diào)節(jié)機構(gòu)動作。只要參數(shù)整定合適，當系數(shù)恢復平衡以后，給水量必然等于蒸汽流量，水位h也就會維持在設(shè)定值。3.4 幾種控制方案的比較單沖量水位控制是汽包水位自動控制中最簡單最基本的一種形式，是典型的單回路定值控制系統(tǒng)，但它不能克服“虛假水位”的影響，而且沒有給水流量信號的反饋，所以水位波動較大。雙

33、沖量水位控制系統(tǒng)是在單沖量控制的基礎(chǔ)上，引進蒸汽流量作為前饋信號。該控制系統(tǒng)的特點是：引入的蒸汽流量前饋信號可以消除“虛假水位”對調(diào)節(jié)品質(zhì)的不良影響。當蒸汽流量變化時，就有一個給水量與蒸汽量向同方向變化的信號，可以減小或抵消由于“虛假水位”引起的給水量與蒸汽量反方向變化的誤動作，使調(diào)節(jié)閥從一開始就向正確的方向移動。因而大大減小了給水量與水位的波動，縮短調(diào)節(jié)的時間。而且引入的蒸汽流量的前饋信號，能改善調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜特性，提高調(diào)節(jié)質(zhì)量。雙沖量水位控制系統(tǒng)適用于小型低壓而且給水壓力較穩(wěn)定的鍋爐。當給水壓力經(jīng)常有波動，給水調(diào)節(jié)閥前后壓差不易保持正常時，不宜采用雙沖量控制；另外在大型鍋爐的控制中，鍋爐容量

34、越大，壓力越來越高，汽包的相對容水量就越小，允許波動的儲水量就更少。為了把水位控制平穩(wěn)，在雙沖量水位調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上引入了給水流量信號，由水位蒸汽流量和給水流量就構(gòu)成了三沖量水位控制系統(tǒng)，在這個系統(tǒng)里，汽包水位是被控變量，是主沖量信號，蒸汽流量 給水流量是兩個輔助沖量信號。三沖量水位控制系統(tǒng)抗干擾能力強，適用于大中型中壓鍋爐。三沖量控制方案一：方案一宜作為一般鍋爐水位的控制方案，其特點是使用的設(shè)備少，整定方法比較簡單，調(diào)節(jié)機構(gòu)動作比較平穩(wěn)。三沖量控制方案二：與方案一比較，其加法器從調(diào)節(jié)器前移至調(diào)節(jié)器后，即使出現(xiàn)物料不平衡的現(xiàn)象，只要水位有偏差，調(diào)節(jié)器的積分作用就能消除偏差。三沖量控制方案三：采用這

35、種控制方案，在負荷變化時給水流量會及時做出相應變化，調(diào)節(jié)時間也比較短，對于克服“虛假水位”的動態(tài)偏差有進一步的好處。方案三適用于大容量高壓鍋爐，而且要求水位控制嚴格的場合。3.5 最優(yōu)方案解析圖11鍋爐汽包水位的三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)流程圖從前面的分析、比較，我認為三沖量控制系統(tǒng)是最優(yōu)控制。下面討論一種常見的三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng):蒸汽流量和給水流量前饋與汽包水位反饋所組成的三沖量系統(tǒng)。圖11中所示的三沖量系統(tǒng),汽包水位是被控變量,是主沖量信號,蒸汽流量和給水流量是輔助沖量信號。系統(tǒng)將蒸汽流量和給水流量前饋到汽包水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)中去,一旦蒸汽流量或給水流量發(fā)生波動, 不是等到影響到水位才進行調(diào)節(jié),而是在這兩個流量

36、改變之時就能通過加法器立即去改變調(diào)節(jié)閥開度進行校正,故大大提高了水位這個被調(diào)參數(shù)的調(diào)節(jié)精度。在穩(wěn)定狀態(tài)下,水位測量信號等于給定值,水位調(diào)節(jié)器的輸出,蒸汽流量及給水流量等三個信號,通過加法器得到的輸出電流為: i0= k1 i1-k2 i2+ k3 i3 式中,i1 為液位調(diào)節(jié)器的輸出電流;i2 為蒸汽流量變送器的電流;i3 為給水流量變送器的電流;k1 、k2 、k3 分別為加法器各通道的衰減系數(shù)。設(shè)計k2 i2= k3 i3 此時i0 正是調(diào)節(jié)閥處于正常開度時所需要的電流信號(為了安全調(diào)節(jié)閥必須用氣關(guān)閥) 。假定在某一時刻,蒸汽負荷突然增加,蒸汽流量變送器的輸出電流i2 相應增加,加法器的輸

37、出電流i0 就減少, 從而開大給水調(diào)節(jié)閥。但是與此同時出現(xiàn)了假水位現(xiàn)象,水位調(diào)節(jié)器輸出電流i1 將增大。由于進入加法器的兩個信號相反, 蒸汽流量變送器的輸出電流i2 會抵消一部分假水位輸出電流i1 , 所以, 假水位所帶來的影響將局部或全部被克服。待假水位過去,水位開始下降,水位調(diào)節(jié)器輸出電流i1 開始減小, 此時, 它與蒸汽流量信號變化的方向相反, 因此加法器的輸出電流i0 減小, 意味著要求增加給水量, 以適應新的負荷需要并補充水位的不足。調(diào)節(jié)過程進行到水面重新穩(wěn)定在給定值, 給水量和蒸發(fā)量達到新的平衡為止。當蒸汽負荷不變,給水量本身因壓力波動而變化時,加法器的輸出相應變化,去調(diào)節(jié)閥門開度

38、,直至給水量恢復到所需的數(shù)值為止。由于引進了蒸汽流量和給水流量兩個輔助沖量,起到了“超前信號”的作用,使給水閥一開始就向正確的方向移動, 因而大大減小了水位的波動幅度,抵消了虛假水位的影響,并縮短了過渡過程時間。圖12為三沖量水位調(diào)節(jié)方案圖, 圖13為三沖量水位調(diào)節(jié)方框圖。圖12 三沖量水位調(diào)節(jié)方案圖13 三沖量水位調(diào)節(jié)方框圖由上面對三沖量系統(tǒng)的一些討論的同時我們不能忽視其整定的重要性，下面就小論其工程整定問題。3.6 三沖量控制系統(tǒng)的工程整定眾所周知，要使控制系統(tǒng)具有良好的控制性能，除了必須正確設(shè)計以外，還必須正確、仔細的整定。三沖量控制系統(tǒng)的工程整定方法比較特殊，這里主要結(jié)合圖14所示的系

39、統(tǒng)討論三沖量控制系統(tǒng)的工程整定問題。三沖量給水控制系統(tǒng)圖如圖14所示。 圖14 三沖量給水控制系統(tǒng)3.6.1 輸入信號之間的靜態(tài)配合對于單沖量系統(tǒng)來說，只要調(diào)節(jié)器是比例積分動作的，那么，在控制過程結(jié)束以后被調(diào)量就沒有靜態(tài)偏差。對于三沖量系統(tǒng)則不然，即使采用比例積分調(diào)節(jié)器，也不一定能保證無差，還必須解決一個輸入信號系統(tǒng)的靜態(tài)配合問題?，F(xiàn)在把圖14所示的控制系統(tǒng)以傳遞函數(shù)方框圖的形式重畫成圖15 圖15 三沖量控制系統(tǒng)的方框圖 圖中各符號的意義如下：，分別為水位、給水流量和蒸汽流量的一次測量儀表及變送器的傳遞系數(shù)和時間常數(shù)，分別為水位，給水流量和蒸汽流量的分流系數(shù)。水位設(shè)定值到水位設(shè)定信號之間的傳

40、遞函數(shù)。給水調(diào)節(jié)機構(gòu)的傳遞系數(shù)。為調(diào)節(jié)通道和擾動通道的傳遞函數(shù)。比例積分調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。由于采用比例積分調(diào)節(jié)器，當調(diào)節(jié)過程結(jié)束后，調(diào)節(jié)器的總輸入信號為零，即： 也即： 考慮到在給水系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時給水量必然等于蒸汽量，即w=d，因此有： 假如在額定蒸汽負荷下，調(diào)節(jié)系數(shù)可以使汽包水位h等于其額定值。 此時上式應變?yōu)椋?將上兩式相減得： 上式就是水位控制系統(tǒng)的靜特性，即調(diào)節(jié)過程結(jié)束后水位h與負荷d之間的關(guān)系。圖16 三沖量控制系統(tǒng)的靜態(tài)特性靜特性是直線，如圖16所示，直線的斜率決定于和的選擇。如果給水信號和蒸汽流信號一樣強，即則在任何負荷下均有它就是圖中的直線（1），直線（2）和（3）分別代表大于

41、或小于的情況。 從以上分析可以看出，對于多信號系統(tǒng)，要消除被調(diào)量的靜態(tài)偏差，除了必須采用比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律以外，還必須使個輸入信號之間保持一定的靜態(tài)配合關(guān)系，才能保證系統(tǒng)具有希望的靜態(tài)特性，這是多信號系統(tǒng)不同于單信號系統(tǒng)的突出特點之一。3.6.2 控制系統(tǒng)動態(tài)整定對于三沖量控制系統(tǒng)來說，需要進行整定的參數(shù)有5個，即分流系數(shù)和調(diào)節(jié)器比例帶及積分時間，上面已經(jīng)從信號的靜態(tài)配合上討論了和的比例關(guān)系。下面進一步討論如何在動態(tài)整定中最后確定這些參數(shù)。在圖11所示控制系統(tǒng)中，虛線方框所標出的內(nèi)回路是一個流量自穩(wěn)定系統(tǒng)。由于流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的響應很快，可以近似認為且一般也很小，可以忽略不計，于是有： 此時，整個內(nèi)

42、回路的等效傳遞函數(shù)近似視為： 因此，圖11中的內(nèi)環(huán)可用來代表，可以看作是外回路中的等效調(diào)節(jié)器，它具有純比例動作，等效比例帶為： 從圖可見，外回路的開環(huán)增益與成正比，故的大小決定了控制過程的進行情況。這里有兩個特定參數(shù)，可以暫時取然后應用適當?shù)恼ǚ椒ù_定的大小，例如可采用動態(tài)特性參數(shù)法，在的條件下做基本擾動的響應特性實驗，求得遲延時間和上升速度然后根據(jù)經(jīng)驗整定公式表得： 通常要求給水量控制要平穩(wěn)一些，因此可適當加大比例帶，例如取 這樣也就確定了給水流量信號的強弱。再由式所規(guī)定的蒸汽流量信號與給水流量信號之間的關(guān)系，確定蒸汽流量信號的強弱，即 現(xiàn)在再來確定調(diào)節(jié)器的參數(shù)。從圖十四可以看到，調(diào)節(jié)器是

43、在內(nèi)回路中，因此可用單回路整定來確定其參數(shù)。到此為止，已確定了全部整定參數(shù)，但是，根據(jù)上兩式求出的的值，有時可能大于1，這說明一開始假定的偏大，需要同時按比例地縮小這樣做不會影響控制系統(tǒng)的性能。4 工程中需要注意的問題4.1 關(guān)于汽包水位測量的問題由于汽包水位波動較大，一般選用平衡容器測量汽包水位。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在托盤上形成水柱，若水柱高出托盤自溢口后自溢，并經(jīng)平衡閥返回汽包，進行熱量與水量的交換，以求達到汽包內(nèi)部水體與平衡容器內(nèi)部的水體比重一致且恒定。將托盤水面高于正取壓端口h0做負遷移，則差壓變送器量程所對應的平衡管正壓端水柱壓力的變化就能真實

44、反映汽包水位的變化。4.2 給水閥的選擇問題4.2.1 關(guān)于給水調(diào)節(jié)閥的氣開氣關(guān)的選擇。關(guān)于給水調(diào)節(jié)閥的氣開氣關(guān)的選擇，一般都是從安全角度考慮的。如果高壓蒸汽供給蒸汽透平壓縮機的重要負荷，為保護這些設(shè)備以選用氣開(fc)閥為宜。如果蒸汽作為工藝生產(chǎn)中的熱源時，為保護鍋爐，以選用氣關(guān)(fo)閥為宜。綜合起來考慮，一般選帶保位裝置(fij的給水閥，即事故狀態(tài)該閥停在原位。4.2.2 關(guān)于給水調(diào)節(jié)閥型號的選擇。關(guān)于給水調(diào)節(jié)閥型號的選擇。由于流經(jīng)給水閥的除氧水壓力為60mpa 溫度為104 ，極宜產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象。對于輕度汽蝕，一般給水閥的閥芯 閥座選用司鈦萊合金堆焊即可。對于重度汽蝕，一般給水閥選用多級

45、高壓調(diào)節(jié)閥，使高壓除氧水在流過調(diào)節(jié)閥多級節(jié)流孔后逐漸降壓，而每級閥芯上只承擔一部分壓差，使節(jié)流后的壓力在閥的部分恢復不到流體的飽和蒸汽壓力，可以有效的避免汽蝕現(xiàn)象，也有效的防止了汽蝕引起的噪聲振動和對閥芯 閥座的侵蝕。4.3 給水流量 蒸汽流量給水流量蒸汽流量的一次元件如果選用節(jié)流裝置，則差壓變送器輸出的信號需經(jīng)開方器后再輸入到加法器進行信號疊加。這樣可以減少非線性對系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)的影響。若是選用流量變送器則不必加開方器。它們的顯示儀表的量程應選擇的相同，其范圍應比額定蒸汽負荷大一些，以保證鍋爐在額定負荷下的給水流量有波動的余地。5 結(jié)束語鍋爐水位控制的方案多種多樣，因每臺鍋爐的特性及實際工況的不同而各異，一言以蔽之，智者見智，仁者見仁。本文介紹的是使用常規(guī)儀表對鍋爐汽包水位進行自動控制的幾個較為典型的方案。如今，智能儀表的發(fā)展和計算機在工業(yè)自動控制領(lǐng)域的廣泛應用，又為該課題開拓了一片更加廣闊的天空。參 考 文 獻1 蔣慰孫，俞金壽過程控制工程第2版北京：中國石