過程控制課程設(shè)計(jì)

1、 課程設(shè)計(jì)報(bào)告( 2008- 2009年度第二學(xué)期)名 稱： 過程控制課程設(shè)計(jì) 題 目： 鍋爐給水控制設(shè)計(jì) 院 系： 科院動(dòng)力工程系 目錄一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求二、給水調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性三、控制方案的選擇與設(shè)計(jì)四、控制系統(tǒng)原理方框圖五、主副調(diào)判斷及系統(tǒng)整定六、控制系統(tǒng)sama圖七、結(jié)語八、參考文獻(xiàn)一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 鍋爐汽包水位自動(dòng)調(diào)節(jié)的任務(wù)是使給水量跟蹤鍋爐的蒸發(fā)量并維持汽包中的水位在工藝允許的范圍內(nèi)。 維持汽包水位在給定范圍內(nèi)是保證鍋爐和汽輪機(jī)安全運(yùn)行的必要條件，也是鍋爐正常運(yùn)行的主要指標(biāo)之一。水位過高，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)使飽和蒸汽中含鹽量增高，降低

2、過熱蒸汽品質(zhì)，增加在過熱器管壁和汽輪機(jī)葉片上的結(jié)垢。水位過低，則可能破壞自然循環(huán)鍋爐汽水循環(huán)系統(tǒng)中某些薄弱環(huán)節(jié)，以致局部水冷管壁被燒壞，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成爆炸事故。這些后果都是十分嚴(yán)重的。隨著鍋爐容量的增加，水位變化速度愈來愈快，人工操作愈來愈繁重，因此對(duì)汽包水位實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)提出了迫切的要求。二、汽包水位調(diào)節(jié)對(duì)象的特性鍋爐給水調(diào)節(jié)對(duì)象如附圖1所示，給水調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)控制給水量w。汽輪機(jī)耗氣量d是由汽輪機(jī)調(diào)節(jié)氣門來控制的。b為投入的原料量。水冷壁與汽包存水部分構(gòu)成了水循環(huán)系統(tǒng)。初看起來，汽包水位的動(dòng)態(tài)特性似乎與單容水箱一樣，但是實(shí)際情況要復(fù)雜得多。其中最突出的一點(diǎn)就是水循環(huán)系統(tǒng)中充滿了夾帶著大量蒸汽氣泡的水

3、，而蒸汽氣泡的總體積v是隨著汽包壓力和爐膛熱負(fù)荷的變化而改變的，即使水循環(huán)系統(tǒng)的總水量沒有改變，汽包水位也會(huì)隨之發(fā)生變化。影響汽包水位h的主要有給水量w，汽輪機(jī)的耗氣量d和燃料量b等三個(gè)主要因素。1、給水?dāng)_動(dòng)在給水量w的階躍擾動(dòng)下，水位h的響應(yīng)曲線可以用附圖2來表示，如把汽包及水循環(huán)系統(tǒng)當(dāng)作單容水箱，水位的響應(yīng)曲線應(yīng)該如圖中的直線h1。考慮到給水溫度低于汽包內(nèi)的飽和水溫度，當(dāng)它進(jìn)入汽包后吸收了原有的飽和水中的一部分熱量，使鍋爐的蒸汽產(chǎn)量下降，水面以下的汽包總體積vs，也相應(yīng)減小。vs對(duì)水位的影響可以用圖中的曲線h2表示。水位h的實(shí)際響應(yīng)曲線是h1和h2的總和。從圖可知，響應(yīng)過程又一段時(shí)間的遲延

4、。給水的過冷度越大，純延遲時(shí)間也越大。給水?dāng)_動(dòng)下的傳遞函數(shù)近似表示為g1(s)=1e-s/s,式中1為水位的飛升速度。2、負(fù)荷擾動(dòng)在汽輪機(jī)耗氣量d的階躍擾動(dòng)下，水位h的影響過程可用附圖3來說明。當(dāng)汽輪機(jī)的耗氣量d突然階躍增加時(shí)，一方面改變了汽包內(nèi)的物質(zhì)平衡狀態(tài)，使水位下降，圖中h1表示把汽包當(dāng)作單容對(duì)象時(shí)水位應(yīng)有的變化；另一方面，由于耗氣量d的增加，迫使鍋內(nèi)汽泡增多；同時(shí)由于燃料量維持不變，汽包壓力d下降，使水面以下的蒸汽泡膨脹，總體積vs增大，從而導(dǎo)致汽包水位的上升，如圖3中h2所示。汽包水位h的實(shí)際響應(yīng)過程是h=h1+h2。對(duì)于大中型鍋爐來說，后者的影響要大于前者，因此在負(fù)荷階躍增加后的一

5、段時(shí)間內(nèi)水位不但不下降，反而明顯上升。這種反?，F(xiàn)象通常稱為“虛假水位”現(xiàn)象。負(fù)荷擾動(dòng)下汽包水位的傳函近似表示為：g2(s)=-(2/s-k/(1+t0s),式中，為反映物質(zhì)平衡關(guān)系的水位飛升速度；t0和k分別代表附圖3中曲線h2的時(shí)間常數(shù)和增益。3、燃料量擾動(dòng)燃料量b的擾動(dòng)必然引起蒸汽量d的變化，因此也同樣有虛假水位的現(xiàn)象。但是由于汽包和水循環(huán)系統(tǒng)中有大量水，汽包和水冷壁金屬管道也會(huì)儲(chǔ)存大量的熱量，因此有一定熱慣性。燃料量b的增大只能使d緩慢增大，而且d還緩慢上升，它將使汽泡體積減小。因而，燃料量擾動(dòng)下的假水位比負(fù)荷擾動(dòng)下要和緩很多。由以上分析可知，給水量擾動(dòng)下水位響應(yīng)過程具有純遲延；負(fù)荷擾動(dòng)

6、下水位響應(yīng)過程具有假水位現(xiàn)象；燃料量擾動(dòng)下也會(huì)出現(xiàn)假水位的現(xiàn)象。這些特性使控制汽包水位的任務(wù)比較困難和復(fù)雜。三、控制方案選擇及設(shè)計(jì)從反饋控制的思想出發(fā)，很自然的會(huì)以水位信號(hào)h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)。顯然，這是一個(gè)基本的控制思路。對(duì)于小機(jī)組來說，它的儲(chǔ)水量還是很大，水面以下的汽泡體積不占很大比重。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。對(duì)于大容量（接近臨界壓力）鍋爐也可采用這種控制對(duì)象，因?yàn)樵诔邏合缕退拿芏认嗖畈淮?，假水位現(xiàn)象并不顯著。但是，對(duì)于大量的大中型鍋爐來說，這種系統(tǒng)不能滿足要求。因?yàn)槠啓C(jī)耗氣量改變所產(chǎn)生的假水位將引起給水調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的誤動(dòng)

7、作，致使汽包水位激烈地上下波動(dòng)，嚴(yán)重的影響設(shè)備的壽命和安全。所以對(duì)大中型鍋爐不能采用單沖量控制系統(tǒng)，必須尋求其他的解決方案。如果從物質(zhì)平衡的觀點(diǎn)來看，只要保證給水量永遠(yuǎn)等于蒸發(fā)量，就可以保證汽包水位大致不變。因此可以采用圖4的比值控制系統(tǒng)，其中流量調(diào)節(jié)器是pi調(diào)節(jié)器，并用汽輪機(jī)的耗氣量d作為調(diào)節(jié)系統(tǒng)得設(shè)定值，使給水量w跟蹤蒸汽量d。采用比值控制方案的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)完全根據(jù)物質(zhì)平衡條件工作，給水量w的大小只決定于耗氣量d，假水位現(xiàn)象不會(huì)引起給水調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的誤動(dòng)作。然而應(yīng)該看到，這個(gè)比值控制系統(tǒng)對(duì)于汽包水位來說只是開環(huán)控制。如果耗氣量和給水量的測(cè)量不準(zhǔn)或者由于鍋爐排污及管道泄露等，蒸汽量與給水量之間并非

8、總是確定的比值，此比值系統(tǒng)就不能達(dá)到汽水平衡，保持水位。這是因?yàn)槠籬對(duì)于(d-w)來說是一個(gè)積分關(guān)系，微小的d和w之差可以在長(zhǎng)時(shí)間的積累中形成很大的水位偏差。所以不能單獨(dú)使用比值控制系統(tǒng)。如果把上述兩種方案結(jié)合起來，就構(gòu)成了所謂的汽包水位三沖量控制系統(tǒng)如圖5所示。所謂三沖量，指的是引入三個(gè)測(cè)量信號(hào)：汽包水位、給水流量和蒸汽流量。這個(gè)系統(tǒng)對(duì)上述兩種方案取長(zhǎng)補(bǔ)短，極大地提高了水位控制質(zhì)量。例如，當(dāng)耗氣量d突然階躍增加時(shí)，一方面由于虛假水位現(xiàn)象水位會(huì)暫時(shí)升高，它使調(diào)節(jié)器錯(cuò)誤地指揮調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)減小給水量；另一方面，d的增大又通過比值控制作用智慧調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)增加給水量。實(shí)際給水量是增大還是減小，取決于系統(tǒng)

9、參數(shù)的整定。當(dāng)假水位現(xiàn)象消失后，水位和蒸汽信號(hào)都能正確地指揮調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)動(dòng)作。只要參數(shù)整定合適，當(dāng)系統(tǒng)恢復(fù)平衡狀態(tài)后，給水量必須等于蒸汽量，水位h也就會(huì)維持在設(shè)定值。從另外一個(gè)角度看，這也是一個(gè)前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)。必須指出，引入蒸汽量信號(hào)只是削弱了虛假水位期間調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的誤動(dòng)作，但不能消除假水位現(xiàn)象，并且由于水位h對(duì)負(fù)荷（蒸汽量）擾動(dòng)d的響應(yīng)速度要比基本擾動(dòng)w的相應(yīng)速度快很多，因此，在外部擾動(dòng)下被調(diào)量的變化幅度還是比較大，必須對(duì)負(fù)荷變化的幅度加以限制。四、控制系統(tǒng)原理方框圖五、主副調(diào)判斷及系統(tǒng)整定1、調(diào)節(jié)器作用方式判斷(1)、判斷副調(diào)節(jié)器的作用方式系統(tǒng)原理方框圖所示，當(dāng)測(cè)量值w上升時(shí)，由于閥門為

10、氣開閥，調(diào)節(jié)器的輸出減小，即當(dāng)調(diào)節(jié)器的輸入值增加時(shí)，調(diào)節(jié)器的輸出減小，調(diào)節(jié)器的作用為反作用。(2)、判斷主調(diào)節(jié)器的作用方式系統(tǒng)原理方框圖所示，當(dāng)測(cè)量值h上升時(shí)，測(cè)量值w應(yīng)該下降，副調(diào)節(jié)器的作用方式為反作用，則主調(diào)節(jié)器的輸出應(yīng)增大，即主調(diào)節(jié)器的輸入上升時(shí)，其輸出也上升，主調(diào)節(jié)器的作用為正作用。2、控制系統(tǒng)工程整定鍋爐給水控制系統(tǒng)為無自平衡對(duì)象，在參數(shù)整定中先整定副環(huán)后整定主環(huán)，具體步驟為：(1)、在主、副環(huán)回路閉合的情況下，將主控制器比例度置100%，積分時(shí)間置無限大，微分時(shí)間置最小，然后按照4：1的衰減比用單回路整定法整定副環(huán)，找出副變量出現(xiàn)4：1振蕩過程時(shí)的比例度2s及振蕩周期t2s。(2)、將副控制器比例度置2s，積分時(shí)間仍置最長(zhǎng)，微分時(shí)間置最小，然后按照衰減比4：1單回路整定法整定主環(huán)，找出主變量出現(xiàn)4：1振蕩時(shí)的比例度1s及振蕩周期t1s。(3)、通過查表法，求得主、副控制器的參數(shù)，按照求得參數(shù)調(diào)整控制器，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。六、控制系統(tǒng)sama圖（見附圖）七、結(jié)語 串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)從設(shè)計(jì)要求入手，考慮到過程中產(chǎn)生的擾動(dòng)對(duì)水位產(chǎn)生的影響，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，分析采用單沖量和三沖量的綜合方法對(duì)水位進(jìn)行控制，消除虛假水位現(xiàn)象對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定