課程設(shè)計(jì)（論文）熱電廠鍋爐汽包液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書 題 目：熱電廠鍋爐汽包 液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)：專 業(yè)： 班 級(jí)： 指導(dǎo)老師： 年 月 日 ii內(nèi)蒙古科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)論文摘要隨著人們生活對(duì)電的需求，電廠的建立，現(xiàn)代大型鍋爐的水位動(dòng)態(tài)特性的復(fù)雜情況，汽包存在著嚴(yán)重的“虛假水位”現(xiàn)象。在對(duì)串級(jí)控制系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)及pid算法了解的基礎(chǔ)上，為了控制系統(tǒng)的安全可靠，提出了基于pid的鍋爐汽包水位調(diào)節(jié)的串級(jí)三沖量控制方案。研究汽包液位控制的難點(diǎn)、鍋爐三沖量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、控制策略選取及pid控制算法。由理論上得出：在鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)中采用串級(jí)三沖量控制和pid算法的主調(diào)節(jié)器的控制方案具有的經(jīng)濟(jì)實(shí)用性。關(guān)鍵字：鍋爐

2、汽包水位；串級(jí)三沖量控制；pid算法內(nèi)蒙古科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)論文目錄引言1第一章 汽包鍋爐工藝21.1汽包鍋爐簡(jiǎn)介21.2汽包水位控制系統(tǒng)31.3汽包水位的動(dòng)、靜態(tài)特性41.3.1汽包水位在給水流量擾動(dòng)下動(dòng)態(tài)特性51.3.2汽包水位在蒸汽負(fù)荷下動(dòng)態(tài)特性71.3.3爐膛熱負(fù)荷擾動(dòng)下水位變化的動(dòng)態(tài)特性71.3.4液位對(duì)象靜態(tài)特性8第二章 火電廠主要熱工控制系統(tǒng)概述92.1汽包鍋爐蒸汽溫度控制系統(tǒng)92.2汽包鍋爐蒸汽壓力控制系統(tǒng)92.3汽包水位的常規(guī)控制系統(tǒng)102.3.1單沖量水位控制系統(tǒng)102.3.2雙沖量水位系統(tǒng)102.3.3三沖量水位系統(tǒng)112.4鍋爐燃燒過(guò)程控制系統(tǒng)11第三章 鍋爐汽包液位控制

3、系統(tǒng)設(shè)計(jì)123.1系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理123.2部分設(shè)備選擇133.2.1調(diào)節(jié)器及其參數(shù)選擇133.2.2調(diào)節(jié)閥的選擇及調(diào)節(jié)器的正、反作用15第四章 個(gè)人總結(jié)17參考文獻(xiàn)18致謝19內(nèi)蒙古科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)引言19世紀(jì)70年代，歐洲進(jìn)入了電力革命時(shí)代。不僅大企業(yè)，就連小工廠也都紛紛采用新的動(dòng)力電能。隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)電的需求量越來(lái)越大，由最初的一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備只供應(yīng)一棟房子或一條街上的照明用電，逐漸產(chǎn)生各種發(fā)電廠的運(yùn)用和建立火力發(fā)電廠、水力發(fā)電廠、原子能發(fā)電廠、風(fēng)能發(fā)電廠、地?zé)岚l(fā)電廠等等。電的應(yīng)用極大的改變了人們生活的方方面面，是人們的生活得到了從沒想到過(guò)的改善。在我國(guó)主要的電廠是火力發(fā)電廠，根

4、據(jù)火力發(fā)電的生產(chǎn)流程，其基本組成包括燃燒系統(tǒng)、汽水系統(tǒng)（燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電和柴油機(jī)發(fā)電無(wú)此系統(tǒng)，但二者在火力發(fā)電中所占比重都不大）、電氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。汽包水位是反映鍋爐負(fù)荷與給水量之間的平衡關(guān)系。保持汽包水位的正常是汽包鍋爐和汽輪機(jī)安全運(yùn)行的重要條件。汽包水位過(guò)高，蒸汽空間將縮小，會(huì)引起蒸汽帶水，是蒸汽品質(zhì)惡化，還導(dǎo)致在過(guò)熱器官內(nèi)產(chǎn)生鹽垢沉積，使管子過(guò)熱，金屬?gòu)?qiáng)度降低而發(fā)生爆管。嚴(yán)重滿水時(shí)，使蒸汽大量帶水，引起管道與汽輪機(jī)內(nèi)嚴(yán)重的水沖擊，造成設(shè)備損壞。水位過(guò)低，對(duì)自然循環(huán)鍋爐將破壞正常的水循環(huán)；對(duì)強(qiáng)制循環(huán)鍋爐會(huì)使鍋水循環(huán)泵入口汽化，泵組劇烈振動(dòng)，最終都將導(dǎo)致水冷壁管超高溫過(guò)熱。當(dāng)嚴(yán)重缺水時(shí)，如處理

5、不當(dāng)，還可能造成水冷壁管的爆破。單沖量自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)是最簡(jiǎn)單的水位調(diào)節(jié)方式，在水容積中的蒸汽含量和蒸汽比容改變產(chǎn)生虛假水位，它會(huì)使水調(diào)節(jié)閥有誤動(dòng)作，因此，單沖量調(diào)節(jié)只能用于負(fù)荷相當(dāng)穩(wěn)定的小容量鍋爐。雙沖量自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)增加了蒸汽流量信號(hào)，它可用于符合經(jīng)常變動(dòng)和容量較大的鍋爐，但它的缺點(diǎn)是不能及時(shí)反映與糾正給水流量擾動(dòng)的影響。三沖量自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)是更為完善的給水調(diào)節(jié)方式，它包含水位信號(hào)、蒸汽流量信號(hào)、給水流量信號(hào)。它綜合考慮了蒸汽量和給水量相等的原則，又考慮了水位偏差的大小，因而即補(bǔ)償“虛假水位”的反應(yīng)，又糾正給水量的擾動(dòng)，是目前大型鍋爐普遍采用的水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)就是采用串級(jí)三沖量控制系統(tǒng)控制汽包

6、水位，由理論證明設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以很好的克服系統(tǒng)的內(nèi)、外擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)汽包鍋爐水位控制的要求。第一章 汽包鍋爐工藝1.1汽包鍋爐簡(jiǎn)介根據(jù)火力發(fā)電的生產(chǎn)流程，其基本組成包括燃燒系統(tǒng)、汽水系統(tǒng)（燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電和柴油機(jī)發(fā)電無(wú)此系統(tǒng)，但二者在火力發(fā)電中所占比重都不大）、電氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。而汽包鍋爐是燃燒系統(tǒng)和汽水系統(tǒng)中的重要組成部分?？刂葡到y(tǒng)主要由鍋爐及其輔機(jī)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)及電工設(shè)備、附屬系統(tǒng)組成?；竟δ苁菍?duì)火電廠各生產(chǎn)環(huán)節(jié)實(shí)行自動(dòng)化的調(diào)節(jié)、控制，以協(xié)調(diào)各部分的工況，使整個(gè)火電廠安全、合理、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)率，遇有故障時(shí)能迅速、正確處理，以避免釀成事故。鍋爐由本體設(shè)備、輔助設(shè)備和附件等構(gòu)成?！?/p>

7、鍋”指鍋爐的汽水系統(tǒng)，用于盛放工質(zhì)，并接受燃料燃燒放出的熱量，使工質(zhì)由水逐漸被加熱致合乎要求的過(guò)熱蒸汽，它由汽包、下降管、聯(lián)箱、水冷壁、省煤器、過(guò)熱器、再熱器和連接管道組成。汽包是存放工質(zhì)和產(chǎn)生合格要求的飽和蒸汽?！盃t”，即燃燒系統(tǒng)，其任務(wù)在其內(nèi)部快速、穩(wěn)定、安全地燃燒，放出熱量，產(chǎn)生高溫火焰和煙氣。燃燒系統(tǒng)主要由爐膛、燃燒器、空氣預(yù)熱器和煙道等組成。鍋爐的輔助設(shè)備主要包括給水設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備、燃料運(yùn)輸設(shè)備、制粉設(shè)備、除塵設(shè)備、除灰設(shè)備、鍋爐輔機(jī)等，如給水泵、送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、磨煤機(jī)、除塵器、煙囪、灰渣泵、安全閥、水位計(jì)等。中小型電站鍋爐的工作過(guò)程如下：煤斗中的煤通過(guò)給煤機(jī)送至磨煤機(jī)，在磨煤機(jī)中對(duì)

8、煤進(jìn)行干燥和磨碎。磨成的煤粉進(jìn)入組粉分離器，經(jīng)分離后，合格的煤粉進(jìn)入煤粉倉(cāng)或排粉機(jī)，然后由粉機(jī)或排粉機(jī)將煤粉送至爐膛內(nèi)燃燒。不合格的煤粉經(jīng)回粉管送回磨煤機(jī)再重新磨制?？諝庥蛇M(jìn)風(fēng)道引入送風(fēng)機(jī)，經(jīng)送風(fēng)機(jī)升壓后送入空氣預(yù)熱器，被加熱成熱空氣，然后通過(guò)熱風(fēng)道將其中一部分送至磨煤機(jī)，進(jìn)入制粉系統(tǒng)用以干燥和輸送煤粉，另一部分熱空氣直接送至燃燒器。煤粉與空氣通過(guò)燃燒器進(jìn)入燃燒室，進(jìn)行燃燒放熱，燃燒產(chǎn)生的高溫火焰和煙氣在燃燒室加熱水冷壁中的水，然后高溫?zé)煔庖来瘟鬟^(guò)過(guò)熱器、省煤器和空氣預(yù)熱器，加熱這些受熱面內(nèi)的工質(zhì)，在熱傳過(guò)程中煙氣的溫度逐漸降低。此后利用除塵器清除煙氣中攜帶的大量飛灰，最后由引風(fēng)機(jī)將煙氣送至煙

9、囪，排入大氣。燃料燃燒后生成的灰渣，一部分落入燃燒室下部的灰渣斗中；另一部分被煙氣帶走，在除塵器中大部分飛灰被分離出來(lái)，落入除塵器下部的灰斗中，然后由除塵裝置將灰渣和細(xì)灰送往儲(chǔ)灰場(chǎng)。給水由給水泵送至鍋爐房，先進(jìn)入省煤器，在省煤器中加熱提高溫度后進(jìn)入汽包，然后沿著下降管流至水冷壁下聯(lián)箱，再進(jìn)入水冷壁管。在水冷壁管內(nèi)吸收燃燒室中高溫火焰和煙氣的輻射熱，一部分水汽化為蒸汽，在水冷壁內(nèi)成為蒸汽和水的混合物，汽水混合物沿水冷壁上升又進(jìn)入汽包。在汽包中利用汽水分離設(shè)備對(duì)汽水混合物進(jìn)行汽水分離，分離出來(lái)的水沿著下降管進(jìn)入水冷壁繼續(xù)吸熱，如此循環(huán)。分離出來(lái)的蒸汽從汽包頂部的飽和蒸汽引出管引至過(guò)熱器，在過(guò)熱器中

10、飽和蒸汽被加熱成為過(guò)熱蒸汽，然后經(jīng)主蒸汽管道送往汽輪機(jī)做功。1.2汽包水位控制系統(tǒng)汽包水位是汽包運(yùn)行中一個(gè)重要的監(jiān)控參數(shù)，它反映鍋爐蒸汽負(fù)荷與給水量之間的平衡關(guān)系。維持汽包水位在一定范圍內(nèi)是保證鍋爐和汽輪機(jī)安全運(yùn)行的必要條件。汽包水位過(guò)高會(huì)影響汽包內(nèi)汽水分離裝置的工作，造成出口蒸汽水分過(guò)多，使過(guò)熱器結(jié)垢而燒壞，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)進(jìn)水；汽包水位過(guò)低，會(huì)破壞鍋爐的水循環(huán)，甚至引起爆管。給水調(diào)整就是使水量適應(yīng)鍋爐的蒸發(fā)量，維持汽包水位在允許的范圍內(nèi)變化。高壓鍋爐汽包的正常水位一般在汽包中心線以下150mm，正常變化范圍為50mm，汽包異常情況為200mm，汽包事故情況為350mm。單沖量調(diào)節(jié)的主要問(wèn)

11、題是，當(dāng)鍋爐負(fù)荷和壓力變化時(shí)，由于水容積蒸汽含量和蒸汽比體積變化而產(chǎn)生虛假水位時(shí)，調(diào)節(jié)器會(huì)指導(dǎo)給水調(diào)節(jié)閥朝錯(cuò)誤的方向動(dòng)作。所以，它只能用在水容量相對(duì)較大或負(fù)荷相當(dāng)穩(wěn)定的鍋爐上。完善的調(diào)節(jié)系統(tǒng)是三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)增加了蒸汽流量信號(hào)和給水量信號(hào)。此系統(tǒng)給水量的調(diào)節(jié)，綜合考慮了蒸汽量與給水量相平衡的原則，又考慮了水位偏差的大小，所以，既能夠補(bǔ)償虛假水位的反應(yīng)，又能糾正給水量的擾動(dòng)。1.3汽包水位的動(dòng)、靜態(tài)特性汽包鍋爐給水控制對(duì)象的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖圖1-1所示。圖1-1 汽包鍋爐給水控制對(duì)象的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)影響水位的因素主要有：鍋爐蒸發(fā)量（負(fù)荷），給水量，鍋爐熱負(fù)荷（燃燒率），汽包壓力。控制系統(tǒng)的物質(zhì)平衡

12、方程為 （1-1）將式（1-1）進(jìn)一步變換得 （1-2）令c=a(水-蒸)，則上式變?yōu)?（1-3）式中 汽包水位，或； 汽水分離面積，或；蒸發(fā)量，或； 給水量，或；容量系數(shù)；水的密度，/或/；蒸汽密度，/或/。容量系數(shù)是用來(lái)表征鍋爐結(jié)構(gòu)系數(shù)的，而它的動(dòng)態(tài)特性則往往用飛升速度或飛升時(shí)間來(lái)表征。對(duì)于汽包鍋爐來(lái)說(shuō)，由飛升速度的定義知 （1-4）式中飛升速度，1/。把擾動(dòng)量即水位變化量轉(zhuǎn)變成用相對(duì)量表示的水位變化范圍，通常的水位允許變化范圍為200，這個(gè)范圍擾動(dòng)量的相對(duì)極限值為100%。式（1-4）中右邊一項(xiàng)表示汽包內(nèi)工質(zhì)的變化量，當(dāng)給水量時(shí)，而蒸發(fā)量為最大時(shí)，變化量最大，因此有 （1-5）可見這時(shí)的

13、擾動(dòng)量是下降的。故有 （1-6）式中 鍋爐最大的蒸發(fā)量； 水位變化允許的最大范圍。 飛升時(shí)間。對(duì)于蒸發(fā)量為100230的單汽包爐，當(dāng)水位變化時(shí)，對(duì)于蒸發(fā)量為更大的汽包爐，它的意義在于當(dāng)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，在內(nèi)將下降，或者換句話說(shuō)，如果給水量減少，經(jīng)過(guò)的時(shí)間，水位將下降。1.3.1汽包水位在給水流量擾動(dòng)下動(dòng)態(tài)特性圖1-2為給水量擾動(dòng)時(shí)水位階躍響應(yīng)曲線。圖1-2中曲線1為沸騰式省煤器情形下水位的動(dòng)態(tài)特性。曲線2則是非沸騰式省煤器時(shí)的水位動(dòng)態(tài)特性。g g0t圖1-2給水流量擾動(dòng)下水位階段響應(yīng)曲線從物質(zhì)平衡的觀點(diǎn)來(lái)看，加大了給水量，水位應(yīng)

14、立即上升，但實(shí)際上并不是這樣，而是經(jīng)過(guò)一段遲延，甚至先下降后再上升。這是因?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，使一部分汽變成了水，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)的水首先用來(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)入汽包而使水位上升。在此過(guò)程中，負(fù)荷還未發(fā)生變化，汽包中的水仍然在蒸發(fā)，因此水位也有下降趨勢(shì)。沸騰式省煤器的延遲時(shí)間為100200s。非沸騰式省煤器的延遲時(shí)間為30100s。水位在給水量擾動(dòng)下的傳遞函數(shù)可表示為 （1-7）當(dāng)時(shí)，上式可變

15、為 （1-8） 水位對(duì)象近似認(rèn)為是一個(gè)積分環(huán)節(jié)和一個(gè)慣性環(huán)節(jié)并聯(lián)形式。用一階近似表示為 （1-9）1.3.2汽包水位在蒸汽負(fù)荷下動(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，如圖1-3中所示那樣，但實(shí)際水位是先上升，后下降，這種現(xiàn)象稱為“虛假水位”現(xiàn)象，如圖1-3中所示。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)燃料量還來(lái)不及增加，汽包中汽壓下降，汽包膨脹，使汽泡體積增大而水位上升。 圖1-3蒸汽流量擾動(dòng)下的水位階躍響應(yīng)曲線如圖1-3中所示。在開始的一段時(shí)間后，當(dāng)

16、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)是上述兩者之和，即 （1-10）傳遞函數(shù)也為兩者的代數(shù)和 （1-11）式中 的時(shí)間常數(shù)，約為1020s；的放大系數(shù)；飛升速度。一般100230t/h的中高壓爐，負(fù)荷突然變化10%時(shí)，“虛假水位”現(xiàn)象可使水位變化達(dá)3040mm。1.3.3爐膛熱負(fù)荷擾動(dòng)下水位變化的動(dòng)態(tài)特性此處的爐膛熱負(fù)荷擾動(dòng)是指燃燒率的擾動(dòng)。例如燃料量增加使?fàn)t膛熱負(fù)荷增加，鍋爐吸收更多的熱量，使蒸發(fā)強(qiáng)度增大。若此時(shí)汽輪機(jī)負(fù)荷未增加，則汽輪機(jī)側(cè)調(diào)節(jié)閥開度不變。隨著爐膛熱負(fù)荷的增大，鍋爐出口汽壓提高，蒸汽流量也增大，這時(shí)蒸發(fā)量大于給水量，水位應(yīng)下降

17、。但是蒸發(fā)強(qiáng)度增大同樣也使水面下汽包容積增大，因此也會(huì)出現(xiàn) “虛假水位”現(xiàn)象。燃料量擾動(dòng)下水位階躍響應(yīng)曲線如圖1-4所示。它和圖1-3有些相似。只是在這種情況下，蒸汽流量增加的同時(shí)氣壓也增大了，因而汽包體積的增加比蒸汽流量的擾動(dòng)時(shí)要小，虛假水位現(xiàn)象比蒸汽流量擾動(dòng)時(shí)要小一些，但持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。圖1-4 燃料量擾動(dòng)下水位階躍響應(yīng)曲線影響水位的因素除上述之外，還有給水壓力、汽包壓力、汽輪機(jī)調(diào)節(jié)汽門開度、二次風(fēng)分配等。不過(guò)這些因素幾乎都可以用、的變化體現(xiàn)出來(lái)。為了保證汽壓的穩(wěn)定，燃料量和蒸發(fā)量必須保持平衡，所以這兩者往往是一起變化的，只是先后的差別。1.3.4液位對(duì)象靜態(tài)特性對(duì)于一臺(tái)固定容量的汽包鍋爐，當(dāng)

18、設(shè)計(jì)完后，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h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(shí)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： h=f（w，d） （1-12）其中：h汽包水位；w給水流量；d蒸汽流量；系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)，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。第二章 火電廠主要熱工控制系統(tǒng)概述2.1汽包鍋爐蒸汽溫度控制系統(tǒng)蒸汽溫度控制系統(tǒng)包括過(guò)熱蒸汽溫度控制和再熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)。過(guò)熱蒸汽溫度自動(dòng)控制的任務(wù)是維持高溫過(guò)熱器出

19、口蒸汽溫度（主蒸汽溫度）在允許范圍內(nèi)，并保護(hù)過(guò)熱器使其管壁溫度不超過(guò)允許的工作溫度，以確保機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。影響過(guò)熱蒸汽溫度主要擾動(dòng)有三種：蒸汽流量擾動(dòng)；煙氣熱量擾動(dòng)；減溫水流量擾動(dòng)。再熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)的任務(wù)是：在各種運(yùn)行情況下，均使再熱器出口蒸汽溫度處于允許的范圍內(nèi)，穩(wěn)態(tài)時(shí)等于設(shè)定值。影響再熱蒸汽溫度的因素有：機(jī)組負(fù)荷的變化（蒸汽流量變化）、汽輪機(jī)高壓缸排氣工況、煙氣熱量變化。2.2汽包鍋爐蒸汽壓力控制系統(tǒng) 蒸汽壓力的主要擾動(dòng)是蒸汽負(fù)荷的變化與燃料量的波動(dòng)。當(dāng)蒸汽負(fù)荷及燃料量波動(dòng)較小時(shí)，可以采用蒸汽壓力來(lái)控制燃料量的單回路控制系統(tǒng)；而當(dāng)燃料量波動(dòng)較大時(shí)，可組成蒸汽壓力對(duì)燃料流量的串

20、級(jí)控制系統(tǒng)。圖2-1單回路控制系統(tǒng)方框圖圖2-2串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖2.3汽包水位的常規(guī)控制系統(tǒng)2.3.1單沖量水位控制系統(tǒng)單沖量水位控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖所示，該系統(tǒng)是一個(gè)只采用汽包水位信號(hào)和一個(gè)pid調(diào)節(jié)器的反饋控制系統(tǒng)。這種給水控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，整定方便，但存在三個(gè)問(wèn)題，如下所述。（1） 當(dāng)負(fù)荷變化產(chǎn)生虛假水位時(shí)，將使控制器反向錯(cuò)誤動(dòng)作。因此，這種系統(tǒng)克服不了虛假水位帶來(lái)的嚴(yán)重后果。（2） 對(duì)蒸汽流量擾動(dòng)不靈敏。蒸汽流量變化時(shí)，需引起汽包水位變化后才起控制作用，由于控制緩慢，導(dǎo)致控制質(zhì)量下降。（3） 對(duì)給水自發(fā)性干擾不能有效及時(shí)克服。當(dāng)給水系統(tǒng)出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，需等水位變化時(shí)才起控制作用，克服干

21、擾不及時(shí)。雖然存在上述缺點(diǎn)，在大型機(jī)組的給水控制中，還是采用這種控制系統(tǒng)。但主要在鍋爐低負(fù)荷階段采用。2.3.2雙沖量水位系統(tǒng) 鍋爐汽包雙沖量液位控制系統(tǒng)是在單沖量液位控制基礎(chǔ)上引入蒸汽流量作為前饋信號(hào)，能消除“虛假液位”對(duì)調(diào)節(jié)的不良影響，縮短了過(guò)渡過(guò)程時(shí)間，改善了控制系統(tǒng)的靜態(tài)特性，提高了調(diào)節(jié)質(zhì)量，所以能在負(fù)荷變化較頻繁的工況下比較好的完成也為控制任務(wù)，在給水壓力比較平穩(wěn)時(shí)，用于小型低壓鍋爐較好。但是也存在著缺點(diǎn)，即調(diào)節(jié)作用不能及時(shí)反映給水側(cè)的擾動(dòng)。當(dāng)給水量擾動(dòng)時(shí)，控制系統(tǒng)等于單沖量控制。因此當(dāng)給水母管壓力經(jīng)常有波動(dòng)，給水調(diào)節(jié)閥前后壓差不易保持正常時(shí)，不宜采用雙沖量控制。2.3.3三沖量水位

22、系統(tǒng)鍋爐汽包三沖量液位控制系統(tǒng)是在雙沖量液位控制基礎(chǔ)上引入了給水流量信號(hào)，由水位、蒸汽流量和給水流量組成了三沖量液位控制系統(tǒng)，汽包水位是被控量，是主沖量信號(hào)；蒸汽流量、給水流量是兩個(gè)輔助沖量信號(hào)，實(shí)質(zhì)上三沖量控制系統(tǒng)是前饋加反饋控制系統(tǒng)，可分為單級(jí)和串級(jí)兩種控制系統(tǒng)。當(dāng)蒸汽流量增加時(shí)，調(diào)節(jié)器立即動(dòng)作，相應(yīng)地增加給水流量，能有效地減少虛假液位所引起的調(diào)節(jié)器誤動(dòng)作。當(dāng)給水流量發(fā)生自發(fā)性擾動(dòng)時(shí)（例如給水壓力波動(dòng)引起給水流量的波動(dòng)），調(diào)節(jié)器也能立即動(dòng)作，控制給水流量使給水流量迅速恢復(fù)到原來(lái)的數(shù)值，從而使汽包水位基本不變?？梢娊o水流量信號(hào)作為反饋信號(hào)，其主要作用是快遞消除來(lái)自給水側(cè)的內(nèi)部擾動(dòng)。當(dāng)汽包水位

23、增加時(shí)，為了維持水位，調(diào)節(jié)器的正確操作應(yīng)使給水量減少，反之亦然，即調(diào)節(jié)器操作給水流量的方向與水位信號(hào)的變化方向相反，因此調(diào)節(jié)器入口處水位信號(hào)定義為負(fù)極性。但由于汽包鍋爐的水位測(cè)量裝置平衡器本身已具有反號(hào)的特性，所以進(jìn)入調(diào)節(jié)器的水位變送信號(hào)應(yīng)為正。2.4鍋爐燃燒過(guò)程控制系統(tǒng)燃燒過(guò)程控制任務(wù)的任務(wù)是：滿足機(jī)組負(fù)荷要求，維持主蒸汽壓力穩(wěn)定；保證燃燒過(guò)程經(jīng)濟(jì)性；保證燃燒過(guò)程穩(wěn)定性。根據(jù)燃燒控制任務(wù)，主要調(diào)節(jié)以下三個(gè)物理量：燃料量調(diào)節(jié)；送風(fēng)量調(diào)節(jié)；引風(fēng)量調(diào)節(jié)。燃燒過(guò)程控制的特點(diǎn)：燃燒過(guò)程三項(xiàng)控制任務(wù)，對(duì)應(yīng)著三個(gè)調(diào)節(jié)量以維持三個(gè)被調(diào)量（機(jī)組負(fù)荷或主蒸汽壓力、過(guò)剩空氣系數(shù)或最佳煙氣含氧量、爐膛壓力），其中主

24、蒸汽壓力是鍋爐燃料量與汽輪機(jī)需要能量是否平衡的指標(biāo)；過(guò)?？諝庀禂?shù)是燃料量和送風(fēng)量是保持適當(dāng)比例的指標(biāo)；爐膛壓力是送風(fēng)量和引風(fēng)量是否平衡的標(biāo)準(zhǔn)。燃燒過(guò)程三個(gè)被調(diào)量的調(diào)節(jié)存在著明顯的相互影響。第三章 鍋爐汽包液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理由于對(duì)象的給水量?jī)?nèi)擾動(dòng)態(tài)特性存在一定的延遲，所以采用以水位為被調(diào)量的單回路系統(tǒng)，則調(diào)節(jié)過(guò)程中的水位會(huì)有相當(dāng)大的偏差。因此，應(yīng)考慮采用串級(jí)控制方案。由于對(duì)象在蒸汽流量和熱負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)有“虛假水位”現(xiàn)象，因此，在設(shè)計(jì)給水控制方案中，應(yīng)考慮采用主要擾動(dòng)(蒸汽流量d)為前饋信號(hào)的前饋調(diào)節(jié)，以改善給水控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量。由于鍋爐水位被控對(duì)象的特點(diǎn)，決定了采用單回路反

25、饋控制系統(tǒng)不能滿足生產(chǎn)對(duì)控制品質(zhì)的要求，同時(shí)由于單級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)存在的一些問(wèn)題，所以發(fā)電廠汽包鍋爐的給水自動(dòng)控制普遍采用串級(jí)三沖量給水自動(dòng)控制方案，它是一個(gè)前饋串級(jí)控制系統(tǒng)，其中汽包水位h為主參數(shù)，給水流量w為副參數(shù)，蒸汽流量d為前饋信號(hào)。圖所示為串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)的方框圖。根據(jù)圖2-2的串級(jí)系統(tǒng)分析，這個(gè)系統(tǒng)是由兩個(gè)閉合反饋回路和一個(gè)前饋部分組成。系統(tǒng)組成如下所述： 圖3-1串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)框圖（1）由給水流量w、給水流量變送器rw、給水流量反饋w、副調(diào)節(jié)器gc2(s)（pid2）、執(zhí)行器k2和調(diào)節(jié)閥ku組成副回路。（2）由被控對(duì)象ghw、水位測(cè)量變送器rw、主調(diào)節(jié)器gc1(

26、s)（pid1）和副回路組成主回路。（3）由蒸汽流量信號(hào)d，以及蒸汽流量測(cè)量變送器rd及蒸汽流量前饋裝置d構(gòu)成前饋控制部分。3.2部分設(shè)備選擇3.2.1調(diào)節(jié)器及其參數(shù)選擇串級(jí)控制系統(tǒng)的主、副調(diào)節(jié)器的任務(wù)不同，主調(diào)節(jié)器一般采用比例積分控制規(guī)律，副調(diào)節(jié)器可采用比例控制規(guī)律，以使副回路具有快速性。其副回路、主回路的分析和整定，及其d的選擇如下所述。gc2(s)k2k1副回路的分析和整定副回路方框圖，可把副回路看作一般單回路系統(tǒng) w + w- 圖3-2副回路方框圖根據(jù)一般串級(jí)控制系統(tǒng)的要求，希望將副回路設(shè)置為快速隨動(dòng)系統(tǒng)，這樣使副回路具有快速消除內(nèi)擾及快速跟蹤蒸汽流量的能力。副調(diào)節(jié)器常選比例控制，這樣

27、副回路具有近似比例帶的特性。因此，副調(diào)節(jié)器的比例帶可選擇的較小，其選擇以保障副回路不振蕩為原則。在選擇副調(diào)節(jié)器的比例帶時(shí)，給水流量反饋裝置的傳遞函數(shù)w可任意設(shè)置一個(gè)數(shù)值，得到滿意的2值，如果w以后有必要改變，則相應(yīng)地改變2值，使w2保持整定時(shí)的值，以保證副回路的穩(wěn)定性。2主回路的分析和整定由于副調(diào)節(jié)器采用比例控制，副回路近似為比例環(huán)節(jié)；同時(shí)副回路的kzkww21,因此把副回路等效成1ww。構(gòu)成主回路的等效方框圖如圖所示。圖3-3 主回路等效方框圖這時(shí)，主回路等效為一個(gè)單回路控制系統(tǒng)。如果以給水量w作為被控對(duì)象的輸入信號(hào)，水位變送單元的輸出信號(hào)為被控對(duì)象輸出信號(hào)，則可以把主調(diào)節(jié)器與副回路兩者看作

28、是等效主調(diào)節(jié)器，它的傳遞函數(shù)為 gc1=1ww111+1ti1s （3-1）可見，等效主調(diào)節(jié)器仍然為比例積分調(diào)節(jié)器，但等效的比例帶為 1*=ww1 （3-2） 式中：1為主調(diào)節(jié)器pid1的比例帶，等效主調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間ti1*就是pid1調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間ti1。主回路仍按單回路系統(tǒng)的整定方法整定，通過(guò)試驗(yàn)方法求取主回路被控對(duì)象的階躍響應(yīng)曲線，并從曲線上求得和，再按響應(yīng)曲線整定法中給出的公式計(jì)算等效主調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)為 1*=1.1 （3-3） ti1*=3.3 （3-4）則pid1調(diào)節(jié)器的參數(shù)為 1=1*ww=1.1ww （3-5） ti1=ti1*=3.3 （3-6）給水量w和給水量反饋裝置

29、的傳遞系數(shù)雖然同時(shí)對(duì)主、副回路的工作產(chǎn)生影響，但串聯(lián)系統(tǒng)主、副回路的工作可以認(rèn)為基本上是各自獨(dú)立的。串級(jí)三沖量控制系統(tǒng)中的等效主調(diào)節(jié)器的比例帶1*=ww1可以改變pid1調(diào)節(jié)器的比例帶1來(lái)調(diào)整1*。因此，調(diào)整1*并不會(huì)影響到副回路的工作穩(wěn)定性，從而做到主、副回路互不影響，副回路由改變w來(lái)保證，主回路由1來(lái)保證。3蒸汽流量前饋裝置的傳遞函數(shù)d的選擇靜態(tài)水位值總是等于給定值，故d選擇將不受靜態(tài)特性無(wú)差條件的限制，據(jù)“虛假水位”程度來(lái)確定，從而可改善負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)控制過(guò)程的質(zhì)量。一般使蒸汽流量信號(hào)大于給水流量信號(hào)，即 ddww （3-7）如果給水流量變送器和蒸汽流量變送器和蒸汽流量變送器的斜率相等，則

30、dw （3-8）由于在負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)，水位的最大偏差往往出現(xiàn)在擾動(dòng)發(fā)生后不久，這個(gè)水位最大偏差的數(shù)值取決于擾動(dòng)的大小、擾動(dòng)速度和鍋爐的特性，蒸汽流量信號(hào)加強(qiáng)后的前饋?zhàn)饔脤?duì)水位的最大偏差減少起不了對(duì)打作用。加強(qiáng)蒸汽流量信號(hào)的作用，在于減少控制過(guò)程中第一個(gè)波幅后的水位波動(dòng)幅度和縮短控制過(guò)程的時(shí)間，蒸汽流量信號(hào)也不需要過(guò)分加強(qiáng)。3.2.2調(diào)節(jié)閥的選擇及調(diào)節(jié)器的正、反作用如果防止發(fā)生事故時(shí)，汽包內(nèi)水被耗干，損壞鍋爐，由安全性考慮用氣閉閥，汽閉閥當(dāng)氣壓信號(hào)p0.02mpa時(shí)，閥由全開狀態(tài)逐漸關(guān)閉。確定調(diào)節(jié)閥的原則是：當(dāng)調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)為零時(shí)，執(zhí)行器的工作狀態(tài)應(yīng)避免損壞設(shè)備和傷害操作人員。當(dāng)調(diào)節(jié)閥為氣閉閥時(shí)，在

31、副回路中，kv為負(fù)號(hào)，kp為正號(hào)，閥門開度增大時(shí)，給水流量增大，所以ko為正號(hào)，由kckvkokp0，可知kc為負(fù)號(hào)，故副調(diào)節(jié)器為正作用。主回路中，由副回路做成的一大項(xiàng)為正號(hào)，變送器kp為正號(hào)，且閥門開度增大時(shí)，液位升高，故ko為正號(hào)，所以主調(diào)節(jié)器kc為正號(hào)，所以主調(diào)節(jié)器為反作用。如果為了防止發(fā)生事故時(shí)，汽包內(nèi)水溢出，由安全性考慮選擇氣開閥，汽開閥當(dāng)氣壓信號(hào)p0，可知kc為正號(hào)，故副調(diào)節(jié)器為反作用。主回路中，由副回路做成的一大項(xiàng)為正號(hào)，變送器kp為正號(hào)，且閥門開度增大時(shí)，液位升高，故ko為正號(hào)，所以主調(diào)節(jié)器kc為正號(hào)，所以主調(diào)節(jié)器為反作用。第四章 個(gè)人總結(jié)在老師的耐心指導(dǎo)和同學(xué)的幫助下，我成功地完成了這次熱電廠鍋爐汽包液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的課程設(shè)計(jì)。在這兩周中，我能根據(jù)計(jì)劃進(jìn)度的安排，在老師的指導(dǎo)和與同學(xué)得互相討論當(dāng)中，按時(shí)按量的完成自己的設(shè)計(jì)