鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、精選文檔南華高校過(guò)程把握儀表課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目 鍋爐汽包水位把握系統(tǒng)設(shè)計(jì) 同學(xué)姓名 _歐鵬_專業(yè)班級(jí) _自動(dòng)化1201_學(xué) 號(hào) _20124460140_指導(dǎo)老師 _ _劉沖_摘 要鍋爐是典型的簡(jiǎn)單熱工系統(tǒng)，目前，中國(guó)各種類型的鍋爐有幾十萬(wàn)臺(tái)，由于設(shè)備分散、管理不善或技術(shù)緣由，使多數(shù)鍋爐難以處于良好工況，增加了鍋爐的燃料消耗，降低了效率。鍋爐的建模與把握問(wèn)題始終是人們關(guān)注的焦點(diǎn)，而汽包水位是工鍋爐平安、穩(wěn)定運(yùn)行的重要指標(biāo)，保證水位把握在給定范圍內(nèi)，對(duì)于高蒸汽品質(zhì)、削減設(shè)備損耗和運(yùn)行損耗、確保整個(gè)網(wǎng)絡(luò)平安運(yùn)行具有要意義。 鍋爐汽包水位高度，是確保平安生產(chǎn)和供應(yīng)優(yōu)質(zhì)蒸汽的重要參數(shù)，對(duì)現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)來(lái)說(shuō)

2、尤其是這樣。由于現(xiàn)代鍋爐的特點(diǎn)之一就是蒸發(fā)量顯著提高，汽包涵積相對(duì)變小，水位變化速度很快，稍不留意就簡(jiǎn)潔造成汽包滿水或者燒成干鍋。在現(xiàn)代鍋爐操作中，即使是缺水事故，也是格外危急的，這是由于水位過(guò)低，就會(huì)影響自然循環(huán)的正常進(jìn)行，嚴(yán)峻時(shí)會(huì)使個(gè)別上水管形成自由水面，產(chǎn)生流淌停滯，致使金屬管壁局部過(guò)熱而爆管。無(wú)論滿水或缺水都會(huì)造成事故，因此，必需嚴(yán)格把握水位在規(guī)定范圍之內(nèi)。 維持汽包水位在給定范圍內(nèi)是保證鍋?zhàn)o(hù)和汽輪機(jī)平安運(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(guò)高，會(huì)影響汽包內(nèi)汽水分別效果，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

3、和蒸汽中含鹽量增高，降低過(guò)熱蒸汽品質(zhì)，增加在過(guò)熱器管壁和汽輪機(jī)葉片上的結(jié)垢。水位過(guò)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)峻時(shí)會(huì)造成爆炸事故。這些后果都是格外嚴(yán)峻的。隨著鍋爐容量的增加，水位變化速度愈來(lái)愈快，人工操作愈來(lái)愈繁重，因此對(duì)汽包水位實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整提出了迫切的要求。 汽包水位的把握是鍋爐把握的一個(gè)難點(diǎn)，目前，對(duì)汽包水位把握大多接受常規(guī)PID把握方式，傳統(tǒng)的常規(guī)PID把握方式是依據(jù)把握對(duì)象的數(shù)學(xué)模型建立，由于鍋爐水位系統(tǒng)存在非線性、不確定性時(shí)滯和負(fù)荷干擾、非最小相位特征等，其精確的數(shù)學(xué)模型往往無(wú)法獲得而且常規(guī)PID把握的參數(shù)是固定不變的，難以適應(yīng)各種

4、擾動(dòng)及對(duì)象變化，其把握效果往往難以滿足要求，把握效果不抱負(fù)。名目1 緒論11.1鍋爐的工作過(guò)程簡(jiǎn)介11.2鍋爐汽包水位自動(dòng)把握的意義21.3鍋爐液位把握的難點(diǎn)22. 汽包鍋爐水位把握系統(tǒng)的設(shè)計(jì)32.1概述32.2單沖量把握系統(tǒng)32.3雙沖量把握系統(tǒng)4 2.4三沖量把握系統(tǒng) 5 2.4.1單級(jí)三沖量把握系統(tǒng)52.4.2串級(jí)三沖量把握系統(tǒng)63. 鍋爐汽包水位的動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)建模73.1給水流量作用下的動(dòng)態(tài)特性73.2 蒸汽流量擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性83.4串級(jí)三沖量的框圖94.硬件選擇4.1流量傳感器選擇104.2水位傳感器選擇104.3電機(jī)的選擇104.4接觸器的選擇104.5閥的開閉選擇形式105.

5、 PID參數(shù)的整定和SIMULINK仿真115.1串級(jí)三沖量仿真電路圖的搭建125.2串級(jí)三沖量PID參數(shù)的整定135.3仿真分析14總結(jié).15參考文獻(xiàn).161 緒論1.1鍋爐的工作過(guò)程簡(jiǎn)介 鍋爐是工業(yè)過(guò)程中不行缺少的動(dòng)力設(shè)備，鍋爐的任務(wù)是依據(jù)外界負(fù)荷的變化，輸送肯定質(zhì)量(汽壓、汽溫)和相應(yīng)數(shù)量的蒸汽。它所產(chǎn)生的蒸汽不僅能夠?yàn)檎麴s、化學(xué)反應(yīng)、干燥等過(guò)程供應(yīng)熱源，而且還可以作為風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、泵類驅(qū)動(dòng)透平的動(dòng)力源。 鍋爐是由“鍋”和“爐”兩部分組成的?！板仭本褪清仩t的汽水系統(tǒng)，如圖所示。由省煤器3、汽包4、下降管8、過(guò)熱器5、上升管7、給水調(diào)整閥2、給水母管1及蒸汽母管6等組成。鍋爐的給水用給水泵

6、打入省煤器，在省煤器中，水吸取煙氣的熱量，使溫度上升到本身壓力下的沸點(diǎn)，成為飽和水然后引入汽包。汽包中的水經(jīng)下降管進(jìn)入鍋爐底部的下聯(lián)箱，又經(jīng)爐膛四周的水冷壁進(jìn)入上聯(lián)箱，隨即又回入汽包。水在水冷壁管中吸取爐內(nèi)火焰直接輻射的熱，在溫度不變的狀況下，一部分蒸發(fā)成蒸汽，成為汽水混合物。汽水混合物在汽包中分別成水和汽，水和給水一起再進(jìn)入下降管參與循環(huán)，汽則由汽包頂部的管子引往過(guò)熱器，蒸汽在過(guò)熱器中吸熱、升溫達(dá)到規(guī)定溫度，成為合格蒸汽送入蒸汽母管。 圖1.1 鍋爐的汽水系統(tǒng)“爐”就是鍋爐的燃燒系統(tǒng)，由爐膜、煙道、噴燃器、空氣預(yù)熱器等組成。鍋爐燃料燃燒所需的空氣由送風(fēng)機(jī)送入，通過(guò)空氣預(yù)熱器，在空氣預(yù)熱器中吸

7、取煙氣熱量，成為熱空氣后，與燃料按肯定的比例進(jìn)入爐膛燃燒，生成的熱量傳遞給蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，產(chǎn)生飽和蒸汽。然后經(jīng)過(guò)過(guò)熱器，形成肯定的過(guò)熱蒸汽，匯合到蒸汽母管。具有肯定壓力的過(guò)熱蒸汽，經(jīng)過(guò)負(fù)荷設(shè)備調(diào)整閥供負(fù)荷設(shè)備使用。與此同時(shí)，燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的煙氣，其中含有大量余熱，除了將飽和蒸汽變成過(guò)熱蒸汽外，還預(yù)熱鍋爐給水和空氣，最終經(jīng)煙囪排入大氣。1.2鍋爐汽包水位自動(dòng)把握的意義鍋爐汽包水位自動(dòng)調(diào)整的任務(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?zhàn)o(hù)和汽輪機(jī)平安運(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(guò)高，會(huì)影響汽包內(nèi)汽水分別效果，使汽包出口的

8、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)熱器管壁和汽輪機(jī)葉片上的結(jié)垢。水位過(guò)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)峻時(shí)會(huì)造成爆炸事故。這些后果都是格外嚴(yán)峻的。隨著鍋爐容量的增加，水位變化速度愈來(lái)愈快，人工操作愈來(lái)愈繁重，因此對(duì)汽包水位實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整提出了迫切的要求。1.3 鍋爐液位把握的難點(diǎn)液位的把握技術(shù)是通過(guò)把握進(jìn)水或出水閥門的開度，轉(zhuǎn)變水流量來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而水溫的把握是通過(guò)調(diào)整加熱的功率來(lái)實(shí)現(xiàn)的。鍋爐液位的把握是鍋爐把握系統(tǒng)較為重要和比較難于把握的一項(xiàng)。由于在鍋

9、爐運(yùn)行過(guò)程中存在進(jìn)水量和出水量的變化，所以很難通過(guò)調(diào)整PID把握器參數(shù)來(lái)滿足全部的運(yùn)行條件，獲得抱負(fù)的把握效果。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。這樣就導(dǎo)致液位把握器通常處于欠調(diào)正狀態(tài)允許液位在肯定范圍內(nèi)波動(dòng)，以減小出水量的變化。然而，欠調(diào)正的PID不能準(zhǔn)時(shí)抑制大擾動(dòng)，這就可能引起鍋爐運(yùn)行的平安問(wèn)題。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把握。影響鍋爐液位的關(guān)鍵變量有給水流量，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)程臨時(shí)轉(zhuǎn)變了方向，簡(jiǎn)潔產(chǎn)生

10、誤操作而導(dǎo)致發(fā)生事故。2 汽包鍋爐水位把握系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2.1概述汽包水位的把握問(wèn)題伴隨著鍋爐的消滅而消滅，長(zhǎng)期以來(lái)始終是把握領(lǐng)域的一個(gè)典型的難問(wèn)題。隨著把握理論、把握技術(shù)和現(xiàn)代把握方法的進(jìn)展，鍋爐自動(dòng)化把握的水平也在漸漸提高。其間主要經(jīng)受了上世紀(jì)三四十年月單參數(shù)儀表把握，四五十年月單元組合儀表綜合參數(shù)儀表把握，以及六十年月興起的計(jì)算機(jī)把握等幾個(gè)階段。通常有如下幾種方案：(1) 單沖量把握系統(tǒng)。即汽包水位的單回路水位把握系統(tǒng)；(2) 雙沖量把握系統(tǒng)。即在單沖量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引入了蒸汽流量信號(hào)；(3) 三沖量把握系統(tǒng)。是在雙沖量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上再引入給水流量信號(hào)而構(gòu)成。2.2單沖量把握系統(tǒng)單沖量水位把握系

11、統(tǒng)以汽包水位作為唯一的把握信號(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)整器，調(diào)整器依據(jù)汽包水位測(cè)量值H與給定值H0的偏差，通過(guò)執(zhí)行器去把握給水調(diào)整閥以轉(zhuǎn)變給水量，保持汽包水位在允許的范圍內(nèi)。系統(tǒng)框圖為圖2.1所示。圖2.1單沖量把握系統(tǒng)框圖這種把握系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，是典型的單回路定制把握系統(tǒng)。對(duì)于水在汽包內(nèi)的停留時(shí)間較長(zhǎng)，且負(fù)荷又比較穩(wěn)定，“虛假水位”現(xiàn)象不嚴(yán)峻的狀況下，接受單沖量把握系統(tǒng)，進(jìn)行PID調(diào)整一般就能滿足生產(chǎn)要求。單沖量汽包水位調(diào)整的優(yōu)點(diǎn)是：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，在汽包涵量比較大、水位在受到擾動(dòng)后的反應(yīng)速度比較慢、“虛假水位”現(xiàn)象不很嚴(yán)峻的場(chǎng)合，接受單沖量水位調(diào)整時(shí)能夠滿足生產(chǎn)要求。單沖量

12、汽包水位調(diào)整存在著一些缺點(diǎn)，主要有：（1）單沖量把握方案只依據(jù)水位信號(hào)把握給水量，在鍋爐負(fù)荷變化大，即階躍擾動(dòng)很大時(shí)，由于鍋爐的“虛假水位”現(xiàn)象，例如負(fù)荷蒸汽增加時(shí)，水位一開頭先上升，調(diào)整器只依據(jù)水位作為把握信號(hào)，就去關(guān)小閥門削減給水量，這個(gè)動(dòng)作對(duì)鍋爐流量平衡是錯(cuò)誤的，從而在過(guò)程一開頭就擴(kuò)大蒸汽流量和給水流量的波動(dòng)幅度，擴(kuò)大了進(jìn)出流量的不平衡。（2）從給水?dāng)_動(dòng)下水位變化的動(dòng)態(tài)特性可以看出，由于給水壓力變化等緣由造成給水量變化時(shí)，調(diào)整器要等到水位變化后才開頭動(dòng)作，而在調(diào)整器動(dòng)作后又要經(jīng)過(guò)一段滯后時(shí)間 才能對(duì)汽包水位發(fā)生影響，因此必將導(dǎo)致汽包水位波動(dòng)幅度大，過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)。2.3雙沖量把握系統(tǒng)在汽包的

13、水位把握中，最主要的擾動(dòng)是負(fù)荷的變化。雙沖量把握系統(tǒng)是以鍋爐汽包水位測(cè)量信號(hào)作為主控信號(hào)，以蒸汽流量信號(hào)作為前饋信號(hào)構(gòu)成的“前饋-反饋”把握系統(tǒng)。系統(tǒng)框圖為圖2.2所示。圖2.2雙沖量把握系統(tǒng)框圖雙沖量把握系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：引入蒸汽流量前饋信號(hào)可以消退“虛假水位”所引起的不良影響。當(dāng)蒸汽量變化時(shí)，就有一個(gè)給水量與蒸汽量同方向變化的信號(hào)，可以削減或抵消由于“虛假水位”現(xiàn)象引起的假水位；引入蒸汽流量前饋信號(hào)，能夠改善把握系統(tǒng)的靜態(tài)特性，提高把握質(zhì)量。雙沖量把握系統(tǒng)存在的問(wèn)題是：對(duì)于給水系統(tǒng)的擾動(dòng)不能直接補(bǔ)償，當(dāng)給水量發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，要等到汽包水位信號(hào)變化時(shí)才能通過(guò)調(diào)整器操作執(zhí)行調(diào)整，滯后時(shí)間長(zhǎng)，水位波動(dòng)大

14、。2.4三沖量把握系統(tǒng)2.4.1單級(jí)三沖量把握系統(tǒng)三沖量鍋爐汽包給水自動(dòng)把握系統(tǒng)，是以汽包水位H為主把握信號(hào)，蒸汽流量D為前饋把握信號(hào)，給水流量W為反饋把握信號(hào)組成的把握系統(tǒng)。三沖量把握系統(tǒng)接受蒸汽量進(jìn)行前饋把握。當(dāng)負(fù)荷（蒸汽流量）突然發(fā)生變化，蒸汽流量信號(hào)能使給水調(diào)整閥一開頭就向正方向移動(dòng)，即當(dāng)蒸汽流量增加時(shí)，給水調(diào)整閥開大，抵消了由于“虛假水位”引起的方向誤動(dòng)作。如給水流量削減，調(diào)整器馬上依據(jù)給水流量削減的信號(hào)，開大給水閥，從而使給水量保持不變。另外，給水流量信號(hào)也是調(diào)整器動(dòng)作后的反饋信號(hào)，能使調(diào)整器及早知道把握的效果，所以使用三沖量把握系統(tǒng)，能使調(diào)整器動(dòng)作加快，還可以避開調(diào)解過(guò)量，削減水

15、位波動(dòng)，防止失控。系統(tǒng)框圖為圖2.3所示。圖2.3單級(jí)三沖量把握系統(tǒng)框圖從系統(tǒng)框圖可以看出，單級(jí)三沖量把握系統(tǒng)有兩個(gè)閉合回路：一個(gè)是由給水流量W、給水變送器、調(diào)整器和調(diào)整閥組成的內(nèi)回路；另一個(gè)是由汽包水位對(duì)象和內(nèi)回路構(gòu)成的主回路。蒸汽流量D及其蒸汽變送器未包含在這兩個(gè)閉合回路之內(nèi)。但它的引入可以改善把握質(zhì)量，且不影響閉合回路工作的穩(wěn)定性。所以三沖量把握的實(shí)質(zhì)是前饋加反饋的把握系統(tǒng)。單級(jí)三沖量把握系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：相對(duì)單沖量和雙沖量把握系統(tǒng)，其把握品質(zhì)最好，能有效地滿足系統(tǒng)對(duì)快速性、穩(wěn)定性、精確性的要求，能有效地避開“虛假水位”現(xiàn)象。與單沖量和雙沖量相比，最大的不足是，系統(tǒng)成本高，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，不簡(jiǎn)

16、潔整定。2.4.2串級(jí)三沖量把握系統(tǒng)隨著生產(chǎn)過(guò)程向著大型、連續(xù)和強(qiáng)化的方向進(jìn)展，對(duì)操作的要求更加嚴(yán)格，參數(shù)間相互關(guān)系更加簡(jiǎn)單，對(duì)把握的精度和功能提出新的要求。為此，需要在單回路的基礎(chǔ)上，實(shí)行其它措施，組成簡(jiǎn)單把握系統(tǒng)。如圖所示的三沖量串級(jí)把握系統(tǒng)框圖中，主調(diào)整器接受水位信號(hào)作為主控信號(hào)和蒸汽流量信號(hào)去把握副調(diào)整器的給水設(shè)定值，副調(diào)整器除了接受主調(diào)整器的設(shè)定信號(hào)外，還接受給水流量信號(hào)。蒸汽流量信號(hào)作為前饋信號(hào)對(duì)給水流量進(jìn)行前饋把握，當(dāng)蒸汽負(fù)荷突然發(fā)生變化時(shí)，蒸汽流量信號(hào)使給水調(diào)整閥馬上向正確的方向移動(dòng)，即當(dāng)蒸汽流量增加時(shí)，給水調(diào)整閥開大，從而抵消了由于虛假水位引起的反向作用，因此削減了水位和給水

17、流量的波動(dòng)幅度。給水流量信號(hào)作為調(diào)整閥動(dòng)作后的反饋信號(hào)，能使調(diào)整器及早知道把握的效果，做出相應(yīng)的調(diào)整。系統(tǒng)框圖為圖2.4所示。圖2.4串級(jí)三沖量把握系統(tǒng)框圖在實(shí)際應(yīng)用中，由于選定的把握閥門不一樣，串級(jí)三沖量作為把握系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也就不一樣。3.鍋爐汽包水位的動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)建模 3.1給水流量作用下的動(dòng)態(tài)特性在給水流量突然增加的瞬間，鍋爐的蒸發(fā)量還未轉(zhuǎn)變，給水流量大于蒸發(fā)量，但水位一開頭并不馬上增加，這是由于溫度較低的給水進(jìn)入省煤器及水循環(huán)系統(tǒng)的流量增加了，從原有的飽和汽水混合物中吸取了一部分熱量，使水面下的汽泡容積有所削減。事實(shí)上也就是由于給水溫度遠(yuǎn)低于省煤器的溫度，即給水有肯定的過(guò)冷度，水進(jìn)入省

18、煤器后，使一部分汽變成了水，特殊是沸騰式省煤器，給水減輕了省煤器內(nèi)的沸騰度，省煤器內(nèi)汽泡總?cè)莘e削減，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削減而降低的水位，經(jīng)過(guò)一段拖延甚至水位下降后，才能因給水不斷從省煤器進(jìn)入汽包而使水位上升。在此過(guò)程中，負(fù)荷還未變化，汽包中水仍在蒸發(fā)，因此水位也有下降趨勢(shì)。由H曲線可以清楚地看出給水被控對(duì)象內(nèi)擾的特點(diǎn)是：給水?dāng)_動(dòng)剛剛加入時(shí)，由于給水的過(guò)冷度影響，水位H的變化很慢，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間之后其變化速度才漸漸增加，最終變?yōu)榘纯隙ㄋ俣戎本€上升，這時(shí)就是物質(zhì)不平衡在起主要作用了，假如給水量和蒸汽量不能平衡，水位就不能確定。下面簡(jiǎn)潔介紹一下水位在給水?dāng)_動(dòng)下的傳

19、遞函數(shù)。 依據(jù)物料不平衡和熱平衡的關(guān)系，鍋爐汽包水位調(diào)整對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性方程經(jīng)推導(dǎo)，可簡(jiǎn)化成： （3.1）式中：h為汽包水位的高度； 為給水流量項(xiàng)的時(shí)間常數(shù)； 為蒸汽流量項(xiàng)的時(shí)間常數(shù)； 為蒸汽流量項(xiàng)的放大倍數(shù)； 、為時(shí)間常數(shù)。同時(shí)、的式子如下： 式中：D為鍋爐蒸汽流量； W為鍋爐給水流量?？梢姡鹌蛔兓臄_動(dòng)主要是蒸汽流量（稱為外擾動(dòng)）和給水流量（稱為外擾動(dòng)），因此，在給水流量作用下的汽包水位調(diào)整對(duì)象的運(yùn)動(dòng)方程式可表示為： （3.3）兩邊取拉氏變換，結(jié)合工程實(shí)際忽視較小的，并考慮到汽包水位在較長(zhǎng)一段時(shí)間里不隨給水量的增加而增加。因此，可得到鍋爐汽包水位在給水流量作用下的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型如下：

20、 （3.4）3.2 蒸汽流量擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性 負(fù)荷變化時(shí)汽包水位的動(dòng)態(tài)特性具有特殊的形式：負(fù)荷增加時(shí)，蒸發(fā)量大于給水量，但水位不是下降反而快速上升；負(fù)荷突然減小時(shí)，水位卻先下降，然后快速上升，這就是“虛假水位”現(xiàn)象。虛假水位的變化狀況和鍋爐的特性有關(guān)，燃料突然減小時(shí)（如鍋爐滅火），“虛假水位”約在24分鐘內(nèi)即達(dá)到最低值。在外部負(fù)荷突然減小時(shí)（如汽輪機(jī)甩負(fù)荷），“虛假水位”約在20秒內(nèi)即達(dá)到最低值，并且，“虛假水位”達(dá)到最低值的時(shí)間和負(fù)荷達(dá)到的最低值的時(shí)間基本相同。汽輪機(jī)甩負(fù)荷擾動(dòng)下的“虛假水位”現(xiàn)象是相當(dāng)嚴(yán)峻的，這給組成水位自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)帶來(lái)了困難。為了維持水位在允許的范圍內(nèi)，運(yùn)行中應(yīng)對(duì)負(fù)荷的一

21、次變動(dòng)量及負(fù)荷變化速度加以限制。同理，可得到在外擾動(dòng)下，汽包水位調(diào)整對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性方程為： （3.5）對(duì)上式方程進(jìn)行拉氏變換，并令、 得到鍋爐汽包水位在蒸汽流量作用下的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型如下： （3.6) 3.3 把握變量的確定 由于現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)比較困難，這里我們?cè)O(shè)定鍋爐的噸位為35t，并且取，于是可得到鍋爐汽包水位在給水流量作用下的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型為：（3.7）最終可得到鍋爐汽包水位在蒸汽流量作用下的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型為： (3.8)3.4串級(jí)三沖量的框圖給水流量給定液位蒸汽流量給水流量調(diào)整器電機(jī)汽包給水流量變送器蒸汽流量變送器蒸汽管道液位液位變送器變頻器液位調(diào)整器圖3.2汽包水位三沖量把握系統(tǒng)框圖從系

22、統(tǒng)框圖可以看出，單級(jí)三沖量把握系統(tǒng)有兩個(gè)閉合回路：一個(gè)是由給水流量W、給水變送器、調(diào)整器和調(diào)整閥組成的內(nèi)回路；另一個(gè)是由汽包水位對(duì)象和內(nèi)回路構(gòu)成的主回路。蒸汽流量D及其蒸汽變送器未包含在這兩個(gè)閉合回路之內(nèi)。但它的引入可以改善把握質(zhì)量，且不影響閉合回路工作的穩(wěn)定性。所以三沖量把握的實(shí)質(zhì)是前饋加反饋的把握系統(tǒng)。4 硬件選擇4.1流量傳感器選擇 依據(jù)把握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)可以有效地改善把握質(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)的把握質(zhì)量。上海正博自動(dòng)化儀表有限公司生產(chǎn)的LUGB-99型渦街流量計(jì)是一種基于卡門渦街原理流體振動(dòng)式新型流量計(jì)，它具有

23、測(cè)量范圍廣、壓損小、性能穩(wěn)定、精確度高和安裝、使用便利等優(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。 4.2水位傳感器選擇 由于該設(shè)計(jì)的目的是把握水位穩(wěn)定，而整個(gè)把握系統(tǒng)的基礎(chǔ)是對(duì)水位的精確測(cè)量，因此水位能否精確測(cè)量直接關(guān)系到把握質(zhì)量的優(yōu)劣。合理的選擇水位傳感器在水位把握系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中有關(guān)鍵作用。假設(shè)汽包水位應(yīng)當(dāng)把握在300±10 mm，依據(jù)過(guò)程把握儀表量程選擇原則：儀表量程應(yīng)當(dāng)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)當(dāng)把握在300±10 mm，因此所選水位傳感器的精度應(yīng)當(dāng)高于10/450=2.2

24、%FS，因此選擇該測(cè)量精度才可以滿足要求。4.3電機(jī)的選擇電機(jī)是鍋爐汽包供水的動(dòng)力設(shè)備，電機(jī)的精確選型關(guān)系到汽包能否精確供水進(jìn)而影響到汽包水位的穩(wěn)定。假設(shè)把握的鍋爐蒸發(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： (4.1)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。濟(jì)南華力貝爾機(jī)電設(shè)備有限公司生產(chǎn)的YJTG三相變頻調(diào)速電機(jī)特地為變頻調(diào)速設(shè)計(jì)可以依據(jù)技術(shù)要求設(shè)定其額定電壓為380V,額定功率為100kw。4.4接觸器的選擇接觸器是系統(tǒng)中用到

25、的重要開關(guān)設(shè)備，接觸器的合理選擇能保證溝通電動(dòng)機(jī)能夠精確準(zhǔn)時(shí)的啟動(dòng)、停止。依據(jù)分析三相溝通異步電機(jī)的最高工作電流是工作于50Hz溝通電壓下，其工作電流為： (4.2)因此依據(jù)設(shè)計(jì)的要求浙江宏立電器有限公司生產(chǎn)的HLC-3X系列空調(diào)接觸器主要適用于50Hz或60Hz、在AC-7b使用類別額定工作電壓為230V或480V時(shí)額定電流至40A電路中，適用于起動(dòng)和把握三相溝通電動(dòng)機(jī)(壓縮機(jī))及其它三相負(fù)載，選擇五套該類型接觸器同時(shí)帶動(dòng)一臺(tái)電機(jī)可以滿足設(shè)計(jì)要求。 4.5閥的開閉選擇形式關(guān)于給水調(diào)整閥的氣開氣關(guān)的選擇，一般都是從平安角度考慮的，人員平安、生產(chǎn)平安、系統(tǒng)設(shè)備平安的需要為首要依據(jù)。由于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)

26、程的調(diào)整閥絕大部分為氣動(dòng)調(diào)整閥，所以要選擇調(diào)整閥的氣開氣關(guān)方式。鍋爐給水調(diào)整閥一般接受氣關(guān)式，一旦事故發(fā)生，系統(tǒng)失控，供水調(diào)整閥處于全開位置，是鍋爐不致因給水中斷燒壞，避開爆炸等事故的發(fā)生。5 PID參數(shù)的整定和SIMULINK仿真5.1串級(jí)三沖量仿真電路圖的搭建 圖5.1 串級(jí)三沖量仿真電路圖5.2串級(jí)三沖量PID參數(shù)的整定依據(jù)工程整定及閱歷公式法粗略估算主把握器的P=20，I=1，D=60，副把握器依據(jù)階躍擾動(dòng)信號(hào)粗略計(jì)算得到P=16，I=30，D=0.5.依據(jù)上述參數(shù)輸入把握器。得到的把握?qǐng)D像如下圖5.2所示: 圖5.2 把握?qǐng)D像 通過(guò)圖像可以看出在該參數(shù)把握下，系統(tǒng)存在較大的超調(diào)和震蕩，因此我接受增大微分作用和減弱積分時(shí)間的方法來(lái)提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。改進(jìn)參數(shù)如下圖5.3和5.4所示： 圖5.3 主把握器PID圖5.4 副把握器PID改進(jìn)把握參數(shù)后把握?qǐng)D像如下圖5.2所示：圖5.5改進(jìn)后把握?qǐng)D像5.3仿真分析主回路是用于校正水位偏差的，副回路的作用則是快速消退內(nèi)擾，前饋通路用于補(bǔ)償外擾，克服虛假水位現(xiàn)象。在串級(jí)三沖量給水把握系統(tǒng)中給水流量擾動(dòng)是內(nèi)擾，串級(jí)三沖量給水把握系統(tǒng)中主調(diào)整器的任務(wù)是校正水位，這比單級(jí)三沖量給水把握系統(tǒng)的工作更為合理。前饋把握是將擾動(dòng)信號(hào)經(jīng)前饋把握器處理后用以消退擾動(dòng)對(duì)被調(diào)