汽包控制系統(tǒng)

1、一、設計目的本設計是采用前饋串級復合控制三沖量給水控制系統(tǒng)控制汽包水位，使其平穩(wěn)運行，并通過MATLAB仿真，證明所設計的系統(tǒng)可以很好的克服系統(tǒng)的內(nèi)外擾動，實現(xiàn)汽包鍋爐水位控制的要求。2、 設計要求 1、設計鍋爐汽包水位控制方案 2、控制算法的參數(shù)整定 3、控制系統(tǒng)的matlab仿真。3、 設計內(nèi)容 （一）概述 1、計算機控制技術的應用 計算機控制技術是一門以電子技術、自動控制技術、計算機應用技術為基礎，以計算機控制技術為核心，綜合可編程控制技術、單片機技術、計算機網(wǎng)絡技術，從而實現(xiàn)生產(chǎn)技術的精密化、生產(chǎn)設備的信息化、生產(chǎn)過程的自動化及機電控制系統(tǒng)的最佳化的專門學科。而且，企業(yè)對具備較強的計算

2、機控制技術應用能力專門人才需求很大，調(diào)查統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，2005年2012年計算機控制技術專業(yè)人才需求已進入社會總體需求前五名的行業(yè)，該專業(yè)的畢業(yè)生有很大的市場需求和廣泛的就業(yè)前景。 2、鍋爐概述 鍋爐是一種能量轉換設備，向鍋爐輸入的能量有燃料中的化學能、電能、高溫煙氣的熱能等形式，而經(jīng)過鍋爐轉換，向外輸出具有一定熱能的蒸汽、高溫水或有機熱載體。鍋的原義指在火上加熱的盛水容器，爐指燃燒燃料的場所，鍋爐包括鍋和爐兩大部分。鍋爐中產(chǎn)生的熱水或蒸汽可直接為工業(yè)生產(chǎn)和人民生活提供所需熱能，也可通過蒸汽動力裝置轉換為機械能，或再通過發(fā)電機將機械能轉換為電能。提供熱水的鍋爐稱為熱水鍋爐，主要用于生活，工業(yè)生

3、產(chǎn)中也有少量應用。產(chǎn)生蒸汽的鍋爐稱為蒸汽鍋爐，常簡稱為鍋爐，多用于火電站、船舶、機車和工礦企業(yè)。 3、汽包 汽包的概念是指氣壓通過水循環(huán)導致氣壓下降或上升，也可以理解為汽包是氣體和水分融合后形成的氣壓變化，極限壓力中的空氣與水分子會提高氣體的壓力上升，導致高壓達到一定數(shù)值后產(chǎn)生的壓力集分子。工業(yè)中汽包罐是能夠承受汽包產(chǎn)生的空氣壓力和水位壓力的一種工業(yè)設備。其中汽包的作用主要有： 1）是工質加熱、蒸發(fā)、過熱三過程的連接樞紐，保證鍋爐正常的水循環(huán)。 2）內(nèi)部有汽水分離裝置和連續(xù)排污裝置，保證鍋爐蒸汽品質。 3）有一定水量，具有一定蓄熱能力，緩和汽壓的變化速度。 4) 汽包上有壓力表、水位計、事故放

4、水、安全閥等設備，保證鍋爐安全運行。 4、汽水分離器 汽水分離器為壓力容器結構碳鋼或不銹鋼設備，接口型式是法蘭結構DIN16/DIN25/DIN40；汽水分離器必須安裝于水平管線上，排水口垂直向下，所有口徑的汽水離器均帶安裝支架，以減小管道承載。為確保被分離的液體迅速排放，應在汽水分離器底部的排水口連接合適的一套疏水閥組合。 本類閥門在管道中一般應當水平安裝。汽水分離器的工作原理：大量含水的蒸汽進入汽水分離器，并在其中以離心向下傾斜式運動；夾帶的水份由于速度降低而被分離出來；被分離的液體流經(jīng)疏水閥排出，干燥清潔的蒸汽從分離器出口排出。 5、過熱器 過熱器是鍋爐中將一定壓力下的飽和水蒸氣加熱成相

5、應壓力下的過熱水蒸氣的受熱面。 6、省煤器 省煤器就是鍋爐尾部煙道中將鍋爐給水加熱成汽包壓力下的飽和水的受熱面，由于它吸收的是比較低溫的煙氣，降低了煙氣的排煙溫度，節(jié)省了能源，提高了效率，所以稱之為省煤器。鋼管式省煤器不受壓力限制，可以用作沸騰式，一般由外徑為3251毫米的碳素鋼管制成。有時在管外加鰭片和肋片，以改善傳熱效果。鋼管式省煤器由水平布置的并聯(lián)彎頭管子（習稱蛇形管）組成。（二）控制系統(tǒng)設計 1、給水被控對象的動態(tài)特性 在討論給水計算機控制系統(tǒng)之前，必須先分析被控對象的動態(tài)特性，然后才能設計出一個合理的給水控制系統(tǒng)。給水調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性是指汽包水位的變化與引起水位變化的各種因素之間的

6、動態(tài)關系。汽包水位是汽包中儲水量和水面下汽泡容積的綜合反映。所以，水位不僅受汽包儲水量變化的影響，而且還受到汽水混合物中汽泡容積變化的影響。從水位反映儲水量來看，調(diào)節(jié)對象是一個無自平衡能力的對象，這是因為儲水量的變化是由給水流量和蒸汽流量變化引起的，而水位變化后既不能影響給水流量，又不能影響蒸發(fā)量，所以說水位調(diào)節(jié)對象是沒有自平衡能力的。影響汽包水位變化的因素主要有：蒸汽流量D,給水量W，爐膛熱負荷（燃料量M）,汽包壓力P等。 2、汽包水位的動態(tài)特性工業(yè)鍋爐的汽包水位是正常運行的重要指標之一，水位過高，產(chǎn)生蒸汽帶水現(xiàn)象，影響用汽單位的正常生產(chǎn)。汽包水位過低，會影響鍋爐的汽水自然循環(huán)，如不及時調(diào)節(jié)

7、，就會使汽包里的水全部汽化掉，可能導致鍋爐燒塌和爆炸事故。影響汽包水位變化的因素很多，主要有燃煤量、給水量和蒸汽流量。燃煤量對水位變化的影響是非常緩慢的，比較容易克服。因此，我們主要考慮給水量和蒸汽流量對水位的影響。鍋爐水位調(diào)節(jié)對象的原理結構如圖2-1所示。圖2-1 給水調(diào)節(jié)對象結構圖1-給水母管；2-調(diào)節(jié)閥；3-省煤器；4-汽包；5-管路；6-過熱器；7-蒸汽管給水調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性是指各種擾動下的汽包水位隨時間變化的特性。當擾動為階躍擾動時，對象的動態(tài)特性稱為階躍響應曲線。影響水位變化的原因是很多的，其中鍋爐的蒸發(fā)量和給水流量的變化是主要的，其它還有爐膛熱負荷、汽包壓力的變化等原因。 3、

8、各種擾動下水位變化的動態(tài)特性 （1）給水流量擾動下對象的動態(tài)特性圖2-2為給水量擾動下水位階躍響應曲線。圖2-2中曲線1為沸騰式省煤器情形下水位的動態(tài)特性，曲線2為非沸騰式省煤器情形下水位的動態(tài)特性。圖2-2 給水量擾動下水位階躍響應曲線在給水流量突然增加的瞬間，鍋爐的蒸發(fā)量還未改變，給水流量大于蒸發(fā)量，但水位一開始并不立即增加，這是因為溫度較低的給水進入省煤器及水循環(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減少。事實上也就是因為給水溫度遠低于省煤器的溫度，即給水有一定的過冷度，水進入省煤器后，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)

9、的沸騰度，省煤器內(nèi)汽泡總容積減少，因此，進入省煤器內(nèi)的水首先用來填補省煤器中因汽泡破滅容積減少而降低的水位，經(jīng)過一段遲延甚至水位下降后，才能因給水不斷從省煤器進入汽包而使水位上升。在此過程中，負荷還未變化，汽包中水仍在蒸發(fā)，因此水位也有下降趨勢。由H曲線可以清楚地看出給水被控對象內(nèi)擾的特點是：給水擾動剛剛加入時，由于給水的過冷度影響，水位H的變化很慢，經(jīng)過一段時間之后其變化速度才逐漸增加，最后變?yōu)榘匆欢ㄋ俣戎本€上升，這時就是物質不平衡在起主要作用了，如果給水量和蒸汽量不能平衡，水位就不能確定。下面簡單介紹一下水位在給水擾動下的傳遞函數(shù)。水位在給水擾動下的傳遞函數(shù)可表示為：其擾動傳遞函數(shù)方框圖如

10、圖2-3所示，可近似認為是一個積分環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié)的并聯(lián)或串聯(lián)的兩種形式。其擾動傳遞函數(shù)方框圖如圖2-3所示，可近似認為是一個積分環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié)的并聯(lián)或串聯(lián)的兩種形式。圖2-3 給水擾動傳遞函數(shù)方框圖 （2）蒸汽流量擾動下對象的動態(tài)特性蒸汽流量擾動下水位的階躍起反應曲線如圖2-4所示。當蒸汽流量突然增加（假定供熱量及時跟上）時，鍋爐的蒸發(fā)量大于給水流量，汽包的貯水量應等速下降，又因為汽包是無自平衡對象，所以水位的變化曲線應如圖中曲線H1所示：實際上當蒸發(fā)量突然增加時，在汽水循環(huán)系統(tǒng)中的蒸發(fā)強度也將成比例的增大，使汽水混合物中汽泡的容積增大；又因爐膛內(nèi)的發(fā)熱量并不能及時增加，從而使汽包壓力

11、不斷下降，降低了飽和溫度，促使蒸發(fā)速度加快，汽泡膨脹，加大了汽水混合物的總體積，使水位變化過程如圖中曲線H2所示。水位實際變化曲線是H1和H2 之和。 圖2-4 蒸汽流量擾動下水位階躍響應曲線 H1-只考慮貯水量變化的水位反應曲線；H2-只考慮水面下汽泡容積變化的水位反應曲線； H-實際水位反應曲線（H=H1+H2）。兩曲線的疊加，即圖中的曲線H，由圖可知，負荷變化時汽包水位的動態(tài)特性具有特殊的形式：負荷增加時，蒸發(fā)量大于給水量，但水位不是下降反而迅速上升；負荷突然減小時，水位卻先下降，然后迅速上升，這就是“虛假水位”現(xiàn)象。虛假水位的變化情況和鍋爐的特性有關，燃料突然減小時（如鍋爐滅火），“虛

12、假水位”約在24分鐘內(nèi)即達到最低值。在外部負荷突然減小時（如汽輪機甩負荷），“虛假水位”約在20秒內(nèi)即達到最低值，并且，“虛假水位”達到最低值的時間和負荷達到的最低值的時間基本相同。汽輪機甩負荷擾動下的“虛假水位”現(xiàn)象是相當嚴重的，這給組成水位自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)帶來了困難。為了維持水位在允許的范圍內(nèi)，運行中應對負荷的一次變動量及負荷變化速度加以限制。應當指出，蒸汽量和給水量在運行中是經(jīng)常變化的，為保持氣壓穩(wěn)定，燃料量與蒸發(fā)量必須相互適應，因此這兩種擾動總是相伴發(fā)生，只是有先后發(fā)生的差別。從各種擾動下水位的動態(tài)特性可估計到水位調(diào)節(jié)的一些缺點：由于存在延遲，等到水位偏離規(guī)定值后再去進行調(diào)節(jié)，水位必然會有

13、較大的變化（尤其是水位反應快的鍋爐），水位的偏差也大；在負荷變化時，由于“虛假水位”現(xiàn)象，水位將迅速變化，這種變化幅度不可能用調(diào)節(jié)給水量來減小。為維持水位在允許的范圍內(nèi)，必須限制負荷的一次改變量和負荷變化速度；在負荷變化后的開始階段，給水流量和負荷的變化方向相反，如果忽視“虛假水位”現(xiàn)象的存在，盲目根據(jù)“水位”來調(diào)節(jié)給水量，將會擴大鍋爐進出流量的不平衡，使水位波動加劇，實際工作中應當防止和避免。 （3）給水控制系統(tǒng)概況鍋爐的汽包水位能夠間接反映鍋爐蒸汽負荷與給水量之間的平衡關系，維持汽包水位正常是保證鍋爐和汽輪機安全運行的必要條件。汽包水位過高，會影響汽包內(nèi)汽水分離裝置的正常工作，造成出口的蒸

14、汽水分含量過多，導致過熱器管壁結垢而被燒壞，也使過熱蒸汽溫度急劇變化，直接影響機組的穩(wěn)定運行。汽包水位過低，可能破壞鍋爐水循環(huán)，導致水冷壁管被燒壞。汽包鍋爐給水控制系統(tǒng)地作用是使鍋爐的給水量自動適應鍋爐的蒸發(fā)量，維持汽包水位在規(guī)定的范圍內(nèi)波動。汽包水位H是汽包中儲水量和水面下汽包容積的綜合體現(xiàn)，不僅受汽包儲水量變化的影響，還受汽水混合物中汽包容積變化的影響。其中主要的擾動為給水流量W、鍋爐蒸發(fā)量D、汽包壓力、爐膛熱負荷等，其對水位的影響各不相同。其中給水流量和蒸汽流量是影響汽包水位的2種主要擾動，前者來自調(diào)節(jié)側，稱為內(nèi)擾，后者來自負荷側，稱為外擾。 4、串級三沖量給水控制系統(tǒng)現(xiàn)代大型鍋爐的水位

15、動態(tài)特性復雜，汽包存在著嚴重的“虛假水位”現(xiàn)象，為了保證給水系統(tǒng)的安全可靠,汽包鍋爐的給水控制普遍采用三沖量給水控制方案。 （1）串級三沖量給水控制系統(tǒng)的工作原理大型汽包鍋爐的控制對象具有給水內(nèi)擾動態(tài)特性延遲和慣性大的特點，且無自平衡能力，給水控制系統(tǒng)若采用以水位為被調(diào)量的單回路系統(tǒng)，控制過程中水位將出現(xiàn)較大的動態(tài)偏差，給水流量波動較大，應此，應考慮采用三沖量給水控制系統(tǒng)方案。另外，控制對象在蒸汽負荷擾動（外擾）時，存在“虛假水位”現(xiàn)象，應此在擾動的初始階段，調(diào)節(jié)器將使給水流量向與負荷變化相反的方向變化，加劇了鍋爐的進、出流量的不平衡。因此應采用以蒸汽流量D為前饋信號的前饋控制，從而能夠根據(jù)對

16、象在外擾下虛假水位的嚴重程度來適當加強蒸汽流量信號的作用強度，以改善蒸汽負荷擾動下的水位控制品質。采用串級控制系統(tǒng)將具有更好的控制品質，調(diào)試整定也比較方便，故在大型汽包爐上可采用串級三沖量給水控制系統(tǒng)。串級三沖量給水控制系統(tǒng)的原理圖如圖4-2和所示。圖4-2 串級三沖量給水控制系統(tǒng)原理方框圖這個系統(tǒng)有三個回路，為副回路，包括給水量W、副調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器放大系數(shù)、閥門系數(shù)、給水流量變送器斜率和給水流量分壓系數(shù)；為主回路，包括水位被控對象、水位變送器斜率、主調(diào)節(jié)器和副回路；位前饋通路，包括蒸汽流量變送器斜率和蒸汽流量分壓系數(shù)、副回路和被控對象。這個系統(tǒng)中使用了兩個調(diào)節(jié)器，構成串級控制系統(tǒng)。為保證被調(diào)

17、量無靜差，主調(diào)節(jié)器采用PI控制規(guī)律，副調(diào)節(jié)器采用PI或P控制規(guī)律，副調(diào)節(jié)器接受三個輸入信號，信號之間有靜態(tài)配合問題，但系統(tǒng)的靜態(tài)特性由主調(diào)節(jié)器決定，因此蒸汽流量信號并不要求與給水流量信號相等。副回路的作用主要為快速消除內(nèi)擾，主回路用于校正水位偏差，而前饋通路則用于補償外擾，主要用于克服虛假水位現(xiàn)象。 （2）調(diào)節(jié)器的選擇調(diào)節(jié)規(guī)律是指調(diào)節(jié)器輸出信號與其輸入信號之間的動態(tài)關系，從理論上說可有各種形式的函數(shù)關系，然而在實踐中總結出三種基本調(diào)節(jié)關系，廣為采用。這三種基本調(diào)節(jié)規(guī)律就是比例調(diào)節(jié)規(guī)律、積分調(diào)節(jié)規(guī)律、微分調(diào)節(jié)規(guī)律。三種調(diào)節(jié)規(guī)律的組合可設計出多種調(diào)節(jié)規(guī)律的調(diào)節(jié)器，如比例調(diào)節(jié)器、比例積分調(diào)節(jié)器、比例

18、積分微分調(diào)節(jié)器等。調(diào)節(jié)器作為控制系統(tǒng)組成部分之一，其動態(tài)特性對控制過程有著很大的影響，因為對象的特性是不容易改變的。主、副回路調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇原則： 1）主參數(shù)控制質量要求不十分嚴格，同時在對副參數(shù)的要求也不高的情況下，為使兩者兼顧而采用串級控制方式時，主、副調(diào)節(jié)器均可采用比例控制。 2）要求主參數(shù)波動范圍很小，且不允許有余差（穩(wěn)態(tài)誤差），此時副調(diào)節(jié)器可采用比例控制，主調(diào)節(jié)器采用比例積分控制。 3）主參數(shù)要求高，副參數(shù)亦有一定的要求，這時主、副調(diào)節(jié)器均采用比例積分形式。 5、串級三沖量給水控制系統(tǒng)的參數(shù)整定 （1）主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定在串級三沖量給水控制系統(tǒng)中，副回路是一個調(diào)節(jié)器，一般用

19、試探法整定副回路的和。主回路參數(shù)整定是把副回路等效成一個比例環(huán)節(jié)，然后用經(jīng)驗公式進行整定；前饋通路的選擇是基于“虛假水位”而定的。它主要是為了補償“虛假水位”現(xiàn)象。副回路可看作一個隨動系統(tǒng)，如圖4-4所示。圖4-4 副回路等效圖把調(diào)節(jié)閥和普通管道系統(tǒng)作為被調(diào)對象，則作為以外的環(huán)節(jié)都作為等效調(diào)節(jié)器。 （2）前饋通路的設計 前饋通路的簡化圖見圖4-6，通路中的選擇是基于“虛假水位”情況而定的。圖4-6 前饋通路等效圖前饋通路中完全補償條件為： （三）串級三沖量給水控制系統(tǒng)的仿真 1、串級三沖量給水控制系統(tǒng)的仿真系統(tǒng)參數(shù)：給水流量傳函 ： 蒸汽流量傳函 ： 負荷從0100t/h變化時，開方器輸出01

20、00mA調(diào)節(jié)器輸出從010mA變化時，閥門開度變化0%100%，即執(zhí)行器放大系數(shù) 。 2、PI子程序流程圖定義內(nèi)存單元、清零采樣、形成偏差e(k)取、e（k）,做乘法e（k）累加第k次積分結果有溢出？取偏差值e(k)e(k)大于0？輸出值u(k減1輸出值u(k)加1 輸出值u(k) 數(shù)據(jù)傳送3、副回路的仿真副回路SINMULINK結構圖圖5-2 副回路的SIMULINK結構圖由仿真曲線可知，將副回路整定成快速隨動系統(tǒng)。4、 主回路的仿真主回路的整定是建立在副回路可以等效為一個快速比例環(huán)節(jié)基礎上的。圖5-7 主回路的SIMULINK結構圖5、外擾下的仿真分析下面對整個系統(tǒng)進行仿真實驗，并分析在各

21、種擾動下系統(tǒng)的穩(wěn)定性。串級三沖量系統(tǒng)的SIMULINK結構圖如圖5-14所示：圖5-14 串級三沖量系統(tǒng)的SIMULINK結構圖串級三沖量系統(tǒng)的仿真中我們可以看出，系統(tǒng)能夠很快的穩(wěn)定于期望的值，并且波形符合一波半，系統(tǒng)的穩(wěn)定性很好，說明參數(shù)整定合理，符合設計要求。6、仿真結果分析在上述的設計與仿真中，主回路是用于校正水位偏差的，副回路的作用則是快速消除內(nèi)擾，前饋通路用于補償外擾，克服虛假水位現(xiàn)象。在串級三沖量給水控制系統(tǒng)中給水流量擾動是內(nèi)擾，串級三沖量給水控制系統(tǒng)中主調(diào)節(jié)器的任務是校正水位，這比單級三沖量給水控制系統(tǒng)的工作更為合理。當水位發(fā)生擾動時，汽包水位變化，系統(tǒng)立刻通過水位變送器將變化量

22、反饋到主調(diào)節(jié)器，使主調(diào)節(jié)器動作，進行調(diào)節(jié)，從而消除未進入副回路的擾動，穩(wěn)態(tài)時保持汽包水位等于原來設定值，維持系統(tǒng)安全可靠的運行。但這種擾動發(fā)生后，系統(tǒng)是通過反饋作用來進行調(diào)節(jié)的，所以系統(tǒng)調(diào)節(jié)會存在一定的遲延，不如調(diào)節(jié)前饋擾動量及時。而蒸汽流量擾動是外擾，在串級三沖量給水控制系統(tǒng)中當蒸汽流量發(fā)生擾動時，蒸汽流量信號使給水調(diào)節(jié)閥一開始就向正方向移動，保持水和蒸汽平衡，即蒸汽流量增加，給水調(diào)節(jié)閥開大，抵消了由于“虛假水位”引起的反方向移動，因而減少了水位和給水流量的波動幅度。主調(diào)節(jié)器的作用是校正水位偏差，最后穩(wěn)態(tài)時保持汽包水位等于原來設定值，維持系統(tǒng)安全可靠的運行。前饋控制的思路是這樣的，系統(tǒng)被調(diào)量

23、除了跟隨給定量變化而應該變化外，被調(diào)量還會產(chǎn)生偏差，其原因是由于擾動作用引起的。倘若在擾動出現(xiàn)時，就能立即進行控制，而不是等到偏差發(fā)生后再進行控制，這樣就可以有效地消除擾動對系統(tǒng)被調(diào)量的影響。前饋控制是將擾動信號經(jīng)前饋控制器處理后用以消除擾動對被調(diào)量的影響，它是按擾動進行的補償控制，所以前饋控制又叫作“擾動補償”。由自動控制原理知道，擾動補償屬于開環(huán)控制。前饋控制對系統(tǒng)的穩(wěn)定性無影響，只要原系統(tǒng)是穩(wěn)定的，施以前饋控制后，系統(tǒng)仍然穩(wěn)定。前饋控制只能對于可以測量的擾動作用進行擾動補償。前饋控制器的結構、參數(shù)取決于被控制對象與擾動通道的特性。從仿真效果可知，串級三沖量給水控制系統(tǒng)對各種典型影響因素的干擾均能做出快速反應，具有較高的調(diào)節(jié)質量和調(diào)節(jié)精度，能夠維持汽包水位的穩(wěn)定，保障機組的安全穩(wěn)定運行。結 論鍋爐的汽包水位能夠間接反映鍋爐蒸汽負荷與給水量之間的平衡關系，維持汽包水位正常是保證鍋爐和汽輪機安全運行的必要條件。汽