鍋爐水位單回路控制系統(tǒng)

1、鍋爐是化工、煉油、發(fā)電等工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中必不可少的重要?jiǎng)恿υO(shè)備。鍋爐控制的目的 是供給合格的蒸汽，使鍋爐產(chǎn)氣量適應(yīng)符合的需要，同時(shí)保證燃燒的經(jīng)濟(jì)性、安全性。液位 控制技術(shù)作為鍋爐系統(tǒng)控制中較為重要的一項(xiàng)技術(shù)，也成為了鍋爐制造企業(yè)技術(shù)含量的衡量 點(diǎn)。鍋爐液位是通過(guò)操縱流進(jìn)量或流出量來(lái)控制的，因此其液位被認(rèn)為是比較容易控制的回 路。但是，在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中，鍋爐的液位控制直接影響了鍋爐是否正常運(yùn)行以及運(yùn)行的安 全狀況。1、鍋爐汽包液位控制必要性在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中，鍋爐是一個(gè)復(fù)雜的被控對(duì)象，主要輸入變量包括符合的蒸汽需求量、 給水量、燃料量、減溫水量、送風(fēng)量和引風(fēng)量等；主要輸出變量有鍋筒水位、蒸汽壓力、過(guò)

2、 熱蒸汽溫度、爐膛負(fù)壓、過(guò)?？諝猓煔夂趿浚┑热绻羝献兓蚪o水量發(fā)生變化， 會(huì)引起鍋筒水位、蒸汽壓力和過(guò)熱蒸汽溫度等的變化；而燃料量的變化不僅影響蒸汽壓力， 還會(huì)影響鍋筒水位、過(guò)熱蒸汽溫度、過(guò)剩空氣和爐膛負(fù)壓、可見(jiàn)，鍋爐是一個(gè)具有多輸入、 多輸出且變量之間相互關(guān)聯(lián)的被控對(duì)象。由于負(fù)荷、燃燒工況及給水流量的變化，汽包水位會(huì)經(jīng)常變化。眾所周知，水位過(guò)高或 急劇波動(dòng)會(huì)引起蒸汽品質(zhì)惡化和帶水，造成受熱面結(jié)鹽，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)水沖擊振動(dòng)、 葉片損壞；水位過(guò)低會(huì)引起排污失效，爐內(nèi)加藥進(jìn)入蒸汽，甚至引起下降管帶汽，影響爐水 循環(huán)工況，造成爐管大面積爆破。由于汽包水位測(cè)量和控制問(wèn)題而造成的上述惡性事

3、故的情 況時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響火電廠(chǎng)運(yùn)行的安全性。鍋爐運(yùn)行中，我們是通過(guò)水位測(cè)量系統(tǒng)來(lái)監(jiān)視 和控制汽包水位的。當(dāng)汽包水位超出正常運(yùn)行范圍時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)將發(fā)出報(bào)警信號(hào)，保護(hù)系統(tǒng) 將立即采取必要的保護(hù)措施，以確保鍋爐和汽輪機(jī)的安全。因此，鍋爐汽包水位測(cè)量系統(tǒng)是 機(jī)組安全運(yùn)行的極端重要的系統(tǒng)。7 S8 r* x+根據(jù)鍋爐汽包水位測(cè)量的重要性和測(cè)量技術(shù)的特點(diǎn)，鍋爐汽包水位測(cè)量系統(tǒng)至少應(yīng)滿(mǎn)足 下列基本要求：1.準(zhǔn)確性好：眾所周知，鍋爐汽包水位相對(duì)主蒸汽壓力、溫度這類(lèi)參數(shù)而 言，并不是需要精確控制的參數(shù)，一般情況下，二個(gè)汽包水位測(cè)量示值偏差在30mm以?xún)?nèi)是可 以接受的。而在正常條件下保持這樣的精確度不是十分困

4、難的。但是，由于汽包水位測(cè)量對(duì) 象十分復(fù)雜，而汽包水位測(cè)量采用的聯(lián)通管式或差壓式測(cè)量原理，使得汽包壓力和測(cè)量參比 條件變化時(shí)會(huì)造成遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出上述要求的非常大的誤差。所以長(zhǎng)期以來(lái)，保證汽包水位測(cè)量準(zhǔn) 確性一直是擺在我們面前的一個(gè)難點(diǎn)和關(guān)鍵問(wèn)題。2.可靠性高：汽包水位測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)從取 樣開(kāi)始，到信號(hào)轉(zhuǎn)換控制和保護(hù)回路，以及供電回路均應(yīng)十分可靠。此外，除了提高裝置本 身的可靠性外，還應(yīng)提高系統(tǒng)的可靠性，包括對(duì)汽包水位測(cè)量、控制和保護(hù)系統(tǒng)的配置應(yīng)采 取嚴(yán)格的冗余要求，應(yīng)采用兩種或以上工作原理共存的配置原則；鍋爐汽包水位控制和保護(hù) 用的水位測(cè)量信號(hào)應(yīng)采取三重冗余等。3.維護(hù)性好：鍋爐汽包水位測(cè)量系統(tǒng)的維護(hù)應(yīng)

5、簡(jiǎn)單、 維護(hù)工作量應(yīng)盡可能少，而且應(yīng)便于進(jìn)行在線(xiàn)實(shí)際水位信號(hào)的保護(hù)聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)等。2、鍋爐汽包水位特性及控制湛切母nl3*，博下峰圖1鍋爐汽水系統(tǒng)原理圖2.1鍋爐汽包水位特性鍋爐汽包水位自動(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?zhàn)o(hù)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(guò)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

6、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(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)節(jié)提出了迫切的要求。汽包 水位不僅受汽包中儲(chǔ)水量的影響，亦受水位下汽泡容積的影響。而水位下汽泡容積與鍋爐的 負(fù)荷、蒸汽壓力、爐膛熱負(fù)荷等有關(guān)。因此，影響水位變化的因素很多，其中主要是鍋爐蒸 發(fā)量即蒸汽流量D和給水流量W。2.2汽包水位在給水流量W作用下的動(dòng)態(tài)特性圖2是鍋爐汽包水位在給水流量作用下，水位的階躍響應(yīng)曲線(xiàn)。把汽包水位看作單容量 無(wú)自衡過(guò)程，水位的階躍響應(yīng)曲線(xiàn)如圖中的Hl線(xiàn)。圖2給水流量作用

7、下水位階躍響應(yīng)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，從原有飽和水中吸 收部分熱量，這使得水位下汽泡容積有所減少，當(dāng)水位下汽泡容積的變化過(guò)程逐漸平衡時(shí)， 水位的變化就完全反映了由于汽包中儲(chǔ)水量的增加而逐漸上升。因此，實(shí)際水位曲線(xiàn)如圖中 的萬(wàn)線(xiàn)，即當(dāng)給水量作階躍變化后，汽包水位一開(kāi)始不立即增加，而要呈現(xiàn)出一段起始慣性 段。用傳遞函數(shù)表示時(shí)，它近似于一個(gè)積分環(huán)節(jié)和時(shí)滯環(huán)節(jié)的串聯(lián)。系統(tǒng)特性可表示為 ：G1(s)=k1S (T S + 1) n12-1式中K1反應(yīng)速度，即給水流量改變單位流量時(shí)水位的變化速度，單位為毫米/秒或(噸 /小時(shí))。從式2-1可知，汽包水位在給水流量作用下的

8、動(dòng)態(tài)特性由一個(gè)積分環(huán)節(jié)和一個(gè)滯后 環(huán)節(jié)所組成，Kl、T1的數(shù)值可通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試求得，數(shù)值的大小同鍋爐的結(jié)構(gòu)有關(guān)。有些鍋爐 當(dāng)給水量增加時(shí)，在較長(zhǎng)的一段時(shí)間里，汽包水位并不增加，有一較長(zhǎng)的起始慣性段，對(duì)于 這種鍋爐用式2-1來(lái)表示它的動(dòng)態(tài)特性，誤差較大，這時(shí)可選用下面近似計(jì)算：2-2式中，T 一給水量擾動(dòng)后的純滯后時(shí)間，對(duì)非沸騰式省煤器的鍋爐，T這時(shí)為30至 100秒;對(duì)于沸騰式省煤器的鍋爐，T為100至200秒;K0水位的反應(yīng)速度。給水溫度越低， 時(shí)滯T亦越大。由此可見(jiàn)，汽包水位調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性可以有二種形式:反應(yīng)曲線(xiàn)變化最 快的可用式(2-1)表示，這時(shí)的動(dòng)態(tài)特性可以等效為一個(gè)積分環(huán)節(jié)和一個(gè)

9、慣性環(huán)節(jié)相串聯(lián)；另 外也可用式(2-2)表示，相當(dāng)于一個(gè)積分環(huán)節(jié)和一個(gè)純滯后環(huán)節(jié)的串聯(lián)。對(duì)于不同的鍋爐設(shè)備， 究竟采用何種形式的傳遞函數(shù)來(lái)表示它的動(dòng)態(tài)特性，還要根據(jù)具體條件來(lái)定，原則是:表達(dá)特中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 性最符合實(shí)際情況、傳遞函數(shù)式盡可能地簡(jiǎn)單?？傊徽{(diào)節(jié)對(duì)象在給水量作用下， 具有純遲延和慣性，無(wú)自衡能力。具體特性可用二種形式來(lái)描述，究竟采用何種形式，可根 據(jù)鍋爐結(jié)構(gòu)和汽化強(qiáng)度來(lái)定。2.3汽包水位在蒸汽流量D擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性在蒸汽流量刀擾動(dòng)作用下，水位的階躍響應(yīng)曲線(xiàn)如圖3所示。當(dāng)蒸汽流量突然增加，從 鍋爐的物料平衡關(guān)系看，蒸汽流量D大于給水量磯水位應(yīng)下降，如圖中曲線(xiàn)H1。但

10、實(shí)際并非 如此，由于蒸汽用量增加，瞬間導(dǎo)致汽包壓力的下降。汽包內(nèi)水的沸騰突然加劇，水中汽泡 迅速增加，由于汽泡容積增加而使水位變化的曲線(xiàn)如圖中的H2線(xiàn)。因此，實(shí)際的水位曲線(xiàn)為 H1+H2，即為圖中的H。從圖中可以看出，當(dāng)蒸汽負(fù)荷增加時(shí)，水位不僅不下降反而上升，然 后再下降（反之，蒸汽流量突然減少時(shí)，則水位先下降，然后再上升），這種現(xiàn)象稱(chēng)之為“虛 假水位”。當(dāng)汽水混合物中汽泡容積與負(fù)荷相適應(yīng)達(dá)到穩(wěn)定后，水位才反映出物料的不平衡， 開(kāi)始下降。應(yīng)該指出，當(dāng)負(fù)荷階躍改變時(shí)，水面下汽泡容積變化引起的水位變化是很快的， 圖2.2中H2的時(shí)間常數(shù)只有1020秒。蒸汽流量擾動(dòng)時(shí)，水位變化的動(dòng)態(tài)特性可表示為：G

11、2( s)=H (s)=七 * k 2D (s) S (T S + 1) n2-3式中，Kf 一一響應(yīng)速度，即蒸汽流量變化單位流量時(shí)，水位的變化速度，單位為毫米/ 秒或（噸/小時(shí)）。K2 一一響應(yīng)曲線(xiàn)玩的放大系數(shù)T2 一一響應(yīng)曲線(xiàn)的時(shí)間常數(shù)圖3蒸汽流量擾動(dòng)下水位階躍響應(yīng)“虛假水位”變化的幅度與鍋爐的汽壓與蒸汽量有關(guān)，對(duì)于一般100 一 230噸/小時(shí)的中 高壓鍋爐，如負(fù)荷階躍變化10%時(shí)，“虛假水位”現(xiàn)象可使水位變化達(dá)30 一 40毫米。由于“虛中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 假水位”現(xiàn)象屬于反向特性，其出現(xiàn)的水位最大偏差很難依靠調(diào)節(jié)來(lái)克服，如果要求水位波 動(dòng)不能太大，只有限制負(fù)荷D的變化速度或限制負(fù)

12、荷一次變化量。由此可見(jiàn)，汽包水位調(diào)節(jié) 對(duì)象在蒸汽流量擾動(dòng)下，非但沒(méi)有自平衡能力，而且存在著“虛假水位”現(xiàn)象，“虛假水位” 的變化速度很快，變化幅度與蒸發(fā)量擾動(dòng)大小成正比，也與壓力變化速度成正比，在設(shè)計(jì)調(diào) 節(jié)系統(tǒng)時(shí)必須考慮。在蒸汽負(fù)荷不變而給水流量變化的情況下，汽包水位的動(dòng)態(tài)微分方程可以表示為：T 丁 d2 h 丁 dH 丁 du 1 2 dt 1 dt W dt W W對(duì)上式進(jìn)行拉普拉斯變換，可得：TT s2H (s) + T sH (s) = -(T U (s) + K U (s)1 21D DD D于是，我們得到汽包水位在給水流暈作用下的傳遞函數(shù)：g ( s ) = Q = K U (S)

13、 TS (T S + 1)對(duì)于中壓(蒸汽壓力2.0MPa)以下鍋爐，Tw一般較小，可以忽略不計(jì)。故上式可以化簡(jiǎn) 為：可以簡(jiǎn)化為：G (S)=KWS (T S + 1)2.4單沖量控制方式單沖量水位控制方式原理圖及方框圖如圖5所示。它是汽包水位自動(dòng)調(diào)節(jié)中最簡(jiǎn)單、最 基本的一種形式。它引入汽包水位作為反饋量，是典型的單回路定值控制系統(tǒng)。此方式將水 位測(cè)量信號(hào)經(jīng)變送器送到水位調(diào)節(jié)器，水位調(diào)節(jié)器根據(jù)水位測(cè)量值與給定值的偏差去控制給 水閥門(mén)，改變給水量來(lái)保持汽包水位在允許的操作范圍內(nèi)。這種控制方式，在停留時(shí)間較長(zhǎng)， 負(fù)荷也比較穩(wěn)定的場(chǎng)合，再配上一些聯(lián)鎖報(bào)替裝置，也可以保證安全操作.但在停留時(shí)間較短， 負(fù)

14、荷變化較大時(shí)，采用此方式就不合適。這是由于：負(fù)荷變化時(shí)產(chǎn)生的“虛假水位”，將使調(diào)節(jié)器反向錯(cuò)誤動(dòng)作，負(fù)荷增大時(shí)反向關(guān)小給水調(diào) 節(jié)閥，一到閃急汽化平息下來(lái)，將使水位嚴(yán)重下降，波動(dòng)很大，動(dòng)態(tài)品質(zhì)很差。負(fù)荷變化時(shí)，控制作用緩慢。即使“虛假水位”現(xiàn)象不嚴(yán)重，從負(fù)荷變化到水位下降要 有一個(gè)過(guò)程，再由水位變化到閥動(dòng)作己滯后一段時(shí)間。如果水位過(guò)程時(shí)間常數(shù)很小，偏差必 然相當(dāng)顯著。（3）給水系統(tǒng)出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，閥門(mén)動(dòng)作緩慢。假定給水泵的壓力發(fā)生變化，進(jìn)水流量立即變化， 然而到水位發(fā)生偏差而調(diào)節(jié)閥動(dòng)作，同樣不夠及時(shí)。總之，單沖量汽包水位調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)是： 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在汽包容量比較大、水位在受到擾動(dòng)后的反應(yīng)速度比較慢、

15、“假水位”現(xiàn)象不 很?chē)?yán)重的場(chǎng)合，采用單沖量水位調(diào)節(jié)是能夠滿(mǎn)足生產(chǎn)要求的。3、儀表的選型3.1單沖量連續(xù)給水調(diào)節(jié)儀SZD-S-4（豎式）系列單沖量連續(xù)給水調(diào)節(jié)儀是最新研制的給水調(diào)節(jié)儀，體積小，具有報(bào) 警消音功能、數(shù)字顯示、雙色雙光柱顯示等。應(yīng)用于1 35T/h，壓力2.5Mpa各類(lèi)鍋爐爐筒 水位指示和控制，具有水位高、低、和危低極限聲光報(bào)警及觸點(diǎn)輸出，手動(dòng)、自動(dòng)切換，和 電動(dòng)執(zhí)行器配套使用，能實(shí)現(xiàn)鍋爐連續(xù)給水調(diào)節(jié)（儀表內(nèi)含伺服放大器），維持鍋爐水位正常， 延長(zhǎng)鍋爐使用壽命，是安全生產(chǎn)的自控儀表。3.2液位差壓變送器差壓變送器的基本原理是、將一個(gè)空間用敏感元件（多用膜盒）分割成兩個(gè)腔室，分別 向兩

16、個(gè)腔室引入壓力時(shí)，傳感器在兩方壓力共同作用下產(chǎn)生位移（或位移的趨勢(shì)），這個(gè)位移 量和兩個(gè)腔室壓力差（差壓）成正比，將這種位移轉(zhuǎn)換成可以反映差壓大小的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出。4、單沖量單回路控制系統(tǒng)單沖量水位控制系統(tǒng)以汽包水位作為唯一的控制信號(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)節(jié)器，調(diào)節(jié)器根據(jù)汽包水位測(cè)量值只與給定值H0的偏差，通過(guò)執(zhí)行器去控制 給水調(diào)節(jié)閥以改變給水量，保持汽包水位在允許的范圍內(nèi)，其原理結(jié)構(gòu)如圖所示。圖4鍋爐工藝流程圖根據(jù)鍋筒水位特性，選取汽包液位是被控變量，蒸汽流量和給水流量是沖量信號(hào)，通過(guò)控制給水量來(lái)使鍋筒水位維持在滿(mǎn)足負(fù)荷需求的高度,一旦蒸汽流量或給水流量發(fā)生波動(dòng)，加法器

17、立即改變調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度進(jìn)行校正，提高被調(diào)參數(shù)液位的調(diào)節(jié)精度?？刂品娇驁D:圖5控制方框圖可見(jiàn)，它根據(jù)當(dāng)前鍋筒水位來(lái)確定給水量，是一個(gè)單回路控制系統(tǒng)。當(dāng)蒸汽用量突然增 加時(shí)，應(yīng)該加大給水量以滿(mǎn)足負(fù)荷需求；但是由于假水位現(xiàn)象，導(dǎo)致控制器會(huì)先減小給水量 來(lái)抑制瞬間的水位升高，隨著假水位消失，鍋筒水位會(huì)在負(fù)荷增加和給水量減少的雙重作用 下，產(chǎn)生嚴(yán)重的水位下降，甚至發(fā)生危險(xiǎn)。因此，該控制方案不適用于負(fù)荷變動(dòng)較大的情況。5、控制系統(tǒng)仿真5.1各個(gè)環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)及各個(gè)參數(shù)的確定小型鍋爐如35t/h，為維持鍋爐液位范圍在15-35mm內(nèi)穩(wěn)定進(jìn)行，維持蒸汽壓力在 1.2-1.3MPa，蒸汽壓力的范圍波動(dòng)0.1MPa，

18、具體設(shè)置參數(shù)值為:根據(jù)本文所控制的水位被控對(duì)象的數(shù)據(jù)，給水量的時(shí)間常數(shù)T2定為15min，T1=1min，斗.20 - 4丸GLM = 土 = 5的數(shù)學(xué)模型為：K0=100mm，汽包水位變化范圍在水位變送器的電流范圍4-20mA，所以水位變送器的比例系數(shù)放大系數(shù)為2。調(diào)節(jié)閥的比例系數(shù)為：Kw = 2。因此水位被控對(duì)象0.1KWS (T S + 1) S (15 S + 1)05.2matlab 仿真PID參數(shù)整定，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)試湊法液位控制只需比例P控制調(diào)節(jié)即可。對(duì)于外界干擾作用 較頻繁的系統(tǒng)，更合適。ft untitled 土 口| 回圖6系統(tǒng)仿真連接圖根據(jù)調(diào)節(jié)器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)P取15,下面從5開(kāi)始試值進(jìn)行整定。圖7當(dāng)P=5時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)曲線(xiàn)圖50100150200圖8當(dāng)P=3時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)曲線(xiàn)圖圖7、圖8曲線(xiàn)超調(diào)量太大，超出了鍋爐液位波動(dòng)范