鍋爐汽包水位設(shè)計

1、鍋爐汽包水位設(shè)計目錄 第1章 緒論 11.1 鍋爐汽包水位自動控制的意義 11.2 鍋爐液位控制的難點 1第2章 方案論證 22.1 單沖量控制系統(tǒng) 22.2 雙沖量控制系統(tǒng) 22.3 三沖量控制系統(tǒng) 2第3章 硬件設(shè)計 53.1 液位變送器的選擇 53.2 壓力傳感器/變送器 63.3 控制器的選擇 63.4 執(zhí)行器的選擇 73.5 控制器的作用方式 83.6 閥的開閉選擇形式 8第4章 軟件設(shè)計 94.1 PID對控制的影響 94.2 PID控制器的參數(shù)整定 94.3 鍋爐汽包水位的三沖量串級PID控制系統(tǒng)仿真 11第5章 總結(jié) 14參考文獻 15 第1章 緒論 1.1 鍋爐汽包水位自動控

2、制的意義鍋爐汽包水位自動調(diào)節(jié)的任務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)是保證鍋護和汽輪機安全運行的必要條件，也是鍋爐正常運行的主要指標之一。水位過高，會影響汽包內(nèi)汽水分離效果，使汽包出口的飽和蒸汽帶水增多，蒸汽帶水會使汽輪機產(chǎn)生水沖擊，引起軸封破損、葉片斷裂等事故。同時會使飽和蒸汽中含鹽量增高，降低過熱蒸汽品質(zhì)，增加在過熱器管壁和汽輪機葉片上的結(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，嚴重時會造成爆炸事故。這些后果都是十分嚴重的。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

3、此對汽包水位實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)提出了迫切的要求。 1.2 鍋爐液位控制的難點液位的控制技術(shù)是通過控制進水或出水閥門的開度，改變水流量來實現(xiàn)的，而水溫的控制是通過調(diào)節(jié)加熱的功率來實現(xiàn)的。鍋爐液位的控制是鍋爐控制系統(tǒng)較為重要和比較難于控制的一項。由于在鍋爐運行過程中存在進水量和出水量的變化，所以很難通過調(diào)整PID控制器參數(shù)來滿足所有的運行條件，獲得理想的控制效果。調(diào)整過量會導致流量回路動作頻繁，從而給下游設(shè)備帶來了額外的干擾。這樣就導致液位控制器通常處于欠調(diào)正狀態(tài)允許液位在一定范圍內(nèi)波動，以減小出水量的變化。然而，欠調(diào)正的PID不能及時抑制大擾動，這就可能引起鍋爐運行的安全問題。另外，液位的波動也會破壞

4、鍋爐運行過程的穩(wěn)定，使得蒸汽輸送等不易控制。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料量。各變量都有各自不同的擾動。較冷的給水造成相應的純滯后。蒸汽流出量的突然增加造成了典型的“假水位”現(xiàn)象，使得過程暫時改變了方向，容易產(chǎn)生誤操作而導致發(fā)生事故。第2章 方案論證鍋爐汽包水位的控制方案：根據(jù)鍋爐汽包水位特性，選取鍋爐汽包水位為被控量，給水流量為控制量，蒸汽流量和給水流量為干擾量，通過控制給水量來使鍋爐汽包水位維持在滿足負荷需求的高度。同時，為保證鍋爐安全生產(chǎn)，調(diào)節(jié)節(jié)水量的執(zhí)行機構(gòu)選取氣關(guān)式。 2.1 單沖量控制系統(tǒng)所謂單沖量就是指鍋爐汽包水位為被控參數(shù)，給水量作為控制變量可構(gòu)

5、成的單回路控制系統(tǒng)，如圖2-1所示。當蒸汽用量突然增加時，應該加大給水量以滿足負荷需求；但是由于假水位現(xiàn)象，導致控制器會先減小給水量來抑制瞬間的水位升高，隨著假水位消失，汽包水位會在負荷增加和給水量減少的雙重作用下，產(chǎn)生嚴重的水位下降，甚至發(fā)生危險。對于小型鍋爐，由于蒸汽負荷變化時假水位的現(xiàn)象不明顯，如果再配上一些聯(lián)鎖報警裝置，這種單沖量控制系統(tǒng)能滿足要求。對于負荷變動較大的大，中型鍋爐，單沖量控制系統(tǒng)不能保證水位穩(wěn)定，難以滿足水位控制要求和生產(chǎn)安全。因此，該控制方案不適用于負荷變動較大的情況。 2.2 雙沖量控制系統(tǒng)蒸汽流量是影響汽包水位最主要的擾動，也是造成假水位的主要因素。如果將蒸汽流量

6、這一可測不可控的干擾作為前饋引入單沖量系統(tǒng)，就可以有效避免假水位引起的誤動作，并及時控制水位，減小水位波動。由此，構(gòu)成如圖2.2所示的雙沖量控制系統(tǒng)，其本質(zhì)為前饋-反饋復合控制系統(tǒng)，即給水量不僅取決于汽包水位，還受到蒸汽用量影響。可見，該控制方案能有效適應負荷需求變化，但對給水系統(tǒng)中的水壓等干擾因素造成的波動不能及時抑制。 2.3 三沖量控制系統(tǒng)為進一步改善控制品質(zhì)，引入給水流量信號，構(gòu)成三沖量控制系統(tǒng)，如圖2.3所示。所謂三沖量，值得是引入了三個測量信號：汽包水位、給水流量和蒸汽流量。三沖量控制本質(zhì)上時前饋-串級復合控制系統(tǒng)：主回路實現(xiàn)水位調(diào)節(jié)，副回路使給水流量能適應負荷和水位要求。在穩(wěn)定狀

7、態(tài)下,液位測量信號為給定值，液位調(diào)節(jié)器的輸出，蒸汽流量及給水流量三個信號通過加法器得到輸出電流。若在某一時刻，蒸汽負荷突然增加，蒸汽流量變送器的輸出電流增加，加法器的輸出電流減少，從而會開大給水調(diào)節(jié)閥，與此同時出現(xiàn)了虛假液位現(xiàn)象，液位調(diào)節(jié)器輸出電流將增大。由于進入加法器的兩個信號相反，蒸汽流量變送器的輸出電流會抵消一部分虛假液位輸出電流，所以虛假液位所帶來的影響將局部或全部被抵消。待虛假液位過去,水位開始下降，液位調(diào)節(jié)器輸出電流開始減小，此時它與蒸汽流量信號變化的方向相反，因此加法器的輸出電流減小，此時要求增加給水量以適應新的負荷需要并補充液位的不足。調(diào)節(jié)過程進行到液面重新穩(wěn)定在給定值，給水量

8、和蒸發(fā)量達到新的平衡為止。當蒸汽負荷不變，給水量本身因壓力波動而變化時，加法器的輸出相應變化，調(diào)節(jié)閥門開度直至給水量恢復到所需的數(shù)值為止。由于引進了蒸汽流量和給水流量兩個輔助沖量，起到了“超前信號”的作用，使給水閥一開始就向正確的方向移動，因而可減小液位的波動幅度，抵消虛假液位的影響，并可縮短過渡過程時間。圖2.4為三沖量液位調(diào)節(jié)方框圖。三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)能及時克服負荷(蒸汽量)和給水流量的干擾作用，調(diào)節(jié)精度較高，適用于汽包容積較小、負荷和給水干擾較大的場合。目前已得到了應用，實踐證明效果良好。 蒸汽流量D 給水 水位給定值 流量 + + 圖2.5 三沖量液位控制系統(tǒng)框圖 第3章 硬件設(shè)計 3.1

9、 液位變送器的選擇選擇TK3051L液位變送器，如圖3.1(1)工作原理：工作時高低壓側(cè)的隔離膜片和灌充液將過程壓力傳給灌充液，接著灌充液將壓力傳遞到傳感器中心的傳感膜片上。傳感膜片是一個張緊的彈性元件，其位移隨所受壓而變化（對于GP表壓變送器，大氣壓如同施加在傳感膜片上的低壓側(cè)一樣）。AP絕壓變送器，低壓側(cè)始終保持一個參考壓力。傳感膜片的最大位移量為0.004英寸（0.1毫米），且位移量與壓力成正比。兩側(cè)的電容板極檢測傳感膜片的位置。傳感膜片和電容極板之間電容的差值被轉(zhuǎn)換為相應的電流，電壓或數(shù)字HART（高速可尋址遠程發(fā)送器數(shù)據(jù)公路）輸出信號。(2)特點：完整的變送系列；測量范圍：0-0.5

10、inH20至6000psig；結(jié)構(gòu)小巧、堅固、抗震；模塊化結(jié)構(gòu)；阻尼可調(diào)；多種選項，量應用靈活；智能，模擬或低耗電路；電氣連接及安裝：配有多種過程連接器和安裝法蘭a 液位測量精度達0.075%b 校驗量程從2.5inH20至8310inH20c 平面式，2-，4-，與6英寸伸出式膜片d 多種可選灌充液，可滿足不同場合要求e 小巧而質(zhì)輕，易于安裝與維護f 接液件材料：不銹鋼，哈氏合金鉭 圖3.1 TK3051L液位變送器 3.2 壓力傳感器/變送器PTH501/502/503/504壓力傳感器/變送器采用全不銹鋼封焊結(jié)構(gòu)，具有良的防潮能力及優(yōu)異的介質(zhì)兼容性。廣泛用于工業(yè)設(shè)備、水利、化工、醫(yī)療、電

11、力、空調(diào)、金剛石壓機、冶金、車輛制動、樓宇供水等壓力測量與控制量 程: -0.101150(MPa)綜合精度: 0.1%FS、0.2%FS、0.5%FS、1.0%FS輸出信號: 420mA(二線制)、05V、15V、010V(三線制)供電電壓: 24DCV(936DCV)介質(zhì)溫度: -2085150環(huán)境溫度: 常溫(-2085)負載電阻: 電流輸出型：最大800；電壓輸出型：大于50K絕緣電阻: 大于2000M (100VDC密封等級: IP65長期穩(wěn)定性能: 0.1%FS/年振動影響: 在機械振動頻率20Hz1000Hz內(nèi)，輸出變化小于0.1%FS電氣接口(信號接口): 四芯屏蔽線、四芯航空

12、接插件、緊線螺母機械連接(螺紋接口): 1/2-20UNF、M14×1.5、M20×1.5、M22×1.5等，其它螺紋可依據(jù)客戶要求設(shè)計 圖3.2 壓力傳感器/變送器 3.3 控制器的選擇采用上海萬訊儀表有限公司生產(chǎn)的AI系列全通用人工智能調(diào)節(jié)儀表，其中SA-12智能調(diào)節(jié)儀控制掛件為AI-818，SA-13智能位式調(diào)節(jié)儀為AI-708型。AI-818型儀表為PID控制型，輸出為420mADC信號。AI-708型儀表為位式控制型，輸出為繼電器觸點型開關(guān)信號。AI系列儀表通過RS485串口通信協(xié)議與上位計算機通訊，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的實時監(jiān)控。AI儀表常用參數(shù)設(shè)置：CtrL

13、： 控制方式。CtrL=0，采用位式控制；CtrL=1，采用AI人工智能調(diào)節(jié)/PID 調(diào)節(jié)；CtrL=2，啟動自整定參數(shù)功能；CtrL=3；自整定結(jié)束。Sn：輸入規(guī)格。Sn=21，Pt100熱電阻輸入；Sn=32,0.21VDC電壓輸入； Sn=33,15VDC電壓輸入。DIL：輸入下顯示值，一般DIL=0.DIH：輸入上限顯示值。輸入為液位信號時，DIH=50；輸入為熱電阻信號時， DIH=100；輸入為流量信號時，DIH=100.OPI：輸出方式，一般為420mA線性電流輸出。CF：系統(tǒng)功能選擇。CF=0為內(nèi)部給定，反作用調(diào)節(jié)；CF=1為內(nèi)部給定，正作用 調(diào)節(jié)；CF=8為外部給定，反作用調(diào)

14、節(jié)；CF=9為外部給定，正作用調(diào)節(jié)。Addr：通訊地址。單回路實驗Addr=1；串級實驗主控Addr=1；副控為Addr=2； 三閉環(huán)實驗主控為Addr=1，副控為Addr=2，內(nèi)環(huán)為Addr=3。實驗中各 儀表通訊地址不允許相同。P、I、D參數(shù)可根據(jù)實驗需要調(diào)整。 圖3.3 智能調(diào)節(jié)儀表3.4 執(zhí)行器的選擇 RZXP型新系列氣動調(diào)節(jié)閥采用頂導向結(jié)構(gòu)，配用多彈簧執(zhí)行機構(gòu)。具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、動作靈敏、充體通道呈S流線型、壓降損失小、閥容量大、流量特性精確、拆裝方便等優(yōu)點。廣泛應用于精確控制氣體、液體等介質(zhì)，氣動調(diào)節(jié)閥的工藝參數(shù)如壓力、流量、溫度、液位保持在給定值。特別適用于允許泄漏量小閥前后

15、壓差不大的工作場合。 本系列產(chǎn)品的標準型、調(diào)節(jié)切斷型、波紋管密封型、夾套保溫型等多種品種。產(chǎn)品公稱壓力等級有PN10、16、40、64；閥體口徑范圍DN20200。適用流體溫由-200560范圍內(nèi)多種檔次。泄漏量標準有IV級或VI級。流量特性為線 性或等百分比。多種多樣的品種規(guī)格可供選擇。 圖3.4 RZXP型新系列氣動調(diào)節(jié)閥 3.5 控制器的作用方式當設(shè)定值不變時，隨著測量值的增加，調(diào)節(jié)器的輸出也增加，則稱為“正作用”方式；當測量值不變時，設(shè)定值減小時，調(diào)節(jié)器輸出也增加，稱為“正作用”方式；如果測量值增加或設(shè)定值減小時，調(diào)節(jié)器輸出減小，則稱為“反作用”方式。經(jīng)分析此系統(tǒng)為正作用方式。 3.6

16、 閥的開閉選擇形式關(guān)于給水調(diào)節(jié)閥的氣開氣關(guān)的選擇，一般都是從安全角度考慮的，人員安全、生產(chǎn)安全、系統(tǒng)設(shè)備安全的需要為首要依據(jù)。由于工業(yè)生產(chǎn)過程的調(diào)節(jié)閥絕大部分為氣動調(diào)節(jié)閥，所以要選擇調(diào)節(jié)閥的氣開氣關(guān)方式。鍋爐給水調(diào)節(jié)閥一般采用氣關(guān)式，一旦事故發(fā)生，系統(tǒng)失控，供水調(diào)節(jié)閥處于全開位置，是鍋爐不致因給水中斷燒壞，避免爆炸等事故的發(fā)生。第4章 軟件設(shè)計 4.1 PID對控制的影響 （1）比例P調(diào)節(jié) 在P調(diào)節(jié)中，調(diào)節(jié)器的輸出信號與偏差信號成比例，即 。 。比例調(diào)節(jié)是有差調(diào)節(jié)，比例調(diào)節(jié)的殘差隨著比例帶的加大而加大 稱為比例帶，其中KP為比例系數(shù)。人們希望盡量減小比例帶，然而，減小比例帶就等于加大調(diào)節(jié)系統(tǒng)的

17、開環(huán)增益，其后果是導致系統(tǒng)的激烈振蕩甚至不穩(wěn)定。穩(wěn)定性是任何閉環(huán)系統(tǒng)的首要要求，比例帶的設(shè)置必須保證系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定裕度。比例帶具有一個臨界值，此時系統(tǒng)處于穩(wěn)定邊界的情況，進一步減小比例帶系統(tǒng)就不穩(wěn)定了。 （2）積分I調(diào)節(jié)在I調(diào)節(jié)中，調(diào)節(jié)的輸出信號的變化速度 與偏差信號e成正比，即 稱為積分速度，其中TI為積分時間常數(shù)。增大積分速度將會降低控制系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，直至出現(xiàn)發(fā)散的振蕩過程。I調(diào)節(jié)是無差調(diào)節(jié)，只有當被調(diào)量偏差為零時，I調(diào)節(jié)的輸出才保持不變。I調(diào)節(jié)的穩(wěn)定作用比P調(diào)節(jié)差,如果只采用I調(diào)節(jié)不可能得到穩(wěn)定的系統(tǒng)，且振蕩頻率較低。 （3）微分D調(diào)節(jié)D調(diào)節(jié)中的輸出與被調(diào)量或其偏差對于時間的導數(shù)成

18、正比，即 。TD為微分時間。微分的作用在于改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。單純的微分調(diào)節(jié)器是不能工作的。因此微分調(diào)節(jié)只能起輔助的調(diào)節(jié)作用，與P結(jié)合PD或與PI構(gòu)成PID調(diào)節(jié)?？傊琍ID控制器中，比例環(huán)節(jié)主要減少偏差；積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度；微分調(diào)節(jié)能加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。 4.2 PID控制器的參數(shù)整定控制器的參數(shù)整定對系統(tǒng)的控制質(zhì)量起到了決定性的作用。確定控制器最佳過渡過程中的比例帶，積分時間TI和微分時間TD的數(shù)值稱為控制器參數(shù)整定?？刂破鲄?shù)整定的方法，在工程上常用的有以下幾種工程整定法。（1）經(jīng)驗法：其整定參數(shù)的順序是，先整定比例帶，待過渡過程穩(wěn)定后再加入積分作用

19、以消除余差，最后加入微分，以加快過渡過程，進一步提高控制質(zhì)量。PID控制器的經(jīng)驗法整定：先將TD置為0，置TI為，先整定比例帶使之達到4：1衰減過程，然后將比例帶放大（10%-20%），而積分時間TI由大到小逐步加入，直至達到4：1的衰減過程，然后將比例帶減小到比原值?。?0%-20%）的位置，而積分時間也適當減小，再把TD由小到大加入，觀察曲線，直到滿意的過程為止。（2）穩(wěn)定邊界法：這是一種閉環(huán)的整定方法。具體步驟如下：置控制器積分時間逐漸減小比例帶，直到系統(tǒng)出現(xiàn)等幅振蕩，即臨界振蕩過程如圖4.1。錄此時的臨界比例帶K及兩個波峰的時間TK利用K和TK值，按穩(wěn)定邊界法計算表給出的相應公式求出控

20、制器的穩(wěn)定參數(shù)、TI、TD。（3）衰減曲線法：它是在經(jīng)驗法和穩(wěn)定邊界潛藏顧慮，針對它們的不足，反復實驗而得出的一種參數(shù)整方法。具體步驟如下：將控制器積分時間TI為最大值，微分時間為0，在純比例作用下，系統(tǒng)試運行。待系統(tǒng)穩(wěn)定后，作設(shè)定值階躍擾動，并觀察系統(tǒng)響應如圖4.1。若系統(tǒng)響應衰減太快，則減小比例帶，反之，則增大比例帶。直到系統(tǒng)出現(xiàn)4：1的衰減振蕩過程，記下此時的比例帶和TS的數(shù)值。利用4：1衰減整定參數(shù)表求得控制器的PID數(shù)值。將比例帶放到比計算值大一些的數(shù)值上，然后把積分時間按計算值加入，再把微分時間加入，最后把比例帶減小到計算值，觀察過渡過程曲線，調(diào)整到滿意的結(jié)果。圖4.1 4.3 鍋

21、爐汽包水位的三沖量串級PID控制系統(tǒng)仿真1、試驗得到下列近似傳遞函數(shù)及系數(shù)（1）給水流量的傳遞函數(shù)： (3-14) （2）蒸汽流量的傳遞函數(shù)： (3-15) （3）變送器的比例系數(shù)：水位變化范圍為±50mm，水位變送器的電流變化為0-10mA，所以水位變送器 的比例系數(shù)為： 給水流量和蒸汽流量變送器的比例系數(shù)為： 。 2、通過估算及仿真實驗得到：根據(jù) ，給水流量信號和蒸汽流量信 號的分流系數(shù)為：0.21。 PID控制器的參數(shù)采用逐步逼近法，通過仿真實驗得到： （1）主控制器的PID參數(shù)為： （2）副控制器的PID參數(shù)為： 3、汽包水位三沖量串級PID控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)如圖4.1所示，在水位傳遞函數(shù)為 仿真結(jié)果如 圖4.2所示。在水位傳遞函數(shù)為 的仿真結(jié)果如圖4.3所4、汽包水位雙沖量PID控制系統(tǒng)若汽包水位采用雙沖量單級PID控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)如圖3-18所示。對其在無、有干擾情況下進行仿真。仿真結(jié)果與三沖量PID進行比較如圖3-19、3-20所示。 從控制系統(tǒng)仿真曲線圖可以看出（1）采用PID控制器，系統(tǒng)的靜態(tài)特性較好（2）三沖量控制與雙沖量，采用三沖量系統(tǒng)對干擾有很好有控制能力（3）串級系統(tǒng)對系統(tǒng)內(nèi)的干擾有較強的控制能力。（4）當對象參數(shù)發(fā)生改變時，系統(tǒng)發(fā)生巨大響應，超調(diào)量明顯變大，上升時間變長，系統(tǒng)振蕩加劇，可以看