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1、毕业设计-汽包锅炉给水水位自动控制系统的设计 目录 引言 (1) 第一章第一章给水控制系统的动态特性 (3) 1.1锅炉给水控制系统的任务 (3) 1.2 给水控制对象和各种扰动下水位变化的动态特性 (3) 1.2.1 给水控制对象的动态特性 (3) 1.2.2 各种扰动下水位的动态特性 (5) 第二章给水自动控制系统的基本要求和基本结构 (9) 2.1 给水控制系统的基本要求 (9) 2.2 给水控制系统的基本结构及分析 (9) 2.2.1 单冲量给水控制系统 (9) 2.2.2 前馈-反馈三冲量给水控制系统 (10) 2.2.3 串极三冲量给水控制系统分析 (16) 第三章给水控制系统的无
2、扰切换 (20) 3.1 测量信号的自动校正 (20) 3.1.1 水位信号的压力校正 (20) 3.1.2 过热蒸汽气流信号的压力、温度校正 (22) 3.1.3 给水流量信号的温度校正 (23) 3.2 给水控制系统的切换 (24) 3.2.1 给水流量测量装置切换系统 (24) 3.2.2 大小给水调节阀门的切换 (28) 3.2.3 系统的无扰切换 (29) 第四章系统的参数整定及MATLAB仿真 (32) 4.1 控制系统的参数整定方法 (32) 4.1.1 广义频率特性法 (32) 4.1.2 工程整定法 (33) 4.2 调节器的选取 (35) 4.3 参数整定及MATLAB仿真
3、 (36) 4.3.1 单冲量调节系统的参数整定及MATLAB仿真 (36) 1 4.3.2 串级三冲量调节系统的参数整定 (37) 4.3.3 整个系统和各种扰动量下的SIMULINK结构图和仿真图 (41) 结论 (45) 参考文献 (46) 谢辞 (47) 2 引言 自动控制技术在工程和科学发展中起着极为重要的作用，在火电厂的生产过程中也采用了自动控制技术。在火电厂的生产过程中采用的热工自动控制系统，是伴随着社会对电能需求的日益增加、单机容量的日益扩大和自动控制技术在火力发电厂中应用的深度与广度与日俱增而逐步发展起来的。 电厂热工自动化水平的高低是衡量电厂生产技术的先进与否和企业现代化的
4、重要标志。其中，汽包锅炉给水及水位的调节已经完全采用自动的方式加以控制，在不需要操作人员干预的情况下，可以很好的完成生产过程中的给水及水位控制，大大提高了生产效率。汽包锅炉给水控制系统的任务是使给水量适应锅炉蒸发量，并使汽包中水位保持在一定的范围内。只有保证汽包水位的波动在允许范围内，才能实现机组安全经济运行。因此，汽包水位是影响整个机组安全经济运行的重要因素，所以就要有一套较好的控制方案，来实现汽包水位的控制。 从传统的控制方式来看，它们要么系统结构简单成本低，却不能有效的控制锅炉汽包“虚假水位”现象，要么能够在一定程度上控制“虚假现象”，系统却过于复杂，成本投入过大。目前工业控制急需一种系
5、统简单，并且能够控制“虚假水位”，具有高性价比的控制系统。汽包锅炉的给水调节系统有三种基本结构：单冲量调节系统结构、单级三冲量调节系统结构、串级三冲量调节系统结构，低负荷阶段，由于疏水和锅炉排污等因素的影响，给水和蒸汽流量存在着严重的不平衡，而且流量太小时，测量误差大，故在低负荷阶段，很难采用三冲量调节方式，一般均采用单冲量调节方式。负荷达到一定值以上时，疏水和排污阀逐渐关闭，汽、水趋于平衡，流量逐渐增大，测量误差逐渐减小，这时原则上可采用三冲量调节方式。但由于单级三冲量调节系统要求蒸汽流量和给水流量信号在稳态时必须相等，否则汽包水位存在静态偏差，而且由于测量装置及变送器的误差等因素的影响，实
6、际上现场这两个信号在稳态时，经常难以做到完全相等，而且单级三冲量调节系统一个调节器参数整定需兼顾的因素多。因此单级三冲量事实上一般也难以采用。 串级三冲量调节方式，采用主、副两个调节器。两调节器任务分工明确，整定相对容易，而且不要求稳态时给水流量信号与蒸汽流量信号完全相等，易于得到较好的调节品质，因此现场多采用此控制方式。 在串级控制系统中，参数的整定也是非常重要的，由于在系统中所设计的对象是 3 确定的，所以只有对调节器进行整定，控制系统的参数整定有理论计算方法和工程整定方法，理论计算方法是基于一定的性能指标，结合组成系统各环节的动态特征，通过理论计算求得调节器的动态参数设定值；而工程整定法
7、，则是源于理论分析，结合实验、工程实际经验等一套工程上的方法，其具体方法将在本设计中体现。 本设计的目的是采用串级三冲量给水控制系统控制汽包水位，使其平稳运行，并通过MATLAB仿真，证明所设计的系统可以很好的克服系统的内外扰动，实现汽包锅炉水位控制的要求。 4 第一章概述 1.1自动控制技术在电厂的应用 电能由于其固有的优点而成为国民经济各领域最广泛使用的能量，从而成为人类社会生产和生活中时刻不能离开的二次能源，电力已经深入到社会生产和生活的各个领域，一个国家的电气化程度已成为国民经济现代化的一个重要标志。只有电力产业的迅速发展才有可能保证整个国民经济的迅速而稳步的发展。热力发电厂是电力工业
8、的重要组成部分。热力发电厂包括燃化石燃料（煤、油、气）的火力发电厂与使用核燃料的核动力电厂，迄今为止，热力发电厂在世界大多数国家中仍占着各种发电形式中的主导地位，我国的火力发电占70%左右，而且根据我国国情，火力发电厂基本是燃煤电厂。目前的大型燃煤电厂都已经有了非常先进的自动控制系统，自动控制水平的高低是衡量一个国家的生产技术和科学水平先进与否的一项重要标志。电力工业中电厂热工生产过程自动化技术相对于其它民用工业部门有较长的历史和较高的自动化水平，电厂热工自动化水平的高低是衡量电厂生产技术的先进与否和企业现代化的重要标志。 早期的自动控制系统因热力发电机组单机容量小，对控制系统要求也不高，所以
9、非常简单，只需对给水、汽温、汽压和汽机的转速作简单的控制。这些控制系统大多分散在锅炉和汽机车间就地安装，整个电厂的机、炉、电也是分散控制的。随着现代科学技术的发展，发电机组已由中温、中压、中小容量发展到今天的大容量、高参数的单元机组。 1.2锅炉概述 锅炉由汽锅和炉子组成。炉子是指燃烧设备，为化石烯料的化学能转换成热能提供必要的燃烧空间。汽锅是为汽水循环和汽水吸热以及汽水分离提供必要的吸热和分离空间。 锅炉作为一种把煤、石油或天然气等化石燃料所储藏的化学能转换成水或水蒸气的热能的重要设备，长期以来在工业生产和居民生活中都扮演着极其重要的角色，它已经有二百多年的历史了，但是锅炉工业的迅猛发展却是
10、近几十年的事情。国外的锅炉控制工业5060年代发展最快，70年代达到高峰。我国的锅炉工业是在新中国成立后才建立和发展起来的，1953年在上海首创了上海锅炉厂,从其在生产和生活中所起的作用不同，锅炉可分为电站锅炉，主要用于发电；工业锅炉，主要用于直接供给工农业生产或驱动机械能源；生产锅炉，主要用于为居民提供热水和供 5 居民取暖。应该说锅炉控制问题伴随着锅炉的出现也就相应的出现了，它长期以来就是控制领域的一个典型问题。伴随着控制理论和控制技术的发展，锅炉自动化控制的水平也在逐步提高。锅炉的自动化控制，经历了三四十年代单参数仪表控制，四五十年代单元组合仪表综合参数仪表控制，以及六十年代初期的计算机
11、过程控制几个阶段，随着六十年代第一台计算机在控制中的应用以及此后计算机和通信技术的迅猛发展，计算机逐渐进入了锅炉控制领域并正在成为这一领域的主要角色。计算机很强的记忆功能，逻辑判断功能以及快速计算功能为实现任意的控制算法提供了可能，这样，先进的控制理论和控制算法进入锅炉控制已经有了可能性。 从系统角度看，锅炉包括燃烧负荷控制系统、送引风系统、给水控制系统和辅助控制系统。其结构如图1-1： 图1-1 锅炉控制系统总图 锅炉汽包水位是锅炉安全运行的一个主要参数，水位过高会使蒸汽带水带盐，严重的将引起整体品质下降，严重影响生产和安全；水位过低又将破坏部分水冷壁的水循环，引起水冷壁局部过热而损坏，尤其
12、是大型锅炉，一旦控制不当，容易使汽包满水或汽包内的水全部汽化，造成重大事故。故锅炉汽包给水控制系统的任务是保证汽包水位在允许的范围内，并兼顾锅炉的稳定运行。 对蒸汽锅炉来说，汽包水位是其正常运行的主要指标之一，是一个重要的被调节参数。由于汽包水位在锅炉运行中占首要地位，所以这类锅炉的生产自动化一般是从给水自动调节开始的。 随着锅炉参数的提高和容量的扩大，对给水控制提出了更高的要求，其主要原因有： （1）汽包的个数和体积减小，使汽包的蓄水量和蒸发面积减少，从而加快了汽 6 包水位的变化速度； （2）锅炉容量增大，显著的提高了锅炉蒸发受热面的热负荷，使锅炉负荷对水位的影响加剧了； （3）提高了锅炉
13、的工作压力，使给水调节阀和给水管道系统相应复杂，调节阀的流量特性更不易满足控制系统的要求。 由此可见，随着锅炉朝大容量、高参数的发展，给水系统采用自动控制是必不可少的，它可以大大减轻运行人员的劳动强度，保证锅炉的安全运行。 1.3 主要设备介绍 汽包：一般汽包采用夹层结构，并且汽包上、下两半部采用不等壁厚，以减轻汽包重量，节约钢材。来自水冷壁的汽水混合物从汽包顶部两侧进入汽包的内夹层，冲刷汽包上半部内壁，然后再进入涡流式分离器，在分离器做第一次分离，每只分离器顶部都装有立式波形板分离器，作为二次分离元件。汽包顶部还配有立式波形板分离器，作为三次分离元件，经三次分离的饱和蒸汽由汽包顶部的引出管送
14、到过热器去，下降管安置于汽包最底部，在下降管入口处还装有十字架，用来消除由于入口产生旋涡而将蒸汽带入下降管的现象。此外，汽包内还装有给水管和连续排污管。 变速泵：变速泵又分为电动变速泵和气动变速泵。电动变速泵的驱动电动机经液力联轴器与水泵相连接，通过改变液力联轴器中勺管的径向行程，改变联轴器的工作油量，实现给水泵转速的改变，气动给水泵由小汽轮机直接驱动，通过控制小汽轮机的进气量，改变气动泵的转速。气动给水泵可直接将蒸汽的热能转变为机械能，有较高的效率。但由于驱动小汽轮机的蒸汽一般采用主汽轮机的抽汽，在机组启动和低负荷时，汽轮机抽汽气压太低，无法维持气动泵运行，因此采用气动给水泵的系统，一般都配
15、有一定容量的电动泵，作为机组启停和低负荷时使用以及气动泵故障时的备用泵。 图1-2变速泵的压力-流量特性 7 8 变速泵的压力-流量特性如图1-2所示，为了保证锅炉和泵的安全经济运行，泵必须工作在泵的上限特性、下限特性、锅炉允许最高给水压力max P 和最低给水压力min P 以及泵的最高转速max n 和最低转速min n 包围的区域，该区域称为泵的安全工作区。泵的上限特性曲线亦称为最小流量曲线，它表示给水泵在不同转速下必须满足的最小流量，正如前所述，低于这个流量，不但运行效率很低，而且还会产生汽蚀现象。这是由于低流量时，泵内机械能做功产生的热量不能及时带走，使得给水加热并汽化，导致汽蚀。泵
16、的下限特性曲线，亦称为最大流量曲线，它表示给水泵在不同转速下允许的最大流量，大于这个流量，泵的工作效率降低，而且可能使泵内静压最低值低于给水温度下的饱和压力，在流道静压最低值部分给水将发生汽化，导致汽蚀。因此采用变速泵的给水控制系统，在控制给水流量的过程中必须保证泵的工作点在安全工作区内。一般采用的保护措施是：当工作点进入上限特性曲线之外时，打开泵出口至除氧器再循环管路上的最小流量再循环阀，称之为最小流量保护；当工作点进入下限特性之外时，关小管路的给水调节阀或提高水泵转速，称之为最大流量保护，从而保证泵的工作点始终在泵的安全经济工作区内。 1.4 给水调节的任务 给水自动调节也叫水位自动调节，
17、其主要任务是： (1)维持锅炉水位在允许的范围内，使锅炉的给水量适应于蒸发量。锅炉的水位是影响安全运行的重要因素。水位过高会影响汽水分离装置的正常工作，严重时会导致蒸汽带水增加，使过热器管壁和气轮机叶片结垢，造成事故；对于工业锅炉，蒸汽带水量过多，也要影响用户的某些工艺过程。水位过低，则会破坏汽水正常循环，以致烧坏受热面。水位过高或过低，都是不允许的。所以，正常运行时汽包水位应在给定值的 15mm 上下范围波动。 (2)保持给水量稳定。给水量稳定，有助于省煤器和给水管道的安全运行。 上述两个任务中，第一个任务尤为重要。实践证明，无论是电站锅炉，或者是工业锅炉，用人工操作调节水位，既不安全，也不
18、经济，其最有效的方法是实现给水自动调节。 第二章给水被控对象的动态特性 在讨论给水自动控制系统之前，必须先分析被控对象的动态特性，然后才能设计出一个合理的给水控制系统。给水调节对象的动态特性是指汽包水位的变化与引起水位变化的各种因素之间的动态关系。汽包水位是汽包中储水量和水面下汽泡容积的综合反映。所以，水位不仅受汽包储水量变化的影响，而且还受到汽水混合物中汽泡容积变化的影响。从水位反映储水量来看，调节对象是一个无自平衡能力的对象，这是因为储水量的变化是由给水流量和蒸汽流量变化引起的，而水位变化后既不能影响给水流量，又不能影响蒸发量，所以说水位调节对象是没有自平衡能力的。影响汽包水位变化的因素主
19、要有：蒸汽流量D,给水量W，炉膛热负荷（燃料量M）,汽包压力P 等。 2.1汽包水位的动态特性 工业锅炉的汽包水位是正常运行的重要指标之一，水位过高，产生蒸汽带水现象，影响用汽单位的正常生产。汽包水位过低，会影响锅炉的汽水自然循环，如不及时调节，就会使汽包里的水全部汽化掉，可能导致锅炉烧塌和爆炸事故。因此，锅炉运行中，保持汽包水位在一定范围是十分重要的自动控制问题。 影响汽包水位变化的因素很多，主要有燃煤量、给水量和蒸汽流量。燃煤量对水位变化的影响是非常缓慢的，比较容易克服。因此，我们主要考虑给水量和蒸汽流量对水位的影响。锅炉水位调节对象的原理结构如图2-1所示。 图2-1 给水调节对象结构图
20、 1-给水母管；2-调节阀；3-省煤器；4-汽包；5-管路；6-过热器；7-蒸汽管给水调节对象的动态特性是指各种扰动下的汽包水位随时间变化的特性。当扰动为阶跃扰动时，对象的动态特性称为阶跃响应曲线。影响水位变化的原因是很多的，其中锅炉的蒸发量和给水流量的变化是主要的，其它还有炉膛热负荷、汽包压力的变化等原因。 9 10 2.2 各种扰动下水位变化的动态特性 2.2.1 给水流量扰动下对象的动态特性 图2-2为给水量扰动下水位阶跃响应曲线。图2-2中曲线1为沸腾式省煤器情形下水位的动态特性，曲线2为非沸腾式省煤器情形下水位的动态特性。 图2-2 给水量扰动下水位阶跃响应曲线 在给水流量突然增加的
21、瞬间，锅炉的蒸发量还未改变，给水流量大于蒸发量，但水位一开始并不立即增加，这是因为温度较低的给水进入省煤器及水循环系统的流量增加了，从原有的饱和汽水混合物中吸取了一部分热量，使水面下的汽泡容积有所减少。事实上也就是因为给水温度远低于省煤器的温度，即给水有一定的过冷度，水进入省煤器后，使一部分汽变成了水，特别是沸腾式省煤器，给水减轻了省煤器内的沸腾度，省煤器内汽泡总容积减少，因此，进入省煤器内的水首先用来填补省煤器中因汽泡破灭容积减少而降低的水位，经过一段迟延甚至水位下降后，才能因给水不断从省煤器进入汽包而使水位上升。在此过程中，负荷还未变化，汽包中水仍在蒸发，因此水位也有下降趋势。由H 曲线可
22、以清楚地看出给水被控对象内扰的特点是：给水扰动刚刚加入时，由于给水的过冷度影响，水位H 的变化很慢，经过一段时间之后其变化速度才逐渐增加，最后变为按一定速度直线上升，这时就是物质不平衡在起主要作用了，如果给水量和蒸汽量不能平衡，水位就不能确定。下面简单介绍一下水位在给水扰动下的传递函数。 水位在给水扰动下的传递函数可表示为： ) 1(1)(s s s s W H s W h +=+-= 其扰动传递函数方框图如图2-3所示，可近似认为是一个积分环节和一个惯性环节的并联或串联的两种形式。其扰动传递函数方框图如图2-3所示，可近似认为是一个积分环节和一个惯性环节的并联或串联的两种形式。 图2-3 给
23、水扰动传递函数方框图 2.2.2蒸汽流量扰动下对象的动态特性 蒸汽流量扰动下水位的阶跃起反应曲线如图2-4所示。当蒸汽流量突然增加（假定供热量及时跟上）时，锅炉的蒸发量大于给水流量，汽包的贮水量应等速下降，又因为汽包是无自平衡对象，所以水位的变化曲线应如图中曲线H 1 所示：实际上当蒸发量突然增加时，在汽水循环系统中的蒸发强度也将成比例的增大，使汽水混合物中汽泡的容积增大；又因炉膛内的发热量并不能及时增加，从而使汽包压力不断下降，降低了饱和温度，促使蒸发速度加快，汽泡膨胀，加大了汽水混合物的总体积，使水 位变化过程如图中曲线H 2所示。水位实际变化曲线是H 1 和H 2 之和。 图2-4 蒸汽流量扰动下水位阶跃响应曲线 H1-只考虑贮水量变化的水位反应曲线；H2-只考虑水面下汽泡容积变化的水位反应曲线； H-实际水位反应曲线（H=H1+H2） 两曲线的叠加，即图中的曲线H，由图可知，负荷变化时汽包水位的动态特性具 11