《工业锅炉实时液位过程控制系统.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《工业锅炉实时液位过程控制系统.doc（31页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、2 工业锅炉实时液位过程控制系统摘 要 ：锅炉是工业过程中不可缺少的动力设备，为确保安全，稳定生产，对锅炉的自动控制十分重要，其中汽包水位是一个非常重要的被控变量。由于锅炉的水位调节过程难以建立数学模型，具有非线性、不稳定性、时滞等特点。传统的锅炉水位三冲量控制系统大都采用PID控制。本文研究了工业锅炉的计算机控制问题。首先分析了工业锅炉的工艺流程和特点、阐述了调节系统的任务，提出了整体控制方案。在分析了汽包水位回路的动态特性，特别是“虚假水位”产生的原因的基础上，设计了常规PID控制器实现锅炉汽包三冲量控制系统。微分作用对高频干扰十分敏感，容易导致调节品质下降。锅炉本身具有一定的滞后，若不加
2、微分作用，则控制作用的及时性无法发挥。虽然工业锅炉内扰严重，但适当的加一点微分作用对于锅炉水位的控制有一定好处。本文对采用不完全微分型PID的控制情况进行仿真研究，结果表明,控制效果较为理想。 关键词:汽包水位； 三冲量； PID控制ABSTRACT ：Boiler is a necessary power plant in the process of industry. In order to ensure the production and security, the auto-control of it is very important. The drum water level
3、is an important variable to be controlled, it is hard to get the mathematic model of the water level with adjustive process, it is characteristic of nonlinearity, instability and time lag. The traditional control mode of three-variable in the drum water level mostly use PID.The problem of automatic
4、control in industry coal-fired boiler is discussed in this thesis. First of all，the technological process and characteristics of industry boiler is analyzed. The task of boiler regulator is expounded. And then the system scheme of control is presented. The dynamic characteristic of loops for water l
5、evel is analyzed especially the reason of ostensible water level. On the basis of these a routine PID controller is designed to control the water level. The part of differential is sensitive to high frequency noise, and easily make the quality of adjust declining. Boiler has the characteristic of la
6、g, the controller is not rapid enough if there is not differential item. Althought industrial boilers have many inner-noises, it is good to water level control that properly adds a little of differential item in boiler. This paper studies the simulation of PID control with incomplete differential ty
7、pe, the result of simulation show that the effect is good.Key words: Drum water level； Three- variable； PID controller目 录摘 要1ABSTRACT21 绪论11.1 课题设计的背景及目的11.1.1 课题设计的背景11.1.2 课题设计开发的目的21.2 国内外研究现状及成果21.2.1 国内外研究现状21.2.2 国内外研究成果31.3 研究方法及内容41.4 本章小结52工业锅炉概述52.1锅炉控制系统的一般结构与工作原理62.1.1控制方案及控制要求62.2锅炉给水控制
8、回路82.2.1锅炉汽包水位的特性82.2.2汽包水位控制方式112.2.3汽包给水控制系统的比较153实时控制系统的设计183.1控制算法183.1.1 PID 控制算式183.2 PID参数的整定243.2.1 凑试法确定PID调节参数243.2.2 实验经验法确定PID调节参数243.3锅炉汽包水位PID控制器25参考文献27致 谢.28 第28页1 绪论1.1 课题设计的背景及目的1.1.1 课题设计的背景在钢铁、机械、石油化工、工业炉窑等工业生产中，温度和液位是极为普遍又极为重要的被控参数，液位控制一般指对某一液位进行控制调节，使其达到所要求的控制精度。如在玻璃制品生产过程中，保证熔
9、化状态下的液位稳定具有重要的意义。而温度控制一般指对某一特定设备或设备中的物料的温度进行控制调节，使其达到并满足工艺过程的要求。锅炉是人类供热，取暖的主要来源，它的出现迄今已有两百余年的历史，期间，从低级到高级，从简单到复杂，随着生产力的发展和对锅炉容量，参数要求的不断提高，锅炉形势和锅炉技术得到不断迅速发展。蒸汽机的发明，18世纪末期，出现了公用的圆筒型蒸汽机。由于当时生产力的迅猛发展，蒸汽机在工业上的用途日益广泛，不久就对锅炉提出了扩大容量和提高阐述的要求。于是在圆筒型锅炉的基础上，从增加受热面积入手，对锅炉惊醒了一系列的研究和技术改造，从而使锅炉得到迅速的发展。在现代化的建设中，能源的需
10、气使非常大的，然而我国的能延龄用率极低，所以提高锅炉的热效率，有着极为重要的实际意义。此外，是锅炉能因地制宜地有效地燃用地方燃料，并为满足环境保护的要求而努力解决烟尘污染问题，以提高操作管理水平，减轻劳动强度，保证锅炉额定运行及运行效率，安全可靠地供热等课题。许多工业锅炉仍靠人工加常规仪表进行操作和监控，工人劳动强度大，生产条件差，很难保证安全生产，而且运行热效率低，耗煤量大。随着计算机控制技术的日益成熟，工业锅炉的计算机自动控制系统也得到不断发展和完善。锅炉生产采用自动控制，不仅可以大大减轻操作人员的劳动强度，改善工作环境和条件，而且可以在更大程度上提高锅炉燃烧效率，达到节能降耗的目的。对工
11、业生产过程的自动化水平的要求越来越高，也要求其监控系统逐步完善。开发监控软件平台的目的是为了使操作人员不用具备较高的特殊专业知识技能就能够快速而全面地掌握系统运行状况，并能够对系统运行过程中出现的故障进行相应的操作。利用一些有效的算法，可以实时动态地显示实时过程控制系统中工艺设备的工作状态，改善监控系统的人机界面，提高监控效率。目前，中小型工业企业大部分都采用工业控制机(工业PC)对锅炉进行现场监控，应用比较成功的过程控制系统是各种类型的组态软件，其中如组态王软件。组态软件是指一类关于数据采集和过程控制的专业软件，它是自动化控制系统监控层一级的软件平台和开发环境。然而目前的工控软件仍存在两方面
12、的主要问题:一是工控软件缺乏通用性，许多工控公司只提供特定设备的驱动程序，一旦设备更新或变动，系统就必须重新设计;二是国外工控软件价格昂贵，使许多国内用户特别是高校及中小型企业难以接受，以至于不得不花费许多精力去开发各自专用的测控软件。1.1.2 课题设计开发的目的 从高等教育培养应用型人才的教育目标出发，要求培养具有一定的理论知识，同时具有一定实践能力的应用型人才。因此需要培养学生将所学理论知识用于实际的能力。通过实验室条件下提供一定的实验，让学生在模拟仿真实验系统或类似真实的模型实验系统上进行必要的实践，促进其理论联系实际能力的成长，加深对所学理论的认识和理解，缩短理论和实践之间距离，为今
13、后的实际科研、设计和开发工作打下一个良好的基础，以适应当今社会对应用型人才的需要。 科学技术的发展，尤其是计算机技术的发展及其在控制领域的发展，使得现代控制理论、大系统理论、智能控制理论、模糊控制、精神网络控制等控制理论的应用成为可能。针对控制理论的这种发展，有必要开发和建立一个实验平台为这些理论在实际中应用提供一个类似真实系统的实验环境。 过程控制是工业自动化专业的一门专业课，讲述流程型工业的控制问题，它是在学生己学习基本控制理论的基础上开设的，目的是让学生将已学到的理论知识和工程应用结合起来，使学生能够将理论联系实际。然而现实的高校实验教学环节很难让学生进入工厂实际生产现场。 基于上述的分
14、析，有必要设计开发这样一个能提供过程控制课程实验、进行各种控制理论方法与系统模型设计、试验的实验系统，以指导学生理论联系实际，在实验中加深对自动控制理论、计算机控制理论和方法的理解和掌握。通过实验进一步理解和掌握过程控制理论的基本概念，控制系统的分析和设计方法:系统数学模型的建立，了解和掌握计算机在控制系统中的作用和工作原理。 综合以上种种优点可以预见这个课题有现实意义且市场前景良好。1.2 国内外研究现状及成果 1.2.1 国内外研究现状 过程控制的发展是与控制理论、仪表、计算机、计算机通讯与网络以及有关学科的发展紧密有关的。过程控制发展大致经历了70年代以前的简单控制系统、70年代至80年
15、代的先进控制系统和90年代以来的综合自动化，这样3个发展阶段。在70年代至80年代，由于计算机技术的大力发展，分布式工业控制计算机系统的出现与成熟，为在生产过程中实施先进控制创造了技术基础。70年代末以Richalet等人提出的模型预测启发式控制、动态矩阵控制、然后进一步发展的多变量预测控制系统的应用，使得过程控制达到了一个新水平。这一时期的控制理论在深度和广度上有了许多进展，象鲁棒控制、非线性控制、预测控制在理论上都有重大突破。80年代后期，过程控制中出现了多学科的渗透与交叉，人工智能与智能控制受到人们的普遍关注。 90年代以来，过程控制正以前所未有的速度和规模迅速发展，过程控制发展的主要特
16、点有: (1)生产装置实施先进控制成为发展的主流。以多变量预测控制为代表的先进控制策略提出并且成功应用以后，先进过程控制受到了过程工业界的普遍关注。先进控制策略主要有多变量预测控制、自适应控制、推理控制、专家控制、模糊推理和神经元网络等。 (2)过程优化受到普遍关注。在连续过程工业中，往往上游装置的部分产品是下游装置的原料，整个生产过程存在着装置间的物流分配和能量平衡等一系列的问题。借助优化可使得整个生产过程获得很大的经济效益和社会效益。 (3)传统的DCS正在走向国际统一标准的开放式系统。 (4)综合自动化系统是发展方向。过程工业自动化在90年代以前仍是自动化孤岛模式。进入90年代，集常规控
17、制、先进控制、过程优化、生产调度、企业管理、经营决策等功能于一体的综合自动化成了当前过程控制发展的趋势。综合自动化就是在计算机通讯网络和分布式数据库支持下，实现信息与功能的集成，进而充分调动以人为主要因素的经营系统、技术系统及组织系统的集成，最终形成一个能适应生产环境不确定性和市场需求多变性的全局优化的高质量、高效益、高柔性的智能生产系统。 目前，国内外较大型的锅炉设备，其自动控制系统主要有：自动燃烧控制（ACC）、给水控制（FWC）、过热蒸汽温度控制（STC）、再热蒸汽温度控制（RTC）、炉内压力控制(BSC)等。随着微计算机技术的发展，它的应用已经越来越广泛的涉及到生产生活的各个领域。在工
18、业生产过程中，工业锅炉自动化和节能方面应用微计算机技术，是一项具有明显经济效益和技术效益的工作。 一些发达国家在新型测控装置与系统研究、制造、应用上，已积累了经验，奠定了基础，进入了国际市场。我国在新型测控装置与系统研究、制造、应用和经验上，有一定的基础，与其他发达国家相比还存在距离，但是，我国的科研人员能够克服很多困难，有望在相关领域赶上甚至超过发达国家的技术水平，这是发展趋势。1.2.2 国内外研究成果 当今我国高等教育事业不断扩大发展，极大地促进了高教产业的发展，而与其密切相关的教学仪器产业也随之迅速发展。计算机在各学科领域的发展与应用极大地推动了教学仪器产品的发展与改进，成为评价教学仪
19、器产品的重要指标特征。许多的科教公司和教学仪器生产厂家纷纷开发了相应的过程控制类的实验教学设备。如杭州华控科技有限公司生产的YC-GK-1型、基于Web的过程控制实验系统是过程控制技术与计算机网络通信技术相结合的一种远程控制系统;QXLPC-III过程控制实验装置是上海齐鑫科教实业公司是一套由被控过程，过程检测与变送，过程控制以及执行机构四部分内容组成的，并以温度、液位、压力、流量为其主要受控变量或操纵变量的教学、科研实验设备。浙江大学求是公司开发了PCT- IlII型过程控制实验装置;浙江天煌科技实业有限公司开发的天煌TFIJ-2型高级过程控制系统实验装置。在国外，许多著名大学和公司也开发和
20、研制了不同对象的过程控制实验系统。三容水箱是德国Amria公司的著名智慧型实验设备，国外很多学校和实验室都有广泛的应用，国内清华大学、浙江大学、吉林大学等高校也引进了三容水箱过程控制实验装置。然而这些实验系统仅仅着眼于本科过程控制教学的需求，加上商业竞争因素，许多内部的资源和重要信息用户无法获知，这使得这些实验系统的应用范围不够广泛。因此许多高校为了满足自身高层次的需求，自己研制和开发了不少过程控制的实验系统。其中有东北大学信息科学与工程学院三水箱过程控制实验系统，陕西工学院多液位过程控制综合实验系统，昆明理工大学则对原有的模拟过程控制实验系统进行了计算机改造，也取得了很好的教学效果。厦门大学
21、化工系仿真实验室则建立了以实验系统为对象的过程控制仿真系统。上海交通大学、上海大学、上海理工大学，浙江大学等都研制出了自己过程控制实验系统，此处不一一列举。1.3 研究方法及内容 当今,过程控制已成为工业领域中非常普遍和重要的生产模式。过程控制是指对连续性工业生产过程四个物理量(液位、流量、压力、温度)进行自动调节控制。其中PID控制作为一种经典的控制理论,在控制领域占有十分重要的地位。本文在TDGK-1过程控制综合实验台的基础上利用工控组态软件MCGS研究开发了一套液位控制软件,包括普通PID控制、抗积分饱和控制、不完全微分控制和增量式算法控制四个控制原理不同的试验。试验以化工生产中常见的液
22、位为被控变量,以水为循环介质,构成液位控制系统。该系统可以形象地展示控制过程的全貌,学生可以自己动手进行调试,有助于培养学生的独创精神和动手能力。容器液位控制系统的开发与设计是为了适应过程装备与控制专业的教学实验改革,使教学水平不断提高。 工业蒸汽锅炉汽包水位控制的任务是控制给水流量使其与蒸发量保持动态平衡，维持汽包水位在工艺允许的范围内，是保证锅炉安全生产运行的必要条件，也是锅炉正常生产运行的主要指标之一。若水位过高，影响汽水分离的效果，使用气设备发生故障;而水位过低则会破坏汽水循环，严重时导致锅炉爆炸，所以锅炉汽包水位必须严加控制。为了确保锅炉生产的稳定、可靠和经济运行，我们设计采用了性能
23、先进的永宏FBs一PLC、变频调速器、计算机应用等自动化设备组成的锅炉PID自动控制系统。该控制系统通过检测水汽压力、温度，汽包液位等运行物理量，在运行过程中全自动调节，保证了工业锅炉的安全稳定高效运行。 本设计把可靠性操作放在第一位，使系统具有较好的可维护性，尽可能以软件代替硬件，以简化硬件系统，减少维护量，提高可靠性，还设有行之有效的自诊断和容错措施。1.4 本章小结本章主要介绍了课题设计的背景及目的和过程控制的发展及在高等教育中过程控制实验系统国内外的研究和开发的情况，提出过程控制实验系统的研究意义和重要性。2工业锅炉概述 锅炉是化工、炼油、发电等工业生产过程中必不可少的重要动力设备，它
24、所产生的高压蒸汽，现在可作为风机、压缩机、大型泵类的驱动动力源。又可作为蒸馏、化学反应、干燥和蒸发过程的热源。随着工业生产规模的不断扩大、生产设备的不断更新，作为全厂动力源和热源的锅炉，亦向着大容量、高效率发展。为了确保安全、稳定生产，锅炉设备的控制系统就显得特别重要了。 锅炉按燃料种类来分，可分为燃油锅炉、燃汽锅炉和燃煤锅炉。在化工生产过程中，由于产生各种不同的残油、残渣、炼厂气等，所以多用燃油和燃汽锅炉。而在其它工业中，常用的还是燃煤锅炉。2.1锅炉控制系统的一般结构与工作原理2.1.1控制方案及控制要求1.工业锅炉微机控制系统的任务在生产中，工业锅炉的任务是通过燃烧把燃料的化学能转变成热
25、能，把水加热成具有一定温度和压力的蒸汽，以蒸汽作为载体，为用户提供热能和机械能。因此，工业锅炉微计算机控制的根本任务在于：控制燃料的合理燃烧以降低能耗；控制蒸汽的参数(压力或温度)以满足用户对蒸汽品质的要求，控制锅炉设备本身的运行参数(如水位、炉膛负压)以保证设备的良好运行和安全生产。此外，还有一些运行参数(如蒸汽流量、燃料消耗量等)的统计管理。2.工业锅炉微机控制系统的设计思想及锅炉概述根据工业锅炉现有的运行条件和微计算机的特点，在设计其微计算机控制系统时，要着重考虑如下几个方面:（1）在生产企业中，工业锅炉通常是现代化连续生产的重要环节之一。一旦锅炉出现故障以至停止供汽，将严重影响生产的其
26、它环节，造成极大的损失。因此，在设计和实施中都应该把可靠性摆在第一位。 （2）多数工业锅炉用户维护计算机的技术力量都比较薄弱，设计硬件时应尽可能简化硬件系统。要具有较好的可维护性，尽可能以软件代替硬件，以简化硬件系统，减少维护量，提高可靠性，还须有行之有效的自诊断和容错措施。（3）要充分考虑到司炉工人的文化水平和技术水平的现状，因为要求所有的使用人员具有计算机的知识和操作技能是不切实际的。所以微计算机系统的使用和操作放法要越简单越好。例如，采用简单的操作方法，CRT显示采用汉字方式等。（4）必须具有较高的性能价格比，这样才能有维护应用的价值。常见的工业锅炉系统如图2.1所示。首先除氧水通过给水
27、泵进入给水调节阀，通过给水调节阀进入省煤器，冷水在经过省煤器的过程中被由炉膛排出的烟气预热，变成温水进入汽包，在汽包内加热至沸腾产生蒸汽，为了保证有最大的蒸发面因此水位要保持在锅炉上汽包的中线位置，蒸汽通过主蒸汽阀输出。空气经过鼓风机进入空气预热器，在经过空气预热器的过程中被由炉膛排出的烟气预热，变成热空气进入炉膛。煤经过煤斗落在炉排上，在炉排的缓慢转动下煤进入炉膛被前面的火点燃，在燃烧过程中发出热量加热汽包中的水，同时产生热烟气。在引风机的抽吸作用下经过省煤气和空气预热器，把预热传导给进入锅炉的水和空气。通过这种方式使锅炉的热能得到节约。降温后的烟气经过除尘器除尘，去硫等一系列净化工艺通过烟
28、囱排出。 图2.1 锅炉控制系统硬件组成 锅炉微机控制系统，一般由以下几部分组成，即由锅炉本体、一次仪表、PLC、上位机、手自动切换操作、执行机构及阀、电机等部分组成，一次仪表将锅炉的温度、压力、流量、氧量、转速等量转换成电压、电流等送入微机。控制系统包括手动和自动操作部分，手动控制时由操作人员手动控制，用操作器控制变频器、滑差电机及阀等，自动控制时对微机发出控制信号经执行部分进行自动操作。微机对整个锅炉的运行进行监测、报警、控制以保证锅炉正常、可靠地运行，除此以外为保证锅炉运行的安全，在进行微机系统设计时，对锅炉水位、锅炉汽包压力等重要参数应设置常规仪表及报警装置，以保证水位和汽包压力有双重
29、甚至三重报警装置，以免锅炉发生重大事故。 微机控制系统由工控机、显示器、打印机、PLC、手操器、报警装置等组成，能完成对给水、给煤、鼓风、引风等进行自动控制，使锅炉的汽包水位、蒸汽压力保持在规定的数值上，以保证锅炉的安全运行，平稳操作，达到降低煤耗、提高供送汽质量的目的，同时对运行参数如压力、温度等有流程动态模拟图画面并配有数字说明，还可对汽包水位、压力、炉温等进行越限报警，发出声光信号，还可定时打印出十几种运行参数的数据。以形成生产日志和班、日产耗统计报表，有定时打印、随机打印、自定义时间段打印等几种方式。2.2锅炉给水控制回路2.2.1锅炉汽包水位的特性 锅炉汽包水位自动调节的任务是使给水
30、量跟踪锅炉的蒸发量，并维持汽包中的水位在工艺允许的范围内。维持汽包水位在给定范围内是保证锅护和汽轮机安全运行的必要条件，也是锅炉正常运行的主要指标之一。水位过高，会影响汽包内汽水分离效果，使汽包出口的饱和蒸汽带水增多，蒸汽带水会使汽轮机产生水冲击，引起轴封破损、叶片断裂等事故。同时会使饱和蒸汽中含盐量增高，降低过热蒸汽品质，增加在过热器管壁和汽轮机叶片上的结垢.水位过低，则可能破坏自然循环锅炉汽水循环系统中某些薄弱环节，以致局部水冷管壁被烧坏，严重时会造成爆炸事故。这些后果都是十分严重的。随着锅炉容量的增加，水位变化速度愈来愈快，人工操作愈来愈繁重，因此对汽包水位实现自动调节提出了迫切的要求。
31、汽包水位不仅受汽包中储水量的影响，亦受水位下汽泡容积的影响。而水位下汽泡容积与锅炉的负荷、蒸汽压力、炉膛热负荷等有关。因此，影响水位变化的因素很多，其中主要是锅炉蒸发量即蒸汽流量D和给水流量W。1.汽包水位在给水流量W作用下的动态特性 图2.2是锅炉汽包水位在给水流量作用下，水位的阶跃响应曲线。把汽包水位看作单容量无自衡过程，水位的阶跃响应曲线如图中的H1线. 图2.2 给水流量作用下水位阶跃响应 但是由于给水温度比汽包内饱和水的温度低，所以给水流量增加后，从原有饱和水中吸收部分热量，这使得水位下汽泡容积有所减少，当水位下汽泡容积的变化过程逐渐平衡时，水位的变化就完全反映了由于汽包中储水量的增
32、加而逐渐上升。因此，实际水位曲线如图中的H线，即当给水量作阶跃变化后，汽包水位一开始不立即增加.而要呈现出一段起始惯性段。2.汽包水位在蒸汽流量D扰动下的动态特性在蒸汽流量D扰动作用下，水位的阶跃响应曲线如图2.3所示。当蒸汽流量突然增加，从锅炉的物料平衡关系看，蒸汽流量D大于给水量W，水位应下降，如图中曲线H1。但实际并非如此，由于蒸汽用量增加，瞬间导致汽包压力的下降。汽包内水的沸腾突然加剧，水中汽泡迅速增加，由于汽泡容积增加而使水位变化的曲线如图中的H2线。因此，实际的水位曲线为H1+H2，即为图中的H。从图中可以看出，当蒸汽负荷增加时，水位不仅不下降反而上升，然后再下降(反之，蒸汽流量突
33、然减少时，则水位先下降，然后再上升)，这种现象称之为“虚假水位”。当汽水混合物中汽泡容积与负荷相适应达到稳定后，水位才反映出物料的不平衡，开始下降。应该指出，当负荷阶跃改变时，水面下汽泡容积变化引起的水位变化是很快的，图2.3中H2的时间常数只有10-20秒。 图2.3 蒸汽流量扰动下水位阶跃响应 由此可见，汽包水位调节对象在蒸汽流量扰动下，非但没有自平衡能力，而且存在着“虚假水位”现象，“虚假水位”的变化速度很快，变化幅度与蒸发量扰动大小成正比，也与压力变化速度成正比，在设计调节系统时必须考虑。3.燃料量B扰动下汽包水位的动态特性 汽包水位在燃料量B扰动下的响应曲线如图2.4所示。当燃料量增
34、加时，锅炉的吸热量增加，蒸发强度加大。如果负荷的用汽量不加调节，则随着汽包压力的增加，汽包输出蒸汽量也将增加，于是蒸发量大于给水量，暂时产生了汽包进出口工质流量的不平衡。由于水面下的蒸汽容积增大，此时也会出现虚假水位现象，但由于燃烧率的增加也将同时导致汽包压力上升，它会使汽泡体积减小，另外由于热惯性，燃料量的增加只使蒸汽量D缓慢增加，故虚假水位现象要比蒸汽扰动下缓和的多。 图2.4 燃料量扰动下水位阶跃响应2.2.2汽包水位控制方式 给水控制的任务是维持汽包中水位在工艺允许范围内。由于影响汽包水位的几个因素中，燃料量的扰动影响较小，因此，汽包水位的控制中，主要的目的是以汽包水位为被控变量，以调
35、节给水流量为控制手段。同时，由于汽包水位不仅受锅炉侧的影响，也受到汽轮机侧的影响，当锅炉负荷变化或汽轮机用汽量变化时，给水控制都应能限制汽包水位只在给定的范围内变化。 常用的汽包水位控制方式有单冲量、双冲量及三冲量控制。这里的冲量指的是变量。 图2.5 汽包水位单冲量控制原理图及方框图1. 单冲量控制方式 单冲量水位控制方式原理图及方框图如图2. 5所示。它是汽包水位自动调节中最简单、最基本的一种形式。它引入汽包水位作为反馈量，是典型的单回路定值控制系统。此方式将水位测量信号经变送器送到水位调节器，水位调节器根据水位测量值与给定值的偏差去控制给水阀门，改变给水量来保持汽包水位在允许的操作范围内
36、。 这种控制方式，在停留时间较长，负荷也比较稳定的场合，再配上一些联锁报警装置，也可以保证安全操作。但在停留时间较短，负荷变化较大时，采用此方式就不合适。这是由于: (1)负荷变化时产生的“虚假水位”，将使调节器反向错误动作，负荷增大时反向关小给水调节阀，一到闪急汽化平息下来，将使水位严重下降，波动很大，动态品质很差。(2)负荷变化时，控制作用缓慢。即使“虚假水位”现象不严重，从负荷变化到水位下降要有一个过程，再由水位变化到阀动作已滞后一段时间。如果水位过程时间常数很小，偏差必然相当显著。 (3)给水系统出现扰动时，阀门动作缓慢。假定给水泵的压力发生变化，进水流量立即变化，然而到水位发生偏差而
37、调节阀动作，同样不够及时。 总之，单冲量汽包水位调节的优点是:系统结构简单，在汽包容量比较大、水位在受到扰动后的反应速度比较慢、“假水位”现象不很严重的场合，采用单冲量水位调节是能够满足生产要求的。2.双冲量控制方式在汽包水位控制中，最主要的扰动是负荷的变化。如果引入蒸汽流量来校正，就构成了双冲量控制系统。这样不仅可以补偿“虚假水位”的引起的误动作，而且使给水调节阀的动作及时，如图2. 6所示。图中，Cl. C2为加法系数，G2为蒸汽流量扰动下，汽包水位的传递函数。 图2.6汽包水位双冲量控制原理图及方框图 从本质上看，双冲量控制系统是一个前馈(蒸汽流量)加单回路反馈控制系统的复合控制系统。这
38、种调节系统的特点是： （1）引入蒸汽流量前馈信号可以消除“虚假水位”对调节的不良影响，当蒸汽量变化时，就有一个使给水量与蒸汽量同方向变化的信号，可以减小或抵消由于“虚假水位”现象而使给水量与蒸汽量相反方向变化的误动作，使调节阀一开始就向正确的方向移动。因而大大减小了给水量和水位的波动，缩短了过渡过程的时间。（2）引入了蒸汽流量前馈信号，能够改善调节系统的静态特性，提高调节质量。当C1.C2选择匹配时，系统的静态特性是无差的。 双冲量调节由于有以上特点，所以能在负荷变化频繁的工况下比较好的完成水位调节任务。在给水压力比较平稳时，采用双冲量调节是能够达到调节要求的。 双冲量调节存在的问题是:调节作
39、用不能及时反映给水侧的扰动.当给水量扰动时，调节系统等于单冲量调节。因此，如果给水母管压力经常有波动，给水调节阀前后压差不易保持正常时，不宜采用双冲量调节。同时调节阀的工作特性不一定是线性的，这样要做到静态补偿就比较困难。3.三冲量控制方式目前锅炉都向大容量高参数的方向发展，一般讲锅炉容量越大，汽包的容量相对就越小，允许波动的蓄水量就更少。如果给水中断，可能在10-20秒内就会发生危险水位;如仅是给水量与蒸发量不相适应，在一分钟到几分钟内也将发生缺水或满水事故。这样对水位控制要求就更高了。锅炉给水量在运行中经常会有自发性的变化，当几台锅炉并列运行时，还可能发生几台锅炉的水位调节互相干扰的现象。
40、当某一台锅炉负荷和给水量改变时，引起给水母管压力波动，而使其它锅炉的给水量受到扰动.在双冲量水位调节中，对于给水量这种自发变化不能及时反映出来，要经过一定的迟延时间之后，给水量的扰动才能通过汽包水位的变化而被发觉，此后在克服扰动时，几台锅炉的水位调节又互相影响，使得调节过程非常复杂。 针对上述情况，为了把水位控制平稳，在双冲量水位调节基础上引入了给水流量信号，由水位H,蒸汽流量D和给水流量W组成了三冲量汽包水位调节系统，汽包水位H是被调量，是主冲量信号，蒸汽流量D、给水流量W是两个辅助冲量信号。 图2.7 汽包水位三冲量前馈反馈控制原理图及方框图 （1）前馈反馈控制方式 前馈反馈控制方式的原理
41、图及方框图如图2.7所示，从方块图上可以看出，这个系统有两个闭合回路:一是由给水流量W、给水分流器W、调节器GC、调节阀GV组成的内回路。二由水位调节对象G1，和内回路构成的主回路。蒸汽流量D、分流器D、对象G2在闭合回路之外，它的引入可以改善调节质量，但不影响闭合回路工作的稳定性。所以该系统的实质是前馈加反馈的调节系统。为了确保当负荷变化时水位无余差，必须保证物料平衡，由此确定分流系数W、D的值。（2）前馈串级控制方式前馈串级控制方式的原理图及方框图如图2.8所示，该方案与前馈反馈控制方式相似，仅是加法器位置从调节器前移至调节器后。此方案不管系数如何设置，当负荷变化时，液位可以保持无差。 图
42、2.8 汽包水位三冲量前馈串级控制原理图及方框图2.2.3汽包给水控制系统的比较1、单冲量给水控制系统单冲量汽包水位控制系统的优点是:系统结构简单，对锅炉汽包容量比较大，汽包水位受到扰动后的反应速度比较慢，“虚假水位”现象不很严重的锅炉，采用单冲量水位控制是能满足生产要求的。 单冲量汽包水位控制存在着一些缺点，主要有: (1)单冲量控制方案只根据水位信号控制给水量，在锅炉负荷变化大，即阶跃扰动很大时，由于锅炉的“虚假水位”现象，例如负荷蒸汽增加时，水位一开始先上升，调节器只根据水位作为控制信号，就去关小阀门减少给水量，这个动作对锅炉流量平衡是错误的，从而在过程一开始就扩大了蒸汽流量和给水流量的
43、波动幅度，扩大了进出流量的不平衡。(2)从给水扰动下水位变化的动态特性可以看出，由于给水压力变化等原因造成给水量变化时，调节器要等到水位变化后才开始动作，而在调节器动作后又要经过一段滞后时间才能对汽包水位发生影响，因此必将导致汽包水位波动幅度大，过程时间长。 由于单冲量控制系统存在这些缺点，对于“虚假水位”现象严重及水位反应速度快的锅炉，为了改善系统品质，满足运行的需要，常采双冲量和三冲量给水控制系统。2、双冲量给水控制系统 锅炉汽包双冲量液位控制系统是在单冲量液位控制的基础上引入蒸汽流量作为前馈信号，能消除“虚假液位”对调节的不良影响，缩短了过渡过程时间，改善控制系统的静态特性，提高了调节质
44、量。所以能在负荷变化较频繁的工作情况下比较好的完成液位控制任务，在给水压力比较平稳时，用于小型低压锅炉较好。但是也存在着缺点，即调节作用不能及时反映给水侧的扰动。当给水量扰动时，控制系统等于单冲量控制，因此当给水母管压力经常有波动，给水调节阀前后压差不易保持正常时，不宜采用双冲量控制。 3、三冲量给水控制系统 锅炉的给水量在生产运行中经常会有自发性变化，当几台锅炉并列运行时，还可能发生几台锅炉的汽包水位控制互相干扰的现象。当一台锅炉负荷和给水量改变时，引起给水母管压力波动，而使其他锅炉的给水量受到扰动。在双冲量水位控制中，对于给水量这种自发性变化不能及时反映出来，要经过一定的延迟时间之后，给水
45、量的扰动才能通过汽包水位的变化而被发觉，此后存克服扰动时，几台锅炉的水位控制又互相影响，使得控制过程非常复杂。三冲量汽包给水控制系统，采用蒸汽流量信号对给水流量进行前馈控制，当蒸汽负荷突然发生变化，蒸汽流量信号使给水调节阀一开始就向正确方向移动，即蒸汽流量增加，给水调节阀开大，抵消了由于“虚假水位”引起的反向动作，因而减小了水位和给水流量的波动幅度。当水压干扰使给水流量改变时，调节器能迅速消除干扰。如给水流量减少，调节器立即根据给水流量减少的信号，开大给水阀门，使给水量保持不变。另外，给水流量信号也是调节器动作后的反馈信号，能使调节器及早知道控制的效果，所以三冲量给水控制系统，调节器动作快，还
46、可避免调节过头，减少波动和失控。这样，汽包水位就很少受到影响。 相比较，串级控制系统是由两个调节器组成，主调节器采用比例积分控制规律，以保证水位无静态偏差。主调节器的输出信号和给水流量，蒸汽流量都作用到副调节器上。在一般的情况下，副调节器可采用比例调节器，以保证副回路的快速性。串级系统主副调节器的任务不同，副调节器的任务是用以消除给水压力波动等因素引起的给水流量的自发性扰动以及当蒸汽负荷改变时迅速调节给水流量，以保证给水流量和蒸汽流量的平衡;主调节器的任务是校正水位偏差。这样，当负荷变化时，水位稳定值是靠主调节器来维持的，并不要求进入副调节器的蒸汽流量信号的作用强度按所谓的“静态配比”来进行整定。恰恰相反，在这里可以根据对