锅炉汽包水位控制系统的设计

锅炉汽包水位控制系统的设计文摘本文在具体分析了一些影响汽包水位对象控制主要因数的基础上，讨论了目前通常采用的控制方法,深入分析了水位对象模型的动静特性。

首先从锅炉汽包内水的热平衡、物质平衡原理出发，推导出了用来描述锅炉水位对象的通用机理控制模型，通过对几种控制方案的分析、研究与比较，选三冲量系统作为最佳控制方案，并着力研究三冲量系统的特点。

随后对其在PID的参数整定方面也进行了必要的分析，并略述了工程中需要注意的问题。

在此基础上，我们可以了解到汽包水位控制系统的新发展。

关键词锅炉汽包；水位控制；三冲量控制系统；PID；参数整定；最佳方案1 引言1.1 论文选题背景、目的和意义随着电子产品的降价及自动化生产线工艺控制连续稳定优势的凸现，越来越多的企业准备将自己的核心生产线改成全自动化生产线或者对个别关键工艺参数采用自动控制。

工业应用自控技术在中国的推广使用较晚，但近年来发展较快。

国内现在做汽包水位自动控制系统方面的设计公司很多，但由于能够集工艺要求、自动化技术和电气技术三者于一体的设计不多，所以人们清楚地认识到自动控制技术在工业应用中的重要地位和作用，在水位控制系统中，主要采用“三冲量控制”方案来实现锅炉汽包水位控制更是重中之重。

本设计是通过了解了锅炉汽包水位控制的发展并在具体分析其动、静特性的基础上从单冲量控制到双冲量控制最后到三冲量控制的设计方案中择优选择了“三冲量”控制，具体的方案设计存在的优缺点详见下文解析。

本课题的目的及意义：锅炉汽包水位控制是维持锅筒水位在允许的范围内，使锅炉的给水量适应锅炉的蒸发量。

由于锅炉的水位同时受到锅炉侧和气轮机侧的影响，因此，当锅炉负荷变化或气轮机用汽量变化时，通过给水调节系统保持锅炉的水位正常是保证锅炉和气轮机安全运行的重要条件。

水位过高或过低，都是不允许的。

水位过高会影响汽水分离器的正常工作，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；锅炉出口蒸汽带水过多还会使过热蒸汽温度产生急剧变化。

水位过低，则会破坏正常水循环，危及水冷壁受热面的安全。

一般要求锅筒水位维持在设计值±75~±100mm范围内。

1.1.1 电厂热工自动化控制的发展自动控制理论及工程应用的发展至今已有100多年的历史，随着现代科学技术的飞速发展，自动控制系统应用范围也越来越广泛。

电厂热工系统更不例外主要表现在系统越来越大，高参数大容积，除了对控制硬件提出了高可靠性要求之外，对控制理论也不断提出新要求，希望能不断解决新出现的控制难题，自动控制的发展主要包括两个方面：（1）控制理论的发展；（2）控制系统规模及组成结构和硬件的发展。

1.1.2 自动控制理论的发展●“经典控制理论”阶段上世纪50年代前发展的控制理论被称为“古典控制理论”。

它主要研究的自动控制系统为线性定常系统，被控对象集中于SISO系统。

经典控制理论所采用的方法通常是以传递函数、频率特性、根轨迹分布为基础的波德图法和根轨迹法，包括各种稳定性判据和对数频率特性。

●“现代控制理论”阶段60年代以后发展起来的现代控制理论主要研究MIMO系统。

系统可以是线性或非线性的，定常或时变的。

它采用状态方程代替经典理论中的一个高阶微分方程式来描述系统，并且系统中各个变量均为时间t的函数，因而属于时域分析方法。

采用状态方程的好处可以研究系统的内部特性，可以分析系统的本质。

主要内容包括：（1）系统运动状态的描述和能控性、能观性分析；（2）李亚谱诺夫稳定性理论和李亚谱诺夫函数，系统识别和卡尔曼滤波理论；（3）非线性系统控制；（4）系统最优控制及自适应控制●“大系统理论和先进控制理论”阶段前两个阶段的控制理论的发展与应用，主要讨论存在数学模型的自动控制系统，但是对于那些不具有数学模型或很难找到数学模型的被控对象，应用经典控制理论的方法等无法解决。

但是，由于计算机技术的快速发展和价格的下降，使计算机的应用领域越来越宽，先进控制日益发展和应用起来了。

先进控制主要包括自适应控制、预测控制、智能控制、鲁棒控制等。

人工智能学科的发展促进了自动控制理论向着智能控制方向发展，而智能控制和具有智能化的自动控制系统又是人工智能的一个既有广泛应用前景的研究领域。

70年代末开始的智能控制理论和大系统理论的研究与应用，是现代控制论在深度上和广度上的开拓，因此在控制工程界受到极大的关注，主要包括：专家系统、神经网络和模糊控制、学习控制等。

智能控制具有如下特点：以专家和熟练操作工人的知识为基础进行推理、判断、预测和规划，采用符号信息处理、启发式程序设计，知识表示和自学习、推理与决策的智能化技术，实现问题的综合性求解。

先进控制离不开前两个阶段的控制理论，只是把自动控制理论推向一个更深化的崭新阶段。

1.2 控制系统规模、组成结构和硬件的发展1.2.1 初级阶段本世纪50年代前后，热工生产过程主要是凭生产实践经验，局限于一般的控制元件和机电式控制仪器，采用比较笨重的基地式仪表实现机、炉、电各自独立的分散的局部自动控制。

各控制系统之间没有或很少有联系，所应用的理论是经典控制理论。

1.2.2 常规仪表阶段50年代末及以后十年间，随着仪表工业大力发展，先后出现了电动单元仪表和巡回监测装置，这些高性能的仪表广泛应用于热工过程，并且机组容量增大，对效率及安全的要求越来越突出，因此热工控制的要求和精度变得越来越高。

要求实现把机、炉作为一单元整体来进行集中控制，仪表盘表装在一起监视，从而使机、炉启停更为协调，对提高设备效率和强化生产过程有所促进。

此时所用的仪表有电动及组装仪表。

理论发展主要是处于“经典控制理论”阶段，但也开始考虑最优控制等，各种DDZ型仪表广泛应用于水位控制中。

1.2.3 大型自动化阶段70年代至今，由于集成电路及计算机技术的飞速发展，实现了过程控制最优化与管理调度自动化相结合的分散计算机控制，目前火电发电厂都发展到了管理、决策、财务、生产过程一体化的（CIPS）阶段，整个机组的生产过程的控制只是其中的一个子系统。

采用集中分散型计算机控制系统，DCS 它把各系统之间、厂级管理、调度等用大型计算机进行集中管理，而各个子回路分散控制，充分发挥了集中控制和分散控制各自的优点，是一种比较合理的新型计算机控制系统。

随着这个过程，控制理论的应用有了新的发展，各种先进控制技术也能广泛应用于热工过程。

水位控制的模式主要是三冲量，但是先进控制技术也应用到水位控制中来，如自适应控制、预测控制、模糊控制、还有可以用神经网络进行控制。

甚至应用建模技术，可以对过程实时建摸，更加提高了控制效果。

1.3 国外一些主要的DCS系统国外DCS系统经过几十年的发展，计算机集散控制系统已被广泛应用于包括电厂在内的诸多工业部门。

目前，世界上约有40多家公司生产近百种简单控制系统的商业产品。

比较有名的如美国的ABB、Honeywell、Tayler、Foxboro；以及日本的横河——北辰、日立、东芝；德国的Siemens等多跨国公司。

这些成熟的DCS系统都有可靠的性能，都有对于专门的生产过程发展的DCS系统，可以很方便、任意的组态，里面都包含了几乎所有的控制算法，用户可以根据现场情况实现自己的控制策略。

由于这些系统的良好的开放性，用户可以在此基础上作二次开发，把最新的技术应用到自己的系统中来，增强原系统的功能。

2 汽包锅炉工艺2.1 汽包锅炉简介在设计锅炉汽包水位控制的过程中首先从汽包锅炉入手，汽包锅炉有自然循环方式和强制循环方式两种，汽包锅炉自动控制的任务与直流锅炉几乎一样，也是主要包括四个方面：（1）保证系统安全运行；（2）保持燃烧的经济性；（3）保持炉膛负压在一定范围内；（4）运行中保证气轮机所需的蒸汽量，过热蒸汽压力和蒸汽温度的恒定。

无论上一自然循环还是强制循环锅炉，其给水控制的任务都是为了保证锅炉负荷和给水的平衡关系。

但是，汽包锅炉由于有了汽包的存在，使锅炉的运行方式、锅炉的结构、工作原理与直流锅炉不同，这就使实现控制的方式，采用被调量都有所区别。

汽包锅炉的工作原理：汽包锅炉的蒸发系统有汽包、下降管、分配水管、下联箱、上升管、上联箱、上升管、上联箱、汽水引出管、汽水分离器组成，这种与直流锅炉结构的不同的最大优点是：这个蒸发系统是闭合的，工质在所有时候都在这个闭合的蒸发管道系统中不断循环。

锅炉的蒸发受热面是有比较明显的分界线的。

无论是自然循环还是强制循环汽包锅炉只是工质的循环方式不同，并不改变汽包锅炉的工作原理。

这主要是由锅炉运行参数决定的，而且没有很严格的规定，当锅炉压力工作在9.8MPa~18.6MPa范围内时，汽水密度差可以自行推动工质流动，因此可以采用自然循环；当锅炉工作压力≥16MPa时，一般可以采用强制循环。

调节过程特点：汽包水位成为给水控制的唯一标志，因此汽包水位：（1）反映了锅炉负荷与给水的平衡关系；（2）汽包水位影响蒸发面的改变，影响锅炉的安全运行。

因此在汽包锅炉中，给水控制比直流锅炉的给水控制简单，其对象可以看成是带有可测扰动的两输入输出系统，其指标是单一的，也即把水位维持在一个范围内即可。

2.2 汽包水位控制系统众所周知，工业过程控制系统的安全性、稳定性、准确性和经济性是企业考虑的重中之重，是衡量系统是否可靠的重要指标。

随着工业自动化整体水平的提高，方案的选择范围增多，但据不同的要求和不同的侧重点，最优方案始终是我们的首选。

下面以汽包水位控制系统的设计为例，对几种方案略解。

汽包水位是锅炉运行的主要指标之一，是一个非常重要的被控量。

维持水位在一定范围内是保证锅炉安全运行的首要条件，这是因为：①水位过高会影响汽包内汽水分离，饱和水蒸气温度急剧下降，该过热蒸汽作为气轮机动力的话，将会损坏气轮机叶片，影响运行的安全性和经济性。

②水位过低，则由于汽包内的水量转少，而负荷很大时，如不及时调节就会使汽包内的水全部液化，导致水冷壁烧坏，甚至引起爆炸。

因此，锅炉汽包水位必须严加控制。

2.3 汽包水位的动、静态特性1—给水母管2—给水调节阀3—省煤器4—汽包5—下降管6—上升管7—过热器8—蒸汽母管图1 锅炉给水系统锅炉汽水系统结构如图1所示，汽包水位不仅受汽包（包括循环水管）中储水量的影响，亦受水位下气泡容积的影响。

而水位下气泡容积与锅炉的负荷、蒸汽压力、炉膛热负荷等有关。

因此，影响水位变化的因数很多，其中主要是锅炉蒸发量（蒸汽流量D）、给水流量W和燃料扰动。

下面着重讨论在给水流量作用下的汽包水位的动态特性。

2.3.1 汽包水位在给水流量作用下的动态特性图2 给水流量扰动下水位阶段响应曲线图2所示是给水流量作用下，水位的阶跃响应曲线。

把汽包和给水看作单容量无自衡过程，水位阶跃响应曲线如图中H 1线。

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，从原有饱和水中吸取部分热量。