锅炉水位控制系统的研究与设计

摘要随着我国经济的发展，资源和环境矛盾日趋尖锐，使我国的现代化建设面临严峻挑战。

作为供热系统重要能源转换设备的燃煤锅炉能耗巨大，占我国原煤产量的三分之一左右。

然而，我国目前运行的很多锅炉控制系统的自动化水平不高、安全性低，工作效率和环境污染普遍低于国家标准，因此实现锅炉的计算机自动控制具有重要的意义。

锅炉的建模与控制问题一直是人们关注的焦点，而汽包水位是工业锅炉安全、稳定运行的重要指标，保证水位控制在给定范围内，对于提高蒸汽品质、减少设备损耗和运行损耗、确保整个网络安全运行具有重要意义。

本文分析了汽包水位对象的动态特性，介绍传统的控制方式。

由于锅炉水位控制系统的调节器输入端常加有三个输入量，极易引起水位控制偏差，本文提出了两种消除水位偏差的方法：（1）辅助信号自消方法（2）辅助信号对消方法。

根据三冲量水位调节系统控制水位误差,设计采用了三冲量PID串级控制方式采用辅助信号蒸汽流量和给水流量对消方法消除水位偏差。

关键词：汽包水位；三冲量；串级系统；PID控制；目录摘要 (I)第1章引言.............................. 错误！未定义书签。

第2章工业锅炉的基础理论2.1 锅炉工艺流程简介 (1)2.2 课题背景及本文研究内容 (3)第3章汽包水位特性 (4)3.1 汽包水位在给水流量作用下的动态特性 (5)3.2 汽包水位在蒸汽流量干扰下的动态特性 (8)第4章汽包水位的控制 (12)4.1单冲量水位控制系统 (12)4.2 双冲量水位控制系统 (13)4.3 三冲量水位控制系统 (16)4.4.1 三冲量控制方案一 (17)4.4.2 三冲量控制方案二 (18)4.4.3 三冲量控制方案三 (19)4.4 锅炉水位控制原理图 (21)结论 (23)致谢 (24)参考文献 (25)1. 引言在锅炉运行中,水位是一个很重要的参数。

若水位过高,则会影响汽水分离的效果,使用电气设备发生故障;而水位过低,则会破坏汽水循环,严重时导致锅炉爆炸。

同时高性能的锅炉产生的蒸汽流量很大,而汽包的体积相对来说较小,所以锅炉水位控制显得非常重要。

锅炉水位自动控制的任务,就是控制给水流量,使其与蒸发量保持平衡,维持汽包内水位在允许的范围内变化。

目前我国有各类锅炉几十万台，其中相当大的部分还在使用常规仪表控制。

由于锅炉水位存在一定的反向特性即“假水位”现象，而常规仪表所常用的PID算法对“假水位”现象的控制效果并不理想，若要较好的控制“假水位”现象，采用常规仪表所构成的控制器，其结构复杂性又会增加，造成成本较高。

因此研究新型的水位控制系统，使其能进一步提高水位控制的效果，同时又具有结构简单、容易实现的特点，还是非常必要的。

模糊控制是以模糊集合理论为基础的一种新兴的控制手段，它是模糊系统理论和模糊技术与自动控制技术相结合的产物。

模糊控制的核心就是利用模糊集合理论，把人的控制策略的自然语言转化为计算机能够接受的算法语言所描述的控制算法，这种方法不仅能实现控制，而且能模拟人的思维方式对一些无法构造数学模型的被控对象进行有效的控制。

三冲量锅炉水位控制系统中的主回路控制部分与蒸汽前馈控制部分正是属于这种情况：由于虚假液位的影响和各种参数存在的时变性而导致无法确定这一过程的数学第2章工业锅炉的基础理论1.1 锅炉工艺流程简介锅炉是一种承受一定工作压力的能量转换设备.其作用就是有效地把燃料中的化学能转换为热能,或再通过相应设备将热能转化为其它生产和生活所需的能量形式,长期以来在生产和居民生活中都起很重要的作用。

锅炉是工业过程中不可缺少的动力设备，锅炉的任务是根据外界负荷的变化，输送一定质量(汽压、气温)和相应数量的蒸汽。

它所产生的蒸汽不仅能够为蒸馏、化学反应、干燥等过程提供热源，而且还可以作为风机、压缩机、泵类驱动透平的动力源。

锅炉是由“锅”和“炉”两部分组成的。

“锅”就是锅炉的汽水系统，如图1-1所示。

由省煤器3、汽包4、下降管8、过热器5、上升管7、给水调节阀2、给水母管1及蒸汽母管6等组成。

锅炉的给水用给水泵打入省煤器，在省煤器中，水吸收烟气的热量，使温度升高到本身压力下的沸点，成为饱和水然后引入汽包。

汽包中的水经下降管进入锅炉底部的下联箱，又经炉膛四周的水冷壁进入上联箱，随即又回入汽包。

水在水冷壁管中吸收炉内火焰直接辐射的热，在温度不变的情况下，一部分蒸发成蒸汽，成为汽水混合物。

汽水混合物在汽包中分离成水和汽，水和给水一起再进入下降管参加循环，汽则由汽包顶部的管子引往过热器，蒸汽在过热器中吸热、升温达到规定温度，成为合格蒸汽送入蒸汽母管。

图1-1 锅炉的汽水系统“炉”就是锅炉的燃烧系统，由炉膜、烟道、喷燃器、空气预热器等组成。

锅炉燃料燃烧所需的空气由送风机送入，通过空气预热器，在空气预热器中吸收烟气热量，成为热空气后，与燃料按一定的比例进入炉膛燃烧，生成的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽。

然后经过过热器，形成一定的过热蒸汽，汇集到蒸汽母管。

具有一定压力的过热蒸汽，经过负荷设备调节阀供负荷设备使用。

与此同时，燃烧过程中产生的烟气，其中含有大量余热，除了将饱和蒸汽变成过热蒸汽外，还预热锅炉给水和空气，最后经烟囱排入大气。

经上介绍，锅炉系统的主要包括燃烧系统、送引风系统、汽水系统及辅助系统等。

其主要工艺流程如图1-2：1 6图1-2 锅炉主要工艺流程图1燃烧嘴；2炉膛；3汽包；4减温器；5炉墙；6过热器；7省煤器；8空气预热器1.2 课题背景及本文研究内容由前述可知，在锅炉的几个调节系统中，汽包水位的控制是保证锅炉安全运行的必要条件，是锅炉正常运行的主要标志之一。

锅炉的水位控制作为锅炉控制中重要的控制任务之一，在锅炉的安全生产、降低能耗、蒸汽产量和品质等方面起着重要作用。

汽包水位过高会导致蒸汽带水进入过热器并在过热管内结垢，影响传热效率，严重的引起过热器爆管；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爆管。

汽包水位的动态特性主要有：非线性、不确定性、时滞和负荷干扰、非最小相位特征等。

第2章 汽包水位特性锅炉汽包水位自动调节的任务是使给水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炉和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。

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和给水流量。

综上，引起水位变化的主要扰动是蒸汽流量的变化和给水流量的变化。

如果只考虑主要扰动，那么根据汽包物质平衡,则汽包水位的动态特性可表示为如下平衡方程式：F(t)=Qw(t)-QD(t) (2-1)其中Qw(t)、Q D (t)分别为给水流量与进出汽包的蒸汽，F(t)为汽包水位的变化量。

通过检测仪器（蒸汽流量变送器、水流量变送器、水位变送器）可得到Qw(t)、Q D (t)、F(t)的信号,则从(2-1)式可得到:（2-2）其中为c 锅炉截面积，ρ为锅炉水重度，H(t)为水位;α为水量流 系数，Δp w 为流经水流量的节流装置的差压;β为蒸汽流量系数，Δp D()dH t cp dy =a为流经蒸汽流量节流装置的差压。

对式（2-2)取泰勒级数经化简可近似得到如下方程：(2-3) 其中，T D 、K D 、T W 、K W 、分别与流量变送器的流量转换系数及展开的系数有关，T 1、T 2为水位变送器及汽包截面积有关的系数。

下面我们着重讨论在给水和蒸汽流量两种主要扰动下水位对象的动态特性。

2.1 汽包水位在给水流量作用下的动态特性给水量是锅炉的输入量，如果蒸汽负荷不变，那么在给水流量产生变化时，汽包水位的运动方程式可以表示为：(2-4)经拉氏变换后可得，(2-5) 从式(2-4)，可以方便地得到汽包水位在给水流量作用下的传递函数为：(2-6)对于中压锅炉，上式中T W 的数值很小，常常可以忽略不计，因此式(2-6)可以进一步改写为：(2-7)其中 -------反应速度，即给水流量改变单位流量时水位的21212()()W D W W W D D Ddu du dh d h TT T T k u T k u dt dt dt dt +=+-+21212()W W W W du dh d h TT T T k u dt dt dt +=+2121()()()()W W TT S H S T SH S T SU S K U S +=+012121()()()WW T S k H S G S U S TT S T S +==+1Wk T e =012121122()()()(1)(1)WW W W T S k T S k H S G S U S TT S T S T S T S S T S ++e ====+++变化速度，单位为毫米／秒·(吨／小时)。

从式(2-7)可知，汽包水位在给水流量作用下的动态特性为一个积分环节和一个一阶滞后环节所组成,ε、T 2的数值可通过实验测试求得，数值的大小同锅炉的结构有关。

有些锅炉当给水量增加时，在较长的一段时间里，汽包水位并不增加，有一较长的起始惯性段，对于这种锅炉用式(2-7)来表示它的动态待性，误差较大，这时可选用下面(2-8)式近似计算：(2-8)τ----给水量扰动下的纯滞后时间，对于非沸腾式省煤器的锅炉，τ为0-100秒，对于沸腾式省煤器的锅炉，τ＝100-200秒；Ta=1/ε----水位的反应时间，它也与锅炉结构有关。

反应速度ε及反应时间Ta 都用相对量来表示：ε定义为：当扰动量为100%(从满负荷突然变化到零)，水位(以允许变化的范围为100%)的变化速度，单位为每秒。

Ta 定义为：扰动量为100%，水位变化100%所经历的时间，单位为秒，例如：一台230吨／小时的锅炉，假设汽包的正常水位力200毫米，水位的反应时间Ta 为30钞。

这就是说，当锅炉在满负荷运行时，如果突然停止供水，则由于出汽和进水流量的不平衡，水位将等速度下降，30秒钟下降200毫米，如果给水量减少10%(23吨／小时)，则将在30秒钟水位下降20毫米。