汽包水位自动控制系统设计

一、课程设计(综合实验)的目的与要求 锅炉是工业生产及人民生活的主要的动力及能源。 汽包水位是工业蒸汽锅炉 安全、稳定运行的重要指标， 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， 严重的将引起过热器爆管； 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。 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， 水位的时间常数很小。 大容量锅炉若给水不及时， 数 秒之内就可能达到危险水位， 所以锅炉汽包水位的控制显得非常重要。 因此，必 须采取有效、精确的自动调节，严格控制汽包水位在规定范围内。 影响汽包水位变化的因素很多， 如燃煤量、 给水量和蒸汽流量。 燃煤量对水 位变化的影响是比较缓慢的， 容易克服。 因此，主要考虑给水量和蒸汽流量对水 位的影响。 水位过高会影响汽包内汽水分离， 饱和水蒸汽温度急剧下降， 该过热 蒸汽作为汽轮机动力的话，将会损坏汽轮机叶片，影响运行的安全性和经济性。 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。 二、设计(实验)正文 1 控制系统的整体分析：

1.1 影响汽包水位的主要因素

1) 给水流量 W 2) 主蒸汽流量 D 3) 燃料量 B 1.2 控制指标

保证给水流量 W和主蒸汽流量 D保持平衡，维持汽包水位 H在较小范围内波动。 1.3 汽包水位控制对象的动态特性分析 做各种主要影响因素的阶跃扰动，

记录并分析汽包水位的响应曲线 1) 给水扰动：

Matlab 仿真如图 1： 图 1 ：给水扰动 Matlab 仿真 运行结果如图 2： 图 2：给水扰动下的水位响应曲线 由被控对象在给水量扰动下的水位阶跃响应曲线， 可以看出该被控对象 无自平衡能力，且有较大的迟延，因此应采用串级控制，将给水流量的扰动 消除在采用带比例作用的副调节回路中，以保证系统的稳定性。 2) 蒸汽扰动：

Matlab 仿真如图 3：

图 3 ：蒸汽扰动 Matlab 仿真 运行结果如图 4： 图 4 ：蒸汽扰动下的水位响应曲线 由仿真结果看出对象在蒸发量 D 扰动下， 水位阶跃反应曲线有一段上升 的过程，表现有“虚假水位”现象， （ 出现虚假水位现象的原因：当负荷突 然增加，蒸汽流量增加，汽包的压强变小，导致水气化，导致水位升高，同 样的，当负荷突然减小，蒸汽流量减小，汽包的压强变大，导致水中气泡液 化，水位降低，这两种情况都会出现虚假水位现象。 ） 这种现象的反应速度 比内扰快，为了克服“虚假水位”现象对控制系统的不利影响，应考虑引入 蒸汽流量的补偿信号。 通过上述对被控对象的动态特性分析， 确定采用串级前馈三冲量控制系 统： 1） 因为串级系统可以有效克服二次干扰，尤其是本系统是有纯迟延

环 节，可以有效提高系统的快速性和准确性，改善了系统的动态特性，此外， 串级系统对负荷的变化有一定的自适应能力。 2） 通过静态前馈环节的加入，也可以有效改善负荷变化（蒸汽流量

变 化）带来的“虚假水位”现象，当蒸汽流量 D 突然阶跃增加，由于虚假水位 现象会使水位增加，错误地使调节机构减小给水量，但引入前馈后， D 的增 加通过副回路的比例作用又使得调节机构增加给水量，所以通过合适的参数 整定，将会有效克服“虚假水位”现象。 1.4 ，系统框图、控制系统流程图及 SAMA图如下所示： 图 6 ：串级三冲量水位控制系统工艺流程图 在该调节系统中：调节器接受汽包水位、蒸汽流量和给水流量三个测量信号 控制系统说明如下： 1) 水位 H 是主信号，任何扰动引起的水位变化，都会使调节器输信号发

生 变化，改变给水流量，使水位恢复到给定值。 2) 主汽流量信号 D 做前馈信号，其作用是削弱由于“虚假水位”而使调节 器产生的误动作，用以改善蒸汽流量扰动时的调节质量 3) 控制系统由两个闭合回路及前馈调节部分组成。主回路由主调节对象

Gp(s) 、水位测量变送器 Kh、主调节 Gc1(s)和副回路组成； 副回路由给水流

量 W、 给水流量变送器 Kw、副调节器 Gc2(s) 、执行器 Kμ组成；前馈部分由蒸汽流量 信号 D、蒸汽流量变送器 Kd构成。 4) 副调节器的任务是当给水量扰动时，迅速动作使给水量保持不变；当

蒸 汽量扰动时， 副调节器迅速改变给水量， 保持给水量和蒸汽量平衡。 主调节器的 作用是校正水位，维持稳定水位不变。 汽包液位 LT 给水流量 AI 蒸汽流量 FT

AI

图名 汽包水位控制系统 图号 1

单位 华北电力大学 页号 第 1 页 设计 高欣 审核 制图 高欣 日期 2013.1.8

SAMA图解

析：

08 IA?TI 07 08

QC K∫ T ≯≮

TR

K∫ ≯≮ TR

A/M

≯≮ TR

AO ZT ?(x)

H/L

∑-

05 H/L

QC 02

QC

03

H/L

蒸汽流量 给定值 06

01 汽包水位出口信号故障

02 给水流量出口信号故障 03 蒸汽流量出口信号故

障

04 汽包水位偏差大

05 给水阀位偏差大

06 蒸汽流量变化幅度过大

给水切手动 07

AI 04 SAMA图中操作器要保证手自动的无扰切换：

主调节器跟踪是为了保证副调节器无偏差； 副调节器跟踪保证执行机构无偏 差。 切手动的条件： 除了测量信号故障及调节器的输入偏差大， 又加入了蒸汽流量变化幅度过大 的要求，因为前馈的引入，虽然减小了“虚假水位”期间调节机构的误动作，但 是并不能完全消除该现象， 切水位 H 对蒸汽流量扰动 D 的响应速度比对内部扰动 Ｗ的响应速度要快得多， 所以当蒸汽流量变化过大时还是会引起误动作， 故加入 了蒸汽流量变化幅度的限制。 1.5 控制系统的仿真及参数整定：

1) 副回路的整定：

副回路的主要作用是消除二次扰动即给水阀的扰动， 要求副回路的快速性和 稳定性，保证给水流量的稳定。整定时，断开主回路，把副回路看成是一个单回 路，为保证其快速灵活的特性，此处采用比例调节。 副回路整定 Matlab 仿真：

图 8：副回路整定 其中设置 PID调节器于比例调节， P=30。仿真时，在 20S时加入幅度为 0.5

的阶跃扰动 仿真结果如图 9： 图 9 ：副回路扰动测试仿真结果 从仿真结果可以看出， 在 20S 加入扰动后， 输出可以快速跟随输入， 且稳态 误差很小，可以满足内回路快速准确的要求。 2) 主回路的整定：

整定主回路时，可以把副回路的整体看成一个比例环节，用衰减

曲线法整定主回路。 主回路整定 Matlab 仿真：

图 10 ：主回路整定 主回路采用 PI 控制，其中 P=0.9，I=0.015 ，微调副回路的比例 P=35. 仿真结果如图 11： 图 11：主回路仿真结果 衰减率为： 85% 3) 给水扰动测试： 测试串级回路对给水扰动的控制效果，如图 12：

在第 20S 加入给水扰动，可以看出系统的动态品质几乎不受给水扰动的影 响，满足整定时快速消除内扰的要求， 最终系统的输出几乎无静差， 且满足衰减 率的要求，其快速性和准确性得到保证。

图 12：给水扰动下系统的输出 4) 加入前馈及蒸汽扰动测试： 加入静态前馈和蒸汽扰动及给水扰动，

仿真 Matlab 图 13 所示： 图 13：加入给水及蒸汽流量扰动 仿真结果如图 14： 控制系统在加入两种干扰后，系统可以快速调节，最终也稳定在给定值，系 统误差较小，超调量也满足了整定的要求，整体效果达到整定目的。 三、课程设计总结 此次课程设计的题目是汽包水位的控制系统 , 三冲量控制系统利用给水流 量、蒸汽流量和水位三个参数进行液面控制。该系统中汽包水位是主冲量信号， 给水流量、 蒸汽流量是辅助冲量信号， 该控制系统经过给水流量和蒸汽流量扰动 下的仿真实验， 能有效地克服虚假水位和给水干扰对控制系统的影响。 从仿真效 果可知，串级三冲量给水控制系统对各种典型影响因素的干扰均能做出快速反 应，具有较高的调节质量和调节精度， 能够维持汽包水位的稳定， 保障机组的安 全稳定运行， 改善了高压汽包的运行状况， 极大地提高了控制系统的性能， 使高 压汽包的液位波动很小，液位控制非常平稳。