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1、 课程设计报告( 2008- 2009年度第二学期)名 称： 过程控制课程设计 题 目： 锅炉给水控制设计 院 系： 科院动力工程系 目录一、系统设计要求二、给水调节对象的动态特性三、控制方案的选择与设计四、控制系统原理方框图五、主副调判断及系统整定六、控制系统SAMA图七、结语八、参考文献一、系统设计要求 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，蒸汽带水会使饱和蒸汽中含盐量增高，降低
2、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。二、汽包水位调节对象的特性锅炉给水调节对象如附图1所示，给水调节机构控制给水量W。汽轮机耗气量D是由汽轮机调节气门来控制的。B为投入的原料量。水冷壁与汽包存水部分构成了水循环系统。初看起来，汽包水位的动态特性似乎与单容水箱一样，但是实际情况要复杂得多。其中最突出的一点就是水循环系统中充满了夹带着大量蒸汽气泡的水
3、，而蒸汽气泡的总体积V是随着汽包压力和炉膛热负荷的变化而改变的，即使水循环系统的总水量没有改变，汽包水位也会随之发生变化。影响汽包水位H的主要有给水量W，汽轮机的耗气量D和燃料量B等三个主要因素。1、给水扰动在给水量W的阶跃扰动下，水位H的响应曲线可以用附图2来表示，如把汽包及水循环系统当作单容水箱，水位的响应曲线应该如图中的直线H1。考虑到给水温度低于汽包内的饱和水温度，当它进入汽包后吸收了原有的饱和水中的一部分热量，使锅炉的蒸汽产量下降，水面以下的汽包总体积Vs，也相应减小。Vs对水位的影响可以用图中的曲线H2表示。水位H的实际响应曲线是H1和H2的总和。从图可知，响应过程又一段时间的迟延
4、。给水的过冷度越大，纯延迟时间也越大。给水扰动下的传递函数近似表示为G1(s)=1e-s/s,式中1为水位的飞升速度。2、负荷扰动在汽轮机耗气量D的阶跃扰动下，水位H的影响过程可用附图3来说明。当汽轮机的耗气量D突然阶跃增加时，一方面改变了汽包内的物质平衡状态，使水位下降，图中H1表示把汽包当作单容对象时水位应有的变化；另一方面，由于耗气量D的增加，迫使锅内汽泡增多；同时由于燃料量维持不变，汽包压力d下降，使水面以下的蒸汽泡膨胀，总体积Vs增大，从而导致汽包水位的上升，如图3中H2所示。汽包水位H的实际响应过程是H=H1+H2。对于大中型锅炉来说，后者的影响要大于前者，因此在负荷阶跃增加后的一
5、段时间内水位不但不下降，反而明显上升。这种反常现象通常称为“虚假水位”现象。负荷扰动下汽包水位的传函近似表示为：G2(s)=-(2/s-K/(1+T0s),式中，为反映物质平衡关系的水位飞升速度；T0和K分别代表附图3中曲线H2的时间常数和增益。3、燃料量扰动燃料量B的扰动必然引起蒸汽量D的变化，因此也同样有虚假水位的现象。但是由于汽包和水循环系统中有大量水，汽包和水冷壁金属管道也会储存大量的热量，因此有一定热惯性。燃料量B的增大只能使D缓慢增大，而且d还缓慢上升，它将使汽泡体积减小。因而，燃料量扰动下的假水位比负荷扰动下要和缓很多。由以上分析可知，给水量扰动下水位响应过程具有纯迟延；负荷扰动
6、下水位响应过程具有假水位现象；燃料量扰动下也会出现假水位的现象。这些特性使控制汽包水位的任务比较困难和复杂。三、控制方案选择及设计从反馈控制的思想出发，很自然的会以水位信号H作为被调量，给水流量作为调节量，构成单回路反馈系统。显然，这是一个基本的控制思路。对于小机组来说，它的储水量还是很大，水面以下的汽泡体积不占很大比重。因此给水容积延迟和假水位现象不明显，可以采用单冲量控制。对于大容量（接近临界压力）锅炉也可采用这种控制对象，因为在超高压下汽和水的密度相差不大，假水位现象并不显著。但是，对于大量的大中型锅炉来说，这种系统不能满足要求。因为汽轮机耗气量改变所产生的假水位将引起给水调节机构的误动
7、作，致使汽包水位激烈地上下波动，严重的影响设备的寿命和安全。所以对大中型锅炉不能采用单冲量控制系统，必须寻求其他的解决方案。如果从物质平衡的观点来看，只要保证给水量永远等于蒸发量，就可以保证汽包水位大致不变。因此可以采用图4的比值控制系统，其中流量调节器是PI调节器，并用汽轮机的耗气量D作为调节系统得设定值，使给水量W跟踪蒸汽量D。采用比值控制方案的优点是系统完全根据物质平衡条件工作，给水量W的大小只决定于耗气量D，假水位现象不会引起给水调节机构的误动作。然而应该看到，这个比值控制系统对于汽包水位来说只是开环控制。如果耗气量和给水量的测量不准或者由于锅炉排污及管道泄露等，蒸汽量与给水量之间并非
8、总是确定的比值，此比值系统就不能达到汽水平衡，保持水位。这是因为汽包水位H对于(D-W)来说是一个积分关系，微小的D和W之差可以在长时间的积累中形成很大的水位偏差。所以不能单独使用比值控制系统。如果把上述两种方案结合起来，就构成了所谓的汽包水位三冲量控制系统如图5所示。所谓三冲量，指的是引入三个测量信号：汽包水位、给水流量和蒸汽流量。这个系统对上述两种方案取长补短，极大地提高了水位控制质量。例如，当耗气量D突然阶跃增加时，一方面由于虚假水位现象水位会暂时升高，它使调节器错误地指挥调节机构减小给水量；另一方面，D的增大又通过比值控制作用智慧调节机构增加给水量。实际给水量是增大还是减小，取决于系统
9、参数的整定。当假水位现象消失后，水位和蒸汽信号都能正确地指挥调节机构动作。只要参数整定合适，当系统恢复平衡状态后，给水量必须等于蒸汽量，水位H也就会维持在设定值。从另外一个角度看，这也是一个前馈-反馈复合控制系统。必须指出，引入蒸汽量信号只是削弱了虚假水位期间调节机构的误动作，但不能消除假水位现象，并且由于水位H对负荷（蒸汽量）扰动D的响应速度要比基本扰动W的相应速度快很多，因此，在外部扰动下被调量的变化幅度还是比较大，必须对负荷变化的幅度加以限制。四、控制系统原理方框图五、主副调判断及系统整定1、调节器作用方式判断(1)、判断副调节器的作用方式系统原理方框图所示，当测量值W上升时，由于阀门为
10、气开阀，调节器的输出减小，即当调节器的输入值增加时，调节器的输出减小，调节器的作用为反作用。(2)、判断主调节器的作用方式系统原理方框图所示，当测量值H上升时，测量值W应该下降，副调节器的作用方式为反作用，则主调节器的输出应增大，即主调节器的输入上升时，其输出也上升，主调节器的作用为正作用。2、控制系统工程整定锅炉给水控制系统为无自平衡对象，在参数整定中先整定副环后整定主环，具体步骤为：(1)、在主、副环回路闭合的情况下，将主控制器比例度置100%，积分时间置无限大，微分时间置最小，然后按照4：1的衰减比用单回路整定法整定副环，找出副变量出现4：1振荡过程时的比例度2s及振荡周期T2s。(2)
11、、将副控制器比例度置2s，积分时间仍置最长，微分时间置最小，然后按照衰减比4：1单回路整定法整定主环，找出主变量出现4：1振荡时的比例度1s及振荡周期T1s。(3)、通过查表法，求得主、副控制器的参数，按照求得参数调整控制器，进行仿真实验。六、控制系统SAMA图（见附图）七、结语 串级三冲量给水控制系统设计从设计要求入手，考虑到过程中产生的扰动对水位产生的影响，设计控制系统，分析采用单冲量和三冲量的综合方法对水位进行控制，消除虚假水位现象对系统稳定性的影响，使系统给水量跟踪锅炉的蒸发量，达到预定控制效果。通过锅炉给水控制系统的设计实验，更深的了解了给水控制系统的组成结构和原理，实现预期的课程设计目的。八、参考文献 1 刘宗义, 万玉良.汽包锅炉给水控制系统的设计. 科技创新导报, 2009.22 金以慧.过程控制.清华大学出版社,1993.4附录（设计流程图、程序、表格、数据等）
