毕业设计论文循环流化床锅炉水位控制系统设计说明书.doc

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1、本科毕业论文（设计）论文（设计）题目：循环流化床锅炉水位控制系统设计 学院：化学与化工学院 专业：过程装备与控制工程 班级： 学号：0 学生姓名： 指导老师： 年 月 日贵州大学本科毕业论文（设计）诚信责任书 本人郑重声明：本人所呈交的毕业论文（设计），是在导师的指导下独立进行研究所完成。毕业论文（设计）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。特此声明。论文（设计）作者签名： 贵州大学毕业论文（设计） 第 IV 页 目 录摘要IIIAbstractIV第一章 绪 论11.1 设计的目的和意义11.2 循环流化床锅炉的发展概况11.2.1 锅壳锅炉11.2.2 流化床

2、燃烧锅炉21.2.3 循环流化床锅炉2第二章 循环流化床锅炉控制系统介绍42.1 燃烧过程控制系统42.1.1 风量控制系统42.1.2 燃料量控制系统42.1.3 炉膛负压控制系统52.2 过热蒸汽温度控制系统52.3 给水控制系统6第三章 汽包水位控制系统设计73.1 汽包水位的动态特性分析73.1.1 汽包水位在给水流量作用下的动态特性83.1.2 汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性93.2 汽包水位的控制方案103.2.1 单冲量控制系统103.2.2 双冲量控制系统113.2.3 三冲量控制系统123.2.4 几种控制系统方案的比较133.3 本设计方案分析133.4.1 三冲量控制

3、原理及方框图143.4.2 控制系统的传递函数153.4.3 系统的稳定性分析18第四章 循环流化床锅炉汽包水位控制系统硬件设计194.1 变送器的选择194.1.1 液位变送器的选择194.1.2 流量变送器的选择204.2 执行器的选择214.3 调节器的选择22第五章 循环流化床锅炉汽包水位控制系统的软件设计255.1 汽包水位控制软件系统结构255.2 CPU222和EM235的I/O地址分配与接线265.3 控制系统程序框图设计28第六章 总 结30参考文献31致 谢32循环流化床锅炉水位控制系统设计摘要在燃煤锅炉运行中，汽包液位的控制是一个很重要的控制参数，液位过高会影响汽水分离的

4、效果，产生蒸汽带液现象，液位过低会破坏水循环，严重的会烧坏锅炉，因此，维持汽包水位稳定是保持锅炉安全运行的重要条件。本设计第一章介绍了锅炉的发展历。第二章讲解了循环流化床锅炉控制系统的三大块：燃烧控制、水位控制、过热蒸汽控制。第三章着重分析循环流化床锅炉汽包水位控制的设计：具体分析其动态特性和水位的控制方案：单冲量控制、双冲量控制、三冲量控制,从这些方案中分析了汽包水位为什么要选择了“三冲量”控制原因。第四、五章是对控制系统所需的硬件和软件进行分析。 整个设计分为六个部分，其中还介绍S7-200控制系统，对其硬件和控制过程也进行了全面的阐述。关键字：循环流化床锅炉，汽包水位控制，三冲量The

5、design of circulating fluidized bed boiler drum water level control Abstract The control of drum level is a very important parameter,high level will affect the moisture separator in the coal-fired boiler operation,and produce the phenomenon of steam with liquid, low level will break the water cycle,

6、even burning boilers.So, maintaining the stability of the drum is keeping the important safety operation of boilers. The first chapter describes the development of boilers.Chapter II describes the circulating fluidized bed boiler three main blocks of the control system:combustion control, water leve

7、l control, thermal steam control.Chapter three focuses on analysing the control design of circulating fluidized bed boiler water level,besides,analysed its dynamic properties and level control options specifically:single impulse control, dual-impulse control,three impulse control, and we analyzed th

8、e reason why selected the three impulse from these options. The fourth chapter and the five chapter analysed hardware and software of the control system. The whole design is divided into six parts, in which we introduced the S7-200 control system,including its hardware and control processes have als

9、o been described in detail.Keywords:circulating fluidized bed boiler，drum level control，three impulses 贵州大学毕业论文（设计） 第 32 页 第一章 绪 论1.1 设计的目的和意义 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。 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

10、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。1.2 循环流化床锅炉的发展概况 锅炉是一种能量转换设备，向锅炉输入的能量有燃料中的化学能、电能、高温烟气的热能等形式，而经过锅炉转换，向外输出具有一定热能的蒸汽、高温水或者有机热载体。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

11、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。随着蒸汽机的发明，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1。 循环流化床锅炉是从锅壳锅炉、流化床燃烧锅炉，最后才发展成为循环流化床锅炉。1.2.1 锅壳锅炉 锅壳锅炉有其自身的内部结构特点：锅壳锅炉的基本结构是双层夹套结构。其外筒叫锅壳，内筒叫炉胆（火筒），内、外筒之间的环行空间装水，而内筒是燃烧室。当水汽介质有压力时

12、，锅壳受内压，炉胆承受外压。锅壳锅炉又分立式和卧式两种。目前常用的燃油、燃气锅炉是WNS型卧式内燃锅壳锅炉。1.2.2 流化床燃烧锅炉 燃煤锅炉是指燃料燃烧的煤，煤炭热量经转化后，产生蒸汽或者变成热水，但并不是所有的热量全部有效转化，有一部分无工消耗，锅炉效率在6080%之间。由此可知，其燃烧效率不算很高，对环境污染比较严重1。 用风室中的空气将固定炉篦或链条炉排上的灼热料层(主要是灰粒)吹成沸腾状态,使其与煤粒一起上、下翻滚燃烧的燃煤锅炉，简称沸腾炉，又称流化床燃烧锅炉。这种锅炉的燃烧器的炉篦由均匀分布着直径为3540毫米风孔的钢板(1620毫米厚)或铸铁板（3040毫米厚）制成，风孔上插嵌

13、着风帽。鼓风由风孔吹入炉料层。沸腾状态的灼热料层高达11.5米，煤层中的煤粒和空气的搅动与混合特别强烈，因而煤粒的加热条件好，对煤种的适应性非常广泛，特别能够燃烧低挥发分、高灰分、低发热量的劣质煤，甚至煤矸石都能稳定燃烧。如在沸腾层中加入石灰石，经过剧烈搅动，能充分脱除燃料中的硫分，既可避免低温腐蚀，又可减少环境污染。因而自1954年德国建成第一台工业沸腾燃烧炉后，迅速受到各国重视。但是沸腾炉也如下的缺点：燃烧温度较低；沸腾床面积增大后，床内空气和燃料分布不易均匀；细煤粒飞出沸腾床后即不易燃尽，飞灰中可燃物含量较高；床内埋浸管（沸腾床内布置的受热面管）过多时，会影响燃料的均匀混合及燃烧温度的均

14、匀性；风速较高、燃料颗粒较粗时，锅炉受热面磨损较严重。1.2.3 循环流化床锅炉 循环流化床锅炉（CirculatingFludizedBedBoiler，简称CFB锅炉）的研究始于七十年代，它是从鼓泡床沸腾炉、化工行业的流化床和循环流化床工艺发展而来的。1982年，德国鲁奇（Lurgi）公司的第一台50t/h循环流化床锅炉投入运行宣告了循环流化床锅炉的诞生。此后，世界上的主要锅炉制造商均投入了CFB锅炉的研究和产品开发工作。作为一种煤的清洁、高效燃烧技术自八十年代初进入燃煤锅炉的商业市场以来，在中小型锅炉中已占有了相当的份额。 循环流化床(CFB)燃烧技术是一项近二十年发展起来的清洁煤燃烧技

15、术。自循环流化床燃烧技术出现以来，循环床锅炉在世界范围内得到广泛的应用，大容量的循环床锅炉已被发电行业所接受。循环流化床低成本实现了严格的污染排放指标，同时燃用劣质燃料，在负荷适应性和灰渣综合利用等方面具有综合优势，为煤粉炉的节能环保改造提供了一条有效的途径。循环流化床技术作为一种洁净煤燃烧技术具有诸多的特点。（1）良好的环保性能 循环流化床锅炉可直接向炉内添加廉价的石灰石脱除燃烧过程中产生的SO2,当Ca/S摩尔比在1.52.5范围内,脱硫效率可达90%以上,可满足较严格的SO2排放标准;较低的运行温度(850900)和分级燃烧使NOx排放量只有煤粉炉的1/31/4。（2） 极佳的负荷调节性

16、能 循环流化床锅炉负荷调节幅度可达41,负荷调节速度可达5%8%MCR/min,因此特别适用于调峰机组。(3) 广泛的燃料适应性 循环流化床锅炉几乎可燃用任何燃料,特别适合中国国情。（4）可用于中、低硫煤锅炉 对于中、低硫煤,采用循环流化床锅炉燃烧方式,通过炉内加入石灰石脱硫,适当控制床温,可以满足更严格的环保要求。循环流化床锅炉作为近年来国际上发展起来的新一代高效、低污染清洁燃烧锅炉,具有燃料适应性广、负荷调节性能好、灰渣综合利用等优点,因此在电力、城市供热、工厂蒸汽生产中得到越来越广泛的应用。循环流化床锅炉在强调节能减排、保护环境、建设资源节约型和环境友好型企业的大气候条件下,具有强大的生

17、命力,在我国的电力事业中起着重要的作用34。第二章 循环流化床锅炉控制系统介绍循环流化床控制的任务是在保证锅炉的安全、稳定运行的前提下，使煤燃烧所产生的热量尽可能快的适应负荷的要求，同时保证经济燃烧及环保要求锅炉控制系统主要有燃烧控制系统过热蒸汽温度控制系统给水控制系统组成。2.1 燃烧过程控制系统 循环流化床锅炉燃烧过程控制的基本任务是使送入锅炉内的燃煤燃烧所提供的热量适应锅炉蒸汽负荷的需要，同时还要燃烧的经济性和运行的安全性.为此，燃烧过程控制系统有三个控制任务：维持主汽压以保证蒸汽的品质维持最佳的空燃比以保证燃烧的经济性和维持炉膛内有一定的负压以保证运行的安全性。它由风量控制系统燃烧量控

18、制系统和炉膛负压控制系统组成的518。2.1.1 风量控制系统 风量控制和燃料量控制一起，共同保证锅炉的出力能适应外界负荷的要求，同时使燃烧过程在经济、安全的状况下进行。燃烧需要的空气由送风机提供，锅炉燃烧的总风量为送风机风量和一次风量之和。此外，在风量控制系统中，还包括二次风的分配控制（燃料风、辅助风和过燃风）。锅炉燃烧控制系统的组成是以蒸汽压力作为主调节参数，以送风量作为副调节参数。在蒸汽负荷发生变化时，蒸汽压力也将随之发生变化。为了保持压力不变，必须改变送风量。此时，煤风比值与给定值产生了偏差，这一偏差值，由煤风比值调节器输出信号，对炉排进行调速，从而相应地增减煤量。2.1.2 燃料量控

19、制系统 根据锅炉所使用的主要燃料的不同，其控制系统有所不同。当使用煤粉时，锅炉在启动和低负荷时还是使用燃油，另外，燃油还用于点火和煤粉的稳定燃烧，故对于煤粉炉，燃料量的控制又分为燃油控制和燃煤控制。在燃油控制中，包括燃油压力的控制（保证燃油压力不低于油枪安全运行所需要的最低油压）、燃油量控制（保证燃油量满足负荷的要求）和雾化蒸汽压力控制（保证雾化蒸汽压力总是大于燃油压力以使燃油能充分雾化）。在燃煤控制中，主要是根据锅炉指令并与送风量相配合，产生各台给煤机的转速指令。一方面，它与风量控制系统一起，保证送入锅炉热量满足负荷的要求和汽压稳定，另一方面，它将需求的燃料量平均分配给各台给煤机。2.1.3

20、 炉膛负压控制系统 炉膛负压系统，是以炉膛内要维持的负压值为主信号，送风量为副信号。当送风量发生变化时，引风机进风挡板进行调节，引风加大，从而减少炉膛负压的波动幅度，再由负压值进一步控制引风机调节，从而维持负压稳定。2.2 过热蒸汽温度控制系统 过热蒸汽温度调节是一个典型的串级调节系统。我们通过调节减温喷水调节阀的开度来控制过热蒸汽温度。主调节器根据实际的出口汽温与设定的温度之间偏差进行调节,其输出信号作为副调节器的设定值,副调节器根据设定值与减温水集箱的出口汽温的偏差进行调节去控制减温水喷水阀。由于过热蒸汽系统具有典型的大滞后特点,如果只根据汽温偏差来改变喷水量往往不能满足生产上的要求,因而

21、,调节回路把蒸汽流量作为前馈量引入到控制中,当扰动产生后,过热汽温还未发生明显变化时就进行调节,能及早地消除扰动对汽温造成的影响,以便有效地控制汽温的变化。 循环流化床锅炉正常运行时不仅要求主蒸汽压力稳定,而且要求主蒸汽温度稳定。主蒸汽温度是反映机组运行情况的一个重要参数。如果主蒸汽温度偏高,过热器及汽机将在更加恶劣的环境下运行,材料的使用寿命将会缩短。相反,如果主蒸汽温度偏低,则汽机达不到预定的运行效率。因此,机组正常运行时要求主汽温度稳定。循环流化床锅炉主蒸汽温度调节系统采用由主汽温度、喷水减温器出口温度及主蒸汽流量等参数组成的串级控制系统。主蒸汽温度测量值作为主调的反馈输入值,与主蒸汽温

22、度设定值进行PID运算后送入副调,在副调中与减温器出口蒸汽温进行控制运算,其结果经限幅后由手操器输出至执行机构,调节喷水减温的控制阀67。2.3 给水控制系统汽包水位是机组运行的一个重要参数,它反映了给水量与供汽量的动态平衡关系。如果水位过高,会破坏汽水分离装置的正常工作,严重时会导致蒸汽带水增多,从而增加在过热器管壁上和汽轮机叶片上的结垢,甚至会使汽轮机发生水冲击而损坏叶片。相反,如果水位过低则会破坏水循环,导致水冷壁管道破裂。因此,机组启停和正常运行时要求保持汽包水位相对恒定。如果水位超出正常范围,轻则发出报警,重则停炉停机。循环流化床锅炉给水调节系统低负荷时采用单冲量调节系统,高负荷时采

23、用三冲量调节系统。构成给水调节系统的三冲量是汽包水位、主蒸汽流量及给水流量。汽包水位信号经汽包压力补偿后作为主调的输入,蒸汽流量信号经温度、压力修正后与给水流量信号一起作为副调的反馈输入。当CFB锅炉的负荷如果经常波动那么就需要对控制策略做一定的修改,因为当锅炉负荷出现大扰动时,会带来很严重的虚假水位现象。三冲量控制不能使给水控制阀正确、及时地快速跟进负荷的变化。因此需要引入负荷变化率和汽包水位变化率两个变量,正常水位调节时负荷变化率和汽包水位变化率均在某一限值之内,当出现上述异常时,其值会超过这两个变量的值,这时改用一定的调节规则强行上拉或下拉水位控制阀,以保证汽包水位在安全范围之内。待水位

24、恢复平稳之后,再切入三冲量方案89。第三章 汽包水位控制系统设计 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：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。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17。3.1 汽包水位的动态特性分析 水位控制对象的动态特性是指引起水位变化的各种扰动与汽包水位间的动态关系。 图3.1 锅炉给水系统 1给

25、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蒸汽母管锅炉汽包水位控制对象结构如图3.1所示，汽包水位不仅受汽包（包括循环水管）中储水量的影响，亦受水位下汽包容积的影响。而水位下汽包容积与锅炉的负荷、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.我们需要了解这些特性，研究它们对汽包水位的影响。汽包及蒸发管系中贮藏着蒸汽和水，贮藏量的多少是以被控制量水位表征的，汽包的流入量是给水量，流出量是蒸汽量，当给水量等于蒸汽量时，汽包水位就恒定不变。引起水位变化的主要扰动就是蒸汽流量的变化和给水流量的变化。如果只考虑主要

26、扰动10，那么，汽包水位对象的动态特性可用方程式表示为：式中 T1，T2 为等到效时间常数 TW 给水流量对象时间常数 Td 蒸汽流量对象时间常数 KW 给水流量对象放大系数 Kd 蒸汽流量对象放大系数3.1.1 汽包水位在给水流量作用下的动态特性图3.2 给水流量扰动下水位响应曲线图3.2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，这使得水位下汽泡容积有所减少。当水位下气泡容积的变化逐渐平衡时，水位变化就完全反映了由于汽包中储水量的增加而逐渐上

27、升。最后，当水位下气泡容积不再变化时，水位变化就完全反映了由于储水量的增加而逐渐上升。因此，实际水位曲线如图中H线，即当给水量阶跃变化后，汽包水位一开始不立即增加，而要呈现一段起始惯性段。用传递函数来描述时，它近似于一个积分环节和一个惯性环节的串联。可表示为： 式中：为延迟时间，s;为响应速度，即给水流量改变一个单位流量时，水位的变化速度，（mms-1）/（th-1）.3.1.2 汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性蒸汽流量扰动主要来自气轮机的负荷变化，这是一个经常发生的扰动，属于调节系统的外扰。在蒸汽流量D扰动作用下，水位的阶跃响应曲线如图3.3所示： 图3.3 蒸汽流量扰动下的水位响应曲线当

28、蒸汽流量D突然增加时，从锅炉的物料平衡关系来看，蒸汽量D大于给水量W，水位应下降，如图中直线1所示。但实际情况并非这样，由于蒸汽用量的增加，瞬间必然导致汽包压力的下降。汽包内的水沸腾突然加剧，水中汽包迅速增加，由于汽包容积增加而使水位变化的曲线如图3中2所示。而实际显示的水位响应曲线3为曲线1和曲线2的合成。从图上可以看出，当蒸汽负荷增加时，虽然锅炉的给水量小于蒸发量，但在一开始时，水位不仅不下降，反而迅速上升，然后在下降（反之，蒸汽流量突然减少时，则水位先下降，然后上升）这种现象称之为“虚假水位”12。蒸汽流量扰动时，水位变化的动态特性可用函数表示为： 式中：T2曲线3的时间常数；K2为曲线

29、3的放大系数；为曲线3的响应速度。3.2 汽包水位的控制方案汽包水位的控制是自动调节给水流量跟踪锅炉的蒸发量，使汽包液位保持在工艺允许的范围内。汽包液位控制分为三种：单冲量控制、双冲量控制和三冲量控制。3.2.1 单冲量控制系统如图3.4所示是单冲量变量水位控制系统。控制汽包水位时以给水量为操作变量，锅炉液位为输入变量组成单冲量控制系统，单冲量即汽包水位。此系统在蒸发量小时，水在汽包内停留时间较长，“虚假水位现象”不显著，能够满足生产的要求；在蒸发量相当大，蒸汽负荷突然增加时，“虚假水位现象”十分明显，调节器收到错误的“假水位”信号，不但不开大给水阀增加给水量，以维持锅炉的物料平衡，反而关小调

30、节阀的开度，减少给水量。对于小容量锅炉来说，它的蓄水量较大，水面以下的汽包体积不占很大比重。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系统。对于大型超高压（接近临界压力）锅炉也可采用这种控制对象，因为在超高压汽和水密度相差不大，假水位现象不显著。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，必须寻求其他解决办法。 图3.4 单冲量水位控制系统对于大型超高压（接近临界压力）锅炉也可采用这种控制对象，因为在超高压汽和水密度

31、相差不大，假水位现象不显著。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，必须寻求其他解决办法。3.2.2 双冲量控制系统 图3.5 双冲量控制系统在单冲量控制系统的基础上适当引入了对蒸汽流量的测量，用来减弱“虚假水位”引起的调节器误动作，这是一个前馈与单回路的复合控制系统。将测量出蒸汽负荷的大小，根据物料平衡原理，只要给水量与蒸发量相等，水位将保持不变，从而克服“假水位”的影响。这样利用前馈控制负荷扰动和反馈控制来克服其他的扰动因

32、素的设计思路不仅能消弱调节器的误动作，还能使调节阀动作给水、水位波动减弱，起到改善控制品质的作用。但是，此系统只是消弱了由“假水位”引起的调节器误动作，并没有消弱“虚假水位现象”，同时由于负荷扰动引起的水位变化速度比给水变化引起的水位变化速度要快的多，所以，此系统调节也会产生较大的水位波动。双冲量水位控制系统存在的问题是：控制作用不能及时的反映给水方面的扰动，当给水量发生扰动时，要等到汽包水位变化时才通过调节器作用执行器进行调节，滞后时间长，水位波动较大。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能保持正常时，不宜采用双冲量控制11-17。3.2.3 三冲量控制系统 双冲量控制系统

33、还有两个弱点，即调节阀的工作特性不一定是线性，这样要做到静态补偿不是很准；同时对于给水系统的扰动不能直接补偿。为此，将给水流量信号引入，构成三冲量控制。三冲量控制系统如图3.6：图3.6 三冲量控制系统 三冲量控制对单、双冲量控制方案取长补短，极大地提高了水位控制质量。例如，当耗气量D突然阶跃增大时，一方面由于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增加给水量。另一方面，D的增大又通过双冲量控制作用指挥调节机构增加给水量。实际给水量是增大还是减少，取决于系统系数的整定。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，当系数恢复平衡以后，给水量必然等

34、于蒸汽流量，水位H也就会维持在设定值。3.2.4 几种控制系统方案的比较单冲量水位控制是汽包水位自动控制中最简单最基本的一种形式，是典型的单回路定值控制系统，但它不能克服“虚假水位”的影响，而且没有给水流量信号的反馈，所以水位波动较大。双冲量水位控制系统是在单冲量控制的基础上，引进蒸汽流量作为前馈信号。该控制系统的特点是：引入的蒸汽流量前馈信号可以消除“虚假水位”对调节品质的不良影响。当蒸汽流量变化时，就有一个给水量与蒸汽量向同方向变化的信号，可以减小或抵消由于“虚假水位”引起的给水量与蒸汽量反方向变化的误动作，使调节阀从一开始就向正确的方向移动。因而大大减小了给水量与水位的波动，缩短调节的时

35、间。而且引入的蒸汽流量的前馈信号，能改善调节系统的静特性，提高调节质量。双冲量水位控制系统适用于小型低压而且给水压力较稳定的锅炉。当给水压力经常有波动，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；另外在大型锅炉的控制中，锅炉容量越大，压力越来越高，汽包的相对容水量就越小，允许波动的储水量就更少。为了把水位控制平稳，在双冲量水位调节的基础上引入了给水流量信号，由水位蒸汽流量和给水流量就构成了三冲量水位控制系统，在这个系统里，汽包水位是被控变量，是主冲量信号，蒸汽流量，给水流量是两个辅助冲量信号。在负荷变化时给水流量会及时做出相应变化，调节时间也比较短，对于克服“虚假水位”的动态偏差有进

36、一步的好处。三冲量水位控制系统抗干扰能力强，适用于大中型中压锅炉17。3.3 本设计方案分析从前面的分析、比较，我认为在锅炉水位调节中三冲量控制系统是最优控制。本设计主要是以以75t/h流化床锅炉系统为对象对循环流化床锅炉汽包水位进行控制。采用PLC控制器，以锅炉水位为主控信号，蒸汽流量为前馈信号，给水流量为控制器的反馈信号；设计适应该锅炉运行的控制系统。其主要技术指标：1、 对锅炉水位、蒸汽流量和给水流量分别进行信号采集；2、 现场自动检测仪表对生产中各个参数自动、连续地进行检测；3、 通过下位机的控制，使锅炉汽包水位维持在正常的范围内；4、 当水位超过上限或下限时，能及时报警。锅炉的汽包高

37、度为3米，水位上、下限分别为2.2和1.2米。3.4.1 三冲量控制原理及方框图 通过汽包水位调节对象动态特性的研究,知道汽包水位的调节具有一定的延迟和惯性特点,即在蒸发量、给水量发生阶跃变化时,调节对象H(水位)不能立即跟着作线性变化,尤其在蒸发量发生阶跃变化时,有“虚假水位”现象。本次设计的控制系统从结构上来说，是一个带有前馈信号的串级控制系统，其三冲量控制系统框图如下：图3.7 串级三冲量汽包水位控制原理框图以汽包水位作为主控制信号构成主调节回路,以蒸汽流量作为前馈信号构成前馈调节回路,以给水流量作为串级信号构成副调节回路,由这三个回路共同构成锅炉汽包水位串级三冲量控制系统。给水流量局部

38、反馈信号通过给水流量变送器、副调节器、给水调节组成内回路，其作用是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发量平衡,它是一个快速回路;由主信号水位H通过水位变送器、主调节器、内回路、对象调节通道组成外回路(主回路),其作用是校正水位偏差,使水位等于设定值;蒸汽流量信号作为前馈信号,其作用是使给水量很快跟踪蒸汽流量的变化,克服虚假水位现象所引起的调节机构误动作和水位过大波动14。3.4.2 控制系统的传递函数 图3.8 串级三冲量汽包水位控制系统原理框图 1、副回路分析图3.9 副回路方框图 副回路由副调节器、给水调节机构K0、给水

39、流量W、给水流量变送器K1组成。根据一般串级控制系统的要求，希望将副回路设置为快速随动系统，这样使副回路具有快速消除内扰及快速跟踪蒸汽流量的能力。副调节器常选比例控制，这样副回路具有近似比例带的特性，其执行器、调节阀、检测和变送器和给水反馈装置都可似为比例环节。 副调节器采用PI调节规律，其传递函数： 式中：为积分速度；为积分时间。 给水调节机构可似为比例环节，其传递函数： 给水流量变送器可似为比例环节，其传递函数： 副回路的传递函数可表示为： 2、主回路分析 图3.10 主回路方框图主回路由主调节器、副回路、被控对象G01（s）、水位变送器K2组成。 副调节器采用PI调节规律，其传递函数：

40、式中：为积分速度；为积分时间。 被控对象的传递函数即汽包在给水扰动下的传递函数： 水位变送器可似为比例环节，其传递函数： 主回路的传递函数可表示为： 3、前馈回路分析该前馈属于一种附加扰动输入补偿，附加的补偿装置所提供的控制作用，主要起到对扰动影响“防患未然”的效果。故应按照不变性原理来设计，即保证系统输出与作用在系统上的扰动完全无关3。在串级三冲量给水控制系统中，水位偏差完全由主调节器来校正，使静态水位值总是等于给定值。因此，前馈装置的选择将不受静态特性无差条件的限制，可根据锅炉“虚假水位”的严重程度来确定，从而改善负荷扰动时控制过程的质量。由于在负荷扰动时，水位的最大偏差（第一个波幅）往往

41、出现在扰动发生后不久（虚假水位现象造成），这个水位最大偏差的数值取决于扰动的大小、扰动的速度和锅炉的特性，蒸汽流量信号加强后的前馈作用对水位的最大偏差减小起不了多大作用。加强蒸汽流量信号怕作用，在于减少控制过程中第一个波幅以后的水位波动幅度和缩短控制过程的时间，蒸汽流量信号也不需要过分加强15。 4、整个控制系统分析三冲量水位控制系统由主调节器PIl和副调节器PI2组成，主调节器PIl接受汽包水位信号去控制副调节器PI2。副调节器除接受主调节器输出信号IH外，还接受水量反馈信号Iw和蒸汽量信号ID，组成了一个三冲量的串级控制系统，其中副调节器的作用是通过内回路进行蒸汽流量D和给水流量W的比值调

42、节，并快速消除给水侧的扰动。主调节器主要通过调节副调节器进行水位的校正，使水位保持在给定值。在确定调节阀为气关的前提下，按单回路控制系统，可以确定FC（即为副调节器）为正作用。汽包液位和给水流量增加都需要关小调节阀，即对阀位的动作方向要求是一致的，故LC（即为主调节器）是反作用。其调节过程：根据串级控制系统选择主、副控制器的正、反作用的原则，水位控制器LC选反作用，流量控制器FC为正作用，调节阀为气关阀。当水位由于扰动而升高时，因LC反作用，它的输出下降，使FC给定值减小而输出增加，调节阀的开度减小，给水流量减小，水位下降，保持在设定值上；当蒸汽流量增加时，FC给定值增加而输出减小，调节阀的开

43、度增加，给水流量增加，保持水蒸汽平衡，使水位不变；副回路克服给水自身的扰动，要进一步地稳定了水位的自动控制；给水流量增加，FC输出增加，调节阀的开度减小，给水量减小，从而保持水蒸汽平衡12-14。3.4.3 系统的稳定性分析 对于整个系统传递函数如下： （1）在控制输入下的闭环传递函数令 有（2） 扰动输入下的传递函数 可依据“不变性”原理来确定前馈控制器，即达到完全补偿时 （3） 整个系统的传递函数如下：由此可知，这属于一个高阶系统(分母属于四阶，分子属于2阶)，由劳斯稳定判据可判断其稳定性。设: C= E= F= G= N=根据劳斯稳定判据计算可知：只要保证EFCGNE0就可以保证劳斯稳定

44、判据的第一列元素的符号全为正，则该系统稳定.第四章 循环流化床锅炉汽包水位控制系统硬件设计 该系统的硬件主要有给水流量变送器、蒸汽流量变送器、液位变送器、调节器、执行器等组成。4.1 变送器的选择 变送器是将被测工艺参数，通过其传感元件的检测，转换部件的放大和变换，输出一个统一的相应的气压或电流信号，再传送到指示记录仪、运算器和调节器，供指示、记录和调节。4.1.1 液位变送器的选择液位变送器是对压力变送器技术的延伸和发展，根据不同比重的液体在不同高度所产生压力成线性关系的原理，实现对水、油及糊状物的体积、液高、重量的准确测量和传送，有投入式、直杆式、法兰式、螺纹式、电感式、旋入式、浮球式结构设计，安装简单，使用方便、互换能力强，高品质传感器的灵敏度高，响应速度快，准确反映流动或静态液面的细微变化，测量准确度高。 这次设计中我采用的是GWLF导波雷达液位变送器10，它的工作原理是：导波雷达液位计是依据时域反射原理(TDR)为基础的雷达液位计，雷达液位计的电磁脉冲以光速沿钢缆或探棒传播，当遇到被测介质表面时，雷达液位计的部分脉冲被反射形成回波并沿相同路径返回到脉冲发射装置，发射装置与被测介质表面的距离同脉冲在其间的传播时间成正比，经计算得出液位高度。 GWLF导波雷达液位变送器，是采用最新的雷达技术而生产的两线制、直流24V供电的液位变送