锅炉汽包水位控制系统.doc

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内蒙古科技大学课程设计论文

第1章绪论

1.1概述

锅炉作为一种把煤，石油或天然气等化石燃料所储藏的化石能转换成水或水蒸气的热能的重要设备，长期以来在工业生产和居民生活中都扮演着极其重要的角色，它已经有二百多年的历史。

换言之，锅炉是由气锅和炉子组成的。

炉子指燃烧设备，为化石燃料的化石能提供必要的燃烧空间；起锅是指加热设备，为汽水循环和汽水吸热以及汽水分离提供必要的吸热和分离空间。

根据锅炉在生产和生活中所起的作用不同，可将其分为电站锅炉、工业锅炉、生活锅炉等。

其中电站锅炉主要用于发电；工业锅炉主要用于供给工、农业生产或驱动机械；而生活锅炉则主要用于提供热水及取暖。

随着工业生产规模的不断扩大，生产过程不断加强，生产设备不断革新，锅炉也向着大容量、多参数、高效率方向发展。

为确保安全，稳定生产，对锅炉设备的自动控制就显得十分重要。

1.2锅炉汽包水位传统控制方案及存在的问题

汽包水位的控制问题伴随着锅炉的出现而出现，长久以来一直是控制领域的一个典型问题。

随着控制理论和控制技术的发展，锅炉自动化控制水平也在逐渐提高。

期间主要经历了上世纪三、四十年代单参数仪表控制，四、五十年代单元组合仪表综合参数仪表控制，以及六十年代兴起的计算机控制等几个阶段。

其控制方案通常有以下几种：

（1）单冲量控制系统。

即汽包水位的单回路液位控制系统。

（2）双冲量控制系统。

即在单冲量系统的基础上引入了蒸汽流量信号。

（3）三冲量控制系统。

是在双冲量系统的基础上在引入给水流量信号而

构成。

这些控制方案通常采用PID算法。

但是由于汽包水位具有大滞后、多变量、强耦合及非线性等特性，使得现有的基于经典控制理论和现代控制理论的控制系统都不能很好地对其进行控制。

其中，单冲量控制系统不能消除虚假水位带来的影响，对负荷变化的反应滞后，对给水流量的干扰也不能及时克服；双冲量系统引入蒸汽流量作为校正信号，虽然可以纠正“虚假水位”引起的误动作，也能提前发现负荷的变化，但同样不能及时克服给水流量的干扰；

三冲量系统引入了给水信号，使其成为调节器动作后的反馈信号，能使调节器及早知道控制的效果，控制品质有了较大的提高，达到控制的稳、准、快，但增加了控制系统的负责程度和成本，同时，其PID参数Kp、KI、Kd、也不容易整定，随着设备运行时间的增加和环境的变化，这三个参数可能需要不定期的重新整定，根据对包钢热电厂调查情况表明：

其汽包水位的控制虽然引入了三冲量控制系统，但由于投产时间较长，出现了设备老化的现象，如使用这一控制系统，其参数就需要频繁进行整定，电厂的经济效益必然会受到严重的损害。

因此，目前该控制系统是在操作工人的干扰下进行人工控制。

1.3课题的提出及意义

今年来，随着能源和环保意识的增强，以及国家的一系列相关政策的出台，对锅炉的运行控制提出了新的要求。

一台锅炉要能安全、可靠、有效地运行，使运行参数达到设计值，除锅炉本身设备和各种辅机完好外，还必须要求仪表的正常工作和自动控制系统设计方案正确。

如上所述，锅炉的控制系统中汽包液位是工业锅炉安全运行的一个十分重要的参数，是自动控制的重要环节，汽包液位保持在规定范围内是保证锅炉正常运行的必要条件。

“虚假水位”现象给水位控制带来了困难和挑战，原传统的三冲量控制系统虽然能有效避免“虚假水位”现象，但系统复杂，成本太高。

所以说开发出新型的水位控制系统，以解决目前水位控制系统在性价比方面的矛盾，为水位控制提出可靠、廉价、系统性能优良的解决方案，开发出能适应汽包水位控制低成本自动化系统已势在必行。

基于上述原因，我们有必要采用一种新型的控制方式，即使能控制系统的负责程度降低，又能达到设备的控制要求，同时，还要尽可能减少人工干扰。

对于锅炉这种多变量和耦合性强的控制对象，采用经典控制理论往往无法达到预期的目的，随着计算机在控制作用中的强大的记忆能力、逻辑判断能力、快速计算能力的发展，为实现复杂的控制算法提供了物质基础。

这样，就可以在锅炉控制中运用先进的控制理论和控制算法，有效地控制汽包水位，达到希望的水位静特性。

第2章锅炉工艺特点

2.1锅炉的生产工艺简述

受控对象是电厂型号为JG-220/9.8-Q型的粉煤锅炉，其结构如图2.1所示，现将其生产过程简介如下：

锅炉是由“锅”和“炉”两大部分组成。

“锅”就是锅炉的水汽系统，“炉”是锅炉的燃烧系统。

图2.1锅炉结构和工艺流程图

Fig2.1Diagramofboilerstructureandtechnologicalprocess

该锅炉主要设计参数为：

额定蒸发量：

220t/h额定蒸汽压力：

9.8Mpa额定蒸汽温度：

540℃

给水温度：

215℃排烟温度：

170℃

锅炉的水汽系统其工作过程：

给水由给水泵打入省煤器以后，在此加热成为汽包工作压力下的饱和水，进入汽包，然后然下降管进入炉膛四周的水冷壁，在此吸收炉膛中的热量气化后沿上升管回到汽包，从汽包中分离出的饱和蒸汽进入过热器，进一步吸收烟气中的热量变成过热蒸汽，送往汽轮机中做功，在汽轮机高压缸中做过功的蒸汽又被送回锅炉的再热器，第二次过热成为高温过热蒸汽，在送往汽轮机中、低压缸中继续做功。

锅炉燃烧流程是一个复杂过程：

燃料与相应的送风量进入炉膛，燃料燃烧产生的热量被布置在炉膛四周的蒸发受热面吸收而产生蒸汽，蒸汽流进过热器加热成过热蒸汽，过热蒸汽由蒸汽管道送入汽轮机做功。

根据其生产流程，可画出压调节对象的方框图，如图2.2所示。

图2.2锅炉燃烧流程示意图

Fig2.2Flowchartofburningsystemintheboiler

2.2锅炉的系统要求

锅炉做为发电厂的主要设备之一，其主要任务是根据外界负荷的变化，输出一定质量和相应数量的蒸汽给汽轮机，以满足用户的用电要求。

为满足负荷设备的要求，保证锅炉正常运行的安全性和经济性，提高锅炉的自动化水平，减少操作工人的劳动强度。

其主要控制任务如下：

（1）保持汽包水位在规定的范围内：

锅炉汽包水位的高度，关系到汽包分离的速度和生成蒸汽的质量，也是确保安全生产的重要条件。

随着科学技术的迅猛发展，现代锅炉则逐渐向着蒸发量大、汽包容积相对减小的方向发展，这样要是锅炉的蒸发量随时适应负荷设备的需要量，汽包水位的变化速度必然很快，稍不注意就容易造成汽包满水，或者烧成干锅。

如果汽包水位过高，蒸汽会带走过多水分和盐分，蒸汽进入过热器，并在过热管内结垢，影响传热效率，严重的会导致过热器爆管，直接影响机组运行的经济性和安全性。

如果汽包水位过低，就会影响自然循环的正常运行，严重时会是个别的上水管形成自由水面，产生流动滞后，知识水冷壁因供水不足而烧坏，因此，必须对汽包水位进行控制，将其严格控制在规定的发范围内。

现场要求控制在-5到+5厘米内。

（2）稳定蒸汽温度：

过热蒸汽温度是发电厂锅炉设备的重要参数，要求比较严格。

由于过热器的作用是将从汽包出来的饱和蒸汽成为过热蒸汽，因此，过热器长期承受高温高压。

因此必须相当严格地将过热器温度控制在给定值附近，气温过高，会使过热器和汽轮机高压缸承受过高的热应力而损坏，同时也会使汽轮机内部引起过度的热膨胀，严重影响生产运行的安全，若蒸汽温度过低，会直接影响负荷设备的使用，对汽轮机来说，会影响它的相率。

因此，从安全生产和技术指标上看，必须对其进行控制，是蒸汽温度保持在额定值范围内。

（3）控制蒸汽压力稳定：

蒸汽压力是衡量蒸汽供求关系是否平衡的重要指标，是蒸汽的重要工艺参数。

蒸汽压力过高或过低，对于金属导管和负荷设备都是不利的。

因此，蒸汽压力是安全生产的需要，是维持负荷设备正常工作的需要，也是保证燃烧经济性的需要。

（4）控制炉膛负压在规定的范围内：

炉膛负压的变化，反映了引风量与送风量的不相适应。

维持炉膛负压在一定范围内，对于过路的安全运行是有利的。

（5）保持烟气含氧量在一定范围内：

要是锅炉燃烧过程出现最佳工况，提高锅炉的效率和经济性，必须是空气和燃料维持在适当的比例。

将过剩空气降低到接近理想水平而不出现一氧化碳和冒黑烟，这就需要快速而准确的对燃烧过程进行自动控制，是空气和煤出现最佳的配比。

否则，势必会增加热量损失，降低经济技术指标，并造成对周围经济的污染。

锅炉是一个比较复杂的控制对象，待控因素较多，还存在错综复杂的扰动因素，本文主要研究的就是其中一个重要的系统——汽包水位系统。

2.3发电锅炉对象的特点

锅炉是一个十分复杂的受控对象，有许多个调节参数和被调参数。

还存在错综复杂的扰动参数，它具有如下特点：

（1）多变量性。

为了保证提供合格的蒸汽以适应负荷的需要，它有许多输入变量和输出变量。

锅炉对象的受控变量主要有汽包水位、过热蒸汽温度、过热蒸汽压力，炉膛负压和烟道气中的含氧量等五个参数，其主要输入变量有锅炉给水、燃料量、减温水量、送风量和引风量等。

可见，锅炉是一个多输入多输出的被控变量。

（2）相相互关联强。

锅炉是一个多输入多输出且相互关联强的系统，输入和输出变量之间存在许多交叉的影响。

例如，当锅炉负荷变化时，不仅会影响蒸汽压力和蒸汽流量，同时也会引起汽包水位、蒸汽温度、炉膛压力以及烟气中的含氧量发生变化。

根据现场经验和分析可知，许多关联十分强，如果不考虑这些关联，就难以获得良好的控制方法。

（3）具有非线性特性。

锅炉系统中有许多物理特性是非线性的，他的不少物理参数也不是常数，例如介质的比热，就不是常数。

随着温度的升高，在不同的温度下，每升高十度，所需要的热量大小是不同的。

另外，锅炉设备中有些参数是分散。

例如锅炉内的温度，在炉膛里面各处的温度是不同的。

（4）随机扰动因素多。

锅炉系统出了较多内部关联外，还受到一些外部扰动的影响。

如燃烧品质，管路阻力，运行状况，火焰中心移动及锅炉受热面结垢等，均属于外部随机扰动因素。

（5）锅炉对象的动态特性。

此受控对象不仅有较大的时间参数，而且还存在严重的纯滞后。

这是由于风、煤、水等在运行过程中的够需要一定的时间。

例如，在减温水流量扰动下，由于扰动地点与测量蒸汽温度的地点之间有着较大的距离，因此存在纯滞后，且滞后时间较大。

这里既包含传递滞后，也包括由于过热器管壁储热量和表面传热阻力造成的容量滞后。

综上所述，锅炉是一个具有多输入、多输出、多回路、内部关联强、随机扰动因随频繁，具有明显的时间滞后和非线性的受控对象，要把它控制好，具有较强难度。

第3章锅炉汽包水位系统的动静态特性分析

3.1.1锅炉汽包水位系统的动态方程式

在蒸汽发生过程中，汽包内部可以看成是由蒸汽空间的蒸汽容积VD，蒸发面以下的汽水容积，即汽容积VS和水容积VW三部分组成。

由于在汽包内要进行水和蒸汽两相物质的交换，考虑到燃料量对汽包影响有较大的滞后，影响十分缓慢，可以忽略不计，对于汽包压力的变化往往是由于蒸汽负荷变化引起的，压力的变化可以归并到蒸汽负荷中去，所以，压力的变化对于水位的影响也可以忽略不计。

这样汽包水位调节对象的动态特性方程式，经推倒和简化可以写成：

式中：

Tw:

给水流量项时间常数；Td:

蒸汽流量项时间常数； Kw,Kd分别为各有关项的放大系数；Uw,Ud分别为给水流量和蒸汽流量的指标；T1，T2分别为水位的时间常数。

WD（S）,WW（S）为蒸汽，给水气压对水位扰动的传递函数。

影响锅炉汽包水位的扰动主要有两个来源：

一是给水方面的扰动，包括给水压力的变化和给水阀门开度的变化，这个扰动来自给水管道和给水泵；二是蒸汽负荷的变化，包括蒸汽管道阻力的变化和主蒸汽调节阀开度的变化，这个扰动主要来自汽轮发电机组的功率变化。

3.1.2汽包水位在给水流量作用下的动态特性

图3.1所示是给水流