锅炉三冲量控制系统设计.docx

锅炉三冲量控制系统设计.docx

《锅炉三冲量控制系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《锅炉三冲量控制系统设计.docx（12页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

锅炉三冲量控制系统设计

工艺流程简介

锅炉是各种生产过程中重要的动力设备。

锅炉的主要作用是提供合格的蒸汽。

锅锅炉由燃烧燃料产生热量的“炉”和吸收热量产生蒸汽的“锅”组成，如图所示。

过热蒸汽

锅炉控制系统的任务是确保蒸汽参数符合工艺要求，其中包括蒸汽的温度、压力、流量等；维持汽包水位及炉膛压力在一定的范围内以保证设备安全运行；保证燃烧充分以提高生产的经济型及避免环境污染。

控制方案设计

一．燃烧系统的控制方案

锅炉燃烧控制主要目的是稳定工艺操作，节约能源，采用比值控制系统，如图所示,空气和燃料构成双闭环比值控制系统。

提升负荷时，先提空气量，后提燃料量；降低负荷时，先降燃料量，后降空气量；使燃料燃烧完全。

二．汽包水位的控制方案

1．虚假水位的形成及对策

“虚假水位”是锅炉运行时不真实的水位。

“虚假水位”的产生是由于当汽包压力突降时，炉水饱和温度下降到压力较低时的饱和温度，使炉水大量放出热量来进行蒸发。

于是炉水内的汽泡增加，汽水混合物体积膨胀，使水位不是下降而是很快上升，形成“虚假水位”。

当汽包压力突升时，则相应的饱和温度提高一部分热量被用于加热炉水，而用来蒸发炉水的热量则减少，炉水中汽泡量减少，使汽水混合物的体积收缩，使水位不是上升而是很快下降，形成“虚假水位”。

此外当锅炉内热负荷增加或骤减时，水的比容将增大或减小，也会形成虚“假水位”。

锅炉负荷突变、灭火、安全门动作、燃烧不稳时，都会产生“虚假水位”。

在负荷突然变化时，汽压也相应变化，这时将会出现“虚假水位”。

负荷变化速度越快，“虚假水位”越明显。

如遇汽轮机甩负荷，汽压突然升高，水位将瞬时下降；运行中燃烧突然增强或减弱，引起汽泡量突然增大或减少，使水位瞬时升高或下降；安全阀起座时，由于压力突然下降，水位瞬时明显升高；锅炉灭火时，由于燃烧突然停止，锅水中汽泡产量迅速减少，水位也将瞬时下降。

在输入端引入蒸汽流量信号，设置水位系统的前馈调节，于是当蒸汽流量增大时，给水量随之增大，给水量增多，水温又较低，有利于克服“虚假水位”的影响。

2．汽包水位的影响因素

首先应该从分析汽包水位的动态特性入手。

锅炉给水调节对象如图1所示。

给水调节机构为变频器调节给水量W，汽轮机耗汽量D是由汽轮机阀门开度来控制的。

图1锅炉给水调节对象

初看起来，汽包水位的动态特性似乎和单容水槽一样，给水量和蒸汽流量影响汽包水位的高低[4]。

但实际情况并非如此，最突出的一点就是水循环系统中充满了夹杂着大量蒸汽汽泡的水，而蒸汽泡的体积V是随着汽包压力和炉膛热负荷的变化而变化的。

如果有某种原因使汽泡的总体积变化了，即使水循环系统的总水量没有发生变化，汽包水位也会因此随之发生改变从而影响水位的稳定。

影响汽包水位H的主要因素有给水量W，汽轮机耗汽量D和燃料量B三个主要因素。

（1）给水扰动的影响

如果把汽包及其水循环系统看作一个单容水槽，那么水位的给水阶跃扰动响应曲线应该为图2所示的曲线H1所示。

但考虑到给水的温度低于汽包内饱和的水温度，当它进入汽包后吸收了原有的饱和水中的一部分热量使得锅炉内部的蒸汽产量下降，水面以下的汽泡的总体积V也就会相应的减小，从而导致水位下降如图2所示的曲线H2所示。

水位的实际响应曲线应是曲线H1和H2之和，如图2所示的曲线H所示。

它是一个具有延迟时间的积分环节，水的过冷度越大则响应延迟时间就会越长。

其传递函数可以近似表示为：

式中

表示汽包水位的飞升速度，

表示延迟时间。

图2给水扰动响应曲线

（2）汽轮机耗汽量扰动的影响

当汽轮机耗汽量D突然做阶跃增加时，一方面改变了汽包内的物质平衡状态，使汽包内液体蒸发量变大从而使水位下降，如图3所示的曲线H1所示，另一方面由于汽轮机耗汽量D的突然增加，将迫使锅炉内汽泡增多，同时由于燃料量维持不变，汽包压力下降，从而导致汽包水位上升，如图3所示曲线H2所示。

水位的实际响应曲线应该是曲线H1和H2之和，如图3所示曲线H所示。

对于大中型锅炉来说，后者的影响要大于前者，因此负荷做阶跃增加后的一段时间内会出现水位不但没有下降反而明显升高的现象，这种反常现象通常被称为“假水位现象”。

可以认为这是一个惯性加积分环节，其传递函数可以近似的表示为：

式中

表示汽包水位对于蒸汽流量的飞升速度，

表示“假水位现象”的延迟时间。

图3汽轮机耗汽量扰动响应曲线

（3）燃料量扰动的影响

当燃料增加时，炉膛热负荷随着增加，水循环系统内的汽水混合物的气泡比例增加，形成水位升高的虚假现象.如图4中H1曲线所示.如果负荷设备的进气阀不加调节，则汽包饱和压力升高，蒸汽流出量增加，蒸发量大于给水量，水位应该下降。

随着汽包压力的升高，汽水混合物中汽泡的比例将减小，又使得汽水总容积下降.如图4中H2曲线所示.水位的实际响应曲线应该是曲线H1和H2之和，如图4所示曲线H所示。

由图知在燃料量扰动下，汽包水位也会因汽包容积的增加水位先上升，因此也会出现“虚假水位”现象，至蒸发量与燃料量相适应时，水位才开始下降，即经过了Tm时间后水位开始下降。

但由于汽包水循环系统中有大量的水，汽包和水冷壁管道也会存储大量的热量，因此具有一定的热惯性。

燃料量的增大只能使蒸汽量缓慢增大，而且同时汽压也会缓慢上升，它将使汽泡体积减小，因此燃料量扰动下的“假水位现象”比负荷扰动下要缓和的多。

图4燃料量扰动响应曲线

由以上分析可知道给水量扰动下的水位响应有迟滞性，负荷扰动下的水位响应有“假水位现象”。

这些特性使得汽包水位的变化受到多种因素影响，因而对它的控制变得比较复杂和困难。

3．汽包水位的控制方案设计

（1）单冲量控制系统

如图5所示，为汽包水位单冲量控制系统，其结构框图如图6所示。

该系统是以汽包水位为被控变量，以给水流量为操作变量的单回路控制系统，它适用于负荷平稳，停留时间长的小型低压锅炉。

一般采用比例积分调节器。

图5汽包水位单冲量控制系统

图6汽包水位单冲量控制系统框图

（2）双冲量控制系统

为了避免“假液位”引起的控制系统的误动作，引入蒸汽流量构成双重量控制系统，如图7所示，从方框图（图8）可以看出，双冲量控制系统实质是一个前馈—反馈控制系统。

当蒸汽负荷的变化引起液位大幅度波动时，蒸汽流量信号可以在液位出现波动之前使控制阀动作，从而减少因蒸汽负荷量的变化而引起的液位波动，改善控制品质。

图8汽包水位双冲量控制系统框图

双冲量水位控制系统的不足之处是不能克服给水系统的干扰，当给水量发生变化时，控制不够及时。

（3）三冲量控制系统

三冲量水位控制系统是在双冲量水位控制系统的液位信号和蒸汽流量信号外，再加一个给水流量信号。

在该系统中，给水流量反馈信号可以迅速准确地消除扰动，稳定给水量。

如此一来，水位主信号可以消除各种内、外扰动对水位的影响，保证水位维持在某一允许范围内。

三冲量水位控制系统实质是前馈—串级控制系统，在系统中，汽包水位为被控变量，也是串级控制系统中的主变量；给水流量是串级控制系统中的副变量，其主要目的是利用副回路快速的克服给水压力变化对汽包液位的影响；蒸汽流量作为前馈信号是为了及时的克服蒸汽负荷变化对汽包液位的影响。

三冲量水位控制系统可采用比例积分调节器。

给定液位

图10汽包水位三冲量控制系统框图

三．过热蒸汽温度的控制方案

过热蒸汽温度控制系统的被控变量时经过热器的蒸汽的温度，操作变量是冷水的流量；其主要目的是保持过热器出口蒸汽温度在允许范围内，并使过热器管壁温度补偿过允许值。

锅炉的过热器是在高温高压的条件下工作的。

若蒸汽温度过高，容易烧坏设备，也会影响后续工序的稳定运行；若蒸汽温度过低会降低效率。

因此必须调节蒸汽温度，使它不超出规定范围。

过热蒸汽的温度具有较大的纯滞后的较长的时间常数，且有自平稳能力；影响过热蒸汽温度的因素也比较多，如蒸汽负荷、火焰中心位置、送风量、冷水流量等等。

这里以冷水流量为操作变量。

如图

ss

该系统为串级控制系统，主被控变量是过热器出口蒸汽的温度，副被控变量是减温器出口温度，操作变量是冷水流量。

副回路的作用是快速的消除减温器本身的各种干扰，不要求完全消除余差，故可选用纯比例调节器，但减温器后蒸汽温度滞后较大时也可用比例微分调节器。

主回路的任务是保持过热器出口的蒸汽温度恒定，主回路一般选用比例积分调节器，当过热器惯性区惯性较大时，也可选用比例积分微分调节器。

总结

锅炉的汽包水位能够间接反映锅炉蒸汽负荷与给水量之间的平衡关系，维持汽包水位正常是保证锅炉和汽轮机安全运行的必要条件。

汽包水位过高，会影响汽包内汽水分离装置的正常工作，造成出口的蒸汽水分过多，导致过热器管壁结垢而被烧坏，也使过热蒸汽温度急剧变化，直接影响机组的稳定运行。

汽包水位过低，可能破坏锅炉水循环，导致水冷壁管被烧坏。

在这个基础上我们设计了一种水位的控制系统—串级三冲量给水控制系统。

三冲量控制系统是在双冲量控制系统的基础上引入给水流量信号，利用水位、蒸汽流量和给水流量三个参数进行液面控制。

在这个控制系统中，汽包水位是被控量，是主冲量信号；蒸汽流量、给水流量是两个辅助冲量信号。

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。

极大地提高了控制系统的性能，改善了高压汽包的运行状况，使高压汽包的液位波动很小，液位控制非常平稳。

通过系统在校正前后的各项性能指标的比较可以得出：

加入比例积分调节器的控制系统，系统的稳态误差趋于零，消除了静差，但同时却降低了原有系统的稳定性。

在控制理论中我们知道，比例带增加时，系统的开环传递函数的放大系数减小，系统的稳定性提高。

反之，系统的稳定性降低。

因此，为了获得更好的控制效果在实际整定中适当地增大了比例带。

一般锅炉容量越大，汽包的容水量就相对越小，允许波动的蓄水量就更少。

如果给水中断，可能在很短的时间内就会发生危险水位；如果仅是给水量和蒸汽量不相适应，也可能在几分钟内出现缺水和满水事故，这样对汽包水位要求就更高了。

三冲量控制系统，采用蒸汽流量信号对给水流量进行前馈控制，当蒸汽负荷忽然变化时，蒸汽流量信号使给水调节阀一开始就向正确方向移动，即蒸汽流量增加，给水调节阀开大，抵消了“虚假水位”引起的反向动作，因而减小了水位和给水流量的波动幅度。

当由于水压干扰使给水流量改变时，调节器能迅速消除干扰。

如给水流量减少，调节器立即根据给水流量减小的信号，开大给水阀门，使给水流量保持不变。

这样，就能够有效地维持汽包水位在工艺允许的范围内，也有效地克服了系统中存在的虚假水位现象。

锅炉的汽包水位能够间接反映锅炉蒸汽负荷与给水量之间的平衡关系，维持汽包水位正常是保证锅炉和汽轮机安全运行的必要条件。

汽包水位过高，会影响汽包内汽水分离装置的正常工作，造成出口的蒸汽水分过多，导致过热器管壁结垢而被烧坏，也使过热蒸汽温度急剧变化，直接影响机组的稳定运行。

汽包水位过低，可能破坏锅炉水循环，导致水冷壁管被烧坏。

三冲量控制系统是在双冲量控制系统的基础上引入给水流量信号，利用水位、蒸汽流量和给水流量三个参数进行液面控制。

在这个控制系统中，汽包水位是被控量，是主冲量信号；蒸汽流量、给水流量是两个辅助冲量信号。

极大地提高了控制系统的性能，改善了高压汽包的运行状况，使高压汽包的液位波动很小，液位控制非常平稳。

通过系统在校正前后的各项性能指标的比较可以得出：

加入比例积分调节器的控制系统，系统的稳态误差趋于零，消除了静差，但同时却降低了原有系统的稳定性。

在控制理论中我们知道，比例带增加时，系统的开环传递函数的放大系数减小，系统的稳定性提高。

反之，系统的稳定性降低。

因此，为了获得更好的控制效果在实际整定中适当地增大了比例带。

通过对过程控制系统这门课程一年的学习与实践，对于理论知识的不断学习与思考和进入实训室的培训和动手操作能力，在学校的模拟实验基地我们不断探索其中的奥秘，进一步加深了对我们所学专业的认识与对以后我们的工作有了一定的了解。

由于能力有限，难免有一些漏洞，希望各位老师指出错误，我将虚心的接受并加以改进。