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文献综述

xxxxxxxxxx大学信息工程学院

测控专业毕业实习报告

——文献综述

题目：

智能控制在锅炉汽包液位自动控制中的应用

学生姓名：

xx

学号：

xxxxx

专业：

测控技术与仪器

班级：

测控xx班

指导教师：

xx副教授

目录

前言1

第一章相关工艺流程3

1.1热电厂的工艺流程3

1.2锅炉的工艺流程4

1.3汽包水位动态特性4

第二章锅炉汽包液位控制方案6

2.1单冲量控制方案6

2.2双冲量控制方案7

2.3三冲量控制系统7

第三章具体方案设计9

3.1控制方案仿真研究9

3.2最优方案的确定9

3.3方案设计思路10

第四章总结11

参考文献12

前言

电力行业是整个国民经济的基础和命脉，在新中国建立以后，我国的电力行业取得了长足的发展。

经过50多年的努力，特别是改革开放以来20多年的快速发展，电力供需形势经历了从过去的严重短缺到目前的基本平衡的发展历程。

利用煤、石油、天然气等固体、液体、气体燃料燃烧时产生的热能，通过发电动力装置（包括电厂锅炉、汽轮机和发电机及其辅助装置）转换成电能的一种发电方式。

在所有发电方式中，火力发电是历史最久的，也是最重要的一种。

最早的火力发电是1875年在巴黎北火车站的火电厂实现的。

随着发电机、汽轮机制造技术的完善，输变电技术的改进，特别是电力系统的出现以及社会电气化对电能的需求，20世纪30年代以后，火力发电进入大发展的时期。

火力发电机组的容量也在不断的提高。

大机组、大电厂使火力发电的热效率大为提高，每千瓦的建设投资和发电成本也不断降低。

其中热电厂作为火电厂的一种，得到了长足的发展。

热电厂既实现了发电又提供热能，较好的实现了资源的合理利用，提高了综合经济效益。

热电厂由于即发电又供热，锅炉容量大于同规模火电厂。

热电厂必须比一般火电厂多增设锅炉容量以备用，水处理量也大，所以锅炉在热电厂中极其重要。

锅炉有两部分组成——锅和炉。

锅的原义是指在火上加热的盛水容器，现泛指“汽水系统”。

锅炉整体的结构包括锅炉本体和辅助设备两大部分。

本体主要由炉膛、锅筒（也就是汽包）、燃烧器、水冷壁、过热器（以及再热器）、省煤器、空气预热器、构架和炉墙组成。

辅助设备主要指燃烧系统设备以及排烟、除尘、脱硫设备等。

炉是指燃烧燃料的场所，现泛指“燃烧系统”。

热电厂中锅炉完成的就是通过燃烧，把燃料的化学能转换成热能的能量转换过程，锅炉机组的产品就是高温高压的蒸汽。

锅炉是发电、石油化工等工业过程中必不可少的重要动力设备，它所产生的高压蒸汽既可作为驱动透平的动力源，也可作为蒸馏、干燥、反应、加热等过程的热源[3]。

汽包既是自然循环锅炉的一个主要受压部件，又是将锅炉各受热面，如水冷壁、对流管束、过热器和省煤器等连接在一起的闭合件；同时它和水冷壁（或蒸发管束），下降管等组成自然水循环回路。

汽包的内部装置主要有：

汽水分离装置和蒸汽清洗装置。

汽水分离设备用来将水冷壁蒸发管束进入汽包的汽水混合物进行很好的汽和水的分离，蒸汽清洗装置用来进一步改善蒸汽品质，可用给水对蒸汽进行清洗，即让含有炉水水滴的蒸汽通过盐分少的给水层，使炉水水滴中的含盐及其它不洁物转溶到给水中去。

汽包水位是锅炉运行的重要指标，是确保安全生产和提高优质蒸汽的重要变量。

当水位过高时，蒸汽空间缩小，蒸汽大量带水，蒸汽品质恶化，甚至引起管道和汽轮机内产生严重的水冲击，造成设备损坏；水位太低有可能造成下降管进汽，以致破坏水循环，水冷壁超温，甚至造成严重的设备损坏事故。

因此，汽包水位的控制极为重要，保持汽包内的正常水位是保证锅炉和汽轮机安全运行最重要条件之一。

本次设计就是针对锅炉汽包水位的实际运行情况，采用模糊控制策略，设计锅炉汽包水位的模糊控制系统，并且使用MATLAB仿真软件进行系统仿真。

第一章相关工艺流程

1.1热电厂的工艺流程

热电厂的生产过程实质上是四个能量形态的转换过程，首先化石燃料的化学能经过燃烧转变为热能，这个过程在蒸汽锅炉或燃汽机的燃烧室内完成；再是热能转变为机械能，这个过程在蒸汽机或燃汽轮机完成；最后通过发电机将机械能转变成电能。

热电厂的工艺流程可简述为：

采用煤炭作为一次能源，利用皮带传送技术，向锅炉输送经处理过的煤粉，煤粉燃烧加热锅炉使锅炉中的水变为水蒸汽，经一次加热之后，水蒸汽进入高压缸。

为了提高热效率，应对水蒸汽进行二次加热，水蒸汽进入中压缸。

通过利用中压缸的蒸汽去推动汽轮发电机发电。

从中压缸引出进入对称的低压缸。

已经作过功的蒸汽流经凝汽器水冷，成为40℃左右的饱和水作为再利用水。

40℃左右的饱和水经过凝结水泵，经过低压加热器到除氧器中，此时为160℃左右的饱和水，经过除氧器除氧，利用给水泵送入高压加热器中，其中高压加热器利用再加热蒸汽作为加热燃料，最后流入锅炉进行再次利用，以上就是一次生产流程。

图1.1热电厂的工艺流程图

1.2锅炉的工艺流程

由于锅炉设备使用的燃料、燃烧设备、炉体形式、锅炉功用和运行要求的不同，锅炉有各种各样的流程。

常见流程如图1.2所示。

由图可知，蒸汽发生系统由给水泵、给水调节阀、省煤器、汽包及循环管组成。

燃料和热空气按照一定的比例进入燃烧室燃烧，产生的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽

然后经过热器，形成一定汽温的过热蒸汽

，汇集至蒸汽母管。

压力为

的过热蒸汽，经负荷设备调节阀供给生产负荷使用。

与此同时，燃烧过程中产生的烟气，将饱和蒸汽变成过热蒸汽后，经省煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空气，最后经引风机送往烟囱排入大气[3]。

图1.2锅炉的工艺流程图

1.3汽包水位动态特性

工业锅炉的汽水系统图可简化为图1.3，汽包及蒸发管系统中储藏着蒸汽和水，储藏量的多少是以被控量水位来表征的。

汽包的流入量是给水量，流出量是蒸汽量，当给水量等于蒸发量时，汽包水位就能保持不变。

在影响汽包水位的诸多因素中，引起水位变化的主要扰动是蒸汽流量的变化和给水量的变化，给水流量产生的扰动为称为内扰动，蒸汽流量产生的扰动称为外扰动。

汽包水位调节对象在给水量作用下，具有纯迟延和存在惯性的特点，无自衡能力；

汽包水位调节对象在蒸汽流量扰动下，非但没有自平衡能力，而且存在着“虚假水位”现象，“虚假水位”的变化速度很快，变化幅度与蒸发量扰动大小成正比．也与压力变化速度成正比，在设计调节系统时两者必须都考虑[6]。

图1.3锅炉汽水系统

1—给水母管；2—给谁控制阀；3—省煤器；4—汽包；

5—下降管；6—上升管；7—过热器；8蒸汽母管

第二章锅炉汽包液位控制方案

汽包水位是汽包锅炉运行中一个重要的监控参数，它反映锅炉蒸汽负荷与给水量之间的平衡关系。

维持汽包水位在一定范围内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工作，造成出口蒸汽水分过多，使过热器结垢而烧坏，严重时会导致汽轮机进水；汽包水位过低，会破坏锅炉的水循环，甚至引起爆管。

汽包水位控制的目的是要克服锅炉负荷变化所引起的虚假水位的影响和各种干扰对水位的影响，维持汽包水位在允许的范围内变化。

在工业汽包水位自动控制中，针对不同的控制信号有单冲量控制系统、双冲量控制系统及三冲量控制系统[11]。

2.1单冲量控制方案

单冲量水位控制系统以汽包水位作为唯一的控制信号，单冲量水位控制系统由汽包、变送器、调节器、执行器及调节阀等组成，其原理图如图2.1所示。

图2.1汽包水位单冲量控制原理图

它是汽包水位自动调节中最简单、最基本的一种形式。

它引入汽包水位作为反馈量，是典型的单回路定值控制系统。

此方式将水位测量信号经变送器送到水位调节器，水位调节器根据水位测量值与给定值的偏差去控制给水阀门，改变给水量来保持汽包水位在允许的操作范围内。

这种控制方式，在停留时间较长，负荷较稳定的场合，再配上一些联锁报警装置，可以保证安全操作。

但在停留时间较短，负荷变化较大时，采用此方式就不合适。

2.2双冲量控制方案

双冲量控制系统是以锅炉汽包水位测量信号作为主控信号，以蒸汽流量信号作为前馈信号构成的“前馈—反馈”控制系统。

在汽包水位控制中，最主要的扰动是负荷的变化。

如果引入蒸汽流量来校正，就构成了双冲量控制系统。

这样不仅可以补偿“虚假水位”引起的误动作，而且使给水调节阀的动作及时，从而提高控制质量。

但这里的前馈仅为静态前馈，若要考虑两条通道在动态上的差异，则还需引入动态补偿环节。

在给水压力比较平稳时，采用双冲量控制就能达到控制要求。

双冲量控制方式原理图如图2.2所示。

图2.2汽包水位双冲量控制原理图

2.3三冲量控制系统

三冲量汽包水位控制系统，是以汽包水位为主控对象，蒸汽流量为前馈控制信号，给水量为反馈控制信号组成的控制系统。

由图2.3可知当负荷（蒸汽流量）突然发生变化，蒸汽流量信号能使给水调节阀一开始就向正确的方向移动，即当蒸汽流量增加时，给水调节阀开大，抵消了由于“虚假水位”引起反向误动作。

当水压变化使给水流量改变时，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少的信号，开大给水阀，从而使给水量保持不变。

另外，给水流量信号也是调节器动作后的的反馈信号，能使调节器及时知道控制信息

图2.3汽包水位三冲量控制原理图

从传统的控制方式来看，主要包括单冲量、双冲量、三冲量等控制系统。

采用的算法多是经典的PID算法。

它们要么系统结构简单成本低，确不能有效地控制锅炉汽包“虚假水位”现象；要么能够在一定程度上控制“虚假水位”现象，系统却过于复杂，成本投入过大。

在现实生产和生活中，往往要求系统既具有较好的性能和较高的可靠性，同时有要求系统成本投入较低。

即要求系统具有较高的性价比[7]。

借助于三冲量控制策略的结构，通过智能方法来对PID控制器的参数进行整定或直接采用先进控制策略成为目前研究的热点。

这些新型控制策略主要有：

（1）基于预测控制理论的控制策略，如用预测函数控制、模糊预测控制策略等；

（2）基于模糊控制理论的控制策略，如模糊在线自校正PID、模糊神经网络等；

（3）其他控制策略，如专家控制系统、神经元网络优化控制等。

第三章具体方案设计

3.1控制方案仿真研究

MATLAB是由美国NewMexico大学的CleveMoler于1980年开始开发的，1984年由CleveMoler等人创立的Mathworks公司推出的大型仿真软件，它是以矩阵运算为基础，把计算、可视化、程序设计融合在一个交互的工作环境中，在此环境中可以实现工程计算、算法研究、建模和仿真、应用程序开发等。

与其它专业火电仿真软件相比，MATLAB更容易获得，仿真试验也更容易进行，只要是安装有MATLAB软件的计算机都可以谁是进行仿真实验。

在MATLAB软件中，提供了新的控制系统模型输入和仿真工具SIMULINK，SIMULINK中提供了大量模块，使得开发人员的建模效率大大提高。

本文正是基于MATLAB/SIMULINK、模糊逻辑工具箱进行建模仿真研究的[8]。

3.2最优方案的确定

传统的PID控制存在许多不足，这主要表现在两个方面：

一，PID控制器的参数整定必须相对于某一模型已知、系统参数已知的系统；二，PID控制器参数一旦整定完毕，便只能固定地适用于一种工况。

但事实上大多数的生产过程都具有非线性，且其特性随时间的变化而变化，显然固定一种参数不能满足生产的要求。

所以，需要设计一种能够校正PID参数且具有一定的自适应能力的PID控制器算法。

由于模糊控制利用模糊的概念，不用建立数学模型，根据实际系统的输入和输出结果数据，参考现场操作人员的运行经验，就可以对系统进行实时控制，实际是一种非线性控制，属于智能控制的范畴。

它有如下一些突出优点：

（1）模糊控制是一种基于规则的控制，它直接采用语言型控制规则，其依据是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中不需要建立被控对象的精确数学模型，所以使得控制机理和策略易于接受与理解，设计简单，便于应用。

（2）由工业过程的定性认识出发，比较容易建立语言控制规则，因而模糊控制对那些数学模型难以获取，动态特性不易掌握或变化非常显著的对象非常适用。

（3）模糊控制是基于启发性知识及语言决策规则设计的，这有利于模拟人工控制的过程和方法，增强控制系统的适应能力，使之具有一定智能水平[10]。

基于上述分析，可以把PID控制策略引入模糊控制器，构成模糊PID复合控制，使动静态性能都得到很好的改善，即达到动态响应快、超调小、稳态误差小，不失为最优的控制方案。

3.3方案设计思路

在分析锅炉汽包水位控制的要求和特点的基础上，通过模糊控制原理来针对性的设计锅炉汽包水位控制系统，首先，进行模糊控制器的结构设计；其次，对模糊控制规则表进行设计；最后，做出模糊决策，并画出其相应的原理图。

其中水位偏差和蒸汽流量偏差作为输入，模糊推理结果经解模糊后所得的变量作为输出，控制汽包进水阀门开度。

为了验证模糊控制的有效性，本次设计采用MATLAB对锅炉汽包水位控制系统进行仿真。

第一步，根据锅炉汽包水位控制系统的工作特性，建立被控对象的数学模型；第二步，建立锅炉汽包水位控制系统的仿真模型，设计出锅炉汽包水位控制系统的SIMULINK仿真模型尤为重要；第三步，对仿真结果进行分析。

第四章总结

通过对智能控制在锅炉汽包液位自动控制中的应用这一命题相关资料的搜集和整理，对通过应用模糊控制原理的智能控制方式来实现锅炉汽包水位的控制有了整体的思路，确定了大概的设计方案。

本次设计采用MATLAB对锅炉汽包水位控制系统进行仿真，来验证模糊控制的有效性，这就进一步加深了对MATLAB仿真软件的认识和熟悉。

本次设计的重点是锅炉汽包水位模糊控制系统的设计，是模糊控制理论的具体应用。

此外，锅炉汽包水位控制系统的仿真模型的建立也尤为重要，对SIMULINK仿真的实现至关重要。

参考文献

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