锅炉汽包水位三冲量控制系统仿真

xxxx大学本科生课程设计论文题目：锅炉汽包水位三冲量控制系统仿真学生姓名：学号：专业：班级：指导教师：时间：2013年12月8日内蒙古科技大学课程设计任务书目录第一章汽包水位控制的概述.................................................................................................... - 1 -1.1 锅炉汽包水位的动态特性........................................................................................... - 1 -1.1.1 给水流量W对汽包水位H的影响 ................................................................. - 1 -1.1.2汽包水位在蒸汽流量D扰动下的影响 ............................................................ - 2 - 第二章三冲量串级给水控制系统设计.................................................................................... - 4 -2.1 单冲量水位控制系统的介绍....................................................................................... - 4 -2.2 双冲量水位控制系统的介绍....................................................................................... - 5 -2.3 三冲量汽包水位控制原理........................................................................................... - 5 -2.3.1 三冲量控制方案之一........................................................................................ - 5 -2.3.2三冲量控制方案之二......................................................................................... - 7 -2.3.3三冲量控制方案之三......................................................................................... - 8 - 第三章汽包三冲量控制算法的MATLAB仿真设计 ........................................................... - 10 -3.1 控制系统模型图的绘制............................................................................................. - 10 -3.1.1 Simulink模块的调用 ....................................................................................... - 10 -3.1.2 PID子系统的建立以及封装 ........................................................................... - 10 -3.2 PID控制器的参数整定 .............................................................................................. - 12 - 第四章总结.............................................................................................................................. - 15 - 参考文献.................................................................................................................................... - 16 -第一章汽包水位控制的概述在锅炉控制工艺中，保持汽包水位在一定范围内是锅炉稳定运行的重要指标。

炉膛负压保持在一定范围内。

如果水位过低，则由于汽包内的水量较少，而负荷却很大，水的汽化速度又快，因而汽包内的水量变化速度很快，如不及时控制，就会使汽包内的水全部汽化，导致锅炉烧坏或爆炸；水位过高会影响汽包的汽水分离，产生蒸汽带水现象，会使过热器管壁结构导致破坏。

汽包水位控制的任务是使锅炉给水量始终跟着蒸发量，维持汽包水位在锅炉生产允许的范围内。

汽包及蒸发管储存着蒸汽和水，储存量的多少，是以被控制量水位表征的，通常情况下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式蒸汽流量和给水量的变化。

当蒸汽流量突然增大，汽包压力将急剧下降，饱和水将快速蒸发，使得饱和水中产生大量的汽包致使水位上升，而此时给水量并没有增加。

这就是锅炉的“虚假水位”现象，此时的水位并不能代表锅炉中水位真实情况。

因此，我们有必要对汽包的水位进行控制，将其严格控制在规定的范围内。

1.1 锅炉汽包水位的动态特性锅炉汽水系统如图所示，锅炉在运行的过程中，由于负荷、燃烧状况、给水流量等诸多干扰因素的影响；所以锅炉汽包水位是经常变化的。

其中影响汽包水位的主要因素有：（1）来自给水管道和给水泵方面的压力，包括给水压力以及调节阀开度等的变化；（2）来自蒸汽负荷的扰动，包括主蒸汽调节阀开度、蒸汽管道阻力等的变化。

分析汽包水位的动态特性，确定给水自动控制系统设时如何考虑这些扰动因素，是设计给水自动控制系统的主要依据。

1.1.1 给水流量W对汽包水位H的影响汽包水位在给水流量W扰动下的动态特性给水流量W的扰动是影响汽包水位的主要因素，它来自控制侧，属于内部扰动。

给水流量W作阶跃变化时，锅炉的水位H变化的阶跃响应曲线如图1.1所示。

H图1.1 给水流量扰动下水位的阶跃响应曲线图中当给水量增大时，由于给水温度必然低于锅炉内的汽包饱和水温度，所以需要从饱和水中吸取一部分的热量，因此导致汽包内液体温度的下降，进而使水位下的气泡减少。

只有在水位下气泡容积变化达到平衡后，管道给水量的增加才与水位成正比例地增大。

在图1.1中阶跃响应曲线的初始阶段中，水位的增加比较缓慢，可用实验特性来近似描述，因为当给水量的突变使得汽包水位经过一定的时间滞后才会增加，所以用来表示滞后时间。

根据上面的分析，若给水温度过低，则从饱和水中吸收的热量要多些，所以时间滞后也会相应的变得大一些。

1.1.2汽包水位在蒸汽流量D扰动下的影响蒸汽流量D的扰动主要来自汽轮发电机组功率或外界用汽负荷的变化，属于外部扰动，所以汽包水位在外部蒸汽流量干扰下变化的阶跃响应曲线如图1.2所示。

图1.2 蒸汽流量扰动下水位的阶跃响应曲线当负荷设备的用汽量突然增加时，单从物料不平衡的角度考虑，汽包中的蒸发量大于给水量，汽包水位的变化应如图1.2中H1所示直线下降。

但实际显示出的水位变化如图1.2中H所示水位不但不下降，反而迅速上升，这就是我们常说的“虚假水位”现象。

这种情况是由于当炉的蒸发量突然增加时，瞬间导致汽包压力下降，沸腾加剧，水面下的汽泡容积增加得很快，汽包水位上升，当汽泡容积与负荷相适应达到稳定后，水位就随物的不平衡关系的变化而开始下降。

其中H2曲线代表着水面下汽泡容积的增加而使水位的变化，实际的液位变化曲线H相当于是H1和H2合成的。

当蒸汽流量突然减小时，水位变化则是先下降再上升。

在实际的工业锅炉中，虚假水位的变化幅度与锅炉的规模有着直接的关系，例如一般的100-300T/H高压锅炉来说，当负荷变化10%的时候，其虚假水位可达30-40mm左右，因此在实际的控制方案当中应该将其考虑在内。

第二章三冲量串级给水控制系统设计在设计锅炉汽包水位控制系统时，其中的变量为汽包水位，操纵变量是管道的给水流量。

主要的干扰变量有以下四个：（1）给水方面的干扰。

如给水压力、减温器控制阀开度变化。

（2）蒸汽用量的干扰。

包括管路阻力变化和负荷设备控制阀开度的变化等。

（3）燃料量的干扰。

即包括燃料热值、燃料压力、含水量。

（4）汽包压力变化。

通过汽包内部汽水系统在压力升高时自凝结和压力降低时的自蒸发影响水位。

2.1 单冲量水位控制系统的介绍汽包水位控制系统的操纵变量为给水量，可构成如图所示的单冲量控制系统。

单冲量水位控制系统是以汽包水位测量信号为唯一的控制信号，即水位测量信号经变送器送到水位调节器，调节器根据汽包水位测量值与给定值的偏差去控制给水调节阀，改变给水量以保持汽包水位在允许范围内。

单冲量水位控制系统，是汽包水位控制系统中最简单最基本的一种形式。

这种控制系统结构简单，对于汽包内水的停留时间长，负荷变化小的小型锅炉，单冲量水位控制系统可以保证系统的有效运行。

然而，在停留时间较短，负荷变化较大时，采用单冲量水位控制系统就不能适用。

其中的原因有以下几个：①负荷变化时产生的“虚假水位“将使调节器反向错误动作，即负荷增大时调节器不但不能开大给水给水阀的开度增加给水量，反而会关小给水调节阀，一到闪急汽化平息下来，将使水位严重下降，波动厉害，动态品质很差，严重时甚至会使汽包水位降到危险程度，以致发生事故。

②负荷变化时，控制作用缓慢。

即使”虚假水位“现象不严重，从负荷变化到水位下降要有一个过程，再有水位变化到阀动作已滞后一段时间。

如果水位过程时间常数很小，偏差必然相当显著。

因此，对于停留时间短、负荷变动较大的情况，这样的系统不适合，水位不能保证。

然而对于小型锅炉，由于汽包停留时间较长，在蒸汽负荷变化时假水位的现象并不显著，配上一些连锁报警装置，也可以保证安全操作，故采用这种单冲量控制系统尚能满足生产的要求。