蒸汽发生器液位控制系统课程设计

学号：课内实践题目蒸汽发生器液位控制系统学院自动化学院专业班级姓名指导教师李向舜年月日课内实践任务书学生姓名：专业班级：指导教师：李向舜工作单位：自动化学院题目: 蒸汽发生器液位控制系统初始条件：1.先修课程:“调节仪表与过程控制系统”、“计算机控制技术”、“传感与检测技术”、“自动控制理论”等。

2.熟练使用MATLAB软件、Protel软件等。

3. 主要涉及的知识点：控制系统分析与设计、过程对象建模、仿真等。

4.课程设计参考资料：“过程控制系统及仪表”、“计算机过程控制系统”、“PID控制原理及应用”、“MATLAB应用宝典”。

要求完成的主要任务:（包括课内实践工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1. 课内实践时间：8学时。

2. 课内实践内容:根据指导老师给定的题目，按规定选择其中一套完成；至少应包括：1）过程数学模型（2学时）能够对生产某一过程进行特性分析和建模。

2）执行器、检测仪表（2学时）根据生产需要对用到的调节阀和检测仪表进行选型。

3）控制系统设计（2学时）根据工艺需求，完成整个控制系统结构设计，原理分析。

4）控制器参数整定（2学时）根据和工艺需求和控制方案设计控制器，并对控制器参数整定，应用MATLAB完成仿真验证，完成实践报告。

3. 本课内实践统一技术要求：研读辅导资料对应章节，对选定的设计题目进行理论分析，针对具体设计部分的原理分析、建模、必要的推导和可行性分析，画出系统设计框图，具体设计控制系统软硬件组成，记录实验结果（仿真结果），并对实验结果进行分析和总结。

具体设计要求包括：①复习过程控制系统设计的相关技术与方法；②针对被控对象的工艺特点，设计工业流程框图。

③根据工艺特点，分析并设计控制系统原理。

④分析并设计系统各个组成部分的结构原理以及组成，并对结果进行验证或仿真。

2.课内实践说明书按学校“课内实践工作规范”中的“统一书写格式”撰写，具体包括：①目录；②该过程对象的工艺特点与需求分析；③结合该过程对象特点及系统功能要求完成系统控制方案的选择。

④设计整个控制系统原理框图，并对各个组成部分进行选型、设计、分析；⑤重点设计出系统的控制器，并对系统的控制参数进行整定；⑥给出系统示意框图、工艺流程图、仿真运行结果和图表、以及对结果分析和总结；⑦课程设计的心得体会（至少500字）；⑧参考文献；⑨其它必要内容等。

指导教师签名：年月日蒸汽发生器俗称锅炉，是发电炼油与化工等工业部门利用燃料或其他能源的热能把水加热成为热水或蒸汽的重要能源与热源机械动力设备。

蒸汽发生器按照燃料分类可分为电蒸汽发生器、燃油蒸汽发生器、燃气蒸汽发生器等；按照出口压力可分为低压蒸汽发生器、中压蒸汽发生器、高压蒸汽发生器、超高压蒸汽发生器、亚临界压力蒸汽发生器、超临界压力蒸汽发生器等。

不同的蒸汽发生器蒸气发生系统和处理系统工作原理基本相同。

蒸汽发生器是一个较为复杂的控制过程，为保证提供合格的蒸气适应负荷需要以及安全运行，工艺参数必须严格控制。

被控参数有水位，蒸气压力，蒸气温度，炉膛负压和燃-空配比等；被控变量有给水量，燃料量和送风量等。

这些被控参数与控制变量间相互影响。

工业上将蒸汽发生器控制主要分为液位控制系统，过热蒸气温度控制系统和燃烧控制系统。

本次课内实践对蒸汽发生器液位控制系统进行研究，并利用matlab对液位控制系统进行仿真验证。

关键词：蒸汽发生器；液位控制系统；仿真1.需求分析 (1)2.被控参数和控制变量的选择 (3)3.被控过程的数学模型 (4)3.1蒸气流量对水位的影响 (4)3.2给水流量对水位的影响 (5)4.方案设计与选择 (6)4.1单冲量水位控制系统 (6)4.2双冲量水位控制系统 (6)4.3方案选择 (7)5.变送器的选择 (8)5.1蒸气流量变送器的选择 (8)5.2液位变送器的选择 (8)6.调节器的选择 (9)7.执行器的选择 (10)8.控制系统示意图 (11)9.仿真程序设计与仿真结果 (12)9.1仿真程序设计 (12)9.2仿真结果 (15)10.调节器参数整定 (17)结论 (21)心得体会 (22)参考文献 (23)附录 (24)附录A 包含前馈控制器的仿真程序图 (24)附录B 不含前馈控制器的仿真程序图 (25)附录C 仿真程序代码 (26)本科生课内实践成绩评定表 (27)蒸汽发生器液位控制系统1.需求分析液位控制的任务是使给水量与蒸汽发生器蒸发量相适应，维持液位在工艺规定的范围内。

蒸汽发生器液位体现了蒸气流量与给水量的平衡关系，是一个重要监控参数。

液位过高，会使蒸气带液，过热器结垢，影响过热器效率；同时带液蒸气进入汽轮机，会损害汽轮机叶片。

水位过低，会破坏水循环而损坏蒸汽发生器。

对于大型蒸汽发生器，若停止给水，令存水短时间内完全气化会引起重大事故，甚至爆炸。

因此，必须将蒸汽发生器液位控制在工艺允许范围内。

蒸汽发生器工艺流程图如图1.1所示。

图1.1 蒸汽发生器工艺流程图2.被控参数和控制变量的选择蒸汽发生器液位控制系统可直接选择液位作为被控参数。

影响液位变化的因素有给水量变化，蒸气流量变化，燃料量变化，蒸汽发生器压力变化等。

蒸汽发生器压力变化并不直接影响水位，而是通过压力升高时的“自凝结”和压力下降是的“自蒸发”过程影响水位。

压力变化通常是由蒸气流量变化引起的，因此可将压力变化归入蒸气流量变化因素。

蒸气流量是应用户需要改变的不可控因素，因此蒸气流量不能作为液位的控制变量。

燃料量变化要经过燃烧系统变成热量后，才被水吸收，然后影响汽化量以改变液位。

该过程传输滞后和容量滞后都很大，燃烧过程又有专门的调节系统，因此燃料量不能作为液位控制系统的控制变量。

综上所述，可作为蒸汽发生器液位控制变量的因素只有给水量。

3.被控过程的数学模型3.1蒸气流量对水位的影响在其他条件不变的情况下，蒸气流量突然增加，会使蒸汽发生器物料平衡发生变化，瞬间流出量大于流入量，存水量减少。

存水量瞬时减少必然使液位下降。

图3.1 蒸气流量阶跃干扰下蒸汽发生器水位响应曲线图3.1中的ΔH1(t)表示将蒸汽发生器当作非自衡单容对象看待时，汽包水位对蒸气流量的阶跃响应曲线。

但当蒸气流量突然增加，将导致压力瞬间下降，在蒸发管内的水沸腾突然加剧，水中气泡数量迅速增加，气泡体积增大，使液位升高。

上述现象称为“虚假水位”现象。

该现象对应曲线如图3.1ΔH2(t)所示。

蒸气流量增加ΔD 时，水位变化实际阶跃曲线如图3.1中ΔH(t)所示。

由曲线分析得，实际水位变化ΔH(t)为ΔH1(t)与ΔH2(t)的叠加。

即ΔH(t)=ΔH1(t)+ΔH2(t)。

用传递函数表示为式中，f ε为蒸气流量作用下，阶跃响应曲线稳定时的斜率；K2，T2分别为只考虑水面下气泡体积变化所引起的液位变化ΔH2(t)的放大倍数与时间常数。

()()()()()()1H H H 2221++-=+=s T K s s D s s D s s D s f ε3.2给水流量对水位的影响图3.2 给水流量阶跃干扰下蒸汽发生器水位响应曲线在给水流量增大时，水位阶跃响应曲线如图3.2中ΔH(t)所示。

若将液位对给水的响应看作无自衡单容过程，水位的阶跃响应曲线如图3.2中ΔH1(t)所示。

由于给水温度比发生器内饱和水的温度低，给水会从饱和水中吸收一部分热量，故当给水量增大后，水中气泡总体积减小，导致水位下降。

以上过程的阶跃响应曲线如图3.2中ΔH2(t)所示。

实际水位变化ΔH(t)是ΔH1(t)与ΔH2(t)的叠加，即ΔH(t)=ΔH1(t)+ΔH2(t)。

用传递函数可表示为式中，0ε为给水流量作用下，阶跃响应曲线稳定时的斜率；K1，T1分别为只考虑水面下气泡体积变化所引起的液位变化ΔH2(t)的放大倍数与时间常数。

()()()()()()1H H G H 11021++=+=s T K s s G s s G s s s ε4.方案设计与选择4.1单冲量水位控制系统以液位为被控参数，给水量作为控制变量构成的单回路液位控制系统，工程上也称单冲量控制系统，系统框图如图4.1所示。

图4.1 单冲量液位控制系统框图4.2双冲量水位控制系统液位的主要干扰是蒸气流量变化。

利用蒸气流量变化信号对给水量进行补偿控制，就可以消除或减小“虚假水位”对液位的影响。

该双冲量液位控制系统的框图如图4.2所示。

图4.2 双冲量液位控制系统框图4.3方案选择单冲量液位控制系统的优点是所用设备少，结构简单，参数整定和使用维护方便。

但缺点明显，当蒸气流量突然增加时，由于虚假水位现象，调节器不但不及时开大给水阀来增加给水量，反而去关小调节阀的开度，减小给水量。

因此，这样当蒸气量增加，给水量减小使存水量减小。

等到虚假水位消失后，水位会严重下降，甚至可能会下降到危险程度，引起事故。

双冲量液位控制系统相对单冲量控制系统增加了针对蒸气流量扰动的补偿通道，使调节阀及时按照蒸气流量扰动进行给水量补偿，而其他干扰对水位的影响有反馈控制回路克服。

这是一个前馈-反馈复合控制系统。

可以消除或减小“虚假水位”现象对液位的影响。

经由上述比较，这里选择双冲量液位控制系统作为使用方案。

5.1蒸气流量变送器的选择流量一般指单位时间内流过管道某一截面的流体数量，即瞬时流量。

把某一段时间内流过管道的流体数量的总和，即瞬时流量在某一段时间内的累计值，称为总量。

可利用流量计获得一段时间内通过的物料总体积或总质量。

常用的流量检测仪表有差压式流量计，转子流量计，靶式流量计，椭圆齿轮流量计，涡轮流量计，电磁流量计，旋涡式流量计和超声波流量计等。

差压流量计使用时有诸多因素制约，因此要查阅相关手册；转子流量计主要适合于小管径，小流量的测量；靶式流量计能测量有悬浮物，沉淀物的流体流量；椭圆齿轮流量计可能因热胀冷缩发生齿轮卡死；涡轮流量计只能在清洁流体中使用；电磁流量计特别适合测量测量含有纤维和固体颗粒的流体；旋涡式流量计要求流体的流速分布均匀；超声波流量计要求流体清洁且测量管前后有足够长的直管段。

经由上述比较，最终选择涡轮流量计作为蒸气流量变送器。

5.2液位变送器的选择通过物位测量可以获知容器内物质的体积或质量，还可以监视或控制容器内介质物位，使它保持在工艺要求的高度上，使过程正常进行。

蒸汽发生器可通过液位变送器检测液位以保证安全。

常用物位检测仪表有差压式液位变送器，电容式物位变送器和超声波液位计等。

由于蒸汽发生器使用的水含有杂质，可能会损坏直接接触液体的变送器，又因为蒸汽发生器内液体温度变化较大，使用超声波液位计会产生较大误差。

综上所述，最后选择法兰式差压变送器作为蒸汽发生器的液位变送器。

调节器常用比例积分微分调节装置。

比例控制P 的优点是控制及时，反应灵敏，偏差越大控制力度越大；缺点是控制结果存在余差。