锅炉双冲量给水控制系统设计

第一章论文选题背景及理论发展1.1 目的及意义随着电子产品的降价及自动化生产线工艺控制连续稳定优势的凸现，越来越多的企业准备将自己的核心生产线改成全自动化生产线或者对个别关键工艺参数采用自动控制。

工业应用自控技术在中国的推广使用较晚，但近年来发展较快。

国内现在做汽包水位自动控制系统方面的设计公司很多，但由于能够集工艺要求、自动化技术和电气技术三者于一体的设计不多，所以人们清楚地认识到自动控制技术在工业应用中的重要地位和作用，在水位控制系统中，主要采用“三冲量控制”方案来实现锅炉汽包水位控制更是重中之重。

本课题的目的及意义：锅炉汽包水位控制是维持锅筒水位在允许的范围内，使锅炉的给水量适应锅炉的蒸发量。

由于锅炉的水位同时受到锅炉侧和气轮机侧的影响，因此，当锅炉负荷变化或气轮机用汽量变化时，通过给水调节系统保持锅炉的水位正常是保证锅炉和气轮机安全运行的重要条件。

水位过高或过低，都是不允许的。

水位过高会影响汽水分离器的正常工作，严重时会导致蒸汽带水增加，使过热器管壁和气轮机叶片结垢，造成事故；锅炉出口蒸汽带水过多还会使过热蒸汽温度产生急剧变化。

水位过低，则会破坏正常水循环，危及水冷壁受热面的安全。

一般要求锅筒水位维持在设计值±75~±100mm范围内。

1.2 自动控制理论的发展一、“经典控制理论”阶段上世纪50年代前发展的控制理论被称为“古典控制理论”。

它主要研究的自动控制系统为线性定常系统，被控对象集中于SISO系统。

经典控制理论所采用的方法通常是以传递函数、频率特性、根轨迹分布为基础的波德图法和根轨迹法，包括各种稳定性判据和对数频率特性。

二、“现代控制理论”阶段60年代以后发展起来的现代控制理论主要研究MIMO系统。

系统可以是线性或非线性的，定常或时变的。

它采用状态方程代替经典理论中的一个高阶微分方程式来描述系统，并且系统中各个变量均为时间t的函数，因而属于时域分析方法。

采用状态方程的好处可以研究系统的内部特性，可以分析系统的本质。

主要内容包括：（1）系统运动状态的描述和能控性、能观性分析；（2）李亚谱诺夫稳定性理论和李亚谱诺夫函数，系统识别和卡尔曼滤波理论；（3）非线性系统控制；（4）系统最优控制及自适应控制三、“大系统理论和先进控制理论”阶段前两个阶段的控制理论的发展及应用，主要讨论存在数学模型的自动控制系统，但是对于那些不具有数学模型或很难找到数学模型的被控对象，应用经典控制理论的方法等无法解决。

但是，由于计算机技术的快速发展和价格的下降，使计算机的应用领域越来越宽，先进控制日益发展和应用起来了。

先进控制主要包括自适应控制、预测控制、智能控制、鲁棒控制等。

人工智能学科的发展促进了自动控制理论向着智能控制方向发展，而智能控制和具有智能化的自动控制系统又是人工智能的一个既有广泛应用前景的研究领域。

70年代末开始的智能控制理论和大系统理论的研究及应用，是现代控制论在深度上和广度上的开拓，因此在控制工程界受到极大的关注，主要包括：专家系统、神经网络和模糊控制、学习控制等。

智能控制具有如下特点：以专家和熟练操作工人的知识为基础进行推理、判断、预测和规划，采用符号信息处理、启发式程序设计，知识表示和自学习、推理及决策的智能化技术，实现问题的综合性求解。

先进控制离不开前两个阶段的控制理论，只是把自动控制理论推向一个更深化的崭新阶段。

1.3 控制系统规模、组成结构和硬件的发展一、初级阶段本世纪50年代前后，热工生产过程主要是凭生产实践经验，局限于一般的控制元件和机电式控制仪器，采用比较笨重的基地式仪表实现机、炉、电各自独立的分散的局部自动控制。

各控制系统之间没有或很少有联系，所应用的理论是经典控制理论。

二、常规仪表阶段50年代末及以后十年间，随着仪表工业大力发展，先后出现了电动单元仪表和巡回监测装置，这些高性能的仪表广泛应用于热工过程，并且机组容量增大，对效率及安全的要求越来越突出，因此热工控制的要求和精度变得越来越高。

要求实现把机、炉作为一单元整体来进行集中控制，仪表盘表装在一起监视，从而使机、炉启停更为协调，对提高设备效率和强化生产过程有所促进。

此时所用的仪表有电动及组装仪表。

理论发展主要是处于“经典控制理论”阶段，但也开始考虑最优控制等，各种DDZ型仪表广泛应用于水位控制中。

三、大型自动化阶段70年代至今，由于集成电路及计算机技术的飞速发展，实现了过程控制最优化及管理调度自动化相结合的分散计算机控制，目前火电发电厂都发展到了管理、决策、财务、生产过程一体化的（CIPS）阶段，整个机组的生产过程的控制只是其中的一个子系统。

采用集中分散型计算机控制系统，DCS它把各系统之间、厂级管理、调度等用大型计算机进行集中管理，而各个子回路分散控制，充分发挥了集中控制和分散控制各自的优点，是一种比较合理的新型计算机控制系统。

随着这个过程，控制理论的应用有了新的发展，各种先进控制技术也能广泛应用于热工过程。

水位控制的模式主要是三冲量，但是先进控制技术也应用到水位控制中来，如自适应控制、预测控制、模糊控制、还有可以用神经网络进行控制。

甚至应用建模技术，可以对过程实时建摸，更加提高了控制效果。

四、国外一些主要的DCS系统国外DCS系统经过几十年的发展，计算机集散控制系统已被广泛应用于包括电厂在内的诸多工业部门。

目前，世界上约有40多家公司生产近百种简单控制系统的商业产品。

比较有名的如美国的ABB、Honeywell、Tayler、Foxboro；以及日本的横河——北辰、日立、东芝；德国的Siemens等多跨国公司。

这些成熟的DCS系统都有可靠的性能，都有对于专门的生产过程发展的DCS系统，可以很方便、任意的组态，里面都包含了几乎所有的控制算法，用户可以根据现场情况实现自己的控制策略。

由于这些系统的良好的开放性，用户可以在此基础上作二次开发，把最新的技术应用到自己的系统中来，增强原系统的功能。

第二章锅炉工艺2.1锅炉结构简介锅炉系统的构成如图2.1-1所示。

整个锅炉系统主要由锅筒、炉膛、蒸汽过热器、省煤器、空气预热器、引风装置、吸风装置、给水装置、蒸汽管路、燃料供应装置、除尘装置等构成。

说明如下：锅炉本体组成部分：（1）锅筒是一个封闭的热交换器，外部及烟气相接触，利用烟气中的热量，并被烟气加热以产生饱和蒸汽；（2）炉膛是燃料燃烧装置，燃料在其中燃烧以放出热能。

在炉膛壁上装设的受热面称作水冷壁，它主要是吸收辐射热；（3）蒸汽过热器是被烟气加热的热交换器，用以使饱和蒸汽过热成为过热蒸汽；（4）省煤器是加热给水的热交换器，利用烟气中的热量以加热送入炉筒的给水；（5）空气预热器时加热空气的热交换器，利用烟气中的热量预热送往炉膛的空气；辅助装置：（6）引风装置包括引风机及烟囱。

引风机从锅炉的烟道抽出烟气送入烟囱排出；（7）吸风装置包括吸风机及风道。

吸风机将空气经过空气预热器送往炉膛；（8）给水装置包括水泵、给水管路以及给水的化学处理设备；（9）蒸汽管路从锅炉引出蒸汽送给用户；（10）燃料供应装置从燃料堆集处所，把燃料送往锅炉房；（11）除尘装置在烟道内，除去由锅炉出来的烟气中带走的飞灰。

图2.1- 1锅炉结构图2.2锅炉工艺简介锅炉是化工、炼油、发电等工业生产过程中必不可少的重要动力设备。

常见的锅炉设备的主要工艺流程图如图2.2—1所示。

由图可知，在汽水系统方面，给水在一定温度下，经给水管道进入省煤器，加热以后送入蒸汽发生系统。

由燃料燃烧生产的热量传递给蒸汽发生系统，水吸收炉膛辐射热形成汽水混合物，由汽水分离装置产生饱和蒸汽。

然后，分离出来的饱和蒸汽经过过热器，继续吸热形成一定气温的过热蒸汽，汇集至蒸汽母管。

过热蒸汽经负荷设备控制供给负荷设备用。

热空气燃料给水(由给水泵来)冷空气(由送风机来)烟气(由引风机送往烟囱)图2.2- 1锅炉工艺图及此同时，在燃烧和烟风系统方面，送风机将空气送入空气预热器加热到一定温度。

在磨煤机中被磨成一定细度的煤粉，由来自空气预热器的一部分热空气携带经燃烧器喷入炉膛。

燃烧器喷出的煤粉及空气混合物在炉膛中及其余的热空气混合燃烧，放出大量热量。

燃烧后的热烟气顺序流经炉膛、凝渣管束、过热器、省煤器和空气预热器后，再经过除尘装置，除去其中的飞灰，最后由引风机送往烟囱，排向大气。

2.3锅炉汽包水位的控制2.3.1汽包水位控制的重要性锅炉给水控制系统是一种非线性、时变大、强耦合的多变量系统。

其中汽包水位是影响锅炉安全运行的重要参数，水位过高，会破坏汽水分离装置的正常工作，严重会导致蒸汽带水过多，增加在管壁上的结垢和影响蒸汽质量，同时，也会使过热蒸汽温度急剧下降，还会对后面的负荷设备产生破坏。

水位过低，则由于汽包的水量减少，当负荷增大时，水的汽化速度加快，若不及时调节，就会使汽包内的水全部汽化，破坏水循环，引起水冷壁管的破裂，严重时会造成干锅，损坏汽包。

所以其值过高过低都可能造成重大事故。

锅炉的给水控制系统是个复杂的物理过程，各输入、输出的耦合关系十分复杂；锅炉系统具有大的延时，并且参数是在实时变化，难以建立精确的数学模型；锅炉的负荷变化范围从零到最大负荷量；并且是不定时变负荷。

可见，汽包水位是锅炉运行的主要指标，使锅炉安全运行的重要参数，同时它还是衡量锅炉汽水系统物质是否平衡的标志。

2.3.2 汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性蒸汽流量扰动主要来自气轮机的负荷变化，这是一个经常发生的扰动，属于调节系统的外扰。

在蒸汽流量D 扰动作用下，水位的阶跃响应曲线如图2.3-1所示：图2.3- 1阶跃响应曲线图图2.3-1 汽包水位在蒸汽流量扰动作用下的阶跃响应曲线当蒸汽流量D 突然增加时，从锅炉的物料平衡关系来看，蒸汽量D 大于给水量W ，水位应下降，如图中直线H1所示。

但实际情况并非这样，由于蒸汽用量的增加，瞬间必然导致汽包压力的下降。

汽包内的水沸腾突然加剧，水中汽包迅速增加，由于汽包容积增加而使水位变化的曲线如图3中H2所示。

而实际显示的水位响应曲线H 为H1+H2。

从图上可以看出，当蒸汽负荷增加时，虽然锅炉的给水量小于蒸发量，但在一开始时，水位不仅不下降，反而迅速上升，然后在下降（反之，蒸汽流量突然减少时，则水位先下降，然后上升）这种现象称之为“虚假水位”。

应该指出：当负荷变化时，水位下汽包容积变化而引起水位的变化速度是很快的，图中H2的时间常数只有10~20S 。

蒸汽流量扰动时，水位变化的动态特性可用函数表示为： =+ =s k f+ 式中，k f ——响应速度，即蒸汽流量变化单位流量时水位的变化速度，（mm/s ）/(t/h);k 2――响应曲线H 2的放大系数；T 2——响应曲线H 2的时间常数；“虚假水位”变化的幅度及锅炉的工作压力和蒸发量有关。