汽包水位自动控制系统设计

一、课程设计(综合实验)的目的与要求锅炉是工业生产及人民生活的主要的动力及能源。汽包水位是工业蒸汽锅炉安全、稳定运行的重要指标，水位过高会导致蒸汽带水进入过热器，并在过热管内结垢，影响传热效率，严重的将引起过热器爆管；水位过低又将破坏部分水冷壁的水循环引起水冷壁局部过热而爆管。高性能的锅炉产生的蒸汽流量很大，而汽包的体积相对来说较小，水位的时间常数很小。大容量锅炉若给水不及时，数秒之内就可能达到危险水位，所以锅炉汽包水位的控制显得非常重要。因此，必须采取有效、精确的自动调节，严格控制汽包水位在规定范围内。

影响汽包水位变化的因素很多，如燃煤量、给水量和蒸汽流量。燃煤量对水位变化的影响是比较缓慢的，容易克服。因此，主要考虑给水量和蒸汽流量对水位的影响。水位过高会影响汽包内汽水分离，饱和水蒸汽温度急剧下降，该过热蒸汽作为汽轮机动力的话，将会损坏汽轮机叶片，影响运行的安全性和经济性。水位过低，则由于汽包内的水量转少，而负荷很大时，如不及时调节就会使汽包内的水全部液化，导致水冷壁烧坏，甚至引起爆炸。因此，锅炉汽包水位必须严加控制。

二、设计(实验)正文

1 控制系统的整体分析：

1.1 影响汽包水位的主要因素

1) 给水流量W

2) 主蒸汽流量D

3) 燃料量B

1.2 控制指标

保证给水流量W和主蒸汽流量D保持平衡，维持汽包水位H在较小范围内波动。1.3 汽包水位控制对象的动态特性分析做各种主要影响因素的阶跃扰动，记录并分析汽包水位的响应曲线

1) 给水扰动：

Matlab 仿真如图1：

图1 ：给水扰动Matlab 仿真运行结果如图2：

图2：给水扰动下的水位响应曲线

由被控对象在给水量扰动下的水位阶跃响应曲线，可以看出该被控对象无自平衡能力，且有较大的迟延，因此应采用串级控制，将给水流量的扰动消除在采用带比例作用的副调节回路中，以保证系统的稳定性。

2) 蒸汽扰动：

Matlab 仿真如图3：

图3 ：蒸汽扰动Matlab 仿真

运行结果如图4：

图4 ：蒸汽扰动下的水位响应曲线

由仿真结果看出对象在蒸发量D 扰动下，水位阶跃反应曲线有一段上升的过程，表现有“虚假水位”现象，（出现虚假水位现象的原因：当负荷突然增加，蒸汽流量增加，汽包的压强变小，导致水气化，导致水位升高，同样的，当负荷突然减小，蒸汽流量减小，汽包的压强变大，导致水中气泡液化，水位降低，这两种情况都会出现虚假水位现象。）这种现象的反应速度比内扰快，为了克服“虚假水位”现象对控制系统的不利影响，应考虑引入蒸汽流量的补偿信号。

通过上述对被控对象的动态特性分析，确定采用串级前馈三冲量控制系统：

1）因为串级系统可以有效克服二次干扰，尤其是本系统是有纯迟延环节，可以有效提高系统的快速性和准确性，改善了系统的动态特性，此外，串级系统对负荷的变化有一定的自适应能力。

2）通过静态前馈环节的加入，也可以有效改善负荷变化（蒸汽流量变化）带来的“虚假水位”现象，当蒸汽流量D 突然阶跃增加，由于虚假水位现象会使水位增加，错误地使调节机构减小给水量，但引入前馈后，D 的增加通过副回路的比例作用又使得调节机构增加给水量，所以通过合适的参数整定，将会有效克服“虚假水位”

现象。

1.4 ，系统框图、控制系统流程图及SAMA图如下所示：

图6 ：串级三冲量水位控制系统工艺流程图

在该调节系统中：调节器接受汽包水位、蒸汽流量和给水流量三个测量信号控制系统说明如下：

1) 水位H 是主信号，任何扰动引起的水位变化，都会使调节器输信号发生变化，改变给水流量，使水位恢复到给定值。

2) 主汽流量信号D 做前馈信号，其作用是削弱由于“虚假水位”而使调节

器产生的误动作，用以改善蒸汽流量扰动时的调节质量

3) 控制系统由两个闭合回路及前馈调节部分组成。主回路由主调节对象Gp(s) 、水位测量变送器Kh、主调节Gc1(s)和副回路组成；副回路由给水流量W、给水流量变送器Kw、副调节器Gc2(s) 、执行器Kμ组成；前馈部分由蒸汽流量信号D、蒸汽流量变送器Kd构成。

4) 副调节器的任务是当给水量扰动时，迅速动作使给水量保持不变；当蒸汽量扰动时，副调节器迅速改变给水量，保持给水量和蒸汽量平衡。主调节器的作用是校正水位，维持稳定水位不变。

汽包液位

LT 给水流量 AI

蒸汽流量 FT

AI

图名

汽包水位控制系统 图号 1

单位 华北电力大学 页号 第 1 页

设计 高欣 审核

制图 高欣 日期 2013.1.8 SAMA 图解析： 08

I A?T I

07 08

QC K ∫ T ≯≮ TR K ∫ ≯≮ TR A/M ≯≮ TR AO

ZT ?(x) H/L ∑- 05 H/L QC 02 QC 03 H/L 蒸汽流量 给定值 06 01 汽包水位出口信号故障 02 给水流量出口信号故障 03 蒸汽流量出口信号故障 04 汽包水位偏差大 05 给水阀位偏差大 06 蒸汽流量变化幅度过大

给水切手动 07 AI 04

SAMA图中操作器要保证手自动的无扰切换：

主调节器跟踪是为了保证副调节器无偏差；副调节器跟踪保证执行机构无偏差。

切手动的条件：

除了测量信号故障及调节器的输入偏差大，又加入了蒸汽流量变化幅度过大的要求，因为前馈的引入，虽然减小了“虚假水位”期间调节机构的误动作，但是并不能完全消除该现象，切水位H 对蒸汽流量扰动D 的响应速度比对内部扰动Ｗ的响应速度要快得多，所以当蒸汽流量变化过大时还是会引起误动作，故加入了蒸汽流量变化幅度的限制。

1.5 控制系统的仿真及参数整定：

1) 副回路的整定：

副回路的主要作用是消除二次扰动即给水阀的扰动，要求副回路的快速性和稳定性，保证给水流量的稳定。整定时，断开主回路，把副回路看成是一个单回路，为保证其快速灵活的特性，此处采用比例调节。

副回路整定Matlab 仿真：

图8：副回路整定

其中设置PID调节器于比例调节，P=30。仿真时，在20S时加入幅度为0.5

的阶跃扰动