锅炉汽包水位的控制

摘要

锅炉是电厂和化工厂里常见的生产设备，为了使锅炉能正常运行，必须维持锅炉的水位在一定的范围内，这就需要控制锅炉汽包的水位。汽包水位很重要，水位过高会影响汽水分离的效果，使蒸汽带液，损坏汽轮机叶片；如果水位过低会损坏锅炉，甚至引起爆炸。可见锅炉汽包水位控制在锅炉设备控制系统中的重要性。本论文设计的是锅炉汽包水位控制系统，利用控制装置和被控对象组成了一个自动控制系统。被调量是汽包水位，调节量是给谁量。它主要考虑汽包内部物料平衡，使给水量适应锅炉的挥发量，维持汽包中水位在工艺允许的范围内。

关键词：汽包水位虚假水位给水流量蒸汽流量

目录

摘要 (1)

1 绪论 (3)

1.1 锅炉 (3)

1.2 锅炉汽包水位控制系统的发展现状 (3)

1.3 汽包水位调节原理： (4)

1.4 本设计的主要工作 (4)

2 控制方案设计 (6)

2.1 汽包水位的影响因素 (6)

2.2 系统方框图 (6)

3 硬件选型 (8)

3.1 水位PID控制系统 (8)

3.2 PLC的选型 (8)

3.3 PLC的I/O分配 (9)

3.4 流程控制图 (10)

3.5 PLC程序 (11)

4 PID参数整定 (16)

4.1 运用试凑法选定PID参数 (16)

4.2 MATLAB仿真结果 (17)

5 组态设计 (19)

5.1组态王对PLC的设备组态 (19)

5.2组态王定义数据变量 (19)

5.3组态王界面 (19)

总结 (21)

参考文献 (22)

致谢 (23)

1 绪论

1.1 锅炉

锅炉由汽锅和炉子组成。炉子是指燃烧设备，为化石烯料的化学能转换成热能提供必要的燃烧空间。汽锅是为汽水循环和汽水吸热以及汽水分离提供必要的吸热和分离空间。

锅炉作为一种把煤、石油或天然气等化石燃料所储藏的化学能转换成水或水蒸气的热能的重要设备，长期以来在工业生产和居民生活中都扮演着极其重要的角色，它已经有二百多年的历史了，但是锅炉工业的迅猛发展却是近几十年的事情。生产锅炉，主要用于为居民提供热水和供居民取暖。

从系统角度看，锅炉包括燃烧负荷控制系统、送引风系统、给水控制系统和辅助控制系统。其结构如图1-1：

图1-1

1.2 锅炉汽包水位控制系统的发展现状

锅炉汽包水位是锅炉安全运行的一个主要参数，水位过高会使蒸汽带水带盐，严重的将引起整体品质下降，严重影响生产和安全；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损坏，尤其是大型锅炉，一旦控制不当，容易使汽包满水或汽包内的水全部汽化，造成重大事故。故锅炉汽包给水控制系统的任务是保证汽包水位在允许的范围内，并兼顾锅炉的稳定运行。

PLC是70年代发展起来的中大规模的控制器，是集CPU、RAM、ROM、I/O

接口与中断系统于一体的器件[3]，已经被广泛应用于机械制造、冶金、化工、能源、交通等各种行业。随着计算机在操作系统、应用软件、通信能力上的飞速发展，大大增强了PLC通信能力，丰富了PLC编程软件和编程技巧，增强了PLC过程控制能力。因此，无论是单机还是多机控制、生产流水线控制及过程控制都可以采用PLC技术。PLC控制锅炉技术是近年来开发的一项新技术。它是PLC软、硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物。作为锅炉控制装置，其主要任务是保证锅炉的安全、稳定、经济运行，减轻操作人员的劳动强度。

随着锅炉参数的提高和容量的扩大，对给水控制提出了更高的要求，其主要原因有：

（1）汽包的个数和体积减小，使汽包的蓄水量和蒸发面积减少，从而加快了汽包水位的变化速度；

（2）锅炉容量增大，显著的提高了锅炉蒸发受热面的热负荷，使锅炉负荷对水位的影响加剧了；

（3）提高了锅炉的工作压力，使给水调节阀和给水管道系统相应复杂，调节阀的流量特性更不易满足控制系统的要求。

由此可见，随着锅炉朝大容量、高参数的发展，给水系统采用自动控制是必不可少的，它可以大大减轻运行人员的劳动强度，保证锅炉的安全运行。

1.3 汽包水位调节原理：

1.汽包锅炉给水自动控制的任务是维持汽包水位在一定的范围内变化。汽包水位是锅炉运行中的一个重要的监控参数，它间接地表示了锅炉负荷和给水的平衡关系。维持汽包水位是保持汽机和锅炉安全运行的重要条件。

2．汽包水位被控对象的扰动有四个来源，包括给水量方面的扰动为内部扰动。其余的如蒸汽负荷的扰动、燃料量的变化及汽包压力的变化等为外部扰动。其中尤以给水扰动、汽机负荷扰动和锅炉热负荷扰动较为严重。

1.4 本设计的主要工作

利用西门子PLC设计锅炉汽包水位的控制系统，编写程序。完成以下工作：完成PLC的选型，进行I/O分配。

将液位信号转化成电信号传送到PLC或计算机，利用PI或PID算法进行运算。

利用计算结果调节给水电动阀阀门开度，控制锅炉水位（内容2和3可用

matlab仿真实现。控制系统数学模型为

1.1

1

()

16

s

G s e

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+）。

利用组态王完成上位机组态设计。

5）控制时调节时间小于10s，最大超调不大于5%。

2 控制方案设计

2.1 汽包水位的影响因素 省煤器过热器水冷壁

汽

包

变频器汽包水位的由于给水量和蒸汽流量影响它的高低[4]。

水循环系统中充满了夹杂着大量蒸汽汽泡的水，随着腔内压力的变化导致水位的高低的变化。则可知影响汽包水位H 的主要因素有：

1.给水量W ；

2.汽轮机耗汽量D ；

3.燃料量B 三个主要因素。

2.2 系统方框图

首先要选取汽包水位控制系统的被控参数和控制变量，本系统按照设计要求可直接汽包水位作为被控参数。

影响水位变化的因素有给水量变化、蒸汽量变化、燃料量变化和汽包压力变化等等。而汽包压力和蒸汽流量都不能作为控制变量，因为气压压力变化并

不直接影响水位，汽包压力变化是有蒸汽流量引起的，蒸汽流量按用户的需求会各有不同，这是一个不可控因素；燃料量的变化也不能作为控制变量，因为这种变化要经过燃料系统变化热量后，才可被水吸收，这一扰动通道的传递滞后和容量滞后都很大，所以燃料量的变化不能作为控制变量。故只能选择给水量作为漆包水位的控制发展。

将系统的被控参数和控制变量选定后可得到系统方框图如下图所示：