锅炉汽包水位双冲量控制系统的设计课程设计说明

锅炉汽包水位双冲量控制系统的设计课程设计说明

目录

摘要 (2)

1 锅炉系统简介 (3)

1.1 锅炉工作过程简介 (3)

1.2 产品设计的意义 (4)

2 方案论证 (5)

2.1 系统实现功能 (5)

2.2 系统方案论证 (5)

2.2.1 串级控制方案 (5)

2.2.2 串级控制方案论证 (6)

2.3 气包水位串级双冲量调节系统图 (7)

2.4 锅炉汽包水位的PID控制方案 (8)

2.4.1 前馈调节系统 (8)

2.4.2 串级前馈调节系统 (9)

3 硬件设计 (11)

3.1 调节阀的选择 (11)

3.2 控制仪表的选择 (11)

3.3 控制器设计 (13)

3.3.1 控制器控制规律选择 (13)

3.3.2 控制器正反作用选择 (13)

3.3.3 控制器的电路实现 (14)

3.4 系统总体设计 (14)

3.5 传感器选择 (15)

3.6 变送器选择 (15)

4 软件设计 (16)

4.1 程序流程图 (16)

4.2 PID控制系统算法 (16)

5 系统分析及参数整定 (19)

5.1 给水控制系统分析及整定 (19)

5.1.1 副回路的分析和整定 (19)

5.1.2 主回路的分析和整定 (19)

5.2 锅炉水位PID控制的总体结构及仿真 (19)

6 课程设计总结 (21)

参考文献 (22)

摘要

锅炉的建模与控制问题一直是人们关注的焦点，而汽包水位是工业锅炉安全、稳定运行的重要指标，保证水位控制在给定范围内，对于提高蒸汽品质、减少设备损耗和运行损耗、确保整个网络安全运行具有重要意义。模糊控制是建立在人工经验基础之上的，它能将熟练操作员的实践经验加以总结和描述，并用语言表达出来，得到定性的、不精确的控制规则，不需要被控对象的数学模型。模糊控制易于被人们接受，构造容易，鲁棒性和适应性好。本文分析了汽包水位对象的动态特性，介绍传统的控制方式。由于锅炉水位控制系统的调节器输入端常加有两个输入量，极易引起水位控制偏差，本文提出了如何消除水位偏差的方法，即辅助信号自消方法。根据双冲量水位调节系统控制水位误差,设计采用了双冲量PID串级控制方式采用辅助信号蒸汽流量和给水流量对消方法消除水位偏差。根据锅炉控制现状，提出了参数自整定模糊控制规则，设计了二输入三输出自适应模糊PID控制器对汽包水位进行控制，克服了传统控制方式的控制效果不精确和参数难以调整等缺点。利用MATLAB 对传统PID控制系统和双冲量自适应模糊PID控制系统仿真，结果表明后者的自适应能力更强，抗干扰能力和鲁棒性更好，保证水位的稳定。

关键词：汽包水位；双冲量；串级系统； PID控制；模糊控制

1 锅炉系统简介

1.1 锅炉工作过程简介

锅炉是一种承受一定工作压力的能量转换设备.其作用就是有效地把燃料中的

化学能转换为热能,或再通过相应设备将热能转化为其它生产和生活所需的能量形

式,长期以来在生产和居民生活中都起很重要的作用。

锅炉是工业过程中不可缺少的动力设备，锅炉的任务是根据外界负荷的变化，

输送一定质量(汽压、汽温)和相应数量的蒸汽。它所产生的蒸汽不仅能够为蒸馏、

化学反应、干燥等过程提供热源，而且还可以作为风机、压缩机、泵类驱动透平的

动力源。

锅炉是由“锅”和“炉”两部分组成的。“锅”就是锅炉的汽水系统，如图1.1所示。

由省煤器3、汽包4、下降管8、过热器5、上升管7、给水调节阀2、给水母管1及

蒸汽母管6等组成。锅炉的给水用给水泵打入省煤器，在省煤器中，水吸收烟气的

热量，使温度升高到本身压力下的沸点，成为饱和水然后引入汽包。汽包中的水经

下降管进入锅炉底部的下联箱，又经炉膛四周的水冷壁进入上联箱，随即又回入汽

包。水在水冷壁管中吸收炉内火焰直接辐射的热，在温度不变的情况下，一部分蒸

发成蒸汽，成为汽水混合物。汽水混合物在汽包中分离成水和汽，水和给水一起再

进入下降管参加循环，汽则由汽包顶部的管子引往过热器，蒸汽在过热器中吸热、

升温达到规定温度，成为合格蒸汽送入蒸汽母管。

图1.1锅炉的汽水系统

“炉”就是锅炉的燃烧系统，由炉膜、烟道、喷燃器、空气预热器等组成。锅

燃 烧

燃

空1

2

3 4 5 6 7

8

炉燃料燃烧所需的空气由送风机送入，通过空气预热器，在空气预热器中吸收烟气热量，成为热空气后，与燃料按一定的比例进入炉膛燃烧，生成的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽。然后经过过热器，形成一定的过热蒸汽，汇集到蒸汽母管。具有一定压力的过热蒸汽，经过负荷设备调节阀供负荷设备使用。与此同时，燃烧过程中产生的烟气，其中含有大量余热，除了将饱和蒸汽变成过热蒸汽外，还预热锅炉给水和空气，最后经烟囱排入大气。

经上介绍，锅炉系统的主要包括燃烧系统、送引风系统、汽水系统及辅助系统等。

1.2 产品设计的意义

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。由于锅炉的水位受到负荷变化的影响，因此当锅炉用汽量变化时，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，使过热器管壁结垢，造成工业事故，同时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。使锅筒水位维持在设计值80±0.3㎝范围内。

通过以上分析，锅炉水位的控制是十分必要的，随着自动化水平的不断提高，设计一款简单、方便的过程控制系统来对水位进行自动控制及处理也显得十分必要。