电厂锅炉水位串级控制系统设计答辩稿
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
双冲量控制系统
单级三冲量水位控制系统
从图中可以看出，调节器接受三 个信号(H,W,D),其输出通过执行结构去 控制给水流量W，其中水位H是主要控 制信号，水位高时应减少给水流量，水 位低时应增加给水流量。蒸汽流量D和 给水流量W的变化是引起水位变化的主 要原因（扰动信号），它们分别作为水 位控制的前馈信号和反馈信号。当D改 变时，调节器动作。适当地改变给水量 W，保证D和W比值不变；而当W自发 地改变时，PID也立即动作使W恢复原 来数值，有效地控制水位的变化。
2. 保持稳定的给水量.稳定工况下,给水量不 应该时大时小地剧烈波动,否则,将对省煤器和给水 管道的安全运行不利。
汽包炉给水控制对象的结构系统
给水控制对象的动态特性
给水量扰动下水位变化的动态特性
从物质平衡的观点来看，加大了给水 量G，水位应立即上升，但实际上并不是这 样，而是经过一段迟延，甚至先下降后再 上升。这是因为给水温度远低于省煤器的 温度，即给水有一定的过冷度，水进入省 煤器后，使一部分汽变成了水，特别是沸 腾式省煤器，给水减轻了省煤器内的沸腾 度，省煤器内的汽泡总容积减少，因此， 进入省煤器内的水首先用来填补省煤器中 因汽泡破灭容积减少而降低的水位，经过 一段迟延甚至水位下降后，才能因给水量 不断从省煤器进入汽包而使水位上升。在 此过程中，负荷还未发生变化，汽包中的 水仍然在蒸发，因此水位也有下降趋势。
控制锅炉水位的意义
锅炉的控制系统中汽包液位是工业锅炉安 全运行的一个十分重要的参数，是自动控制的 重要环节，汽包液位保持在规定范围内是保证 锅炉正常运行的必要条件。“虚假水位”现象 给水位控制带来了困难和挑战，所以要对锅炉 水位进行控制，以保证锅炉能安全、可靠、有 效地运行。
锅炉水位控制系统的任务
锅炉水位控制系统方案
单冲量控制系统
单冲量指只有一个变量，即汽包水位。 单冲量控制系统的特点有： 1. 结构简单，投资少。 2. 适用于汽包容量较大，虚假水位不严重 ，负荷较平稳的场合。 3. 为安全运行，可设置水位报警和连锁控 制系统。 该过程具有虚假水位的反向特性，因此， 当负荷变化较大时，会造成控制器输出误动作 ，影响控制系统的控制品质。蒸汽负荷变化后 ，要在引起水位变化后才改变给水量，因此， 控制不及时。
汽包锅炉给水控制的任务是使给水量适应锅炉 蒸发量，并使汽包中的水位保持在一定范围内，具 体要求有以下两个方面：
1. 维持汽包水位在一定范围内。汽包水位是 影响锅炉安全运行的重要因素。水位过高，会破坏 汽水分离装置的正常工作，严重时会导致蒸汽带水 增多，从而增加在过热器管壁上和汽轮机叶片上的 结垢，甚至使汽轮机发生水冲击而损坏叶片；水位 过低，则会破坏水循环，引起水冷壁的破裂。 正常运行时水位波动范围：±（30～50）mm 异常情况：±200mm 事故情况：>±350mm
单冲量控制系统
双冲量控制系统
双冲量即增加蒸汽流量作为前馈 信号，坐车前馈加反馈控制系统。
双冲量控制系统的特点有： 1. 采用蒸汽流量作为前馈信号 ，可克服蒸汽负荷变化的影响。 2. 对给水流量扰动的影响未加 考虑，因此，适用于给水流量波动较 小的场合。 3. 由排污等水损失，给水流量 应大于蒸汽流量。
燃料扰动下水位阶跃响应曲线
给水控制对象的动态特性总结
以上三种扰动在锅炉运行中都经常发生。但是由于控制通道在给 水侧，因此蒸汽流量D和燃料量M习惯上称为外部扰动，它们只影响 水位波动的幅度。而给水量G扰动在控制系统的闭合回路里产生，一 般称为内部扰动。因此，汽包水位对于给水扰动的动态参数是给水 控制系统调节器参数整定的依据，此外，由于蒸汽流量D和燃料量M 的变化也是经常发生的外部扰动。所以常引入蒸汽流量信号D作为给 水控制系统里的前馈信号，以改善外部扰动时的控制品质。
蒸汽量D扰动下水位阶跃响应曲线
燃料量扰动下水位的动态特性
此处的炉膛热负荷扰动是指燃料量M 的扰动。燃料量M增加时，锅炉吸收更多 的热量，使蒸发强度增大，如果不调节 蒸汽阀门，由于锅炉出口汽压提高，蒸 汽流量也增大，这时蒸发量大于给水量 ，水位应下降。但由于在热负荷增加时 蒸发强度的提高，使汽水混合物中的汽 泡容积增加，而且这种现象必然先于蒸 发量增加之前发生，从而使汽包水位先 上升，从而引起“虚假水位”现象。当 蒸发量与燃烧量相适应时，水位便会迅 速下降，这种“虚假水位”现象比蒸汽 量扰动时要小一些，但持续时间较长。
研究背景
锅炉是我国工业生产和生活上应用面最广、 数量最多的热力设备，是化工、炼油、发电、造 纸和制糖等工业生产过程必不可少的重要动力设 备。锅炉安全是一个非常重要的问题，必须引起 高度重视。汽包水位是锅炉系统正常运行的重要 参数，维持锅炉汽包水位在规定范围内，是保证 锅炉安全生产运行的必要条件，也是锅炉正常生 产运行的主要指标之一。锅炉的几个调节系统中 ，汽包水位的控制是保证锅炉安全运行的必要条 件，是锅炉正常运行的主要标志之一。锅炉的水 位控制作为锅炉控制中重要的控制任务之一，在 锅炉的安全生产、降低能耗、蒸汽产量和品质等 方面起着重要作用。
论文报告概要
本次设计重点针对串级三冲量给水系 统进行了详细的设计及仿真研究。根据实 验给定的参数，用理论计算的方法整定调 节器的参数，同时借助MATLAB应用软件 进行仿真，整定系统，得到串级三冲量给 水控制系统对各种典型影响因素的干扰均 能做出快速反应，具有较高的调节质量和 调节精度，能够维持汽包水位的稳定，保 障锅炉的安全稳定运行。
给水量扰动时水位阶跃响应曲线
蒸汽流量扰动下水位的动态特性
如果只从物质平衡的角度来看，蒸 发量突然增加 时，蒸发量高于给水量 ，汽包水位是无自平衡力的，所以水位 应该直线下降，如图中 所示那样， 但实际水位是先上升，后下降，这种现 象称为“虚假水位”现象，如图中 所示。其原因是由于负荷增加时，在汽 水循环回路中的蒸发强度也将成比例增 加，水面下汽泡的容积增加得也很快， 此时燃料量 还来不及增加，汽包中汽 压 下降，汽包膨胀，使汽泡体积增大 而水位上升。
双冲量控制系统
单级三冲量水位控制系统
从图中可以看出，调节器接受三 个信号(H,W,D),其输出通过执行结构去 控制给水流量W，其中水位H是主要控 制信号，水位高时应减少给水流量，水 位低时应增加给水流量。蒸汽流量D和 给水流量W的变化是引起水位变化的主 要原因（扰动信号），它们分别作为水 位控制的前馈信号和反馈信号。当D改 变时，调节器动作。适当地改变给水量 W，保证D和W比值不变；而当W自发 地改变时，PID也立即动作使W恢复原 来数值，有效地控制水位的变化。
2. 保持稳定的给水量.稳定工况下,给水量不 应该时大时小地剧烈波动,否则,将对省煤器和给水 管道的安全运行不利。
汽包炉给水控制对象的结构系统
给水控制对象的动态特性
给水量扰动下水位变化的动态特性
从物质平衡的观点来看，加大了给水 量G，水位应立即上升，但实际上并不是这 样，而是经过一段迟延，甚至先下降后再 上升。这是因为给水温度远低于省煤器的 温度，即给水有一定的过冷度，水进入省 煤器后，使一部分汽变成了水，特别是沸 腾式省煤器，给水减轻了省煤器内的沸腾 度，省煤器内的汽泡总容积减少，因此， 进入省煤器内的水首先用来填补省煤器中 因汽泡破灭容积减少而降低的水位，经过 一段迟延甚至水位下降后，才能因给水量 不断从省煤器进入汽包而使水位上升。在 此过程中，负荷还未发生变化，汽包中的 水仍然在蒸发，因此水位也有下降趋势。
控制锅炉水位的意义
锅炉的控制系统中汽包液位是工业锅炉安 全运行的一个十分重要的参数，是自动控制的 重要环节，汽包液位保持在规定范围内是保证 锅炉正常运行的必要条件。“虚假水位”现象 给水位控制带来了困难和挑战，所以要对锅炉 水位进行控制，以保证锅炉能安全、可靠、有 效地运行。
锅炉水位控制系统的任务
锅炉水位控制系统方案
单冲量控制系统
单冲量指只有一个变量，即汽包水位。 单冲量控制系统的特点有： 1. 结构简单，投资少。 2. 适用于汽包容量较大，虚假水位不严重 ，负荷较平稳的场合。 3. 为安全运行，可设置水位报警和连锁控 制系统。 该过程具有虚假水位的反向特性，因此， 当负荷变化较大时，会造成控制器输出误动作 ，影响控制系统的控制品质。蒸汽负荷变化后 ，要在引起水位变化后才改变给水量，因此， 控制不及时。
汽包锅炉给水控制的任务是使给水量适应锅炉 蒸发量，并使汽包中的水位保持在一定范围内，具 体要求有以下两个方面：
1. 维持汽包水位在一定范围内。汽包水位是 影响锅炉安全运行的重要因素。水位过高，会破坏 汽水分离装置的正常工作，严重时会导致蒸汽带水 增多，从而增加在过热器管壁上和汽轮机叶片上的 结垢，甚至使汽轮机发生水冲击而损坏叶片；水位 过低，则会破坏水循环，引起水冷壁的破裂。 正常运行时水位波动范围：±（30～50）mm 异常情况：±200mm 事故情况：>±350mm
单冲量控制系统
双冲量控制系统
双冲量即增加蒸汽流量作为前馈 信号，坐车前馈加反馈控制系统。
双冲量控制系统的特点有： 1. 采用蒸汽流量作为前馈信号 ，可克服蒸汽负荷变化的影响。 2. 对给水流量扰动的影响未加 考虑，因此，适用于给水流量波动较 小的场合。 3. 由排污等水损失，给水流量 应大于蒸汽流量。
燃料扰动下水位阶跃响应曲线
给水控制对象的动态特性总结
以上三种扰动在锅炉运行中都经常发生。但是由于控制通道在给 水侧，因此蒸汽流量D和燃料量M习惯上称为外部扰动，它们只影响 水位波动的幅度。而给水量G扰动在控制系统的闭合回路里产生，一 般称为内部扰动。因此，汽包水位对于给水扰动的动态参数是给水 控制系统调节器参数整定的依据，此外，由于蒸汽流量D和燃料量M 的变化也是经常发生的外部扰动。所以常引入蒸汽流量信号D作为给 水控制系统里的前馈信号，以改善外部扰动时的控制品质。
蒸汽量D扰动下水位阶跃响应曲线
燃料量扰动下水位的动态特性
此处的炉膛热负荷扰动是指燃料量M 的扰动。燃料量M增加时，锅炉吸收更多 的热量，使蒸发强度增大，如果不调节 蒸汽阀门，由于锅炉出口汽压提高，蒸 汽流量也增大，这时蒸发量大于给水量 ，水位应下降。但由于在热负荷增加时 蒸发强度的提高，使汽水混合物中的汽 泡容积增加，而且这种现象必然先于蒸 发量增加之前发生，从而使汽包水位先 上升，从而引起“虚假水位”现象。当 蒸发量与燃烧量相适应时，水位便会迅 速下降，这种“虚假水位”现象比蒸汽 量扰动时要小一些，但持续时间较长。
研究背景
锅炉是我国工业生产和生活上应用面最广、 数量最多的热力设备，是化工、炼油、发电、造 纸和制糖等工业生产过程必不可少的重要动力设 备。锅炉安全是一个非常重要的问题，必须引起 高度重视。汽包水位是锅炉系统正常运行的重要 参数，维持锅炉汽包水位在规定范围内，是保证 锅炉安全生产运行的必要条件，也是锅炉正常生 产运行的主要指标之一。锅炉的几个调节系统中 ，汽包水位的控制是保证锅炉安全运行的必要条 件，是锅炉正常运行的主要标志之一。锅炉的水 位控制作为锅炉控制中重要的控制任务之一，在 锅炉的安全生产、降低能耗、蒸汽产量和品质等 方面起着重要作用。
论文报告概要
本次设计重点针对串级三冲量给水系 统进行了详细的设计及仿真研究。根据实 验给定的参数，用理论计算的方法整定调 节器的参数，同时借助MATLAB应用软件 进行仿真，整定系统，得到串级三冲量给 水控制系统对各种典型影响因素的干扰均 能做出快速反应，具有较高的调节质量和 调节精度，能够维持汽包水位的稳定，保 障锅炉的安全稳定运行。
给水量扰动时水位阶跃响应曲线
蒸汽流量扰动下水位的动态特性
如果只从物质平衡的角度来看，蒸 发量突然增加 时，蒸发量高于给水量 ，汽包水位是无自平衡力的，所以水位 应该直线下降，如图中 所示那样， 但实际水位是先上升，后下降，这种现 象称为“虚假水位”现象，如图中 所示。其原因是由于负荷增加时，在汽 水循环回路中的蒸发强度也将成比例增 加，水面下汽泡的容积增加得也很快， 此时燃料量 还来不及增加，汽包中汽 压 下降，汽包膨胀，使汽泡体积增大 而水位上升。