過程控制課程設計--鍋爐給水控制設計

1、<p><b>　　課程設計報告</b></p><p>　　( 2008-- 2009年度第二學期)</p><p>　　名 稱： 過程控制課程設計 </p><p>　　題 目： 鍋爐給水控制設計 </p><p>　　院 系： 科院動力工程系 </p><p>

2、;<b>　　目錄</b></p><p>　　一、系統(tǒng)設計要求二、給水調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性三、控制方案的選擇與設計</p><p>　　四、控制系統(tǒng)原理方框圖</p><p>　　五、主副調(diào)判斷及系統(tǒng)整定</p><p>　　六、控制系統(tǒng)SAMA圖</p><p>　　七、結語八、參考文獻&

3、lt;/p><p>　　一、系統(tǒng)設計要求    鍋爐汽包水位自動調(diào)節(jié)的任務是使給水量跟蹤鍋爐的蒸發(fā)量并維持汽包中的水位在工藝允許的范圍內(nèi)。 維持汽包水位在給定范圍內(nèi)是保證鍋爐和汽輪機安全運行的必要條件，也是鍋爐正常運行的主要指標之一。水位過高，會影響汽包內(nèi)汽水分離效果，使汽包出口的飽和蒸汽帶水增多，蒸汽帶水會使飽和蒸汽中含鹽量增高，降低過熱蒸汽品質(zhì)，增加在過熱器管壁和汽輪機葉片上的結垢。水

4、位過低，則可能破壞自然循環(huán)鍋爐汽水循環(huán)系統(tǒng)中某些薄弱環(huán)節(jié)，以致局部水冷管壁被燒壞，嚴重時會造成爆炸事故。這些后果都是十分嚴重的。隨著鍋爐容量的增加，水位變化速度愈來愈快，人工操作愈來愈繁重，因此對汽包水位實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)提出了迫切的要求。</p><p>　　二、汽包水位調(diào)節(jié)對象的特性</p><p>　　鍋爐給水調(diào)節(jié)對象如附圖1所示，給水調(diào)節(jié)機構控制給水量W。汽輪機耗氣量D是由汽輪機調(diào)節(jié)氣門

5、來控制的。B為投入的原料量。水冷壁與汽包存水部分構成了水循環(huán)系統(tǒng)。</p><p>　　初看起來，汽包水位的動態(tài)特性似乎與單容水箱一樣，但是實際情況要復雜得多。其中最突出的一點就是水循環(huán)系統(tǒng)中充滿了夾帶著大量蒸汽氣泡的水，而蒸汽氣泡的總體積V是隨著汽包壓力和爐膛熱負荷的變化而改變的，即使水循環(huán)系統(tǒng)的總水量沒有改變，汽包水位也會隨之發(fā)生變化。</p><p>　　影響汽包水位H的主要有給水量

6、W，汽輪機的耗氣量D和燃料量B等三個主要因素。</p><p><b>　　1、給水擾動</b></p><p>　　在給水量W的階躍擾動下，水位H的響應曲線可以用附圖2來表示，如把汽包及水循環(huán)系統(tǒng)當作單容水箱，水位的響應曲線應該如圖中的直線H1?？紤]到給水溫度低于汽包內(nèi)的飽和水溫度，當它進入汽包后吸收了原有的飽和水中的一部分熱量，使鍋爐的蒸汽產(chǎn)量下降，水面以下的汽包

7、總體積Vs，也相應減小。Vs對水位的影響可以用圖中的曲線H2表示。水位H的實際響應曲線是H1和H2的總和。從圖可知，響應過程又一段時間的遲延τ。給水的過冷度越大，純延遲時間也越大。給水擾動下的傳遞函數(shù)近似表示為</p><p>　　G1(s)=ε1e-τs/s,式中ε1為水位的飛升速度。</p><p><b>　　2、負荷擾動</b></p><

8、p>　　在汽輪機耗氣量D的階躍擾動下，水位H的影響過程可用附圖3來說明。當汽輪機的耗氣量D突然階躍增加時，一方面改變了汽包內(nèi)的物質(zhì)平衡狀態(tài)，使水位下降，圖中H1表示把汽包當作單容對象時水位應有的變化；另一方面，由于耗氣量D的增加，迫使鍋內(nèi)汽泡增多；同時由于燃料量維持不變，汽包壓力Ρd下降，使水面以下的蒸汽泡膨脹，總體積Vs增大，從而導致汽包水位的上升，如圖3中H2所示。汽包水位H的實際響應過程是H=H1+H2。對于大中型鍋爐來說，

9、后者的影響要大于前者，因此在負荷階躍增加后的一段時間內(nèi)水位不但不下降，反而明顯上升。這種反?，F(xiàn)象通常稱為“虛假水位”現(xiàn)象。</p><p>　　負荷擾動下汽包水位的傳函近似表示為：</p><p>　　G2(s)=-(ε2/s-K/(1+T0s)),</p><p>　　式中，為反映物質(zhì)平衡關系的水位飛升速度；T0和K分別代表附圖3中曲線H2的時間常數(shù)和增益。<

10、;/p><p><b>　　3、燃料量擾動</b></p><p>　　燃料量B的擾動必然引起蒸汽量D的變化，因此也同樣有虛假水位的現(xiàn)象。但是由于汽包和水循環(huán)系統(tǒng)中有大量水，汽包和水冷壁金屬管道也會儲存大量的熱量，因此有一定熱慣性。燃料量B的增大只能使D緩慢增大，而且Ρd還緩慢上升，它將使汽泡體積減小。因而，燃料量擾動下的假水位比負荷擾動下要和緩很多。</p>

11、<p>　　由以上分析可知，給水量擾動下水位響應過程具有純遲延；負荷擾動下水位響應過程具有假水位現(xiàn)象；燃料量擾動下也會出現(xiàn)假水位的現(xiàn)象。這些特性使控制汽包水位的任務比較困難和復雜。</p><p>　　三、控制方案選擇及設計</p><p>　　從反饋控制的思想出發(fā)，很自然的會以水位信號H作為被調(diào)量，給水流量作為調(diào)節(jié)量，構成單回路反饋系統(tǒng)。顯然，這是一個基本的控制思路。對于小

12、機組來說，它的儲水量還是很大，水面以下的汽泡體積不占很大比重。因此給水容積延遲和假水位現(xiàn)象不明顯，可以采用單沖量控制。對于大容量（接近臨界壓力）鍋爐也可采用這種控制對象，因為在超高壓下汽和水的密度相差不大，假水位現(xiàn)象并不顯著。但是，對于大量的大中型鍋爐來說，這種系統(tǒng)不能滿足要求。因為汽輪機耗氣量改變所產(chǎn)生的假水位將引起給水調(diào)節(jié)機構的誤動作，致使汽包水位激烈地上下波動，嚴重的影響設備的壽命和安全。所以對大中型鍋爐不能采用單沖量控制系統(tǒng)，必

13、須尋求其他的解決方案。</p><p>　　如果從物質(zhì)平衡的觀點來看，只要保證給水量永遠等于蒸發(fā)量，就可以保證汽包水位大致不變。因此可以采用圖4的比值控制系統(tǒng)，其中流量調(diào)節(jié)器是PI調(diào)節(jié)器，并用汽輪機的耗氣量D作為調(diào)節(jié)系統(tǒng)得設定值，使給水量W跟蹤蒸汽量D。</p><p>　　采用比值控制方案的優(yōu)點是系統(tǒng)完全根據(jù)物質(zhì)平衡條件工作，給水量W的大小只決定于耗氣量D，假水位現(xiàn)象不會引起給水調(diào)節(jié)機構

14、的誤動作。然而應該看到，這個比值控制系統(tǒng)對于汽包水位來說只是開環(huán)控制。如果耗氣量和給水量的測量不準或者由于鍋爐排污及管道泄露等，蒸汽量與給水量之間并非總是確定的比值，此比值系統(tǒng)就不能達到汽水平衡，保持水位。這是因為汽包水位H對于(D-W)來說是一個積分關系，微小的D和W之差可以在長時間的積累中形成很大的水位偏差。所以不能單獨使用比值控制系統(tǒng)。</p><p>　　如果把上述兩種方案結合起來，就構成了所謂的汽包水位

15、三沖量控制系統(tǒng)如圖5所示。所謂三沖量，指的是引入三個測量信號：汽包水位、給水流量和蒸汽流量。這個系統(tǒng)對上述兩種方案取長補短，極大地提高了水位控制質(zhì)量。例如，當耗氣量D突然階躍增加時，一方面由于虛假水位現(xiàn)象水位會暫時升高，它使調(diào)節(jié)器錯誤地指揮調(diào)節(jié)機構減小給水量；另一方面，D的增大又通過比值控制作用智慧調(diào)節(jié)機構增加給水量。實際給水量是增大還是減小，取決于系統(tǒng)參數(shù)的整定。當假水位現(xiàn)象消失后，水位和蒸汽信號都能正確地指揮調(diào)節(jié)機構動作。只要參數(shù)整

16、定合適，當系統(tǒng)恢復平衡狀態(tài)后，給水量必須等于蒸汽量，水位H也就會維持在設定值。從另外一個角度看，這也是一個前饋-反饋復合控制系統(tǒng)。</p><p>　　必須指出，引入蒸汽量信號只是削弱了虛假水位期間調(diào)節(jié)機構的誤動作，但不能消除假水位現(xiàn)象，并且由于水位H對負荷（蒸汽量）擾動D的響應速度要比基本擾動W的相應速度快很多，因此，在外部擾動下被調(diào)量的變化幅度還是比較大，必須對負荷變化的幅度加以限制。</p>

17、<p>　　四、控制系統(tǒng)原理方框圖</p><p>　　五、主副調(diào)判斷及系統(tǒng)整定</p><p>　　1、調(diào)節(jié)器作用方式判斷</p><p>　　(1)、判斷副調(diào)節(jié)器的作用方式</p><p>　　系統(tǒng)原理方框圖所示，當測量值W上升時，由于閥門為氣開閥，調(diào)節(jié)器的輸出減小，即當調(diào)節(jié)器的輸入值增加時，調(diào)節(jié)器的輸出減小，調(diào)節(jié)器的作用為反作

18、用。</p><p>　　(2)、判斷主調(diào)節(jié)器的作用方式</p><p>　　系統(tǒng)原理方框圖所示，當測量值H上升時，測量值W應該下降，副調(diào)節(jié)器的作用方式為反作用，則主調(diào)節(jié)器的輸出應增大，即主調(diào)節(jié)器的輸入上升時，其輸出也上升，主調(diào)節(jié)器的作用為正作用。</p><p>　　2、控制系統(tǒng)工程整定</p><p>　　鍋爐給水控制系統(tǒng)為無自平衡對象，

19、在參數(shù)整定中先整定副環(huán)后整定主環(huán)，具體步驟為：</p><p>　　(1)、在主、副環(huán)回路閉合的情況下，將主控制器比例度置100%，積分時間置無限大，微分時間置最小，然后按照4：1的衰減比用單回路整定法整定副環(huán)，找出副變量出現(xiàn)4：1振蕩過程時的比例度δ2s及振蕩周期T2s。</p><p>　　(2)、將副控制器比例度置δ2s，積分時間仍置最長，微分時間置最小，然后按照衰減比4：1單回路整

20、定法整定主環(huán)，找出主變量出現(xiàn)4：1振蕩時的比例度δ1s及振蕩周期T1s。</p><p>　　(3)、通過查表法，求得主、副控制器的參數(shù)，按照求得參數(shù)調(diào)整控制器，進行仿真實驗。</p><p>　　六、控制系統(tǒng)SAMA圖（見附圖）</p><p><b>　　七、結語</b></p><p>　　串級三沖量給水控制系統(tǒng)設

21、計從設計要求入手，考慮到過程中產(chǎn)生的擾動對水位產(chǎn)生的影響，設計控制系統(tǒng)，分析采用單沖量和三沖量的綜合方法對水位進行控制，消除虛假水位現(xiàn)象對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，使系統(tǒng)給水量跟蹤鍋爐的蒸發(fā)量，達到預定控制效果。通過鍋爐給水控制系統(tǒng)的設計實驗，更深的了解了給水控制系統(tǒng)的組成結構和原理，實現(xiàn)預期的課程設計目的。</p><p><b>　　八、參考文獻</b></p><p>