锅炉汽包水位控制新版系统的设计.doc

过程控制系统实验报告

专 业 xxxxxx
班 级 xxxxxxxxx
学生姓名 xxxxxx
学 号 xxxxxxxx

锅炉汽包水位控制系统设计

一、 控制规定
设计一种汽包水位控制系统，使汽包水位维持在90CM，稳态误差±0,5CM，以满足生产规定。
二、 完毕重要任务
1. 掌控锅炉生产蒸汽工及其工作流程
2. 对被控对象进行特性分析，画出汽包水位控制系统方框图和流程图
3. 选取被控参数和被控变量，阐明其选取根据
4. 设计控制系统方案，如何选取检测仪表，阐明其选取原则和仪表性能指标
5. 阐明单回路控制系统4个环节工作形式对控制过程
6. 对控制进行PID控制阐明其参数整定理论
7. 对锅炉汽包水位进行simulink仿真，对参数进行整定，其仿真图要满足动态性能指标
8. 总结实验课程设计经验和收获

过程控制系统实验报告 - 0 -
第一章 锅炉汽包水位控制系统构成原理 - 3 -
1.1 概述 - 3 -
1.2 锅炉生产蒸汽工艺简述 - 3 -
1.3 锅炉生产蒸汽工作流程 - 4 -
第二章锅炉汽包水位控制系统方案设计 - 5 -
2.1 对被控对象进行特性分析 - 5 -
2.2汽包水位控制系统方框图和流程图 - 5 -
2.2.1 液位控制系统方框图 - 5 -
2.2.2 液位控制系统方案图 - 6 -
2.3选取被控参数和被控变量 - 6 -
2.4选取检测仪表，阐明其选取原则和仪表性能指标 - 7 -
2.4.1传感器、变送器选取 - 7 -
2.4.2执行器选取 - 8 -
2.4.3关于给水调节阀气开气关选取。 - 8 -
2.4.4 关于给水调节阀型号选取。 - 8 -
2.4.5 给水流量 蒸汽流量 - 8 -
2.5 四个环节工作形式对控制过程 - 8 -
第三章PID控制 - 10 -
3.1对控制进行PID控制 - 10 -
3.2整定PID理论参数 - 11 -
第四章 仿真 - 12 -
4.1对锅炉汽包水位进行simulink仿真 - 12 -
4.2对系统参数进行整定 - 13 -
第四章结束语 - 15 -

第一章 锅炉汽包水位控制系统构成原理
1.1 概述
随着电子产品降价及自动化生产线工艺控制持续稳定优势凸现，越来越多公司准备将自己核心生产线改成全自动化生产线或者对个别核心工艺参数采用自动控制。工业应用自控技术在中华人民共和国推广使用较晚，但近年来发展较快。国内当前做汽包水位自动控制系统方面设计公司诸多，但由于可以集工艺规定、自动化技术和电气技术三者于一体设计不多，因此人们清晰地结识到自动控制技术在工业应用中重要地位和作用。
从老式控制方式来看，构造简朴成本低方案不能有效控制锅炉汽包“虚假水位”现象，而可以在一定限度上控制“虚假 现象”，系统却过于复杂，成本较高。故三种基本构造应运而生：单冲量调节系统构造，单级三冲量调节系统构造，串级三冲量调节系统 构造。低负荷阶段，由于疏水和排污等因素影响，给水和蒸汽流量存在着严重不平衡，并且流量太小时，测量误差大，故在低负荷阶段，普通采用单冲量调节方式。
单冲量水位控制系统是以汽包水位作为唯一控制信号，冲量即变量。单冲量水位控制系统由汽包、变送器、调节器、执行器及调节阀等构成，系统框图如下所示：
调节器
调节阀
汽包
检测变送器送器

图1.1 液位控制系统方框图
1.2 锅炉生产蒸汽工艺简述
水位控制系统任务是使给水量与锅炉蒸汽量相适应，维持汽包水位在工艺规定范畴内。
汽包水位反映了锅炉蒸汽流量与给水量之间平衡关系，是锅炉运营中非常重要监控参数。汽包水位过高，会影响汽水分离效果，使蒸汽带液，过热器结垢，影响过热器效率；如果使带液蒸汽进入汽轮机，会损坏汽轮机叶片。如果水位过低，会破坏水循坏而损坏锅炉，特别是大型锅炉，一旦停止给水，汽包存水会在很短时间内完全汽化而导致重大事故，甚至引起爆炸。因而汽包水位需要严格控制。
1.3 锅炉生产蒸汽工作流程
锅炉是工业过程中不可缺少动力设备，锅炉任务是依照外界负荷变化，输送一定质量（气压，气温）和相应数量蒸汽。
锅炉是由“锅”和“炉”俩某些构成。“锅”就是锅炉汽水系统，如图所示。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等构成。锅炉给水用给水泵打入省煤器，在省煤器中，水吸取烟气热量，使温度升高到自身压力下沸点，成为饱和水然后引入汽包。汽包中水经下降管进入锅炉底部下联箱，又经炉膛四周水冷壁进入上联箱，随后又回入汽包。水在水冷壁管中吸取炉内火焰直接辐射热，在温度不变状况下，一某些蒸发成蒸汽，成为汽水混合物。汽水混合物在汽包中分离成水和汽，水和给水一起在进入下降管参加循环，汽则由汽包顶部管子引往过热器，蒸汽在过热器中吸热、升温到规定温度，成为合格蒸汽送入蒸汽母管。
“炉”就是锅炉燃烧系统，由炉膜、烟道、吸燃器、空气预热器等构成。锅炉燃料燃烧所需空气由送风机送入，通过空气预热机，在空气预热机中吸取烟气热量，成为热空气后，与燃料按一定比例进入炉膛燃烧，生成热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽。然后通过过热器，形成一定过热蒸汽，汇集到蒸汽母管。具备一定压力过热蒸汽，通过负荷设备调节阀供负荷设备使用。与此同步，燃烧过程中产生烟气，其中具有大量余热，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。

第二章锅炉汽包水位控制系统方案设计
2.1 对被控对象进行特性分析
在设计锅炉汽包水位控制过程中一方面从汽包锅炉入手，汽包锅炉有自然循环方式和强制循环方式两种，汽包锅炉自动控制任务与直流锅炉几乎同样，也是重要涉及四个方面：（1）保证系统安全运营；（2）保持燃烧经济性；（3）保持炉膛负压在一定范畴内；（4）运营中保证气轮机所需蒸汽量，过热蒸汽压力和蒸汽温度恒定。无论上一自然循环还是强制循环锅炉，其给水控制任务都是为了保证锅炉负荷和给水平衡关系。但是，汽包锅炉由于有了汽包存在，使锅炉运营方式、锅炉构造、工作原理与直流锅炉不同，这就使实现控制方式，采用被调量均有所区别。
2.2汽包水位控制系统方框图和流程图
2
2.1
2.2
2.2.1 液位控制系统方框图
单冲量水位控制系统以汽包水位作为唯一控制信号，冲量即变量。水位测量信号经变送器送到水位调节器，调节器依照汽包水位测量值与偏差，通过执行器去控制给水调节阀以变化给水量，保持汽包水位在容许范畴内。系统方框图如下所示。

调节器
调节阀
汽包
检测变送器送器

图2.1 液位控制系统方框图
这种控制系统构造简朴，是典型单回路控制系统。采用单冲量控制系统，进行调节普通就能满足生产规定。
2.2.2 液位控制系统方案图
以汽包水位为被控参数，给水量作为控制变量可构成如图所示单回路水位控制系统，工程上也称为单冲量控制系统。这种系统长处是所用设备少，构造简朴，参数整定和使用维护以便。
在如图所示单冲量控制系统中，当锅炉蒸汽负荷（流量）突然大幅度增长时，由于假水位现象，调节器不但不及时开大给水阀来增长给水量，反而去关小调节阀开度，减小给水量。这样由于蒸汽量增长、给水量减少使汽包存水量减少。等到假水位消失后，汽包水位会严重下降，甚至会使汽包水位降到危险限度，以至发生事故。对于负荷变动较大大、中型锅炉，单冲量控制系统不能保证水位稳定，难以满足水位控制规定和生产安全。而对小型锅炉，由于蒸汽负荷变化时假水位现象并不明显，如果在配上相应某些联锁报警装置，这种单冲量控制系统也能满足生产规定，并保证安全生产。

图2.2 液位控制系统方案图
2.3选取被控参数和被控变量
被控参数：能在生产过程中借助自动控制保持恒定值（或按一定规律变化）变量。
控制变量：用来克服干扰对被控参数影响，实现控制作用变量。又称为操纵变量。最常用操纵变量是介质流量，也有以转速、电压等作为操纵变量。本次实验设计控制变量为出口流体流量。控制变量拟定被控变量选定后来，应对工艺进行分析，找出所有影响被控变量因素。在这些变量中，有些是可控，有些是不可控。
1、在诸多影响被控变量因素中选取一种对被控变量影响明显且便于控制变量，作为控制变量；
2、其他未被选中因素则视为系统干扰。
2.4选取检测仪表，阐明其选取原则和仪表性能指标
调节器选型与调节规律选取对过程控制系统控制品质有至关重要影响，也是过程控制系统设计核心内容之一。
调节器输出决定于被控参数测量值与设定值之差，被控参数测量值与设定值变化，对输出作用方向是相反。过程控制中，对于调节器正反作用定义为：当设定值不变时，随着测量值增长，调节器输出也增长，则称为“正作用”方式；同样，当测量值不变，设定值减小时，调节器输出增长，称为“正作用”方式。
调节阀正、反作用方式选取是在调节阀气开、气关方式拟定之后进行，其拟定原则是使整个单回路构成负反馈系统。

图2.2 液位控制系统流程图
2.4.1传感器、变送器选取
传感器、变送器完毕对被控参数检测，并将测量信号传送至控制器。测量信号是调节器进行控制根据，被控参数迅速、精确地测量是实现高性能控制重要条件。测量不精确或不及时，会产生失调、误调或调节不及时。因而，传感器、变送器选取是过控系统设计中重要一环。
2.4.2执行器选取
过程控制使用最多是由执行机构和调节阀构成执行器。
A、调节阀工作区间选取
B、调节阀流量特性选取
C、调节阀气开、气关作用方式选取

2.4.3关于给水调节阀气开气关选取
关于给水调节阀气开气关选取，普通都是从安全角度考虑。如果高压蒸汽供应蒸汽透平压缩机重要负荷，为保护这些设备以选用气开(F．C)阀为宜。如果蒸汽作为工艺生产中热源时，为保护锅炉，以选用气关(F．O)阀为宜。综合起来考虑，普通选带保位装置(F．IJ给水阀，即事故状态该阀停在原位。
2.4.4 关于给水调节阀型号选取
关于给水调节阀型号选取。由于流经给水阀除氧水压力为6．0MPa 温度为104℃ ，极宜产生汽蚀现象。对于轻度汽蚀，普通给水阀阀芯 阀座选用司钛莱合金堆焊即可。对于重度汽蚀，普通给水阀选用多级高压调节阀，使高压除氧水在流过调节阀多级节流孔后逐渐降压，而每级阀芯上只承担一某些压差，使节流后压力在阀某些恢复不到流体饱和蒸汽压力，可以有效避免汽蚀现象，也有效防止了汽蚀引起噪声振动和对阀芯 阀座侵蚀。
2.4.5 给水流量 蒸汽流量
给水流量蒸汽流量一次元件如果选用节流装置，则差压变送器输出信号需经开方器后再输入到加法器进行信号叠加。这样可以减少非线性对系统调节品质影响。若是选用流量变送器则不必加开方器。它们显示仪表量程应选取相似，其范畴应比额定蒸汽负荷大某些，以保证锅炉在额定负荷下给水流量有波动余地。
2.5 四个环节工作形式对控制过程
拟定调节系统方案时，要依照对象特性和工艺规定，选取适当调节规律，使构成调节系统满足预期品质指标。调节器调节规律，即它输出量与输入量（偏差值）之间函数关系。
P = f ( e )
调节器作用是依照偏差，按规定调节规律产生输出信号，推动执行机构，对生产过程进行调节。
1、比例控制（P）
合用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺上没有提出无差规定系统，
2、比例积分控制（PI）
合用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺参数不容许有余差系统。
3、比例微分控制（PD）
合用于控制通道滞后较大系统。例如加热较慢温度控制系统。
4、比例积分微分控制（PID）
合用于容量滞后较大、负荷变化大、控制质量规定较高系统，应用最普遍是温度控制系统与成分控制系统。

第三章PID控制
3.1对控制进行PID控制
求出系统传递函数，画出液位控制系统方框图。在稳定状态下,水位测量信号等于给定值,水位调节器输出,蒸汽流量及给水流量等三个信号,通过加法器得到输出电流为：
I0= K1 I1-K2 I2+ K3 I3
式中,I1 为液位调节器输出电流;I2 为蒸汽流量变送器电流;I3 为给水流量变送器电流;K1 、K2 、K3 分别为加法器各通道衰减系数。
设计K2 I2= K3 I3
此时I0 正是调节阀处在正常开度时所需要电流信号(为了安全调节阀必要用气关阀) 。假定在某一时刻,蒸汽负荷突然增长,蒸汽流量变送器输出电流I2 相应增长,加法器输出电流I0 就减少，从而开大给水调节阀。但是与此同步浮现了假水位现象,水位调节器输出电流I1 将增大。由于进入加法器两个信号相反，蒸汽流量变送器输出电流I2 会抵消一某些假水位输出电流I1 ，因此，假水位所带来影响将局部或所有被克服。
待假水位过去,水位开始下降,水位调节器输出电流I1 开始减小，此时，它与蒸流量信号变化方向相反，因而加法器输出电流I0 减小，意味着规定增长给水量，以适应新负荷需要并补充水位局限性。

图3.1 液位控制系统方框图

3.2整定PID理论参数
调节器参数工程整定办法
在控制系统设计或安装完毕后，被控对象、测量变送器和执行器这三某些特性就完全拟定了，不能任意变化。只能通过控制器参数工程整定，来调节控制系统稳定性和控制质量。
控制器参数整定，就是按照已定控制方案，求取使控制质量最佳控制器参数值。详细来说，就是拟定最适当控制器比例度P、积分时间TI，和微分时间TD。
1）稳定边界法（临界比例度法）
属于闭环整定办法，依照纯比例控制系统临界振荡实验所得数据（临界比例度Pm和振荡周期Tm），按经验公式求出调节器整定参数。
（1） 若置调节器Ti® ¥，Td=0，比例度P ®较大值，将系统投入运营。
（2） 逐渐减小P ，加干扰观测，直到浮现等幅减振荡为止。记录此时临界值Pm和Tm。

y(t)

Tm
系统临界振荡曲线
t

图3.2 液位控制系统图
依照Pm和Tm，按经验公式计算出控制器参数整定值

第四章 仿真

4.1对锅炉汽包水位进行simulink仿真
稳定边界法：

图4.1比例控制图

图4.4 比例控制 simulink仿真成果

图4.3系统PID仿真图

图4.4 PID控制 simulink仿真成果
4.2对系统参数进行整定
（1） 置调节器Ti® ¥， Td=0，比例度P ®较大值，将系统投入运营。
（2） 逐渐减小P ，加干扰观测，直到浮现等幅减振荡为止。记录此时临界值Pm和Tm。
（3）依照Pm和Tm，按经验公式计算出控制器参数整定值。
在控制系统设计或安装完毕后，被控对象、测量变送器和执行器这三某些特性就完全拟定了，不能任意变化。只能通过控制器参数工程整定，来调节控制系统稳定性和控制质量。
控制器参数整定，就是按照已定控制方案，求取使控制质量最佳控制器参数值。详细来说，就是拟定最适当控制器比例度P、积分时间TI，和微分时间TD。
1）稳定边界法（临界比例度法）
属于闭环整定办法，依照纯比例控制系统临界振荡实验所得数据（临界比例度Pm和振荡周期Tm），按经验公式求出调节器整定参数。
（1） 若置调节器Ti® ¥，Td=0，比例度P ®较大值，将系统投入运营。
（2） 逐渐减小P ，加干扰观测，直到浮现等幅减振荡为止。记录此时临界值Pm和Tm。

第五章 结束语

这次锅炉汽包水位控制系统设计，把课堂上学到东西用了出来，由于每台锅炉都不同样，不能所有说清晰。这次课程设计是使用常规仪表对锅炉汽包水位进行自动控制典型方案，让我从中体会到了过程控制内涵。也为接下来考试打下了基本。同步感谢教师精心指引，让我能顺利完毕这次课程设计。