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1、内蒙古科技大学课程设计论文I内蒙古科技大学本科生课程设计论文题 目：锅炉汽包水位控制系统仿真设计学生姓名：学 号：专 业：测控技术与仪器班 级：指导教师：年 月 日内蒙古科技大学课程设计论文II目录第 1 章 概述 .11.1 锅炉汽包水位控制概述 .11.2 锅炉汽包水位控制系统分析 .31.3 仿真软件功能概述 .3第 2 章 总体方案设计 .42.1 汽包水位控制方式 .42.1.1 单冲量控制方式 .42.1.2 双冲量控制方式 .42.1.3 三冲量控制方式 .62.2 汽包水位控制规律 .72.2.1 调节规律选择 .42.2.2 调节器正反方式的选择 .4第 3 章 simuli
2、nk 建模 .9第 4 章 simulink 仿真与优化设计 .10第 5 章 总结 .12参考文献内蒙古科技大学课程设计论文- 1 -第 1 章 概述 1.1 锅炉汽包水位控制概述锅炉是火电厂重要的动力设备，其任务就是根据生产负荷的不同需求，提供相应规格（压力和温度）的蒸汽，同时应保证锅炉经济和安全的进行。锅炉的主要的控制要求主要包括供给满足负荷需求的蒸汽量、过热蒸汽压力保持在一定范围内、过热蒸汽温度保持在一定范围内、汽包水位保持在一定范围之内、炉膛负压保持在一定范围之内、保持锅炉燃烧的经济性、保证锅炉安全稳定运行。汽包水位控制的任务是使锅炉给水量始终跟着蒸发量，维持汽包水位在锅炉生产允许的
3、范围内。汽包及蒸发管储存着蒸汽和水，储存量的多少，是以被控制量水位表征的，通常情况下汽包的流入量是给水量，流出量是蒸汽量，当给水量等于蒸汽量时，汽包水位就恒定不变。引起水位变化的主要扰动式蒸汽流量和给水量的变化。当蒸汽流量突然增大，汽包压力将急剧下降，饱和水将快速蒸发，使得饱和水中产生大量的汽包致使水位上升，而此时给水量并没有增加。这就是锅炉的“虚假水位”现象，此时的水位并不能代表锅炉中水位真实情况。因此，我们有必要对汽包的水位进行控制，将其严格控制在规定的范围内。1.2 锅炉汽包水位控制系统分析锅炉是火电厂重要的动力设备，其任务就是根据生产负荷的不同需求，提供相应规格（压力和温度）的蒸汽，同
4、时应保证锅炉经济和安全的进行。锅炉的主要的控制要求主要包括供给满足负荷需求的蒸汽量、过热蒸汽压力保持在一定范围内、过热蒸汽温度保持在一定范围内、汽包水位保持在一定范围之内、炉膛负压保持在一定范围之内、保持锅炉燃烧的经济性、保证锅炉安全稳定运行。其中锅炉汽包是锅炉运行的重要指标，本次设计是针对锅炉汽包水位控制的设计，维持汽包水位在一定的范围之内是保证锅炉安全正常运行的首要条件。如果水位过高则会影响汽包内的汽水分离，出现蒸汽带液的现象，这会使过热器管壁结垢，并使过热蒸汽温度急剧下降，如以该过热蒸汽作为汽轮机动力，将会损坏汽轮机叶片，影响安全运行；相反如果水位过低，则当负荷很大时，水将加快汽化速度，
5、此时，如不及时补水，则会导致汽包内的水全部汽化，烧毁水冷壁甚至引起爆管事故。因此必须对汽包水位进行严格控制。锅炉汽包水位特性：影响汽包水位变化的因素很多，但主要是锅炉蒸发量（蒸内蒙古科技大学课程设计论文- 2 -汽流量D） 、给水流量W和燃料B,下面重点介绍在给水流量和蒸汽流量的扰动下汽包水位变化的动态特性。汽包水位在给水流量 W 作用下的动态特性 1图 1.1 是锅炉汽包水位在给水流量作用下，水位的阶跃响应曲线。把汽包水位看作单容量无自衡过程，水位的阶跃响应曲线如图中的 1H线。图 1.1 给水流量作用下水位阶跃响应但是考虑到给水温度低于汽包内的饱和水温度，所以当给水进入汽包后就会吸收原有饱
6、和水中的一部分热量，水面以下的汽包总体积就相应减少，从而导致水位下降，固水位的实际响应曲线是曲线 H。由以上分析可知，当给水流量扰动做阶跃变化时，汽包水位起初并不立即上升，而是呈现出一段起始惯性段，这近似一个积分环节和时滞环节的串联，可以用一个传递函数来表示，故水位的动态特性 1可表示为：(1-1) 0()skHeW式中， 表示给水流量做单位变化时水位的变化速度； 表示延迟时间，对非沸腾0k 式省煤器的锅炉， 这时为 30-100 S；对于沸腾式省煤器的锅炉， 为 100-200 S；给水温度越低，时滞 亦越大。汽包水位在蒸汽流量 D 作用下的动态特性 2在蒸汽流量 D 扰动作用下，水位的阶跃
7、响应曲线如图 1.4 所示。当蒸汽流量突然增加时，改变了汽包内的物料平衡关系，蒸汽量大于给水量，因此水位下降，如图中曲线 H1，但实际并非如此，由于蒸汽用量增加，瞬间导致汽包压力的下降。汽包内水的沸腾突然加剧，水中汽泡迅速增加，由于汽泡容积增加而使水位变化的曲线如图中的 2H线。因此，实际的水位曲线为 1H+ 2，即为图中的 H。从图中可以看出，当蒸汽负荷增加时，水位不仅不下降反而上升，然后再下降(反之，蒸汽流量内蒙古科技大学课程设计论文- 3 -突然减少时，则水位先下降，然后再上升)，这种现象称之为虚假水位。所以当蒸汽流量扰动时，水位变化的动态特性 1可表示为:(1-2)2()1fkHsDT
8、S式中， fk -响应速度，即蒸汽流量变化单位流量时，水位的变化速度，单位为毫米/秒或(吨 /小时) ； 2-响应曲线的放大系数； 2-响应曲线的时间常数图 1.2 蒸汽流量扰动下水位阶跃响应虚假水位现象属于反向特性，其变化的幅度不仅与蒸汽量有关，还与锅炉的气压有关，这会给汽包水位控制带来一定的难度，设计控制方案时必须重点考虑。1.3 仿真软件功能概述Simulink 是 MATLAB 最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink 具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、
9、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点 Simulink 已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于 Simulink。Simulink 可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink 提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。内蒙古科技大学课程设计论文- 4 -第 2 章 总体方案设计
10、2.1 汽包水位控制方式结合锅炉汽包水位控制系统的动态特性可知，要想让锅炉汽包水位维持在一定的范围内，必须克服虚假水位和给水流量对汽包水位的影响，所以在设计锅炉汽包水位控制系统时，必须考虑给水流量、蒸汽流量以及汽包液位等三个冲量的控制。根据控制系统输入变量的多少，可将锅炉汽包水位控制系统分为单冲量控制系统，双冲量控制系统，三冲量控制系统。2.1.1 单冲量控制方式在锅炉汽包生产蒸汽的过程中，汽包水位对蒸汽的产量、质量、安全生产、经济运行和环境保护等具有决定性的作用并且可直接测量，所以选择水位作为锅炉汽包水位控制系统的被控参数来设计一个单回路控制系统。其设计的仪表圆圈图和系统方框图如图 2.1
11、所示。它是汽包水位自动调节中最简单、最基本的一种形式。这种方式将液位测量信号经变送器送到液位调节器，液位调节器根据液位测量值与给定值的偏差去控制调节阀的阀门开度，改变给水量来保持汽包水位在允许的操作范围内。这种控制方式，结构简单，适用于汽包容量较大，负荷变化小且虚假水位现象不太严重的小型锅炉。但是，它克服给水自发性干扰和负荷干扰的能力差，当负荷突然大幅度的变化时，锅炉汽包会产生虚假水位的现象，会使调节阀产生误动作。所以为确保生产安全，实际工业中往往不采用这种方法。L TL C汽包蒸汽省煤器给水液位调节器 调节阀 锅炉汽包液位变送器汽包液位 H_液位设定值 R图 2.1 锅炉汽包水位单冲量控制系统2.1.2 双冲量控制方式在汽包水位的控制中，虚假水位现象是控制系统必须克服，而引起虚假水位现象的主要干扰量为负荷蒸汽流量，所以引入蒸汽流量作为系统的校正信号，就可以内蒙古科技大学课程设计论文- 5 -有效地纠正由虚假水为引起的误动作，从而减少水位的波动，提高控制品质。所以选取汽包水位为被控变量，蒸汽流量为干扰量，给水量作为操纵变量来设计一个
