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1、精选优质文档-倾情为你奉上目 录第1章 题目背景与意义汽包水位是锅炉运行中的一个重要参数,它体现了锅炉产生的蒸汽量和给水量之间的动态平衡关系,是保证锅炉安全运行的重要条件。汽包水位过高会影响汽水分离,造成出口蒸汽中水分过多,结果导致过热器的受热面结垢而被烧坏;而汽包水位过低,则会破坏汽水循环,造成水冷壁管供水不足而被烧毁,甚至引起锅炉爆炸。汽包水位控制的目的就是要克服锅炉负荷变化所引起的“虚假水位”和各种干扰对水位的影响,维持汽包水位在允许的范围内变化。锅炉水位自动控制的任务,就是控制给水流量与蒸发量的动态平衡,维持汽包内水位在允许的范围内变化。同时，汽包水位在正常范内波动是保证锅炉安全生产运
2、行的必要条件。锅炉汽包水位是锅炉运行中的一个重要监控参数，它间接地体现了锅炉负荷和给水之间的平衡关系。锅炉给水控制系统是火力发电厂非常重要的控制子系统，稳定的汽包水位是汽包锅炉安全运行的重要指标。火电厂给水系统构成复杂，汽包水位受到机组负荷、汽包压力、温度、给水量等多项参数的影响：不同负荷阶段，给水设备不同，又需要采取不同的控制方式。目前使用的火电厂给水控制系统存在着各自的不足之处，往往难以满足火电机组复杂工况的要求。针对这些情况，为了保证汽包水位维持在要求值，本文首先分析了给水控制对象的动态特性，在此基础上设计出了采用汽动调速泵、电动调速泵、调节阀三者结合的汽包水位控制系统，低负荷时通过改变
3、旁路调节阀的开度来调节给水量，用单冲量控制系统控制汽包水位；高负荷时通过改变给水泵转速改变给水量，用串级三冲量控制系统控制汽包水位，保证对汽包水位蒸汽流量和给水流量的准确测量。给水调节阀、汽泵、电泵之间，单冲量系统和三冲量系统之间都能实现无扰切换，既能满足机组全程控制要求，又有良好的调节性能和运行经济性。传统的控制方法是基于各种分立器件，利用多种检测器对被控参数进行实时检测并反馈给控制器件，再根据自动控制理论的有关算法完成相应的运算并驱动调节机构完成相应的动作，从而达到自动控制的目的。这种控制方式受分立器件的性能影响大，系统各部分之间影响较大，自动化水平不高，控制效果并非十分理想，并且易出现故
4、障，不利于系统的长期安全、高效运行。现在广泛使用的控制技术还有DCS集散控制系统，DCS系统适合有多个控制回路同时工作的复杂系统，而且集散控制系统往往价格昂贵，对于像汽包水位这样的控制系统来说性价比太高，因此对于汽包水位控制系统来说并非理想的选择。第2章 设计题目介绍2.1 锅炉汽包水位的动态特性 锅炉汽水系统如图所示，锅炉在运行的过程中，由于负荷、燃烧状况、给水流量等诸多干扰因素的影响；所以锅炉汽包水位是经常变化的。其中影响汽包水位的主要因素有：（1）来自给水管道和给水泵方面的压力，包括给水压力以及调节阀开度等的变化；（2）来自蒸汽负荷的扰动，包括主蒸汽调节阀开度、蒸汽管道阻力等的变化。分析
5、汽包水位的动态特性，确定给水自动控制系统设时如何考虑这些扰动因素，是设计给水自动控制系统的主要依据。2.1.1 给水流量W对汽包水位H的影响汽包水位在给水流量W扰动下的动态特性给水流量W的扰动是影响汽包水位的主要因素，它来自控制侧，属于内部扰动。给水流量W作阶跃变化时，锅炉的水位H变化的阶跃响应曲线如图1.1所示。图2.1 给水流量扰动下水位的阶跃响应曲线图中当给水量增大时，由于给水温度必然低于锅炉内的汽包饱和水温度，所以需要从饱和水中吸取一部分的热量，因此导致汽包内液体温度的下降，进而使水位下的气泡减少。只有在水位下气泡容积变化达到平衡后，管道给水量的增加才与水位成正比例地增大。在图1.1中
6、阶跃响应曲线的初始阶段中，水位的增加比较缓慢，可用实验特性来近似描述，因为当给水量的突变使得汽包水位经过一定的时间滞后才会增加，所以用来表示滞后时间。根据上面的分析，若给水温度过低，则从饱和水中吸收的热量要多些，所以时间滞后也会相应的变得大一些。2.1.2汽包水位在蒸汽流量D扰动下的影响 蒸汽流量D的扰动主要来自汽轮发电机组功率或外界用汽负荷的变化，属于外部扰动，所以汽包水位在外部蒸汽流量干扰下变化的阶跃响应曲线如图1.2所示。图2.2 蒸汽流量扰动下水位的阶跃响应曲线当负荷设备的用汽量突然增加时，单从物料不平衡的角度考虑，汽包中的蒸发量大于给水量，汽包水位的变化应如图1.2中H1所示直线下降
7、。但实际显示出的水位变化如图1.2中H所示水位不但不下降，反而迅速上升，这就是我们常说的“虚假水位”现象。这种情况是由于当炉的蒸发量突然增加时，瞬间导致汽包压力下降，沸腾加剧，水面下的汽泡容积增加得很快，汽包水位上升，当汽泡容积与负荷相适应达到稳定后，水位就随物的不平衡关系的变化而开始下降。其中H2曲线代表着水面下汽泡容积的增加而使水位的变化，实际的液位变化曲线H相当于是H1和H2合成的。当蒸汽流量突然减小时，水位变化则是先下降再上升。在实际的工业锅炉中，虚假水位的变化幅度与锅炉的规模有着直接的关系，例如一般的100-300T/H高压锅炉来说，当负荷变化10%的时候，其虚假水位可达30-40m
8、m左右，因此在实际的控制方案当中应该将其考虑在内。2.2锅炉汽包水位特性工业锅炉汽水系统结构见图2-1。汽包及蒸发管系统中储藏着蒸汽和水,储藏量的多少是以被控量水位来表征的。汽包的流入量是给水量,流出量是蒸汽量, 当给水量等于蒸发量时, 汽包水位就能恒定不变。引起水位变化的主要扰动是蒸汽流量的变化和给水流量的变化。如果只考虑主 要扰动,那么,汽包水位对象的动态特性可用方程式表示为:式中: T1,T2为时间常数;Tw为给水流量项时间常数;TD为蒸汽流量项时间常数;Kw为给水流量项的放大系数;KD为蒸汽流量项的放大系数。图2-3锅炉汽水系统2.2.1汽包水位在给水流量作用下的动态特性 给水量是锅炉
9、的输入量,如果蒸汽负荷不变 ,那么在给水流量发生变化时, 汽包水位对象的微分方程式可以表示为: 从而可以得到汽包水位在给水流量作用下的传递函数:Tw的数值一般很小常常以忽略不计,对于一些锅炉,在给水量增加时,在较长的一段时间里,汽包水位并不增加,存在一段较长的起始惯性段,用下式近似表示,其响应曲线图见图2-4。图2-4给水流量阶跃变化时的汽包响应曲线 （4）由图3-2可知,在给水流量阶跃输入作用下,当突然加大给水量(蒸汽量不变),使给水量大于蒸发量,汽包水位一开始并不立即增加,而呈现出一段起始惯性 段。这是因为温度较低的更多的给水进入了水循环系统,使它从原有的饱和汽 水中吸取了一部分热量,汽包
10、和汽水管路中由于热量的损失,汽泡体积减少经省煤器进入汽包的给水,首先必须填补由于汽水管路中蒸汽减少让出的空间。这时,虽然给水量增加,但水位基 本不变但水面下汽包容积变化过程逐渐平静时,汽包水位才由于贮水量的增加而逐渐上升当水面下汽泡容积不再变化,完全稳定下来时,水位就随着贮水量的增加而直线上升。 2.2.2包水位在蒸汽流量作用下的动态特性 汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性(给水量不变)可用下式表示为：（5）: 则其传递函数可以用两个动态环节的并联来等效,其汽包的阶跃响应曲线见图2-5。图2-5 汽包水位在蒸汽流量阶跃作用下的响应曲线（6）图2-5可知,当负荷蒸汽流量增加时,汽包水位开始不但不
11、降反 而上升,即先上升后下降;当蒸汽负荷量突然减小时,则汽包水位变化的情况相反,先降后升。造成“虚假液位”的原因有:一是锅炉蒸汽负荷增加使炉管和汽包中汽水混合物的汽水比例发生变化( 汽容积增加) 而引起汽包水位上升,这是引起汽“虚假液位”的主要原因。二是蒸汽流量增加, 汽包气压下降,炉水沸点下降。由于炉水位饱和水的气化,使汽包水位随压力下降而升高。第3章 系统设计3.1 给水流量扰动下的水位动态特性实验3.1.1方案论证所谓单容指只有一个贮蓄容器。自衡是指对象在扰动作用下，其平衡位置被破坏后，不需要操作人员或设备等干预，依靠其自身重新恢复平衡的过程。图2-1所示为单容自衡水箱特性测试结构图及方
12、框图。阀门F1-1、F2-14和F1-6全开，设上水箱流入量为Q1，改变电动调节阀V1的开度可以改变Q1的大小，上水箱的流出量为Q2，改变出水阀F1-9的开度可以改变Q2。液位h的变化反映了Q1与Q2不等而引起水箱中蓄水或泄水的过程。若将Q1作为被控过程的输入变量，h为其输出变量，则该被控过程的数学模型就是h与Q1之间的数学表达式。图3-1 单容自衡水箱特性测试系统（a）结构图 （b）方框图根据动态物料平衡关系有Q1-Q2=A (1)将式(2-1)表示为增量形式Q1-Q2=A (2)式中：Q1，Q2，h分别为偏离某一平衡状态的增量； A水箱截面积。在平衡时，Q1=Q2，0；当Q1发生变化时，液
13、位h随之变化，水箱出口处的静压也随之变化，Q2也发生变化。由流体力学可知，流体在紊流情况下，液位h与流量之间为非线性关系。但为了简化起见，经线性化处理后，可近似认为Q2与h成正比关系，而与阀F1-9的阻力R成反比，即Q2= 或 R= (3) 式中：R阀F1-9的阻力，称为液阻。将式(2-2)、式(2-3)经拉氏变换并消去中间变量Q2，即可得到单容水箱的数学模型为W0（s）= (4) 式中T为水箱的时间常数，TRC；K为放大系数，KR；C为水箱的容量系数。若令Q1（s）作阶跃扰动，即Q1（s）=，x0=常数，则式(2-4)可改写为H（s）=K-对上式取拉氏反变换得h(t)=Kx0(1-e-t/T
14、) (5)当t时，h（）-h（0）=Kx0，因而有K= (6) 当t=T时，则有h(T)=Kx0(1-e-1)=0.632Kx0=0.632h() (7)式（2-5）表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图2-2（a）所示，该曲线上升到稳态值的63%所对应的时间，就是水箱的时间常数T。也可由坐标原点对响应曲线作切线OA，切线与稳态值交点A所对应的时间就是该时间常数T，由响应曲线求得K和T后，就能求得单容水箱的传递函数。图3-2 单容水箱的阶跃响应曲线如果对象具有滞后特性时，其阶跃响应曲线则为图2-2（b），在此曲线的拐点D处作一切线，它与时间轴交于B点，与响应稳态值的渐近线交于A点。图中OB即为对象的滞后时间，BC为对象的时间常数T，所得的传递函数为：H(S)= (8) 3.1.2过程论证本实验选择作上水箱为被测对象，实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-6、F2-14全开，将出水阀门F1-9开至适当开度（40%-70%），其余阀门均关闭。(1)将“SA-12智能调节仪控制” 挂件挂到屏上，并将挂件的通讯线插头插入屏内RS485通讯口上，将控制屏右侧RS485通讯线通过RS485/232转换器连接到计算机串口1，并按照下面的控制屏接线说明连接实验系统。文字部分强电接通电源控制柜电源总
