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1、热电厂中压锅炉水位双冲量控制系统一、系统概况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。由干锅炉 往往负荷变化大、起停频繁依靠人工操作很难保证其安全、稳定地在经济工况下 长期运行，所以必须装备自动控制设备。工业锅炉的汽包液位是正常运行的主要 指标之一。液位过高会影响水汽分离，产生蒸汽带液现象；液位过低会影响锅炉 的汽水自然循环，如不及时调节就会使汽包里的水全部汽化掉，可能导致锅炉烧 坏或爆炸事故。所以在锅炉运行中保持汽包液位是十分重要的，对锅炉设备的自 动控制首先是从汽包液位的自动调节开始。图1锅炉的输入输出变量示意图锅筒水位过热汽潟*蒸汽压力锅炉是一个复杂的被控对象，主要输入变
2、量包括符合的蒸汽需求量、给水量、 燃料量、减温水量、送风量和引风量等；主要输出变量有锅筒水位、蒸汽压力、 过热蒸汽温度、炉膛负压、过剩空气（烟气含氧量）等，图1所示为输入变量与 输出变量之间的相互关系。如果蒸汽符合变化或给水量发生变化，会引起锅筒水 位、蒸汽压力和过热蒸汽温度等的变化；而燃料量的变化不仅影响蒸汽压力，还 会影响锅筒水位、过热蒸汽温度、过剩空气和炉膛负压、可见，锅炉是一个具有 多输入、多输出且变量之间相互关联的被控对象。.给水壘 减温水量燃料量送佩量引凤量锅炉汽包液位是锅炉运行中一个重要的监控参数，反映了锅炉负荷与给水的 平衡关系，要求汽包液位控制在一定范围内。锅炉汽水系统结构如
3、图2所示。图2锅炉汽水系统1给水泵；2给水母管；3调节阀；4省煤器5锅炉汽包；6下降管；7上升管；8蒸汽母管锅筒水位是保证锅炉安全运行的重要标志。水位过低时，如果负荷(蒸汽用 量)较大，水的汽化速度又快，使锅筒内的水量变化速度较快，一旦锅筒内的水 全部汽化，会导致锅炉烧坏，甚至爆炸；水位过高，影响锅筒的汽水分离，产生 蒸汽带液现象，使过热器关闭结果导致损坏，同时过热蒸汽温度下降，容易损坏 汽轮机叶片，影响机组运行的安全和经济性。因此，必须严格控制锅筒水位的高 低。锅筒水位的最大特点是水中央夹带着大量蒸汽气泡。在锅筒内水量不变的情 况下，蒸汽气泡体积的变化会引起锅筒水位的变化。蒸汽气泡的体积取决
4、于锅筒 压力、锅筒内水温和负荷需求。因此，影响锅筒水位主要有给水量、蒸汽用量等 因素。二、系统组成(1)单冲量水位控制系统单冲量水位控制系统是典型的单回路调节系统，由被控对象、测量变送单元、 调节器和执行器组成，通过给水流量调节气包液位，这里指的单冲量即气包液位。 其控制方案如图3所示，该控制方案系统结构简单，投资少，易实现。但它不能 克服“虚假液位”的影响，且不能及时反映给水量的扰动，控制作用迟缓，因此， 只适用于小型低压锅炉。(2)双冲量水位控制系统双冲量水位控制系统是在单冲量水位控制的基础上，将蒸汽流量作为前馈信 号引入控系统，这样就可消除“虚假现象”对调节系统的不良影响，从而改善调 节
5、特性，提高调节质量且投资增加不多，其控制方案如图4所示，该控制方案依 旧存在不能及时反映给水流量对调节的干扰，因此双冲量水位控制适用于负荷变 化较频繁的小型低压锅炉，而不适用于给水母管压力经常有波动的锅炉系统。经试验测试得到一组特性，其中控制通道的特性为：G （s） = 0.037毫米水柱（吨/小时）（2-1）1s（30 s +1）扰动通道的特性为：G （s）二36 -0037（2-2）215s+1 s由于该对象的给水比较稳定，所以可以把蒸汽负荷的变化当作主要扰动看 待，于是构成图5所示的前馈-反馈负荷控制系统，式（2-1）表明控制通道的纯 滞后时间很小（本例工0），因此采用以比例为主导作用的
6、PI调节器，即比例 w增益较大（Kp=2.55），积分时间较长（Ti=12分钟），所以系统的主要设计任务是选择前馈补偿环节的传递函数。图5中压锅炉水位的前馈-反馈复合控制系统方框图三、前馈补偿环节的设计根据前馈补偿原理 D - K - G （s） KG （s） + DG （s） = 0（2-3）D fv 12或者W -忌牯（2-4）D v 1式中KD为蒸汽流量变送器的仪表转换系数。选择电动单元组合仪表III型的变送 器（包括差压变送器与开放器）作为蒸汽流量变送器，且其量程选择为0120吨 /小时，则知流量变送器的仪表转换系数为：1 GK =-毫安/（吨/小时）二0.133毫安/（吨/小时）。
7、d 120K为包括执行器在内的调节阀的仪表转换系数。选择线性阀门，其最大流量为v120120吨/小时，则知K二（吨/小时）/毫安二7.5（吨/小时）/毫安。将上述求得v 16的K ，K以及已知的G （s）与G （s）代入式（2-4），得到前馈补偿函数为D v12Gf( s)=哙晋=1 - 67.3s1460s21 + 15s(25)因为蒸汽流量变化比较缓慢，二阶微分部分可以略去，所以式(2-5 )可以近似T s为G (s)沁 1 - 67.3s 沁 1(2-6)fTds +1Y式(2-6)所示的前馈补偿函数可以用图6的结构来实现。引入定值器偏置信号ID0 的目的是因为G (s)是一个增量传递函
8、数，I应减去正常蒸汽流量所对应的仪表 ff信号I ，假如正常蒸汽流量为62吨/小时，贝畀 二丄6x62 + 4二12.27毫安，补 DOD0 120偿器的输出信号为I =I -1 -1f D Do A图6前馈函数的构成四、基于Labview软件的系统仿真(1) Labview系统介绍界面图7系统介绍界面简单介绍系统的控制环节。(2)工业流程图界面图8.1系统流程图界面如图8.1所示为完整的系统流程图界面，其中图8.2所示为各仪表测量值输 出，工业上设定为显示控件。由于此次仿真没有涉及硬件，我们将其设置为输入 控件，从而来模拟系统的传感器。如图8.3所示为液位设定调节，为了防止误操作，只有当按下
9、确认按键后设 定值才会改变。设定值的初始值为500.液位设定值(mm )500谨疋I I II I I I I | I II I I I I | I II I I I I | I I I II I I | II I I I I I |0200400600 SOO LOGO图8.3液位设定值调节如图8.4所示为液位报警模块，此处我们设置了 5种报警状态，分别是“高 危！水位已达X,超过高高限，请立即关闭进水阀!”、“注意！水位已达X,超过 高限，请及时采取安全措施!”、“系统正常运行中。”、“注意！水位只有X,低 于低限，请及时采取安全措施！ ”、“高危！水位只有X,低于低低限，请立即将进水阀全
10、开！”。而高高限、高限、低限、低低限的初始值分别为900、800、200、100。同时，当水位超过高限或者低于低限时，报警灯会亮起。报彎旨示灯:索统正常运行中图8.4报警模块通过调节阀值大小来改变炉底进水流量，从而实现锅炉的水位控制。炉内产 生的蒸汽从炉顶流出，并由流量计测得的蒸汽流量反馈给系统，实现锅炉的前馈 -反馈控制。当阀值大于0,进水管道产生流动效果；同样的，当蒸汽流量大于0, 蒸汽出口产生流动效果。运行过程中，各仪表数据实时显示，直到按下停止键, 系统停止运行。具体程序如图8.5所示。(3流程囹M程序框图文件(E)编辑(E)(V)项目但)擾作(Q) TMCD窗口理)帮助但)回 回医|
11、UQ|G/|_17pt应用程序字体环馬詞丽冋报警系统II 阪P用户库F囲vi.函数0惡|:二晶可| Express汽管道动态图8.5流程图界面程序（3）控制面板界面E main.vi当前时间:2012/1/5系统介绍渝程图控制面板实时数据退出停止控制面板变制水位给定值p Q阀值（手动时作用位炉内水位I 口分手目动切换:mm虽程上限1000D分炉内沮度调节作用：炉内压力650-600-550-500-450-400-250-200-150-100-13:08:12检测量 工程单位违波磁rO 走值器DOOT 350300-图9.1控制面板界面13：08：实时数据水位给定值621.62： |实际水位
12、|0.9617(|给定阀值诃 1蒸汽流量|45.1 矽炉内温度166.571 |炉内压力|207.83；|报警点设置高高限叵 高限|o値氐限低限|0确走 0 0.05K/S . OK/S e如图9.1所示为完整的控制面板界面。变量控制模块可以进行手自动切换、控制器正反作用切换、手动时的阀值设 置（0100）、PID参数设置、滤波系数以及定值器（0120吨/小时）设置。当选 择为手动操作时，PID参数、滤波系数和定值器数据将无法进行修改；当选择为 自动操作时，阀值数据将无法进行修改。实时数据显示可以实时监控水位设定值、实际水位、给定阀值、蒸汽流量、 炉内温度和炉内压力。报警点设置可以根据需要更改
13、安全水位界限，只有按下确定按键设置才有 效，其中初始设定值分别是：咼咼限为900毫米水柱、咼限为800毫米水柱、低 限为200毫米水柱、低低限为100毫米水柱。如图9.2所示为控制面板的程序图。由于阀值范围为0100，流量范围为 0120吨/小时，采样时间为0.5秒，所以，当操作方式为手动时，阀值和水位 关系可以表示为：实际水位现值二实际水位过去值+（阀值* 1.2-蒸汽流量）/7200。sHist咤时曲线 XScal e.OffJet XScale.Min jhum XScal e. Ma/mum图9.2控制面板程序图水位设迂-位-f芬second+minutehour_L读取当前时间并将具
14、转換 为刍0点始的秒数作为X0E-* XScal如图9.3所示为控制器自动调节计算程序图。根据前馈-反馈控制器的设置, 将变量离散化，得到如下公式：0.133*( Td - T )* D (k) + 0.133* D (k -1)二 T * I (k) +1 (k -1)(公式 4-1)r drKp * I (k) - 0.016* Kp * H (k) + Kp * I (k -1) - 0.016* Kp * H (k -1)二 I (k) RTi RTim（公式4-2）4.1625*(I(k 1) +1 (k 1) + 0.2775*(I(k) +1 (k) + D *16/120 + 4) +.MM091.35* D(k) +1.935 * D(k 1) + 0.037 * D(k 2)=.450* H (k) + 45* H (k 1) + H (k 2)(公式4-3)将(公式4-1)、(公式4-2)、(公式4-3)转换成C得到公式如下：
