锅炉汽包水位控制系统的设计

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1、锅炉汽包水位限制系统的设计目 录1 引言11.1 论文选题背景、目的和意义11.1.1 电厂热工自动化限制的发展21.1.2 自动限制理论的发展21.2 限制系统规模、组成结构和硬件的发展31.2.1 初级阶段31.2.2 常规仪表阶段31.2.3 大型自动化阶段31.3 国外一些主要的DCS系统42 汽包锅炉工艺42.1 汽包锅炉简介42.2 汽包水位限制系统52.3 汽包水位的动、静态特性52.3.1 汽包水位在给水流量作用下的动态特性62.3.2 汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性72.3.3 燃料量扰动下汽包水位的动态特性82.3.4 水位对象静态特性分析93 目前主要存在单冲量水位限

2、制系统、双冲量限制系统、三冲量系统93.1 单冲量水位限制方案93.2 双冲量限制方案103.3 三冲量限制系统133.3.1 三冲量限制方案之一133.3.2 三冲量限制方案二153.3.3 三冲量限制方案三163.4 几种限制方案的比较183.5 最优方案解析193.6 三冲量限制系统的工程整定213.6.1 输入信号之间的静态协作213.6.2 限制系统动态整定234 工程中须要留意的问题254.1 关于汽包水位测量的问题254.2 给水阀的选择问题254.2.1 关于给水调整阀的气开气关的选择。254.2.2 关于给水调整阀型号的选择。254.3 给水流量 蒸汽流量265 结束语26参

3、 考 文 献26致 谢27文 摘 本文在详细分析了一些影响汽包水位对象限制主要因数的基础上，探讨了目前通常采纳的限制方法,深化分析了水位对象模型的动静特性。首先从锅炉汽包内水的热平衡、物质平衡原理动身，推导出了用来描述锅炉水位对象的通用机理限制模型，通过对几种限制方案的分析、探讨与比较，选三冲量系统作为最佳限制方案，并着力探讨三冲量系统的特点。随后对其在PID的参数整定方面也进行了必要的分析，并略述了工程中须要留意的问题。在此基础上，我们可以了解到汽包水位限制系统的新发展。关键词 锅炉汽包；水位限制；三冲量限制系统；PID；参数整定；最佳方案1 引言1.1 论文选题背景、目的和意义 随着电子产

4、品的降价与自动化生产线工艺限制连续稳定优势的凸现，越来越多的企业打算将自己的核心生产线改成全自动化生产线或者对个别关键工艺参数采纳自动限制。工业应用自控技术在中国的推广运用较晚，但近年来发展较快。国内现在做汽包水位自动限制系统方面的设计公司许多，但由于能够集工艺要求、自动化技术和电气技术三者于一体的设计不多，所以人们清晰地相识到自动限制技术在工业应用中的重要地位和作用，在水位限制系统中，主要采纳“三冲量限制”方案来实现锅炉汽包水位限制更是重中之重。本设计是通过了解了锅炉汽包水位限制的发展并在详细分析其动、静特性的基础上从单冲量限制到双冲量限制最终到三冲量限制的设计方案中择优选择了“三冲量”限制

5、，详细的方案设计存在的优缺点详见下文解析。本课题的目的与意义：锅炉汽包水位限制是维持锅筒水位在允许的范围内，使锅炉的给水量适应锅炉的蒸发量。由于锅炉的水位同时受到锅炉侧和气轮机侧的影响，因此，当锅炉负荷变更或气轮机用汽量变更时，通过给水调整系统保持锅炉的水位正常是保证锅炉和气轮机平安运行的重要条件。水位过高或过低，都是不允许的。水位过高会影响汽水分别器的正常工作，严峻时会导致蒸汽带水增加，使过热器管壁和气轮机叶片结垢，造成事故；锅炉出口蒸汽带水过多还会使过热蒸汽温度产生急剧变更。水位过低，则会破坏正常水循环，危与水冷壁受热面的平安。一般要求锅筒水位维持在设计值75100mm范围内。1.1.1

6、电厂热工自动化限制的发展 自动限制理论与工程应用的发展至今已有100多年的历史，随着现代科学技术的飞速发展，自动限制系统应用范围也越来越广泛。电厂热工系统更不例外主要表现在系统越来越大，高参数大容积，除了对限制硬件提出了高牢靠性要求之外，对限制理论也不断提出新要求，希望能不断解决新出现的限制难题，自动限制的发展主要包括两个方面：（1）限制理论的发展；（2）限制系统规模与组成结构和硬件的发展。1.1.2 自动限制理论的发展l “经典限制理论”阶段上世纪50年头前发展的限制理论被称为“古典限制理论”。它主要探讨的自动限制系统为线性定常系统，被控对象集中于SISO系统。经典限制理论所采纳的方法通常是

7、以传递函数、频率特性、根轨迹分布为基础的波德图法和根轨迹法，包括各种稳定性判据和对数频率特性。l “现代限制理论”阶段60年头以后发展起来的现代限制理论主要探讨MIMO系统。系统可以是线性或非线性的，定常或时变的。它采纳状态方程代替经典理论中的一个高阶微分方程式来描述系统，并且系统中各个变量均为时间t的函数，因而属于时域分析方法。采纳状态方程的好处可以探讨系统的内部特性，可以分析系统的本质。主要内容包括：（1）系统运动状态的描述和能控性、能观性分析；（2）李亚谱诺夫稳定性理论和李亚谱诺夫函数，系统识别和卡尔曼滤波理论；（3）非线性系统限制；（4）系统最优限制与自适应限制l “大系统理论和先进限

8、制理论”阶段前两个阶段的限制理论的发展与应用，主要探讨存在数学模型的自动限制系统，但是对于那些不具有数学模型或很难找到数学模型的被控对象，应用经典限制理论的方法等无法解决。但是，由于计算机技术的快速发展和价格的下降，使计算机的应用领域越来越宽，先进限制日益发展和应用起来了。先进限制主要包括自适应限制、预料限制、智能限制、鲁棒限制等。人工智能学科的发展促进了自动限制理论向着智能限制方向发展，而智能限制和具有智能化的自动限制系统又是人工智能的一个既有广泛应用前景的探讨领域。70年头末起先的智能限制理论和大系统理论的探讨与应用，是现代限制论在深度上和广度上的开拓，因此在限制工程界受到极大的关注，主要

9、包括：专家系统、神经网络和模糊限制、学习限制等。智能限制具有如下特点：以专家和娴熟操作工人的学问为基础进行推理、推断、预料和规划，采纳符号信息处理、启发式程序设计，学问表示和自学习、推理与决策的智能化技术，实现问题的综合性求解。先进限制离不开前两个阶段的限制理论，只是把自动限制理论推向一个更深化的崭新阶段。1.2 限制系统规模、组成结构和硬件的发展1.2.1 初级阶段本世纪50年头前后，热工生产过程主要是凭生产实践阅历，局限于一般的限制元件和机电式限制仪器，采纳比较笨重的基地式仪表实现机、炉、电各自独立的分散的局部自动限制。各限制系统之间没有或很少有联系，所应用的理论是经典限制理论。1.2.2

10、 常规仪表阶段50年头末与以后十年间，随着仪表工业大力发展，先后出现了电动单元仪表和巡回监测装置，这些高性能的仪表广泛应用于热工过程，并且机组容量增大，对效率与平安的要求越来越突出，因此热工限制的要求和精度变得越来越高。要求实现把机、炉作为一单元整体来进行集中限制，仪表盘表装在一起监视，从而使机、炉启停更为协调，对提高设备效率和强化生产过程有所促进。此时所用的仪表有电动与组装仪表。理论发展主要是处于“经典限制理论”阶段，但也起先考虑最优限制等，各种DDZ型仪表广泛应用于水位限制中。1.2.3 大型自动化阶段70年头至今，由于集成电路与计算机技术的飞速发展，实现了过程限制最优化与管理调度自动化相

11、结合的分散计算机限制，目前火电发电厂都发展到了管理、决策、财务、生产过程一体化的（CIPS）阶段，整个机组的生产过程的限制只是其中的一个子系统。采纳集中分散型计算机限制系统，DCS它把各系统之间、厂级管理、调度等用大型计算机进行集中管理，而各个子回路分散限制，充分发挥了集中限制和分散限制各自的优点，是一种比较合理的新型计算机限制系统。随着这个过程，限制理论的应用有了新的发展，各种先进限制技术也能广泛应用于热工过程。水位限制的模式主要是三冲量，但是先进限制技术也应用到水位限制中来，如自适应限制、预料限制、模糊限制、还有可以用神经网络进行限制。甚至应用建模技术，可以对过程实时建摸，更加提高了限制效

12、果。1.3 国外一些主要的DCS系统 国外DCS系统经过几十年的发展，计算机集散限制系统已被广泛应用于包括电厂在内的诸多工业部门。目前，世界上约有40多家公司生产近百种简洁限制系统的商业产品。比较出名的如美国的ABB、Honeywell、Tayler、Foxboro；以与日本的横河北辰、日立、东芝；德国的Siemens等多跨国公司。这些成熟的DCS系统都有牢靠的性能，都有对于特地的生产过程发展的DCS系统，可以很便利、随意的组态，里面都包含了几乎全部的限制算法，用户可以依据现场状况实现自己的限制策略。由于这些系统的良好的开放性，用户可以在此基础上作二次开发，把最新的技术应用到自己的系统中来，增

13、加原系统的功能。2 汽包锅炉工艺2.1 汽包锅炉简介在设计锅炉汽包水位限制的过程中首先从汽包锅炉入手，汽包锅炉有自然循环方式和强制循环方式两种，汽包锅炉自动限制的任务与直流锅炉几乎一样，也是主要包括四个方面：（1）保证系统平安运行；（2）保持燃烧的经济性；（3）保持炉膛负压在肯定范围内；（4）运行中保证气轮机所需的蒸汽量，过热蒸汽压力和蒸汽温度的恒定。无论上一自然循环还是强制循环锅炉，其给水限制的任务都是为了保证锅炉负荷和给水的平衡关系。但是，汽包锅炉由于有了汽包的存在，使锅炉的运行方式、锅炉的结构、工作原理与直流锅炉不同，这就使实现限制的方式，采纳被调量都有所区分。 汽包锅炉的工作原理：汽包

14、锅炉的蒸发系统有汽包、下降管、安排水管、下联箱、上升管、上联箱、上升管、上联箱、汽水引出管、汽水分别器组成，这种与直流锅炉结构的不同的最大优点是：这个蒸发系统是闭合的，工质在全部时候都在这个闭合的蒸发管道系统中不断循环。锅炉的蒸发受热面是有比较明显的分界线的。无论是自然循环还是强制循环汽包锅炉只是工质的循环方式不同，并不变更汽包锅炉的工作原理。这主要是由锅炉运行参数确定的，而且没有很严格的规定，当锅炉压力工作在9.8MPa18.6MPa范围内时，汽水密度差可以自行推动工质流淌，因此可以采纳自然循环；当锅炉工作压力16MPa时，一般可以采纳强制循环。调整过程特点：汽包水位成为给水限制的唯一标记，

15、因此汽包水位：（1）反映了锅炉负荷与给水的平衡关系；（2）汽包水位影响蒸发面的变更，影响锅炉的平安运行。因此在汽包锅炉中，给水限制比直流锅炉的给水限制简洁，其对象可以看成是带有可测扰动的两输入输出系统，其指标是单一的，也即把水位维持在一个范围内即可。2.2 汽包水位限制系统 众所周知，工业过程限制系统的平安性、稳定性、精确性和经济性是企业考虑的重中之重，是衡量系统是否牢靠的重要指标。随着工业自动化整体水平的提高，方案的选择范围增多，但据不同的要求和不同的侧重点，最优方案始终是我们的首选。下面以汽包水位限制系统的设计为例，对几种方案略解。汽包水位是锅炉运行的主要指标之一，是一个特别重要的被控量。

16、维持水位在肯定范围内是保证锅炉平安运行的首要条件，这是因为：水位过高会影响汽包内汽水分别，饱和水蒸气温度急剧下降，该过热蒸汽作为气轮机动力的话，将会损坏气轮机叶片，影响运行的平安性和经济性。水位过低，则由于汽包内的水量转少，而负荷很大时，如不与时调整就会使汽包内的水全部液化，导致水冷壁烧坏，甚至引起爆炸。因此，锅炉汽包水位必需严加限制。2.3 汽包水位的动、静态特性 1给水母管2给水调整阀3省煤器4汽包5下降管6上升管7过热器8蒸汽母管 图1 锅炉给水系统锅炉汽水系统结构如图1所示，汽包水位不仅受汽包（包括循环水管）中储水量的影响，亦受水位下气泡容积的影响。而水位下气泡容积与锅炉的负荷、蒸汽压

17、力、炉膛热负荷等有关。因此，影响水位变更的因数许多，其中主要是锅炉蒸发量（蒸汽流量D）、给水流量W和燃料扰动。下面着重探讨在给水流量作用下的汽包水位的动态特性。2.3.1 汽包水位在给水流量作用下的动态特性图2 给水流量扰动下水位阶段响应曲线图2所示是给水流量作用下，水位的阶跃响应曲线。把汽包和给水看作单容量无自衡过程，水位阶跃响应曲线如图中H1线。但是由于给水温度比汽包内饱和水的温度低，所以给水流量增加后，从原有饱和水中吸取部分热量。这使得水位下汽包涵积有所削减，使水位下降，单考虑这个因数，水位的变更如图中曲线H2，相当于一个惯性环节，事实上水位H的响应为H1与H2的和。当水位下汽包涵积的变

18、更过程渐渐平衡时，水位变更就完全反映了由于汽包中储水量的增加而渐渐上升。最终当水位下汽包涵积不再变更时，水位变更就完全反映了由于储水量的增加而直线上升。因此，实际水位曲线如图2中H线。即当给水量作阶跃变更后，汽包水位一起先不马上增加，而是呈现出一段起始惯性段。用传递函数来描述时，它近似于一个积分环节和时滞环节的串联。可表示为： 式中响应速度，即给水流量变更单位流量时，水位的变更速度，（mm/s）/(t/h) 时滞，秒 给水温度低，时滞亦越大。对于非沸腾式省煤器的锅炉，=30100s, 对于沸腾式省煤器的锅炉, =100200s有些文献上响应速度用相对量来表示，即当扰动量为100%时，水位（用相

19、对量来表示，以允许变更的范围为100%）的变更速度。并以的倒数（称为响应时间）来表示。响应时间的定义是：当扰动量为100%时，水位变更100%所经过的时间单位为S。2.3.2 汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性蒸汽流量扰动主要来自气轮机的负荷变更，这是一个常常发生的扰动，属于调整系统的外扰。在蒸汽流量D扰动作用下，水位的阶跃响应曲线如图3所示：图3 汽包水位在蒸汽流量扰动作用下的阶跃响应曲线当蒸汽流量D突然增加时，从锅炉的物料平衡关系来看，蒸汽量D大于给水量W，水位应下降，如图中直线H1所示。但实际状况并非这样，由于蒸汽用量的增加，瞬间必定导致汽包压力的下降。汽包内的水沸腾突然加剧，水中汽包快

20、速增加，由于汽包涵积增加而使水位变更的曲线如图3中H2所示。而实际显示的水位响应曲线H为H1+H2。从图上可以看出，当蒸汽负荷增加时，虽然锅炉的给水量小于蒸发量，但在一起先时，水位不仅不下降，反而快速上升，然后在下降（反之，蒸汽流量突然削减时，则水位先下降，然后上升）这种现象称之为“虚假水位”。 应当指出：当负荷变更时，水位下汽包涵积变更而引起水位的变更速度是很快的，图中H2的时间常数只有1020S。蒸汽流量扰动时，水位变更的动态特性可用函数表示为： =+ =+式中，响应速度，即蒸汽流量变更单位流量时水位的变更速度，（mm/s）/(t/h); 响应曲线的放大系数；响应曲线的时间常数；“虚假水位

21、”变更的幅度与锅炉的工作压力和蒸发量有关。例如，一般t/h的中高压锅炉，当负荷变更时，“虚假水位”可达mm。“虚假水位”现象属于反向特性，其变更与锅炉的气压和蒸发量的变更的大小有关，而与给水流量无关。2.3.3 燃料量扰动下汽包水位的动态特性汽包水位在燃料量扰动下的响应曲线如图4所示，当燃料量增加时，锅炉的吸热量增加，蒸发强度增大。假如气轮机侧的用汽量不加调整，则随着汽包压力的增高，汽包输出蒸汽量也将增加，于是蒸发量大于给水量，短暂产生了汽包进出口工质流量的不平衡。由于水面下的蒸汽容积增大，此时也会出现虚假水位现象，但由于燃烧率的增加也将气量缓慢增加，故虚假水位现象要比扰动下缓和得多。图4 汽

22、包水位在燃烧率扰动下的阶跃响应曲线2.3.4 水位对象静态特性分析对于一台固定容量的汽包锅炉，当设计完成后，其汽包、蒸发管道容量是固定的。汽包与蒸发管道系统中贮藏着蒸汽、水，贮藏量的多少，是以汽包水位表征的，其大小受到汽包的流入量（给水量），流出量（蒸发量）之间平衡关系的影响，同时还受到在给水循环、管道中汽水混合物内汽水容积变更的影响。系统输入输出之间的静态关系式为：f (W,D)其中：汽包水位； W给水流量； D蒸汽流量； 系统在稳态时，给水量和蒸发量之间保持平衡，汽水容积也保持不变，水位H保持稳定H=0。3 目前主要存在单冲量水位限制系统、双冲量限制系统、三冲量系统3.1 单冲量水位限制方

23、案图5 单冲量水位限制系统如图5所示是单冲量变量水位限制系统。单冲量即汽包水位。这种限制结构简洁，是单回路定制限制系统，在汽包内水的停留时间较长，负荷又比较稳定的场合下再配上一些锁报警装置就可以平安操作。然而，在停留时间较短，负荷变更较大时，采纳单冲量水位限制系统就不能适用。这是由于：负荷变更时产生的“虚假水位“将使调整器反向错误动作，负荷增大时反向关小给水调整阀，一到闪急汽化平静下来，将使水位严峻下降，波动厉害，动态品质很差。负荷变更时，限制作用缓慢。即使”虚假水位“现象不严峻，从负荷变更到水位下降要有一个过程，再有水位变更到阀动作已滞后一段时间。假如水位过程时间常数很小，偏差必定相当显著。

24、给水系统出现扰动时，动作缓慢。假定给水泵的压力发生变更，进水流量马上变更，然而到水位发生偏差而使调整阀动作，同样不够与时；为了克服上述这些冲突，可以不仅依据水位，同时也参考蒸汽流量和给水流量的变更，则可用双冲量或三冲量限制系统来限制给水调整阀，能收到很好的效果。从反馈限制的思想动身，很自然地会以水位信号作为被调量，给水流量作为调整量，构成单回路反馈系统。这是一个基本的限制方案。对于小容量锅炉来说，它的蓄水量较大，水面以下的汽包体积不占很大比重。因此，给水容积延迟和假水位现象不明显，可以采纳单冲量限制系统。对于大型超高压（接近临界压力）锅炉也可采纳这种限制对象，因为在超高压汽和水密度相差不大，假

25、水位现象不显著。但是，对于大量的大中型锅炉来说，这种系统不能满意要求。因为汽机耗气量变更所产生的假水位将引起给水调整机构的误动作，致使汽包水位激烈地上下波动，严峻的影响设备的寿命和平安。所以对大中型锅炉不能采纳单冲量限制系统，必需寻求其他解决方法。3.2 双冲量限制方案（a）原理图（b）方框图图6 双冲量限制系统在汽包的水位限制中，最主要的扰动是负荷的变更。用双冲量限制系统不但可以引用蒸汽量来效正，而且可以补偿“虚假水位”所引起的误动作，使给水调整阀的动作与时。其限制系统如图6所示从本质上看，双冲量限制系统是一个前馈（蒸汽流量）加单回路反馈限制系统的复合限制系统。这里前馈仅为静态前馈，若须要考

26、虑两条通道在动态上的差异，需引入动态补偿环节。图6所示连接方式中，加法器的输出是： 式中水位调整器的输出；蒸汽流量变送器（一般经开放器）的输出；初始偏置值；加法器的系数。C2是取正号还是负号，即进行加法还是减法，要由调整阀的气开或气关形式来确定。一般从平安的角度选用调整阀的气开和气关的。假如高压蒸汽是供应蒸汽透平机等，那么为爱护这些设备以选用气开阀为宜；假如蒸汽作为工艺生产热源时，为爱护锅炉设备以采纳气关阀，应减小即C2应取负号；假如采纳气开阀，应增加即C2应取正号。C2的数值应当考虑达到静态补偿。倘使现场试凑，那么应当在只有负荷的状况下调整到水位基本不变，倘使有阀门特性数据，它的放大系数KV

27、是：式中阀门输入信号变更量； 给水流量变更量。在测量方面，假设为线性，则 式中，蒸汽流量变送器的输出变更量；蒸汽流量变更量； 蒸汽流量变送器量程，从零起先； 变送器输出的最大变更范围。要达到静态补偿，应保持物料平衡，即有：上式中是一个系数。假如给水流量和蒸汽流量用体积来表示，明显不等于。即运用重量来表示，由于排污要放出一部分水，进水重量要稍大于蒸汽量，即要求1。 由于加法器的作用，在负荷变更时，给水量的变更是： 有些装置中，由于水位上升与蒸汽流量增加时，阀门动作方向相反，信号肯定相减；而采纳另一种接法，即将加法器放在调整器之前。如图7（a）所示： （a） （b） 图7 双冲量限制系统的其它接法

28、 这样的接法的好处是运用的仪表少，因为一台双通道调整器就可以实现加减和限制的功能。（假如水位调整器采纳单比例，则这种接法与图6可以等效转换，差别不大）。 但是，水位调整器采纳PI作用，而测量值又是水位与蒸汽流量之差，结果 明显不能保证水位无差。除非流量参数经过微分，而且不引入固定重量，见图7（b）。等效转换后其等式项是： 只有对流量信号不起积分作用，才可保证水位无余差。3.3 三冲量限制系统双冲量限制系统还有两个弱点，即调整阀的工作特性不肯定是线性，这样要做到静态补偿不是很准；同时对于给水系统的扰动不能干脆补偿。为此，将给水流量信号引入，构成三冲量限制。3.3.1 三冲量限制方案之一图8所示是

29、三冲量限制方案之一。该方案实质上是前馈（蒸汽流量）加反馈限制系统。这种三冲量限制方案结构简洁，只须要一台多通道调整器，整个系统亦可看作三冲量的综合信号为被控变量的单回路限制系统，所以投运和整定与单回路一样，但是假如系统设置不能确保物料平衡，当负荷变更时，水位将有余差。 （a）原理图 （b）方框图图8 三冲量限制方案之一依据这条原则，可以确定和的比值，详细是这样设置的： 蒸汽流量的变更量与其变送器（线性）的关系是： 给水流量的变更量与其变送器（线性）的关系是： 由物料平衡关系可得： 而 所以，由上两式比较可得： 其次是用来确定前馈作用的强弱，因为上式仅知道和的比值，其大小依据过程特性确定，其大小

30、反映了前馈作用的强弱。越大其前馈作用越强，则扰动出现时，调整阀开度的变更亦越大。3.3.2 三冲量限制方案二 三冲量限制方案二如图9所示，该方案与方案一相类似，仅是加法器位置从调整器前移至调整器后。该方案相当于前馈-串级限制系统，而副回路的调整器比例度为100%，该方案不管系数和如何设置，当负荷变更时，液位可以保持无差。(a) 原理图 （b） 方框图 图9 三冲量限制方案之二3.3.3 三冲量限制方案三图10所示是三冲量限制方案之三，这是一种前馈（蒸汽流量）与串级限制组成的复合限制系统。在汽包停留时间较短，“虚假水位”严峻时，需引入蒸汽流量信号的微分作用，如图中虚线所示。这种微分作用应是负微分

31、作用，起一个动态前馈作用，以避开由于负荷突然增加或削减时，水位偏离设定值过高或过低而造成锅炉停车。 (a) 原理图（b） 方框图图10 三冲量限制之三对图10中方框图进行分析。假如副回路跟踪很好，近似为1：1的环节，则前馈补偿模型为：由前述动态特性可知： 假设，事实上不行能得到，因此前馈补偿模型可近似为： 所以蒸汽流量信号引入负微分（无恒定重量）后，可以满意上式，这样动态补偿可以获得较好的效果。 三冲量限制对单、双冲量限制方案取长补短，极大地提高了水位限制质量。例如，当耗气量D突然阶跃增大时，一方面由于假水位现象水位会短暂上升，它使调整器错误地指挥调整机构增加给水量。另一方面，D的增大又通过双

32、冲量限制作用指挥调整机构增加给水量。实际给水量是增大还是削减，取决于系统系数的整定。当假水位现象消逝后，水位和蒸汽信号都能正确地指挥调整机构动作。只要参数整定合适，当系数复原平衡以后，给水量必定等于蒸汽流量，水位H也就会维持在设定值。3.4 几种限制方案的比较单冲量水位限制是汽包水位自动限制中最简洁最基本的一种形式，是典型的单回路定值限制系统，但它不能克服“虚假水位”的影响，而且没有给水流量信号的反馈，所以水位波动较大。双冲量水位限制系统是在单冲量限制的基础上，引进蒸汽流量作为前馈信号。该限制系统的特点是：引入的蒸汽流量前馈信号可以消退“虚假水位”对调整品质的不良影响。当蒸汽流量变更时，就有一

33、个给水量与蒸汽量向同方向变更的信号，可以减小或抵消由于“虚假水位”引起的给水量与蒸汽量反方向变更的误动作，使调整阀从一起先就向正确的方向移动。因而大大减小了给水量与水位的波动，缩短调整的时间。而且引入的蒸汽流量的前馈信号，能改善调整系统的静特性，提高调整质量。双冲量水位限制系统适用于小型低压而且给水压力较稳定的锅炉。当给水压力常常有波动，给水调整阀前后压差不易保持正常时，不宜采纳双冲量限制；另外在大型锅炉的限制中，锅炉容量越大，压力越来越高，汽包的相对容水量就越小，允许波动的储水量就更少。为了把水位限制平稳，在双冲量水位调整的基础上引入了给水流量信号，由水位蒸汽流量和给水流量就构成了三冲量水位

34、限制系统，在这个系统里，汽包水位是被控变量，是主冲量信号，蒸汽流量 给水流量是两个协助冲量信号。三冲量水位限制系统抗干扰实力强，适用于大中型中压锅炉。三冲量限制方案一：方案一宜作为一般锅炉水位的限制方案，其特点是运用的设备少，整定方法比较简洁，调整机构动作比较平稳。三冲量限制方案二：与方案一比较，其加法器从调整器前移至调整器后，即使出现物料不平衡的现象，只要水位有偏差，调整器的积分作用就能消退偏差。三冲量限制方案三：采纳这种限制方案，在负荷变更时给水流量会与时做出相应变更，调整时间也比较短，对于克服“虚假水位”的动态偏差有进一步的好处。方案三适用于大容量高压锅炉，而且要求水位限制严格的场合。3

35、.5 最优方案解析图11锅炉汽包水位的三冲量调整系统流程图从前面的分析、比较，我认为三冲量限制系统是最优限制。下面探讨一种常见的三冲量调整系统:蒸汽流量和给水流量前馈与汽包水位反馈所组成的三冲量系统。图11中所示的三冲量系统,汽包水位是被控变量,是主冲量信号,蒸汽流量和给水流量是协助冲量信号。系统将蒸汽流量和给水流量前馈到汽包水位调整系统中去,一旦蒸汽流量或给水流量发生波动, 不是等到影响到水位才进行调整,而是在这两个流量变更之时就能通过加法器马上去变更调整阀开度进行校正,故大大提高了水位这个被调参数的调整精度。在稳定状态下,水位测量信号等于给定值,水位调整器的输出,蒸汽流量与给水流量等三个信

36、号,通过加法器得到的输出电流为: I0= K1 I1-K2 I2+ K3 I3 式中,I1 为液位调整器的输出电流;I2 为蒸汽流量变送器的电流;I3 为给水流量变送器的电流;K1 、K2 、K3 分别为加法器各通道的衰减系数。设计K2 I2= K3 I3 此时I0 正是调整阀处于正常开度时所须要的电流信号(为了平安调整阀必需用气关阀) 。假定在某一时刻,蒸汽负荷突然增加,蒸汽流量变送器的输出电流I2 相应增加,加法器的输出电流I0 就削减, 从而开大给水调整阀。但是与此同时出现了假水位现象,水位调整器输出电流I1 将增大。由于进入加法器的两个信号相反, 蒸汽流量变送器的输出电流I2 会抵消一

37、部分假水位输出电流I1 , 所以, 假水位所带来的影响将局部或全部被克服。待假水位过去,水位起先下降,水位调整器输出电流I1 起先减小, 此时, 它与蒸汽流量信号变更的方向相反, 因此加法器的输出电流I0 减小, 意味着要求增加给水量, 以适应新的负荷须要并补充水位的不足。调整过程进行到水面重新稳定在给定值, 给水量和蒸发量达到新的平衡为止。当蒸汽负荷不变,给水量本身因压力波动而变更时,加法器的输出相应变更,去调整阀门开度,直至给水量复原到所需的数值为止。由于引进了蒸汽流量和给水流量两个协助冲量,起到了“超前信号”的作用,使给水阀一起先就向正确的方向移动, 因而大大减小了水位的波动幅度,抵消了

38、虚假水位的影响,并缩短了过渡过程时间。图12为三冲量水位调整方案图, 图13为三冲量水位调整方框图。图12 三冲量水位调整方案图13 三冲量水位调整方框图由上面对三冲量系统的一些探讨的同时我们不能忽视其整定的重要性，下面就小论其工程整定问题。3.6 三冲量限制系统的工程整定众所周知，要使限制系统具有良好的限制性能，除了必需正确设计以外，还必需正确、细致的整定。三冲量限制系统的工程整定方法比较特别，这里主要结合图14所示的系统探讨三冲量限制系统的工程整定问题。三冲量给水限制系统图如图14所示。 图14 三冲量给水限制系统3.6.1 输入信号之间的静态协作对于单冲量系统来说，只要调整器是比例积分动

39、作的，那么，在限制过程结束以后被调量就没有静态偏差。对于三冲量系统则不然，即使采纳比例积分调整器，也不肯定能保证无差，还必需解决一个输入信号系统的静态协作问题。现在把图14所示的限制系统以传递函数方框图的形式重画成图15 图15 三冲量限制系统的方框图 图中各符号的意义如下：，分别为水位、给水流量和蒸汽流量的一次测量仪表与变送器的传递系数和时间常数，分别为水位，给水流量和蒸汽流量的分流系数。水位设定值到水位设定信号之间的传递函数。给水调整机构的传递系数。为调整通道和扰动通道的传递函数。比例积分调整器的传递函数。由于采纳比例积分调整器，当调整过程结束后，调整器的总输入信号为零，即： 也即： 考虑

40、到在给水系统处于稳态时给水量必定等于蒸汽量，即W=D，因此有： 假如在额定蒸汽负荷下，调整系数可以使汽包水位H等于其额定值。 此时上式应变为： 将上两式相减得： 上式就是水位限制系统的静特性，即调整过程结束后水位H与负荷D之间的关系。图16 三冲量限制系统的静态特性静特性是直线，如图16所示，直线的斜率确定于和的选择。假如给水信号和蒸汽流信号一样强，即则在任何负荷下均有它就是图中的直线（1），直线（2）和（3）分别代表大于或小于的状况。 从以上分析可以看出，对于多信号系统，要消退被调量的静态偏差，除了必需采纳比例积分调整规律以外，还必需使个输入信号之间保持肯定的静态协作关系，才能保证系统具有希

41、望的静态特性，这是多信号系统不同于单信号系统的突出特点之一。3.6.2 限制系统动态整定对于三冲量限制系统来说，须要进行整定的参数有5个，即分流系数和调整器比例带与积分时间，上面已经从信号的静态协作上探讨了和的比例关系。下面进一步探讨如何在动态整定中最终确定这些参数。在图11所示限制系统中，虚线方框所标出的内回路是一个流量自稳定系统。由于流量调整系统的响应很快，可以近似认为且一般也很小，可以忽视不计，于是有： 此时，整个内回路的等效传递函数近似视为： 因此，图11中的内环可用来代表，可以看作是外回路中的等效调整器，它具有纯比例动作，等效比例带为： 从图可见，外回路的开环增益与成正比，故的大小确

42、定了限制过程的进行状况。这里有两个特定参数，可以短暂取然后应用适当的整定方法确定的大小，例如可采纳动态特性参数法，在的条件下做基本扰动的响应特性试验，求得拖延时间和上升速度然后依据阅历整定公式表得： 通常要求给水量限制要平稳一些，因此可适当加大比例带，例如取 这样也就确定了给水流量信号的强弱。再由式所规定的蒸汽流量信号与给水流量信号之间的关系，确定蒸汽流量信号的强弱，即 现在再来确定调整器的参数。从图十四可以看到，调整器是在内回路中，因此可用单回路整定来确定其参数。到此为止，已确定了全部整定参数，但是，依据上两式求出的的值，有时可能大于1，这说明一起先假定的偏大，须要同时按比例地缩小这样做不会

43、影响限制系统的性能。4 工程中须要留意的问题4.1 关于汽包水位测量的问题由于汽包水位波动较大，一般选用平衡容器测量汽包水位。平衡容器连通管中的水位始终与汽包水位等高，上端的蒸汽冷凝后会在托盘上形成水柱，若水柱高出托盘自溢口后自溢，并经平衡阀返回汽包，进行热量与水量的交换，以求达到汽包内部水体与平衡容器内部的水体比重一样且恒定。将托盘水面高于正取压端口H0做负迁移，则差压变送器量程所对应的平衡管正压端水柱压力的变更就能真实反映汽包水位的变更。4.2 给水阀的选择问题4.2.1 关于给水调整阀的气开气关的选择。关于给水调整阀的气开气关的选择，一般都是从平安角度考虑的。假如高压蒸汽供应蒸汽透平压缩

44、机的重要负荷，为爱护这些设备以选用气开(FC)阀为宜。假如蒸汽作为工艺生产中的热源时，为爱护锅炉，以选用气关(FO)阀为宜。综合起来考虑，一般选带保位装置(FIJ的给水阀，即事故状态该阀停在原位。4.2.2 关于给水调整阀型号的选择。关于给水调整阀型号的选择。由于流经给水阀的除氧水压力为60MPa 温度为104 ，极宜产生汽蚀现象。对于轻度汽蚀，一般给水阀的阀芯 阀座选用司钛莱合金堆焊即可。对于重度汽蚀，一般给水阀选用多级高压调整阀，使高压除氧水在流过调整阀多级节流孔后渐渐降压，而每级阀芯上只担当一部分压差，使节流后的压力在阀的部分复原不到流体的饱和蒸汽压力，可以有效的避开汽蚀现象，也有效的防

45、止了汽蚀引起的噪声振动和对阀芯 阀座的侵蚀。4.3 给水流量 蒸汽流量给水流量蒸汽流量的一次元件假如选用节流装置，则差压变送器输出的信号需经开方器后再输入到加法器进行信号叠加。这样可以削减非线性对系统调整品质的影响。若是选用流量变送器则不必加开方器。它们的显示仪表的量程应选择的相同，其范围应比额定蒸汽负荷大一些，以保证锅炉在额定负荷下的给水流量有波动的余地。5 结束语锅炉水位限制的方案多种多样，因每台锅炉的特性与实际工况的不同而各异，一言以蔽之，智者见智，仁者见仁。本文介绍的是运用常规仪表对锅炉汽包水位进行自动限制的几个较为典型的方案。如今，智能仪表的发展和计算机在工业自动限制领域的广泛应用，

46、又为该课题开拓了一片更加广袤的天空。参 考 文 献1 蒋慰孙，俞金寿过程限制工程第2版北京：中国石化出版社，19992 金以慧过程限制北京：清华高校出版社，19993 杨献勇热工过程自动限制北京：清华高校出版社，20004 樊泉桂锅炉原理北京：中国电力出版社，20045 吴智雄垃圾焚烧锅炉汽包水位限制模型建立浙江高校硕士论文，2004Design of the steam dome water level control system of the boiler Zhang Jianjuan The electric information engineering institute of P

47、anZhihua university，PanZhihua 617000 Abstract This paper has discussed the popular method of control and deeply analyzed the dynamic and static characteristics of the water level based on analyzing the main factors influencing the water level of drum .This paper begins with the balance of heat and s

48、ubstance of water in boilers bubble and educes the universal mechanism controlling model to describe the water level of boiler and studies the character of control model of three pulse . Through an analysis of several kinds of control schemes, study and compare, select impulse three system as the op

49、timum control scheme, put forth effort to study the characteristic of impulse three system. Make to parameter in PID it go on essential analysis exactly afterwards, and has slightly stated the question needing paying attention to in the project. On this basis, we can know the new development of the

50、water level control system of steam dome . Key Words Boiler Bubble; Drum Level Control; Three Pulse Control System; PID;Parameter Setting;The Optimum Control Scheme致 谢本文的全过程是在我的导师周荣富老师的悉心指导下完成的，在此过程中，周老师花费了大量的精力和心血指导我的学业和科研方法，在此谨对导师表示深切的谢意！在完成锅炉汽包水位的自动限制系统设计的过程中，得到了郑会军副院长指引迷津式的帮助和院上其他领导、老师的热诚指引，在此向全部帮助过我的人致以诚心的感谢。同时还要感谢冯明琴、吴鹏松等老师在这几年来对我的莘莘训诲，才让我能圆满的完成这次设计。