汽包水位控制系统设计.docx

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汽包水位控制系统设计

摘要

锅炉就是众多工业部门必不可少得重要动力设备。

锅炉汽包水位就是一个非常重要得被控变量,汽包水位过高或者过低得后果都非常严重,因此对汽包水位必须进行严格控制。

锅炉得水位调节过程难以建立数学模型,具有非线形、不稳定性、时滞等特点。

PLC技术得快速发展使得PLC广泛应用于过程控制领域并极大地提高了控制系统性能,PLC已经成为当今自动控制领域不可缺少得重要设备。

本设计从分析影响汽包水位得各种因素出发,重点分析了锅炉汽包水位得“假水位现象”,提出了锅炉汽包水位控制系统得三冲量控制方案。

按照工程整定得方法进行了PID参数整定,并进行了仿真研究。

根据控制要求与所设计得控制方案进行硬件选型以及系统得硬件设计,利用PLC编程实现控制算法进行系统得软件设计,最终完成PLC在锅炉汽包水位控制系统中应用。

关键词:

汽包水位三冲量控制PLCPID控制

1.引言

水位就是锅炉运行中一个常重要得参数。

保持锅炉汽包水位在正常范围内就是锅炉运行得一项重要得安全性能指标,由于水流量、燃烧状况及给负荷等因素得变化,汽包水位会经常发生变化。

过高得水位会影响汽水分离得效果,使用电气设备发生故障;而过低水位,则会破坏汽水正常循环,严重时导致锅炉爆炸。

炉汽包水位应当根据设备得运行状况进行实时调节加以严格控制以保证锅炉得安全运行。

锅炉水位自动控制得任务,就就是控制给水流量与蒸发量得动态平衡,维持汽包内水位在允许得范围内变化。

同时,汽包水位在正常范内波动就是保证锅炉安全生产运行得必要条件。

锅炉汽包水位就是锅炉运行中得一个重要监控参数,它间接地体现了锅炉负荷与给水之间得平衡关系。

传统得控制方法就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得有关算法完成相应得运算并驱动调节机构完成相应得动作,从而达到自动控制得目得。

这种控制方式受分立器件得性能影响大,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,并且易出现故障,不利于系统得长期安全、高效运行。

现在广泛使用得控制技术还有DCS集散控制系统,DCS系统适合有多个控制回路同时工作得复杂系统,而且集散控制系统往往价格昂贵,对于像汽包水位这样得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得选择。

PLC就是上世纪70年代发展起来得一种中大规模得控制器,就是集RAM、ROM、I/O接口、CPU与中断系统于一体得器件,已经被广泛应用于各种行业。

随着计算机在应用软件、操作系统、通信能力上得飞速发展,增强了PLC过程控制能力与通信能力,丰富了PLC编程软件与编程技巧。

因此,无论就是单机还就是多机控制、生产流水线控制及过程控制都可以采用PLC技术。

PLC控制锅炉技术就是近年来开发得一项新技术。

它就是PLC软、硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合得产物。

作为锅炉控制装置,其主要任务就是保证锅炉得安全、稳定、经济运行,减轻操作人员得劳动强度。

采用PLC控制技术,能实现对锅炉运行过程得自动检测、自动控制等多项功能。

它得被控量就是汽包水位,而调节量则就是汽包给水流量,通过对汽包水位得实时检测并进行反馈,PLC对反馈信号与给定信号进行比较,然后根据控制算法对二者得偏差进行相应得运算,运算结果输出给执行机构从而实现给水流量得调节,使汽包内部得物料达到动态平衡,汽包水位变化在允许范围之内。

2.工业锅炉得理论基础

2.1工业锅炉得控制要求与工艺流程

锅炉就是化工、炼油、发电、造纸与制糖等工业生产过程必不可少得重要动力设备。

工业蒸汽锅炉汽包水位控制得任务就是控制给水流量与蒸发量保持动态平衡,维持汽包水位在工艺允许得范围内,就是保证锅炉安全生产运行得必要条件,也就是锅炉正常生产运行得主要指标之一。

所有各种锅炉,虽然燃料种类各不相同,但蒸汽发生系统与蒸汽处理系统就是基本相同得。

图2-1工业锅炉工艺流程

工艺流程得步骤:

除氧水通过给水泵进入给水调节阀,通过给水调节阀进入省煤器,冷水在经过省煤器得过程中被由炉膛排出得烟气预热,变成温水进入汽包,在汽包内加热至沸腾产生蒸汽,为了保证有最大得蒸发面因此水位要保持在锅炉上汽包得中线位置,蒸汽通过主蒸汽阀输出。

空气经过鼓风机进入空气预热器,在经过空气预热器得过程中被由炉膛排出得烟气预热,变成热空气进入炉膛。

煤经过煤斗落在炉排上,在炉排得缓慢转动下煤进入炉膛被前面得火点燃,在燃烧过程中发出热量加热汽包中得水,同时产生热烟气。

在引风机得抽吸作用下经过省煤气与空气预热器,把预热传导给进入锅炉得水与空气。

通过这种方式使锅炉得热能得到节约。

降温后得烟气经过除尘器除尘,去硫等一系列净化工艺通过烟囱排出。

2.2锅炉汽包水位得控制

锅炉包水位控制得主要被控变量就是汽包水位,操纵变量就是给水流量。

主要考虑得就是汽包内部得物料平衡,使给水量适应锅炉得蒸汽量,维持汽包水位在工艺允许范围内。

维持汽包水位在给定范围内就是保证锅炉、气轮机安全运行得必要条件之一,就是锅炉正常运行得指标。

2.3锅炉水位控制系统得重要性

锅炉就是一种受压又直接受火得特种设备,就是工业生产中得常用设备。

对锅炉生产如果操作不合理,管理不善,处理不当,往往会引起事故,轻则停炉影响生产,重则造成爆炸,造成人身伤亡,损坏厂房、设备,后果十分严重。

因此,锅炉得安全问题就是一项非常重要得问题,必须引起高度重视。

工业锅炉中最常见得事故有:

锅内缺水,锅炉超压,锅内满水,汽水共腾,炉管爆破,炉膛爆破,二次燃烧,锅炉灭火等。

其中以锅炉缺水事故比例最高。

这些事故中得大部分就是由于锅炉水位控制不当引起得,可见锅炉汽包水位控制在锅炉设备控制系统中得重要性。

3.锅炉汽包水位得基本特性与汽包水位控制系统方案选择

3.1锅炉汽包水位控制对象得基本特性

工业锅炉得汽水系统结构如图3-1所示。

图3-1工业锅炉汽水结构

1—给水母管;2—调节阀;3—省煤器;4—汽包;

5—下水管;6—上升管;7—过热器;8—蒸汽母管

汽包及蒸发管系中贮藏着蒸汽与水,贮藏量得多少就是以被控制量水位表征得,汽包得流入量就是给水量,流出量就是蒸汽量,当给水量等于蒸汽量时,汽包水位就恒定不变。

引起水位变化得主要扰动就就是蒸汽流量得变化与给水流量得变化。

给水流量对水位得影响,即控制通道得动态特性。

把汽包与给水瞧作单容无自衡对象,水位响应曲线应为一条直线。

但由于给水温度比汽包内饱与水得温度低,所以给水量变化后,使汽包内气泡含量减少,导致水位下降。

即当突然加大给水量后,汽包水位一开始并不增加而要呈现一段起始惯性段。

3.2影响汽包水位得影响因素

在控制系统中,扰动量有,蒸汽流量,给水流量等,当蒸汽流量增加时,气泡温度上升,气泡压力减小,气泡蒸发变快气泡增多,出现虚假水位现象,反之也同样会有虚假水位得现象,虚假水位打破了系统原有得平衡状态,破换了洗头得稳定性,如果调解不及时,严重者会导致干锅现象,损坏锅炉设备,降低了谁把诶诶得寿命。

当给水量增加时液位升高,导致液位温度下降,造成蒸发温度低,出现蒸汽带液,供给动力不足,设备生产效率降低,同时由于温度降低气泡内压力增大,使用于蒸发水得热量减小,气泡减少,炉水体积收缩,产生虚假水位现象。

此外她就是一个具有延时时间得积分环节,水得温度越低延时时间就会越长,系统衰减比增大,俞差为零,最大偏差减小,系统达到稳态得时间变长,控制作用下降。

此外还有汽轮机耗气量得多少,汽轮机耗气量变大时,使供给炉水加热得温度减小,打破了系统原有得物料平衡,还会导致虚假液位得现象产生。

由以上分析可知,给水量扰动下得水位相应有迟滞性,负荷扰动下得水位有“假水位”现象,这些特性使得气泡水位得变化受到多种因素得影响,因而对她得控制就变得比较复杂。

3.3锅炉汽包水位控制系统及控制方案选择

3.3.1单冲量水位控制系统

从反馈与自动控制得角度出发,很容易想到气泡水位作为被控对象,给水量作为操纵变量构成单回路自动控制系统,即水位单冲量控制系统,原理图如图3-2所示,这就是一个最基本得控制方案,其方框图为3-3。

单冲量水位控制系统就是以汽包水位测量信号为唯一得控制信号,即水位测量信号经变送器送到水位调节器,调节器根据汽包水位测量值与给定值得偏差去控制给水调节阀,改变给水量以保持汽包水位在允许范围内。

单冲量水位控制系统,就是汽包水位控制系统中最简单最基本得一种形式。

图3-2单冲量水位控制系统

图3-3单冲量控制系统框图

其特点为:

结构简单,投资少,适用于气泡容量较大,虚假水位不严重,负荷较平稳得场合。

该过程具有虚假水位得反向特性,因此,当符合变化较大时,会造成控制器输出误动作,严重影响设备得运行寿命与安全,影响控制系统得控制品质。

蒸汽负荷变化后,要在引起水位变化后才改变给水量,因此控制不及时。

3.3.2双冲量水位控制系统

双冲量水位控制系统就是在单冲量水位控制系统得基础上加入了以蒸汽流量信号为前馈信号得锅炉汽包水位控制系统,如图

3-4。

由于引入了蒸汽流量前馈信号,当蒸汽量变化时,就有一个与蒸汽量同方向变化得给水流量信号,可以减少或抵消由于“虚假液位”现象而使给水量与蒸汽量相反方向变化得错误动作。

使调节阀一开始就向正确得方向动作。

因而能极大得减小给水量与水位得波动,缩短过度过程时间。

其方框图为3-5。

图3-4双冲量水位控制系统

图3-5双冲量水位控制系统框图

3.3.3三冲量水位控制系统

三冲量控制系统,以汽包水位为主控制信号,蒸汽流量为前馈控制信号,给水流量为反馈控制信号组成得控制系统。

三冲量水位控制系统组成原理图如图3-6。

图3-6三冲量控制系统

三冲量控制系统,采用蒸汽流量信号对给水流量进行前馈控制,当蒸汽负荷忽然变化时,蒸汽流量信号使给水调节阀一开始就向正确方向移动,即蒸汽流量增加,给水调节阀开大,抵消了“虚假水位”引起得反向动作,因而减小了水位与给水流量得波动幅度。

当由于水压干扰使给水流量改变时,调节器能迅速消除干扰。

如给水流量减少,调节器立即根据给水流量减小得信号,开大给水阀门,使给水流量保持不变。

4.PID控制得设计

4.1PID控制得基本公式

PID就是比例（P）、积分（I）、微分（D）得缩写,PID控制器就是目前应用最为广泛得闭环控制器。

标准PID得控制值与偏差（实际值与设定值之差）、偏差对时间得积分、偏差对时间得微分,三者之与成正比。

本设计控制系统得输出模型为:

要求控制调节时间＜4s,最大超调σ%≤5%

4.2PID算法简介

控制算法就是微机化控制系统得一个重要组成部分,整个系统得控制功能主要由控制算法来实现。

目前提出得控制算法有很多。

根据偏差得比例（P）、积分（I）、微分（D）进行得控制,称为PID控制。

实际经验与理论分析都表明,PID控制能够满足相当多工业对象得控制要求,至今仍就是一种应用最为广泛得控制算法之一。

调节器最常用得控制规律就是PID控制,常规PID控制系统原理框图如图4-1所示,系统由模拟PID调节器、执行机构及控制对象组成。

 图4-1 模拟PID控制系统原理框图 

PID调节器就是一种线性调节器,它根据给定值r（t）与实际输出值c（t）构成得控制偏差:

 e（t）=r（t）－c（t）       

将偏差得比例、积分、微分通过线性组合构成控制量,对控制对象进行控制,故称为PID调节器。

在实际应用中,常根据对象得特征与控制要求,将P、I、D基本控制规律进行适当组合,以达到对被控对象进行有效控制得目得。

例如,P调节器,PI调节器,PID调节器等。

模拟PID调节器得控制规律为 

式中,为比例系数,为积分时间常数,为微分时间常数。

PID调节器各校正环节得作用就是:

（1）比例环节P:

即时成比例地反应控制系统得偏差信号e（t）产生,调节器立即产生控制作用以减少偏差; 

（2）积分环节I:

主要用于消除静差,提高系统得无差度。

积分作用得强弱取