[毕业设计精品]锅炉汽包水位控制系统设计.doc

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1、 毕业设计（论文）说明书毕业设计（论文）题目锅炉汽包水位控制系统设计系 部：自动化与信息工程系年级专业： 08 电气自动化二班学生姓名： 学 号： 指导教师： 2011 年 5 月 18 日毕 业 设 计 （论文） 任 务 书姓名 专业 电气自动化技术 任 务 下 达 日 期 2011 年 2 月 21 日设计（论文）开始日期 2011 年 2 月 28 日设计（论文）完成日期 2011 年 5 月 18 日设计（论文）题目： 锅炉汽包水位控制系统设计 A编制设计 B设计专题（毕业论文） 指 导 教 师 系（部）主 任 2011年 6 月2日毕业设计（论文）答辩委员会记录自动化与信息工程系电气

2、自动化技术专业，学生 于2011年6月12日进行了毕业设计（论文）答辩。设计题目： 锅炉汽包水位控制系统设计 专题（论文）题目： 指导老师： 答辩委员会根据学生提交的毕业设计（论文）材料，根据学生答辩情况，经答辩委员会讨论评定，给予学生 毕业设计（论文）成绩为 。答辩委员会 人，出席 人答辩委员会主任（签字）： 答辩委员会副主任（签字）： 答辩委员会委员： ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， 毕业设计（论文）评语第 页共 页学生姓名： 专业 电气自动化技术 年级 2008 毕业设计（论文）题目： 锅炉汽包水位控制系统设计 评 阅 人： 指导教师： （签字） 年 月 日成 绩： 系（

3、科）主任： （签字） 年 月 日毕业设计（论文）及答辩评语： 摘 要锅炉汽包水位控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，当锅炉负荷变化或气轮机用汽量变化时，通过给水调节系统保持锅炉的水位正常是保证锅炉和气轮机安全运行的重要条件。水位过高或过低，都是不允许的。水位过高会影响汽水分离器的正常工作，严重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化。水位过低，则会破坏正常水循环，危及水冷壁受热面的安全。一般要求锅筒水位维持。本设计是通过了解了锅炉汽包水位控制

4、的发展并在具体分析其动、静特性的基础上从单冲量控制到双冲量控制最后到三冲量控制的设计方案中择优选择了“三冲量”控制。关键词：锅炉汽包 三冲量 水位控制 设计目录引 言60.1设计的目的和意义60.2应解决的主要问题60.3国内外发展现状60.4指导思想7第1章 设计方案91.1单冲量水位控制系统91.2双冲量水位控制系统101.3三冲量水位控制系统121.4设计方案的确定16第2章 控制系统的设计182.1过程控制系统设计的一般要求及内容182.2控制系统方框图182.3 锅炉三冲量控制系统工作原理及调节过程182.4串级控制系统的设计19第3章 控制系统各元器件选择233.1控制器的选择23

5、3.2控制阀选择263.3 AI-808型人工智能调节器26第4章PID控制器参数整定284.1PID控制的原理和特点284.2PID控制器的参数整定28结束语31参考文献32引 言0.1设计的目的和意义锅炉烧水产生高温高压的蒸汽，蒸汽温度可以达到1000多度，用这样的蒸汽可以用来消毒，煮饭，烧开水等。现在学校，工厂的食堂烧水做饭就是用锅炉烧水产生的蒸汽做的。锅炉汽包水位控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，当锅炉负荷变化或气轮机用汽量变化时，通过给水调节系统保持锅炉的水位正常是保证锅炉和气轮机安全运行的重要条件。

6、水位过高或过低，都是不允许的。水位过高会影响汽水分离器的正常工作，严重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化。水位过低，则会破坏正常水循环，危及水冷壁受热面的安全。一般要求锅筒水位维持。在水位控制系统中，主要采用“三冲量控制”方案来实现锅炉汽包水位控制更是重中之重。本设计是通过了解了锅炉汽包水位控制的发展并在具体分析其动、静特性的基础上从单冲量控制到双冲量控制最后到三冲量控制的设计方案中择优选择了“三冲量”控制，具体的方案设计存在的优缺点详见下文解析。0.2应解决的主要问题本设计主要解决传感器的选择（温度，压力，水位），

7、输出道的设计和软件程序的设计。其所能达到的技术指标为：（1）可以对锅炉水位，蒸汽量和给水量分别采集（2）通过单片机控制，使锅炉汽包水位维持在正常的范围内（3）具有键盘显示功能（4）具有报警功能当水位超过上限或下限时，能及时报警，0.3国内外发展现状目前在国内外随科学技术的发展，都采用三冲量水位自动调节系统，该控制引进蒸汽流量和给水流量信号作为控制信号，系统动作及时，有较强的抗干扰能力，因此得到广泛的应用。主要用微型计算机控制系统来控制锅炉。微型计算机控制系统的特点是，其控制功能要通过内部的控制程序来实现，人们只需要改变这些程序，就可以更改锅炉设备的控制功能，以适应新的控制要求而不需要改动硬件系

8、统。这种灵活性在硬联逻辑系统中是没有的。因此，掌握微型计算机应用系统的设计和研制技术，是开发微型计算机应用的一个重要课题。在国内主要有单，双，三冲；量控制系统来控制锅炉汽包水位。单冲量控制系统以锅炉锅筒水位为唯一信号的锅炉给水连续调解。该系统由水位变送器，伺服放大器，执行器和给水调节阀组成。水位变送器将水位信号送到调节器，调节器根据实测水位和给定值的偏差，经过运算放大后输出调解信号，驱动执行器改变调节阀的开度，改变锅炉上水量，使水位控制在容许范围呢。在单冲量水位自动调节的基础上，加上蒸汽流量作为前馈信号，使构成所谓的双冲量水位自动调节系统。前馈控制的主要特点是根据扰动的大小直接调节，使调节作用

9、在扰动发生的同时起作用，从而减少扰动造成的被控参数的变化。引入蒸汽流量前馈信号可以消除虚假水位对水位控制的不良影响，减少或抵消由于虚假水位现象而造成的调节误动作。在双冲量水位自动调节的基础上，为解决给水压力不稳而造成调节性下降的问题，引入给水流量作为调节器的反馈信号。它采用蒸汽流量作为前馈信号，克服负荷变化引起的外扰动，减少假水位引起的调节器误动作，用给水量作为反馈信号，克服内扰影响，稳定给水量，可以进一步改善给水调节质量。由常规仪表和调节仪表构成的模拟控制系统，虽然具有可靠性高，成本低，易于维护和操作等优点，并在大中小企业中得到了广泛的应用，解决了不少自动化方面的问题。但是随着生产向大型化连

10、续化发展，对自动化技术的要求越来越高，模拟自动化控制系统越来越表现出它的局限性。例如它难以实现多变量控制，复杂控制规律的控制，最优控制，自适应控制，以及时变控制等，模拟控制屏越来越长，难以实现集中控制，各系统之间不便进行通讯联系，难以实现多级控制，控制方案的修改比较麻烦。如果采用计算机作为自动化工具的过程控制系统，就能很好地解决模拟控制系统存在的上述问题。随着生产的发展，锅炉日益广泛的用于工业生产的各个领域，成为发展国民经济的重要热力设备之一。在现在化建设中，能源的需求量非常大的，然而我国能源利用率极低，所以提高锅炉的热效率，有这极为重要的实际意义。此外，是锅炉能以地制宜地有效地染用地方燃料，

11、并为满足环境保护的需求而努力解决烟尘污染问题，以提高才做管理水平，减轻劳动强度，保证锅炉额定运行及运行效率，安全可靠地供热等问题。0.4指导思想采用三冲量水位控制系统，以锅炉水位为主控信号，蒸汽流量为前馈信号，给水量为控制器的反馈信号来控制给水量。其目的是通过单片机的控制，使锅炉汽包水位维持在正常的范围内，当水位超过上限或下限时，能及时报警并采取相应措施。充分体现三冲量控制系统的优越性，系统功能完善，结构先进合理，能耗小，扩展灵活，便于维护，并且可靠性高，而且还极大地提高了企业的生产效率和经济效益。该系统系动画程度较高，大大降低了操作者劳动强度，综性性强，适用性好，保障锅炉正常运行。第1章 设

12、计方案工业锅炉汽包水位的自动控制，根据锅炉容量大小，供给蒸汽（或热水）的使用要求不同，通常有单冲量自动控制系统，双冲量自动控制系统和三冲量自动控制系统三种形式。1.1单冲量水位控制系统单冲量水位控制系统是以汽包水位测量信号为唯一的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的偏差去控制调节阀，改变给水量来保持汽包水水位在容许的范围内。单冲量水位自动控制系统，是汽包水位自动控制中最简单最基本的一种形式。对于中小型锅炉在蒸汽负荷变化不大的情况下，水位受到扰动后的反应速度比较慢，“虚假水位”现象也不严重，采用单冲量控制系统，一般采用比例调节就能满足生产上的要求，如果

13、采用PI调节器，将得到更满意的效果。其原理框图见图1.1-1，方框图见1.1-2.图1.1-1为锅炉汽包水位的单冲量系统原理图图1.1-2为锅炉汽包水位的单冲量系统方框图 单冲量水位存在的问题是：当锅炉蒸汽负荷变化很大时，由于“虚假水位”现象的影响，在调节过程一开始，调节器根据水位先上升趋关下调节阀，减少给水量，这个错误动作扩大了汽包进出流量的不平衡，使汽包水位和给水量的波动幅度增大，降低了调节质量。从给水扰动下的情况下看。由于给水总管压力改变等原因造成的给水量变动时，调节器要等到水位改变后才能动作，而调节器动作后又要经过一段延时时间才能影响到水位，因此将导致汽包水位发生较大的变化，调节时间长

14、。1.2双冲量水位控制系统1.2.1双冲量水位控制方案及工作原理1. 控制方案在单冲量汽包水位控制的基础上，引进蒸汽流量作为前馈信号构成双冲量水位自动控制系统。这种水位控制的优点是：引入蒸汽流量前馈信号可以消除“虚假水位”对控制的不良影响，当负荷蒸汽变化时，就有一个使给水量与蒸汽量同方向变化的信号，可以减少或抵消由于“虚假水位”现象而使给水量与蒸汽流量向相反方向变化的误动作，使调节阀一开始就向正确的方向移动。因而大大减少了给水和水位的波动，能够改善控制系统的静态特性，提高控制质量。其原理图和方框图见1.2-1,1.2-2由于过程控制系统总具有滞后的特性，当从干扰产生到被控制量起变化，需要一定长

15、的时间；而被控制量变化后通过调节器产生的调节作用又要经历一段时间。因此，被控参数要达到新的稳定状态就要经历相当长的时间。显然，控制系统的滞后越大，则被控参数变化的幅度也越大，偏差持续的时间也越长。为了解决上述问题，采用一种与反馈控制原理完全不同的控制方法，这种方法是按照干扰作用进行控制的。只要干扰一出现，在被控制量未受到影响前，补偿器立即根据干扰的性质和大小，改变执行器的输入信号，从而使被控制量基本不受扰动的影响。图1.2-1为锅炉汽包水位双冲量系统原理图图1.2-2为锅炉汽包水位双冲量系统方框图2. 工作原理1）前馈控制系统工作原理利用输入或扰动信号的直接控制作用构成的开环控制系统。这类按输

16、入或扰动的开环控制通常与包含按偏差的闭环控制共同组成反馈-前馈控制系统，称为复合控制系统。由于按偏差确定控制作用以使输出量保持其在期望值的反馈控制系统，对于滞后较大的控制对象，其反馈控制作用不能及时影响系统的输出，以致引起输出量的过大波动，直接影响控制品质。如果引起输出量较大波动的主要外扰动参量是可量测和可控制的，则可在反馈控制的同时，利用外扰信号直接控制输出（实施前馈控制），构成复合控制能迅速有效地补偿外扰对整个系统的影响，并利于提高控制精度。这种按外扰信号实施前馈控制的方式称为扰动控制，按不变性原理，理论上可做到完全消除主扰动对系统输出的影响。前馈控制系统的特点（1）前馈控制是基于不变性原

17、理工作的，比反馈控制及时、有效；（2）前馈控制是属于“开环”控制系统；（3）前馈控制使用的是视对象特性而定的“专用”控制器，又称前馈补偿装置；（4）一种前馈作用只能克服一种干扰。前馈控制主要用于下列场合（1）干扰幅值大而频繁，对被控变量影响剧烈，单纯反馈控制达不到要求时；（2）主要干扰是可测不可控的变量；（3）对象的控制通道滞后大，反馈控制不及时，控制质量差时，可采用前馈一反馈控制系统，以提高控制质量。2）反馈控制系统的工作原理反馈控制系统由控制器、受控对象和反馈通路组成。 带叉号的圆圈为比较环节，用来将输入与输出相减，给出偏差信号。这一环节在具体系统中可能与控制器一起统称为调节器。以锅炉温度

18、控制为例，受控对象为汽包；输出变量为实际的锅炉汽包水位;输入变量为给定常值水位。锅炉温度用热电偶测量，代表炉温的热电动势与给定电压相比较，两者的差值电压经过功率放大后用来驱动相应的执行机构进行控制。 在反馈控制系统中，不管出于什么原因（外部扰动或系统内部变化），只要被控制量偏离规定值，就会产生相应的控制作用去消除偏差。因此，它具有抑制干扰的能力，对元件特性变化不敏感，并能改善系统的响应特性。反馈控制系统是基于反馈原理建立的自动控制系统。所谓反馈原理，就是根据系统输出变化的信息来进行控制，即通过比较系统行为（输出）与期望行为之间的偏差，并消除偏差以获得预期的系统性能。在反馈控制系统中，既存在由输

19、入到输出的信号前向通路，也包含从输出端到输入端的信号反馈通路，两者组成一个闭合的回路。因此，反馈控制系统又称为闭环控制系统。反馈控制是自动控制的主要形式。在工程上常把在运行中使输出量和期望值保持一致的反馈控制系统称为自动调节系统，而把用来精确地跟随或复现某种过程的反馈控制系统称为伺服系统或随动系统。同开环控制系统相比，闭环控制具有一系列优点。在反馈控制系统中，不管出于什么原因（外部扰动或系统内部变化），只要被控制量偏离规定值，就会产生相应的控制作用去消除偏差。因此，它具有抑制干扰的能力，对元件特性变化不敏感，并能改善系统的响应特性。但反馈回路的引入增加了系统的复杂性，而且增益选择不当时会引起系

20、统的不稳定。为提高控制精度，在扰动变量可以测量时，也常同时采用按扰动的控制（即前馈控制）作为反馈控制的补充而构成复合控制系统。1.2.2双冲量水位控制系统的特点从本质上看，双冲量控制系统是一个前馈（蒸汽流量）与单回路反馈控制系统的复合控制系统。双冲量汽包水位控制，能在负荷变化频繁的工况下比较好的完成水位控制任务。在给水压力比较平衡时，采用双冲量控制是能够达到控制要求的。双冲量汽包水位控制存在的问题是：控制作用不能及时反应给水方面的扰动，当给水量扰动时，控制系统等于单冲量的控制。因此，如果给水母管压力经常波动，给水调节阀前后压差不易保持正常时，不宜采用双冲量控制。1.3三冲量水位控制系统1.3.

21、1结构原理双冲量系统还有两个弱点，即调节阀的工作特性不一定是线性，这样要做到静态补偿不是很难；同时给与给水系统的扰动不能直接补偿。为此，将给水量流量信号引入，构成三冲量控制。在双冲量水位自动调节的基础上，为解决给水压力不稳而造成调节性下降的问题，引入给水流量作为调节器的反馈信号。它采用蒸汽流量作为前馈信号，克服负荷变化引起的外扰动，减少假水位引起的调节器误动作；用给水流量作为反馈信号，克服内扰影响，稳定给水量，可以进一步改善给水调节质量。针对上述情况，为了把水位控制平衡，在双冲量水位控制的基础上引入了给水流量信号，这时调节器接受三个输入信号：汽包水位是被调量，是主冲量信号，蒸汽流量是前馈信号，

22、给水流量是反馈信号，这就是汽包水位的三冲量控制系统。 工业锅炉采用三冲量控制系统时，当蒸汽负荷突然发生变化，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，抵消了由于“虚假水位”引起的反向动作，因而减小了水位和给水流量的波动幅度。当由于水压干扰使给水流量改变时，控制器能迅速消除干扰。如给水流量减少，控制器立即根据给水流量减少的信号，开大给水阀门，使水流量保持不变。另外，给水流量信号也是控制器动作后的反馈信号，能使控制器及早知道调节的效果，所以三冲量给水调节系统，控制器动作快，还可以避免调节过头，减少波动和失调，这样汽包水位就很少受到影响。图:1.3.1-1 锅炉

23、汽包水位的三冲量控制系统方框图从三冲量水位控制系统的原理框图可以看出，它由两个闭合回路组成：1.是由给水量，调节阀，控制器组成的内回路；2.由汽包水位对象和内回路构成的主回路，蒸汽流量和分流器均在闭合回路之外，它的引入可以改善调节质量，但不影响闭合回路工作的稳定性。所以三冲量控制的实质是前馈加串级的控制系统。三冲量控制对单、双冲量控制方案取长补短，极大地提高了水位控制质量。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暂时升高，它使调节阀错误地指挥调节机构增加给水量。另一方面。D的增大又通过双冲量控制作用指挥调节阀机构增加给水量。实际给水量是增大还是减少，取决于系统系数的整定。当假

24、水位现象消失后，水位个蒸汽信号都能正确的指挥调节机构动作，只要参数整定合适，当系数恢复平衡后，给水量必然等于蒸汽流量。水位H也会维持在设定值。总之，三冲量汽包水位控制系统，由于引进蒸汽流量和给水流量信号作为控制信号，系统动作及时，有较强的抗干扰能力，在较大的阶跃扰动时都能有效地控制水位的变化，因而得到了广泛的引用。1.3.2三冲量控制方案1.方案之一图1.3.2-1所示是三冲量控制方案之一。该方案实质上是前馈（蒸汽流量）加反馈控制系统。这种三冲量控制方案结构简单，只需要一台多通道调节器，整个系统亦可看作三冲量的综合信号被控变量的单回路控制系统，所以投运和整定与单回路一样，但是如果系统设置不能确

25、保物料平衡，当负荷变化时，水位将有余差。如图1.3.2-1,为方案一的原理图图1.3.2-1为方案一的原理图2.方案之二该方案与方案一相类似，仅是加法器位置从调节器前移至调节阀后。该方案相当于前馈串级控制系统，而副回路的调节阀比例度为100%，该方案不管系数如何设置，当负荷变化时，液位可以保持无差。如图1.3.2-2为原理图：图1.3.2-2为方案二的原理图3.方案之三如图1.3.2-3所示为三冲量控制方案之三，这是一种前馈（蒸汽流量）与串级控制组成的复合控制系统。在汽包停留时间较短，“虚假水位”严重时，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作用，起一个动态前馈作

26、用，以避免由于负荷突然增加或减少时，水位偏离设定值过高或低而造成锅炉停车。图1.3.2-3 锅炉汽包水位的三冲量控制系统原理图1.3.3几种控制方案的比较单冲量水位控制是汽包水位自动化控制中最简单最基本的一种形式，是典型的单回路定值控制系统，但它不能克服“虚假水位”的影响，而且没有给水量信号的反馈，所以水位波动较大。双冲量水位控制系统是在单冲量控制的基础上，引进蒸汽流量作为前馈信号。该控制系统的特点是：引入的蒸汽流量前馈信号可以消除“虚假水位”对调节品质的不良影响。当蒸汽流量变化时，就有一个给水量与蒸汽量向同方向变化的信号，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化的误动作，

27、使调节阀从一开始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，缩短调节的时间，而且引入的蒸汽流量的前馈信号，能该少调节系统的静特性，提高调节质量。双冲量水位控制系统适用于小型低压而且给水压力较稳定的锅炉。当给水压力经常有波动时，给水调节阀前后压差不宜保持正常时，不宜采用双冲量控制：另外在大型锅炉的控制中，锅炉容量越大，压力越来越高，汽包的相对容量就越小，允许波动的出水量就更少。为了把水位控制平稳，在双冲量水位调节的基础上引入了给水量信号，由水位蒸汽流量和给水流量就构成了三冲量水位控制系统，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辅助冲量信号，三冲量水位控制

28、系统抗干扰能力强，适于大中型中压锅炉。三冲量控制方案一：方案一宜作为一般锅炉水位的控制方案，其特点是使用的设备少，整定方发比较简单，调节机构动作比较平稳。三冲量控制方案二：与方案一比较，其加法器从调节阀前移至调节阀后，即使出现物料不平衡的的现象，只要水位有偏差，调节器的积分作用就能消除偏差。三冲量控制方案三：采用这种控制方案，在负荷变化时给水量会及时作出相应变化，调节时间也比较短，对于克服“虚假水位“的动态偏差有进一步的好处，方案三适于大容量高压锅炉，而且要求水位控制严格的场合。1.4设计方案的确定锅炉的给水量在运行生产中经常有自发性变化，当几台锅炉并列运行时，还可能发生几台锅炉的汽包水位控制

29、互相干扰的现象。当某一台锅炉负荷和给水量改变时，引起给水母管压力波动而使其他锅炉的给水量受到扰动。在双冲量水位调节中，对于给水量这种自发性变化不能及时反映出来，要经过一定的延迟时间之后，给水量的扰动才能通过汽包水位的变化而被发觉，此后在克服扰动时，几台锅炉的水位控制又互相影响，使得控制过程非常复杂。另外，近代工业锅炉都向大容量高参数的方向发展，一般锅炉容量越大，汽包的容水量就越小，容许波动的蓄水量就更少。如果给水中断，可能在1030s就会发生危险水位；如仅是给水量与蒸汽量不相适应，在一分钟到几分钟内也将发生缺水或满水事故。这样对汽包水位控制要求就更高了。由常规仪表和调节仪表构成的模拟控制系统，

30、虽然具有可靠性高，成本低，易于维护和操作等优点，并在大中小企业中得到了广泛的应用，解决了不少自动化方面的问题。但是随着生产向大型化连续化发展，对自动化技术的要求越来越高，模拟自动控制系统越来越表现出它的局限性。例如它难以实现多变量控制，复杂控制规律的控制，最优控制，自适应控制，以及时变控制等；模拟控制屏越来越长，难以实现集中控制；各条系统之间不便进行通讯联系，难以实现多级控制；控制方案的修改比较麻烦。如果采用计算机作为自动化工具的过程控制系统，就能很好地解决模拟控制系统存在的上述问题。采用三冲量水位控制系统，以锅炉水位为主控信号，蒸汽流量为前馈信号，给水量为控制器的反馈信号来控制给水量。通过智

31、能仪表的控制，使锅炉汽包水位维持在正常的范围内，当水位超过上限或下限时，能及时报警并采取相应的措施，并且可靠性高，充分体现三冲量控制系统的优越性，极大地提高了企业的生产效率和经济效益。该系统自动化程度较高，大大降低了操作者劳动强度，降低了成本，综合性强，实用性好，保障锅炉正常运行。经分析可知采用三冲量的控制方案三为最优方案。第2章 控制系统的设计2.1过程控制系统设计的一般要求及内容1.过程控制系统设计的一般要求：1)过程控制系统是稳定的，且具有适当的稳定裕度。2)系统应是一个衰减振荡过程，但过渡时间要短，余差要小。2.过程控制系统设计的主要内容：1)控制方案的设计，是整个系统设计的核心。2)

32、工程设计。3)工程安装和仪表调校。4)控制参数工程整定。2.2控制系统方框图锅炉汽包液位控制系统图和调节器正反作用的确定。 在确定调节阀为气关的前提下，按单回路控制系统，可以确定流量控制器FC为正作用。汽包液位和给水流量增加都需要关小调节阀，即对阀位的动作方向要求是一致的，故液位控制器LC是反作用。图:2.2-1 锅炉汽包水位的三冲量控制系统方框图2.3 锅炉三冲量控制系统工作原理及调节过程2.3.1工作原理冲量控制系统从结构上来说，是一个带有前馈信号的串级控制系统。液位控制器LC与流量控制器FC构成串级控制系统。汽包液位是主变量、给水流量是副变量。副变量的引入使系统对给水压力的波动有较强的克

33、服能力。蒸汽流量的波动是引起汽包液位变化的因素，是干扰作用，蒸汽波动时，通过引入FC，使给水流量作相应的变化，所以这是按干扰进行控制的，是把蒸汽流量信号作为 前馈信号引入控制的。2.3.2调节过程根据串级控制系统选择主、副控制器的正、反作用的原则，水位控制器LC反作用选反作用，流量控制器FC为正作用，调节器为气关阀。当水位由于扰动而升高时，因LC反作用，它的输出下降，进入加法器后，使FC给定值减小而输出增加，调节阀的开度减小，给水流量减小，水位下降，保持在设定值上；当蒸汽流量增加时，FC给定值增加而输出减小，调节阀的开度增加，给水流量增加，保持水蒸汽平衡，使水位不；副回路克服给水自身的扰动，要

34、进一步地稳定了水位的自动控制；给水流量增加，FC输出增加，调节阀的开度减小，给水量减小，从而保持水蒸汽平衡。1. 常见故障和处理措施常见故障是出现“假液位” 现象时，容易烧干锅炉。此时，仪表维护人员应该检查、测量汽包液位的真实性，做相应的处理；调节阀线性不好，出现DCS控制室调节阀的输出信号和现场阀位的开度对不上，仪表维护人员应联系好工艺，办好检修票的同时，在现场进行多次校验，至到合格为止；蒸汽流量突然波动，FC来不及进行作相应的变化，及时的按干扰量进行控制，应该检查FC的PID参数是否设的合适。此外，应该经常检查LC、FC调节器的正、反作用是否设的合适，有无更改过等，如有，根据工艺和安全要求

35、，进行合理修改；在进行停车检修后，现场调节阀的作用方式是气关或气关，设定是否更改过？是否满足工艺安全生产的要求等。 2. 注意事项和改进方法 在实际维护当中，由于蒸汽流量的波动，对汽包液位的影响，调节不及时，常常出现“假液位” 现象，造成操作人员误判断，容易烧干锅炉，严重时导致锅炉爆炸等事故。根据工艺操作法，严格按照工艺流程进行精心操作，串级回路一定要投自动，不允许按照个人习惯进行手动操作。否则，应该给予经济制裁。 除了仪表维护人员加强巡检外，对汽包液位可再增加一台实现双冗余，防止汽包液位表坏，工艺操作人员仅靠汽包压力调节控制阀，容易做出误判断，容易烧干锅炉，严重时导致锅炉爆炸等事故。2.4串

36、级控制系统的设计2.4.1串级控制系统各环节的选择如图2.2-1所示，主变量y1是工艺控制指标或与工艺控制指标有直接关系，在串级控制系统中起主导作用的被控变量，其主变量为锅炉汽包水位。副变量y2在串级控制系统中为了更好的稳定主变量或因其他某些要求而引入的辅助变量，其副变量为给定水流量。主对象是由主变量表征其主要特征的生产设备，如加热炉串级控制例子中从炉膛温度监测点到加热炉出口温度监测点这段局部设备，其主对象为锅炉汽包。副对象是由副变量表征其特征的生产设备如加热炉串级控制例子中，从执行器到炉膛温度监测点的这段局部设备，其副对象为蒸汽管道。主控制器是按主变量的测量值，与给定值的偏差进行工作的控制器

37、，其输出作为副控制器的给定值，其主控制器为LC。副控制器是按副变量的测量值与主控制器的输出值的偏差进行工作的控制器，其输出直接改变控制阀阀门开度，其副控制器为FC。主变送器是测量并转换主变量的变送器。副变送器是测量并转换副变量的变送器。副回路是由副测量变送器FT，副控制器FC，执行器FV和副对象构成的闭合回路，也称副环或内环。主回路是由主测量变送器LT，主控制器LC，副回路和主对象构成的闭合回路，也称主环或外环。2.4.2回路设计1.主回路的设计：串级控制系统的主回路是定值控制，其设计单回路控制系统的设计类似，设计过程可以按照简单控制系统设计原则进行。这里主要解决串级控制系统中两个回路的协调工

38、作问题。主要包括如何选取副被控参数、确定主、副回路的原则等问题。 2.副回路的设计：由于副回路是随动系统， 对包含在其中的二次扰动具有很强的抑制能力和自适应能力，二次扰动通过主、副回路的调节对主被控量的影响很小，因此在选择副回路时应尽可能把被控过程中变化剧烈、频繁、幅度大的主要扰动包括在副回路中，此外要尽可能包含较多的扰动。 归纳如下：1) 在设计中要将主要扰动包括在副回路中。 2) 将更多的扰动包括在副回路中。 3) 副被控过程的滞后不能太大，以保持副回路的快速相应特性。 4) 要将被控对象具有明显非线性或时变特性的一部分归于副对象中。 5) 在需要以流量实现精确跟踪时，可选流量为副被控量。

39、 在这里要注意2)和3)存在明显的矛盾，将更多的扰动包括在副回路中有可能导致副回路的滞后过大，这就会影响到副回路的快速控制作用的发挥，因此，在实际系统的设计中要兼2)和3)的综合。 例如，以物料出口温度为主被控参数、炉膛温度为副被控参数，燃料流量为控制参数的串级控制系统，假定燃料流量和气热值变化是主要扰动，系统把该扰动设计在副回路内是合理的。 3. 主、副回路的匹配 1) 主、副回路中包含的扰动数量、时间常数的匹配 设计中考虑使二次回路中应尽可能包含较多的扰动，同时也要注意主、副回路扰动数量的匹配问题。副回路中如果包括的扰动越多，其通道就越长，时间常数就越大，副回路控制作用就不明显了，其快速控制的效果就会降低。如果所有的扰动都包括在副回路中，主调节器也就失去了控制作用。原则上，在设计中要保证主、副回路扰动数量、时间常数之比值在310之间。比值过高，即副回路的时间常数较主回路的时间常数小得太多，副回路反应灵敏，控制作用快，但副回路中包含的扰动数量过少，对于改善系统的控制性能不利；比值过低，副回路