锅炉汽包水位双冲量控制系统的设计.docx
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1、书目摘要21锅炉系统简介31.1 锅炉工作过程简介31.2 产品设计的意义42方案论证52.1 系统实现功能52.2 系统方案论证52.2.1 串级限制方案52.2.2 串级限制方案论证62.3 气包水位串级双冲量调整系统图72.4 锅炉汽包水位的PID限制方案82.4.1 前馈调整系统82.4.2 串级前馈调整系统93硬件设计113.1 调整阀的选择113.2 限制仪表的选择113.3 限制器设计123.3.1 限制器限制规律选择133.3.2 限制器正反作用选择133.3.3 限制器的电路实现133.4 系统总体设计143.5 传感器选择153.6 变送器选择154软件设计164.1 程序
2、流程图164.2 PID限制系统算法165系统分析及参数整定185.1 给水限制系统分析及整定185.1.1 副回路的分析和整定185.1.2 主回路的分析和整定185.2 锅炉水位PID限制的总体结构及仿真186课程设计总结20参考文献21摘要锅炉的建模与限制问题始终是人们关注的焦点,而汽包水位是工业锅炉平安、稳定运行的重要指标,保证水位限制在给定范围内,对于提高蒸汽品质、削减设备损耗和运行损耗、确保整个网络平安运行具有重要意义。模糊限制是建立在人工阅历基础之上的,它能将娴熟操作员的实践阅历加以总结和描述,并用语言表达出来,得到定性的、不精确的限制规则,不须要被控对象的数学模型。模糊限制易于
3、被人们接受,构造简洁,鲁棒性和适应性好。本文分析了汽包水位对象的动态特性,介绍传统的限制方式。由于锅炉水位限制系统的调整器输入端常加有两个输入量,极易引起水位限制偏差,本文提出了如何消退水位偏差的方法,即协助信号自消方法。依据双冲量水位调整系统限制水位误差,设计采纳了双冲量PID串级限制方式采纳协助信号蒸汽流量和给水流量对消方法消退水位偏差。依据锅炉限制现状,提出了参数自整定模糊限制规则,设计了二输入三输出自适应模糊PID限制器对汽包水位进行限制,克服了传统限制方式的限制效果不精确和参数难以调整等缺点。利用MATLAB对传统PID限制系统和双冲量自适应模糊PID限制系统仿真,结果表明后者的自适
4、应实力更强,抗干扰实力和鲁棒性更好,保证水位的稳定。关键词:汽包水位;双冲量;串级系统;PID限制;模糊限制1锅炉系统简介1.1 锅炉工作过程简介锅炉是一种承受肯定工作压力的能量转换设备.其作用就是有效地把燃料中的化学能转换为热能,或再通过相应设备将热能转化为其它生产和生活所需的能量形式,长期以来在生产和居民生活中都起很重要的作用。锅炉是工业过程中不行缺少的动力设备,锅炉的任务是依据外界负荷的变更,输送肯定质量(汽压、汽温)和相应数量的蒸汽。它所产生的蒸汽不仅能够为蒸储、化学反应、干燥等过程供应热源,而且还可以作为风机、压缩机、泵类驱动透平的动力源。锅炉是由“锅”和“炉”两部分组成的。“锅”就
5、是锅炉的汽水系统,如图Ll所示。由省煤器3、汽包4、下降管8、过热器5、上升管7、给水调整阀2、给水母管1及蒸汽母管6等组成。锅炉的给水用给水泵打入省煤器,在省煤器中,水汲取烟气的热量,使温度上升到本身压力下的沸点,成为饱和水然后引入汽包。汽包中的水经下降管进入锅炉底部的下联箱,又经炉膛四周的水冷壁进入上联箱,随即又回入汽包。水在水冷壁管中汲取炉内火焰干脆辐射的热,在温度不变的状况下,一部分蒸发成蒸汽,成为汽水混合物。汽水混合物在汽包中分别成水和汽,水和给水一起再进入下降管参与循环,汽则由汽包顶部的管子引往过热器,蒸汽在过热器中吸热、升温达到规定温“炉”就是锅炉的燃烧系统,由炉膜、烟道、喷燃器
6、、空气预热器等组成。锅炉燃料燃烧所需的空气由送风机送入,通过空气预热器,在空气预热器中汲取烟气热量,成为热空气后,与燃料按肯定的比例进入炉膛燃烧,生成的热量传递给蒸汽发生系统,产生饱和蒸汽。然后经过过热器,形成肯定的过热蒸汽,汇合到蒸汽母管。具有肯定压力的过热蒸汽,经过负荷设备调整阀供负荷设备运用。与此同时,燃烧过程中产生的烟气,其中含有大量余热,除了将饱和蒸汽变成过热蒸汽外,还预热锅炉给水和空气,最终经烟囱排入大气。经上介绍,锅炉系统的主要包括燃烧系统、送引风系统、汽水系统及协助系统等。1.2 产品设计的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
7、炉的水位受到负荷变更的影响,因此当锅炉用汽量变更时,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,使过热器管壁结垢,造成工业事故,同时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,危及水冷壁受热面的平安。使锅筒水位维持在设计值800.3Cm范围内。通过以上分析,锅炉水位的限制是特别必要的,随着自动化水平的不断提高,设计一款简洁、便利的过程限制系统来对水位进行自动限制及处理也显得特别必要。2方案论证2.1 系统实现功能通过运用该系统,可以使得锅炉过热器
8、出口蒸汽温度在允许的范围内变更,并爱护过热器营壁温度不超过允许的工作温度。2.2 系统方案论证串级限制方案过热器出口蒸汽温度串级限制系统的方框图如下图所示。采纳两级调整器,这两级调整器串在一起,各有其特别任务,调整阀干脆受调整器1的限制,而调整器1的给定值受到调整器2的限制,形成了特有的双闭环系统,由副调整器调整器和减温器出口温度形成的闭环称为副环。由主调整器和主信号一出口蒸汽温度,形成的闭环称为主环,可见副环是串在正正环之中的。图2.1过热蒸汽温度串级调整系统原理图调整器2称主调整器,调整器1称为副调整器。将过热器出口蒸汽温度调整器的输出信号,不是用来限制调整阀而是用来变更调整器2的给定值,
9、起着最终校正作用。串级系统是一个双回路系统,实质上是把两个调整器串接起来,通过它们的协调工作,使一个被控量精确地保持为给定值。通常串级系统副环的对象惯性小,工作频率高,而主环惯性大,工作频率低。为了提高系统的限制性能,希望主副环的工作频率相差三倍以上,以免频率相近时发生共振现象面破坏正常工作。串级限制系统可以看作一个闭合的副回路代替了原来的一部分对象,起了改善对象特征的作用。除了克服落在副环内的扰动外,还提高了系统的工作频率,加快过渡过程。串级限制由于副环的存在,改善了对象的特性,使等效副对象的时间常数减小,系统的工作频率提高。同时,由于串级系统具有主、副两只限制器,使限制器的总放大倍数增大,
10、系统的抗干扰实力增加,因此,一般来说串级限制系统的限制质量要比单回路限制系统高。在炉温过热蒸汽温度限制系统中,为了获得更好的限制精度,所以采纳串级限制系统以得到良好的限制特性。串级限制方案论证串级限制是随着工业的发展,新工艺不断出现,生产过程日趋强化,对产品质量要求越来越高,简洁限制系统已不能满足工艺要求的状况下产生的。图2.2串级限制系统方框图由上图可知,主限制器的输出即副限制器的给定,而副限制器的输出干脆送往限制阀。主限制器的给定值是由工艺规定的,是一个定制,因此,主环是一个定值限制系统;而副限制器的给定值是由主限制器的输出供应的,它随主限制器输出变更而变更,因此,副环是一个随动限制系统。
11、串级限制系统中,两个限制器串联工作,以主限制器为主导,保证主变量稳定为目的,两个限制器协调一样,相互协作。若干扰来自副环,副限制器首先进行粗调,主限制器再进一步进行细调。因此限制质量优于简洁限制系统。串级限制有以下优点1、由于副回路的存在,减小了对象的时间常数,缩短了限制通道,使限制作用更加刚好;2、提高了系统的工作频率,使振荡周期减小,调整时间缩短,系统的快速性增加了;3、对二次干扰具有很强的克服实力,对客服一次干扰的实力也有肯定的提高;4、对负荷或操作条件的变更有肯定的自适应实力。一般来说,一个设计合理的串级限制系统,当干扰从副回路进入时,其最大偏差将会较小到限制系统的1/10-1/100
12、,即便是干扰从主回路进入,最大偏差也会缩小到单回路限制系统的1/31/5。但是,假如串级限制系统设计得不合理,其优越性就不能够充分体现。因此,串级限制系统的设计合理性特别重要。2.3 气包水位串级双冲量调整系统图图2.3中所示的双冲量调整系统,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。图2.3中所示的串级限制系统有一个明显的特点:在结构上有两个闭环。
13、一个环在里面,称之为副环或副回路,在限制过程中起着“粗调”的作用;一个环在外面,称之为主环或主回路,用来完成“细调”任务,以最终保证被调量满足工艺要求。在串级限制系统中,主调整器和副调整器的任务不同,主调整器的任务是校正水位偏差。副调整器的任务是用以消退给水压力波动等因素引起的给水流量的自发性扰动以及当蒸汽负荷变更时快速调整给水流量,以保证给水流量和蒸汽流量平衡。主调整器具有自己独立的设定值,它的输出作为副调整器的设定值,而副调整器的输出信号则送到执行机构去限制生产过程。这样,当负荷变更时,水位稳定值是靠主调整器来维持的,并不要求进入副调整器的蒸汽流量信号的作用强度按所谓“静态配比”来进行整定
14、.恰恰相反,在这里可以依据对象在外扰下虚假水位的严峻程度来适当加强蒸汽流量信号的作用强度,从而变更负荷扰动下的水位限制品质。图2.3串级限制系统2.4 锅炉汽包水位的PID限制方案限制汽包水位的手段是操纵给水,依此构成的单回路限制系统对锅炉的假水位现象回发出相反的补偿动作,严峻时甚至会使汽包水位降到足以发生危急事故的程度,假如依据蒸汽流量来给出校正动作,就可以订正虚假水位引起的误动作,从而削减水位的波动,改善限制的精确度。前馈调整系统比较前馈系统,反馈系统的最大缺点是在干扰作用下,必需形成偏差,才能进行调整(或偏差即将形成)那么能否在干扰作用发生后,在未影响被控变量时,就起先调整,使被控变量保
15、持不变。而前馈系统是按干扰进行调整的开环调整系统,在干扰发生后,被控变量未发生变更时,前馈限制器依据干扰幅值,变更趋势,对操纵变量进行调整,来补偿干扰对被控变量的影响,使被控变量保持不变的方法。图2.4前馈系统方框图其中Gw表示干扰通道对象特性,S。表示限制通道对象特性,G万表示前馈限制器传函。依据不变性原理,即被控变量与干扰量肯定无关,或被控变量对干扰完全独立,则T(三)/尸(三)=,即T(三)=Ot3f3=Gpd+GjKG=。(2-1)所以G(s)=.GW(三)G(s)即Gj(三)=干扰通道对象特性/限制通道对象特性上式的负号表示限制通道与干扰通道作用相反。所以前馈限制器传函由限制通道对象
16、特性和干扰通道对象特性确定。串级前馈调整系统为克服调整阀的变差(滞环),阀前后压差变更,引起阀和流量变更(如蒸汽压力变更)增加一个流量付环,其目的在于通过设置副变量来提高对主变量的限制质量,由于副回路的存在,对进入副回路的干扰有超前限制的作用,因而削减了干扰对主变量的影响,同时系统对负荷变更时有肯定的自适应实力。图2. 6串级前馈限制系统方框图串级前馈模型传递函数:GPCI (s)+ GPD(S)=O(2-2)F(5)G#(5)G(2(s)C,(s)q2(s)1+%12(s)Gc2(s)G,(s)Gpc2(s)综上两种调整系统的比较,我们可以看出,采纳串级前馈调整具有更大的优势,故在在此设计方
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