XX学课程设计（文）务书
专业班级： 动化 学生姓名： 指导教师（签名）：
课程设计（文）题目
锅炉汽包液位控制
二次课程设计（文）应达目
次课程设计动化专业学生学计算机控制技术系统程控制仪表两门专业必修课程单片机原理应编程控制器等相关专业选修课程进行次全面综合训练目加深学生计算机控制技术相关理知识理解进步熟悉计算机控制系统工程设计基理方法技掌握工程应基容求整合专业课程理知识方法做理联系实际培养学生分析问题解决问题力独立完成系统设计力求编写相关设计说明书技术文档总结报告等
三次课程设计（文）务容求（包括原始数技术参数设计求等）
锅炉汽包液位阶跃响应曲线数表示控制量阶跃变化试根实验数设计超调量差控制系统
时间min
0
5
10
15
20
25
控量
0650
0651
0652
0668
0735
0817
时间min
30
35
40
45
50
55
控量
0881
0979
1075
1151
1213
1239
时间min
60
65
70
75
80
85
控量
1262
1311
1329
1338
1350
1351
具体求：
（1） 根实验数选择定辨识方法建立象数学模型
（2） 根辨识结果设计符合求控制系统（控制系统原理图控制规律选择等）
（3） 根设计方案选择相应控制仪表
设计控制系统进行仿真整定运行参数
（4）撰写课程设计报告份求字数3000～5000字
四应收集资料参考文献：
1．王英等程控制系统仪表机械工业出版社2006
2．潘新民王燕芳微型计算机控制技术高等教育出版社2001
3．王锦标计算机控制系统清华学出版社2008
五审核批准意见
教研室（签字）
摘
锅炉典型复杂热工系统目前中国种类型锅炉十万台设备分散理善技术原数锅炉难处良工况增加锅炉燃料消耗降低效率锅炉建模控制问题直关注焦点汽包水位工锅炉安全稳定运行重指标保证水位控制定范围高蒸汽品质减少设备损耗运行损耗确保整网络安全运行具意义
锅炉汽包水位高度确保安全生产提供优质蒸汽重参数现代工业生产说尤样现代锅炉特点蒸发量显著提高汽包容积相变水位变化速度快稍注意容易造成汽包满水者烧成干锅现代锅炉操作中缺水事非常危险水位低会影响然循环正常进行严重时会水形成水面产生流动停滞致金属壁局部热爆满水缺水会造成事必须严格控制水位规定范围
维持汽包水位定范围保证锅护汽轮机安全运行必条件锅炉正常运行指标水位高会影响汽包汽水分离效果汽包出口饱蒸汽带水增蒸汽带水会汽轮机产生水击引起轴封破损叶片断裂等事时会饱蒸汽中含盐量增高降低热蒸汽品质增加热器壁汽轮机叶片结垢水位低破坏然循环锅炉汽水循环系统中某薄弱环节致局部水冷壁烧坏严重时会造成爆炸事果十分严重着锅炉容量增加水位变化速度愈愈快工操作愈愈繁重汽包水位实现动调节提出迫切求
汽包水位控制锅炉控制难点目前汽包水位控制采常规PID控制方式传统常规PID控制方式根控制象数学模型建立锅炉水位系统存非线性确定性时滞负荷干扰非相位特征等精确数学模型法获常规PID控制参数固定变难适应种扰动象变化控制效果难满足求控制效果理想
关键词：量汽包水位控制PID控制仿真
目录
1． 绪 1
11锅炉工作程简介 1
12锅炉汽包水位动控制意义 2
13锅炉液位控制难点 2
2 汽包锅炉水位控制系统设计 3
21概述 3
22单量控制系统 3
23双量控制系统 4
24三量控制系统 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5
241单级三量控制系统．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5
242串级三量控制系统．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6
3 锅炉汽包水位动态特性数学建模 7
31水流量作动态特性 7
32 蒸汽流量扰动动态特性 8
33 根数进行曲线拟合 9
331相关MATLAB程序结果．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9
332控制变量确定 10
34串级三量框图 10
4 硬件选择．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12
41流量传感器选择 12
42水位传感器选择 12
43电机选择 12
44接触器选择 13
45阀开闭选择形式 13
5 PID参数整定SIMULINK仿真 13
51串级三量仿真电路图搭建 13
52串级三量PID参数整定 14
53仿真分析 15
总结 16
参考文献 17
1． 绪
11锅炉工作程简介
锅炉工业程中缺少动力设备锅炉务根外界负荷变化输送定质量(汽压汽温)相应数量蒸汽产生蒸汽仅够蒸馏化学反应干燥等程提供热源作风机压缩机泵类驱动透动力源
锅炉锅炉两部分组成锅锅炉汽水系统图示省煤器3汽包4降8热器5升7水调节阀2水母1蒸汽母6等组成锅炉水水泵入省煤器省煤器中水吸收烟气热量温度升高身压力沸点成饱水然引入汽包汽包中水降进入锅炉底部联箱炉膛四周水冷壁进入联箱回入汽包水水冷壁中吸收炉火焰直接辐射热温度变情况部分蒸发成蒸汽成汽水混合物汽水混合物汽包中分离成水汽水水起进入降参加循环汽汽包顶部子引热器蒸汽热器中吸热升温达规定温度成合格蒸汽送入蒸汽母
图11 锅炉汽水系统
炉锅炉燃烧系统炉膜烟道喷燃器空气预热器等组成锅炉燃料燃烧需空气送风机送入通空气预热器空气预热器中吸收烟气热量成热空气燃料定例进入炉膛燃烧生成热量传递蒸汽发生系统产生饱蒸汽然热器形成定热蒸汽汇集蒸汽母具定压力热蒸汽负荷设备调节阀供负荷设备时燃烧程中产生烟气中含量余热饱蒸汽变成热蒸汽外预热锅炉水空气烟囱排入气
12锅炉汽包水位动控制意义
锅炉汽包水位动调节务水量踪锅炉蒸发量维持汽包中水位工艺允许范围
维持汽包水位定范围保证锅护汽轮机安全运行必条件锅炉正常运行指标水位高会影响汽包汽水分离效果汽包出口饱蒸汽带水增蒸汽带水会汽轮机产生水击引起轴封破损叶片断裂等事时会饱蒸汽中含盐量增高降低热蒸汽品质增加热器壁汽轮机叶片结垢水位低破坏然循环锅炉汽水循环系统中某薄弱环节致局部水冷壁烧坏严重时会造成爆炸事果十分严重着锅炉容量增加水位变化速度愈愈快工操作愈愈繁重汽包水位实现动调节提出迫切求
13 锅炉液位控制难点
液位控制技术通控制进水出水阀门开度改变水流量实现水温控制通调节加热功率实现锅炉液位控制锅炉控制系统较重较难控制项锅炉运行程中存进水量出水量变化难通调整PID控制器参数满足运行条件获理想控制效果调整量会导致流量回路动作频繁游设备带额外干扰样导致液位控制器通常处欠调正状态允许液位定范围波动减出水量变化然欠调正PID时抑制扰动引起锅炉运行安全问题外液位波动会破坏锅炉运行程稳定蒸汽输送等易控制影响锅炉液位关键变量水流量蒸汽出口流量混合燃料进料量变量扰动较冷水造成相应纯滞蒸汽流出量突然增加造成典型假水位现象程暂时改变方容易产生误操作导致发生事
2 汽包锅炉水位控制系统设计
21概述
汽包水位控制问题伴着锅炉出现出现长久直控制领域典型难问题着控制理控制技术现代控制方法发展锅炉动化控制水逐渐提高间历世纪三四十年代单参数仪表控制四五十年代单元组合仪表综合参数仪表控制六十年代兴起计算机控制等阶段通常种方案：
(1) 单量控制系统汽包水位单回路水位控制系统
(2) 双量控制系统单量系统基础引入蒸汽流量信号
(3) 三量控制系统双量系统基础引入水流量信号构成
22单量控制系统
单量水位控制系统汽包水位作唯控制信号量变量水位测量信号变送器送水位调节器调节器根汽包水位测量值H定值H0偏差通执行器控制水调节阀改变水量保持汽包水位允许范围系统框图图21示
图21单量控制系统框图
种控制系统结构简单典型单回路定制控制系统水汽包停留时间较长负荷较稳定虚假水位现象严重情况采单量控制系统进行PID调节般满足生产求
单量汽包水位调节优点：系统结构简单汽包容量较水位受扰动反应速度较慢虚假水位现象严重场合采单量水位调节时够满足生产求
单量汽包水位调节存着缺点：
（1）单量控制方案根水位信号控制水量锅炉负荷变化阶跃扰动时锅炉虚假水位现象例负荷蒸汽增加时水位开始先升调节器根水位作控制信号关阀门减少水量动作锅炉流量衡错误程开始扩蒸汽流量水流量波动幅度扩进出流量衡
（2）水扰动水位变化动态特性出水压力变化等原造成水量变化时调节器等水位变化开始动作调节器动作段滞时间 汽包水位发生影响必导致汽包水位波动幅度程时间长
23双量控制系统
汽包水位控制中扰动负荷变化双量控制系统锅炉汽包水位测量信号作控信号蒸汽流量信号作前馈信号构成前馈反馈控制系统系统框图图22示
图22双量控制系统框图
双量控制系统优点：引入蒸汽流量前馈信号消虚假水位引起良影响蒸汽量变化时水量蒸汽量方变化信号减少抵消虚假水位现象引起假水位引入蒸汽流量前馈信号够改善控制系统静态特性提高控制质量双量控制系统存问题：水系统扰动直接补偿水量发生扰动时等汽包水位信号变化时通调节器操作执行调节滞时间长水位波动
24三量控制系统
241单级三量控制系统
三量锅炉汽包水动控制系统汽包水位H控制信号蒸汽流量D前馈控制信号水流量W反馈控制信号组成控制系统
三量控制系统采蒸汽量进行前馈控制负荷（蒸汽流量）突然发生变化蒸汽流量信号水调节阀开始正方移动蒸汽流量增加时水调节阀开抵消虚假水位引起方误动作水流量减少调节器立根水流量减少信号开水阀水量保持变外水流量信号调节器动作反馈信号调节器早知道控制效果三量控制系统调节器动作加快避免调解量减少水位波动防止失控系统框图图23示
图23单级三量控制系统框图
系统框图出单级三量控制系统两闭合回路：水流量W水变送器调节器调节阀组成回路汽包水位象回路构成回路蒸汽流量D蒸汽变送器未包含两闭合回路引入改善控制质量影响闭合回路工作稳定性三量控制实质前馈加反馈控制系统
单级三量控制系统具优点：相单量双量控制系统控制品质效满足系统快速性稳定性准确性求效避免虚假水位现象单量双量相足系统成高系统复杂容易整定
242串级三量控制系统
着生产程着型连续强化方发展操作求更加严格参数间相互关系更加复杂控制精度功提出新求需单回路基础采取措施组成复杂控制系统图示三量串级控制系统框图中调节器接受水位信号作控信号蒸汽流量信号控制副调节器水设定值副调节器接受调节器设定信号外接受水流量信号蒸汽流量信号作前馈信号水流量进行前馈控制蒸汽负荷突然发生变化时蒸汽流量信号水调节阀立正确方移动蒸汽流量增加时水调节阀开抵消虚假水位引起反作减少水位水流量波动幅度水流量信号作调节阀动作反馈信号调节器早知道控制效果做出相应调整系统框图图24示
图24串级三量控制系统框图
实际应中选定控制阀门样串级三量作控制系统设计样
3锅炉汽包水位动态特性数学建模
31水流量作动态特性
水流量突然增加瞬间锅炉蒸发量未改变水流量蒸发量水位开始立增加温度较低水进入省煤器水循环系统流量增加原饱汽水混合物中吸取部分热量水面汽泡容积减少事实水温度远低省煤器温度水定冷度水进入省煤器部分汽变成水特沸腾式省煤器水减轻省煤器沸腾度省煤器汽泡总容积减少进入省煤器水首先填补省煤器中汽泡破灭容积减少降低水位段迟延甚水位降水断省煤器进入汽包水位升程中负荷未变化汽包中水蒸发水位降趋势H曲线清楚出水控象扰特点：水扰动刚刚加入时水冷度影响水位H变化慢段时间变化速度逐渐增加变定速度直线升时物质衡起作果水量蒸汽量衡水位确定面简单介绍水位水扰动传递函数
根物料衡热衡关系锅炉汽包水位调节象动态特性方程推导简化成：
（31）
式中：h汽包水位高度
水流量项时间常数
蒸汽流量项时间常数
蒸汽流量项放倍数
时间常数
时式子：
（32）
式中：D锅炉蒸汽流量
W锅炉水流量
见引起汽包水位变化扰动蒸汽流量（称外扰动）水流量（称外扰动）水流量作汽包水位调节象运动方程式表示：
（33）
两边取拉氏变换结合工程实际忽略较考虑汽包水位较长段时间里水量增加增加锅炉汽包水位水流量作动态数学模型：
（34）
32 蒸汽流量扰动动态特性
负荷变化时汽包水位动态特性具特殊形式：负荷增加时蒸发量水量水位降反迅速升负荷突然减时水位先降然迅速升虚假水位现象虚假水位变化情况锅炉特性关燃料突然减时（锅炉灭火）虚假水位约2～4分钟达低值外部负荷突然减时（汽轮机甩负荷）虚假水位约20秒达低值虚假水位达低值时间负荷达低值时间基相汽轮机甩负荷扰动虚假水位现象相严重组成水位动调节系统带困难维持水位允许范围运行中应负荷次变动量负荷变化速度加限制
理外扰动汽包水位调节象动态特性方程： （35）
式方程进行拉氏变换令 锅炉汽包水位蒸汽流量作动态数学模型：
（36)
33 根数进行曲线拟合
331相关MATLAB程序结果
>> x[0510152025303540455055606570758085]
>>y[065006510652066807350817088109791057115112131239126
213111329133813501351]
>> figure(1)
>> subplot(211)
>> plot(xy＇o＇)
>> aapolyfit(xy5)
>> f_xvpa(poly2sym(aa＇x＇)4)
f_x
5124e10*x^5 3795e8*x^4 7444e6*x^3 + 00007902*x^2 0008607*x + 06594
>> x0585
>> subplot(212)
>> plot(xpolyval(aax)＇ro＇)
>> axis([0 85 0 1500])
图31 拟合曲线
332控制变量确定
通现场数采集数分析处理终锅炉汽包水位水流量作动态数学模型：
（37）
现场数分析处理终锅炉汽包水位蒸汽流量作动态数学模型：
（38） 34串级三量框图
水流量
定液位
蒸汽流量
水流量调节器
电机
汽包
水流量变送器
蒸汽流量变送器
蒸汽道
液位
液位变送器
变频器
液位调节器
图32汽包水位三量控制系统框图
图33 单级三量控制系统框图
系统框图出单级三量控制系统两闭合回路：水流量W水变送器调节器调节阀组成回路汽包水位象回路构成回路蒸汽流量D蒸汽变送器未包含两闭合回路引入改善控制质量影响闭合回路工作稳定性三量控制实质前馈加反馈控制系统
单级三量控制系统具优点：相单量双量控制系统控制品质效满足系统快速性稳定性准确性求效避免虚假水位现象单量双量相足系统成高系统复杂容易整定
4 硬件选择
41流量传感器选择
根控制方案知道流量传感器测量水流量蒸汽流量两信号效改善控制质量合理选择流量传感器够效改善整系统控制质量知道控制35th锅炉汽包水位该锅炉正常工作时时蒸发35t蒸汽35t水蒸发成蒸汽水位稳定时供水量：35 m3h 海正博动化仪表限公司生产LUGB99型涡街流量计种基卡门涡街原理流体振动式新型流量计具测量范围广压损性稳定准确度高安装方便等优点广泛应封闭工业道中液体汽体蒸汽介质体积质量流量测量
42水位传感器选择
该设计目控制水位稳定整控制系统基础水位准确测量水位否准确测量直接关系控制质量优劣合理选择水位传感器水位控制系统设计中关键作知道汽包水位应该控制300±10 mm根程控制仪表量程选择原：仪表量程应该测量参数43～32倍选传感器量程400～450 mm汽包水位应该控制300±10 mm选水位传感器精度应该高1045022FS选择该测量精度满足求
43电机选择
电机锅炉汽包供水动力设备电机准确选型关系汽包否准确供水进影响汽包水位稳定控制锅炉蒸发量：35th汽包压力05MP道直径50mm正常工作时电机功率作估算：
(41)
计算结果知道选功率100Kw三相异步电动机完全满足工作求变频调速必选绕线型异步电动机选鼠笼型电机满足求济南华力贝尔机电设备限公司生产YJTG三相变频调速电机专门变频调速设计根技术求设定额定电压380V额定功率100kw
44接触器选择
接触器系统中重开关设备接触器合理选择保证交流电动机够准确时启动停止根分析三相交流异步电机高工作电流工作50Hz交流电压工作电流：
(42)
根设计求浙江宏立电器限公司生产HLC3X系列空调接触器适50Hz60HzAC7b类额定工作电压230V480V时额定电流40A电路中适起动控制三相交流电动机(压缩机)三相负载选择五套该类型接触器时带动台电机满足设计求
45阀开闭选择形式
关水调节阀气开气关选择般安全角度考虑员安全生产安全系统设备安全需首工业生产程调节阀绝部分气动调节阀选择调节阀气开气关方式
锅炉水调节阀般采气关式旦事发生系统失控供水调节阀处全开位置锅炉致水中断烧坏避免爆炸等事发生
5 PID参数整定SIMULINK仿真
51串级三量仿真电路图搭建
图51 串级三量仿真电路图
52串级三量PID参数整定
图52 控制器PID
图53 副控制器PID
差控制运行300450处加蒸汽扰动抗干扰力
图54 控制图
53仿真分析
回路校正水位偏差副回路作快速消扰前馈通路补偿外扰克服虚假水位现象串级三量水控制系统中水流量扰动扰串级三量水控制系统中调节器务校正水位单级三量水控制系统工作更合理
前馈控制扰动信号前馈控制器处理消扰动调量影响扰动进行补偿控制前馈控制作扰动补偿动控制原理知道扰动补偿属开环控制前馈控制系统稳定性影响原系统稳定施前馈控制系统然稳定
前馈控制测量扰动作进行扰动补偿前馈控制器结构参数取决控制象扰动通道特性
仿真效果知串级三量水控制系统种典型影响素干扰均做出快速反应具较高调节质量调节精度够维持汽包水位稳定保障机组安全稳定运行
总 结
锅炉汽包水位控制务控制水流量蒸发量保持动态衡维持汽包水位工艺允许范围保证锅炉安全生产运行必条件汽包水位控制系统控制理程控制技术实际生产程中典型应案例前生产现场应控制方法文述三量控制方案量实践证明三量控制方案锅炉汽包水位控制系统中切实行取理想控制效果满足控制求企业提高生产效率节约资源起明显作
通次程控制课程设计感触颇深仅书学知识进行复巩固培养独立思考解决问题力通周努力终规定时间完成务更加深刻理解锅炉液位三量控制众专业课程学知识相结合更进步提高综合运知识力通课程设计学专业知识联系起明白理知识重性应范围宽广加深专业工程设计理解更加明白生产实际中书面知识生搬硬套具体问题具体分析正确快速解决问题外懂设计制造道路需断探索创造坚持懈持恒次设计历受益匪浅
Xi安jian筑科技学课程设计
参考文献
1．王英等程控制系统仪表机械工业出版社2006
2．潘新民王燕芳微型计算机控制技术高等教育出版社2001
3．王锦标计算机控制系统清华学出版社2008
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专业班级： 动化 学生姓名： 指导教师（签名）：
课程设计（文）题目
锅炉汽包液位控制
二次课程设计（文）应达目
次课程设计动化专业学生学计算机控制技术系统程控制仪表两门专业必修课程单片机原理应编程控制器等相关专业选修课程进行次全面综合训练目加深学生计算机控制技术相关理知识理解进步熟悉计算机控制系统工程设计基理方法技掌握工程应基容求整合专业课程理知识方法做理联系实际培养学生分析问题解决问题力独立完成系统设计力求编写相关设计说明书技术文档总结报告等
三次课程设计（文）务容求（包括原始数技术参数设计求等）
锅炉汽包液位阶跃响应曲线数表示控制量阶跃变化试根实验数设计超调量差控制系统
时间min
0
5
10
15
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控量
0650
0651
0652
0668
0735
0817
时间min
30
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40
45
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55
控量
0881
0979
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时间min
60
65
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80
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控量
1262
1311
1329
1338
1350
1351
具体求：
（1） 根实验数选择定辨识方法建立象数学模型
（2） 根辨识结果设计符合求控制系统（控制系统原理图控制规律选择等）
（3） 根设计方案选择相应控制仪表
设计控制系统进行仿真整定运行参数
（4）撰写课程设计报告份求字数3000～5000字
四应收集资料参考文献：
1．王英等程控制系统仪表机械工业出版社2006
2．潘新民王燕芳微型计算机控制技术高等教育出版社2001
3．王锦标计算机控制系统清华学出版社2008
五审核批准意见
教研室（签字）
摘
锅炉典型复杂热工系统目前中国种类型锅炉十万台设备分散理善技术原数锅炉难处良工况增加锅炉燃料消耗降低效率锅炉建模控制问题直关注焦点汽包水位工锅炉安全稳定运行重指标保证水位控制定范围高蒸汽品质减少设备损耗运行损耗确保整网络安全运行具意义
锅炉汽包水位高度确保安全生产提供优质蒸汽重参数现代工业生产说尤样现代锅炉特点蒸发量显著提高汽包容积相变水位变化速度快稍注意容易造成汽包满水者烧成干锅现代锅炉操作中缺水事非常危险水位低会影响然循环正常进行严重时会水形成水面产生流动停滞致金属壁局部热爆满水缺水会造成事必须严格控制水位规定范围
维持汽包水位定范围保证锅护汽轮机安全运行必条件锅炉正常运行指标水位高会影响汽包汽水分离效果汽包出口饱蒸汽带水增蒸汽带水会汽轮机产生水击引起轴封破损叶片断裂等事时会饱蒸汽中含盐量增高降低热蒸汽品质增加热器壁汽轮机叶片结垢水位低破坏然循环锅炉汽水循环系统中某薄弱环节致局部水冷壁烧坏严重时会造成爆炸事果十分严重着锅炉容量增加水位变化速度愈愈快工操作愈愈繁重汽包水位实现动调节提出迫切求
汽包水位控制锅炉控制难点目前汽包水位控制采常规PID控制方式传统常规PID控制方式根控制象数学模型建立锅炉水位系统存非线性确定性时滞负荷干扰非相位特征等精确数学模型法获常规PID控制参数固定变难适应种扰动象变化控制效果难满足求控制效果理想
关键词：量汽包水位控制PID控制仿真
目录
1． 绪 1
11锅炉工作程简介 1
12锅炉汽包水位动控制意义 2
13锅炉液位控制难点 2
2 汽包锅炉水位控制系统设计 3
21概述 3
22单量控制系统 3
23双量控制系统 4
24三量控制系统 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5
241单级三量控制系统．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5
242串级三量控制系统．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6
3 锅炉汽包水位动态特性数学建模 7
31水流量作动态特性 7
32 蒸汽流量扰动动态特性 8
33 根数进行曲线拟合 9
331相关MATLAB程序结果．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9
332控制变量确定 10
34串级三量框图 10
4 硬件选择．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12
41流量传感器选择 12
42水位传感器选择 12
43电机选择 12
44接触器选择 13
45阀开闭选择形式 13
5 PID参数整定SIMULINK仿真 13
51串级三量仿真电路图搭建 13
52串级三量PID参数整定 14
53仿真分析 15
总结 16
参考文献 17
1． 绪
11锅炉工作程简介
锅炉工业程中缺少动力设备锅炉务根外界负荷变化输送定质量(汽压汽温)相应数量蒸汽产生蒸汽仅够蒸馏化学反应干燥等程提供热源作风机压缩机泵类驱动透动力源
锅炉锅炉两部分组成锅锅炉汽水系统图示省煤器3汽包4降8热器5升7水调节阀2水母1蒸汽母6等组成锅炉水水泵入省煤器省煤器中水吸收烟气热量温度升高身压力沸点成饱水然引入汽包汽包中水降进入锅炉底部联箱炉膛四周水冷壁进入联箱回入汽包水水冷壁中吸收炉火焰直接辐射热温度变情况部分蒸发成蒸汽成汽水混合物汽水混合物汽包中分离成水汽水水起进入降参加循环汽汽包顶部子引热器蒸汽热器中吸热升温达规定温度成合格蒸汽送入蒸汽母
图11 锅炉汽水系统
炉锅炉燃烧系统炉膜烟道喷燃器空气预热器等组成锅炉燃料燃烧需空气送风机送入通空气预热器空气预热器中吸收烟气热量成热空气燃料定例进入炉膛燃烧生成热量传递蒸汽发生系统产生饱蒸汽然热器形成定热蒸汽汇集蒸汽母具定压力热蒸汽负荷设备调节阀供负荷设备时燃烧程中产生烟气中含量余热饱蒸汽变成热蒸汽外预热锅炉水空气烟囱排入气
12锅炉汽包水位动控制意义
锅炉汽包水位动调节务水量踪锅炉蒸发量维持汽包中水位工艺允许范围
维持汽包水位定范围保证锅护汽轮机安全运行必条件锅炉正常运行指标水位高会影响汽包汽水分离效果汽包出口饱蒸汽带水增蒸汽带水会汽轮机产生水击引起轴封破损叶片断裂等事时会饱蒸汽中含盐量增高降低热蒸汽品质增加热器壁汽轮机叶片结垢水位低破坏然循环锅炉汽水循环系统中某薄弱环节致局部水冷壁烧坏严重时会造成爆炸事果十分严重着锅炉容量增加水位变化速度愈愈快工操作愈愈繁重汽包水位实现动调节提出迫切求
13 锅炉液位控制难点
液位控制技术通控制进水出水阀门开度改变水流量实现水温控制通调节加热功率实现锅炉液位控制锅炉控制系统较重较难控制项锅炉运行程中存进水量出水量变化难通调整PID控制器参数满足运行条件获理想控制效果调整量会导致流量回路动作频繁游设备带额外干扰样导致液位控制器通常处欠调正状态允许液位定范围波动减出水量变化然欠调正PID时抑制扰动引起锅炉运行安全问题外液位波动会破坏锅炉运行程稳定蒸汽输送等易控制影响锅炉液位关键变量水流量蒸汽出口流量混合燃料进料量变量扰动较冷水造成相应纯滞蒸汽流出量突然增加造成典型假水位现象程暂时改变方容易产生误操作导致发生事
2 汽包锅炉水位控制系统设计
21概述
汽包水位控制问题伴着锅炉出现出现长久直控制领域典型难问题着控制理控制技术现代控制方法发展锅炉动化控制水逐渐提高间历世纪三四十年代单参数仪表控制四五十年代单元组合仪表综合参数仪表控制六十年代兴起计算机控制等阶段通常种方案：
(1) 单量控制系统汽包水位单回路水位控制系统
(2) 双量控制系统单量系统基础引入蒸汽流量信号
(3) 三量控制系统双量系统基础引入水流量信号构成
22单量控制系统
单量水位控制系统汽包水位作唯控制信号量变量水位测量信号变送器送水位调节器调节器根汽包水位测量值H定值H0偏差通执行器控制水调节阀改变水量保持汽包水位允许范围系统框图图21示
图21单量控制系统框图
种控制系统结构简单典型单回路定制控制系统水汽包停留时间较长负荷较稳定虚假水位现象严重情况采单量控制系统进行PID调节般满足生产求
单量汽包水位调节优点：系统结构简单汽包容量较水位受扰动反应速度较慢虚假水位现象严重场合采单量水位调节时够满足生产求
单量汽包水位调节存着缺点：
（1）单量控制方案根水位信号控制水量锅炉负荷变化阶跃扰动时锅炉虚假水位现象例负荷蒸汽增加时水位开始先升调节器根水位作控制信号关阀门减少水量动作锅炉流量衡错误程开始扩蒸汽流量水流量波动幅度扩进出流量衡
（2）水扰动水位变化动态特性出水压力变化等原造成水量变化时调节器等水位变化开始动作调节器动作段滞时间 汽包水位发生影响必导致汽包水位波动幅度程时间长
23双量控制系统
汽包水位控制中扰动负荷变化双量控制系统锅炉汽包水位测量信号作控信号蒸汽流量信号作前馈信号构成前馈反馈控制系统系统框图图22示
图22双量控制系统框图
双量控制系统优点：引入蒸汽流量前馈信号消虚假水位引起良影响蒸汽量变化时水量蒸汽量方变化信号减少抵消虚假水位现象引起假水位引入蒸汽流量前馈信号够改善控制系统静态特性提高控制质量双量控制系统存问题：水系统扰动直接补偿水量发生扰动时等汽包水位信号变化时通调节器操作执行调节滞时间长水位波动
24三量控制系统
241单级三量控制系统
三量锅炉汽包水动控制系统汽包水位H控制信号蒸汽流量D前馈控制信号水流量W反馈控制信号组成控制系统
三量控制系统采蒸汽量进行前馈控制负荷（蒸汽流量）突然发生变化蒸汽流量信号水调节阀开始正方移动蒸汽流量增加时水调节阀开抵消虚假水位引起方误动作水流量减少调节器立根水流量减少信号开水阀水量保持变外水流量信号调节器动作反馈信号调节器早知道控制效果三量控制系统调节器动作加快避免调解量减少水位波动防止失控系统框图图23示
图23单级三量控制系统框图
系统框图出单级三量控制系统两闭合回路：水流量W水变送器调节器调节阀组成回路汽包水位象回路构成回路蒸汽流量D蒸汽变送器未包含两闭合回路引入改善控制质量影响闭合回路工作稳定性三量控制实质前馈加反馈控制系统
单级三量控制系统具优点：相单量双量控制系统控制品质效满足系统快速性稳定性准确性求效避免虚假水位现象单量双量相足系统成高系统复杂容易整定
242串级三量控制系统
着生产程着型连续强化方发展操作求更加严格参数间相互关系更加复杂控制精度功提出新求需单回路基础采取措施组成复杂控制系统图示三量串级控制系统框图中调节器接受水位信号作控信号蒸汽流量信号控制副调节器水设定值副调节器接受调节器设定信号外接受水流量信号蒸汽流量信号作前馈信号水流量进行前馈控制蒸汽负荷突然发生变化时蒸汽流量信号水调节阀立正确方移动蒸汽流量增加时水调节阀开抵消虚假水位引起反作减少水位水流量波动幅度水流量信号作调节阀动作反馈信号调节器早知道控制效果做出相应调整系统框图图24示
图24串级三量控制系统框图
实际应中选定控制阀门样串级三量作控制系统设计样
3锅炉汽包水位动态特性数学建模
31水流量作动态特性
水流量突然增加瞬间锅炉蒸发量未改变水流量蒸发量水位开始立增加温度较低水进入省煤器水循环系统流量增加原饱汽水混合物中吸取部分热量水面汽泡容积减少事实水温度远低省煤器温度水定冷度水进入省煤器部分汽变成水特沸腾式省煤器水减轻省煤器沸腾度省煤器汽泡总容积减少进入省煤器水首先填补省煤器中汽泡破灭容积减少降低水位段迟延甚水位降水断省煤器进入汽包水位升程中负荷未变化汽包中水蒸发水位降趋势H曲线清楚出水控象扰特点：水扰动刚刚加入时水冷度影响水位H变化慢段时间变化速度逐渐增加变定速度直线升时物质衡起作果水量蒸汽量衡水位确定面简单介绍水位水扰动传递函数
根物料衡热衡关系锅炉汽包水位调节象动态特性方程推导简化成：
（31）
式中：h汽包水位高度
水流量项时间常数
蒸汽流量项时间常数
蒸汽流量项放倍数
时间常数
时式子：
（32）
式中：D锅炉蒸汽流量
W锅炉水流量
见引起汽包水位变化扰动蒸汽流量（称外扰动）水流量（称外扰动）水流量作汽包水位调节象运动方程式表示：
（33）
两边取拉氏变换结合工程实际忽略较考虑汽包水位较长段时间里水量增加增加锅炉汽包水位水流量作动态数学模型：
（34）
32 蒸汽流量扰动动态特性
负荷变化时汽包水位动态特性具特殊形式：负荷增加时蒸发量水量水位降反迅速升负荷突然减时水位先降然迅速升虚假水位现象虚假水位变化情况锅炉特性关燃料突然减时（锅炉灭火）虚假水位约2～4分钟达低值外部负荷突然减时（汽轮机甩负荷）虚假水位约20秒达低值虚假水位达低值时间负荷达低值时间基相汽轮机甩负荷扰动虚假水位现象相严重组成水位动调节系统带困难维持水位允许范围运行中应负荷次变动量负荷变化速度加限制
理外扰动汽包水位调节象动态特性方程： （35）
式方程进行拉氏变换令 锅炉汽包水位蒸汽流量作动态数学模型：
（36)
33 根数进行曲线拟合
331相关MATLAB程序结果
>> x[0510152025303540455055606570758085]
>>y[065006510652066807350817088109791057115112131239126
213111329133813501351]
>> figure(1)
>> subplot(211)
>> plot(xy＇o＇)
>> aapolyfit(xy5)
>> f_xvpa(poly2sym(aa＇x＇)4)
f_x
5124e10*x^5 3795e8*x^4 7444e6*x^3 + 00007902*x^2 0008607*x + 06594
>> x0585
>> subplot(212)
>> plot(xpolyval(aax)＇ro＇)
>> axis([0 85 0 1500])
图31 拟合曲线
332控制变量确定
通现场数采集数分析处理终锅炉汽包水位水流量作动态数学模型：
（37）
现场数分析处理终锅炉汽包水位蒸汽流量作动态数学模型：
（38） 34串级三量框图
水流量
定液位
蒸汽流量
水流量调节器
电机
汽包
水流量变送器
蒸汽流量变送器
蒸汽道
液位
液位变送器
变频器
液位调节器
图32汽包水位三量控制系统框图
图33 单级三量控制系统框图
系统框图出单级三量控制系统两闭合回路：水流量W水变送器调节器调节阀组成回路汽包水位象回路构成回路蒸汽流量D蒸汽变送器未包含两闭合回路引入改善控制质量影响闭合回路工作稳定性三量控制实质前馈加反馈控制系统
单级三量控制系统具优点：相单量双量控制系统控制品质效满足系统快速性稳定性准确性求效避免虚假水位现象单量双量相足系统成高系统复杂容易整定
4 硬件选择
41流量传感器选择
根控制方案知道流量传感器测量水流量蒸汽流量两信号效改善控制质量合理选择流量传感器够效改善整系统控制质量知道控制35th锅炉汽包水位该锅炉正常工作时时蒸发35t蒸汽35t水蒸发成蒸汽水位稳定时供水量：35 m3h 海正博动化仪表限公司生产LUGB99型涡街流量计种基卡门涡街原理流体振动式新型流量计具测量范围广压损性稳定准确度高安装方便等优点广泛应封闭工业道中液体汽体蒸汽介质体积质量流量测量
42水位传感器选择
该设计目控制水位稳定整控制系统基础水位准确测量水位否准确测量直接关系控制质量优劣合理选择水位传感器水位控制系统设计中关键作知道汽包水位应该控制300±10 mm根程控制仪表量程选择原：仪表量程应该测量参数43～32倍选传感器量程400～450 mm汽包水位应该控制300±10 mm选水位传感器精度应该高1045022FS选择该测量精度满足求
43电机选择
电机锅炉汽包供水动力设备电机准确选型关系汽包否准确供水进影响汽包水位稳定控制锅炉蒸发量：35th汽包压力05MP道直径50mm正常工作时电机功率作估算：
(41)
计算结果知道选功率100Kw三相异步电动机完全满足工作求变频调速必选绕线型异步电动机选鼠笼型电机满足求济南华力贝尔机电设备限公司生产YJTG三相变频调速电机专门变频调速设计根技术求设定额定电压380V额定功率100kw
44接触器选择
接触器系统中重开关设备接触器合理选择保证交流电动机够准确时启动停止根分析三相交流异步电机高工作电流工作50Hz交流电压工作电流：
(42)
根设计求浙江宏立电器限公司生产HLC3X系列空调接触器适50Hz60HzAC7b类额定工作电压230V480V时额定电流40A电路中适起动控制三相交流电动机(压缩机)三相负载选择五套该类型接触器时带动台电机满足设计求
45阀开闭选择形式
关水调节阀气开气关选择般安全角度考虑员安全生产安全系统设备安全需首工业生产程调节阀绝部分气动调节阀选择调节阀气开气关方式
锅炉水调节阀般采气关式旦事发生系统失控供水调节阀处全开位置锅炉致水中断烧坏避免爆炸等事发生
5 PID参数整定SIMULINK仿真
51串级三量仿真电路图搭建
图51 串级三量仿真电路图
52串级三量PID参数整定
图52 控制器PID
图53 副控制器PID
差控制运行300450处加蒸汽扰动抗干扰力
图54 控制图
53仿真分析
回路校正水位偏差副回路作快速消扰前馈通路补偿外扰克服虚假水位现象串级三量水控制系统中水流量扰动扰串级三量水控制系统中调节器务校正水位单级三量水控制系统工作更合理
前馈控制扰动信号前馈控制器处理消扰动调量影响扰动进行补偿控制前馈控制作扰动补偿动控制原理知道扰动补偿属开环控制前馈控制系统稳定性影响原系统稳定施前馈控制系统然稳定
前馈控制测量扰动作进行扰动补偿前馈控制器结构参数取决控制象扰动通道特性
仿真效果知串级三量水控制系统种典型影响素干扰均做出快速反应具较高调节质量调节精度够维持汽包水位稳定保障机组安全稳定运行
总 结
锅炉汽包水位控制务控制水流量蒸发量保持动态衡维持汽包水位工艺允许范围保证锅炉安全生产运行必条件汽包水位控制系统控制理程控制技术实际生产程中典型应案例前生产现场应控制方法文述三量控制方案量实践证明三量控制方案锅炉汽包水位控制系统中切实行取理想控制效果满足控制求企业提高生产效率节约资源起明显作
通次程控制课程设计感触颇深仅书学知识进行复巩固培养独立思考解决问题力通周努力终规定时间完成务更加深刻理解锅炉液位三量控制众专业课程学知识相结合更进步提高综合运知识力通课程设计学专业知识联系起明白理知识重性应范围宽广加深专业工程设计理解更加明白生产实际中书面知识生搬硬套具体问题具体分析正确快速解决问题外懂设计制造道路需断探索创造坚持懈持恒次设计历受益匪浅
Xi安jian筑科技学课程设计
参考文献
1．王英等程控制系统仪表机械工业出版社2006
2．潘新民王燕芳微型计算机控制技术高等教育出版社2001
3．王锦标计算机控制系统清华学出版社2008
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