锅炉汽包水位控制.doc
《锅炉汽包水位控制.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《锅炉汽包水位控制.doc(42页珍藏版)》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、 摘 要锅炉是典型的复杂热工系统,目前,中国各种类型的锅炉有几十万台,由于设备分散、管理不善或技术原因,使多数锅炉难以处于良好工况,增加了锅炉的燃料消耗,降低了效率。锅炉的建模与控制问题一直是人们关注的焦点,而汽包水位是工锅炉安全、稳定运行的重要指标,保证水位控制在给定范围内,对于高蒸汽品质、减少设备损耗和运行损耗、确保整个网络安全运行具有要意义。锅炉汽包水位高度,是确保安全生产和提供优质蒸汽的重要参数,对现代工业生产来说尤其是这样。因为现代锅炉的特点之一就是蒸发量显著提高,汽包容积相对变小,水位变化速度很快,稍不注意就容易造成汽包满水或者烧成干锅。在现代锅炉操作中,即使是缺水事故,也是非常危
2、险的,这是因为水位过低,就会影响自然循环的正常进行,严重时会使个别上水管形成自由水面,产生流动停滞,致使金属管壁局部过热而爆管。无论满水或缺水都会造成事故,因此,必须严格控制水位在规定范围之内。维持汽包水位在给定范围内是保证锅护和汽轮机安全运行的必要条件,也是锅炉正常运行的主要指标之一。水位过高,会影响汽包内汽水分离效果,使汽包出口的饱和蒸汽带水增多,蒸汽带水会使汽轮机产生水冲击,引起轴封破损、叶片断裂等事故。同时会使饱和蒸汽中含盐量增高,降低过热蒸汽品质,增加在过热器管壁和汽轮机叶片上的结垢。水位过低,则可能破坏自然循环锅炉汽水循环系统中某些薄弱环节,以致局部水冷管壁被烧坏,严重时会造成爆炸
3、事故。这些后果都是十分严重的。随着锅炉容量的增加,水位变化速度愈来愈快,人工操作愈来愈繁重,因此对汽包水位实现自动调节提出了迫切的要求。汽包水位的控制是锅炉控制的一个难点,目前,对汽包水位控制大多采用常规PID控制方式,传统的常规PID控制方式是根据控制对象的数学模型建立,由于锅炉水位系统存在非线性、不确定性时滞和负荷干扰、非最小相位特征等,其精确的数学模型往往无法获得而且常规PID控制的参数是固定不变的,难以适应各种扰动及对象变化,其控制效果往往难以满足要求,控制效果不理想。模糊控制是建立在人工经验基础之上的,它能将熟练操作员的实经验加以总结和描述,并用语言表达出来,得到定性的、不精确的控规
4、则,不需要被控对象的数学模型。模糊控制易于被人们接受,构造容易,鲁棒性和适应性好。锅炉是工业过程中不可缺少的动力设备,为确保安全,稳定生产,对锅炉的自动控制十分重要,其中汽包水位是一个非常重要的被控变量。由于锅炉的水位调节过程难以建立数学模型,具有非线性、不稳定性、时滞等特点。给水控制的任务是维持汽包中水位在工艺允许范围内。由于影响汽包水位的几个因素中,燃料量的扰动影响较小,因此,汽包水位的控制中,主要的目的是以汽包水位为被控变量,以调节给水流量为控制手段。同时,由于汽包水位不仅受锅炉侧的影响,也受到汽轮机侧的影响,当锅炉负荷变化或汽轮机用汽量变化时,给水控制都应能限制汽包水位只在给定的范围内
5、变化。常用的汽包水位控制方式有单冲量、双冲量及三冲量控制。传统的锅炉水位三冲量控制系统大都采用PID控制,其控制效果还可以进一步提高。而模糊控制不要求知道被控对象的精确数学模型,只需要操作人员的经验知识及操作数据,鲁棒性强,非常适合用于非线性、滞后系统的控制。模糊控制器一般采用二维结构形式,即以误差及误差变化作用模糊控制器的输入信号,根据二者模糊化的结果查询模糊控制表,得到控制量的模糊量,再经去模糊化处理转化为精确量去控制执行机构。基于锅炉水位控制及模糊控制的特点,本文将模糊控制引入锅炉汽包水位的三冲量控制中,作了以下一些试探性工作,对现有的模糊控制器的构成方式进行归纳总结。对汽包水位的模糊控
6、制方式进行结构及性能上的分析和比较,并利用Simulink分别在设定值及在干扰作用下对控制系统进行仿真。关键词:汽包水位;模糊控制;三冲量 I目 录引言11 锅炉工作过程及其设备21.1课题背景21.2锅炉的工作过程简介21.3锅炉设备的调节任务41.4本文研究内容52锅炉汽包水位特性及其控制62.1锅炉汽包水位的特性62.1.1汽包水位在给水流量W作用下的动态特性62.1.2汽包水位在蒸汽流量D扰动下的动态特性72.1.3燃料量B扰动下汽包水位的动态特性92.2汽包水位控制方式102.2.1单冲量控制方式102.2.2双冲量控制方式112.2.3三冲量控制方式123 模糊控制原理153.1概
7、述153.1.1模糊控制的形成153.1.2模糊控制的特点153.2 模糊控制系统组成163.3模糊控制的工作原理183.3.1模糊控制系统的组成183.3.2模糊控制的基本原理204 汽包水位模糊控制器设计及仿真214.1汽包水位的PID控制方式214.1.1PID控制方式概述214.2模糊控制器的设计方法224.2.1模糊控制器的结构设计224.2.2精确输入量的模糊化234.2.3确定控制规则264.2.4模糊量的判决方法(解模糊)294.3汽包水位的模糊控制器的设计314.3.1模糊控制器结构314.3.2模糊控制器的设计314.3.3仿真结果335.35谢辞36参考文献370引言锅炉
8、是典型的复杂热工系统,目前,中国各种类型的锅炉有几十苍白台,由于设备分散、管理不善或技术原因,使多数锅炉难以处于良好工况,增加了锅炉的燃料消耗,降低了效率。锅炉的建模与控制问题一直是人们关注的焦点,而汽包水位是工锅炉安全、稳定运行的重要指标,保证水位控制在给定范围内,对于高蒸汽品质、减少设备损耗和运行损耗、确保整个网络安全运行具有要意义。维持汽包水位在给定范围内是保证锅护和汽轮机安全运行的必要条件,也是锅炉正常运行的主要指标之一。水位过高,会影响汽包内汽水分离效果,使汽包出口的饱和蒸汽带水增多,蒸汽带水会使汽轮机产生水冲击,引起轴封破损、叶片断裂等事故。同时会使饱和蒸汽中含盐量增高,降低过热蒸
9、汽品质,增加在过热器管壁和汽轮机叶片上的结垢。水位过低,则可能破坏自然循环锅炉汽水循环系统中某些薄弱环节,以致局部水冷管壁被烧坏,严重时会造成爆炸事故。这些后果都是十分严重的。随着锅炉容量的增加,水位变化速度愈来愈快,人工操作愈来愈繁重,因此对汽包水位实现自动调节提出了迫切的要求。模糊控制器一般采用二维结构形式,即以误差及误差变化作用模糊控制器的输入信号,根据二者模糊化的结果查询模糊控制表,得到控制量的模糊量,再经去模糊化处理转化为精确量去控制执行机构。基于锅炉水位控制及模糊控制的特点,本文将模糊控制引入锅炉汽包水位的三冲量控制中,作了以下一些试探性工作,对现有的模糊控制器的构成方式进行归纳总
10、结。对汽包水位的模糊控制方式进行结构及性能上的分析和比较,并利用Simulink分别在设定值及在干扰作用下对控制系统进行仿真。1 锅炉工作过程及其设备1.1课题背景由前述可知,在锅炉的几个调节系统中,汽包水位的控制是保证锅炉安全运行的必要条件,是锅炉正常运行的主要标志之一。锅炉的水位控制作为锅炉控制中重要的控制任务之一,在锅炉的安全生产、降低能耗、蒸汽产量和品质等方面起着重要作用。目前我国有各类锅炉几十万台,其中相当大的部分还在使用常规仪表控制。由于锅炉水位存在一定的反向特性即“假水位”现象,而常规仪表所常用的PID算法对“假水位”现象的控制效果并不理想,若要较好的控制“假水位”现象,采用常规
11、仪表所构成的控制器,其结构复杂性又会增加,造成成本较高。因此,研究新型的水位控制系统,使其能进一步提高水位控制的效果,同时又具有结构简单、容易实现的特点,还是非常有必要的。另一方面,自从1965年美国加利福尼亚大学的Zadeh教授首先提出模糊数学和模糊控制以来,经过几十年的研究,模糊控制得到广泛发展并在实际中得以广泛应用。这主要在于模糊逻辑本身提供了由专家构造语言信息并将其转化为控制策略的一种系统的推理方法。模糊控制的突出特点在于:(1)控制系统的设计不要求知道被控对象的精确数学模型,只需要提供现场操作人员的经验知识及操作数据。(2)控制系统的鲁棒性强,适应于解决常规控制难以解决的非线性、时变
12、及滞后系统。(3)以语言变量代替常规的数学变量,易于构造形成专家的“知识”。(4)控制推理采用“不精确推理”。由于推理过程模仿人的思维过程,引入了人类的经验,因而能够处理复杂系统。在一般的模糊控制系统中,通常采用偏差E及其变化EC为输入语句变量,因此它具有类似于常规PID控制器的作用,缺点是静态性能不能令人满意。由于模糊控制作用能消除稳态误差,又具有较高的动态响应。因此常常把PI控制策略引入模糊复合控制,是常用的一种方式。模糊控制在工业过程中有大量的成功应用,但在锅炉水位控制上还没有形成系统的理论,还存在一些不足,仍然有必要继续研究。1.2锅炉的工作过程简介锅炉是工业过程中不可缺少的动力设备,
13、锅炉的任务是根据外界负荷的变化,输送一定质量(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馏、化学反应、干燥等过程提供热源,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”就是锅炉的汽水系统,如图所示。由省煤器3、汽包4、下降管8、过热器5、上升管7、给水调节阀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,水吸收烟气的热量,使温度升高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。水在水冷壁管中吸收炉内火焰直接辐射的热,在温度
14、不变的情况下,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离成水和汽,水和给水一起再进入下降管参加循环,汽则由汽包顶部的管子引往过热器,蒸汽在过热器中吸热、升温达到规定温度,成为合格蒸汽送入蒸汽母管。 图1.1 锅炉的汽水系统“炉”就是锅炉的燃烧系统,由炉膜、烟道、喷燃器、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,在空气预热器中吸收烟气热量,成为热空气后,与燃料按一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,形成一定的过热蒸汽,汇集到蒸汽母管。具有一定压力的过热蒸汽,经过负荷设备调节阀供负荷设备使用。与此同时,燃烧过程
15、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,最后经烟囱排入大气。1.3锅炉设备的调节任务锅炉作为重要动力设备,为了保证提供合格的蒸汽,必须使锅炉的蒸发量随时适应负荷设备的需要量。为此,生产过程的各个参数,特别是新汽的压力和温度,必须严格控制。一、控制汽包水位锅炉汽包水位高度,是确保安全生产和提供优质蒸汽的重要参数,对现代工业生产来说尤其是这样。因为现代锅炉的特点之一就是蒸发量显著提高,汽包容积相对变小,水位变化速度很快,稍不注意就容易造成汽包满水或者烧成干锅。在现代锅炉操作中,即使是缺水事故,也是非常危险的,这是因为水位过低,就会影响自然循环的正常进行,
16、严重时会使个别上水管形成自由水面,产生流动停滞,致使金属管壁局部过热而爆管。无论满水或缺水都会造成事故,因此,必须严格控制水位在规定范围之内。二、控制蒸汽温度过热蒸汽的温度是生产工艺确定的重要参数,蒸汽温度过高会烧坏过热器水管,对负荷设备的安全运行带来不利因素。因为现代的蒸汽锅炉,金属强度的安全系数设计得都比较小,超温严重会使汽机或其它负荷设备膨胀过大,使汽机的轴向推力增大而发生事故。汽温过低直接影响负荷设备的使用,对汽机来说会影响效率,进汽温度每降低5,效率约降低1%。因此从安全生产和技术经济指标上看,必须保持蒸汽温度在额定值范围之内。三、控制蒸汽压力蒸汽压力是衡量蒸汽供求关系是否平衡的重要
17、指标,是新汽的重要工艺参数。蒸汽给定压力过高或过低,对于金属导管和负荷设备都是不利的:压力太高,会加速金属的蠕变,压力太低就不可能提供各负荷设备符合质量的蒸汽。在运行过程中,蒸汽压力降低,表明蒸汽消耗量大于锅炉发汽量;反之,蒸汽压力升高,说明蒸汽消耗量小于锅炉发汽量。因此严格控制蒸汽压力,是确保安全生产的需要,也是维持正常生产负荷的需要。四、维持经济燃烧使空气和燃料维持适当比例,是燃烧过程的最佳操作条件,是提高锅炉效率和经济性的关键措施。将过剩空气降低到近于理想水平而又不出现CO和冒黑烟,这就需要快速而精确的燃烧过程的自动调节,最佳的空气、燃料配比。如果离开最适宜的空燃比,势必增加热量损失,降
18、低经济技术指标.并造成对周围环境的污染。五、控制炉膛压力锅炉在正常运行中,炉膛压力也必须保持在规定的范围之内。如果是负压操作,则负压偏正,局部地区容易喷火,不利于安全生产,不利于环境卫生,负压过大,漏风严重,总风量增加,烟气热损失增大,不利于经济燃烧。由于燃烧室的空间很大,加之介质密度差产生的自升引力,使沿着炉膛向上负压越来越大,所以保持某个高度上的负压是必要的,可行的。六、控制一次风量粉煤直吹制锅炉,为了安全地、经济地将粉煤输入炉膛,保证良好的燃烧条件,一次风量也需要自动调节。对于高压锅炉,有时还需自动调节锅炉的连续排污量以保证锅炉水中含盐量为额定值。为实现上述调节任务,锅炉设备控制划分为如
19、下几个调节系统:1.锅炉给水调节系统:即锅炉汽包水位的控制。其被调参数为汽包水位,调节手段为给水流量,它主要考虑汽包内部的物料平衡,使给水量适应蒸发量,维持汽包中水位在工艺允许范围内。是锅炉汽包内部重要的调节系统。2.蒸汽压力调节系统:被调参数是蒸汽母管压力,在孤立运行锅炉中,为蒸汽压力,主要考虑锅炉内部的热量平衡,其通道很长,包括锅炉燃烧系统和蒸汽发生系统,它是整台锅炉设备自动调节当中的核心。3.经济燃烧调节系统:被调参数随着测量方式的不同而异,主要考虑燃烧系统的经济燃烧问题,通道也比较长,包括燃烧系统和烟道。4.炉膛负压调节系统:被调参数为炉膛负压,主要考虑燃烧过程的物料平衡,调节通道包括
20、炉膛和烟道。5.蒸汽温度调节系统:被调参数为过热器出口过热蒸汽的温度,主要考虑过热器的热量平衡问题。1.4本文研究内容本文将对现有的模糊控制器进行归纳、对比及创新,对锅炉水位控制系统的模糊控制进行结构及性能上的分析比较,并利用MATLAB中的模糊逻辑工具箱进行设计、仿真及分析。本文利用模糊控制不要求知道被控对象的精确数学模型,具有不精确推理的特性,设计模糊控制器,以解决汽包水位的非线性、时变及滞后的特性,同时具有较好的稳定性及鲁棒性,做了一些试探性研究并利用Simulink分别在设定值及在干扰作用下对控制系统进行仿真。2 锅炉汽包水位特性及其控制2.1锅炉汽包水位的特性锅炉汽包水位自动调节的任
21、务是使给水量跟踪锅炉的蒸发量,并维持汽包中的水位在工艺允许的范围内。维持汽包水位在给定范围内是保证锅护和汽轮机安全运行的必要条件,也是锅炉正常运行的主要指标之一。水位过高,会影响汽包内汽水分离效果,使汽包出口的饱和蒸汽带水增多,蒸汽带水会使汽轮机产生水冲击,引起轴封破损、叶片断裂等事故。同时会使饱和蒸汽中含盐量增高,降低过热蒸汽品质,增加在过热器管壁和汽轮机叶片上的结垢。水位过低,则可能破坏自然循环锅炉汽水循环系统中某些薄弱环节,以致局部水冷管壁被烧坏,严重时会造成爆炸事故。这些后果都是十分严重的。随着锅炉容量的增加,水位变化速度愈来愈快,人工操作愈来愈繁重,因此对汽包水位实现自动调节提出了迫
22、切的要求。汽包水位不仅受汽包中储水量的影响,亦受水位下汽泡容积的影响。而水位下汽泡容积与锅炉的负荷、蒸汽压力、炉膛热负荷等有关。因此,影响水位变化的因素很多,其中主要是锅炉蒸发量即蒸汽流量D和给水流量W。2.1.1汽包水位在给水流量W作用下的动态特性图2.1是锅炉汽包水位在给水流量作用下,水位的阶跃响应曲线。把汽包水位看作单容量无自衡过程,水位的阶跃响应曲线如图中的Hl线。图2.1 给水流量作用下水位阶跃响应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,从原有饱和水中吸收部分热量,这使得水位下汽泡容积有所减少,当水位下汽泡容积的变化过程逐渐平衡时,水位的变化就完全反映了由于汽包中
23、储水量的增加而逐渐上升。因此,实际水位曲线如图中的万线,即当给水量作阶跃变化后,汽包水位一开始不立即增加,而要呈现出一段起始惯性段。用传递函数表示时,它近似于一个积分环节和时滞环节的串联。系统特性可表示为: 2-1 式中K1反应速度,即给水流量改变单位流量时水位的变化速度,单位为毫米/秒或(吨/小时)。从式2-1可知,汽包水位在给水流量作用下的动态特性由一个积分环节和一个滞后环节所组成,Kl、T1的数值可通过实验测试求得,数值的大小同锅炉的结构有关。有些锅炉当给水量增加时,在较长的一段时间里,汽包水位并不增加,有一较长的起始惯性段,对于这种锅炉用式2-1来表示它的动态特性,误差较大,这时可选用
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 锅炉 汽包 水位 控制
限制150内