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汽包锅炉水位控制系统的研究与仿真.pdf

发布时间：2022-06-08 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.02M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    南京工程学院 毕业设计开题报告 课 题 名 称： 汽包锅炉水位控制系统的研究与仿 真 学 生 姓 名： 指 导 教 师： 所 在 系 部： 能源与动力工程学院 专 业 名 称： 热能与动力工程 （火电厂集控运行） 南京工程学院 2014 年 5 月 28 日
    摘 要 工业锅炉是工业生产和生活上应用广泛的热能动力设备，而作为火电厂重要的监控参数 之一，汽包水位的调整控制对生产运行有着重要的意义。 在此背景下，拟利用 MATLAB/Simulink 对汽包锅炉水位系统建立相关模型，并对相关 模型的控制效果进行分析，以掌握汽包水位的动态特性。 本文开篇简要介绍锅炉汽包水位控制系统、控制难点及其重要性。接下来分别介绍当下 主要的汽包水位控制策略，剖析个控制策略的控制原理。在此基础上上，利用 MATLAB/Simulink 搭建汽包水位三冲量控制模型和内模控制模型，并对两种模型进行比较 分析，对各控制效果进行归纳总结。 关键词：汽包水位、三冲量、内模 2
    THE RESEARCH AND SIMULATION ABOUT BOILER DRUM LEVEL CONTROL SYSTEM Abstract Industrial boiler is the thermal equipment which is widely used in industrial production. As one of the important parameters to monitor in the power plants, it shows a great significance to control the drum level over the production. If the level is too high, it will affect the separator to produce steam with liquid phenomenon, while if the water level is too low, it will affect the loop. Maintain normal drum level is a necessary condition to ensure the safe operation of the boiler. If the water level is not adjusted well, it could cause accidents. Therefore, it is required for the boiler water level control to fluctuate as small as possible, and it also requires the control signal as smooth as possible. Under this background, the relevant model was proposed to be established by MATLAB / Simulink, and then analysis the control effects of related models, in order to grasp the dynamic characteristics of drum level. This paper began with a brief introduction of boiler drum level control system, the difficulty and importance of the control. Then the major drum level control strategies were introduced, which leads to analyze the control principle. On this basis, MATLAB / Simulink were used to build three Impulse drum level control system and internal model control system, and then a comparative analysis of the two models was made. Finally, the effect and the characteristic of each control were summarized. Keywords: drum level, three impulse, internal model 3
    目 录 目录 摘 要 ......................................................................................................................................... 2 目 录 ......................................................................................................................................... 4 前 言 ......................................................................................................................................... 6 第一章 绪论 ........................................................................................................................ 7 1.1 课题背景 .................................................................................................................... 7 1.2 研究现状 .................................................................................................................... 7 1.3 本课题的主要工作 .................................................................................................... 8 第二章 汽包水位控制工艺 ................................................................................................ 9 2.1 电站锅炉结构及工艺流程 ............................................................................................ 9 2.2 锅炉汽包简介 .............................................................................................................. 10 2.2.1 汽包结构 ................................................................................................................ 10 2.2.2 汽包工作原理 ....................................................................................................... 11 2.2.3 汽包的作用 ........................................................................................................... 12 2.3 汽包水位动态特性 ...................................................................................................... 12 2.3.1 给水量 W 对汽包水位的影响 ............................................................................. 12 2.3.2 蒸汽流量 D 对汽包水位的影响 .......................................................................... 13 2.3.3 燃料量 B 对汽包水位的影响 .............................................................................. 14 2.4 汽包水位经典控制策略 .............................................................................................. 15 2.4.1 单冲量水位控制系统 ........................................................................................... 15 2.4.2 双冲量水位控制系统 ........................................................................................... 15 2.4.3 三冲量水位控制系统 ........................................................................................... 16 第三章 单级三冲量汽包水位控制建模仿真 .................................................................. 17 3.1 单级三冲量汽包给水控制工作原理 .......................................................................... 17 3.2 模型参数整定 .............................................................................................................. 17 3.3 simulink 模型建立及仿真结果 ..................................................................................... 20 3.4 小结 .............................................................................................................................. 22 4
    第四章 串级三冲量汽包水位控制建模仿真 .................................................................. 23 4.1 串级三冲量汽包水位控制工作原理 .......................................................................... 23 4.2 模型参数整定 .............................................................................................................. 24 4.3 simulink 模型建立及仿真结果 ..................................................................................... 25 4.4 小结 ............................................................................................................................... 28 第五章 内模汽包水位控制建模仿真 .............................................................................. 29 5.1 内模控制 ...................................................................................................................... 29 5.1.1 简介 ........................................................................................................................ 29 5.1.2 工作原理 ............................................................................................................... 29 5.1.3 内模控制研究现状 ............................................................................................... 31 5.2 内模控制器设计及参数整定 ....................................................................................... 31 5.2.1 内模控制器设计 .................................................................................................... 31 5.2.2 内模控制器参数整定 ............................................................................................ 33 5.3 汽包水位内模控制 simulink 模型建立及仿真结果 ................................................... 34 5.4 小结 .............................................................................................................................. 36 第六章 结论与展望 .......................................................................................................... 37 6.1 结论 .......................................................................................................................... 37 6.2 展望 .......................................................................................................................... 37 致谢 ......................................................................................................................................... 38 参考文献 ................................................................................................................................. 39 5
    前 言 工业锅炉是工业生产和生活上应用广泛的热能动力设备，锅炉汽包液位控制是通过燃料 调整和水量调节来控制主蒸汽温度。它是锅炉正常运行的主要指标。若水位过高，则会影响 汽水分离的效果，使用气设备发生故障；而水位过低，则会破坏汽水循环，严重时导致锅炉 爆炸。同时高性能的锅炉发生的蒸汽流量很大，而汽包的体积相对来说较小，所以锅炉水位 控制显得非常重要。锅炉水位自动控制的任务，就是控制给水流量，使其与蒸发量保持平衡， 维持汽包内水位在允许的范围内变化，提高调节质量，满足工业生产安全要求。 目前工业控制急需一种系统简单，并且能够控制“虚假水位”，具有高性价比的控制系统。 汽包锅炉的给水调节系统有三种基本结构：单冲量调节系统结构、双冲量调节系统结构、串 级三冲量调节系统结构。低负荷阶段，由于疏水和锅炉排污等因素的影响，给水和蒸汽流量 存在着严重的不平衡，而且流量太小时，测量误差大，故在低负荷阶段，很难采用三冲量调 节方式，一般均采用单冲量调节方式。负荷达到一定值以上时，疏水和排污阀逐渐关闭，汽、 水趋于平衡，流量逐渐增大，测量误差逐渐减小，这时原则上可采用三冲量调节方式。但由 于单级三冲量调节系统要求蒸汽流量和给水流量信号在稳态时必须相等，否则汽包水位存在 静态偏差，而且由于测量装置及变送器的误差等因素的影响，实际上现场这两个信号在稳态 时，经常难以做到完全相等，而且单级三冲量调节系统一个调节器参数整定需兼顾的因素多。 因此单级三冲量事实上一般也难以采用。串级三冲量调节方式，采用主、副两个调节器。两 调节器任务分工明确，整定相对容易，而且不要求稳态时给水流量信号与蒸汽流量信号完全 相等，易于得到较好的调节品质，因此现场多采用此控制方式。 当然，现在国内外采用先进控制策略对汽包锅炉水位的控制研究也取得了不小的突破。 其中研究较突出的有：模糊控制及 PID 自校准与自调整控制等等。它们具有系统抗干扰能 力强，鲁棒性能卓越等特点。 本课题前期查阅和学习了锅炉汽包水位控制相关的文献资料，了解锅炉汽包水位控制的 特点，并查阅了 MATLAB/Simulink 编程建模相关资料文献，对 MATLAB/Simulink 编程建 模有了初步了解，为以后的锅炉汽包水位系统的模型建立打下了坚实的基础。基此并在导师 和师兄的指导下，利用 MATLAB/Simulink 搭建汽包水位三冲量控制模型和内模控制模型， 并对两种模型进行比较分析，对各控制效果进行归纳总结以充分掌握汽包水位的动态特性。 6
    第一章 绪论 1.1 课题背景 作为火电厂重要的监控参数之一，汽包水位的调整控制对生产运行有着重要的意义。锅 炉是一个十分复杂的控制对象，为保证提供合格的蒸汽产品以适应负荷的需要，与其配套设 计的控制系统必须满足各主要工艺参数的需要。保持锅炉汽包水位在正常范围内是锅炉运行 的一项重要的安全性能指标，由于负荷、燃烧状况及给水流量等因素的变化，汽包水位会经 常发生变化[1]。若水位过高，则会影响汽水分离的效果，使用气设备发生故障；而水位过低， 则会破坏汽水循环，严重时导致锅炉爆炸。 近几年来，各火力发电厂积极组织落实《防止电力生产重大事故的二十五项要求》（以 下简称《要求》）中第八项“防止锅炉汽包满水和缺水事故”和《国家电力公司电站锅炉汽包 水位测量系统配置、安装和使用若干规定（试行）》，足以说明国家对其重视程度。因此锅炉 汽包水位应当根据设备的运行状况进行实时调节加以严格控制以保证锅炉的安全运行。锅炉 水位自动控制的任务，就是控制给水流量，使其与蒸发量保持平衡，维持汽包内水位在允许 的范围内变化，提高调节质量，满足工业生产安全要求。 1.2 研究现状 汽包锅炉液位控制在现代工业生产及科学研究中的重要地位日益突出，并且对锅炉汽包 液位的合理控制要求也不断提高。锅炉是典型的复杂热工系统，要实现锅炉的生产自动化就 要从汽包的给水自动调节开始着手，以保证其它自动控制系统的正常运行。基于经典控制或 现代控制理论的锅炉汽包水位自动控制系统的实际控制效果并不是都很理想。其原因在于： 运用常规控制手段对汽包水位进行控制时，需要知道其精确的数学模型。而汽包水位的变化 涉及到多个变量的变化，这些变量之间又不同程度地具有耦合，另外，水位对象也是一个非 线性的、大延迟的对象，故要得到其 确的数学模型是不太现实的，就算能得到精确模型， 那么其复杂程度已经远远超出了常规控制的范围。因此，在工程实际中，汽包水位控制效果 往往不能令人满意。这使得我们必须选择非常规控制手段锅炉。随着科技不断发展，采用基 于 PID 思想下的 PLC 智能控制是能够快速、实时、准确地检测到汽包液位的合理范围，这 对于保证锅炉正常生产运行起着重要作用。检测液位汽包是否满足生产安全运行通常采用单 冲量控制系统、双冲量控制系统以及三冲量控制系统设计方案，通过程序控制不断调节调节 阀开度，解决锅炉汽包液位控制中的“虚假液位”问题，维持汽包内水位在允许的范围内变化， 从而满足工业生产安全要求。其中，串级三冲量调节方式，采用主、副两个调节器。两调节 器任务分工明确，整定相对容易，而且不要求稳态时给水流量信号与蒸汽流量信号完全相等， 易于得到较好的调节品质，因此现场多采用此控制方式。 7
    目前国内外针对汽包水位控制都展开了一定程度的研究。其中研究较多的控制策略是三 冲量控制、模糊控制及 PID 自校准与自调整，特别是前两种[2]。 国外，Na M G.等人[3]对模型预测控制方法的锅炉水位 PID 控制器做了相应的研究； Iijima T[4]等人采用了模糊控制方法对汽包给水系统做了相应的优化并取得了一定的效果； Lee K B[5]则采用此类方法优化了汽包水位控制。 国内，王东风，韩璞等[6]采用预测函数控制方法取得了一定的成功；郑明方[7]则采用了 神经网络控制算法在某 200MW 机组上取得了现场运用；俞海斌等人[8]采用专家 PID 控制对 汽包水位控制进行研究；王红旗[9]则结合了模糊控制和神经网络的特点，提出了一种汽包水 位的模糊神经网络控制模型。 1.3 本课题的主要工作 本课题的主要工作有如下几点： （1） 文献书籍的查阅与学习 本课题前期查阅和学习锅炉汽包水位控制相关的文献资料，了解锅炉汽包水位控制的特点。 （2） MATLAB/Simulink 的学习 查阅 MATLAB/Simulink 编程建模相关资料书籍，对 MATLAB/Simulink 编程建模有了初步 了解，并在此基础上进行简单模型的建立。 （3） 汽包水位模型的建立 运用 MATLAB/Simulink 搭建锅炉汽包水位三冲量控制模型和内模控制模型，对两种控制方 法的控制效果进行分析比较，并对各自特点进行归纳总结以及对水位的控制提出相关建议。 8
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