锅炉汽包自动调节系统的设计毕业设计(编辑修改稿)

锅炉汽包自动调节系统的设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

的研究与应用，是现代控制论在深度上和广度上的开拓，因此在控制工程界受到极大的关注，主要包括：专家系统、神经网络和模糊控制、学习控制等。 先进控制离不开前两个阶段 的控制理论，只是把自动控制理论推向一个更深化的崭新阶段。 哈尔滨工业大学成人高等教育本科毕业设计（论文） 3 控制系统的发展 近年来 DCS 系统得到了普遍的应用，世界上约有 40 多家公司生产近百种简单控制系统的商业产品。 比较有名的如美国的 ABB、 Honeywell、 Tayler、 Foxboro；以及日本的横河 —— 北辰、日立、东芝；德国的 Siemens 等多跨国公司。 这些成熟的 DCS 系统都有可靠的性能，都有对于专门的生产过程发展的 DCS 系统，可以很方便、任意的组态，里面都包含了几乎所有的控制算法，用户可以根据现场情况实现自己的控制策略。 由于这些系统的良好的 开放性，用户可以在此基础上作二次开发，把最新的技术应用到自己的系统中来，增强原系统的功能。 本章小结 本章主要介绍了自动控制系统的发展，前期为 “经典控制理论”阶段 和后期的 “现代控制理论”阶段 以及大系统和先进理论控制阶段，及 DCS 系统在当今社会的应用 哈尔滨工业大学成人高等教育本科毕业设计（论文） 4 第 3 章 汽包锅炉简介 汽包的分类及工作原理 汽包锅炉有自然循环方式和强制循环方式两种，汽包锅炉自动控制的任务与直流锅炉几乎一样，也是主要包括四个方面：（ 1）保证系统安全运行；（ 2）保持燃烧的经济性；（ 3）保持炉膛负压在一定范围内；（ 4）运行中保证气轮机所需的蒸汽量，过热蒸汽压力和蒸汽温度的恒定。 无论上一自然循环还是强制循环锅炉，其给水控制的任务都是为了保证锅炉负荷和给水的平衡关系。 但是，汽包锅炉由于有了汽包的存在，使锅炉的运行方式、锅炉的结构、工作原理与直流锅炉不同，这就使实现控制的方式，采用被调量都有所区别。 汽包锅炉的工作原理：汽包锅炉的蒸发系统有汽包、下降管、分配水管、下联箱、上升管、上联箱、上升管、上联箱、汽水引出管、汽水分离器组成，这种与直流锅炉结构的不同的最大优点是：这个蒸发系统是闭合的，在所有时候都有工质在这个闭合的蒸发管 道系统中不断循环。 锅炉的蒸发受热面是有比较明显的分界线的。 无论是自然循环还是强制循环汽包锅炉只是工质的循环方式不同，并不改变汽包锅炉的工作原理。 当锅炉压力工作在 ~ 范围内时，汽水密度差可以自行推动工质流动，因此可以采用自然循环；当锅炉工作压力≥16MPa 时，一般可以采用强制循环。 1— 给水母管 2— 给水调节阀 3— 省煤器 4— 汽包 5— 下降管 6— 上升管 7 — 过热器 8— 蒸汽母管图 31 自然循环示意图 哈尔滨工业大学成人高等教育本科毕业设计（论文） 5 影响水位的因素 影响汽包水位的因素有：流出 汽包 的蒸汽流量、放水或排污量、进入 汽包 的给水流量以及汽包的压力等。 从质量平衡角度看，当流出 汽包 的蒸汽流量、排污、放水量和进入 汽包 的给水量不平衡时， 汽包 水位将发生变化。 汽包 压力的变化可能会导致“虚假”水位现象。 例如 ：当 汽包 压力 Pd 下降时， 汽包 中的饱和水就会大量汽化，产生大量汽泡，使得水位升高，往往是由于汽轮机用汽量 D 增加导致 Pd 下降，水位上升，而从质量平衡角度看，流出 汽包的质量增加，应使水位下降，所以这种水位上升现象是一种“虚假”水位现象。 同样由于用汽量 D减少， Pd 升高，将导致水位暂时下降（也是虚假水位现象）。 上述几种主要因素中，蒸汽量取决于外界负荷的要求，汽压的变化则是燃料量、蒸汽量等综合影响的结果，而只有给水量是一个可控制的量，可以用作 汽包水位调节的手段。 调节过程 汽包水位成为给水控制的唯一标志， 因此汽包水位： （ 1）反映了锅炉负荷与给水的平衡关系； （ 2）汽包水位影响蒸发面的改变，影响锅炉的安全运行。 因此在汽包锅炉中，给水控制比直流锅炉的给水控制简单，其对象可以看成是带有可测扰动的两输入输出系统，其指标是单一的，也即把水位维持在一个范围内即可。 本章小结 本章介绍了汽包的分类自然循环和强制循环两种 ，在水位控制系统中，目前“三冲量控制”方案已成为经典控制方案，用该方案实现锅炉汽包水位控制是过路控制中的重中之重。 汽包的组成部分跟工作原理等等，用图解的方法让大家更加全面的了解自动控制系统 在锅炉汽包水位调节中的使用。 哈尔滨工业大学成人高等教育本科毕业设计（论文） 6 第 4 章 汽包水位调节对象的特性 水位对象静态特性分析 对于一台固定容量的汽包锅炉，当设计完成后，其汽包、蒸发管道容量是固定的。 汽包及蒸发管道系统中贮藏着蒸汽、水，贮藏量的多少，是以汽包水位H 表征的，其大小受到汽包的流入量（给水量），流出量（蒸发量）之间平衡关系的影响，同时还受到在给水循环、管道中汽水混合物内汽水容积变化的影响。 系统输入输出之间的静态关系式为： H=f (W,D) (41) 其中： H—— 汽包水位； W—— 给水流量； D—— 蒸汽流量； 系统在稳态时，给水量和蒸发量之间保持平衡，汽水容积也保持不变，水位 H保持稳定 △ H=0。 汽包水位在给水流量作用下的动态特性 给水量是锅炉的输入量，如果蒸汽负荷不变，那么给水流量变化时，汽包水位的运动方程式可以表示为： WWWW ukdtduTdtdhTdt hdTT  12221 (42) 经拉氏变换后可得： )()()()( 1221 SVkSSVTSSHTSHSTT WWWW  (43) 可以得到汽包水位在给水流量作用下的传递函数为： )1()()( 21)(01  STST KSTV SHSG WWSW (44) 对于中压锅炉，上式中 Tw 的数值很小，常常可以忽略不计，因此可以进一步改写为： )1()()( 2)(01  STSV SHSG SW  (45) 式中： —— 反应速度 即给水流量改变单位流量时水位的变化速度。 从上式可知，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一阶滞后环节组成， T 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。 有些锅炉当给水增加时，1TK哈尔滨工业大学成人高等教育本科毕业设计（论文） 7 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，用上式来表示它的动态特性，误差较大，这时可选用下面近似计算公式： SaSWeSTV SHSG  1)()()(01 (46) 式中： —— 给水量扰动下的纯滞后时间，对于非沸腾式省煤器的锅炉，  =30～100 秒；对沸腾式省煤器的锅炉，  =100～ 200 秒； 1aT —— 水位的反应时间，它也与锅炉结构有关，对于本设计中锅炉，Ta=30～ 100 秒。 计算上式在阶跃输入下的响应，可知：当突然加大给水量后（假定蒸汽量不变），给水量大于蒸发量，但汽包水位一开始 并不立即增加，而呈现出一段起始惯性段， 这是因为温度较低的更多的给水进入水循环系统，它从原有饱和汽水中吸取一部分热量，汽包和汽水管路中由于热量的“损失”汽泡体积减少。 进入省煤器的给水，首先必须填补由于热量的“损失”汽泡体积减少所让出的空间，这时，虽然给水量增加，但水位基本不变。 当水面下汽泡容积变化过程逐渐平静时，汽包水位才由于贮水量的增加而爱渐上升。 当水面下汽泡容积不再变化、完全稳定下来时，水位变化就随着贮水量的增加而直线上升。 对于采用沸腾式省煤器的锅炉，给水作用下的惯性段要比上述情况严重得多，甚至还可能 出现“假水位”现象，在这种情况下，水位变化的特性应该采用如下传递函数： 11)()( 2 2)(01  ST KSTV SHSG aSW (47) 式中： Wa KTT 1 122 /)( TTTKK WW  哈尔滨工业大学成人高等教育本科毕业设计（论文） 8 tu WWthh 1hh 2 图 41 采用沸腾式省煤器给水作用下的水位飞升曲线 上图是给水作用下汽包水位的反应曲线。 h1是只考虑物料不平衡，即给水量大于蒸发量而产生的上升曲线，其特性表 现为积分环节，不自衡能力； h2是由于给水量增加，蒸发面以下汽泡容积的变化引起的。 h是由 h1(t)和 h2(t)迭加而成的，它的特性实际上是两个环节的并联。 在有“假水位”的情况下，需要用上式来表示其动态特性。 对于不同的锅炉设备，究竟采用何种形式的传递函数来表示它的动态特性，还要根据具体条件来定，原则是：表达特性最符合实际情况，传递函数式尽可能地简单。 汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性 汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性，可以用下式表示（假定给水量不变）： )(12221 DDDD ukdtduTdtdhTdt hdTT  (48) 拉氏变换后可得： )]()([)()( 1221 SVkSSVTSSHTSHSTT DDDD  (49) 则： )1()()( 21)(2  STST KSTV SHSG DDSDF (410) 上式可通知两个动态环节的并联来等效，即： 哈尔滨工业大学成人高等教育本科毕业设计（论文） 9 11)()(239。 39。 )(2 2 STKSTVSHSGaSDF (411) 式中： Da KTT 139。  1239。 2 /)( TTTKK DD  对大部分调节对象而言，平衡受到破坏的主要影响因素是系统中物料或能量的不平衡。 锅炉汽包水位除上述对象具有的特性以外，还有它特有的性质。 当负荷设备的用汽量突然增加 D （假定供热量及时跟上），单从物料不平衡考虑，汽包中蒸发量大于给水量，汽包水位应如图中 h1 所示，相当于上式中 STa39。 1这一项，是直线下降的。 thtu DDh 2hh 1 图图 42 蒸蒸 汽汽 流流 量量 扰扰 动动 时时 的的 水水 位位 飞飞 升升 曲曲 线线 实际水位 h 在扰动的初始瞬间水位不但没有下降而且上长，这是由于锅炉汽包蒸发面下的水中有蒸汽存在， 是由于蒸发过程的连续性，在蒸汽向汽分界面移动的过程中，会有一部分蒸汽在某一段时间内处于水中，在一定负荷和一定压力下，蒸汽发生量与蒸发面以下蒸汽含量之间有一个确定的对应关系，蒸发面以下的蒸汽容积可以用下式表示：  1WKV SS  (412) 式中： Vs—— 蒸发面以下的蒸汽容积； 哈尔滨工业大学成人高等教育本科毕业设计（论文） 10 k—— 比例系数，随负荷不同而异； W1—— 汽化强度； S —— 饱和蒸汽重度；  —— 汽泡在水中平均停留时间。 当蒸汽流量 D 阶跃增加时，汽包中压力减小，汽水循环管路中水的汽化强度 W1增加，蒸发面以下蒸汽容积 Vs 增加。 从图中可以看出，当蒸汽量变化时，汽包水位的变化具有特殊的形式，负荷阶跃增大时，汽水混合物中蒸汽的容积迅速增加，此时虽然蒸发量大于给水量，但水位不但不会下降，反而 迅速上长。 这种特殊现象称为“虚假水位”。 当汽水混合物中汽泡容积与负荷相适应达到稳定后，水位才反映出物料的不平衡，开始下降。 当负荷阶跃改变时，水面下汽泡容积变化引起的水位变化是很快的。 由于“假水位”而出现的水位最大偏差很难依靠调节来克服，如果要求水位波动不能太大，只有限制负荷 D 的变化速度或限制负荷一次变化量。 “虚假水位”变化的幅度与锅炉的汽压与蒸汽量有关，对一般的中高压锅炉，如负荷阶跃变化 10%时，“虚假水位”现象可使水位变化达 30～ 40 毫米，从以上动态特性分析中可以得到如。