基于PLC的蒸汽鍋爐汽包水位自動控制系統(tǒng)的研究

寇　恒

(天津城市職業(yè)學院，天津　300250)

基于PLC的蒸汽鍋爐汽包水位自動控制系統(tǒng)的研究

寇恒

(天津城市職業(yè)學院，天津300250)

摘要：蒸汽鍋爐的控制主要是對鍋爐汽包水位進行控制，對于蒸汽鍋爐汽包水位的控制主要有：單回路控制方式、雙沖量控制方式、三沖量控制方式三種。本位主要基于PLC對蒸汽鍋爐的控制，對鍋爐的汽包水位控制的基本原理進行分析。并分析這三種控制方式的優(yōu)缺點進行得出最后結(jié)論。

關(guān)鍵詞：蒸汽鍋爐汽包水位；PLC控制；控制方法對比

一、蒸汽鍋爐汽包水位系統(tǒng)概述

圖1汽水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖1描述了蒸汽鍋爐的蒸汽-液體系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，從圖中可以看出，在水汽交換過程中，蒸汽與水以混合物的形式存在的位置是鍋爐汽包和蒸汽管。鍋爐自動控制系統(tǒng)中一個非常重要的環(huán)節(jié)就是控制汽包水位，本論文要分析基于PLC的蒸汽鍋爐的鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的研究。汽包水位控制系統(tǒng)就是要保持液位恒定不變，就要保持它的輸入的給水量和輸出的蒸汽量相等才行。

鍋爐汽包的液位控制的好壞直接關(guān)系到鍋爐運行的狀況，因此保持汽包內(nèi)的液位在設(shè)定的范圍，即蒸發(fā)量和輸入量要相等是十分重要的，這是安全生產(chǎn)進行的首要條件。這是因為：

一旦水位低于標定值，沒有連續(xù)加水，汽包很容易因為水量太少，汽化速度快，最后因為沒有足夠的水而導致鍋爐損壞，造成巨大的經(jīng)濟損失。

如果水位高于標定值，即水位偏高，此時給汽水分離帶來一定的影響，會使分離的蒸汽中混入液體水，蒸汽質(zhì)量大大降低，不但降低蒸汽溫度，而且進入過熱器后，附著在管壁上結(jié)垢，長期會導致關(guān)閉破裂。蒸汽溫度不達標，有帶水現(xiàn)象，還對汽輪機葉片造成損害，造成嚴重的經(jīng)濟后果。因此鍋爐汽包水位一定要嚴格控制在標定值之內(nèi)。

二、蒸汽鍋爐汽包水位調(diào)節(jié)對象的特性

根據(jù)鍋爐系統(tǒng)的運行特征可知，在多項影響因素中，給水量W、蒸汽輸出量D、汽包壓力、燃料變化等幾個存在較大作用。除了這四個主要因素，對汽包液位有影響的還有儲水量的大小、鍋爐負荷、蒸汽壓力、爐膛熱負荷等。

對鍋爐而言，燃料變化情況對于汽包水位的具有不同作用，因此在研究汽包水位的變化特征時應(yīng)考慮這個影響的特點，我們用輸出滯后和容量滯后兩個研究變量進行計算和分析。在實際運行過程中，汽包內(nèi)的壓力是蒸汽負荷的研究范圍之一，而這種壓力并不會影響到鍋筒內(nèi)的水位變化。我們以鍋筒中的水液分離分離界面為分界線，汽包內(nèi)的蒸汽面積就是液面之上的部分，下面的體積為水汽混合物，根據(jù)上述水位調(diào)節(jié)因素的作用可以推導出公式1，用來描述鍋爐的汽包水位的變化特征。

(1)

式中各項參數(shù)的涵義為：

h——汽包的水位高度；

T1，T2——時間常數(shù)，s；

D——鍋爐內(nèi)的蒸汽流量，kg/s；

W——鍋爐的給水流量，kg/s；

TW——給水流量項的時間常數(shù)，s；

TD——蒸汽流量項的時間常數(shù)，s；

KW——給水流量項的放大倍數(shù)；

KD——蒸汽流量項的放大倍數(shù)。

根據(jù)公式1，我們認為，給水量和蒸汽輸出量是主要的決定了鍋爐的汽包液位水平的變化條件，因此要有效的調(diào)節(jié)汽包液位進行相應(yīng)變化，關(guān)鍵就在于對這兩個要素的調(diào)整。

(一)給水流量在汽包液位變化過程中的作用特征

圖2描述的就是給水流量變化的條件下，引發(fā)的汽包液位發(fā)生動態(tài)變化的發(fā)展趨勢。在圖中我們可以看出，階躍調(diào)整的給水量導致汽包液位的變化特征曲線中有明顯的慣性延遲現(xiàn)象，而不是對應(yīng)直接增加的特征。對鍋爐而言，由于與汽包原有的飽和水有溫差的水在進入汽包必然會產(chǎn)生熱量吸收的過程，降低了汽包水的溫度，進而導致其容積減少，從而降低了汽包液位的高度，當水量平穩(wěn)時，給水量的增加使得液位隨之升高，由于汽包容積是不變的，因此給水量是決定汽包液位的主要原因。

圖2　給水流量作用下水位變化階躍響應(yīng)曲線

根據(jù)公式1，設(shè)定鍋爐的蒸汽負荷為常量，推導出公式2，這就是給水流量與汽包水位之間的關(guān)系模型：

(2)

對上式進行拉普拉斯變換，可得：

T1T2s2H(s)+T1sH(s)=TWsUW(s)+KWUW(s)

(3)

這樣，就可以得出單獨由給水量作用于汽包液位的傳遞函數(shù)式(4)：

(4)

對于本文研究的鍋爐的中壓類型，由于其給水流量項的時間常數(shù)較小，因此可對公式4繼續(xù)加以簡化：

(5)

式(5)描述的是汽包液位的動態(tài)變化趨勢，從公式中可以看出其變化特征包括了一個一階慣性參數(shù)和另外一個積分系數(shù)。這兩個參數(shù)分別代表了鍋爐的串聯(lián)工作完成，分數(shù)控制體系和積分章節(jié)，這實際上就是對汽包液位的控制算法的數(shù)學描述。即：

(6)

τ—純滯后時間。τ隨著給水溫度的降低而變大。通常，τ在15～100s之間。若使用省煤器的情況下，省煤器也會產(chǎn)生延遲，τ會變大。在非沸騰式省煤器的鍋爐類型中，τ=30-100s，對于沸騰式省煤器的鍋爐來說，τ的取值范圍為100-200s。

事實上，由于一個純之后環(huán)節(jié)和一階慣性環(huán)節(jié)近似，所以兩種近似方法在本質(zhì)上沒有什么不同。

(二)蒸汽流量的變動給汽包液位帶來的動態(tài)變化特性

如果假設(shè)顏料變化值恒定，當鍋爐的蒸汽流量發(fā)生改變時，必然會改變氣保業(yè)務(wù)，這體現(xiàn)了質(zhì)量平衡的基本原理，也就是說，蒸汽流量的變化對汽包液位的動態(tài)變化的特征主要就是通道干擾作用，也就是給水量的變化小魚蒸汽流量導致的水位變化特征。而事實上，如果蒸汽使用量突然增加時，汽包內(nèi)的蒸發(fā)量必定加大，隨之汽包內(nèi)的壓力下降，導致閃蒸現(xiàn)象，即蒸汽急速產(chǎn)生，沸騰強烈，汽包增加快，汽包內(nèi)的液位也變高，記為H2。實時顯示的水位變化則是兩個變化量的疊加H=H1+H2，也就是在蒸發(fā)量變大時，由于鍋爐的給水量供應(yīng)不變，在開始瞬間，液位發(fā)生不減反增的現(xiàn)象，而后再發(fā)生下降現(xiàn)象，此現(xiàn)象就是“虛假水位”。圖3描述的是汽包液位咋蒸汽流量降低的過程中的變化特征，從圖中可以看出，突然減少的蒸汽流量并不能使水位發(fā)生現(xiàn)行降低，而是一個先降后升的動態(tài)變化過程。

圖3　蒸汽流t擾動下水位變化階躍響應(yīng)曲線

在這種情況下，汽包水位的動態(tài)微分方程可以表示為：

(7)

對上式進行拉普拉斯變換，可得：

T1T2s2H(s)+T1sH(s)=-[TDsUD(s)+KDUD(s)]

(8)

于是，我們得到汽包水位在蒸汽流量擾動下的傳遞函數(shù)：

(9)

為便于理解，我們對上式進行化簡，得到：

(10)

或：

(11)

式中，K0=(KDT2-TD)/T1——響應(yīng)曲線H2的放大系數(shù)；

T0=T1/KD；

Kf=1/T0——上升速度，即給水流量變化一個單位流量時水位的變化速度；

T2——響應(yīng)曲線；

H2——的時間常數(shù)。

應(yīng)當強調(diào)的是：汽包液位因為蒸汽負荷變動時，而發(fā)生的變動用時間是很短的，意思就是在蒸汽用量變化的開始，H2遠大于H1，一般情況下，10～20s。

“虛假水位”的變動與汽包壓力和鍋爐負荷緊密相關(guān)，而且是反向特性，這也就意味著鍋爐負荷越高的情況下，虛假水位導致的汽包液位變化問題會更加嚴重，例如對于中高壓鍋爐來說，鍋爐負荷增加10個百分點的時候，相應(yīng)的虛假水位的變化幅度可達到30-40mm，這在水位控制中已經(jīng)屬于非常嚴重的波動過程了，因此控制虛假水位的影響是一個非常重要的調(diào)節(jié)因素。

對于汽包水位控制體系來說，由于存在這種干擾程度較高的虛假水位的問題，導致給水量和蒸汽負荷這兩個影響因素的作用要遠高于燃料和壓力的擾動作用，因此控制因子變量的限制要求的重點研究對象就是給水量和蒸汽負荷兩大關(guān)鍵數(shù)據(jù)的動態(tài)變化特征。在設(shè)計汽包水位控制系統(tǒng)時，如果我們把給水量控制在一個平穩(wěn)的變化區(qū)間，必然產(chǎn)生階梯型變化的蒸汽負荷數(shù)據(jù)，由于蒸汽流量的變動范圍較大使得鍋筒內(nèi)壓力隨之改變，導致汽包內(nèi)的水汽混合問題加重，這是虛假水位產(chǎn)生的前提，在實際工作中就會出現(xiàn)水位控制結(jié)果相反的不良后果。而蒸汽鍋爐的物理特性也是必須考慮的控制因素之一，這個問題主要是指對流管束這一系統(tǒng)組成部分，由于其對汽水變化影響作用較高，因此必須在控制過程中考慮到這個問題的存在，他主要體現(xiàn)在控制系統(tǒng)的延時問題。我們設(shè)計水位控制系統(tǒng)的非線性的擾動滯后特征，主要就是為了降低虛假水位和系統(tǒng)延時這兩個實際控制中存在的干擾因素的作用。

三、蒸汽鍋爐汽包水位控制方式

(一)單回路控制方式

圖4單回路控制系統(tǒng)框圖

鍋爐在工作狀態(tài)時，負荷的變化往往對汽包的汽壓帶來很大影響，很容易產(chǎn)生“虛假水位”的現(xiàn)象。而對汽包液位的控制在隨著鍋爐的發(fā)展而進步。通常有如下幾種方式：

單回路控制方式：如果對汽包液位使用單回路方式控制(單回路也叫但沖量控制方式)，也就是僅僅把液位作為唯一的控制變量，控制系統(tǒng)方式結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。調(diào)節(jié)器接收到變送器送來的汽包液位值H，和給定值H0進行比對，調(diào)節(jié)器根據(jù)對比的偏差，讓執(zhí)行器動作，來調(diào)節(jié)汽包液位，達到維持汽包液位平衡的目的。這種控制方式的優(yōu)點很顯然，就是結(jié)構(gòu)不復雜，如果在負荷變動不大、“虛假水位”情況不嚴重的狀況下使用起來，再配合PID調(diào)節(jié)器就能滿足一般的控制要求。但是，事實并不是這么簡單，很多時候鍋爐的狀況變化時很突然的。一旦出現(xiàn)負荷變動大的情況，汽包內(nèi)“虛假水位”的現(xiàn)象嚴重，在最初的調(diào)節(jié)時，會出現(xiàn)“反向”調(diào)節(jié)，擴大水位差，延遲調(diào)節(jié)時間，使調(diào)節(jié)時間變的太長。

(二)雙沖量控制方式

鍋爐汽包液位的控制，重點在于對如果對汽包液位的控制，而讓液位發(fā)生變化的是鍋爐負荷。根據(jù)這種情況，我們繪制了雙重兩方式完成自動控制的系統(tǒng)的控制流程圖，圖中前饋信號是蒸汽流出量，而控制體系的核心控制信號的決定權(quán)則是由液位來進行比對的。如果蒸汽量突然發(fā)生變化，此時有一個和蒸汽量變化方向相同的給水信號輸出，對“虛假水位”產(chǎn)生的假水位進行調(diào)節(jié)，較好的提高了控制質(zhì)量。雙沖量控制方法的缺點就是，如果給水量發(fā)生突變時，調(diào)節(jié)有些延時，必須等到汽包水位發(fā)生變化時，才能進行調(diào)節(jié)，滯后明顯較長，對水位的控制還是達不到精確。

圖5雙沖量控制系統(tǒng)框圖

(三)三沖量控制方式

圖6三沖量控制系統(tǒng)框圖

雙沖量控制方式雖然較單回路方式有所改進，但是還是不能做到完全補償。首先調(diào)節(jié)閥動作時不是線性變化的，不能做到精確的補償；其次，給水的擾動不能及時消除。結(jié)合以上特點，可以將給水流量作為控制參數(shù)之一，形成三沖量控制方式，控制系統(tǒng)框圖如圖6所示。

從圖6可以知道，蒸汽流量和給水量分別為主、副控制參數(shù)。蒸汽流量是前饋補償?shù)闹饕獢_動，給水流量是輔助沖量，整個形成串級的前饋復合控制系統(tǒng)。一個是給水流量測量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，另一個是水位變化調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其中給水調(diào)節(jié)為輔助回路。蒸汽負荷出現(xiàn)變動之后，蒸汽流量隨之而產(chǎn)生變化，虛假水位不產(chǎn)生的原因就在于對給水控制器的反應(yīng)信號與蒸汽流量同向。水閥的開關(guān)控制就是為了平衡給水流量，保證給水信號的反饋的及時性，消除擾動問題。由于給水流量信號也是一種反饋信號，控制器能較早的接受到結(jié)果，使控制器動作加快，極大的穩(wěn)定了水位，對“虛假水位”的消除效果較好。因此三沖量控制方法較為合理科學。其優(yōu)點有兩點如下：

1.對比單回路和雙沖量控制方式，其控制效果最好，對系統(tǒng)要求的快速性、穩(wěn)定性、準確性完成率較高。

2.對“虛假水位”現(xiàn)象的消除效果最好。

結(jié)語

汽包水位控制是基于PLC控制蒸汽鍋爐的核心部分，本問內(nèi)容主要是對鍋爐的汽包水位控制的基本原理進行分析。分析考慮了蒸汽鍋爐汽包水位調(diào)節(jié)對象的特性，對比了三種蒸汽鍋爐汽包水位的控制方法，最后得出三沖量控制方法最合適。通過分析還需要建立PID模糊控制模型，進一步求證和計算，尤其是不同的汽包水位的蒸汽流量的變化規(guī)律，并根據(jù)這個趨勢特征提出了基于模糊管理理論的模糊控制規(guī)則，構(gòu)成鍋爐汽包水位系統(tǒng)的模糊控制器。

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Research on Steam Boiler’s Drum Water Level Automation Control System Based on PLC

KOU Heng

(TianjinCityVocationalCollege,Tianjin, 300250)

Abstract:Controlling of the steam boiler is mainly to control the boiler drum level, the main control for drum water level of steam boiler includes: single-loop control mode, dual impulse control mode, three-impulse control mode. This paper analyzes basic principle of the boiler water level control based on the PLC control of boiler drum water level. And the advantages and disadvantages of these three modes are analyzed to reach a final conclusion.

Key words:steam boiler’ drum water level; PLC control; comparison of control methods

收稿日期：2016-03-03

作者簡介：寇恒(1982-)，男，天津市人，天津城市職業(yè)學院機電與信息工程系教師，講師，專業(yè)及研究方向：電氣自動化。

中圖分類號：TP399

文獻標識碼：A

文章編號：1673-582X(2016)05-0054-06