對鍋爐汽包水位控制方案的初步探討

史志慧，高魯

（錫林郭勒職業(yè)學(xué)院，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000）

對鍋爐汽包水位控制方案的初步探討

Preliminary study of boiler drum level control scheme

史志慧，高魯

（錫林郭勒職業(yè)學(xué)院，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000）

鍋爐是工業(yè)發(fā)展過程中重要的熱能動力設(shè)備，汽包水位作為鍋爐重要的被控變量，對其進(jìn)行自動控制十分必要。鍋爐的水位調(diào)節(jié)過程具有很強(qiáng)的滯后性和波動性，因此應(yīng)用復(fù)合調(diào)節(jié)方案對汽包水位調(diào)節(jié)更具實(shí)用性。在本文中主要以火電廠鍋爐為背景，應(yīng)用仿真軟件，對汽包水位PID控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并對以上三種控制方案進(jìn)行了比較。

鍋爐汽包水位；PID控制系統(tǒng)；仿真實(shí)例分析

火電廠鍋爐汽包水位控制目的是使給水流量與蒸汽流量相符合，維持鍋爐汽包水位在額定范圍內(nèi)。汽包內(nèi)水位過高，導(dǎo)致汽水分離效果變差，引起蒸汽內(nèi)含鹽量增高，蒸汽品質(zhì)惡化；汽包水位過低，導(dǎo)致循環(huán)流動壓頭降低、汽水循環(huán)變差，嚴(yán)重時，還可能造成汽包干燒和水冷壁破裂等停機(jī)事故。因此，實(shí)現(xiàn)對鍋爐水位的自動控制，可以提高電廠機(jī)組的安全性、經(jīng)濟(jì)性。

1 鍋爐汽包水位PID控制器原理

PID控制器是比例（Proportional）控制單元、積分（Integrative）控制單元、微分（Derivative）控制單元三者組合的簡稱。

比例控制單元：主要顯示輸入與輸出誤差信號之間的比例關(guān)系，即：u=Kpe， Kp為比例系數(shù)， Kp直接影響系統(tǒng)的響應(yīng)速度和精度。

積分控制單元：主要用于消除穩(wěn)態(tài)誤差，增大系統(tǒng)的無差度，即：Ti為積分時間常數(shù)，Ti直接影響積分作用的強(qiáng)弱。

微分控制單元：主要用于改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分成正比關(guān)系，即：Td為微分時間常數(shù)，Td主要控制響應(yīng)誤差的超調(diào)現(xiàn)象。

2 鍋爐汽包水位PID控制方案

2.1 單沖量控制系統(tǒng)

單沖量控制系統(tǒng)是汽包水位自動控制系統(tǒng)中最簡單、最基本的方式，它將汽包水位測量信號經(jīng)變送器送到水位控制系統(tǒng)中，水位控制器根據(jù)測量值與規(guī)定值的偏差調(diào)節(jié)給水閥門，通過改變給水流量使汽包水位保持在規(guī)定范圍內(nèi)。對于負(fù)荷變化較大的機(jī)組，單沖量控制系統(tǒng)不能適用。

2.2 雙沖量控制系統(tǒng)

雙沖量控制系統(tǒng)是以蒸汽流量信號作為前饋信號，以水位信號作為反饋信號的控制系統(tǒng)。引入蒸汽流量前饋信號后，當(dāng)蒸汽流量改變時，該調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器可以使蒸汽流量與給水流量同向變化，這樣可以減少或抵消“虛假水位”現(xiàn)象引起的問題。但是這種控制系統(tǒng)要等汽包水位信號發(fā)生變化后才能動作，滯后時間長，水位波動大。

2.3 三沖量控制系統(tǒng)

三沖量控制系統(tǒng)是以汽包水位為主控制信號，蒸汽流量為前饋控制信號，給水流量為反饋控制信號組成的控制系統(tǒng)。從結(jié)構(gòu)上來說，三沖量控制系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是一個帶前饋信號的串級控制系統(tǒng)。其中串級控制系統(tǒng)回路包括：由給水流量、給水變送器、調(diào)節(jié)器和調(diào)節(jié)閥組成的副控制回路；由汽包水位調(diào)節(jié)對象和副控制回路構(gòu)成的主控制回路。蒸汽流量及其蒸汽變送器的引入并不影響主、副控制回路的穩(wěn)定性，但是可以提高控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)。

3 鍋爐汽包水位PID控制方案實(shí)例

3.1 鍋爐汽包水位控制

本文所引用的是基于PID算法的MATLAB—SIMULINK仿真模型，在此控制系統(tǒng)中主、副控制器都設(shè)定為PID控制器。 PID 控制器的經(jīng)驗(yàn)公式為：及、Ti=1.8τ、Td=0.5τ（其中k、t、K分別為對象模型的開環(huán)增益、純滯后時間常數(shù)和慣性時間常數(shù)）整定三種不同控制方式的控制器參數(shù)。將主、副控制器封裝入不同的控制系統(tǒng)中，有不同的控制結(jié)果。所用參數(shù)：Kp1∈（17-22）、Ki1∈（0.4-0.5）、Kd1∈（4.2-4.8）、Kp2∈（12-14）、Ki2∈（25-27）、Kd2∈（0.01-0.02）；輸入為階躍信號。

圖1 主控制器

圖2 副控制器

3.2 級雙沖量鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)仿真模型

主控制器（PID1）與蒸汽流量信號（前饋）、汽包水位信號（反饋）共同構(gòu)成單級雙沖量鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)。（圖3、圖4）

3.3 單級三沖量鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)仿真模型

主控制器（PID1）與蒸汽流量信號（前饋）、汽包水位信號（反饋）、給水流量信號（反饋）共同構(gòu)成單級三沖量鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)（圖5、圖6）。

3.4 串級三沖量鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)仿真模型

主控制器（PID1），副控制器（PID2）與蒸汽流量信號（前饋）、汽包水位信號（反饋）、給水流量信號（反饋）共同構(gòu)成串級三沖量鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)（圖7、圖8）。

3.5 結(jié)論

（1）從仿真響應(yīng)曲線可以看出三種調(diào)節(jié)系統(tǒng)在相同階躍輸入的情況，如表1。

表1 三種調(diào)節(jié)系統(tǒng)在相同階躍的輸入情況

（2）單級三沖量振蕩小于單級雙沖量，調(diào)節(jié)時間短于單級三沖量；串級三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)不僅超調(diào)量最小，響應(yīng)快，振蕩小，平穩(wěn)性好，調(diào)節(jié)時間相對最短，穩(wěn)態(tài)誤差也最小。以上說明，串級三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)為三種調(diào)節(jié)系統(tǒng)最優(yōu)。

圖3 單級雙沖量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖4 單級雙沖量PID控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線

圖5 單級三沖量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖6 單級三沖量控制PID系統(tǒng)響應(yīng)曲線

圖7 串級三沖量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖8 串級三沖量PID控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線

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（P-02）

日本和越南煉化開發(fā)出“無碳”橡膠

新近，日本和越南研究人員開發(fā)出出減少天然橡膠中蛋白質(zhì)含量的新技術(shù)，可以生產(chǎn)高性能橡膠材料并且減少天然膠加工過程中的環(huán)境污染。該項(xiàng)目的目標(biāo)是通過使用碳中和天然橡膠代替來源于石化資源的合成橡膠，降低二氧化碳排放。另外，此項(xiàng)目也開發(fā)出更加先進(jìn)的橡膠加工廠水處理技術(shù)，有助于減少溫室氣體排放量，將甲烷恢復(fù)成可利用能源。此項(xiàng)目由河內(nèi)科技大學(xué)、越南橡膠研究院、長岡技術(shù)科學(xué)大學(xué)共同開發(fā)，并得到日本國際協(xié)力機(jī)構(gòu)與日本科學(xué)院的資金支持。

（燕豐供稿）

TK323

1009-797X（2016）04-0056-03

A

10.13520/j.cnki.rpte.2016.04.022

史志慧（1985-），女，助教，本科，研究方向?yàn)闊崮芘c動力工程及高等職業(yè)教育。

2016-01-06