基于KMM可編程調(diào)節(jié)器的鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)

一、緒論

1.1 鍋爐水位控制的重要性

為了保證鍋爐正常運(yùn)行，需要維持鍋爐水位為正常標(biāo)值。汽包的水位實(shí)際是反應(yīng)汽包內(nèi)水量的多少。汽包的水容積和它的蒸發(fā)速率，各類鍋爐均有差異。汽包水位是鍋爐運(yùn)行的主要指標(biāo)，是一個(gè)非常重要的被控變量，維持水位在一定的范圍內(nèi)是保證鍋爐安全運(yùn)行的主要條件，這是因?yàn)椋?/p>

（1）水位過(guò)高，影響汽包內(nèi)汽水分離，飽和水蒸氣帶水過(guò)多，影響蒸汽質(zhì)量。

（2）水位過(guò)低，則可能破壞自然循環(huán)鍋爐系統(tǒng)中某些薄弱環(huán)節(jié)，以致局部水冷、管壁被破壞，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成爆炸事故。因此，汽包水位必須加以嚴(yán)格管理，以保證鍋爐正常安全運(yùn)行

1.2 本項(xiàng)設(shè)計(jì)的內(nèi)容和方法

利用KMM數(shù)字可編程調(diào)節(jié)器的組態(tài)和編程方法，設(shè)計(jì)一個(gè)基于KMM可編程調(diào)節(jié)器的鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)。系統(tǒng)最初投運(yùn)時(shí)，以簡(jiǎn)單的單沖量系統(tǒng)工作；正常穩(wěn)定運(yùn)行后，切換到三沖量（即汽包水位、給水流量和蒸汽流量。）復(fù)合控制系統(tǒng)精確控制，能根據(jù)生產(chǎn)工藝汽包水位的高、低限制，分別進(jìn)行高、低值越限報(bào)警。

二、方案論證

2.1 鍋爐汽包水位的調(diào)節(jié)

鍋爐汽包水位自動(dòng)調(diào)節(jié)的任務(wù)是使給水量與鍋爐蒸發(fā)量相平衡，并維持汽包中水位在工藝規(guī)定的范圍內(nèi)。

汽包水位控制，是以水位作為水量平衡與否的控制指標(biāo)，通過(guò)調(diào)整進(jìn)水量的多少來(lái)達(dá)到進(jìn)出平衡，將汽包水位維持在汽水分離界面最大的汽包中位線附近，以提高鍋爐的蒸發(fā)效率，保證生產(chǎn)安全。由于鍋爐水位系統(tǒng)是一個(gè)沒(méi)有自平衡能力的被控對(duì)象，運(yùn)行中存在虛假水位現(xiàn)象，實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)情況采用水位單沖量、水位和蒸汽流量雙沖量和水位、蒸汽流量、給水流量三沖量的控制系統(tǒng)。

三、調(diào)節(jié)器的選取

3.1 調(diào)節(jié)閥的選取

調(diào)節(jié)閥的選取應(yīng)從下面三點(diǎn)重點(diǎn)考慮：

1）考慮事故狀態(tài)時(shí)人身、工藝設(shè)備的安全。當(dāng)過(guò)程控制系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，調(diào)節(jié)閥所處的狀態(tài)不致影響人身和工藝設(shè)備的安全。

2）考慮事故狀態(tài)下減小經(jīng)濟(jì)損失。

3）考慮介質(zhì)的性質(zhì)，對(duì)裝有易結(jié)晶、易凝固物料的裝置，蒸汽流量調(diào)節(jié)器應(yīng)選用氣關(guān)式。

綜合上面三點(diǎn)考慮，在火電廠鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)中，應(yīng)選擇氣關(guān)式調(diào)節(jié)閥，即一旦事故發(fā)生，調(diào)節(jié)閥處于全開(kāi)狀態(tài)，確保鍋爐汽包安全。

3.2 液位變送器的選擇

選擇TK3051L液位變送器。

（1）工作原理

工作時(shí)高低壓側(cè)的隔離膜片和灌充液將過(guò)程壓力傳給灌充液，接著灌充液將壓力傳遞到傳感器中心的傳感膜片上。傳感膜片是一個(gè)張緊的彈性元件，其位移隨所受壓而變化（對(duì)于GP表壓力變送器，大氣壓如同施加在傳感膜片上的低壓側(cè)一樣）。AP絕壓變送器，低壓側(cè)始終保持一個(gè)參考?jí)毫?。傳感膜片的最大位移量?.004英寸（0.1毫米），且位移量與壓力成正比。兩側(cè)的電容板極檢測(cè)傳感膜片的位置。傳感膜片和電容極板之間電容的差值被轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電流，電壓或數(shù)字HART（高速可尋址遠(yuǎn)程發(fā)送器數(shù)據(jù)公路）輸出信號(hào)。

（2）特點(diǎn)

完整的變送系列；測(cè)量范圍：0-0.5inH20至6000psig；結(jié)構(gòu)小巧、堅(jiān)固、抗震；模塊化結(jié)構(gòu)；阻尼可調(diào)；多種選項(xiàng)，量程應(yīng)用靈活；智能，模擬或低耗電路；

四、PID對(duì)控制的影響

4.1 比例調(diào)節(jié)

人們希望盡量減小比例帶，然而，減小比例帶就等于加大調(diào)節(jié)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)增益，其后果是導(dǎo)致系統(tǒng)的激烈振蕩甚至不穩(wěn)定。穩(wěn)定性是任何閉環(huán)系統(tǒng)的首要要求，比例帶的設(shè)置必須保證系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定裕度。比例帶具有一個(gè)臨界值，此時(shí)系統(tǒng)處于穩(wěn)定邊界的情況，進(jìn)一步減小比例帶系統(tǒng)就不穩(wěn)定了。

4.2 積分調(diào)節(jié)

增大積分速度將會(huì)降低控制系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，直至出現(xiàn)發(fā)散的振蕩過(guò)程。調(diào)節(jié)是無(wú)差調(diào)節(jié)，只有當(dāng)被調(diào)量偏差為零時(shí)，調(diào)節(jié)的輸出才保持不變。調(diào)節(jié)的穩(wěn)定作用比P調(diào)節(jié)差，如果只采用調(diào)節(jié)不可能得到穩(wěn)定的系統(tǒng)，且振蕩頻率較低。

五、KMM調(diào)節(jié)器的組態(tài)

KMM可編程序調(diào)節(jié)器有45種運(yùn)算控制功能模塊，有30個(gè)運(yùn)算單元可供安排使用，可以組成多種多樣的控制系統(tǒng)。下面將對(duì)串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)如何根據(jù)控制要求選用模塊和進(jìn)行組態(tài)做以下說(shuō)明。

給水控制系統(tǒng)的任務(wù)是維持汽包水位在允許的范圍內(nèi)，以保證鍋爐安全正常運(yùn)行。鍋爐（主是大、中型鍋爐）的負(fù)荷的參數(shù)不同時(shí)，給水系統(tǒng)被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性也不同。低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，可用以水位H為控制信號(hào)的單沖量控制；在高負(fù)荷時(shí)則采用以水位H為主控信號(hào)的三沖量控制，通常是采用串級(jí)三沖量控制。根據(jù)這一原則組成的KMM調(diào)節(jié)器構(gòu)成控制系統(tǒng)時(shí)，要求能實(shí)現(xiàn)單沖量、三沖量?jī)煞N控制方式的切換（根據(jù)鍋爐負(fù)荷—主蒸汽流量的大小進(jìn)行切換）；進(jìn)行水位上下限報(bào)警（在儀表面板上）；水位測(cè)量值越限時(shí)，系統(tǒng)能自動(dòng)轉(zhuǎn)入手動(dòng)控制方式。

六、總結(jié)

本設(shè)計(jì)是鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，鍋爐汽包水位的良好控制是保證系統(tǒng)輸出蒸汽溫度穩(wěn)定的前提。經(jīng)分析后采用三沖量的控制方式，這是基于前饋-串級(jí)復(fù)合控制系統(tǒng)，副回路調(diào)節(jié)器能通過(guò)副回路快速消除給水環(huán)節(jié)的擾動(dòng)對(duì)汽包水位的影響，主調(diào)節(jié)器通過(guò)副調(diào)節(jié)器對(duì)水位進(jìn)行校正，使水位保持在設(shè)定值，使系統(tǒng)工作在良好的狀態(tài)下，可滿足系統(tǒng)的控制要求。

接著分析了PID對(duì)系統(tǒng)的影響和PID的參數(shù)整定，然后利用MATLAB進(jìn)行仿真，能夠更好分析鍋爐汽包水位的情況。通過(guò)分析證明了汽包水位是工業(yè)鍋爐安全、穩(wěn)定運(yùn)行的重要指標(biāo)，保證水位控制在給定范圍內(nèi)，對(duì)于提高蒸汽品質(zhì)、減少設(shè)備損耗和運(yùn)行損耗、確保整個(gè)機(jī)組安全運(yùn)行具有重要意義。