天津城建大学
课程设计任务书
2013 -2014学年第2学期
控制与机械工程学院电气工程及其自动化专业班级电气12班姓名：学号：
课程设计名称：过程控制
设计题目：锅炉汽包液位控制
完成期限：自 2014 年 6 月 20 日至 2014 年 6 月 26 日共 1 周
设计依据、要求及主要内容：
一、设计任务
加热炉出口温度控制系统，测取温度对象的过程为：当系统稳定时，在温度调节阀上做
t/min 0 2 4 6 8 10 12
θ270.0 270.0 267.0 264.7 262.7 261.0 259.5
/o C
t/min 14 16 18 20 22 24 26
θ258.4 257.8 257.0 256.5 256.0 255.7 255.4
/o C
t/min 28 30 32 34 36 38 40
θ255.2 255.1 255.0 255.0 255.0 255.0 255.0
/o C
δ≤的无差控制系统。具体要求如下：
试根据实验数据设计一个超调量25%
p
（1）根据实验数据选择一定的辨识方法建立对象的数学模型；
（2）根据辨识结果设计符合要求的控制系统（控制系统原理图、控制规律选择等）；（3）根据设计方案选择相应的控制仪表；
（4）对设计的控制系统进行仿真，整定运行参数。
二、设计要求
采用MATLAB仿真；需要做出以下结果：
（1）超调量
（2）峰值时间
（3）过渡过程时间
（4）余差
（5）第一个波峰值
（6）第二个波峰值
（7）衰减比
（8）衰减率
（9）振荡频率
（10）全部P、I、D的参数
（11）PID的模型
（12）设计思路
三、设计报告
课程设计报告要做到层次清晰，论述清楚，图表正确，书写工整；详见“课程设计报告写作要求”。
四、参考资料
[1] 何衍庆．工业生产过程控制（1版）．北京：化学工业出版社，2004
[2]邵裕森．过程控制工程．北京：机械工业出版社2000
[3]过程控制教材
指导教师（签字）：
教研室主任（签字）：
批准日期：年月日
摘要
锅炉是典型的复杂热工系统，目前，中国各种类型的锅炉有几十万台，由于设备分散、管理不善或技术原因，使多数锅炉难以处于良好工况，增加了锅炉的燃料消耗，降低了效率。锅炉的建模与控制问题一直是人们关注的焦点，而汽包水位是工锅炉安全、稳定运行的重要指标，保证水位控制在给定范围内，对于高蒸汽品质、减少设备损耗和运行损耗、确保整个网络安全运行具有要意义。
锅炉汽包水位高度，是确保安全生产和提供优质蒸汽的重要参数，对现代工业生产来说尤其是这样。因为现代锅炉的特点之一就是蒸发量显著提高，汽包容积相对变小，水位变化速度很快，稍不注意就容易造成汽包满水或者烧成干锅。在现代锅炉操作中，即使是缺水事故，也是非常危险的，这是因为水位过低，就会影响自然循环的正常进行，严重时会使个别上水管形成自由水面，产生流动停滞，致使金属管壁局部过热而爆管。无论满水或缺水都会造成事故，因此，必须严格控制水位在规定范围之内。
维持汽包水位在给定范围内是保证锅护和汽轮机安全运行的必要条件，也是锅炉正常运行的主要指标之一。水位过高，会影响汽包内汽水分离效果，使汽包出口的饱和蒸汽带水增多，蒸汽带水会使汽轮机产生水冲击，引起轴封破损、叶片断裂等事故。同时会使饱和蒸汽中含盐量增高，降低过热蒸汽品质，增加在过热器管壁和汽轮机叶片上的结垢。水位过低，则可能破坏自然循环锅炉汽水循环系统中某些薄弱环节，以致局部水冷管壁被烧坏，严重时会造成爆炸事故。这些后果都是十分严重的。随着锅炉容量的增加，水位变化速度愈来愈快，人工操作愈来
愈繁重，因此对汽包水位实现自动调节提出了迫切的要求。
汽包水位的控制是锅炉控制的一个难点，目前，对汽包水位控制大多采用常规PID控制方式，传统的常规PID控制方式是根据控制对象的数学模型建立，由于锅炉水位系统存在非线性、不确定性时滞和负荷干扰、非最小相位特征等，其精确的数学模型往往无法获得而且常规PID控制的参数是固定不变的，难以适应各种扰动及对象变化，其控制效果往往难以满足要求，控制效果不理想。
关键词：冲量，汽包水位控制，PID控制，仿真
目录
1、绪论 (1)
1.1锅炉的工作过程简介 (1)
1.2锅炉汽包水位自动控制的意义 (2)
1.3 锅炉液位控制的难点 (2)
2、汽包锅炉水位控制系统的设计 (2)
2.1概述 (2)
2.2单冲量控制系统 (3)
2.3双冲量控制系统 (4)
2.4三冲量控制系统 (4)
2.4.1单级三冲量控制系统 (4)
2.4.2串级三冲量控制系统 (5)
3、锅炉汽包水位的动态特性的数学建模 (6)
3.1给水流量作用下的动态特性 (6)
3.2 蒸汽流量扰动下的动态特性 (8)
3.3 根据所给数据进行曲线拟合 (8)
3.3.1相关MATLAB程序及结果 (8)
3.3.2控制变量的确定 (9)
3.4串级三冲量的框图 (10)
4、硬件选择 (11)
4.1流量传感器选择 (11)
4.2水位传感器选择 (11)
4.3电机的选择 (11)
4.4接触器的选择 (12)
4.5阀的开闭选择形式 (12)
5、PID参数的整定和SIMULINK仿真 (12)
5.1串级三冲量仿真电路图的搭建 (12)
5.2串级三冲量PID参数的整定 (13)
5.3仿真分析 (15)
总结 (15)
参考文献 (16)
1、绪论
1.1锅炉的工作过程简介
锅炉是工业过程中不可缺少的动力设备，锅炉的任务是根据外界负荷的变化，输送一定质量(汽压、汽温)和相应数量的蒸汽。它所产生的蒸汽不仅能够为蒸馏、化学反应、干燥等过程提供热源，而且还可以作为风机、压缩机、泵类驱动透平的动力源。
锅炉是由“锅”和“炉”两部分组成的。“锅”就是锅炉的汽水系统，如图所示。由省煤器3、汽包4、下降管8、过热器5、上升管7、给水调节阀2、给水母管1及蒸汽母管6等组成。锅炉的给水用给水泵打入省煤器，在省煤器中，水吸收烟气的热量，使温度升高到本身压力下的沸点，成为饱和水然后引入汽包。汽包中的水经下降管进入锅炉底部的下联箱，又经炉膛四周的水冷壁进入上联箱，随即又回入汽包。水在水冷壁管中吸收炉内火焰直接辐射的热，在温度不变的情况下，一部分蒸发成蒸汽，成为汽水混合物。汽水混合物在汽包中分离成水和汽，水和给水一起再进入下降管参加循环，汽则由汽包顶部的管子引往过热器，蒸汽在过热器中吸热、升温达到规定温度，成为合格蒸汽送入蒸汽母管。
图1.1 锅炉的汽水系统
“炉”就是锅炉的燃烧系统，由炉膜、烟道、喷燃器、空气预热器等组成。锅炉燃料燃烧所需的空气由送风机送入，通过空气预热器，在空气预热器中吸收烟气热量，成为热空气后，与燃料按一定的比例进入炉膛燃烧，生成的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽。然后经过过热器，形成一定的过热蒸汽，汇集到蒸汽母管。具有一定压力的过热蒸汽，经过负荷设备调节阀供负荷设备
使用。与此同时，燃烧过程中产生的烟气，其中含有大量余热，除了将饱和蒸汽变成过热蒸汽外，还预热锅炉给水和空气，最后经烟囱排入大气。
1.2锅炉汽包水位自动控制的意义
锅炉汽包水位自动调节的任务是使给水量跟踪锅炉的蒸发量，并维持汽包中的水位在工艺允许的范围内。
维持汽包水位在给定范围内是保证锅护和汽轮机安全运行的必要条件，也是锅炉正常运行的主要指标之一。水位过高，会影响汽包内汽水分离效果，使汽包出口的饱和蒸汽带水增多，蒸汽带水会使汽轮机产生水冲击，引起轴封破损、叶片断裂等事故。同时会使饱和蒸汽中含盐量增高，降低过热蒸汽品质，增加在过热器管壁和汽轮机叶片上的结垢。水位过低，则可能破坏自然循环锅炉汽水循环系统中某些薄弱环节，以致局部水冷管壁被烧坏，严重时会造成爆炸事故。这些后果都是十分严重的。随着锅炉容量的增加，水位变化速度愈来愈快，人工操作愈来愈繁重，因此对汽包水位实现自动调节提出了迫切的要求。
1.3 锅炉液位控制的难点
液位的控制技术是通过控制进水或出水阀门的开度，改变水流量来实现的，而水温的控制是通过调节加热的功率来实现的。锅炉液位的控制是锅炉控制系统较为重要和比较难于控制的一项。由于在锅炉运行过程中存在进水量和出水量的变化，所以很难通过调整PID控制器参数来满足所有的运行条件，获得理想的控制效果。调整过量会导致流量回路动作频繁，从而给下游设备带来了额外的干扰。这样就导致液位控制器通常处于欠调正状态允许液位在一定范围内波动，以减小出水量的变化。然而，欠调正的PID不能及时抑制大扰动，这就可能引起锅炉运行的安全问题。另外，液位的波动也会破坏锅炉运行过程的稳定，使得蒸汽输送等不易控制。影响锅炉液位的关键变量有给水流量，蒸汽出口流量和混合燃料的进料量。各变量都有各自不同的扰动。较冷的给水造成相应的纯滞后。蒸汽流出量的突然增加造成了典型的“假水位”现象，使得过程暂时改变了方向，容易产生误操作而导致发生事故。
2、汽包锅炉水位控制系统的设计
2.1概述
汽包水位的控制问题伴随着锅炉的出现而出现，长久以来一直是控制领域的一个典型的难问题。随着控制理论、控制技术和现代控制方法的发展，锅炉
自动化控制的水平也在逐渐提高。其间主要经历了上世纪三四十年代单参数仪表控制，四五十年代单元组合仪表综合参数仪表控制，以及六十年代兴起的计算机控制等几个阶段。通常有如下几种方案：
(1)单冲量控制系统。即汽包水位的单回路水位控制系统；
(2)双冲量控制系统。即在单冲量系统的基础上引入了蒸汽流量信号；
(3)三冲量控制系统。是在双冲量系统的基础上再引入给水流量信号而构
成。
2.2单冲量控制系统
单冲量水位控制系统以汽包水位作为唯一的控制信号，冲量即变量。水位测量信号经变送器送到水位调节器，调节器根据汽包水位测量值H与给定值H
0的偏差，通过执行器去控制给水调节阀以改变给水量，保持汽包水位在允许的范围内。系统框图为图2.1所示。
图2.1单冲量控制系统框图
这种控制系统结构简单，是典型的单回路定制控制系统。对于水在汽包内的停留时间较长，且负荷又比较稳定，“虚假水位”现象不严重的情况下，采用单冲量控制系统，进行PID调节一般就能满足生产要求。
单冲量汽包水位调节的优点是：系统结构简单，在汽包容量比较大、水位在受到扰动后的反应速度比较慢、“虚假水位”现象不很严重的场合，采用单冲量水位调节时能够满足生产要求。
单冲量汽包水位调节存在着一些缺点，主要有：
（1）单冲量控制方案只根据水位信号控制给水量，在锅炉负荷变化大，即阶跃扰动很大时，由于锅炉的“虚假水位”现象，例如负荷蒸汽增加时，水位一开始先上升，调节器只根据水位作为控制信号，就去关小阀门减少给水量，这个动作对锅炉流量平衡是错误的，从而在过程一开始就扩大蒸汽流量和给水
流量的波动幅度，扩大了进出流量的不平衡。
（2）从给水扰动下水位变化的动态特性可以看出，由于给水压力变化等原因造成给水量变化时，调节器要等到水位变化后才开始动作，而在调节器动作后又要经过一段滞后时间才能对汽包水位发生影响，因此必将导致汽包水位波动幅度大，过程时间长。
2.3双冲量控制系统
在汽包的水位控制中，最主要的扰动是负荷的变化。双冲量控制系统是以锅炉汽包水位测量信号作为主控信号，以蒸汽流量信号作为前馈信号构成的“前馈-反馈”控制系统。系统框图为图2.2所示。
图2.2双冲量控制系统框图
双冲量控制系统的优点是：引入蒸汽流量前馈信号可以消除“虚假水位”所引起的不良影响。当蒸汽量变化时，就有一个给水量与蒸汽量同方向变化的信号，可以减少或抵消由于“虚假水位”现象引起的假水位；引入蒸汽流量前馈信号，能够改善控制系统的静态特性，提高控制质量。双冲量控制系统存在的问题是：对于给水系统的扰动不能直接补偿，当给水量发生扰动时，要等到汽包水位信号变化时才能通过调节器操作执行调节，滞后时间长，水位波动大。
2.4三冲量控制系统
2.4.1单级三冲量控制系统
三冲量锅炉汽包给水自动控制系统，是以汽包水位H为主控制信号，蒸汽流量D为前馈控制信号，给水流量W为反馈控制信号组成的控制系统。
三冲量控制系统采用蒸汽量进行前馈控制。当负荷（蒸汽流量）突然发生变化，蒸汽流量信号能使给水调节阀一开始就向正方向移动，即当蒸汽流量增加时，给水调节阀开大，抵消了由于“虚假水位”引起的方向误动作。如给水
流量减少，调节器立即根据给水流量减少的信号，开大给水阀，从而使给水量保持不变。另外，给水流量信号也是调节器动作后的反馈信号，能使调节器及早知道控制的效果，所以使用三冲量控制系统，能使调节器动作加快，还可以避免调解过量，减少水位波动，防止失控。系统框图为图 2.3所示。
图2.3单级三冲量控制系统框图
从系统框图可以看出，单级三冲量控制系统有两个闭合回路：一个是由给水流量W、给水变送器、调节器和调节阀组成的内回路；另一个是由汽包水位对象和内回路构成的主回路。蒸汽流量D及其蒸汽变送器未包含在这两个闭合回路之内。但它的引入可以改善控制质量，且不影响闭合回路工作的稳定性。所以三冲量控制的实质是前馈加反馈的控制系统。
单级三冲量控制系统具有如下优点：相对单冲量和双冲量控制系统，其控制品质最好，能有效地满足系统对快速性、稳定性、准确性的要求，能有效地避免“虚假水位”现象。与单冲量和双冲量相比，最大的不足是，系统成本高，系统复杂，不容易整定。
2.4.2串级三冲量控制系统
随着生产过程向着大型、连续和强化的方向发展，对操作的要求更加严格，参数间相互关系更加复杂，对控制的精度和功能提出新的要求。为此，需要在单回路的基础上，采取其它措施，组成复杂控制系统。如图所示的三冲量串级
控制系统框图中，主调节器接受水位信号作为主控信号和蒸汽流量信号去控制副调节器的给水设定值，副调节器除了接受主调节器的设定信号外，还接受给水流量信号。蒸汽流量信号作为前馈信号对给水流量进行前馈控制，当蒸汽负荷突然发生变化时，蒸汽流量信号使给水调节阀立即向正确的方向移动，即当蒸汽流量增加时，给水调节阀开大，从而抵消了由于虚假水位引起的反向作用，因此减少了水位和给水流量的波动幅度。给水流量信号作为调节阀动作后的反馈信号，能使调节器及早知道控制的效果，做出相应的调整。系统框图为图2.4所示。
图2.4串级三冲量控制系统框图
在实际应用中，由于选定的控制阀门不一样，串级三冲量作为控制系统的设计也就不一样。
3、锅炉汽包水位的动态特性的数学建模
3.1给水流量作用下的动态特性
在给水流量突然增加的瞬间，锅炉的蒸发量还未改变，给水流量大于蒸发量，但水位一开始并不立即增加，这是因为温度较低的给水进入省煤器及水循环系统的流量增加了，从原有的饱和汽水混合物中吸取了一部分热量，使水面下的汽泡容积有所减少。事实上也就是因为给水温度远低于省煤器的温度，即给水有一定的过冷度，水进入省煤器后，使一部分汽变成了水，特别是沸腾式省煤器，给水减轻了省煤器内的沸腾度，省煤器内汽泡总容积减少，因此，进入省煤器内的水首先用来填补省煤器中因汽泡破灭容积减少而降低的水位，经
过一段迟延甚至水位下降后，才能因给水不断从省煤器进入汽包而使水位上升。
在此过程中，负荷还未变化，汽包中水仍在蒸发，因此水位也有下降趋势。由
H 曲线可以清楚地看出给水被控对象内扰的特点是：给水扰动刚刚加入时，由
于给水的过冷度影响，水位H 的变化很慢，经过一段时间之后其变化速度才逐
渐增加，最后变为按一定速度直线上升，这时就是物质不平衡在起主要作用了，
如果给水量和蒸汽量不能平衡，水位就不能确定。下面简单介绍一下水位在给
水扰动下的传递函数。
根据物料不平衡和热平衡的关系，锅炉汽包水位调节对象的动态特性方程
经推导，可简化成：
??? ??+-??? ??+=+D D D D W W W W U K dt dU T U K dt dU T dt dh T dt h d T T 12221 （3.1） 式中：h 为汽包水位的高度；
W T 为给水流量项的时间常数；
D T 为蒸汽流量项的时间常数；
D K 为蒸汽流量项的放大倍数； 1T 、2T 为时间常数。
同时D U 、W U 的式子如下： MAX D D D U ?=MAX W D W U ?=
（3.2）
式中：D 为锅炉蒸汽流量；
W 为锅炉给水流量。 可见，引起汽包水位变化的扰动主要是蒸汽流量（称为外扰动）和给水流
量（称为外扰动），因此，在给水流量作用下的汽包水位调节对象的运动方程式
可表示为：
W W W W U K dt
dU T dt dh T dt h d T T +=+12221 （3.3） 两边取拉氏变换，结合工程实际忽略较小的，并考虑到汽包水位在较长一段时间里不随给水量的增加而增加。因此，可得到锅炉汽包水位在给水流量作
用下的动态数学模型如下：
()()()()S T S K S U S H S G a W W +==11 （3.4） 3.2 蒸汽流量扰动下的动态特性
负荷变化时汽包水位的动态特性具有特殊的形式：负荷增加时，蒸发量大于给水量，但水位不是下降反而迅速上升；负荷突然减小时，水位却先下降，然
后迅速上升，这就是“虚假水位”现象。虚假水位的变化情况和锅炉的特性有
关，燃料突然减小时（如锅炉灭火），“虚假水位”约在2～4分钟内即达到最低值。在外部负荷突然减小时（如汽轮机甩负荷），“虚假水位”约在20秒内即达到最低值，并且，“虚假水位”达到最低值的时间和负荷达到的最低值的时间基本相同。汽轮机甩负荷扰动下的“虚假水位”现象是相当严重的，这给组成水位自动调节系统带来了困难。为了维持水位在允许的范围内，运行中应对负荷
的一次变动量及负荷变化速度加以限制。
同理，可得到在外扰动下，汽包水位调节对象的动态特性方程为：
??
? ??+-=+D D D D U K dt dU T dt dh T dt h d T T 12221 （3.5） 对上式方程进行拉氏变换，并令()12T T T K K D D -=、D K T T 1= 得到锅炉汽包水位在蒸汽流量作用下的动态数学模型如下：
()()()TS S T K S U S H S G D D 112-+==
（3.6)
3.3 根据所给数据进行曲线拟合
3.3.1相关MATLAB 程序及结果
>> x=[0,2,4,6,8,10,12,14,16,18,20,22,24,26,28,30,32,34,36,38,40];
>>y=[270.0,270.0,267.0,264.7,262.7,261.0,259.5,258.4,257.8,257.0,256
.5,256.0,255.7,255.4,255.2,255.1,255.0,255.0,255.0,255.0,255.0]
>> figure(1);
>> subplot(2,1,1);
>> plot(x,y,'o');
>> aa=polyfit(x,y,5);
>> f_x=vpa(poly2sym(aa,'x'),4)
f_x =
5.124e-10*x^5 - 3.795e-8*x^4 - 7.444e-6*x^3 + 0.0007902*x^2 - 0.008607*x + 0.6594
>> x=0:5:85;
>> subplot(2,1,2);
>> plot(x,polyval(aa,x),'r-o');
>> axis([0 85 0 1.500])
图3.1 拟合曲线
3.3.2控制变量的确定
通过现场数据的采集和数据的分析处理，最终，可得到锅炉汽包水位在给水流量作用下的动态数学模型为：
()()()()
()S S S T S K S U S H S G a W W 25108.011+=+==
（3.7） 经过对现场数据的分析和处理，最终可得到锅炉汽包水位在蒸汽流量作用下的动态数学模型为：
()()()S
S TS S T K S U S H S G D D 08.01255112-+=-+== （3.8） 3.4串级三冲量的框图 图3.2汽包水位三冲量控制系统框图
图3.3 单级三冲量控制系统框图
给水流量
给定液位 蒸汽流量
给水流量调节器
电机 汽包 给水流
量变送
器
蒸汽流量
变送器
蒸汽管道
液位
液位变
送器 变频器 液位调
节器
从系统框图可以看出，单级三冲量控制系统有两个闭合回路：一个是由给水流量W、给水变送器、调节器和调节阀组成的内回路；另一个是由汽包水位对象和内回路构成的主回路。蒸汽流量D及其蒸汽变送器未包含在这两个闭合回路之内。但它的引入可以改善控制质量，且不影响闭合回路工作的稳定性。所以三冲量控制的实质是前馈加反馈的控制系统。
单级三冲量控制系统具有如下优点：相对单冲量和双冲量控制系统，其控制品质最好，能有效地满足系统对快速性、稳定性、准确性的要求，能有效地避免“虚假水位”现象。与单冲量和双冲量相比，最大的不足是，系统成本高，系统复杂，不容易整定。
4、硬件选择
4.1流量传感器选择
根据控制方案可以知道流量传感器用于测量给水流量和蒸汽流量，这两个信号可以有效地改善控制质量，因此合理的选择流量传感器能够有效的改善整个系统的控制质量。知道所要控制的是35t/h锅炉的汽包水位，即该锅炉正常工作时每小时蒸发35t蒸汽也就是有35t水被蒸发成为蒸汽，水位稳定时供水量为：35 m3/h 。上海正博自动化仪表有限公司生产的LUGB-99型涡街流量计是一种基于卡门涡街原理流体振动式新型流量计，它具有测量范围广、压损小、性能稳定、准确度高和安装、使用方便等优点，广泛应用于封闭工业管道中液体、汽体和蒸汽介质体积和质量流量的测量。
4.2水位传感器选择
由于该设计的目的是控制水位稳定，而整个控制系统的基础是对水位的准确测量，因此水位能否准确测量直接关系到控制质量的优劣。合理的选择水位传感器在水位控制系统的设计中有关键作用。知道汽包水位应该控制在300±10 mm，根据过程控制仪表量程选择原则：仪表量程应该为被测量参数的4/3～3/2倍。因此所选传感器的最大量程为:400～450 mm。而且汽包水位应该控制在300±10 mm，因此所选水位传感器的精度应该高于10/450=2.2%FS，因此选择该测量精度才可以满足要求。
4.3电机的选择
电机是锅炉汽包供水的动力设备，电机的准确选型关系到汽包能否准确供水进而影响到汽包水位的稳定。控制的锅炉蒸发量为：35t/h，汽包压力0.5MP，
管道直径50mm 因此可以对正常工作时电机的功率作如下估算：
22
3500010/500000 3.14 2.595360010000
W kg m s P K s ????=≈? (4.1) 由计算结果可以知道选用功率为100Kw 的三相异步电动机完全可以满足工作要求，由于使用变频调速不必选用绕线型异步电动机，选用鼠笼型电机就可以满足要求。济南华力贝尔机电设备有限公司生产的YJTG 三相变频调速电机专门为变频调速设计可以根据技术要求设定其额定电压为380V,额定功率为100kw 。
4.4接触器的选择
接触器是系统中用到的重要开关设备，接触器的合理选择能保证交流电动机能够准确及时的启动、停止。根据分析三相交流异步电机的最高工作电流是工作于50Hz 交流电压下，其工作电流为： 1523380A v
≈? (4.2) 因此根据设计的要求浙江宏立电器有限公司生产的HLC-3X 系列空调接触器主要适用于50Hz 或60Hz 、在AC-7b 使用类别额定工作电压为230V 或480V 时额定电流至40A 电路中，适用于起动和控制三相交流电动机(压缩机)及其它三相负载，选择五套该类型接触器同时带动一台电机可以满足设计要求。
4.5阀的开闭选择形式
关于给水调节阀的气开气关的选择，一般都是从安全角度考虑的，人员安全、生产安全、系统设备安全的需要为首要依据。由于工业生产过程的调节阀绝大部分为气动调节阀，所以要选择调节阀的气开气关方式。
锅炉给水调节阀一般采用气关式，一旦事故发生，系统失控，供水调节阀处于全开位置，是锅炉不致因给水中断烧坏，避免爆炸等事故的发生。
5、PID 参数的整定和SIMULINK 仿真
5.1串级三冲量仿真电路图的搭建
图5.1 串级三冲量仿真电路图5.2串级三冲量PID参数的整定
图5.2 主控制器PID
图5.3 副控制器PID
无差控制，在运行300和450处加蒸汽扰动，抗干扰能力好
图5.4 控制图像
超调量：响应的最大偏离量
)
(
p
t
h
与终值)
(∞
h的差与终值)
(∞
h比的百分数，
即
从图5.4估读：
延迟时间：响应曲线第一次到达其终值一半所需的时间d t =2.5s
上升时间：响应从终值10%上升到终值90%所需的时间r t =5s 峰值时间：响应超过其终值到达第一个峰值所需的时间p t =15s 调节时间：响应到达并保持在终值%5 内所需的时间s t =25s
5.3仿真分析
主回路是用于校正水位偏差的，副回路的作用则是快速消除内扰，前馈通路用于补偿外扰，克服虚假水位现象。在串级三冲量给水控制系统中给水流量扰动是内扰，串级三冲量给水控制系统中主调节器的任务是校正水位，这比单级三冲量给水控制系统的工作更为合理。
前馈控制是将扰动信号经前馈控制器处理后用以消除扰动对被调量的影响，它是按扰动进行的补偿控制，所以前馈控制又叫作“扰动补偿”。由自动控制原理知道，扰动补偿属于开环控制。前馈控制对系统的稳定性无影响，只要原系统是稳定的，施以前馈控制后，系统仍然稳定。
前馈控制只能对于可以测量的扰动作用进行扰动补偿。前馈控制器的结构、参数取决于被控制对象与扰动通道的特性。
从仿真效果可知，串级三冲量给水控制系统对各种典型影响因素的干扰均能做出快速反应，具有较高的调节质量和调节精度，能够维持汽包水位的稳定，保障机组的安全稳定运行
总 结
锅炉汽包水位控制的任务是控制给水流量使其与蒸发量保持动态平衡，从而维持汽包水位在工艺允许的范围内，是保证锅炉安全生产运行的必要条件。汽包水位控制系统是控制理论和过程控制技术在实际生产过程中的一个典型应用案例，当前生产现场所应用的控制方法也多是本文所论述的三冲量控制方案。大量的实践证明三冲量控制方案在锅炉汽包水位控制系统中是切实可行的，并且取得了理想的控制效果，满足了控制要求，对于企业提高生产效率、节约资源起到了明显的作用。
通过这次过程控制课程设计，我们感触颇深，不仅对书上学习的知识
进行了复习与巩固，而且还培养了我独立思考与解决问题的能力。通过将近一周的努力，我终于在规定的时间内完成了任务。是我更加深刻地理解了锅炉液位的三冲量控制，而且将我在众多专业课程上所学到的知识相结合，更进一步提高了
我们综合运用知识的能力。通过课程设计将所学到的专业知识联系在一起，我们明白了理论知识的重要性和应用范围的宽广，加深了对专业、对工程设计的理解。让我更加明白了在生产实际中，不能对书面的知识生搬硬套，要具体问题具体分析，才能正确快速的解决问题。另外，还让我懂得了在设计制造的道路上，需要不断地探索与创造，坚持不懈，持之以恒。这次的设计经历让我受益匪浅。
参考文献
1．王再英等，过程控制系统与仪表，机械工业出版社,2006
2．潘新民,王燕芳.微型计算机控制技术，高等教育出版社,2001
3．王锦标，计算机控制系统，清华大学出版社,2008
4. 牛培峰等，过程控制系统，电子工业出版社，2011
浙江省火电厂锅炉汽包水位测量问题分析及改进 孙长生1，蒋健1，刘卫国2，丁俊宏1，王蕙1 （1.浙江省电力试验研究院，杭州市，310014；2.国华浙能发电有限公司，浙江省宁波 市，315612） 摘要：汽包水位是表征锅炉安全运行的重要参数。由于配置、安装、运行及维护不当等因素，导致汽包水位测量系统存在测量值与实际值不符的情况，影响机组安全、经济、稳定运行。本文对浙江省火电厂汽包水位测量、水位保护投入状况进行现场调查，总结存在的问题，分析问题产生的原因，探讨并提出消除或减少这些问题的技术改进措施，供同行参考。 关键词：汽包水位测量；偏差分析；技术措施；锅炉；水位保护；水位计 doi：10.3969/j.issn.1000-7229.2010.10.000 Analysis of Running Status and Research of T echnical Proposal to the Drum Water Level Measurement Systems of Zhejiang Fired Power Plant SUN Chang-sheng1，JIANG Jian1，LIU Wei-guo2，WANG Huo （1．Zhejiang Provincial Electric Power Test and Research Institute，Hangzhou 310014，China；2．Zhejiang Guohua Zheneng Power Generation Co. Ltd.，Ningbo 315612，Zhejiang Province， China） ABSTRACT：Because of many reasons during installment, operation and maintenance, the drum water level measurement systems often have been found the difference between the observed value and the actual value, that seriously affectes unit's stable operation.This article has investigated many power plants in the Zhejiang Province closely, surveyed the situation of the drum water level measurement and the water level protection conditions of Zhejiang fired power plant, and has gived useful suggestion.of the reference water column. KEYWORDS：drum water level measurement；warp analysis；technical proposal；boiler；water level protection；water level meter 0 引言 汽包水位是表征锅炉安全运行的重要参数，其测量的准确性与其偏差问题（以下简称“水位测量问题”）的解决，是一直困扰火电机组热工测量与安全、经济运行的难题。针对水位测量问题，在浙江省内火电厂进行了专题调查，就存在的水位测量问题进行了深入的专题探讨，提出了提高汽包水位测量系统运行可靠性的改进意见，供同行参考。 1 存在的主要问题 1.1 模拟量测量信号系统存在的问题 目前浙江省蒸发量为400 t/h及以上的汽包炉共有57台，这些锅炉运行中模拟量测量信号系统存在的主要问题包括以下几方面： （1）测量显示偏差。不同测量变送器显示的示值不一致，两侧显示偏差高的超过100 mm，即使是同侧偏差，有时也高达几十mm，且随着机组负荷的变化而不同，难以找出其变化规律。 （2）逻辑故障判断功能不完善。一些机组不具备《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》（请核实是否修改正确）中的汽包水位信号故障后的逻辑判断自动转换功能、水位和补偿用的汽包压力信号坏信号判别功能。 （3）共用测量孔。由于汽包上给出的取样孔不足，因此存在共用取样孔和平衡容器情况，未能做到全程独立。
锅炉汽包水位补偿公式： 1、汽包水位补偿 水位补偿公式：H=[ L*(ρ1-ρ3)*g-ΔP ] / (ρ2-ρ3)g 然后用H减去水位零点相对平衡容器下取样点的距离,得到的值就是修正后的汽包水位。 L为平衡容器两个取样管间高度（m） ρ1为凝结水密度（kg/m3） ρ2为饱和水密度（kg/m3） ρ3为饱和蒸汽密度（kg/m3） ΔP为变送器差压（Pa） H为水位高度（m） h0为汽包水位零点至下取样管高度（m），H为补偿后水位（m）。 补偿后水位：h=[ L*(ρ1-ρ3)*g-ΔP ] / (ρ2-ρ3)g -h0. 再把单位从米转为毫米。 如果L、h0、h单位为毫米，ΔP单位为mmH2O, ρ1、ρ2、ρ2单位为kg/m3。则公式为h=[ L*(ρ1-ρ3)-ΔP*1000 ] / (ρ2-ρ3) -h0 汽包水位测量分析及补偿 [摘要]汽包水位的准确测量值是电厂重要的测量参数之一，其测量方式很多，目前常用的是静压式测量方法中的连通式液位计和压差式液位计。但当液位计与被测汽包中的液体温度有差异时，显示的液位不同于汽包中的液位，而且其误差还会随汽包压力的改变而改变。襄樊电厂300MW机组，应用汽包水位模拟量信号采用差压变送器测量，并进行汽包压力补偿的测量方法，结果表明，汽包水位运行正常，测量准确，满足运行要求。 [关键词]汽包水位测量差压变送器压力补偿 1 准确测量汽包水位的重要性 大型机组都设计全程给水控制系统，在机组启动到满负荷或停机减负荷及负荷波动中，汽包压力在不断地变化，汽包内的蒸汽和水的密度也随之变化，从而影响汽包水位测量的准确性和全程给水控制系统的投运，危及机组的安全。因为汽包水位过高可能造成蒸汽带水，使蒸汽品质恶化，轻则加重管道和汽轮机积垢，降低出力和效率，重则使汽轮机发生事故；汽包水位过低，则对水循环不利，可能导致水冷壁局部过热甚至爆管。因此汽包水位的准确测量值是电厂最重要的测量参数之一。 2 汽包水位的测量方式及存在问题 汽包水位测量方式很多，一般可分为：(1)静压式；(2)浮力式；(3)电气式；(4)超声波式；(5)核辐射式。目前电厂中最常用的是静压式测量方法中的连通式液位计和压差式液位计。连通式液位计包括云母水位计和电接点水位计，这类液位计直观，便于读数，但它们共同的缺点是：当液位计与被测汽包中的液温有差别时，其显示的液位不同于汽包中的液位，而且此误差还会随汽包压力的改变而改变。为了减小因温度差异而引起的误差，
摘要 汽包水位是影响锅炉安全运行的一个重要参数，汽包水位过高或者过低的后果都非常严重，因此对汽包水位必须进行严格控制。PLC技术的快速发展使得PLC 广泛应用于过程控制领域并极提高了控制系统性能，PLC已经成为当今自动控制领域不可缺少的重要设备。 本文从分析影响汽包水位的各种因素出发，重点分析了锅炉汽包水位的“假水位现象”，提出了锅炉汽包水位控制系统的三冲量控制方案。按照工程整定的方法进行了PID参数整定，并进行了仿真研究。根据控制要求和所设计的控制方案进行硬件选型以及系统的硬件设计，利用PLC编程实现控制算法进行系统的软件设计，最终完成PLC在锅炉汽包水位控制系统中应用。 关键词：汽包水位、三冲量控制、PLC、PID控制
ABSTRACT The steam drum water level is a very important parameter for the boiler safe operation, both high and low steam drum water level may lead to extremely serious consequence; therefore it must be strictly to be controlled. With the rapid development of PLC technology, it can widely be applied to the process control domain and enhances the performance of control system enormously. PLC has already become the essential important equipment in automatic control domain. Based on the analysis of all kinds of factors which influence steam drum water level, “unreal water level phenomenon”is analyzed specially, and three impulses control plan for steam drum water level control system is proposed. PID parameters are regulated by engineering regulation method, and simulation study is done. According to the needs of control, the selection of control requirements hardware and system hardware design as well as system software design are carried out. Finally the application of PLC in boiler steam drum water control system is completed. Key words:Steam drum water level、Three impulses control、PLC、PID control
锅炉汽包水位计标定的方法 一、锅炉水位测量原理： 差压式水位计的水位------差压转换原理如图一所示： 图一、差压转换原理 我们在不考虑温度变化而造成水的密度的变化和汽包压力的变化导致水密度的变化等情况，及不考虑补偿的情况下，公式（2）可以简化为： g H L g H g L P P P 水水水ρρρ)(-=-=-=?-+ (3) 式中：L 为平衡容器中参比水柱的高度；H 为汽包实际水位高度；水ρ水的密度， g 为重力加速度；（由式中可知：L 、水ρ、g 是固定的常数，只有H 是瞬时值， 在变化中）。 从公式和图一我们知道（当找零位和满位时，要关闭与汽包的链接的两个阀门）： （1）、当H=L 时，△P=0时；证明锅炉汽包处于满水状态，此时变送器输出为20mA;（可以这样理解，当冷凝罐和水侧引压管灌满水后，打开变送器中间阀时，H=L,L=L,P_=P + ,则说明汽包水位处于满水状态）
时；证明锅炉汽包处于缺水状态，此时变送（2）、当H=0时，△P=g L 水 器输出为4mA。（可以这样理解，当冷凝罐和水侧引压管灌满水后，关闭变送器中间阀时，H=0,L=L,则说明汽包水位处于缺水状态） 注：从满位和零位标定看，变化的只有H，且H的变化范围为0～L；L是一直处于满水状态，没有变化。 二、广西四合工贸锅炉水位计结构和变送器安装形式： 图二、锅炉水位计内部结构和变送器安装图 其中：A、B为水位计一次阀；C、D为入变送器的控制阀；E、F为引压管排污阀；P1、P2、P3为压差变送器自带阀门，P1为变送器正端入口切断阀；P2为变送器负端入口切断阀；P3为变送器正负端连通阀。 三、锅炉水位计标定步骤： 1、A、B两个一次阀首先关闭，切断与汽包之间的联系；然后关闭E、F、P3阀，打开C、D、P1、P2阀，准备好灌水工作； 2、把排气孔堵头打开，往单室平衡器内灌水，直到水从排气孔溢流；
西安建筑科技大学课程设计（论文）任务书 专业班级： 自动化1002 学生姓名： 马千云 指导教师（签名）： 一、课程设计（论文）题目 锅炉汽包液位控制 二、本次课程设计（论文）应达到的目的 本次课程设计是自动化专业学生在学习了《计算机控制技术与系统》和《过程控 制及仪表》两门专业必修课程及《单片机原理与应用》、《可编程控制器》等相关专业 选修课程之后进行的一次全面的综合训练，其主要目的是加深学生对计算机控制技术 相关理论和知识的理解，进一步熟悉计算机控制系统工程设计的基本理论、方法和技 能；掌握工程应用的基本内容和要求，整合各专业课程的理论知识和方法，做到理论 联系实际；培养学生分析问题、解决问题的能力和独立完成系统设计的能力，并按要 求编写相关的设计说明书、技术文档和总结报告等。 三、本次课程设计（论文）任务的主要内容和要求（包括原始数据、技术 参数、设计要求等） 锅炉汽包液位的阶跃响应曲线数据如下表所示，控制量阶跃变化5u ?=。试根据 实验数据设计一个超调量 25%p δ≤的无差控制系统。 具体要求如下： （1） 根据实验数据选择一定的辨识方法建立对象的数学模型； （2） 根据辨识结果设计符合要求的控制系统（控制系统原理图、控制规律选择等）； （3） 根据设计方案选择相应的控制仪表；
对设计的控制系统进行仿真，整定运行参数。 （4）撰写课程设计报告一份，要求字数3000～5000字。 四、应收集的资料及主要参考文献： 1．王再英等.过程控制系统与仪表.机械工业出版社,2006 2．潘新民,王燕芳.微型计算机控制技术.高等教育出版社,2001 3．王锦标.计算机控制系统.清华大学出版社,2008 五、审核批准意见 教研室主任（签字） 摘要 锅炉是典型的复杂热工系统，目前，中国各种类型的锅炉有几十万台，由于设备分散、管理不善或技术原因，使多数锅炉难以处于良好工况，增加了锅炉的燃料消耗，降低了效率。锅炉的建模与控制问题一直是人们关注的焦点，而汽包水位是工锅炉安全、稳定运行的重要指标，保证水位控制在给定范围内，对于高蒸汽品质、减少设备损耗和运行损耗、确保整个网络安全运行具有要意义。 锅炉汽包水位高度，是确保安全生产和提供优质蒸汽的重要参数，对现代工业生产来说尤其是这样。因为现代锅炉的特点之一就是蒸发量显著提高，汽包容积相对变小，水位变化速度很快，稍不注意就容易造成汽包满水或者烧成干锅。在现代锅炉操作中，即使是缺水事故，也是非常危险的，这是因为水位过低，就会影响自然循环的正常进行，严重时会使个别上水管形成自由水面，产生流动停滞，致使金属管壁局部过热而爆管。无论满水或缺水都会造成事故，因此，必须严格
1.3.3.锅炉汽包双色水位计 1.3.3.1.概述 我公司所使用双色水位计为铁岭高科自动化仪器仪表有限公司生产。双色水位计是用在锅炉汽包上或其他压力容器上的用来监视水位变化的一次仪表。运行人员在现场或控制室的监视器上可以直观的看到水位计里面水位的变化。 1.3.3. 2.结构及工作原理 双色水位计由表体、光源、阀门三大部分组成。它的工作原理是由光源发出的红光绿光，射向水位计本体液腔。在腔内气象部分，红光射向正前方，而绿光斜射到壁上被吸收。而腔体内液相部分，由于水的折射使绿光射向正前方，而红光射到壁上，因此在正前方观察显示汽红水绿。 1.3.3.3.使用方法 1.3.3.3.1.加热水位计 第一步，把各阀门按顺时针方向旋转，全关闭。 第二部，把排污阀按反时针方向转一周，微开。 第三部，把汽阀转1/4周，微开，使蒸汽进入水位计腔体，从排污阀排出。水位计温度逐渐升高，在周围空气温度为20℃时约两分钟以后，将达到所需温度。 1.3.3.3. 2.向水位计导入热水、蒸汽，并确定水位 在导入水蒸气之前，操作者一定站在水位计的侧面，不可站在前面工作。 第一步，关闭排污阀。 第二步，把水阀缓慢开1/4周，向水位计内徐徐导入热水。 注意：水阀切不可开得太大，否则安全球将动作，堵死管路无法工作。
第三步，把汽阀转1/4周，向水位计内徐徐导入蒸汽，若此之前安全球阀已动作，则由于水位计内蒸汽升高，安全球会自动脱落，再开水阀即可放入热水。 第四步，把汽阀及水阀完全打开。 第五步，认真观察水位，热水开始进入水位计，使水位逐渐升高，直到水位基本不变为止。但水位应有微小波动，表示水，汽管路畅通。如有看到水部分的窗口变暗甚至全黑，也不必惊慌。这是因为水中带有大量铁锈及其它脏物所致。这可用水位计维护中的排污方法解决。 第六步，如果通过以上操作，而水位计中没有导入水或汽、可关闭水阀、汽阀，开排污阀，并重复（第一步至第五步）操作一次。再有问题应检查水汽管路阀门或焊接管焊接口是否堵塞。 第七步，水汽界面最好处在观察窗内，如果处于盲区，虽不影响判断水汽大概位置，但看不到水面波动，应微调水位高度。尽量让水位露出来。 第八步，一切正常后，把水阀、汽阀各自回旋（逆时针）1/4周，这样可以防止在长期连续使用后，阀杆与后座烧结在一起。 第九步，检查玻璃、云母没有裂纹，压盖及阀不出现泄露为正常。 1.3.3.3.3.调试光学系统 冷光源 红、绿光源的发光强度可单独调整，出厂前已调整到最佳效果，安装时无需调整。光源的其它部分无需调整。 热光源 第一步，左、右调整镜架，使在水位计正前方观看，汽红、水绿，界面清晰。 第二步，调整灯管及反光碗，使在前方观看亮度最亮为止。 第三步，重复第一步调整达到最佳位置。 第四步，如果五窗及七窗水位计，要调整到在水位计正前方同时观看两排窗口，均应达到汽红、水绿、界面清晰，到此为止，水位计进入正常运行状态。 注意：水位计不得参与煮炉和酸洗。 1.3.4.电接点水位计 1.3.4.1概述 我厂所使用电接点水位计应用在锅炉汽包液位计，生产厂家为铁岭高科自动化仪表有限公司.UDZ系列电接点水位计主要用于锅炉汽包、高低加热器、除氧器、蒸发器、水箱等的水位测量。本装置由测量筒、电极、二次仪表三部分组成。
过程控制系统实验报告 专业****** 班级****** 学生姓名****** 学号******
锅炉汽包水位控制系统设计 一、控制要求 设计一个汽包水位控制系统，使汽包水位维持在120cm，稳态误差± 0.4cm，满足生产要求。G(s)=1/(s^3+10s^2+29s+20), σ%<20%,Ts<10s,Ess=0. 二、完成的主要任务 1.掌控锅炉生产蒸汽工及其工作流程 2.对被控对象进行特性分析，画出汽包水位控制系统方框图和流程图 3.选择被控参数和被控变量，说明其选择依据
4.设计控制系统方案，如何选择检测仪表，说明其选择原则和仪表性能指标 5.说明单回路控制系统4个环节的工作形式对控制过程 6.对控制进行PID控制说明其参数整定理论 7.对锅炉汽包水位进行simulink仿真，对参数进行整定，其仿真图要满足动 态性能指标 8.总结实验课程设计的经验和收获
目录 第一章锅炉汽包水位控制系统的组成原理 1了解锅炉生产蒸汽工艺及其工作流程-------------------------------------------3 1.1锅炉汽包水位自动控制的意义--------------------------------------------------3 1.2了解锅炉生产蒸汽工艺及其工作流程-----------------------------------------3 第二章锅炉汽包水位控制系统方案的设计 2.1液位控制系统的方框图------------------------------------------------------------5 2.2液位控制系统的方案图------------------------------------------------------------5 2.3检测变送器的选择------------------------------------------------------------------6 2.4调节阀的选择------------------------------------------------------------------------6 2.5仪器性能指标的计算---------------------------------------------------------------6 2.6调节器的选择------------------------------------------------------------------------8 2.7调节器作用方向的选择------------------------------------------------------------8 第三章PID控制 3.1控制规律的比较--------------------------------------------------------------------9 3.2 PID参数的整定--------------------------------------------------------------------10 第四章仿真 4.1 simulink 仿真 ---------------------------------------------------------------------11 4.2 系统参数整定--------------------------------------------------------------------13
锅炉汽包水位控制系统的设计
过程控制系统实验报告 专业 xxxxxx 班级 xxxxxxxxx 学生姓名 xxxxxx 学号 xxxxxxxx 锅炉汽包水位控制系统设计
一、控制要求 设计一个汽包水位控制系统，使汽包水位维持在90CM，稳态误差±0,5CM，以满足生产要求。 二、完成的主要任务 1.掌控锅炉生产蒸汽工及其工作流程 2.对被控对象进行特性分析，画出汽包水位控制系统方框图和流程图 3.选择被控参数和被控变量，说明其选择依据 4.设计控制系统方案，如何选择检测仪表，说明其选择原则和仪表性 能指标 5.说明单回路控制系统4个环节的工作形式对控制过程 6.对控制进行PID控制说明其参数整定理论 7.对锅炉汽包水位进行simulink仿真，对参数进行整定，其仿真图要 满足动态性能指标 8.总结实验课程设计的经验和收获
过程控制系统实验报告................................................ 错误!未定义书签。第一章锅炉汽包水位控制系统的组成原理 ........ 错误!未定义书签。 1.1 概述.............................................................. 错误!未定义书签。 1.2 锅炉生产蒸汽工艺简述 ............................... 错误!未定义书签。 1.3 锅炉生产蒸汽工作流程 ............................... 错误!未定义书签。第二章锅炉汽包水位控制系统的方案设计 ................. 错误!未定义书签。 2.1 对被控对象进行特性分析 ................................ 错误!未定义书签。 2.2汽包水位控制系统方框图和流程图................. 错误!未定义书签。 2.2.1 液位控制系统的方框图.......................... 错误!未定义书签。 2.2.2 液位控制系统的方案图.......................... 错误!未定义书签。 2.3选择被控参数和被控变量................................ 错误!未定义书签。 2.4选择检测仪表，说明其选择原则和仪表性能指标错误!未定义书 签。 2.4.1传感器、变送器选择 .............................. 错误!未定义书签。 2.4.2执行器的选择.......................................... 错误!未定义书签。
19.2就地水位计的操作 19.2.1锅炉冷态时水位计的投入： 19.2.1.1确认水位计检修工作结束，设备完整，照明良好，符合投入要求； 19.2.1.2开启水位计汽、水侧一、二次门，关闭放水一、二、三次门； 19.2.1.3水位计随锅炉同时升压，汽包压力升到0.1MPa时，应冲洗汽包就地水位计，当汽包压力达0.5 MPa时，应通知检修和热工人员分别进行热紧螺丝和仪表疏放水； 19.2.2锅炉热态时水位计的投入： 19.2.2.1确认水位计检修工作结束，设备完整、照明良好，符合投入要求； 19.2.2.2确认水位计汽、水侧一、二次隔离门关闭，放水一、二、三次门开启； 19.2.2.3开汽、水侧一次门； 19.2.2.4微开汽侧二次门，暖管约30分钟，暖管合格后关闭汽侧二次门； 19.2.2.5如果水位计某些窗口进行过检修，应在暖管结束关闭汽门后，进行螺丝热紧工作。热紧工作结束后，再微开汽侧二次门，继续暖管5分钟以上，暖管合格后关闭汽侧二次门； 19.2.2.6关闭放水一次门； 19.2.2.7将汽、水侧二次门交替微开1/4圈（防止保护钢球堵死水位计表体进汽、进水口，如果因错误操作引起保护钢球堵死水位计进汽、
进水口会出现汽包水位指示不准现象，操作人员应将汽、水隔离二次门关闭，利用阀瓣前顶针顶开保护钢球，再交替缓慢开启阀门），直至全开（正常运行要全开汽、水二次门，否则保护钢球起不到保护作用）； 19.2.2.8检查水位计正常后，关闭放水二、三次门。 19.2.3水位计的冲洗： 19.2.3.1汽、水侧二次门关闭4/5（阀门开度过大保护钢球容易堵死水位计表体进汽、进水口）； 19.2.3.2打开放水一、三、四次门（#1、#3、#4炉无三、四次门），微开放水二次门，暖管5分钟； 19.2.3.3关闭水侧二次门，全开放水二次门，进行水位计冲洗；19.2.3.4关闭汽侧二次门，水侧二次门开启1/5（阀门开度过大保护钢球容易堵死水位计表体进汽、进水口），进行水位计冲洗； 19.2.3.5冲洗合格后，关闭汽、水侧二门； 19.2.3.6关闭放水门； 19.2.3.7按水位计热态投入水位计； 19.2.4水位计解列： 19.2.4.1运行中如发生水位计爆破、泄漏，应将水位计隔离； 19.2.4.2关闭汽侧一、二次门（水位计隔离二次门是只保护阀，运行中如发生水位计爆破、泄漏时保护阀内的钢球瞬间利用介质流动的力量将水位计表体进汽、进水口堵死，防止泄漏点大量介质泄漏起到保护操作人员安全作用，如果先操作隔离二次门会造成阀瓣前顶将阀体
/ 过程控制系统实验报告（ 专业 xxxxxx 班级 xxxxxxxxx 学生姓名 xxxxxx < 学号 xxxxxxxx
锅炉汽包水位控制系统设计 < 一、控制要求 设计一个汽包水位控制系统，使汽包水位维持在90CM，稳态误差±0,5CM，以满足生产要求。 二、完成的主要任务 1.掌控锅炉生产蒸汽工及其工作流程 2.对被控对象进行特性分析，画出汽包水位控制系统方框图和流程图 3.选择被控参数和被控变量，说明其选择依据 4.】 5.设计控制系统方案，如何选择检测仪表，说明其选择原则和仪表性能指标 6.说明单回路控制系统4个环节的工作形式对控制过程 7.对控制进行PID控制说明其参数整定理论 8.对锅炉汽包水位进行simulink仿真，对参数进行整定，其仿真图要满足动态性能 指标 9.总结实验课程设计的经验和收获 (
* 过程控制系统实验报告............................... - 0 -第一章锅炉汽包水位控制系统的组成原理............ - 3 -概述............................................ - 3 -！ 锅炉生产蒸汽工艺简述 ............................ - 3 - 锅炉生产蒸汽工作流程 ............................ - 4 - ............... - 5 -对被控对象进行特性分析 ............................... - 5 -汽包水位控制系统方框图和流程图......................... - 5 -液位控制系统的方框图.................................. - 5 - 液位控制系统的方案图.................................. - 6 -选择被控参数和被控变量 ................................ - 6 -; 选择检测仪表，说明其选择原则和仪表性能指标............. - 7 -传感器、变送器选择........................................... - 7 -执行器的选择................................................. - 8 -关于给水调节阀的气开气关的选择。............................. - 8 - 关于给水调节阀型号的选择。.................................. - 8 -
1.汽包水位的动态特性描述 (1) 1.1.汽包在给水流量作用下的动态特性 (1) 1.2.汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性 (2) 2.汽包水位控制方案的选择及其原理 (4) 2.1.三冲量控制原理及各部分的作用 (4) 2.1.1.控制原理 (4) 2.1.2.各部分的作用 (5) 3.前馈-串级控制系统的特点和调节器作用方式判断 (7) 3.1.控制系统的特点 (7) 3.1.1.前馈控制系统的特点 (7) 3.1.2.串级控制系统特点 (7) 3.2.调节器作用方式判断 (7) 3.2.1.判断副调节器的作用方式 (7) 3.2.2.判断主调节的作用方式 (7) 4.控制仪表及技术参数 (8) 4.1.控制仪表的选定 (8) 4.2.各元器件的型号及参数 (8) 5.总结与体会 (10) 参考文献 (11)
在锅炉运行中，水位是一个很重要的参数。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。 锅炉汽包水位是一种非线性、时变大、强耦合的多变量系统，讨论了目前通常采用的控制方法,分析了水位对象模型的动静特性。首先从锅炉汽包内水的热平衡、物质平衡原理出发,推导出了用来描述锅炉水位对象的通用机理控制模型,通过对几种控制方案的分析、研究与比较,选三冲量系统作为最佳控制方案,并着力研究三冲量系统的特点。 关键词：锅炉汽包水位控制三冲量控制系统
锅炉液位计选型及使用 锅炉液位计选型及使用 一、概述 锅炉是工业领域广泛应用的设备，尤其是炼油行业，每个大型炼油厂都有十几台中压锅炉。锅炉是高温高力容器，属于比较危险的设备，一旦高温高力蒸汽泄漏容易造成人员伤害。锅炉汽包上所使用的液位计是锅炉的一个关键设备，汽包内的液位就靠它来观测，有人称它为锅炉的“眼睛”，如果“眼睛”有问题，锅炉设备及供汽系统就处于危险状态，所以如何选好用好锅炉汽包液位计就成了每个锅炉主管人员的首要问题之一。目前在锅炉汽包上最常用的液位计（水位计）主要有三种：石英管式液位计、磁翻转液位计和高压玻璃板式液位计。在高压锅炉汽包上主要使用高压玻璃板式液位计，其中包括高压双色玻璃板式液位计和牛眼式双色液位计，而高压磁翻转液位计在国内外都也有使用，但所占的比例较小。在中压锅炉汽包上主要使用石英管式液位计和磁翻转液位计，高压玻璃板式液位计因价格昂贵、泄漏点 多、维修困难已逐步退出中压锅炉领域。 二、现场液位计类型选择本文主要探讨中压锅炉汽包液位计的选型和使用问题，从《蒸汽锅炉安全技术监察规程》的要求来看，每台锅炉至少应MTUHZ-53型 4～20mA安装两个彼此独立的水位表，所以每台锅炉最少选择安装两台液位计，才能符合锅炉的安全操作要求。石英管式液位计与通过玻璃观察液位变化的玻璃板式液位计原理一样，是通过石英管来直接观察液位计内的液位变化，这两种都属于直接观察类的液位计，只要汽液连接管道和阀门畅通，从液位计上就可以直接看到汽包内的水位高度，而磁翻转液位计是通过液位计内的浮子和表盘显示磁柱（形状有柱、球或片之分）之间的磁性耦合来实现液位测量的，属于间接观察类的液位计。由于磁翻转液位计具有耐高温高压，全金属结构，寿命长、密封性好、不易泄漏等特点，尽管是间接观察液位，仍然获得广泛应用。《蒸汽锅炉安全技术监察规程》上没有对锅炉汽包使用什么样的现场液位计做出规定，但各地锅炉检验部门基本规定每台锅炉汽包至少使用一台能直接观察液位的液位计，也就是至少使用一台石英管式液位计或玻璃板式液位计，作为主观察液位计。另外一台液位计根据用户自己的使用习惯选择，一般用户为了减少维修量，选择磁翻转液位计作为辅助观察液位计。 三、石英管式液位计选型 国内生产液位计的大小厂家有几百家之多，加工门槛较低，有些厂家甚至只有几个业务员，低价买来不合格的液位计配件，稍加组装就出厂。工厂既没有技术人员，也没有检验设备，这些厂家加工出来的液位计产品价格低、质量低劣，服务没有保证，造成市场上液位计泛滥。在众多液位计厂家中，能生产出符合锅炉汽包上用的石英管式液位计并不多。锅炉汽包有很强的特性，除了压力高温度高以外，汽包内的蒸汽对液位计的石英管有很强的汽蚀作用。不解决好汽蚀问题，普通液位计在汽包上使用3～4个月就会出现泄漏，甚至石英管爆裂。遗
天津城建大学 课程设计任务书 2013 -2014学年第2学期 控制与机械工程学院电气工程及其自动化专业班级电气12班姓名：学号： 课程设计名称：过程控制 设计题目：锅炉汽包液位控制 完成期限：自 2014 年 6 月 20 日至 2014 年 6 月 26 日共 1 周 设计依据、要求及主要内容： 一、设计任务 加热炉出口温度控制系统，测取温度对象的过程为：当系统稳定时，在温度调节阀上做 t/min 0 2 4 6 8 10 12 θ270.0 270.0 267.0 264.7 262.7 261.0 259.5 /o C t/min 14 16 18 20 22 24 26 θ258.4 257.8 257.0 256.5 256.0 255.7 255.4 /o C t/min 28 30 32 34 36 38 40 θ255.2 255.1 255.0 255.0 255.0 255.0 255.0 /o C δ≤的无差控制系统。具体要求如下： 试根据实验数据设计一个超调量25% p （1）根据实验数据选择一定的辨识方法建立对象的数学模型； （2）根据辨识结果设计符合要求的控制系统（控制系统原理图、控制规律选择等）；（3）根据设计方案选择相应的控制仪表； （4）对设计的控制系统进行仿真，整定运行参数。 二、设计要求 采用MATLAB仿真；需要做出以下结果： （1）超调量 （2）峰值时间 （3）过渡过程时间 （4）余差 （5）第一个波峰值 （6）第二个波峰值 （7）衰减比 （8）衰减率 （9）振荡频率 （10）全部P、I、D的参数 （11）PID的模型
（12）设计思路 三、设计报告 课程设计报告要做到层次清晰，论述清楚，图表正确，书写工整；详见“课程设计报告写作要求”。 四、参考资料 [1] 何衍庆．工业生产过程控制（1版）．北京：化学工业出版社，2004 [2]邵裕森．过程控制工程．北京：机械工业出版社2000 [3]过程控制教材 指导教师（签字）： 教研室主任（签字）： 批准日期：年月日 摘要 锅炉是典型的复杂热工系统，目前，中国各种类型的锅炉有几十万台，由于设备分散、管理不善或技术原因，使多数锅炉难以处于良好工况，增加了锅炉的燃料消耗，降低了效率。锅炉的建模与控制问题一直是人们关注的焦点，而汽包水位是工锅炉安全、稳定运行的重要指标，保证水位控制在给定范围内，对于高蒸汽品质、减少设备损耗和运行损耗、确保整个网络安全运行具有要意义。 锅炉汽包水位高度，是确保安全生产和提供优质蒸汽的重要参数，对现代工业生产来说尤其是这样。因为现代锅炉的特点之一就是蒸发量显著提高，汽包容积相对变小，水位变化速度很快，稍不注意就容易造成汽包满水或者烧成干锅。在现代锅炉操作中，即使是缺水事故，也是非常危险的，这是因为水位过低，就会影响自然循环的正常进行，严重时会使个别上水管形成自由水面，产生流动停滞，致使金属管壁局部过热而爆管。无论满水或缺水都会造成事故，因此，必须严格控制水位在规定范围之内。 维持汽包水位在给定范围内是保证锅护和汽轮机安全运行的必要条件，也是锅炉正常运行的主要指标之一。水位过高，会影响汽包内汽水分离效果，使汽包出口的饱和蒸汽带水增多，蒸汽带水会使汽轮机产生水冲击，引起轴封破损、叶片断裂等事故。同时会使饱和蒸汽中含盐量增高，降低过热蒸汽品质，增加在过热器管壁和汽轮机叶片上的结垢。水位过低，则可能破坏自然循环锅炉汽水循环系统中某些薄弱环节，以致局部水冷管壁被烧坏，严重时会造成爆炸事故。这些后果都是十分严重的。随着锅炉容量的增加，水位变化速度愈来愈快，人工操作愈来
以下文档格式全部为word格式，下载后您可以任意修改编辑。 摘要 汽包水位是影响锅炉安全运行的一个重要参数，汽包水位过高或者过低的后果都非常严重，因此对汽包水位必须进行严格控制。PLC技术的快速发展使得PLC广泛应用于过程控制领域并极大地提高了控制系统性能，PLC已经成为当今自动控制领域不可缺少的重要设备。 本文从分析影响汽包水位的各种因素出发，重点分析了锅炉汽包水位的“假水位现象”，提出了锅炉汽包水位控制系统的三冲量控制方案。按照工程整定的方法进行了PID参数整定，并进行了仿真研究。根据控制要求和所设计的控制方案进行硬件选型以及系统的硬件设计，利用PLC编程实现控制算法进行系统的软件设计，最终完成PLC在锅炉汽包水位控制系统中应用。 关键词：汽包水位三冲量控制PLC PID控制
ABSTRACT The steam drum water level is a very important parameter for the boiler safe operation, both widely be applied to the process control domain and enhances the performance of control system enormously. PLC automatic control domain. Based on the analysis of all kinds of factors which influence steam drum water level, “unreal water level phenomenon”is analyzed specially, and three impulses control plan for steam drum water level control system is proposed. PID parameters are regulated by engineering regulation method, and simulation study is done. According to the needs of control, the selection of control requirements as well as system software design are carried out. Finally the application of PLC in boiler steam drum water control system is completed. Key words: Steam drum water level Three impulses control PLC PID control
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西安建筑科技大学课程设计（论文）任务书
专业班级： 自动化1002 学生姓名： 马千云 指导教师（签名）：
一、课程设计（论文）题目
锅炉汽包液位控制
二、本次课程设计（论文）应达到的目的
本次课程设计是自动化专业学生在学习了《计算机控制技术与系统》和《过程控
制及仪表》两门专业必修课程及《单片机原理与应用》、《可编程控制器》等相关专业
选修课程之后进行的一次全面的综合训练，其主要目的是加深学生对计算机控制技术
相关理论和知识的理解，进一步熟悉计算机控制系统工程设计的基本理论、方法和技
能；掌握工程应用的基本内容和要求，整合各专业课程的理论知识和方法，做到理论
联系实际；培养学生分析问题、解决问题的能力和独立完成系统设计的能力，并按要
求编写相关的设计说明书、技术文档和总结报告等。
三、本次课程设计（论文）任务的主要内容和要求（包括原始数据、技术 参数、设计要求等）
锅炉汽包液位的阶跃响应曲线数据如下表所示，控制量阶跃变化 u 5。试根据
实验数据设计一个超调量 p 25% 的无差控制系统。
时间/min 被控量 时间/min 被控量 时间/min 被控量
0 0.650 30 0.881 60 1.262
5 0.651 35 0.979 65 1.311
10 0.652 40 1.075 70 1.329
15 0.668 45 1.151 75 1.338
具体要求如下：
20 0.735 50 1.213 80 1.350
25 0.817 55 1.239 85 1.351
（1） 根据实验数据选择一定的辨识方法建立对象的数学模型；
（2） 根据辨识结果设计符合要求的控制系统（控制系统原理图、控制规律选择等）；
（3） 根据设计方案选择相应的控制仪表；
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CAP-3031智能锅炉汽包液位计 描述： 锅炉汽包水位测量的重要性是人所共知的，然而长期以来锅炉汽包水位连续测量技术方面采用的平衡容器式（差压式）测量方法存在许多无法改进的缺陷，主要体现在以下几个方面： 1、不能实施全工况测量，存在“假水位”测量、在锅炉启、停、排空、连排、事故等不稳定运行工况下建立稳定差压条件时间较长、恢复时间较长或干脆不能建立正常差压，需要人工干预等问题。 2 、在稳定工况条件下，由于受结构限制，不能彻底解决因水侧绝温造成的系统测量误差的补偿问题。在锅炉缺、满水等事故工况条件下，系统测量误差过大可能带来严重后果。 3、结构复杂，静密封点多，施工规模大并存在冬季保温问题。 4、测量时滞较长，不能即时反应锅炉水位变化，测量信号调节质量差。 5、由于存在冷凝筒放热，使用成本极高。 这些缺陷都是由于差压式测量原理及其对系统取样结构的不合理造成的，无法改进。在非正常工况下给锅炉安全运行造成了极大隐患。 为彻底解决汽包水位测量存在的问题，北京科普斯特自动化仪表有限公司针对锅炉汽包水位测控工况专利设计生产出C A P - 3 0 3 1智能电容式锅炉汽包液位计。 C A P - 3 0 3 1智能电容式锅炉汽包液位计是采用先进的、具有全程测量自动补偿功能的电容检测专利技术制造而成。它解决了传统电容式液位计难以克服的测量系统温度漂移大、被测介质介电常数变化对测量的影响大、测试线性较差及需要人工进行现场标定等问题。能够对锅炉汽包水位实现安全、可靠、准确的全工况测控，对保证锅炉安全、高效、节能运行有重要意义。可广泛应用于各种规格的工业汽包、高加、低加、转化炉等压力容器的液位测控。 本产品通过C E （ C O N F O R M I T E E U R O P E E N N E ）认证、中国计量科学研究院计量认证、国家仪器仪表防爆安全监督检验站认证、中国仪器仪表协会新产品(新技术)鉴定。 CE 证号: ED/2008/90015C 防爆等级：ExiaⅡCT6/T5 防爆证号： C E O 8 2 1 0 9 , 可用于相应爆炸性危险场所。 工作原理 利用液位变化与其对测量探极产生的电容变化之间的关系，通过专用模式系统软件将检测的电容变化经各种补偿计算后，输出与物位变化成正比的两线制4 ～2 0 m A 模拟电流环及四组S P S T ( N O ) 固态继电器触点。 技术特点 1、两线制电流环，测量系统与电流环隔离； 2、具有全工况条件（锅炉启、停、排污、事故工况等）下液位准确连续测控功能； 3、能够对液相介质介电常数变化、汽相介质介电常数变化同时进行自动补偿，无需现场标定；