电厂锅炉水位的串级控制目录1、前言 (2)2、系统的概述及其动态特性 (3)2.1 系统概述 (3)2.2 锅炉汽包的动态特性 (3)2.2.1 给水扰动 (4)2.2.2 负荷扰动 (4)2.2.3燃料量扰动 (5)3、汽包水位的控制方案 (6)3.2 串级控制系统控制方案 (6)3.2.1 副回路控制分析 (7)3.2.2 主回路控制分析 (8)4.3 系统影响分析 (10)5、仪表的选择 (12)5.1 测量元件及变送器的选择 (12)5.2 调节阀的选择 (12)5.3 调节器的选择 (12)6、系统参数的整定 (13)6.1 汽包水位串级控制原理图 (13)6.2 调节器的参数整定 (13)6.2.1 两步整定法概述 (14)6.2.2 两步法的整定步骤 (15)7、实例参数整定及其仿真 (16)8、结论 (19)9、设计体会 (20)参考文献 (21)1、前言在火力发电厂，最基本的工艺过程是用锅炉生产蒸汽，使汽轮运转，进而带动发电机发电。
锅炉控制是火力发电生产过程自动化的重要组成部分，它的主要任务是根据负荷设备（汽轮机）的需要，供应一定规格（压力、流量、温度和纯度）的蒸汽。
锅炉是生产蒸汽的主要设备，是工业生产中几乎不可缺少的设备，应用十分广泛。
保证锅炉内的水位在一定范围内波动对系统的安全运行是非常重要的。
如果水位过低，锅炉可能被烧干，引起设备的损坏，甚至爆炸；如果水位过高，会导致生产的蒸汽含水量大，而且水还可能溢出，从而使生产过程中断，造成经济损失。
因此对水位进行控制是保证锅炉正常运行所必不可少的。
当锅炉的给水量与蒸汽的蒸发量保持平衡时，锅炉的水位保持不变，此时，锅炉工作状态良好。
如果锅炉的给水量和蒸汽量不平衡，水位就会发生波动。
因此，我们必须根据水位的变化，调整给水量，使它跟随蒸汽的负荷的大小而增减，以达到保持水位在规定的范围内的目的。
水位的变化量h由液位传感器检测，并由液位变送器转换为统一的标准信号后送到调节器（即控制器），与水位的设定值进行比较和运算以后由调节器发出控制指令，执行器（电动或气动执行机构）改变调节阀阀门的开度，调节给水流量，以保持给水量与蒸发量之间的平衡，这就是锅炉水位自动控制过程。
2、系统的概述及其动态特性2.1 系统概述电厂锅炉是一个复杂的被控过程，它的被控参数和控制参数众多，不易很好的对其进行控制。
通常的设计思想是，在可能的情况下，将其划分为几个相互独立的控制区域。
这里，我们将与研究对象关联较小的通道将其忽略，对锅炉汽包水位控制进行讨论。
串级控制系统是改善和提高锅炉汽包水位控制的一种极为有效的控制法案，串级控制系统具备较好的抗干扰能力、快速性、适应性和控制质量,因此在工业生产自动化控制中得到了广泛的应用。
其适用范围是：被控对象的控制通道纯滞后时间较长，用单回路控制系统不能满足质量指标时，可采用串级控制系统；对象容量滞后比较大，用单回路控制系统不能满足质量指标时，可采用串级控制系统。
方框图如下所示：图3-1 串级控制系统的一般结构框图由此可见，实现锅炉水位控制需要以下设备：检测水位变化的传感器与变送器、比较水位变化并进行控制运算的调节器、实施控制命令、改变给水量的调节阀等。
2.2 锅炉汽包的动态特性汽包水位不但是锅炉安全运行的重要参数，同时，它还是衡量锅炉汽水系统物质是否平衡的标志。
为了弄清楚系统的组成及工作原理，我们从分析水位的动态特性入手。
锅炉给水调节对象如图所示。
给水调节机构控制给水量W ，汽轮机的耗气量D 是由汽轮机的调节阀门来控制的。
水冷壁与汽包存水部分构成了水循环系统。
主调节器 副调节器 调节阀副对象 主对象 副变送器主变送器 二次扰动一次扰动 副参数 设定 主参数汽包水位的动态特性似乎与单容水槽一样，但是实际情况要比单容对象复杂得多。
因为在水循环系统中充满了夹带着大量蒸汽泡的水，而蒸汽泡的总体积Vs 是随着汽包压力和炉膛热负荷的变化而改变的，如果有某种原因使蒸气泡的总体积改变了，即使水循环系统的总水量没有变化，汽包水位也会随之变化。
影响汽包水位H 的主要有给水量W ，汽轮机的耗气量D 和燃料量B 等三个主要因素。
2.2.1 给水扰动在给水量W 的阶跃扰动作用下，水位H 的相应曲线如图3-2(a)所示。
从物质平衡的观点来看，水位的响应曲线应该如图中的直线1H 呈直线上升。
但当给水温度低于汽包内的饱和水温度时，当它进入汽包后吸收了原有的饱和水中的部分热量，使锅炉的蒸汽产量下降，水面以下的气泡总体积减少，导致水位下降。
Vs 对水位的影响可以用图中的曲线2H 表示。
水位H 的实际响应曲线是1H 、2H 的总和。
给水扰动下的传递函数可以近似表示为()1111+-=s T K s G （3-1） ()s K s G 22=（3-2） 将虚线1和2叠加后可得实线3，则总的传递函数为：()s G =s K 2111+-s T K =()()112112++-s T s K s K T K （3-3） 2.2.2 负荷扰动在汽轮机耗气量D 的阶跃扰动下，水位H 的响应过程可以用图3-2(b)来说明。
当汽轮机耗气量D 突然阶跃增加时，一方面改变了汽包内的物质平衡状态，使水位下降，图中H1表示把汽包当作单容对象时水位应有的变化；另一方面，由于耗气量D 的增加，使蒸汽的蒸发强度增加，迫使汽包内气泡增多。
由于这是的燃料量还未改变，使水面以下的蒸汽泡膨胀，总体积Vs 增大，从而导致汽包水位的上升，如图中H1所示。
汽包水位H 的实际响应过程是H=H1+H2.。
对于大中型锅炉来说，后者的影响要大于前者，因此在负荷阶跃增加后的一段时间内水位不但不下降，反而明显上升。
这种反常现象通常称为“假水位”现象。
图2-2 给水扰动(a) 负荷扰动（b ）蒸汽量扰动下汽包水位的传递函数可以近似地表示为()()()⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++-==s T K K s D s H G 02121s s 式中，1K 为反映物质平衡关系的水位飞升速度；0T 和2K 分别代表图13-6中曲线H2的时间常数和增益。
2.2.3燃料量扰动燃料量B 的扰动必须引起蒸汽量D 的变化，因此也同样有假水位现象。
但是由于汽包和水循环系统中有大量的水，汽包和水冷壁金属管道也会储存大量的热量，因此有一定的热惯性。
燃料量B 的增大只能使D 缓慢增大，而且汽包压力还会慢慢上升，它将使气泡体积减小。
因而，燃料量扰动下的假水位比负荷扰动下要缓和的多。
因此暂可以忽略，不考虑。
由以上分析可知，给水量扰动下水位响应过程具有纯滞后；负荷扰动下水位响应过程具有假水位现象；燃料量扰动下也会出现假水位现象。
这些特性使控制汽包水位的任务变得比较困难和复杂。
W H H1 H2 H3 112K T K =t ttDH tH2H1H3、汽包水位的控制方案3.2 串级控制系统控制方案串级控制系统与简单单回路控制系统的主要区别是，串级控制系统在结构上形成了两个闭环。
内环称为副回路，在控制过程中起到“粗调”的作用；外环被称为主回路，用来完成“细调”任务，以最终是被控量满足工艺要求。
无论主回路或者副回路都有各自的调节对象、测量变送器和调节器。
在主回路内的调节对象、被测参数和调节器被称为主调节对象、主参数和主调节器。
在副回路里则相应地被称为副调节对象、副参数和副调节器。
两个回路只有一个调节阀。
主回路一般为定值控制，主调节器具有自己独立的设定值，它的输出作为副调节器的设定值，副调节器的输出信号则是以调节阀去控制生产过程，可见副回路为随动控制，其设定值是变动的。
比较串级系统和单回路控制系统，前者只比后者多增加了一个测量变送器和一个调节器，增加的设备投资并不多，控制效果却得到显著的改善。
图3-3 串级回路控制系统的一般结构框图假设串级控制系统的各个环节的等效传递函数为：11)(c c K s G =；22)(c c K s G =；v v K s G =)(；11)(m m K s G =；22)(m m K s G =1)(010101+=s T K s G ；1)(020202+=s T K s G 主调节器 副调节器 调节阀副对象 主对象 副变送器主变送器 二次扰动一次扰动 副参数 设定 主参数为了便于分析，将上图所示串级控制系统的各个环节分别用其相应的传递函数代替，习惯上把)(2s G c ，)(s G v ，)(02s G ，)(2s G m 构成的回路称为副回路；把主调节器)(1s G c ，副回路等效传递函数)(2s G o'，主被控对象)(01s G ，主检测变送器)(1s G m 构成的回路称为主回路。
图3-4 串级回路控制系统的传递函数框图3.2.1 副回路控制分析如图所示系统中，作用于副回路的扰动F2称为二次扰动，串级由于副回路存在，对于进入副回路的干扰具有较强的抗干扰能力根据串级调节系统的方块图，在干扰作用下F2与Y2的等效传递函数为：())()()()(1)()()(20220222*2s G s G s G s G s G s F s Y s G m v c p +== （4-5） 而单回路控制中副环扰动的传递函数为)()()(0222s G s F s Y = （3-6） 可以看到，式中前者比后者多出一分母项，即)()()()(12022s G s G s G s G m v c +。
和单回路控制系统相比，进入副环扰动对主参数的影响减小了))()()()(1(12022s G s G s G s G m v c +倍。
这()S F 2()S F 1 ()s G m 1)(02s G ()S X 1 ()s G c 1 ()S X 2 ()s G o 1 ()S Y 1()s G c 2 ()s G v ()s G m 2项乘积的数值一般是比较大的，因此说明串级控制系统中进入副环扰动对控制通道的动态增益明显减小，当二次扰动出现时，分快就被副调节器所抑制，通常其影响往往可以减小10~100倍。
同样，串级控制系统在副环进入的扰动作用下，控制系统的余差也相应的减小为单回路控制系统余差的)1(20222m v c c K K K K K +倍。
因此，串级控制系统能迅速克服进入副回路扰动的影响，并使系统余差大大减小。
比较分析单回路控制系统和串级控制系统的结构框图可以发现，串级控制系统中的副回路代替了单回路系统中的一部分过程，使系统抗干扰能力大大增强。
若把整个副回路等效为一个被控过程，它的等效传递函数用)(2s G p '表示，则可得()=s G '02)()()()(1)()()()()(202202222s G s G s G s G s G s G s G s X s Y m v c v c += （3-7） 假设副回路中各个环节的传递函数分别为22)(c c K s G =；v v K s G =)(；22)(m m K s G =；1)(020202+=s T K s G ；则上式可变为： =')(02s G 1112022********2+++S K K K K T K K K K K K K m V C m V C V C = 10202+''s T K （3-8） 式中，'02K 和'02T 分别为等效过程的放大系数和时间常数。
