蒸汽锅炉液位控制系统设计及MATLAB模拟
第一章 概述
1.1 工业锅炉系统概述
锅炉是化工、炼油、发电等工业生产过程中必不可少的重要的动力设备。它通过煤、石油、天然气的燃烧所释放出的化学能，通过传热过程把能量传递给它水，使水变成水蒸气。这所产生的高压蒸汽，既可以作为风机、压缩机、大型泵类的驱动的动力源，又可作为蒸馏、化学反应、干燥和蒸发等过程的热源。随着石油化学工业生产规模的不断扩大，生产设备的不断创新，生产过程的不断强化，作为全厂动力和热源的锅炉，亦向着大容量、高参数、高效率发展。为了确保安全，稳定生产，锅炉设备的控制系统就显得愈加重要。工业锅炉的管理水平、运行水平和自动化水平大都很低，就其设备来说，数量大、耗煤高、设备陈旧、热效率远远没有达到锅炉制造厂家的设计指标，但也不能否认，以上现象与工业锅炉缺少必要的检测、控制手段等有关[27]。可见，加速工业锅炉的技术改造，迅速提高其自动控制水平是刻不容缓的任务。
锅炉系统主要包括燃烧系统、送引风系统、汽水系统及辅助系统等。其主要工艺流程如图1.1。
图1.1 锅炉的工艺流程图
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1.2 锅炉的工艺流程简介
一般工业蒸汽锅炉主要由以下五部分组成：
1）汽包：由上下锅筒和三组沸水管组成。水在管内受外部烟气加热，发生自然循环流动，并逐渐汽化，产生的饱和蒸汽集聚在上锅筒。
2）炉膛：是使燃料充分燃烧并释放热量的设备。
3）过热器：是将锅炉所产生的饱和蒸汽继续加热为合格蒸汽的换热器件。 4）省煤器：是利用烟气预热锅炉的给水，以降低烟气温度的换热器件。
5）空气预热器：是继续利用离开省煤器后的烟气余热，加热燃料燃烧时所需的空气的热器件。
图1.1给出了蒸汽锅炉的主要工艺流程图。给水经过水泵、给水控制阀、省煤器进入锅炉的汽包，燃料和空气按一定比例送入炉膛燃烧，产生的热量传给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽，然后再经过过热蒸汽，形成满足一定质量指标的过热蒸汽输出，经负载设备控制供给负荷设备用。同时燃烧过程中产生的烟气，经过过热器将饱和蒸汽加热成过热蒸汽后，再经省煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空气，最后经引风机送往烟囱排入大气[8]。
1.3 锅炉设备的调节任务
锅炉设备是一个复杂的控制对象，是多输入，多输出多回路，非线性的输入输出变量间相互关联的对象[21]。如下图1.2所示，主要输入变量是负荷，锅炉给水、燃料量、送风和引风等。主要输出量是汽包水位，蒸汽压力，过热蒸汽温度、炉膛负压、过剩空气（烟气含氧量）等。这些入变量与输出变量之间相互关联。
图1.2 锅炉设备控制对象
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锅炉是重要的动力设备，其要求是供给合格的蒸汽，使锅炉的发热量适负荷的需要。所以，生产过程中的各个主要工艺参数必须严格控制。 锅炉的主要调节任务是：
1）汽包中水位保持在一定范围内；
2）锅炉供应的蒸汽量适应负荷变化的需要或保持给定的负荷； 3）锅炉供给用汽设备的蒸汽压力保持在一定的范围内； 4）过热器的蒸汽温度保持在一定范围内； 5）保持锅炉燃烧的经济性和安全性； 6）炉膛负压保持在一定范围内。
锅炉控制中的调节任务之一是锅炉汽包水位的控制，也是难点之一[27]。如果水位过低，则由于汽包内的水量较少，而负荷却很大，水的汽化速度又快，因而汽包内的水量变化速度很快，如不及时控制，就会使汽包内的水全部汽化，导致锅炉烧坏或爆炸；水位过高会影响汽包的汽水分离，产生蒸汽带水现象，会使过热器管壁结构导致破坏。在锅炉控制系统中，汽包水位的控制是最基本的也是及其重要的。汽包水位控制的任务是，使锅炉给水量始终跟着蒸发量，维持汽包水位在锅炉生产允许的范围内。汽包及蒸发管储存着蒸汽和水，储存量的多少，是以被控制量水位表征的，通常情况下汽包的流入是给水量，流出量是蒸汽量，当给水量等于蒸汽量时，汽包水位就恒定不变。引起水位变化的主要扰动式蒸汽流量和给水量的变化。当蒸汽流量突然增大，汽包压力将急剧下降，饱和水将快速蒸发，使得饱和水中产生大量的汽包致使水位上升，而此时给水量并没有增加。这就是锅炉的“虚假水位”现象，此时的水位并不能代表锅炉中水位真实情况[27]。因此，必须对汽包水位进行控制，将其严格控制在规定的范围内。
锅炉汽包水位控制常采用的方式有：单冲量、双冲量、三冲量控制等。它们常采用PID 控制算法。通过分析发现，单、双冲量控制系统结构简单廉价，系统的可靠性不高，控制效果差，不能避免“虚假水位”现象；三冲量控制系统控制效果好，可靠性高，能有效的避免“虚假水位”现象。可见，“虚假水位”给水位控制带来了困难和挑战。 本文采用的是串级三冲量汽包水位控制系统和模糊控制系统[27]。
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第二章 锅炉汽包水位控制对象与控制指标
2.1 锅炉汽包水位的特性
锅炉的安全是一个非常重要的问题，必须引起高度重视。汽包水位是锅炉系统正常运行的重要参数，维持锅炉汽包水位在规定的范围内，是保证锅炉安全生产运行的必要条件，也是锅炉正常生产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；水位过低则可造成水的急速蒸发，汽水自然循环破坏，局部水冷壁管被烧坏，严重时造成爆炸事故。现代工业锅炉都向着大容量高参数的方向发展，一般锅炉容量越大，汽包的容水量就相对越小，允许波动的蓄水量就更少，这样对汽包水位要求就更高了。因此，研究汽包水位的控制方法有着重要的意义。
工业锅炉汽水系统结构如图2.1 所示：
图 2.1 锅炉的汽水系统
锅炉汽包水位控制的任务是：跟踪锅炉的蒸发量并维持汽包水位在工艺允许的范围内。汽包及蒸发管中贮藏着蒸汽和水，贮藏量的多少是以被控制量水位表征的。汽包的流入量是给水量，流出量是蒸汽量，当给水量等于蒸汽量时，汽包水位就恒定不变。
影响汽包水位变化的因素很多，主要有燃煤量、给水量和蒸汽流量，其它还有炉膛热负荷、汽包压力的变化等原因。燃煤量对水位变化的影响是非常缓慢的，比较容易克服。因此，我们主要考虑给水量W、蒸汽流量D燃料量B三个主要因素对水位的影响。
2.2 汽包水位在给水流量W作用下的动态特性
如果把汽包及其水循环系统看作一个单容水槽，那么水位的给水阶跃扰动响应曲线
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应该为图2.2所示的曲线H1所示。但考虑到给水的温度低于汽包内饱和的水温度，当它进入汽包后吸收了原有的饱和水中的一部分热量使得锅炉内部的蒸汽产量下降，水面以下的汽泡的总体积V也就会相应的减小，从而导致水位下降如图2.2所示的曲线H2所示。水位的实际响应曲线应是曲线H1和H2之和，如图2.2所示的曲线H所示。从图中可以看出该响应过程有一段延迟时间。即它是一个具有延迟时间的积分环节，水的过冷度越大则响应延迟时间就会越长。其传递函数可以近似表示为：
G1(s)?ε1H(s)?（2-1） W(s)s(1?τs)
式2-1中?1表示汽包水位的变化速度，?表示延迟时间。
图2.2 给水流量扰动下水位阶跃响应
图2.3 给水扰动传递函数方框图
其扰动传递函数方框图如图2.3所示，可近似认为是一个积分环节和一个惯性环节的串联的形式。
2.3 汽包水位在蒸汽流量D扰动下的动态特性
当锅炉负载耗汽量D突然做阶跃增加时，一方面改变了汽包内的物质平衡状态，使汽包内液体蒸发量变大从而使水位下降，如图2.4所示的曲线H1所示，另一方面由于锅炉负载耗汽量D的突然增加，将迫使锅炉内汽泡增多，同时由于燃料量维持不变，汽包压力下降，会导致水面以下蒸汽泡膨胀，总体积V增大，从而导致汽包水位上升，如图2.4所示曲线H2所示。水位的实际响应曲线应该是曲线H1和H2之和，如图2.4所示曲线H所示。对于大中型锅炉来说，后者的影响要大于前者，因此负荷做阶跃增加后的一段时间内会出现水位不但没有下降反而明显升高的现象，这种反常现象通常被称为“假水位现象”。可以认为这是一个惯性加积分环节，其传递函数可以近似的表示为：
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