锅炉汽包水位前馈-反馈控制.ppt

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,Dpro,*,单击此处编辑母版标题样式,Dpro,单击此处编辑母版文本样式,第二级,单击此处编辑母版标题样式,*,*,锅炉汽包水位前馈,-,反馈控制,深入浅出过程控制,-,小锅带你学过控,实 验 目 的,掌握前馈控制系统的特点,掌握前馈,-,反馈控制系统的结构与特点,掌握锅炉汽包水位的双冲量控制,2,基 础 知 识,3,本次实验使用,Boiler,工程，涉及到的内容是虚线圈起来的这一部分。,基 础 知 识,汽包,经处理的软化水进入除氧器,V1101,上部的除氧头，进行热力除氧。软化水在除氧器底部经由上水泵,P1101,泵出，进入锅炉汽包。锅炉上水流量为,FI1101,，锅炉上水管线上设有调节阀,FV1101,，调节阀有前、后阀以及旁路阀,HV1101,。,锅炉上水流向省煤器，燃料燃烧产生的高温烟气自上而下通过管间，与管内的锅炉上水换热，回收烟气中的余热并使锅炉上水进一步预热。,被烟气加热成饱和水的锅炉上水全部进入汽包,V1102,，再经过对流管束和下降管进入锅炉水冷壁，吸收炉膛辐射热在水冷壁里变成汽水混合物，然后返回汽包,V1102,进行汽水分离。,锅炉上汽包为卧式圆筒形承压容器，内部装有给水分布槽、汽水分离器等，汽水分离是汽包的重要作用之一。,汽包,V1102,顶部设放空阀,XV1104,，汽包压力为,PT1103,。汽包中部设水位检测点,LI1102,。,分离出的饱和蒸汽再次进入炉膛,F1101,进行汽相升温，成为过热蒸汽，过热蒸汽流量为,FI1105,。,4,基 础 知 识,5,位号,检测点说明,单位,FI1101,锅炉上水流量,kg/s,FI1105,过热蒸汽流量,kg/s,LI1102,汽包水位,%,PT1103,汽包压力,MPa,位号,执行机构说明,FV1101,锅炉上水管线调节阀,FV1105,过热蒸汽管线调节阀,位号,执行机构说明,XV1104,汽包顶部放空阀,XV1105,过热蒸汽管线开关,位号,执行机构说明,HV1101,锅炉上水管线调节阀旁路阀,执行机构说明,开关阀说明,检测仪表说明,手操阀说明,基 础 知 识,汽包水位的重要作用,汽包水位是锅炉运行的重要指标，保证水位在一定范围内，是保证锅炉安全运行的首要条件。,水位过高会影响汽包内的汽水分离，饱和水蒸汽将会带水过多，导致过热器管壁结垢并损坏，使过热蒸汽的温度严重下降。,水位过低，使汽包内的水量变化速度很快，有可能汽包内的水将全部汽化，尤其对大型锅炉，水在汽包内的停留时间极短，从而导致水冷壁烧坏，甚至引起爆炸。,6,基 础 知 识,汽包水位分类,正常水位：标准线一般在汽包中心线下,100,150mm,处，水位波动限制在标准水位上下,50mm,以内,报警水位：应采取紧急措施恢复正常水位。,保护动作水位：保护装置动作，锅炉自动降低负荷直至机组停止运行。,7,汽包水位单冲量控制系统的设计,8,被控变量：汽包水位,操纵变量：给水流量,干扰变量：蒸汽流量,控制器正反作用：反作用,控制规律：比例,-,积分控制,实 验 步 骤,打开锅炉工程。,确认,FV1101,为内控状态。,进行控制系统组态。,设置数据采集点，采集汽包水位,LI1102,实测值作控制器输入。,PID,控制器组态（见下页）。,设置执行单元，阀门位号,FV1101,，数据输出类型为,“,绝对量,”,。,进行信号连接。,9,实 验 步 骤,10,模块,参数,取值,说明,PID,控制器,位号,LIC1102,汽包水位控制器,状态,手动,正反作用,反作用,参数,Kc,100,参考值,参数,Ti,14,参考值,参数,Td,0,不使用此参数,实 验 步 骤,在趋势曲线画面添加所需曲线。,将阀门,FV1105,固定开度为,30%,，运行锅炉工程。,控制系统投运。,LIC1102,投运过程：在控制器手动状态下，不断修改控制器输出,OP,，观察控制器输入,PV,的变化（,SP,随之变化），当,PV,达到,50%,时，将控制器投自动,11,实 验 步 骤,施加扰动测试控制器性能。,当,LI1102,稳定后，再将,FV1105,开度调回到,30,，等待,LI1102,稳定。,待系统稳定之后，手工将,HV1101,开度设置将,LI1102,设定值从,50%,变为,60%,，记录,LI1102,的响应曲线。,待,LI1102,稳定后，将,LI1102,设定值从,60%,再变为,50%,，记录,LI1102,的响应曲线。,稳定后，手工将,FV1105,开度设置为,40,，观察,LI1102,曲线的变化。,待系统稳定之后，手工将,HV1101,开度设置,为,10,，观察,LI1102,曲线的变化趋势。,当,LI1102,稳定后，再将,FV1105,开度调回到,0,，等待,LI1102,稳定。,12,实 验 步 骤,单冲量控制扰动测试,13,基 础 知 识,汽包水位控制的任务,使给水量和锅炉蒸发量相平衡，使锅炉汽包水位维持在工艺规定的范围内。,影响汽包水位的因素,给水流量的调节,蒸汽负荷变化的干扰,燃料量变化的干扰,14,基 础 知 识,给水流量对水位调节的动态特性,当突然加大给水量，给水量立即大于蒸发量，水位并不立即上升，而是出现一段起始惯性段。,因为大量低温水进入系统，吸收一部分热量，使得蒸发强度减弱，进水先要填补气泡减少让出的空间，直至水位下的气泡容积变化平稳之后，水位才随着进水量的增加而上升。,起始惯性段的纯滞后时间约为,15100s,，水温越低纯滞后时间越长。,15,基 础 知 识,蒸汽负荷（蒸汽流量）对水位干扰的动态特性,当蒸汽流量突然增加，在燃料量不变的情况下，从锅炉的物料平衡关系来看，蒸汽量大于给水量，水位变化应如图中曲线,H,1,所示。但实际情况并非如此。,由于蒸汽用量突然增加，瞬间必导致汽包压力下降。汽包内水沸腾突然加剧，产生闪蒸，水中气泡迅速增加，因气泡容积增加，而使水位变化的曲线如图中的,H,2,。,而实际显示的水位响应曲线,H,为,H,1,与,H,2,的叠加，即,H,=,H,1,+,H,2,。,从图中可以看出：当蒸汽量加大时，虽然锅炉的给水量小于蒸发量，但在一开始，水位不仅不下降反而迅速上升，然后再下降；反之，蒸汽流量突然减少时，则水位先下降，然后再上升。这种现象称之为,“,虚假水位,”,。,虚假水位的变化大小与锅炉的工作压力和蒸发量等有关。对于一般,100t/h300t/h,的中高压锅炉，当负荷变化,10%,时，虚假水位可达,3040mm,。虚假水位现象属于反向特性，给控制带来一定的困难，在控制方案设计时，必须引起注意。,16,基 础 知 识,燃料量对水位干扰的动态特性,如果燃料量增加，水冷壁吸热增多，产汽量增大，水位以下汽容积增大，水位会上升。,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，燃料量的增加只能使产气量缓慢增加，因此燃料量扰动下的水位变化要比蒸汽负荷扰动下的水位变化缓和得多。,17,基 础 知 识,对于小型锅炉,小型锅炉的汽包内，水的停留时间长、负荷变化小，虚假水位现象不明显，单冲量控制系统可以保证锅炉的安全运行。,对于大型超高压（接近临界压力）锅炉,因为在超高压下，汽和水的密度相差不大，虚假水位现象并不显著，也可以采用单冲量控制。,对于大量的大、中型锅炉,单冲量控制不能满足要求。,因为蒸汽负荷的改变所产生的假水位将引起给水调节机构的误动作，致使汽包水位激烈地上下波动，严重影响设备的寿命和安全。,18,基 础 知 识,单冲量控制系统的不足,当负荷变化产生虚假水位时，将使控制器反向错误动作,对负荷变化不灵敏,对给水干扰不能及时克服,19,前馈控制系统知识,认识前馈控制,前,馈控制是一种开环控制，它直接按照干扰量的变化，来补偿干扰量对被控变量的影响，从而达到被控变量完全不受干扰量影响的控制方式。,20,前馈控制系统知识,理想的过程控制要求被控变量在过程特性呈现大滞后（包括容量滞后和纯滞后）和多干扰的情况下，持续保持在工艺所要求的数值上。可是，反馈控制永远不能实现这种理想控制。这是因为，反馈控制总是要在干扰已经形成影响，被控变量偏离设定值以后才产生作用，控制作用总是不及时。特别是干扰频繁、对象有较大滞后时，控制质量较差。,比如：蒸汽流量是汽包水位的主要干扰量，可通过蒸汽流量测量，通过前馈控制装置，直接用蒸汽流量控制上水阀，来调节汽包水位。当蒸汽流量变化时，它将对汽包水位有直接影响。但是，通过前馈作用，蒸汽流量还将指挥给水阀动作，利用锅炉给水抵消蒸汽流量对汽包水位的影响。,21,前馈控制系统知识,22,蒸汽流量变化时，将对汽包水位有直接影响,蒸汽流量的大小送入前馈控制器，控制给水阀动作，使得锅炉给水流量发生变化，补偿蒸汽流量变化对汽包水位的影响,前馈控制系统知识,干扰到输出（被控变量）之间存在两个传递通道：干扰通道和控制通道。,控制作用和干扰作用对输出量的影响相反，这样就有可能使得控制作用抵消掉干扰对输出的影响，使得被控变量不随干扰的变化而变化。,23,前馈控制系统知识,前馈控制的特点,前馈控制属于开环控制系统,前馈控制是一种按干扰大小进行补偿的控制,前馈控制使用的是视对象特性而定的“专用”控制器,一种前馈控制作用只能克服一种干扰,前馈控制只能抑制可测不可控的干扰对被控变量的影响,24,前馈控制系统知识,前馈控制的缺点,实际生产过程，对被控变量的干扰很多，不可能针对每一个干扰设计和应用一套前馈控制系统,对于不可测的干扰无法实施前馈控制,决定前馈控制器控制规律的是过程动态特性，而动态特性很难实现,25,前馈控制系统知识,前馈控制的分类,动态前馈控制：力求任何时刻都实现对干扰的补偿,静态前馈控制：只需在稳定工况下实现对干扰量的补偿，控制规律采用比例特性，实施方便。,26,前馈,-,反馈控制系统知识,前馈,-,反馈控制系统的好处,利用前馈控制有效地减少干扰对被控变量的动态影响,利用反馈控制使被控变量稳定在设定值上，保证了系统较高的控制质量,27,前馈,-,反馈控制系统知识,前馈控制器参数整定,前馈控制器参数整定也就是对控制器的比例系数,Kf,进行整定。,开环整定法：将,反馈回路断开，使系统处于单纯的静态前馈状态下。施加干扰，将,Kf,值由小逐步变大，直到被控变量回到给定值，此时对应的,Kf,值为最佳整定值,。,闭环整定法：分为,在反馈系统运行下整定,Kf,和在前馈,-,反馈系统运行下整定,Kf,。,28,前馈,-,反馈控制系统知识,前馈控制器参数整定,在反馈系统下整定,Kf,的方法：,系统在反馈状态下运行,首先整定反馈控制回路，达到,4:1,衰减比。待系统稳定后，记录干扰量变送器的输出电流,ID,0,和反馈控制器的输出稳定值,IC,0,。,对干扰量施加一个增量，等反馈系统被控变量重新回到给定值时，再记下干扰量变送器的输出电流,ID,以及反馈控制器的输出稳定值,IC,。则前馈控制器的静态放大系数为：,29,汽包水位双冲量控制系统的设计,30,双冲量控制系统：,冲量,1,：汽包水位,冲量,2,：蒸汽流量,被控变量：汽包水位,操作变量：给水流量,主要干扰：蒸汽流量,汽包水位双冲量控制系统的设计,31,双冲量控制系统：,将蒸汽流量（蒸汽负荷）的变化作为一个冲量引入系统，使系统能按负荷变化来进行校正，比只按水位进行调整要及时得多，假液位现象对汽包水位影响可以得到有效抑制。,被控变量汽包水位的信号，由系统输出端返回输入端，构成反馈回路,引入蒸汽流量，对调节阀按蒸汽流量变化的干扰量进行校正，具有前馈作用,前馈作用对其它干扰无克服能力，其它干扰由反馈回路抑制,汽包水位双冲量控制系统的设计,32,双冲量控制系统方块图,该双冲量控制系统是一个前馈,-,反馈控制系统。,实 验 步 骤,复制锅炉工程，重新打开。,进行控制系统组态。,组态画面中已经存在一个,LI1102,的单回路控制系统,添加一个数据采集点，配置位号,FI1105,；一个乘法器和一个加法器。,确定加法器符号。,连接信号组成前馈,-,反馈控制系统。,33,实 验 步 骤,将阀门,FV1105,固定开度为,30,，让锅炉工程运行起来。,前馈,-,反馈控制系统的参数整定。,暂停工程，断开前馈控制器。,反馈控制器参数整定：,设置,LIC1102,状态为手动，不断修改,OP,的值，观察,SP,和,PV,的值。当其值达到,50%,左右时，将控制器状态设置为自动。,按照单回路控制,PID,参数的整定方法，对控制器,LIC1102,进行参数整定。,34,实 验 步 骤,前馈,-,反馈控制系统的参数整定。,前馈控制器参数整定：,35,实 验 步 骤,前馈,-,反馈控制系统的参数整定。,前馈控制器参数整定：,在系统稳定运行时，记录,FI1105,的值和,FV1101,的值。,将,FV1105,开度增大至,40,，等,LIC1102,在该干扰增量作用下将,LI1102,重新调回,50%,时，再次记录,FI1105,的值和,FV1101,的值。,计算前馈控制器的静态放大系数,K,f,=(,I,C,-,I,C,0,)/(,I,D,-,I,D,0,),。,计算,I,0,=-,K,f,I,F,，,I,F,为正常时,FI1105,的值，即,I,D0,。,36,实 验 步 骤,前馈,-,反馈控制系统的参数整定。,配置加法器和乘法器的参数，将前馈加入到控制系统中。,37,模块,参数,取值,说明,乘法器,输入符号,U10,2.3,静态前馈增益,输入符号,U20,1,与,FI1105,数据采集点连接,模块,参数,取值,说明,加法器,输入符号,U10,0,与乘法器输出连接,输入符号,U20,0,与,PID,控制器输出连接,输入符号,U30,-24.6192,初始偏置值,I,0,实 验 步 骤,前馈,-,反馈控制系统投运。,将控制器,LIC1102,置手动，确认,FV1105,开度为,30,。,确认乘法器的,U10,管脚设置为,2.3,，加法器的,U30,管脚设置为,-24.6192,。,待汽包水位,LI1102,稳定后，将控制器,LIC1102,投自动，将设定值设置为,50%,。,控制效果测试,前馈控制效果测试：将,LIC1102,置手动，取消反馈回路的控制作用。,38,实 验 步 骤,将过热蒸汽出口管线阀,FV1105,开度由,30,变为,40,，待系统稳定后，再由,40,变为,30,。观察,LI1102,的响应情况。,39,实 验 步 骤,将汽包上水流量调节阀的旁路阀,HV1101,开度由,0,变为,20,，经过一段时间后，再由,20,变为,0,。观察,LI1102,的响应情况。,40,实 验 步 骤,前馈,-,反馈控制效果测试：,将,LIC1102,投自动，将,LI1102,的,SP,设定为,50%,。,待系统稳定后，将,FV1105,的开度由,30,变为,40,，待,LI1102,稳定后，再将,FV1105,的开度由,40,变为,30,，观察,LI1102,的响应情况。,待,LI1102,稳定后，将,HV1101,的开度由,0,变为,20,，待系统稳定后，再由,20,变为,0,。观察,LI1102,的响应情况。,41,实 验 步 骤,前馈,-,反馈控制效果测试,42,实 验 步 骤,对,FV1105,施加不同的干扰量，测试控制效果。,将,LIC1102,置手动，使系统工作在前馈控制状态。将,FV1105,的开度由,30,变为,60,，经过一段时间后，再将,FV1105,的开度由,60,变为,30,，观察,LI1102,的响应情况。,43,实 验 步 骤,对,FV1105,施加不同的干扰量，测试控制效果。,将,LIC1102,投自动，使系统工作在前馈,-,反馈控制状态。将,LI1102,的,SP,设定为,50%,。,待系统稳定后，将,FV1105,的开度由,30,变为,40,，待,LI1102,稳定后，再将,FV1105,的开度由,40,变为,30,，观察,LI1102,的响应情况。,待,LI1102,稳定后，将,HV1101,的开度由,0,变为,20,，待系统稳定后，再由,20,变为,0,。观察,LI1102,的响应情况。,44,实 验 步 骤,对,FV1105,施加扰动测试。,45,实 验 步 骤,大家和我一起来算算，如果,FV1105,开度从,30,变化到,60,，前馈控制器的静态增益应该是多大吧,。,46,总 结,47,前馈控制系统需要注意的地方：,前馈控制是按扰动控制的，因此，扰动必须可测,如果扰动易于控制，可直接采用反馈控制系统来控制，无需使用前馈控制,前馈控制针对单一扰动进行控制，因此，扰动应是主要扰动,为克服其它扰动，通常采用前馈,-,反馈控制系统,主要扰动无法落在串级控制系统的副环时，用前馈,-,反馈控制可得到更好的控制效果,