CN100535513C - 一种锅炉水位的控制方法及其控制系统 - Google Patents

Abstract

一种锅炉水位的控制方法及其控制系统，基于三冲量串级控制原理，控制给水调节阀阀位；其控制系统还可以通过判断来自汽包水位上、下限位值分别与水位跟踪值相比较的信号直接控制给水调节阀的全关和全开。以上述方法工作的锅炉水位控制系统，由汽包水位、蒸汽流量、给水流量三冲量变送器、控制器、上位机、手操器和给水电动调节阀组成，所述控制器通过内置运算模块、选择模块和比较模块来计算水位上限值和下限值、设定极限阀位、判断水位超限状态。系统响应速度快，自动化水平高，降低劳动强度，保障锅炉安全运行。

Description

一种锅炉水位的控制方法及其控制系统

技术领域

本发明涉及一种锅炉水位的控制方法及其控制系统，属于自动控制领域，适用于工业锅炉和小型电站锅炉的水位控制。

背景技术

工业锅炉和小型电站的锅炉在当今社会的生产和生活中发挥着巨大的作用，各行各业应用不计其数，因此锅炉使用安全问题受到人们的普遍关注。在生产过程中，如果对锅炉运行操作不合理，管理不善，处理不当，往往会引起事故。这些事故中的大部分是由于锅炉水位控制不当引起的，可见锅炉汽包水位控制在锅炉设备控制系统中是至关重要的。汽包水位系统是一个具有较大的扰动和非线性特征的滞后系统，而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。而在常规的三冲量控制串级系统中，由于“虚假液位”的原因使得蒸汽负荷上升和下降时的动态特性曲线不对称，且系统参数具有时变性，不能求出准确的数学模型，几乎找不到能适应上述各种扰动的控制参数，从而其控制效果往往难以满足要求，具体表现在水位很容易超调，系统经常报警，司炉工常常要手动参与，有时甚至还要停水泵等，造成系统不稳定甚至失控。

发明内容

本发明旨在提供一种抗扰动能力强、响应速度快、自动化程度高的控制方法和系统。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种锅炉水位控制方法，基于由汽包水位、蒸汽流量、给水流量组成的三冲量串级控制原理，控制给水调节阀阀位；该方法通过设置汽包水位上、下限位值，并分别与水位实时测量值相比较，强制控制给水调节阀的全关和全开，其控制步骤是：

(a)设定汽包水位值PS；

(b)对汽包水位设定上限值ZSP1和下限值ZSP2，所述上限值ZSP1和下限值ZSP2分别为水位设定值PS的1.3倍和0.7倍，即

ZSP1＝1.3SP，

ZSP2＝0.7SP；

(c)读取汽包水位实时测量值PV；

(d)读取手操器状态：

1)当硬手操器选择手动时，系统的输出值直接跟踪电动调节阀的阀位；

2)当硬手操器选择自动时，若软手操器选择手动模式，系统可以直接控制电动调节阀的关和开；

3)当硬手操器选择自动时，若软手操器选择自动模式，则取汽包水位实时测量值PV与上述上限值ZSP1和下限值ZSP2进行比较：

当测量值介于上限值和下限值之间时，系统计算水位偏差值，读取蒸汽流量实时测量值和给水流量实时测量值，执行三冲量串级控制；

当跟踪值大于上限值时，系统直接关闭给水调节阀；

当跟踪值小于下限值时，系统直接全部开启给水调节阀。

一种采用上述方法工作的锅炉水位控制系统，它由汽包水位、蒸汽流量、给水流量三冲量变送器、控制器、上位机、手操器和给水电动调节阀组成，上位机与控制器通过通信接口桥接，控制器的输入端分别与三冲量变送器、手操器状态反馈信号和给水电动调节阀阀位反馈信号相连，控制器的输出端与手操器相连，手操器再与给水电动调节阀相连，控制器通过判断手操器自动/手动状态和上位机给定自动/手动状态，指挥系统执行跟踪操作器信号或者跟踪阀位信号，完成三冲量串级控制，其中：

(a)控制器内置的运算模块读取PID控制模块的汽包水位设定值PS，输出汽包水位上限值ZSP1和下限值ZSP2；

(b)在控制器阀位信号选择模块的输入端再前置接入一个选择模块，该模块的两个待选输入端分别设置为0和100；

(c)在控制器强制跟踪信号选择模块的硬手操器待选输入端前置接入一个多选择模块，该模块的三个待选输入端分别与硬手操器状态反馈信号、汽包水位上限值比较模块的输出端和汽包水位下限值比较模块的输出端相连；所述汽包水位上限值比较模块的两个待比较输入端分别与水位上限值ZSP1信号和汽包水位实时测量值PV信号相连；所述汽包水位下限值比较模块的两个待比较输入端分别与水位下限值ZSP2信号和汽包水位实时测量值PV信号相连。

本发明锅炉水位的控制方法及其控制系统具有以下优点：①系统响应速度快，抗扰动能力强，控制精度高，能够适应工业锅炉的控制要求；②自动化率达到98％，提高了工业锅炉的自动控制水平，减少人工控制的随意性和误差率，消除了事故隐患，大大减轻了司炉工的工作量，同时也确保了锅炉的安全正常运行；③极大的减少了控制系统的维护工作量及设备备品、备件的更换量，更换周期延长，节约了资金和人员投入，经济效益可观。

附图说明

图1是本发明锅炉水位的控制方法的流程图；

图2是本发明锅炉水位控制系统的控制原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示本发明锅炉水位控制方法，基于由汽包水位、蒸汽流量、给水流量组成的三冲量串级控制原理，控制给水调节阀阀位调节水位；同时控制系统还接收来自汽包水位上、下限位值分别与水位跟踪值相比较的信号直接控制给水调节阀的全关和全开，其控制步骤是：

(a)为控制系统设定汽包水位值PS，作为系统控制基准；

(b)以PS为基准，设定汽包水位上限值ZSP1和汽包水位下限值ZSP2，其上、下限值之间设置幅度可根据具体工况调整，通常为±30％PS的幅度，即

ZSP1＝1.3PS，

ZSP2＝0.7PS；

(c)读取汽包水位实时测量值PV；

(d)读取手操器状态；

1)当硬手操器选择手动时，具有最高优先权，此时控制系统的输出值直接跟踪电动调节阀的阀位；

2)当硬手操器选择自动时，若软手操器选择手动模式，系统可以直接控制电动调节阀的关和开；

3)当硬手操器选择自动时，若软手操器选择自动模式，则取汽包水位实时测量值PV与上述上限值ZSP1和下限值ZSP2进行比较：

当测量值介于上限值和下限值之间时，系统计算水位偏差值，读取蒸汽流量实时测量值和给水流量实时测量值，执行三冲量串级控制；

当跟踪值大于上限值时，系统直接关闭给水调节阀；

当跟踪值小于下限值时，系统直接全部开启给水调节阀。

本发明锅炉水位控制系统如图2所示，它由汽包水位、蒸汽流量、给水流量三冲量变送器、控制器DCS、上位机、手操器和给水电动调节阀组成。

控制器DCS包括两个PID控制模块PID102和PID105、MUL乘法模块、手动/自动切换模块、阀位SW信号选择模块、强制跟踪信号OR比较模块、高/低水位比较模块HMON和LMON、输入/输出模块AI和DI/AO。

上位机与控制器DCS通过通信接口桥接。

控制器的输入端分别与三冲量变送器、手操器状态反馈信号和给水电动调节阀阀位反馈信号相连，其中：汽包水位信号由变送器送入DCS的AI输入模块2，AI输出至PID102控制模块输入端(主信号)；蒸汽流量信号由变送器送入DCS的AI输入模块1，AI输出至PID102控制模块的FFV端(前馈信号)；给水流量信号变送器送入DCS的AI输入模块3，AI输出至PID105控制模块端(付信号)；给水调节阀阀位反馈信号送入DCS的AI输入模块4，用作阀位跟踪等使用；手操器的手动/自动状态信号(干触点)送入DCS的DI输入模块1。

控制器的输出端通过手操器与给水电动调节阀相连，控制调节阀的阀位开启度(0～100％)来调控汽包水位。

系统工作时，上位机给定汽包水位设定值PS、上下限值系数、软手操器手动/自动状态，DCS中MUL乘法模块计算输出汽包水位上限值ZSP1和汽包水位下限值ZSP2，并分别传递至高/低水位比较模块HMON和LMON的一个比较输入端；手动/自动切换模块输出软手操器手动/自动状态信号AM分别给控制模块PID102和PID105的MDRQI端、强制跟踪信号OR比较模块的一个比较输入端；系统读入汽包水位实时测量值PV分别送往PID102的输入端、高/低水位比较模块HMON和LMON的另一个比较输入端；系统读取硬手操器手动/自动状态信号H-AM分别送往强制跟踪信号OR比较模块的另一个比较输入端、阀位SW信号选择模块的SY输入端；系统读取给水调节阀阀位反馈信号WOP送往阀位SW信号选择模块的Y输入端，在阀位SW信号选择模块的输入端再前置接入一个选择模块，该模块的两个待选输入端分别设置为0和100，其SY输入端接入低水位比较模块LMON的输出信号LST，在信号H-AM和LST作用下，阀位SW信号选择模块分别输出WOP、0和100信号至PID105的TRV端；高/低水位比较模块HMON和LMON通过将汽包水位实时测量值PV分别与ZSP1、ZSP2比较，分别输出HST和LST；HST、LST和H-AM三者比较后的输出信号再与AM比较，输出信号送往PID105的TRC(强制跟踪信号开关)端，TRC端为置1时，PID105强制输出阀位跟踪值WOP、0和100。

当硬手操器为手动状态时，阀位SW信号选择模块的SY端为置1，其输出的值跟踪输入端Y的值，即为阀位的反馈信号WOP，再送入PID105模块的TRV(跟踪值)直接跟踪阀位的信号，与此同时，强制跟踪信号OR比较模块的输入一端H-AM为1，上位机上把PID模块置于手动模式(软手操)，即AM置1，比较后使得TRC置1，PID105模块强制输出跟踪TRV的值，即跟踪电动调节阀的阀位WOP。

当硬手操器为自动时(H-AM为0)，在上位机上，把PID模块置于手动模式(软手操)即AM置1时，可以直接控制电动调节阀的关和开(0～100％)。

当硬手操器为自动(H-AM为0)，上位机把PID模块置于自动模式(AM为0)时，若汽包水位实时测量值PV在汽包水位上限值ZSP1和汽包水位下限值ZSP2之间，即HST和LST均置0，PID105模块的TRC置0，强制跟踪信号开关关闭，系统进入由汽包水位、蒸汽流量、给水流量组成的三冲量串级控制，如当水位测量值PV低于设定值PS时，经过PID计算后，PID102回路输出一个开的信号给PID105回路的RSP端，此时，RSP的值大于PID105的测量值PV，经过PID计算后，PID105回路输出一个增加的信号，使得电动调节阀慢慢开启，给水流量增加，锅炉汽包水位上升，直到PID102回路的PV值与PS值接近相等，电动调节阀稳定在某一位置，实际上，它是一个动态的控制过程，电动调节阀一直来回开和关，保持锅炉水位控制在设定的范围内。

当硬手操器为自动(H-AM为0)，上位机把PID模块置于自动模式(AM为0)时，若PV超出ZSP1和ZSP2之间的限值范围，即HST和LST两者之一置1，PID105模块的TRC置1，PID105模块强制输出跟踪TRV的值，而此时因为H-AM为0，阀位SW信号选择模块必然输出0或者100信号，当高水位时，LST置0，TRV置0，所以直接控制电动调节阀关闭，断绝水源以尽快降低水位；当低水位时，LST置1，TRV置100，相应直接控制电动调节阀全开，迅速补水以尽快抬升水位。

结合上位机软件，组态画面上设有汽包水位的上、下限报警，极低水位停炉信号，水位曲线实时走势等，可以直观方便地实施远程控制，大大降低司炉工的劳动强度。

Claims (3)

1.一种锅炉水位控制方法，基于由汽包水位、蒸汽流量、给水流量组成的三冲量串级控制原理，控制给水调节阀阀位；其特征在于：该方法通过设置汽包水位上、下限位值，并分别与水位实时测量值相比较，强制控制给水调节阀的全关和全开，其控制步骤是：

(a)设定汽包水位值PS；

(b)对汽包水位设定上限值ZSP1和下限值ZSP2；

(c)读取汽包水位实时测量值PV；

(d)读取手操器状态：

1)当硬手操器选择手动时，系统的输出值直接跟踪电动调节阀的阀位；

2)当硬手操器选择自动时，若软手操器选择手动模式，系统可以直接控制电动调节阀的关和开；

3)当硬手操器选择自动时，若软手操器选择自动模式，则取汽包水位实时测量值PV与上述上限值ZSP1和下限值ZSP2进行比较：

当测量值介于上限值和下限值之间时，系统计算水位偏差值，读取蒸汽流量实时测量值和给水流量实时测量值，系统执行三冲量串级控制；

当跟踪值大于上限值时，系统直接关闭给水调节阀；

当跟踪值小于下限值时，系统直接全部开启给水调节阀。

2.如权利要求1所述的锅炉水位控制方法，其特征在于：所述汽包水位的上限值ZSP1和下限值ZSP2分别为水位设定值PS的1.3倍和0.7倍。

3.一种以权利要求1所述方法工作的锅炉水位控制系统，它由汽包水位、蒸汽流量、给水流量三冲量变送器、控制器、上位机、手操器和给水电动调节阀组成，上位机与控制器通过通信接口桥接，控制器的输入端分别与三冲量变送器、手操器状态反馈信号和给水电动调节阀阀位反馈信号相连，控制器的输出端与手操器相连，手操器再与给水电动调节阀相连，控制器通过判断手操器自动/手动状态和上位机给定自动/手动状态，指挥系统执行跟踪操作器信号或者跟踪阀位信号，完成三冲量串级控制，其特征在于：

(a)控制器内置的运算模块读取PID控制模块的汽包水位设定值PS，输出汽包水位上限值ZSP1和下限值ZSP2；

(b)在控制器阀位信号选择模块的输入端再前置接入一个选择模块，该模块的两个待选输入端分别设置为0和100；

(c)在控制器强制跟踪信号选择模块的硬手操器待选输入端前置接入一个多选择模块，该模块的三个待选输入端分别与硬手操器状态反馈信号、汽包水位上限值比较模块的输出端和汽包水位下限值比较模块的输出端相连；所述汽包水位上限值比较模块的两个待比较输入端分别与水位上限值ZSP1信号和汽包水位实时测量值PV信号相连；所述汽包水位下限值比较模块的两个待比较输入端分别与水位下限值ZSP2信号和汽包水位实时测量值PV信号相连。

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