CN101922704A - 一种汽包水位控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽包水位控制系统，包括：控制系统包括主PID1控制回路、辅PID2控制回路和输出修正模块；其中，主PID1控制回路以汽包水位为目标设定值，辅PID2控制回路以蒸汽产量为目标设定值，主、辅PID控制回路并行运行，计算汽包给水阀的开度值；输出修正模块包括汽包水位变化率修正和给水调节阀开度自学习两个子模块，通过跟踪、判断汽包水位的波动斜率，辅以给水调节阀开度自学习结果修正给水调节阀的开度输出；本控制系统能有效的保持汽包水位平稳，并能主动响应大水位波动工况，使汽包系统运行更加安全、水位控制更加稳定，可广泛应用于电力、冶金等行业的汽包水位控制。

Description

一种汽包水位控制系统

技术领域

本发明涉及一种锅炉内汽包的自动给水控制系统。

背景技术

汽包是进行汽水分离的装置，汽包内存在着大量的汽水混合物，汽包水位系统是一个大滞后非线性系统。汽包容积一定时，蒸发量越大，容水量相对就较小，允许波动的蓄水量就更少，这样对汽包水位的控制要求也就更高。目前，关于汽包水位控制主要有单冲量单PID自动控制、三冲量单PID自动控制和串级控制方案。

水位单冲量单PID自动控制方案以汽包水位为PID控制目标，通过PID的自动调节来现水位的控制。在工程应用中，单PID控制对整定系数的要求较高，由于考虑因素单一，不能很好的把握汽包水位系统的特性，变工况运行适应不理想。在控制对象受到扰动，出现“大水位波动”时，容易造成控制系统的较大误动作，导致控制偏差发散。

三冲量单PID控制系统则考虑了给水量D、蒸汽量Q和汽包水位L三个参数的组合，利用给水量和蒸汽量的内在联系来削弱大水位波动时的调节阀误动作。由于三冲量考虑了进水流量和出蒸汽流量两个相关参数，控制效果得到改善和加强，目前的三冲量控制系统可分为单PID控制和串级控制。在实际运行中，影响汽包水位的因素很多，汽包水位的动态特性非常复杂，由于汽包水位系统中存在“虚假水位”特性，汽包负荷上升和下降时的水位等各相关参数动态特性曲线不对称，且系统参数具有时变特性，给汽包水位的自动控制带来了困难。常规的三冲量单PID或串级控制系统无法找到能适应各种扰动的控制参数，在大水位波动时依然无法迅速恢复汽包内进出介质流量平衡和水位平衡，从而影响水位的控制效果和安全性；且缺乏对水位趋势的预测，被动的采取措施来抑制和消除既成水位偏差，容易导致系统恢复稳定时间长，汽包水位超调，经常报警，系统不稳定震荡甚至控制偏差发散。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有自学习修正输出的汽包水位控制系统。

为了实现上述目的，采用以下技术方案：

一种汽包水位控制系统，其特征在于：所述控制系统包括：

控制系统包括主PID1控制回路、辅PID2控制回路和输出修正模块；

其中

主PID1控制回路以汽包水位为目标设定值，

辅PID2控制回路以蒸汽产量为目标设定值，

主、辅PID控制回路并行运行，计算汽包给水阀的开度值；

输出修正模块包括汽包水位变化率修正和给水调节阀开度自学习两个子模块，通过跟踪、判断汽包水位的波动斜率，辅以给水调节阀开度自学习结果修正给水调节阀的开度输出；

设汽包给水调节阀的输出信号为I。；

I。= G(K) *[F1(I1)+ F2(I2)]+ FZ(Z)      

K≥K1时：G(K)=K

K＜K1时：G(K)=1

(1) 在单位稳定时间内︱△L︱＜L0且QZ≥QZ1 时：

F1(I1)= I1， F2(I2)= 0，FZ(Z)= 0, I。= G(K) *F1(I1)

此时当︱△L︱≤L1＜L0时，开始经验开度的计算，F(I′)= I′；

(2) 当︱△L︱≥L0或QZ＜QZ1 时：

F1(I1)=ФI1，F2(I2)=(1-Ф)I2，FZ(Z)=0

 I。=G(K) *[F1(I1)+F2(I2)] = G(K) *[ФI1+(1-Ф)I2]

(3) 在汽包出现大水位波动情况下△L                                                

＞＞L0时：

FZ(Z)= F(I′)，F1(I1)=0， F2(I2)=I2，

I。=G(K) *F2(I2)+ FZ(Z) = G(K)* I2+ I′

其中

G(K)为汽包水位斜率修正系数－即汽包水位变化率修正子模块的输出值；

F1(I1)：主PID1模块的输出信号；

F2(I2)：辅 PID2模块的输出信号；

FZ(Z) 表示自学习模块的输出信号－即给水调节阀开度自学习子模块的输出值 ；

K1为基准斜率；

K为单位时间内的平均斜率；                                                                           

I1 表示主PID1输出；                                     

I2 表示辅PID2输出；                                  

Z 表示自学习的输出；

I′表示上一个稳态周期采集的输出信号；

F(I′)表示自学习模块的学习信号 ；

Ф表示主PID1的输出比例分配系数(0<Ф<1)；

1-Ф表示辅PID2的输出比例分配系数；

△L表示实际水位与设定水位在计算周期t内的平均偏差△L= (Lsp- Lpv)|_t；

Lsp 为水位设定值；

Lpv 为水位真实值；

L1为水位偏差基准值，可以是工艺设定值；

L0为水位波动范围时允许的最大偏差值，可以是工艺设定值；

Qg为给水量；

QZ为蒸汽产量；

QZ1为最小蒸汽产量。

本发明了提供一种应对复杂工况下的具有自学习功能的汽包水位控制系统。通过对汽包水位测量值进行实时采样，完成汽包水位的趋势判断和大水位波动判断。通过双PID调节回路及调节阀开度自学习的功能模块主动抑制大水位波动，以提高汽包水位控制的稳定性和安全性。

本控制系统能有效的保持汽包水位平稳，并能主动响应大水位波动工况，使汽包系统运行更加安全、水位控制更加稳定，可广泛应用于电力、冶金等行业的汽包水位控制。

附图说明

图1为本发明的原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的描述。

本发明采用以下新思路

(1)水位变化率修正

水位变化率修正是基于汽包系统平衡时在相邻时间段内扰动变化的有限性原理，即蒸汽产量、给水量、汽包压力、阀门响应速度和压力等外界因素对汽包水位的综合影响效果不会改变太多，通过实时截取单位时间内水位变化率提前判断汽包水位的变化趋势，并在控制系统中给予修正，从而提高系统的稳定性和安全性，并在一定程度上可以防止大水位波动的产生。

(2)开度自学习修正

当给水阀开度、放散阀开度、给水和蒸汽产量相对稳定，且汽包水位波动在设定值范围内时，在给定周期内计算并记录有效平均开度，实现汽包给水调节阀开度自学习。当判定产生大水位波动时，程序将采用给水量跟随蒸汽量信号的PID调节，且强制输出上个周期稳定时段的自学习开度进行迅速的补水。

(3)主冲量与辅冲量的比例调节

鉴于辅助PID在大水位偏差时迅速调节水位过程中效果明显，主PID在小水位偏差时稳定水位作用突出的特点，本发明在汽包水位调控上采取主冲量PID与辅冲量PID并联运行，比例作用给水调节阀的自动控制方式，满足汽包内进出介质流量平衡和水位平衡。在应付不可预知的大水位波动时，输出修正模块和辅冲量PID功能模块积极地调整和消除水位波动；在水位波动较小的正常生产过程中，主PID输出综合水位变化率修正和自学习开度修正，实现汽包水位的长期稳定控制。

如图1所示：PID调节回路1（PID1）是给水量（Qg）跟随水位（以水位为控制设定值）进行控制，以下称为主PID1调节。

PID调节回路2（PID2）是给水量（Qg）跟随蒸汽产量（以蒸汽产量为控制设定值）进行控制，以下称为辅PID2调节。

（1）汽包给水调节阀的输出信号为I。；主PID1输出、辅PID2输出、自学习开度输出三个信号通过加法器得到的输出信号如下式表示：

I。= G(K) *[F1(I1)+ F2(I2)]+ FZ(Z)             

K≥K1时：G(K)=K

K＜K1时：G(K)=1

其中：

G(K)为汽包水位斜率修正系数－即汽包水位变化率修正子模块的输出值；

FZ(Z) 表示自学习模块的输出信号－即给水调节阀开度自学习子模块的输出值 ；

F1(I1)：主PID1模块的输出信号；

F2(I2)：辅 PID2模块的输出信号 ；

K1为基准斜率；

K为单位时间内的平均斜率；                                                                           

I1 表示主PID1输出；                                     

I2 表示辅 PID2输出；                                  

Z 表示自学习输出；

（2） 又设

I′表示上一个稳态周期采集的输出信号；

F(I′)表示自学习模块的学习信号；

Ф表示主PID1的输出比例分配系数(0≤Ф≤1)；

1-Ф表示辅PID2的输出比例分配系数；

△L表示实际水位与设定水位在计算周期t内的平均偏差△L= (Lsp- Lpv)|_t；

Lsp 为水位设定值；

Lpv 为水位真实值；

L1为水位偏差基准值，可以是工艺设定值；

L0为水位波动范围时允许的最大偏差值，可以是工艺设定值；

Qg为给水量；

QZ为蒸汽产量；

QZ1为最小蒸汽产量；

（3）在单位稳定时间内︱△L︱＜L0且QZ≥QZ1 时：

F1(I1)= I1， F2(I2)= 0，FZ(Z)= 0，I。= G(K) *F1(I1)

此时当︱△L︱≤L1＜L0时，开始经验开度的计算，F(I′)= I′。

水位能稳定在设定范围内且蒸汽产量相对准确时，给水调节阀的输出为主PID1输出。热负荷变化不大、外界工况稳定时，汽包水位可在一定范围内能保持连续稳定。

（4）当︱△L︱≥L0或QZ＜QZ1 时：

F1(I1)=ФI1，F2(I2)=(1-Ф)I2，FZ(Z)=0

 I。=G(K) *[F1(I1)+F2(I2)]= G(K) *[ФI1+(1-Ф)I2]

当热负荷变化大或外界工况不稳定时，如蒸汽产量小且跳动或水位波动幅度大，此时主PID1与辅PID2同时作用于给水调节阀，对水位进行迅速的反应，以应付定期排污、手动操作不当、仪表测量不稳等因素引起的水位长时间连续波动。

(5) 在汽包出现大水位波动情况下△L

＞＞L0时：

 FZ(Z)= F(I′), F1(I1)=0， F2(I2)=I2，

I。=G(K) *F2(I2)+ FZ(Z)= G(K)* I2+ I′

当出现大水位波动时，上周期稳态下保存的自学习开度与辅PID2输出共同作用于给水调节阀，迅速在大水位波动的前期进行主动干预操作，从而减小大水位波动出现的水位波幅，起到缓冲作用，并缩短了回复到稳态的时间，降低大水位波动带来的负面影响。

该控制逻辑通过对水位测量值进行定时采样，跟踪并判别水位的发展趋势，在稳态时能够保持汽包水位长时间的静态平衡；在异常斜率出现时能适当修正汽包给水阀开度，主动削弱大水位波动趋势，保证水位的迅速稳定；当工况异常、热负荷波动大等状况出现时，依据斜率修正和自学习开度功能主动而迅速的响应大水位波动，使系统快速恢复平衡，从而使汽包系统在各种工况条件下都能更为可靠的运行。

该发明增强了汽包水位系统的抗干扰能力，提高了控制精度，降低了故障率。该控制系统对扰动工况有强大的适应能力，在正常工况下对水位有完美的调节效果，响应速度快，自动化水平高，极大地降低了劳动强度。

Claims (1)

1.一种汽包水位控制系统，其特征在于：所述控制系统包括：

控制系统包括主PID1控制回路、辅PID2控制回路和输出修正模块；

其中

主PID1控制回路以汽包水位为目标设定值，

辅PID2控制回路以蒸汽产量为目标设定值，

主、辅PID控制回路并行运行，计算汽包给水阀的开度值；

输出修正模块包括汽包水位变化率修正和给水调节阀开度自学习两个子模块，通过跟踪、判断汽包水位的波动斜率，辅以给水调节阀开度自学习结果修正给水调节阀的开度输出；

设汽包给水调节阀的输出信号为I。；

I。= G(K) *[F1(I1)+ F2(I2)]+ FZ(Z)       

K≥K1时：G(K)=K

K＜K1时：G(K)=1

在单位稳定时间内︱△L︱＜L0且QZ≥QZ1 时：

F1(I1)= I1， F2(I2)= 0，FZ(Z)= 0, I。= G(K) *F1(I1)

此时当︱△L︱≤L1＜L0时，开始经验开度的计算，F(I′)= I′；

当︱△L︱≥L0或QZ＜QZ1 时：

F1(I1)=ФI1，F2(I2)=(1-Ф)I2，FZ(Z)=0 

 I。=G(K) *[F1(I1)+F2(I2)] = G(K) *[ФI1+(1-Ф)I2]

在汽包出现大水位波动情况下△L                                                

＞＞L0时：

FZ(Z)= F(I′)，F1(I1)=0， F2(I2)=I2，

I。=G(K) *F2(I2)+ FZ(Z) = G(K)* I2+ I′

其中

G(K)为汽包水位斜率修正系数－即汽包水位变化率修正子模块的输出值；

F1(I1)：主PID1模块的输出信号；

F2(I2)：辅 PID2模块的输出信号；

FZ(Z) 表示自学习模块的输出信号－即给水调节阀开度自学习子模块的输出值 ；

K1为基准斜率；

K为单位时间内的平均斜率；                                                                            

I1 表示主PID1输出；                                      

I2 表示辅PID2输出；                                   

Z 表示自学习的输出；

I′表示上一个稳态周期采集的输出信号；

F(I′)表示自学习模块的学习信号 ；

Ф表示主PID1的输出比例分配系数(0<Ф<1)；

1-Ф表示辅PID2的输出比例分配系数；

△L表示实际水位与设定水位在计算周期t内的平均偏差△L= (Lsp- Lpv)|_t；

Lsp 为水位设定值；

Lpv 为水位真实值；

L1为水位偏差基准值，可以是工艺设定值；

L0为水位波动范围时允许的最大偏差值，可以是工艺设定值；

Qg为给水量；

QZ为蒸汽产量；

QZ1为最小蒸汽产量。

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