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锅炉汽包水位限制系统的设计

文摘本文在详细分析了一些影响汽包水位对象限制主要因数的基础上，探讨了目前通常采纳的限制方法,深化分析

了水位对象模型的动静特性。首先从锅炉汽包内水的热平衡、物质平衡原理动身，推导出了用来描述锅炉水位对象

的通用机理限制模型，通过对几种限制方案的分析、探讨与比较，选三冲量系统作为最佳限制方案，并着力探讨三

冲量系统的特点。随后对其在PID的参数整定方面也进行了必要的分析，并略述了工程中须要留意的问题。在此基

础上，我们可以了解到汽包水位限制系统的新发展。

关键词锅炉汽包；水位限制；三冲量限制系统；PID；参数整定；最佳方案

1引言

1.1论文选题背景、目的和意义

随着电子产品的降价及自动化生产线工艺限制连续稳定优势的凸现，越来越多的企业打算将自己

的核心生产线改成全自动化生产线或者对个别关键工艺参数采纳自动限制。工业应用自控技术在中

国的推广运用较晚，但近年来发展较快。国内现在做汽包水位自动限制系统方面的设计公司许多，

但由于能够集工艺要求、自动化技术和电气技术三者于一体的设计不多，所以人们清晰地相识到自

动限制技术在工业应用中的重要地位和作用，在水位限制系统中，主要采纳“三冲量限制”方案来

实现锅炉汽包水位限制更是重中之重。

本设计是通过了解了锅炉汽包水位限制的发展并在详细分析其动、静特性的基础上从单冲量限

制到双冲量限制最终到三冲量限制的设计方案中择优选择了“三冲量”限制，详细的方案设计存在

的优缺点详见下文解析。

本课题的目的及意义：锅炉汽包水位限制是维持锅筒水位在允许的范围内，使锅炉的给水量适

应锅炉的蒸发量。由于锅炉的水位同时受到锅炉侧和气轮机侧的影响，因此，当锅炉负荷变更或气

轮机用汽量变更时，通过给水调整系统保持锅炉的水位正常是保证锅炉和气轮机平安运行的重要条

件。水位过高或过低，都是不允许的。水位过高会影响汽水分别器的正常工作，严峻时会导致蒸汽

带水增加，使过热器管壁和气轮机叶片结垢，造成事故；锅炉出口蒸汽带水过多还会使过热蒸汽温

度产生急剧变更。水位过低，则会破坏正常水循环，危及水冷壁受热面的平安。一般要求锅筒水位

维持在设计值±75~±100mm范围内。

电厂热工自动化限制的发展

自动限制理论及工程应用的发展至今已有100多年的历史，随着现代科学技术的飞速发展，自动

限制系统应用范围也越来越广泛。电厂热工系统更不例外主要表现在系统越来越大，高参数大容积，

除了对限制硬件提出了高牢靠性要求之外，对限制理论也不断提出新要求，希望能不断解决新出现

的限制难题，自动限制的发展主要包括两个方面：（1）限制理论的发展；（2）限制系统规模及组

成结构和硬件的发展。

自动限制理论的发展

“经典限制理论”阶段

上世纪50年头前发展的限制理论被称为“古典限制理论”。它主要探讨的自动限制系统为线性

定常系统，被控对象集中于SISO系统。经典限制理论所采纳的方法通常是以传递函数、频率特性、

根轨迹分布为基础的波德图法和根轨迹法，包括各种稳定性判据和对数频率特性。

“现代限制理论”阶段

60年头以后发展起来的现代限制理论主要探讨MIMO系统。系统可以是线性或非线性的，定常

或时变的。它采纳状态方程代替经典理论中的一个高阶微分方程式来描述系统，并且系统中各个变

量均为时间t的函数，因而属于时域分析方法。采纳状态方程的好处可以探讨系统的内部特性，可

以分析系统的本质。主要内容包括：（1）系统运动状态的描述和能控性、能观性分析；（2）李亚

谱诺夫稳定性理论和李亚谱诺夫函数，系统识别和卡尔曼滤波理论；（3）非线性系统限制；（4）

系统最优限制及自适应限制

“大系统理论和先进限制理论”阶段

前两个阶段的限制理论的发展与应用，主要探讨存在数学模型的自动限制系统，但是对于那些

不具有数学模型或很难找到数学模型的被控对象，应用经典限制理论的方法等无法解决。但是，由

于计算机技术的快速发展和价格的下降，使计算机的应用领域越来越宽，先进限制日益发展和应用

起来了。先进限制主要包括自适应限制、预料限制、智能限制、鲁棒限制等。人工智能学科的发展

促进了自动限制理论向着智能限制方向发展，而智能限制和具有智能化的自动限制系统又是人工智

能的一个既有广泛应用前景的探讨领域。70年头末起先的智能限制理论和大系统理论的探讨与应用，

是现代限制论在深度上和广度上的开拓，因此在限制工程界受到极大的关注，主要包括：专家系统、

神经网络和模糊限制、学习限制等。智能限制具有如下特点：