一種加熱爐汽包液位控制系統(tǒng)及控制方法
【技術領域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及乳鋼工業(yè)步進式加熱爐生產(chǎn)過程自動控制領域，具體涉及乳鋼加熱爐 汽包液位自動控制與調(diào)節(jié)方法。
【背景技術】
[0002] 汽化冷卻系統(tǒng)是步進式加熱爐的重要組成部分，汽化冷卻具有節(jié)能、節(jié)水、高效等 優(yōu)點。在汽化冷卻系統(tǒng)運行過程中一個重要的任務是通過調(diào)節(jié)給水量實現(xiàn)汽包內(nèi)液位的穩(wěn) 定。由于汽包是一個多因素高度耦合復雜水-汽平衡系統(tǒng)，在運行過程中會出現(xiàn)"虛假液 位"的現(xiàn)象，給液位穩(wěn)定控制帶來很大困難，嚴重時影響加熱爐安全生產(chǎn)。所謂"虛假液位" 是指在封閉的汽包內(nèi)，當壓力環(huán)境出現(xiàn)較大的擾動時，汽包內(nèi)的熱飽和水體突然會急劇釋 出大量飽和蒸汽，致使液體體積急劇膨脹，水位飆升。由于此時的水位并不能真實反映汽包 內(nèi)的水量情況，因此稱之為"虛假液位"。傳統(tǒng)的解決方式是采用"三沖量"控制方法，在閉 環(huán)調(diào)節(jié)的基礎上增加蒸汽流量和補水流量前饋以補償其水位的影響，但該方式屬于"黑匣" 建模方式，無視汽包液位形成機理，在實際工作中難以把握其運行規(guī)律，因此具有一定局限 性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為解決上述問題，本發(fā)明提出一種汽包液位控制系統(tǒng)及其控制方法，利用該系統(tǒng) 實現(xiàn)汽包液位的控制方法能夠更加更加有效地克服虛假液位的影響，降低液位過高或過低 的危險。
[0004] 本發(fā)明的技術方案是：一種加熱爐汽包液位控制系統(tǒng)，包括：真實液位預測模塊、 虛假液位預測模塊、主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器、第一加法器、第二加法器、給水調(diào)節(jié)閥、汽包；所述 真實液位預測模塊通過第一加法器與主調(diào)節(jié)器連接，所述虛假液位預測模塊與副調(diào)節(jié)器連 接，所述主調(diào)節(jié)器和所述副調(diào)節(jié)器均通過第二加法器與給水調(diào)節(jié)閥連接，所述給水調(diào)節(jié)閥 與汽包連接；
[0005] 所述真實液位預測模塊用于預測真實液位，并輸出真實液位預測值給第一加法 器；
[0006] 所述第一加法器用于計算液位設定值和真實液位預測值的差值，并將該差值輸出 給主調(diào)節(jié)器；所述主調(diào)節(jié)器根據(jù)該差值進行運算，并將運算結果輸出給第二加法器；
[0007] 所述虛假液位預測模塊用于預測虛假液位，并輸出虛假液位預測值給副調(diào)節(jié)器； 所述副調(diào)節(jié)器根據(jù)該虛假液位預測值進行運算，并將運算結果輸出給第二加法器；
[0008] 所述第二加法器用于計算主調(diào)節(jié)器運算結果和副調(diào)節(jié)器運算結果的差值，并將該 差值輸出給給水調(diào)節(jié)閥；所述給水調(diào)節(jié)閥根據(jù)該差值調(diào)節(jié)閥位，用于控制汽包的給水量。
[0009] 進一步地，所述真實液位預測模塊用于預測真實液位的預測模型公式為：1^ = 11(1 1)+K1(W_G) At，其中
式中l(wèi)i為真實液位，At為采樣周期，W為給水量， G為蒸汽輸出量，P為汽包內(nèi)水的密度，P'為汽包內(nèi)蒸汽的密度，F(xiàn)為汽包內(nèi)水汽分界面 面積。該模型公式是通過分析汽包液位的形成機理得到的，能更加真實地反映汽包液位形 成過程，準確把握汽化冷卻系統(tǒng)本質(zhì)，維持水-汽系統(tǒng)平衡。
[0010] 進一步地，本系統(tǒng)還包括：變送器和選擇開關；所述變送器輸入端與汽包連接、輸 出端通過選擇開關與真實液位預測模塊連接；所述變送器將汽包液位通過選擇開關傳送給 真實液位預測模塊，用于定期校正真實液位預測模塊的預測模型初始值，以防止累計誤差 的影響。
[0011] 進一步地，所述虛假液位預測模塊用于預測虛假液位的預測模型公式為：
f其中
，式中L為冷卻管長度，s 為冷卻管內(nèi)水流速度，F(xiàn)為汽包內(nèi)水汽分界面面積，P為汽包內(nèi)水的密度，hg為蒸汽比焓， hw為飽和液體比焓，Q為單位時間內(nèi)步進梁冷卻系統(tǒng)吸熱量，C為汽包蓄熱系數(shù)，p為汽包壓 力。該模型公式是通過分析汽包液位形成機理得到的，能有效預測虛假液位，能更加高效快 捷地采取適當?shù)拇胧┮哉{(diào)整給水量，降低液位過高或過低的危險。
[0012] 進一步地，所述主調(diào)節(jié)器為采用位置式PID調(diào)節(jié)算法的調(diào)節(jié)器。
[0013] 進一步地，所述副調(diào)節(jié)器為采用帶有死區(qū)及限幅的比例調(diào)節(jié)方式的調(diào)節(jié)器。
[0014] -種加熱爐汽包液位控制方法，包括以下步驟：
[0015] S1 :真實液位預測模塊利用公式1H= 1 Ul (W-G) △ t計算真實液位預測值，并 將真實液位預測值輸出給第一加法器；
[0016] S2 :第一加法器計算液位設定值和真實液位預測值的差值，并將該差值輸出給主 調(diào)節(jié)器；
[0017] S3 :主調(diào)節(jié)器利用位置式PID調(diào)節(jié)算法對步驟S2中的差值進行運算，并將運算結 果發(fā)送給第二加法器；
[0018] S4 :虛假液位預測模塊利用公式計算虛假液位預測 值，并將虛假液位預測值輸出給副調(diào)節(jié)器；
[0019] S5 :副調(diào)節(jié)器利用帶有死區(qū)及限幅的比例調(diào)節(jié)方式對步驟S4中的虛假液位預測 值進行運算，并將運算結果發(fā)送給第二加法器；
[0020] S6 :第二加法器計算主調(diào)節(jié)器運算結果和副調(diào)節(jié)器運算結果的差值，并將該差值 發(fā)送給給水調(diào)節(jié)閥；
[0021] S7 :給水調(diào)節(jié)閥根據(jù)步驟S6中的差值調(diào)節(jié)閥位。
[0022] 進一步地，步驟S1還包括：定期關閉選擇開關，校正真實液位預測模塊的預測模 型初始值。
[0023] 進一步地，步驟S1還包括：通過實測液位數(shù)據(jù)進行回歸分析得到I。
[0024] 進一步地，步驟S4還包括：通過實測方式列表給出K2。
[0025] 本發(fā)明提供的汽包液位控制系統(tǒng)和控制方法，由真實液位預測模塊、主調(diào)節(jié)器和 給水調(diào)節(jié)閥組成主回路，充分考慮到水與蒸汽不平衡而導致的水量變化是液位升降汽包形 成的主導因素，主調(diào)節(jié)器根據(jù)汽包真實水量情況進行調(diào)節(jié)，克服了傳統(tǒng)液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)由于 虛假液位可能造成的執(zhí)行機構反向動作的問題，即有效克服虛假液位對汽包液位的調(diào)節(jié)； 由虛假液位預測模塊、副調(diào)節(jié)器和給水調(diào)節(jié)閥組成副回路，考慮到虛假液位對汽包安全運 行的影響，當虛假液位預測模塊預測到虛假液位交嚴重的時候，副調(diào)節(jié)器可以超前采取適 當?shù)拇胧┮越档鸵何贿^高或過低的危險。
【附圖說明】
[0026] 圖1是本發(fā)明具體實施例結構框圖；
[0027] 圖2汽包液位變化示意圖；
[0028] 圖3是本發(fā)明具體實施例真實液位預測裝置結構示意圖；
[0029] 圖4是本發(fā)明具體實施例虛假液位預測裝置結構示意圖；
[0030] 圖5是本發(fā)明控制方法流程圖。
[0031] 圖中，1-虛假液位預測模塊，2-副調(diào)節(jié)器，3-主調(diào)節(jié)器，4-給水調(diào)節(jié)閥，5-汽包， 6_真實液位預測模塊，7-變送器，SU1-第一加法器，SU2-第二加法器，S-選擇開關。
【具體實施方式】
[0032] 下面結合附圖并通過具體實施例對本發(fā)明進行詳細闡述，以下實施例是對本發(fā)明 的解釋，而本發(fā)明并不局限于以下實施方式。
[0033] 如圖1所示，本發(fā)明提供的加熱爐汽包液位控制系統(tǒng)，包括：真實液位預測模塊6、 虛假液位預測模塊1、主調(diào)節(jié)器3、副調(diào)節(jié)器2、第一加法器SU1、第二加法器SU2、給水調(diào)節(jié)閥 4、汽包5。
[0034] 真實液位預測模塊6通過第一加法器SU1與主調(diào)節(jié)器3連接，虛假液位預測模塊1 與副調(diào)節(jié)器2連接，主調(diào)節(jié)器3和副調(diào)節(jié)器2均通過第二加法器SU2與給水調(diào)節(jié)閥4連接， 給水調(diào)節(jié)閥4與汽包5連接。
[0035] 真實液位預測模塊6用于預測真實液位，并輸出真實液位預測值給第一加法器 SUl〇
[0036] 第一加法器SU1的輸入值除真實液位預測值之外，還有液位設定值SP，第一加法 器SU1用于計算液位設定值SP和真實液位預測值的差值，并將該差值輸出給主調(diào)節(jié)器3 ; 主調(diào)節(jié)器3根據(jù)該差值進行運算，并將運算結果輸出給第二加法器SU2。
[0037] 虛假液位預測模塊1用于預測虛假液位，并輸出虛假液位預測值給副調(diào)節(jié)器2,副 調(diào)節(jié)器2根據(jù)該虛假液位預測值進行運算，并將運算結果輸出給第二加法器SU2。
[0038] 第二加法器SU2接收主調(diào)節(jié)器3運算結果和副調(diào)節(jié)器2運算結果后，計算兩者的 差值，并將該差值輸出給給水調(diào)節(jié)閥4,給水調(diào)節(jié)閥4根據(jù)該差值調(diào)節(jié)閥位，用于控制汽包5 的給水量，從而控制汽包5液位。
[0039] 主調(diào)節(jié)器3對給水調(diào)節(jié)閥4閥位的調(diào)節(jié)，即對汽包液位的調(diào)節(jié)是根據(jù)汽包真實水 量情況進行的調(diào)節(jié)，克服了傳統(tǒng)液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)由于虛假液位可能造成的執(zhí)行機構反向動作 的問題，該過程主要考慮汽包給水量與蒸汽量的平衡問題，所以主調(diào)節(jié)器3選擇采用位置 式PID調(diào)節(jié)算法的調(diào)節(jié)器。
[0040] 副調(diào)節(jié)器2根據(jù)接收的虛假液位預測值對給水調(diào)節(jié)閥4閥位進行補償，當虛假液 位預測值較大，即預測到虛假液位較嚴重時，副調(diào)節(jié)器2可以超前采取適當?shù)拇胧┮越档?液位過高或過低的危險，該過程主要反映暫態(tài)影響及瞬時影響，因此副調(diào)節(jié)器2選擇帶有 死區(qū)及限幅的比例調(diào)節(jié)方式的調(diào)節(jié)器。
[0041] 真實液位預測模塊6和虛假液位預測模塊1分別利用建立的模型對真實液位和虛 假液位進行預測，本發(fā)明通過對汽包液位形成機理的分析及預測，建立了真實液位預測模 塊6的預測模型公式和虛假液位預測模塊1的預測模型公式。
[0042] 汽包典型運行條件如下：汽包5運行于水一一汽平衡狀態(tài)，液位維持穩(wěn)定，此時如 果汽包蒸汽放散閥開啟，蒸汽輸出量出現(xiàn)階躍式上升，則其液位變化機理如圖2所示。曲線 1反映了該條件下給水量不變而汽包蒸汽出量增加產(chǎn)生的液位變化，液位以一定的斜率直 線下降。曲線2反映了因蒸汽放散導致汽包5內(nèi)壓力降低，液位以下部分的飽和水發(fā)生汽 化，水中的含汽量急劇增加，水汽混合物膨脹而導致的液位