CN105258099B - 一种加热炉汽包液位控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种加热炉汽包液位控制系统及控制方法，控制系统包括：真实液位预测模块、虚假液位预测模块、主调节器、副调节器、第一加法器、第二加法器、给水调节阀、汽包；所述真实液位预测模块通过第一加法器与主调节器连接，所述虚假液位预测模块与副调节器连接，所述主调节器和所述副调节器均通过第二加法器与给水调节阀连接，所述给水调节阀与汽包连接；本发明主调节器根据汽包真实水量情况进行调节，克服了传统液位调节系统由于虚假液位可能造成的执行机构反向动作的问题，即有效克服虚假液位对汽包液位的调节；同时当虚假液位预测模块预测到虚假液位交严重的时候，副调节器可以超前采取适当的措施以降低液位过高或过低的危险。

Description

一种加热炉汽包液位控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及轧钢工业步进式加热炉生产过程自动控制领域，具体涉及轧钢加热炉汽包液位自动控制与调节方法。

背景技术

汽化冷却系统是步进式加热炉的重要组成部分，汽化冷却具有节能、节水、高效等优点。在汽化冷却系统运行过程中一个重要的任务是通过调节给水量实现汽包内液位的稳定。由于汽包是一个多因素高度耦合复杂水-汽平衡系统，在运行过程中会出现“虚假液位”的现象，给液位稳定控制带来很大困难，严重时影响加热炉安全生产。所谓“虚假液位”是指在封闭的汽包内，当压力环境出现较大的扰动时，汽包内的热饱和水体突然会急剧释出大量饱和蒸汽，致使液体体积急剧膨胀，水位飙升。由于此时的水位并不能真实反映汽包内的水量情况，因此称之为“虚假液位”。传统的解决方式是采用“三冲量”控制方法，在闭环调节的基础上增加蒸汽流量和补水流量前馈以补偿其水位的影响，但该方式属于“黑匣”建模方式，无视汽包液位形成机理，在实际工作中难以把握其运行规律，因此具有一定局限性。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种汽包液位控制系统及其控制方法，利用该系统实现汽包液位的控制方法能够更加更加有效地克服虚假液位的影响，降低液位过高或过低的危险。

本发明的技术方案是：一种加热炉汽包液位控制系统，包括：真实液位预测模块、虚假液位预测模块、主调节器、副调节器、第一加法器、第二加法器、给水调节阀、汽包；所述真实液位预测模块通过第一加法器与主调节器连接，所述虚假液位预测模块与副调节器连接，所述主调节器和所述副调节器均通过第二加法器与给水调节阀连接，所述给水调节阀与汽包连接；

所述真实液位预测模块用于预测真实液位，并输出真实液位预测值给第一加法器；

所述第一加法器用于计算液位设定值和真实液位预测值的差值，并将该差值输出给主调节器；所述主调节器根据该差值进行运算，并将运算结果输出给第二加法器；

所述虚假液位预测模块用于预测虚假液位，并输出虚假液位预测值给副调节器；所述副调节器根据该虚假液位预测值进行运算，并将运算结果输出给第二加法器；

所述第二加法器用于计算主调节器运算结果和副调节器运算结果的差值，并将该差值输出给给水调节阀；所述给水调节阀根据该差值调节阀位，用于控制汽包的给水量。

进一步地，所述真实液位预测模块用于预测真实液位的预测模型公式为：l_1i＝l_1(i-1)+K₁(W-G)△t，其中式中l₁为真实液位，△t为采样周期，W为给水量，G为蒸汽输出量，ρ为汽包内水的密度，ρ'为汽包内蒸汽的密度，F为汽包内水汽分界面面积。该模型公式是通过分析汽包液位的形成机理得到的，能更加真实地反映汽包液位形成过程，准确把握汽化冷却系统本质，维持水-汽系统平衡。

进一步地，本系统还包括：变送器和选择开关；所述变送器输入端与汽包连接、输出端通过选择开关与真实液位预测模块连接；所述变送器将汽包液位通过选择开关传送给真实液位预测模块，用于定期校正真实液位预测模块的预测模型初始值，以防止累计误差的影响。

进一步地，所述虚假液位预测模块用于预测虚假液位的预测模型公式为：其中式中L为冷却管长度，s为冷却管内水流速度，F为汽包内水汽分界面面积，ρ为汽包内水的密度，h_g为蒸汽比焓，h_w为饱和液体比焓，Q为单位时间内步进梁冷却系统吸热量，C为汽包蓄热系数，p为汽包压力。该模型公式是通过分析汽包液位形成机理得到的，能有效预测虚假液位，能更加高效快捷地采取适当的措施以调整给水量，降低液位过高或过低的危险。

进一步地，所述主调节器为采用位置式PID调节算法的调节器。

进一步地，所述副调节器为采用带有死区及限幅的比例调节方式的调节器。

一种加热炉汽包液位控制方法，包括以下步骤：

S1：真实液位预测模块利用公式l_1i＝l_1(i-1)+K₁(W-G)△t计算真实液位预测值，并将真实液位预测值输出给第一加法器；

S2：第一加法器计算液位设定值和真实液位预测值的差值，并将该差值输出给主调节器；

S3：主调节器利用位置式PID调节算法对步骤S2中的差值进行运算，并将运算结果发送给第二加法器；

S4：虚假液位预测模块利用公式计算虚假液位预测值，并将虚假液位预测值输出给副调节器；

S5：副调节器利用带有死区及限幅的比例调节方式对步骤S4中的虚假液位预测值进行运算，并将运算结果发送给第二加法器；

S6：第二加法器计算主调节器运算结果和副调节器运算结果的差值，并将该差值发送给给水调节阀；

S7：给水调节阀根据步骤S6中的差值调节阀位。

进一步地，步骤S1还包括：定期关闭选择开关，校正真实液位预测模块的预测模型初始值。

进一步地，步骤S1还包括：通过实测液位数据进行回归分析得到K₁。

进一步地，步骤S4还包括：通过实测方式列表给出K₂。

本发明提供的汽包液位控制系统和控制方法，由真实液位预测模块、主调节器和给水调节阀组成主回路，充分考虑到水与蒸汽不平衡而导致的水量变化是液位升降汽包形成的主导因素，主调节器根据汽包真实水量情况进行调节，克服了传统液位调节系统由于虚假液位可能造成的执行机构反向动作的问题，即有效克服虚假液位对汽包液位的调节；由虚假液位预测模块、副调节器和给水调节阀组成副回路，考虑到虚假液位对汽包安全运行的影响，当虚假液位预测模块预测到虚假液位交严重的时候，副调节器可以超前采取适当的措施以降低液位过高或过低的危险。

附图说明

图1是本发明具体实施例结构框图；

图2汽包液位变化示意图；

图3是本发明具体实施例真实液位预测装置结构示意图；

图4是本发明具体实施例虚假液位预测装置结构示意图；

图5是本发明控制方法流程图。

图中，1-虚假液位预测模块，2-副调节器，3-主调节器，4-给水调节阀，5-汽包，6-真实液位预测模块，7-变送器，SU1-第一加法器，SU2-第二加法器，S-选择开关。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例对本发明进行详细阐述，以下实施例是对本发明的解释，而本发明并不局限于以下实施方式。

如图1所示，本发明提供的加热炉汽包液位控制系统，包括：真实液位预测模块6、虚假液位预测模块1、主调节器3、副调节器2、第一加法器SU1、第二加法器SU2、给水调节阀4、汽包5。

真实液位预测模块6通过第一加法器SU1与主调节器3连接，虚假液位预测模块1与副调节器2连接，主调节器3和副调节器2均通过第二加法器SU2与给水调节阀4连接，给水调节阀4与汽包5连接。

真实液位预测模块6用于预测真实液位，并输出真实液位预测值给第一加法器SU1。

第一加法器SU1的输入值除真实液位预测值之外，还有液位设定值SP，第一加法器SU1用于计算液位设定值SP和真实液位预测值的差值，并将该差值输出给主调节器3；主调节器3根据该差值进行运算，并将运算结果输出给第二加法器SU2。

虚假液位预测模块1用于预测虚假液位，并输出虚假液位预测值给副调节器2，副调节器2根据该虚假液位预测值进行运算，并将运算结果输出给第二加法器SU2。

第二加法器SU2接收主调节器3运算结果和副调节器2运算结果后，计算两者的差值，并将该差值输出给给水调节阀4，给水调节阀4根据该差值调节阀位，用于控制汽包5的给水量，从而控制汽包5液位。

主调节器3对给水调节阀4阀位的调节，即对汽包液位的调节是根据汽包真实水量情况进行的调节，克服了传统液位调节系统由于虚假液位可能造成的执行机构反向动作的问题，该过程主要考虑汽包给水量与蒸汽量的平衡问题，所以主调节器3选择采用位置式PID调节算法的调节器。

副调节器2根据接收的虚假液位预测值对给水调节阀4阀位进行补偿，当虚假液位预测值较大，即预测到虚假液位较严重时，副调节器2可以超前采取适当的措施以降低液位过高或过低的危险，该过程主要反映暂态影响及瞬时影响，因此副调节器2选择带有死区及限幅的比例调节方式的调节器。

真实液位预测模块6和虚假液位预测模块1分别利用建立的模型对真实液位和虚假液位进行预测，本发明通过对汽包液位形成机理的分析及预测，建立了真实液位预测模块6的预测模型公式和虚假液位预测模块1的预测模型公式。

汽包典型运行条件如下：汽包5运行于水——汽平衡状态，液位维持稳定，此时如果汽包蒸汽放散阀开启，蒸汽输出量出现阶跃式上升，则其液位变化机理如图2所示。曲线1反映了该条件下给水量不变而汽包蒸汽出量增加产生的液位变化，液位以一定的斜率直线下降。曲线2反映了因蒸汽放散导致汽包5内压力降低，液位以下部分的饱和水发生汽化，水中的含汽量急剧增加，水汽混合物膨胀而导致的液位上升。曲线3为该工况下的实际测量曲线，是曲线1和曲线2的叠加。

基于以上机理，本发明设计真实液位预测模块6的预测模型公式和虚假液位预测模块1的预测模型公式。

1、真实液位预测模块6的预测模型公式。该装置反映汽包5内真实水量变化情况的液位，可对真实液位进行预测，汽包5真实液位的变化率可用如下公式表示：

式中，l₁——真实液位；t——采样时间；W——给水量；G——蒸汽输出量；ρ——汽包内水的密度；ρ'——汽包内蒸汽的密度；F——汽包内水汽分界面面积。

式(1)中W和G可以通过流量计实际测得，而在汽包运行过程中，ρ、ρ'和F的变化很小，可以忽略不计，式(1)中有关这三个参数的因子可以简化为一常数K₁，因此式(1)简化得到：

由式(2)可知，真实液位的变化和汽包5内的水汽不平衡程度成线性关系，根据图1所述的机理分析可知，曲线1和曲线3在稳定之后的斜率是相同的，因此可以通过实测水位数据进行回归分析得到曲线稳定段的斜率，进而确定参数K₁的值。为实现自动化运算，对式(2)采用离散化的方法得到如下公式：

l_1i＝l_1(i-1)+K₁(W-G)△t (3)

式(3)即为真实液位预测模块6的预测模型公式，据此公式设计的预测模型输入量为给水量W和蒸汽流量G，输出量为真实预测液位l_1i，即真实液位的预测值。在实际使用过程中，为防止累计误差的影响，应定期校正初始液位l₁₍₀₎，为此在本系统中设置变送器7和选择开关S，变送器7输入端与汽包5连接、输出端通过选择开关S与真实液位预测模块6连接。变送器7将汽包5液位通过选择开关S传送给真实液位预测模块6，用于定期校正真实液位预测模块6的预测模型初始值，以防止累计误差的影响。真实液位预测模块6的结构示意图如图3所示，图中Z^-1的含义是取上一个更新周期的值，即取l_1i在上一个更新周期的值l_1(i-1)。

2、虚假液位预测模块1的预测模型公式。“虚假液位”是由汽包5压力和吸热量变化导致的液体体积短时间内急剧变化，其影响因素复杂且成非线性特点，其虚假液位变化率具体公式如下：

式中，l₂——虚假液位；t——采样时间；L——冷却管长度；s——冷却管内水流速度；F——汽包内水汽分界面面积；ρ——汽包内水的密度；h_g——蒸汽比焓；h_w——饱和液体比焓；Q——单位时间内步进梁冷却系统吸热量；C——汽包蓄热系数；p——汽包压力。

实际应用中式(4)可以简化为：

式(5)中为一非线性系数，可以通过实测方式列表给出；在正常工况下近似为一常数，可以由经验给出；对式(5)采用离散化的方法得到如下公式：

式(6)是虚假液位预测模块1的预测模型公式，据此公式设计的预测模型输入量为汽包压力两次采样之间△p和采样周期△t，输出量为虚假预测液位l_2i，即虚假液位的预测值。在实际使用过程中，为防止累计误差的影响，应定期对l₂₍₀₎进行校正，虚假液位预测模块1结构示意图如图4所示，图中Z^-1的含义是取上一个更新周期的值，即取l_2i在上一个更新周期的值l_2(i-1)。

本发明提供的加热炉汽包液位控制系统的控制方法，包括以下步骤：

S1：真实液位预测模块利用公式l_1i＝l_1(i-1)+K₁(W-G)△t计算真实液位预测值，并将真实液位预测值输出给第一加法器；

S2：第一加法器计算液位设定值和真实液位预测值的差值，并将该差值输出给主调节器；

S3：主调节器利用位置式PID调节算法对步骤S2中的差值进行运算，并将运算结果发送给第二加法器；

S4：虚假液位预测模块利用公式计算虚假液位预测值，并将虚假液位预测值输出给副调节器；

S5：副调节器利用带有死区及限幅的比例调节方式对步骤S4中的虚假液位预测值进行运算，并将运算结果发送给第二加法器；

S6：第二加法器计算主调节器运算结果和副调节器运算结果的差值，并将该差值发送给给水调节阀；

S7：给水调节阀根据步骤S6中的差值调节阀位。

其中，步骤S1进一步包括定期关闭选择开关、以校正真实液位预测模块的预测模型初始值，和通过实测液位数据进行回归分析得到K₁。步骤S4进一步包括通过实测方式列表给出K₂。

以上公开的仅为本发明的优选实施方式，但本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的没有创造性的变化，以及在不脱离本发明原理前提下所作的若干改进和润饰，都应落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种加热炉汽包液位控制系统，其特征在于，包括：真实液位预测模块、虚假液位预测模块、主调节器、副调节器、第一加法器、第二加法器、给水调节阀、汽包；所述真实液位预测模块通过第一加法器与主调节器连接，所述虚假液位预测模块与副调节器连接，所述主调节器和所述副调节器均通过第二加法器与给水调节阀连接，所述给水调节阀与汽包连接；

所述真实液位预测模块用于预测真实液位，并输出真实液位预测值给第一加法器；

所述第一加法器用于计算液位设定值和真实液位预测值的差值，并将该差值输出给主调节器；所述主调节器根据该差值进行运算，并将运算结果输出给第二加法器；

所述虚假液位预测模块用于预测虚假液位，并输出虚假液位预测值给副调节器；所述副调节器根据该虚假液位预测值进行运算，并将运算结果输出给第二加法器；

所述第二加法器用于计算主调节器运算结果和副调节器运算结果的差值，并将该差值输出给给水调节阀；所述给水调节阀根据该差值调节阀位，用于控制汽包的给水量。

2.根据权利要求1所述的加热炉汽包液位控制系统，其特征在于，所述真实液位预测模块用于预测真实液位的预测模型公式为：l_1i＝l_1(i-1)+K₁(W-G)△t，其中式中l₁为真实液位，△t为采样周期，W为给水量，G为蒸汽输出量，ρ为汽包内水的密度，ρ'为汽包内蒸汽的密度，F为汽包内水汽分界面面积，l_1i为第i周期真实液位的预测值，l_1(i-1)为第i-1周期真实液位的预测值。

3.根据权利要求2所述的加热炉汽包液位控制系统，其特征在于，还包括：变送器和选择开关；所述变送器输入端与汽包连接、输出端通过选择开关与真实液位预测模块连接；所述变送器将汽包液位通过选择开关传送给真实液位预测模块，用于定期校正真实液位预测模块的预测模型初始值。

4.根据权利要求1所述的加热炉汽包液位控制系统，其特征在于，所述虚假液位预测模块用于预测虚假液位的预测模型公式为：其中式中L为冷却管长度，s为冷却管内水流速度，F为汽包内水汽分界面面积，ρ为汽包内水的密度，h_g为蒸汽比焓，h_w为饱和液体比焓，Q为单位时间内步进梁冷却系统吸热量，C为汽包蓄热系数，p为汽包压力，l_2i为第i周期虚假液位的预测值，l_2(i-1)为第i-1周期虚假液位的预测值，△t为采样周期，t为采样时间。

5.根据权利要求1所述的加热炉汽包液位控制系统，其特征在于，所述主调节器为采用位置式PID调节算法的调节器。

6.根据权利要求1所述的加热炉汽包液位控制系统，其特征在于，所述副调节器为采用带有死区及限幅的比例调节方式的调节器。

7.一种加热炉汽包液位控制方法，其特征在于，包括：真实液位预测模块、虚假液位预测模块、主调节器、副调节器、第一加法器、第二加法器、给水调节阀、汽包；所述真实液位预测模块通过第一加法器与主调节器连接，所述虚假液位预测模块与副调节器连接，所述主调节器和所述副调节器均通过第二加法器与给水调节阀连接，所述给水调节阀与汽包连接；

包括以下步骤：

S1：真实液位预测模块利用公式l_1i＝l_1(i-1)+K₁(W-G)△t计算真实液位预测值，并将真实液位预测值输出给第一加法器；其中式中l₁为真实液位，△t为采样周期，W为给水量，G为蒸汽输出量，ρ为汽包内水的密度，ρ'为汽包内蒸汽的密度，F为汽包内水汽分界面面积；l_1i为第i周期真实液位的预测值，l_1(i-1)为第i-1周期真实液位的预测值；

S2：第一加法器计算液位设定值和真实液位预测值的差值，并将该差值输出给主调节器；

S3：主调节器利用位置式PID调节算法对步骤S2中的差值进行运算，并将运算结果发送给第二加法器；

S4：虚假液位预测模块利用公式计算虚假液位预测值，并将虚假液位预测值输出给副调节器；其中 式中L为冷却管长度，s为冷却管内水流速度，F为汽包内水汽分界面面积，ρ为汽包内水的密度，h_g为蒸汽比焓，h_w为饱和液体比焓，Q为单位时间内步进梁冷却系统吸热量，C为汽包蓄热系数，p为汽包压力；l_2i为第i周期虚假液位的预测值，l_2(i-1)为第i-1周期虚假液位的预测值，△t为采样周期，t为采样时间；

S5：副调节器利用带有死区及限幅的比例调节方式对步骤S4中的虚假液位预测值进行运算，并将运算结果发送给第二加法器；

S6：第二加法器计算主调节器运算结果和副调节器运算结果的差值，并将该差值发送给给水调节阀；

S7：给水调节阀根据步骤S6中的差值调节阀位。

8.根据权利要求7所述的加热炉汽包液位控制方法，其特征在于，还包括：变送器和选择开关；所述变送器输入端与汽包连接、输出端通过选择开关与真实液位预测模块连接；

步骤S1还包括：定期关闭选择开关，校正真实液位预测模块的预测模型初始值。

9.根据权利要求7所述的加热炉汽包液位控制方法，其特征在于，步骤S1还包括：通过实测液位数据进行回归分析得到K₁。

10.根据权利要求7所述的加热炉汽包液位控制方法，其特征在于，步骤S4还包括：通过实测方式列表给出K₂。