过程控制课程设计

过程控制仪表课程设计

题目：锅炉汽包水位控制系统 姓名： 班级： 学号： 学院： 指导老师： 2011年1月5日

1. 锅炉汽包水位控制系统简介

锅炉是一个复杂的被控对象，主要输入变量包括符合的蒸汽需求量、给水量、燃料量、减温水量、送风量和引风量等；主要输出变量有锅筒水位、蒸汽压力、过热蒸汽温度、炉膛负压、过剩空气（烟气含氧量）等，图1-1所示为输入变量与输出变量之间的相互关系。如果蒸汽符合变化或给水量发生变化，会引起锅筒水位、蒸汽压力和过热蒸汽温度等的变化；而燃料量的变化不仅影响蒸汽压力，还会影响锅筒水位、过热蒸汽温度、过剩空气和炉膛负压、可见，锅炉是一个具有多输入、多输出且变量之间相互关联的被控对象。

图1-1 锅炉的输入输出变量示意图

1.1锅炉汽包水位自动控制的意义

锅筒水位是保证锅炉安全运行的重要指标。水位过低时，如果符合（蒸汽用量）较大，水的气话速度又快，使锅筒内的水量变化速度较快，一旦锅炉内的水全部气话，会导致锅炉烧坏，甚至爆炸；水位过高、影响锅筒的汽水分离，产生蒸汽带液现象，是过热器关闭结垢导致损坏，同时过热蒸汽温度下架，容易损坏汽轮机叶片，影响机组运行的安全和经济性。因此，必须严格控制锅筒水位的高低。 1.2锅炉液位控制的难点

液位的控制技术是通过控制进水或出水阀门的开度，改变水流量来实现的，而水温的控制是通过调节加热的功率来实现的。锅炉液位的控制是锅炉控制系统较为重要和比较难于控制的一项。由于在锅炉运行过程中存在进水量和出水量的变化，所以很难通过调整PID控制器参数来满足所有的运行条件，获得理想的控制效果。调整过量会导致流量回路动作频繁，从而给下游设备带来了额外的干扰。这样就导致液位控制器通常处于欠调正状态允许液位在一定范围内波动，以减小出水量的变化。然而，欠调正的PID不能及时抑制大扰动，这就可能引起锅炉运行的安全问题。另外，液位的波动也会破坏锅炉运行过程的稳定，使得蒸汽输送等不易控制。影响锅炉液位的关键变量有给水流量，蒸汽出口流量和混合燃料的进料量。各变量都有各自不同的扰动。较冷的给水造成相应的纯滞后。蒸汽流出量的突然增加造成了典型的“假水位”现象，使得过程暂时改变了方向，容易产生误操作而导致发生事故。 1.3.“虚假水位”的成因及对策

锅筒水位是保证锅炉安全运行的重要标志。水位过低时，如果负荷（蒸汽用量）较大，睡的汽化速度又快，使锅筒内的水量变化速度较快，一旦锅筒内的水全部汽化，会导致锅炉烧坏，甚至爆炸；水位过高，影响锅筒的汽水分离，产生蒸汽带液现象，是过热器关闭结垢导致损坏，同时过热蒸汽温度下降，容易孙华汽轮机叶片，影响机组运行的安全和经济性。因此，必须严格控制锅筒水位的高低。 1.4.锅筒水位的动态特性

锅筒水位的最大特点是水中央夹带着大量蒸汽气泡。在锅筒内水量不变的情况下，蒸汽

气泡体积的变化会引起锅筒水位的变化。蒸汽气泡的体积取决于锅筒压力、锅筒内水温和负荷需求。因此，影响锅筒水位主要有给水量、蒸汽用量等因素。

a. 给水量

当给水量发生变化时，锅筒水位的影响曲线如图2-1所示。锅筒和给水系统可看做单容无自衡对象，则理论上水位响应过程如图中曲线H1。由于给水温度低于锅筒内的饱和水温度，所以给水量变化回事锅筒中气泡含量减少，从而导致水位下降。实际水位响应曲线如图中曲线H表示，可见在给水量增加后，锅筒水位经过一段时间延迟τ才呈现升高趋势，二者之间的这种动态特性描述为

H(s)ε0?τs?e W(s)s 给水温度越低，纯滞后时间τ也越大。一般τ为15~100s。 b. 蒸汽用量

在燃料维持不变的条件下，蒸汽用量的增加使锅筒水位降低。但是由于锅筒的汽水混合特性，在蒸汽用量突然增加时，锅筒压力会顺势下降，使锅筒内水的沸腾骤然加剧，水中气泡增加，导致整个水位瞬间升高，形成虚假的水位上升现象，即所谓“假水位”现象。

图2-2蒸汽用量发生阶跃变化情况。可见，当蒸汽用量D突然增加时，由于假水位现象，在响应前期水位先上升，后下降。实际水位的变化H，是由未考虑水中气泡容积变化的水位变化H1，与水中气泡容积变化所引起的水位变化H2的叠加

H(s)?H1(s)?H2(s)K2 H(s)H(s)H(s)ε0?????D(s)D(s)D(s)sT2s?1

式中ε0——反映物质平衡关系的水位飞升速度； K2、T2——H2的增益和时间常数。

假水位变化的大小与锅炉的工作压力和蒸发量等有关，例如一般100~300t/h的中高压锅炉，当负荷突然变化10%时，假水位可达30~40mm。

D W t H H1 H2 H H1 H H2 t H t t 图2-1 给水流量作用下水位的节约响应曲线 图2-2 蒸汽用量扰动下水位的阶跃响应曲线

1.5锅筒水位的控制方案选定

根据锅筒水位特性，选取锅筒水位为被控量，给水量为控制量，蒸汽用量等位干扰量，通过控制给水量来使锅筒水位维持在满足负荷需求的高度。同时，为保证锅炉安全生产，调节节水量的执行机构选取气关式；但若考虑汽轮机的安全运行，调节给水量的执行结垢选取气开式为宜。

a. 单冲量控制系统

所谓单冲量就是指锅筒水位，构成的控制系统如图2-3所示。可见，它根据当前锅筒水位来确定给水量，是一个单回路控制系统。

当蒸汽用量突然增加时，应该加大给水量以满足负荷需求；但是由于假水位现象，导致控制器会先减小给水量来抑制瞬间的水位升高，随着假水位消失，锅筒水位会在负荷增加和给水量减少的双重作用下，产生严重的水位下降，甚至发生危险。因此，该控制方案不适用于负荷变动较大的情况。

b. 双冲量控制系统

蒸汽用量是影响锅筒水位最主要的扰动，也是造成假水位的主要因素。如果将蒸汽流量这一可测不可控的干扰作为前馈引入单冲量系统，就可以有效避免假水位引起的误动作，并及时控制水位，减小水位波动。由此，构成如图2-4所示的双冲量控制系统，其本质为前馈-反馈复合控制系统，即给水量不仅取决于锅筒水位，还受到蒸汽用量影响。

可见，该控制方案能有效适应负荷需求变化，但对给水系统中的水压等干扰因素造成的波动不能及时抑制。

c. 三冲量控制系统

为进一步改善控制品质，引入给水流量信号，构成三冲量控制系统，如图2-5所示。所谓三冲量，值得是引入了三个测量信号：锅筒水位、给水流量和蒸汽流量。三冲量控制本质上时前馈-串级复合控制系统：主回路实现水位调节，副回路使给水流量能适应负荷和水位要求。

蒸汽 蒸汽 LLFLFC 省煤器 给水 L给水 Σ 图2-5 单冲量控制系统 图2-6 双冲量控制系统

蒸汽 LF1T L水位蒸汽给水 LF1C 省煤器C0+C1OL+OF1 因为是小型锅炉，故选单冲量控制系统即可 ++

给水 F2Σ F2C 图2-7 三冲量控制系统 图2-8 三冲量控制系统连接关系

变送器 流量调节器 调节机构 变送器

锅炉给水调节阀概述：

STB锅炉给水调节阀是一种新颖的压力平衡套筒结构高压差调节阀。阀内组件的套筒和阀芯是一种多孔和串级的混合结构，流体先经过套筒窗口进行第一级节流，再经过三级连续串级节流，允许压差大，密封性好，流体通道呈S流线型，流量大，调节阀动态稳定性好。

该阀是火力发电厂锅炉给水系统的重要调节阀之一，也可适用于石油化工等其他工业的自动控制系统控制高压差流体，可配电动执行机构和气动执行机构。 该阀具有以下优点：

阀内组件结构新颖，采用套筒节流，有效控制流速在30m/s左右。

节流面与阀座密封面分开，有效保护密封面，密封性能优良，使用寿命长。 阀内组件采用高强度不锈钢制造，零件表面经过硬化处理，硬度可达到HRC70左右，抗冲刷能力强。

阀芯采用压力平衡式结构，减少流体作用在阀芯上的不平衡力。

图3-1 STB给水阀结构示意图

表1 KV值和行程

公称通径 50 80 KV值 27 行程mm 25 38

表2 外形尺寸 公称通径DN B 50 385 80 100 310 125 390 150 727 200 390 技术参数和性能 阀 体

100 78 38 150 135 50 200 198 75 250 300 100 100 T 258 750 895 985 H 190 225 管道规格 76*10 133*16 168*22 194*25 273*36 形 式 锻造直通式

公称通径 DN50,80,100,150,200,250,300 公称压力 PN25,32Mpa 连接形式 BW焊接形式 材 料 20#锻钢 工作温度 小于420度 压盖形式 螺栓压紧式

填 料 高温石墨编织填料 阀内组件

阀芯形式 压力平衡串级式 流量特性 等百分比特性 套筒形式 分离式

材 料 特种不锈钢表面硬化处理 执行机构

形 式 气动活塞执行机构或电动执行机构 环境温度 -30-70度

作用形式 气-关式或电—关式

附 件 定位器，手轮机构，行程开关，电磁阀，阀位传送器等 性能

泄流量 小于额定KV值的0.01%，符合ANSI B16.104—1976 IV级 回 差 小于全行程的1（带定位器） 线 性 小于全行程的+-1（带定位器）

SK1151/3351LT型法兰式液位变送器

SK1151/3351LT型法兰式液位变送器是我公司引进国外先进技术和设备生产的新型变送器，关键原材料，元器件和零部件均源自进口，整机经过严格组装和测试，该产品具有设计原理先进、品种规格齐全、安装使用简便等特点。由于该机型外观上完全融合了目前国内最为流行，并被广泛使用的两种变送器（罗斯蒙特3051与横河EJA）的结构优点，让使用者有耳目一新的感觉，同时与传统的系列产品在安装上可直接替换，有很强的通用性和替代能力。为适合国内自动化水平的不断提高和发展，该系列产品除设计小巧精致外，更推出具有HART现场总线协议的智能化功能。 模拟型特点

● 精度高

● 量程、零点外部连续可调 ● 稳定性能好

● 正迁移可达500%、负迁移可达600% ● 二线制

● 阻尼可调、耐过压 ● 固体传感器设计

● 无机械可动部件、维修量少 ● 重量轻（2.4kg）

● 全系列统一结构、互换性强 ● 小型化（166mm总高） ● 接触介质的膜片材料可选 ● 单边抗过压强

● 低压浇铸铝合金壳体

智能型特点：

●超级的测量性能，用于压力、差压、液位、流量测量 ●数字精度：+（-）0.05%

●模拟精度：+（-）0.75%+（-）0.1%F.S ●全性能：+（-）0.25F.S ●稳定性：0.25% 60个月 ●量程比：100：1 ●测量速率：0.2S

●小型化（2.4kg）全不锈钢法兰，易于安装 ●过程连接与其它产品兼容，实现最佳测量

●世界上唯一采用H合金护套的传感器（专利技术），实现了优良的冷、热稳定性

●采用16位计算机的智能变送器

●标准4-20mA，带有基于HART协议的数字信号，远程操控 ●支持向现场总线与基于现场控制的技术的升级。

SK1151/3351LT型法兰式液位变送器,可对各种容器进行精确的液位和密度测量，有平法兰和插入式法兰供选择，法兰有3英寸或4英寸，规格有1501b和3001b的法兰，也可根据用户定制法兰，法兰膜片材料可选。具体尺寸请咨询销售部或参看本公司相关样册。 测量范围 差压：0-6.2-690KPa 静压：2.5MPa

Z3160电子式电动执行机构

Z3160电器原理图

DY2000锅炉水位（带阀位显示跟踪）单冲量调节器

一、主要特点：

1. 双光柱双数字显示。

2. 可带阀位跟踪；手动时阀位自动跟踪，实现手动/自动无扰切换。 3. 传感器断线时自动输出安全阀位值。

二、DY2000锅炉水位（带阀位显示跟踪）单冲量调节器型谱 型 谱 说 明 DY 大延牌智能型仪表 2 SMT+开关电源(AC:85V～265V 50/60Hz) 1 宽×高×深：(160×80×115) mm 2 (80×160×115) mm GJ 锅炉水位（带阀位显示跟踪）单冲量调节器 V 调节器（1～5）V标准电压输出（O4） I 调节器（4～20）mA标准电流输出（O4） 0 无输出 1 报警（O2）+报警（O3） 9 用户特殊要求的输出 6 阀位信号：（4～20）mA 8 阀位信号：（1～5）V 6 适配（4～20）mA输入，量程自由设定 8 适配（1～5）V输入，量程自由设定 9 用户特殊要求的分度号 缺省为220VAC供电 D 24VDC供电 缺省为无附加24VDC馈电电源输出 P 附加24VDC馈电电源输出 缺省为不带串行通讯接口 2 RS232串行通讯接口 4 RS485串行通讯接口（带隔离） M Modbus协议

三 DY2000锅炉水位（带阀位显示跟踪）单冲量调节器接线图

仪表配接说明：

法兰液位变送器的5脚6脚分别接1~5V电源的正负极，4脚接地，7脚和8分别接DY2000调节器的1脚和2脚，给水阀的1脚和2脚分别接DY2000调节器的7脚和8脚， DY2000调节器的16脚和17脚分别接Z3160式电子执行机构的1脚和2脚，Z3160式电子式执行就的3脚和4脚分别接给水阀的3脚和4脚，5脚和6脚分别接220V电源的负极和正极。

参考书目

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