锅炉汽包水位单回路控制系统设计说明书.doc

中北大学课程设计说明书1、锅炉及锅炉汽包的简述1.1、锅炉的基础锅炉是工厂重要的动力设备，其要求是供给合格蒸汽，使锅炉发汽量适应负荷的需要。为此，生产过程的各个主要工艺参数必须严格控制。锅炉设备是一个复杂的被控对象，主要输入变量是负荷，锅炉给水，燃料量，减温水，送风和引风等。主要输出变量是汽包水位，蒸汽压力，过热蒸汽温度，炉膛负压，过剩空气（烟气含量）等。这些输入变量与输出变量之间的相互关联。如果蒸汽负荷发生变化，必将会引起汽包水位，蒸汽压力和过热蒸汽温度等的变化。燃料量的变化不仅影响蒸汽压力，同时还会影响汽包水位，过热蒸汽温度，过剩空气和炉膛负压；给水量的变化不仅影响汽包水位，而且对蒸汽压力，过热蒸汽温度等亦有影响；减温水的变化会导致过热蒸汽温度，蒸汽压力，汽包水位等的变化等。所以锅炉设备是一个多输入，多输出且相互关联的被控对象。11.2、锅炉水位控制在工业控制系统中的重要性锅炉是一种受压又直接受火的特种设备，是工业生产中的常用设备。对锅炉生产如果操作不合理，管理不善，处理不当，往往会引起事故，轻则停炉影响生产，重则造成爆炸，造成人身伤亡，损坏厂房、设备，后果十分严重。因此，锅炉的安全问题是一项非常重要的问题，必须引起高度重视。工业锅炉中最常见的事故有：锅内缺水，锅炉超压，锅内满水，汽水共腾，炉管爆破，炉膛爆破，二次燃烧，锅炉灭火等。其中以锅炉缺水事故比例最高。这些事故中的大部分是由于锅炉水位控制不当引起的，可见锅炉汽包水位控制在锅炉设备控制系统中的重要性。工业锅炉汽包水位控制的任务是，使跟踪锅炉的蒸发量并维持汽包水位在工艺允许的范围内。维持锅炉汽包水位在规定的范围内，是保证锅炉安全生产运行的必要条件，也是锅炉正常生产运行的主要指标之一。水位过高，会影响汽包内汽水分离效果，使汽包出口的饱和蒸汽带水增多，蒸汽带水会使汽轮机产生水冲击，引起轴封破损，叶片断裂等事故。同时会使饱和蒸汽中含盐量增高，降低过热蒸汽品质，增加在过热管壁上的结垢。水位过低则可造成水的急速蒸发，汽水自然循环破坏，局部水冷管壁被烧坏，严重时造成爆炸事故。因此，锅炉汽包水位必须严加控制。1.3 锅炉汽包的简介 汽包亦称锅筒。对于自然循环的水管锅炉来说，汽包是非常重要的部件，由封头和简体组焊而成。汽包内分成汽空间和水空间。用以进行蒸汽净化，对下降管进行可靠供水，保证锅炉正常水循环。自然循环的水循环回路由汽包、下降管、上升管和集箱组成。为了保证对下降管可靠供水，汽包中必须维持一定水位。汽包一般不直接受火焰的辐射热。低压锅炉的汽包有时则受到一定的烟气冲刷。对于水火管卧式锅壳式锅炉的汽包(锅筒)，则是位于炉膛上方，直接受到火焰的辐射热，如果水处理效果不好则导致锅筒底部水渣堆积和结垢，影响传热。这种锅炉锅筒下部鼓包变形多有发生，特别是热水锅炉更为严重。为此，原劳动部1991年颁发的热水锅炉安全技术监察规程明确规定，为了防止或减少此类事故的发生，锅炉制造单位在两年内必须采取有效措施加以解决，否则不准再生产。31.4锅炉汽包的作用1、是工质加热、蒸发、过热三过程的连接枢纽，保证锅炉正常的水循环；2、内部有汽水分离装置和连续排污装置，保证锅炉蒸汽品质；3、有一定水量，具有一定蓄热能力，缓和汽压的变化速度；4、汽包上有压力表、水位计、事故放水、安全阀等设备，保证锅炉安全运行。2、锅炉汽包的控制意义在实际生产运行中，锅炉的液位控制直接影响了锅炉是否正常运行以及运行的安全状况。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。3、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与控制的一项。由于锅炉运行过程中存在进水量的变化，所以很难通过调整pid控制其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。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。4、仪表的选型4.1电机的选型电机是锅炉汽包供水的动力设备，电机的准确选型关系到汽包能否准确供水进而影响到汽包水位的稳定。控制的锅炉蒸发量为：35t/h，汽包压力0.5mp，管道直径50mm因此可以对正常工作时电机的功率作如下估算： 2 由计算结果可以知道选用功率为100kw的三相异步电动机完全可以满足工作要求，由于使用变频调速不必选用绕线型异步电动机，选用鼠笼型电机就可以满足要求。 yjtg三相变频调速电机专门为变频调速设计,可以根据技术要求设定其额定电压为380v额定功率为100kw。4.2变频器的选型变频器是电机的供能设备，合理选择变频器关系到电机能否正常为汽包供水。由电机的选型可以知道电机在50hz三相交流电下工作时电机的功率大约是100kw，当三相交流电动机在基频以下工作时为恒转矩输出，而此时电机的转速会小于额定转速，因此电机的输出功率也会小于额定功率，同时由于电机的转矩保持不变，其工作电流同在50hz三相交流电下工作时电流基本一致。根据以上的分析可以选择三菱变频器 fr-f740系列的变频器。给变频器可以输入380v-480v 50/60hz三相交流电，输出380-480v三相交流电并通过控制信号控制其输出频率，其容量是37kw220kw，可以满足设备功率要求。该型号变频器具有丰富灵活的控制接口，可以通过控制信号方便地改变变频器的工作特性。内置pid，变频器/工频切换和多泵循环运行功能。内置独立的rs485通讯口。带有节能监控功能，节能效果一目了然。4.3水位传感器的选型由于该设计的目的是控制水位稳定，而整个控制系统的基础是对水位的准确测量，因此水位能否准确测量直接关系到控制质量的优劣。合理的选择水位传感器在水位控制系统的设计中有关键作用。知道汽包水位应该控制在30030mm，根据过程控制仪表量程选择原则：仪表量程应该为被测量参数的4/33/2倍。因此所选传感器的最大量程为:400450 mm。而且汽包水位应该控制在30030 mm，因此所选水位传感器的精度应该高于10/450=6.7%fs。cr-6031型智能锅炉汽包液位计，采用独特结构，耐高温、高压，其中变送器利用液位变化与其对测量探极产生的电容变化之间的关系，通过专用模式系统软件将检测的电容变化经各种补偿计算后输出与物位成正比的4-20madc 标准信号。选择测量围为：100500mm，测量精度在1%fs的型号可以满足控制要求。该型号的传感器主要技术参数如下：量程：100500mm(水位高/深度)综合精度: 1.0%fs 输出信号: 420ma(二线制)、05v、15v、010v(三线制) 供电电压: 24dcv(936dcv) 负载电阻: 电流输出型：最大800；电压输出型：大于50k 绝缘电阻: 大于2000m (100vdc )密封等级: ip68 长期稳定性能: 0.1%fs/年 振动影响: 在机械振动频率20hz1000hz内，输出变化小于0.1%fs 电气接口(信号接口): 紧线防水螺母与五芯通汽电缆连接机械连接(螺纹接口): 投入式使用时可以采用24v直流电源为水位传感器供电保证其正常工作，将15v电压信号作为反馈量引入plc模拟量输入端口进行控制运算。4.4流量传感器的选型根据控制方案可以知道流量传感器用于测量给水流量和蒸汽流量，这两个信号可以有效地改善控制质量，因此合理的选择流量传感器能够有效的改善整个系统的控制质量。知道所要控制的是35t/h锅炉的汽包水位，即该锅炉正常工作时每小时蒸发35t蒸汽也就是有35t水被蒸发成为蒸汽，水位稳定时供水量为：35 m3/h 。lugb-99型涡街流量计是一种基于卡门涡街原理流体振动式新型流量计，它具有测量范围广、压损小、性能稳定、准确度高和安装、使用方便等优点，广泛应用于封闭工业管道中液体、汽体和蒸汽介质体积和质量流量的测量。该流量计的技术参数如下：（1）测量介质：蒸汽、汽体、液体（2）传感器的感应元件不直接与被测介质接触，性能稳定、可靠性高（3）传感器内无可动部件，结构简单而牢固，压损小维扩量小、使用寿命长（4）范围度宽达10：115：1（5）测量范围：正常工作范围，雷诺数为20，0007，000，000；输出信号不受液体温度、压力、粘度及组份影响。测量可能范围，雷诺数8，0007，000000（6）精度等级：液体，指示值的1.0%；蒸汽，指示值的1.5%（7）输出信号：a.电压脉冲低电平：0-1v；高电平：大于4v；占空比为 50% b .电流: 420ma(三线制) （8）电源电压： 24dcv（9）壳体材料：碳钢；不锈钢(1cr18ni9ti)（10）规格：(管道内径)20、25、32、40、50、65、80、125、150、200、 250、300(大于dn300 口径为插入式)根据过程控制仪表量程选择原则仪表量程应该为被测量参数的4/33/2倍，流量计应当能够检测的最大流量为：46.552 m3/h，因此汽包送水管道直径选用50 mm并用lugb-99型涡街流量计检测流量可以检测的流量范围是350 m3/h，可以满足设计要求进行检测汽包给水流量信号。由于lugb-99型涡街流量计既可用于液体流量检测也可用于蒸汽流量检测，因此还可以选择该流量计作为汽包负荷蒸汽流量的检测传感器。正常工作时汽包蒸汽压力大约是0.5mp，由蒸汽密度表可以查到蒸汽密度大约是2700kg/ m3，根据过程控制选择仪表量程原则仪表量程应该为被测量参数的4/33/2倍，流量计应当能够检测的最大流量为：17.219.2 m3/h因此汽包蒸汽管道直径选用20 mm，并用lugb-99型涡街流量计检测流量可以检测的流量范围是880 m3/h，可以满足设计要求进行检测蒸汽流量信号。4.5接触器的选型接触器是系统中用到的重要开关设备，接触器的合理选择能保证交流电动机能够准确及时的启动、停止。根据分析三相交流异步电机的最高工作电流是工作于50hz交流电压下，其工作电流为： 5 因此根据设计的要求选用hlc-3x系列空调接触器，它主要适用于50hz或60hz、额定工作电压为220v或480v时额定电流至40a电路中，适用于起动和控制三相交流电动机(压缩机)及其它三相负载，选择五套该类型接触器同时带动一台电机可以满足设计要求。4.6熔断器的选型由于系统的主要耗电设备是电动机，因此系统稳定工作时电流大约在150a左右，当系统异常工作是可能导致工作电流变大因此可设定工作电流为200a时进行过流保护。生产xrnt-12型限流熔断器型额定电流可以设定为200a，可以满足设计要求。4.7功率三极管的选型 为了能使plc输出的数字量能够控制接触器的通断设计如下电路： 图3.1接触器控制线路当plc数字量输出为高电平时三极管导通工作于饱和状态，接触器线圈上电使接触器触点闭合，否则plc数字量输出为低电平时三极管截止工作于截止状态，接触器线圈失电通过二极管续流，使接触器触点断开。i3dd5686型功率三极管最大工作电流超过5a，完全可以满足工作要求。4.8变压器的选型 液位传感器、流量传感器设备需要在dc24v电压下才能正常工作。sa-100-24型变压器采用脉冲宽度调制(pwm)方式。该变压器效率高，工作温度低，体积小，重量轻，电压变动率低。内附突入电流抑制电路、具有短路保护、过载保护、过压保护等功能。进口器材，高可靠性高，内置滤波器，低纹波。可长期满载使用。产品规格如下： 1）品名：开关电源式变压器 6）调制方式 脉冲宽度调制(pwm)式2）型号：sa-100/24 7)晶体管连接方式）全桥式3）额定功率：100w 8）频率：47hz/63hz 4）输入电压：220v/110(ac) 9) 纹波及噪音：100mvp-p5）输出电压：24v(dc) 10)工作环境温度：-10-605、关于汽包水位测量的问题由于汽包水位波动较大，-般选用平衡容器测量汽包水位。平衡容器连通管中的水位始终与汽包水位等高，上端的蒸汽冷凝后会在托盘上形成水柱，若水柱高出托盘自溢口后自溢，并经平衡阀返回汽包，进行热量与水量的交换，以求达到汽包内部水体与平衡容器内部的水体比重-致且恒定，将托盘水面高于正取压端口h。做负迁移，则差压变送器量程所对应的平衡管正压端水柱压力的变化就能够实反映汽包水位的变化。双室平衡容器的结构图见图，其测量筒分别与汽包上部和下部接通，上部引入蒸汽，遇冷蒸汽温度下降不断冷凝，冷凝水流入冷凝台进入a管，a管是充满液体的，b管与汽包连通。 参考书目1其大致结构原理图： 图2 186、给水控制系统的动态特性汽包水位是工业蒸汽锅炉安全、稳定运行的重要指标，是锅炉蒸汽负荷与给水间物质是否平衡的重要标志，维持汽包水位正常是保证锅炉和汽轮机安全运行的必要条件。汽包锅炉给水控制系统的作用是使锅炉的给水量自动适应锅炉的蒸发量，维持汽包水位在规定范围内波动。其中给水流量和蒸汽流量是影响汽包水位的两种主要扰动，前者来自调节器，称为内扰，后者来自负荷侧，称为外扰。6.1给水控制任务汽包锅炉给水控制的任务是使给水量适应锅炉蒸发量，并使汽包的水位保持在一定的范围内，具体要求有以下两个方面:(1)维持汽包水位在一定范围内。汽包水位是影响锅炉安全运行的重要因素。水位位过高，会破坏汽水分离装置的正常工作，严重时会导致蒸汽带水增多，从而增加在过热器壁上和汽轮机叶片上的结垢，甚至使汽轮机发生水冲击损坏叶片；水位过低，则会破坏水循环，引起水冷壁的破裂。正常运行时的水位波动范围：2050mm异常情况：200mm事故情况：350mm(2)保恃稳定的给水量。稳定工况下，给水量不应该时大时小地剧烈波动，否则,将对省煤器和给水管道的安全运行不利。对于蒸发量为100230t/h的单汽包炉，当水位变化100mm时，t= 6030s，对于蒸汽量为更大的汽包炉t=30s，它的意义在于锅炉在满负荷运行时，如果突然停止供水，则由于蒸发量和给水量的不平衡造成水位迅速下降，在30s内将下降200mm，或者换句话说，如果给水量减少10%，经过30s的时间，水位将下降20mm。从物质平衡的观点来看，加大了给水量g水位应立即上升，但实际上并不是这样，而是经过一段迟延，甚至下降后再上升。这足因为给水溫度远低于省煤器的温度，即给水有一定的过冷度，水进入省煤器后，使-部分汽变成了水，特别是沸腾式省煤器，给水减轻了省煤器内的沸腾度，省煤器内的汽泡总容积减少，因此，进入省煤器内的水首先来填补省煤器中因汽泡破灭容积减少而降低的水位，经过一段迟延甚至水位下降后，才能因给水量不断从省煤器进入汽包而使水位.在此过程中，负荷还未发生变化，汽包中水仍然在蒸发，因此水位也有下降趋势。沸腾式省煤器的延迟时间t为100200s。非沸腾式省煤器的延迟时间丁为30100s。水位在给水扰动下的传递函数可表示为： 1当t=时，上式可变为: 1水位对象可近似认为足-个积分环节和个惯性环节并联形式。6.2蒸汽流量扰动下水位的动态特性 如果只从物质平衡的角度来看，蒸发量突然增加时，蒸发量高于给水量，汽包水位是无自平衡能力的，所以水位应该直线下降，但实际水位是先上升，后下降，这种现象称为“虚假水位”现象，如图所示。其原因是由于负荷增加时，在汽水循环回路中的蒸发强度也将成比例增加，水面下汽泡的容积增加得也很快，此时燃料量m还来不及增加，汽包中气压pb降，汽包膨胀，使汽泡体积增大而水位上升。如图2-3中所示，开始的一段时间的作用大于h（t）。过了一段时间后，当汽泡容积和负荷相适应而达到稳定后，水位就要反映出物质平衡关系而下降。因此，水位的变化应时上述两者之和，即传递函数也为两者的代数和: 2 2一般100230t/hd 的中高炉，负荷突然变化10%时，虚假水位化现象可使水位变化达 30 40mm。汽包水位调节对象的动态特性方程式，通过理论推导和化简后可写成: 2式中，tw：给水流量项的时间常数；td：蒸汽流量项的时间常数；kd，kw：分别为蒸汽流量和给水流量的放大系数；uw，ud：分别是给水流量和蒸汽流量的标值；，：水位的时间常数。在蒸汽负荷小变而给水流量变化的情况下，汽包水位的动态微分方程可以表示为： 2对上式进行拉普拉斯变换，可得： 2于是，我们得到汽包水位在给水流量作用下的传递函数：对于中压（蒸汽压力2.0mpa）以下锅炉，tw般较小，可以忽略不计。故上式可以化简为：可以简化为：在给水量不变而蒸汽负荷变化的情况下，汽包水位的动态微分方程可以表示为：对上式进行拉普拉斯变换，可得：于是，我们得到汽包水位在蒸汽流量作用下的传递函数：上式可以用两个动态环节的并联来等效，即：式中，为上升速度，即给水流量变化一个单位流量时水位的变化速度；（）为响应曲线的放大系数；为响应曲线的时间常数。下图给水流量作用下水位的阶跃响应曲线和蒸汽用量扰动下水位的阶跃响应曲线7、单冲量单回路控制系统单冲量水位控制系统以汽包水位作为唯一的控制信号，冲量即变量。水位测量信号经变送器送到水位调节器，调节器根据汽包水位测量值只与给定值h。的偏差，通过执行器去控制给水调节阀以改变给水量，保持汽包水位在允许的范围内，其原理结构如图所示。图3锅炉工艺流程图7.1锅筒水位的控制方案根据锅筒水位特性，选取汽包液位是被控变量，蒸汽流量和给水流量是冲量信号，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,一旦蒸汽流量或给水流量发生波动，加法器立即改变调节阀的开度进行校正,提高被调参数液位的调节精度。控制方框图： 图4控制方框图控制系统方框图：图5控制系统方框图图中，lc为流量控制器，gv为调节阀传递函数， gp1为水流量变化对水位变化对象传递函数，glm为液位检测环节传递函数，gd2为水流量扰传递函数，gd1为蒸汽流量干扰传递函数。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。8、控制系统仿真8.1各个环节传递函数及各个参数的确定小型锅炉如35t/h，为维持锅炉液位范围在15-35mm内稳定进行，维持蒸汽压力1.2-1.3mpa，蒸汽压力的范围波动0.1mpa，具体设置参数值为：根据本文所控制的水位被控对象的数据，给水量的时间常数t2定为15min，k=50mm，因此水位被控对象的数学模型为：8.2 matlab仿真pid参数整定，一般说，液位控制只需比例p控制调节即可。但是该系统只用p控制，k取较小值时，超调量较小，但是稳定值偏低，且k越小越低，k取较大值时，震荡变大，稳定较差；如果加入积分环节i，效果会很好，但i不能取很大，用matlab仿真i可以取的范围是0.01-1之间,加上积分环节效果不是很好，该仿真结果，最好控制是pd，效果是稳定快，超调量小，抗干扰能力强。由之前计算过程和系统框图可知,该控制系统为单回路,从而在simulink中表现为单回路,由一个pid调节器控制,通过高电平信号和阶跃干扰信号共同激发传递函数,然后通过示波器示波,从而建立如下simulink模型，并将上述模型数据代入 见图6：图6单回路控制系统图simulink模型一、 该系统采用纯比例控制时，有以下处理过程：在实际调试中，只能先大致设定一个经验值，然后根据调节效果修改。（1） 初步令ti=0，td=0，延时时间t=1，即kp=1，ti=0，td=0，=1（2） kp=3，ti=0，td=0，=1（3） kp=3.6，ti=0，td=0，=1由图可知，该系统采用纯比例控制时，当获得4:1的衰减震荡曲线时，观察图形可得以下结论该系统在150s左右趋于稳定，调节时间约为120s，峰值时间约为30s，并且可以看出该控制系统在比例控制器的控制之下比较稳定。二、该系统采用pd控制时经反复试凑比例度、积分时间、微分时间的大小，得出k=60，i=0，d=95时响应曲线呈4：1衰减，如下图所示，由图可以看出，峰值时间约为5s左右，调节时间约为40s，在50s左右系统趋于稳定。8.3仿真结果分析在本次仿真实验中我采用了两种控制方式，分别为比例（p）控制和比例微分（pd）控制，其中，比例控制仿真模拟时，在p调节中，调节器的输出信号与偏差信号成比例,比例调节是有差调节，比例调节的残差随着比例带的加大而加大。我们希望尽量减小比例带，然而，减小比例带就等于加大调节系统的开环增益，其后果是导致系统的激烈振荡甚至不稳定。稳定性是任何闭环系统的首要要求，比例带的设置必须保证系统具有一定的稳定裕度。比例带具有一个临界值，此时系统处于稳定边界的情况，进一步减小比例带系统就不稳定了。通过查阅相关资料得知，在实际调试中，只能先大致设定一个经验值，然后根据调节效果修改，对于液位系统：p（%）20-80，i（分）1-5。故而在实验过程中选择从1开始取值，并最终确定3.6为最佳值，而比例微分控制时，通过衰减曲线法反复试凑得出当k=60，i=0，d=95时仿真效果较好，通过两种调节方式的对比，我们可以明显看出在纯比例控制下虽然系统最终也能达到稳定状态，但是其调节时间和峰值时间都太长，且曲线不是特别光滑，而比例微分控制则能大大减少调节时间，调节过程相对比例调节比较完善，仿真