锅炉汽泡水位控制系统设计.doc

辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 过过程控制程控制 课课程程设计设计 论论文 文 题题目 目 锅锅炉汽泡水位控制系炉汽泡水位控制系统设计统设计 院 系 院 系 电电气工程学院气工程学院 专业专业班班级级 自自动动化化092班班 学学 号 号 学生姓名 学生姓名 指指导导教教师师 起止起止时间时间 精品资料 课课程程设计设计 论论文 任文 任务务及及评语评语 院 系 电气工程学院 教研室 注 成绩 平时 20 论文质量 60 答辩 20 以百分制计算 学 号090302062学生姓名韩忠钰专业班级自动化 课程设计 论文 题 目 锅炉汽包水位控制系统设计 课程设计 论文 任务 课题课题完成的完成的设计设计任任务务及功能 要求 技及功能 要求 技术术参数参数实现实现功能功能 在工业生产中经常要对锅炉汽包的液位进行控制 为了能够精确控制液位高度 保证正 常生产 要求设计液位闭环反馈控制系统 能抑制流量波动 且系统无余差 本设计要求设 计一个锅炉汽包液位闭环反馈控制系统 采用适合的控制算法 输入设定水位值 并实时显 示当前水位 设计设计任任务务及要求及要求 1 确定控制方案并绘制 P ID 图 系统框图 2 选择传感器 变送器 控制器 执行器 给出具体型号和参数 3 确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式 4 若设计由计算机实现的数字控制系统 应给出系统硬件电气连接图及程序流程图 5 在实验室进行计算机软件仿真 并给出仿真结果 6 按规定的书写格式 撰写 打印设计说明书一份 设计说明书应在 4000 字以上 技技术术参数 参数 测量范围 20 100cm 控制精度 0 5cm 控制液位 80cm 最大偏差 1cm 进度计划 1 布置任务 查阅资料 理解掌握系统的控制要求 2 天 分散完成 2 确定系统的控制方案 绘制 P ID 图 系统框图 1 天 实验室完成 3 选择传感器 变送器 控制器 执行器 给出具体型号和参数 2 天 分散完成 4 确定控制器的控制规律 控制器正反作用方式以及保证系统无余差 实验室 1 天 5 仿真分析或实验测试 答辩 3 天 实验室完成 6 撰写 打印设计说明书 1天 分散完成 指导教师评语及成绩 平时 论文质量 答辩 总成绩 指导教师签字 年 月 日 精品资料 摘要 锅炉是生产过程中必不可少的设备 它所生产蒸汽不紧供生产过程作为热源 而且还作为蒸汽透平热力源 锅炉控制装置其主要作用是保障锅炉的安全 稳定运 行准则 因此 在设计控制系统时要求供给蒸汽量应适应负荷变化需要或保持给定 负荷 蒸汽压力 过热蒸汽温度 气泡水位 炉膛负压都应保持在一定范围内 本设 计的被控变量为气泡水位 操纵便能量为给水量 给水量的高低直接影响着锅炉和 汽轮机的安全运行 过高会影响汽水分离机的正常运行 过低会破坏正常水循环 所以过高过低都是不允许的 本设计是针对锅炉气泡水位做出合理的设计方案 使气泡水位维持在一定的 范围内 以保证锅炉设备的安全稳定运行 关键词 锅炉汽泡 水位控制 蒸汽流量 精品资料 目 录 第 1 章 绪论 1 第 2 章 课程设计的方案 2 2 1 概述 2 2 2 虚假水位的行程及对策 2 2 3 汽泡水位的影响因素 2 2 4 汽泡水位控制方案设计 3 第 3 章 硬件设计 7 3 1 液位传送器选型 7 3 2 流量传送器选型 7 3 3 执行器选型 8 3 4 控制器器选型 9 第 4 章 锅炉汽泡水位的模型及仿真 11 4 1 仿真分析 11 4 2 仿真分析 12 第 5 章 课程设计总结 15 参考文献 16 精品资料 第 1 章 绪论 锅炉烧水会产生高温高压的蒸汽 其温度可以达到 1000 多度 这样的蒸汽可 以作为强大的动力源 蒸汽锅炉的作用是供给稳定的蒸汽产品 为保证提供合格的 蒸汽产品来适应负荷的需要 与其配套的控制系统必须满足各工艺参数 保持锅炉 汽泡水位在一个规定的范围内变化 对于锅炉的安全运行是非常重要的 由于锅炉 的水位同时受到锅炉侧 汽轮机侧 燃烧状况及给水量等因素的干扰 而使其水位 经常变化 因此锅炉气泡水位应根据设备的运行状况进行实时调整 以严格保证设 备的安全运行 工业锅炉气泡水位控制的任务是让生产的蒸汽量与给水量形成一个平衡 这 样既保证了蒸汽产品的供应量与质量 又使整个系统得以安全运行 同时锅炉气泡 水位也间接的体现了锅炉负荷与给水量之间的平衡关系 以前的工作的过程是以各分立元件做基础 利用各个检测器件对被控参数进 行检测与反馈 反馈信号经控制器运算输出到执行器来改变各量 使系统恢复正常 与稳定 达到自动控制的目的 但是这种方法分立器件多 系统反馈回路相对复杂 受分立器件性能影响大 系统内部各部分的影响也较大 使自动控制能力下降 液位控制是通过控制阀改变开度影响给水量控制的 而水温的控制是通过调 节加热的功率实现的 由于锅炉运行过程中存在进水量和出水量的变化 很难通过 调节 PID 控制参数来满足所有的运行条件 而获得理想的控制结果 给水量 蒸汽 的出口流量和燃料的进料量是使液位变化的主要扰动量 其扰动影响各不相同 本设计的主要工作有 设计锅炉气泡水位的控制方案 从水位的的动态变化入手 找出影响液位的主要原因 选择合适的操纵变量使 水位在干扰作用下得到稳定的调节 来恢复平衡 硬件设备的选择 在选择硬件设备时一定要选择参数与你设计的控制系统基本吻合的 这样可 以减少系统内部各部分别的影响 提高系统的稳定性与安全性 PID 参数 PID 参数设置一定要合理 这样才能使液位得到很好的调整 精品资料 第 2 章 课程设计的方案 2 1 概述 本次设计是综合运用所学知识 设计锅炉汽泡液位控制系统 并在实践的基础 上提高对知识的理解 提高综合运用过程控制知识的能力 并初步掌握小系统的过 程设计方法 应用场合 应用于锅炉液位控制系统 控制系统 通过检测器 控制器 执行器 等器件 完成对液位的控制 系统功能介绍 能显示系统实时液位数值 扰动进入系统后 不需要任何人工 参与便可回到稳态值 实现了液位的自动控制 确保了系统安全稳定的运行 2 2 虚假水位的行程及对策 虚假水位是锅炉运行时不真实的水位 气泡压力突降时 炉水饱和温度下降到 压力较低时的饱和温度 使炉水大量放热蒸发 使炉水内的气泡增加 汽水混合物 体积膨胀 使水位很快上升形成虚假水位 当气泡压力突增时 饱和温度升高 部 分炉温被用于加热炉水 相应的蒸发露水的热量减少 炉水气泡减少 炉水体积收 缩 形成虚假水位 此外锅炉内外负荷增加或骤减时 水的比热容增大或减小 也 会形成虚假水位 在输入端引入蒸汽流量信号 设置水位系统的前馈调节 当蒸汽流量增大或减 小时 给水量也会相应增大或减小 给水量增多或减小使温度下降或升高 反之当 给水量增大或减小时 蒸气流量也会相应的增加或减小 蒸汽流量增加或减小使炉 温升高或下降 有利于克服 虚假水位 的影响 2 3 汽泡水位的影响因素 在控制系统中 扰动量有 蒸汽流量 给水流量等 当蒸汽流量增加时 气泡温 度上升 气泡压力减小 气泡蒸发变快气泡增多 出现虚假水位现象 反之也同样 会有虚假水位的现象 虚假水位打破了系统原有的平衡状态 破换了洗头的稳定性 如果调解不及时 严重者会导致干锅现象 损坏锅炉设备 降低了谁把诶诶的寿命 精品资料 当给水量增加时液位升高 导致液位温度下降 造成蒸发温度低 出现蒸汽带 液 供给动力不足 设备生产效率降低 同时由于温度降低气泡内压力增大 使用 于蒸发水的热量减小 气泡减少 炉水体积收缩 产生虚假水位现象 此外他是一 个具有延时时间的积分环节 水的温度越低延时时间就会越长 系统衰减比增大 俞差为零 最大偏差减小 系统达到稳态的时间变长 控制作用下降 此外还有汽轮机耗气量的多少 汽轮机耗气量变大时 使供给炉水加热的温度 减小 打破了系统原有的物料平衡 还会导致虚假野味的现象产生 由以上分析可知 给水量扰动下的水位相应有迟滞性 负荷扰动下的水位有 假水位 现象 这些特性使得气泡水位的变化受到多种因素的影响 因而对他的控 制就变得比较复杂 2 4 汽泡水位控制方案设计 1 方案一 单冲量控制系统 从反馈与自动控制的角度出发 很容易想到气泡水位作为被控对象 给水量作 为操纵变量构成单回路自动控制系统 即水位单冲量控制系统 如图 2 1 所示 这 是一个最基本的控制方案 其方框图为 2 2 其特点为 结构简单 投资少 适用于 气泡容量较大 虚假水位不严重 负荷较平稳的场合 该过程具有虚假水位的反向 特性 因此 当符合变化较大时 会造成控制器输出误动作 严重影响设备的运行 寿命和安全 影响控制系统的控制品质 蒸汽负荷变化后 要在引起水位变化后才 改变给水量 因此控制不及时 2 方案二 双冲量控制系统 从物质平衡的角度出发 保证给水量永远等于蒸发量就可以保证汽泡水位大 致不变 故应在单冲量控制基础上引入蒸汽流量作为前馈信号构成双冲量水位自 动控制系统 这种控制方式的优点是 蒸汽流量为前馈控制信号 可以消除 虚假水 位 对控制系统的不良影响 当蒸汽流量变化时给水量也会同方向跟随蒸汽量变化 这就消除了由于 虚假水位 产生的误动作 因而大大减小了给水和水位的波动 能 够改善控制系统的静态特性 提高控制品质 其原理图和方框图见图 2 3 和 2 4 由于过程控制系统总有滞后特性 总是在扰动量引起被控变量变化后很总是 在扰动量引起被控变量变化后很长一段时间才会得到调节 因此控制器参数要达 到新的稳定状态就要经历相当长的时间 滞后时间越长控制器参数变化的幅度就 越大 偏差持续的时间就越长 为了解决这一问题 需要将扰动量前馈 这样扰动 一产生 前馈控制器就有输出 在被控变量变化之前 前馈控制器就根据干扰大小 改变控制阀开度 被控变量基本不受扰动影响 精品资料 LC LT 蒸汽 省煤器 汽泡 图 2 1 气泡水位单冲量控制系统 给水流量控制器电动调节阀 汽泡水位 液位变送器 图 2 2 单冲量控制系统框图 3 方案三 三冲量控制系统 为进一步改善控制品质 引入给水量信号 形成了用给水流量控制汽泡水位的 串级控制 这时调节器接受三个输入信号 汽泡水位为被控对象 是主冲量信 号 蒸汽流量是前馈信号 给水量是反馈信号 主控制器为液位控制器 副控制器 为给水流量控制器 这就是汽泡水位的三冲量控制系统 即前馈 反馈 串级控制 系统 被控制系统包含给水量控制回路和汽泡水位控制回路两个控制回路以及一 个蒸汽流量前馈通道 这样一方面可以克服给水量扰动 使给水量自行调节 另一 方面可以有效地抑制 虚假水位 现象 此外工作调节阀为线性 可以直接补偿给水 扰动 蒸汽 汽泡LT LC LY FT FC 省煤器 f x 精品资料 图 2 3 双冲量控制系统原理图 蒸汽流量 设定值 液位变送器 汽泡水位 执行器 液位流量控制器 前馈控制器流量变送器 给水流量控制器 扰动通道 图 2 4 双冲量控制系统框图 采用三冲量控制系统 当蒸汽负荷突然变化 蒸汽流量信号使给水阀一开始就 向着正确的方向移动 即蒸汽流量增加 给水阀门开度增大 抵消了由于 虚假水位 引起的反向动作 避免了控制器输出误动作 同时减小了给水量和水位的波动幅度 当水压干扰使给水量改变时 控制器能迅速消除干扰 如果给数量减小 副控制器 会立即根据给水流量信号使阀门开度增加 使水流量基本不变 三冲量控制不但弥补了双冲量可以在给水流量和给水压力等扰动方面的控制 缺点 此外控制器动作快还可以避免调节过头 减少波动和失调 使汽泡水位很难 受到影响 系统稳定性很强不易被破坏 其结构框图和原理图如图 2 5 和 2 6 精品资料 蒸汽流量 设定值 液位变送器 汽泡水位 执行器 液位流量控制器 前馈控制器流量变送器 给水流量控制器 扰动通道 图 2 5 三冲量控制系统方框图 f x LC LT FC FT LY 汽泡 FC FT 蒸汽 过热器 省煤器 图 2 6 三冲量控制系统原理图 精品资料 第 3 章 硬件设计 3 1 液位传送器选型 由于该设计的目的是控制气泡水位平衡 而整个控制系统的基础为水位的精 确测量 只有水位的测量精确 才能使整个系统的稳定性更好 控制质量更高 合理的选择水位传感器是整个控制系统的关键 已知汽泡水位应该控制在 80cm 根据过程控制仪表选择原则 所选传送器的最大量程应为 0 到 160cm 而且 汽泡水位应该控制在 80cm 左右 因此所选传感器精度应该高于 0 5 FS 因此满足 该测量精度才可以满足要求 再者液位变送器的选择还要考虑到其灵敏度 其对信号的反应速度要足够快 因为这样可以提高系统的工作效率 使系统能够快速的调节 扰动的影响 增强系 统的调节作用 是系统更稳定 采用型号为 CYB31 II 系列变送器其主要参数为 量程 0 100cm 水位高度 精确度 0 5 FS 输出信号 4 20mA 二线制 0 5V 1 5V 0 10V 三线制 供电电压 24V 12 36V 负载电阻 R U 12 5 0 02 RD 防护等级 IP67 响应时间 1ms 使用时可使用 24V 直流电源供电以保证传感器的正常工作 3 2 流量传送器选型 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 号可以有效的改善控制质量 因此合理选择流量传感器能够有效的改善整个系统 的控制质量 根据液位控制参数给定估算锅炉正常工作时每小时蒸发的水量为 90t 左右 即水位稳定时供水量应该为 90m3 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 泛用于封闭管道中液体 汽体和蒸汽介质体积和流量的测量 该流量计的技术参 精品资料 数如下 测量介质 蒸汽 汽体 液体 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 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 范围宽度 10 1 15 1 测量范围 正常工作范围雷诺数为 20000 7000000 输出信号不受介质压力 温度 粘度的影响 精度等级 液体指示值的 0 1 FS 蒸汽 指示值的 1 5 FS 输出信号 低电平 0 1V 高电平 大于 4V 占空比 50 电源电压 24V 3 3 执行器选型 此系统的执行器选择控制阀 因为它可以直接改变给水量 反应时间短 有利 于系统控制品质的改善 它是控制系统一个非常重要的环节 它接收控制器的输出 信号 执行最终任务 气动控制阀分为气开和气关两种形式 控制阀开关形式的选择应根据一下三个方面考虑 1 从工艺生产安全的角度考虑 主要考虑当漏气或控制阀门出现故障时 应避 免破坏设备和伤人 事故情况下控制阀处于关闭状态危害性小 则应选气开发 例如 加热炉燃料一般选择气开阀 以保证在控制阀失气时能处于全关状态切断 进炉燃料 从而避免加热炉温度过高造成事故 2 从介质特性上考虑 如果介质是易凝 易结晶 易聚合的的物料 控制阀开 关形式选择应考虑介质的这些特性 防止控制阀失气时阀门关闭 停止蒸汽进入而 导致再沸器和塔内液体的结晶和凝聚 造成堵塞 如果介质易结焦 则一般选择气 开阀 3 保证产品质量 经济损失最小的角度考虑 当事故发生时尽量减小原料和 动力消耗 但要保证产品质量 当汽泡数量增多时阀门相应关闭以免浪费 当汽泡 数量少时阀门相应打开 保证蒸汽质量 控制阀口径选择是否合适直接影响控制效果 在不同的自控系统中 由于参 数千差万别 在选择阀口径时 要严格计算阀孔径 来提高控制系统的控制质量 精品资料 3 4 控制器器选型 控制器是控制系统的核心部件 它将测量变送信号与给定值比较产生偏差信 号 并按一定的控制规律对该偏差进行运算 输出的信号送执行器 控制器的选择 主要包括控制规律的选择和正 反作用方式的选择 1 控制规律选择 比例控制器 P 比例控制是最基本的控制规律 其特点是控制规律简单 调整方便 缺点是会 使系统产生余差 虽然通过增加比例放大系数可以减小余差 但是系统稳定程度降 低 所以比例控制系统适用于控制通道滞后及时间常数均较小 干扰幅度较小 负 荷变化不大 控制质量要求不高 允许有余差的场合 比例积分控制 PI 比例积分控制是使用最多 应用最广的的控制规律 在反馈控制系统中约有 75 是采用 PI 控制规律的 积分作用的引入 使系统具有消除余差的能力 另外积 分作用的滞后特性有利于减小高频噪音的影响 但是加入积分作用后 会使系统稳 定性降低 必须减小比例放大系数以保持系统原有的稳定 对于容量滞后较小 负 荷变化不太大 工艺参数不允许有余差的场合 比例微分控制器 PD 由于微分作用的引入 使系统具有超前控制功能 因而控制更加及时 可有效 减小动态偏差 适用于控制对象容量滞后较大的场合 比例积分微分控制 PID 其综合了各种控制规律的优点 所以适当调整静态增益 积分时间 微分时间 可以使系统获得较高的控制质量 一般来说其适用于容量滞后较大 负荷变化大 控制质量要求高的场合 综上分析本设计选择 PID 控制器 因为本设计对控制器控制质量要求高 切锅 炉负荷变化大 2 控制器正 反作用选择 对于一个闭环控制系统来说 若要使系统稳定 系统应采用负反馈 在实际系 统分析中 为了保证能够成负反馈控制系统 主要考虑控制器 被控对象 测量变 送器各个环节放大系数 Kc Kv Ko Km的符号连乘得负 只要事先知道了对象 控制阀 测量变送器放大系数的正负 再根据系统各个环节放大系数乘积必须为负 的原则 很容易就能确定控制器的正反作用方式 环节正负的确定 输入增加 输出也增加 则该环节放大系数符号为正 反之 输出减小则为负 精品资料 本设计给水流量选择气关阀 Kv小于零 又已知系统其他环节增益为正 所以 当阀门打开时给水量增加 输入副控制器的偏差减小 应使输入执行器的信号增加 而使阀门开度减小使给水量减少 所以副控制器为正作用 主回路当给水量增多时 气泡水位上升输入主控制器偏差减小为保证副控制器输入信号为正主控制器应为 反作用 AI 808 型人工智能控制器 是功能增强型的控制器 其具备外给定 手动自 动切换 手动自整定和显示输出值功能 能精确控制温度 压力 流量 液位等各种 物理量 其参数如下 控制方式 AI 人工智能调节及 PID 调节 输入规格 Sn 33 1 5V 电压输入 输入下限显示值 一般为 DIL 0 输入上限显示值 液位一般为 DIH 100 输出方式 4 20mA 线性电流输出 系统功能选择 CF 0 为内部给定 反作用调节 精品资料 第 4 章 锅炉汽泡水位的模型及仿真 4 1 仿真分析 本设计控制系统为前馈 反馈 串级控制系统 被控变量为汽泡水位 操纵变 量为给水流量 扰动前馈量为蒸汽流量 介于其原理和调节过程以及各个变量的性 质可以用以水箱液位作为被控变量 变频器支路流量作为操纵变量 电动阀支路流 量作为扰动前馈 的前馈 反馈 串级控制系统来模拟 反应出系统在调节过程以 及参数设置方面的要求 测试方案的合理性 控制系统的稳定性及控制质量 模拟 硬件连接电路如图 4 1 所需实验设备如下 1 THSA 1 型过控综合自动化控制系统实验装置 2 计算机 上位机 MCGS 软件 RS232 485 转换器 1 只 串口线 1 根 3 SA 11 SA 12 SA 14 挂件各一个 4 万用表一只 图 4 1 模拟硬件连接电路图 精品资料 4 2 仿真分析 控制器参数设置为 主控制器 P 60 I 20 dil 0 dih 50 Addr 1 Sn 33 副控制 器 P 60 I 0 dil 0 dih 100 Addr 2 Sn 32 CF 8 前馈控制器参数 P 60 I 0 dil 0 dih 100 Sn 33 Addr 3 CF 0 1 其他参数不变加入扰动 电动调节阀开度设为 70 液位设定值为 8 其变化 曲线如下图 图 4 2 液位调节仿真图 由上图观察发现 54 24 前曲线上升快 原因为下水箱出水阀开度小 进水出水 量偏差过大 导致系统扰动过强而使系统调节不过来 曲线出现振荡 幅度大约相 等 即出现等幅振荡 原因为 静态增益过大导致系统调解不及时 系统平衡被破 坏 此时应相应调节 Rp 使其增大来降低扰动加入比例 或调节出水阀使其开度增 加 2 将 1 中出水阀开度调到最大 将下水箱水全部放出 当主控制器显示数位 数值接近零时 变频器接正转上水 扰动控制阀开度改为 73 设定值为 8 从开 MCGS 页面得出水位变化如下图 精品资料 图 4 3 液位调节仿真图 观察上图在 19 24 之前出现等幅振荡 前馈控制增益选取过大应及时调节 Rp 使系统能够及时调节回到平衡 19 24 后波动幅值变小且在逐渐趋于平衡 说明系 统正在相应并有效调节 但整个调节时间过长说明 积分控制作用不强或没起作用 应适度增大积分时间使系统调节加快 提高系统稳定性 改善系统控制质量 3 将 2 中下水箱中水全部放出 当控制器显示水位接近零时 将出水阀调至 合适开度 水位设定值改为 10 其他均不变 其水位调节曲线如下图 由 4 2 和 4 3 图一起观察发现调节时间过长 说明比例参数设置过大 系统失 精品资料 去调节作用或调节时间过长 这在工业生产中将导致严重后果 使整个系统被破坏 此时应及时改变控制器 P I 参数使他们减小到合适的比例系数 同时减小前馈控 制增益 K 的减小扰动 是系统恢复调节能力并调节系统平衡 4 将 4 3 中水全部放出 液位设定值改为 8 从新启动变频器上水 从开 MCGS 页面 将 P 改为 80 I 改为 30 其液位调节曲线如下图 图 4 5 液位调节仿真图 由上图分析 液位曲线逐渐于设定值稳定 说明系统有较强的控制作用 但调 节时间长并出现衰减振荡 说明比例参数设置过大 应适当调节比例参数 使系统 的控制作用增强 提高控制品质 综上仿真分析可知 主控制器为系统的核心控制器 其参数设置关系着整个控 制器的控制作用和控制质量 时系统稳定的关键 此外前馈控制增益的设置 和其 他如阀门开度大小 及口径 影响着系统的稳定 因此在设计中应综合考虑这些问 题 在选择应将上一定要做到严谨 设计参数一定要和理 来保证控制系统的正常 运行 精品资料 第 5 章 课程设计总结 锅炉水位控制的方案多种多样 因每锅炉的特性及实际工况的不同而各异 本 文介绍的是使用常规仪表对锅炉汽泡水位进行自动控制的几个比较典型的控制方 案 随着社会和科学的发展还有更先进的控制方法将被广泛应用 课程设计的目的是培养学生综合运用所学知识 发现 提出 分析和解决实际 问题