300MW火力发电机组锅炉汽包水位仪表控制系

课课 程程 设设 计计 用用 纸纸 0 目 录 第 1 节 绪 论 2 1 1 设计目的 2 1 2 设计内容 2 第 2 节 汽包水位调节对象的干扰分析 3 第 3 节锅炉汽包水位的动态特性 3 3 1 汽包水位在给水量作用下的动态特 3 3 2 汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性 4 第 4 节 控制方案设计 6 第 5 节 控制系统各环节仪表的配置 选型 及参数的确定 7 5 1 调节器的选型 7 5 2 执行器的选型 9 5 3 变送器的选型 12 5 4 传感器的选型 14 5 5 伺服放大器的选型 15 5 6 电动操作器的选型 16 5 7 显示仪 表的选型 18 个人总结 2 0 0 致谢 21 1 参考文献 22 附录 23 教师批阅 课课 程程 设设 计计 用用 纸纸 1 1 第第 1 1 节节 绪绪 论论 1 11 1 设计目的设计目的 锅炉是电厂 和化工厂里常见 的生产设备 锅炉 控制是一个比较复杂 的控制过程 为适应 负荷的需要以及锅炉 的运行安全 各个环 节的工艺参数必须严 格控制 为了使锅 炉能正常运行 必须维持锅炉的 水位在一定的范 围内 这就需要 控制锅炉汽包的 水位 汽包水位 很重要 汽包水 位是表征锅炉安 全运行的重要参 数 由于配置 安装 运行及维 护不当的原因 汽包水位测量系 统存在测量值与 实际值不符的情 况 将严重影响 机组的安全稳定 运行 水位过高 会影响汽水分离 的效果 使蒸汽 带液 损坏汽轮 机叶片 如果水 位过低会损坏锅 炉 甚至引起爆 炸 可见锅炉汽 包水位控制在锅 炉设备控制系统 中的重要性 本 论文设计的是锅 炉汽包水位控制 系统 利用控制 装置和被控对象 组成了一个自动 控制系统 课课 程程 设设 计计 用用 纸纸 2 1 21 2 设计内容设计内容 合理选择传感器 变送器 调节器和执行器根据 要求设计总体方案 实现对高压加热器水位的控制 被调量是汽包水位 调节量是给水量 它主要考虑汽 包内部物料平衡 使给水量适应锅炉的挥发量 维持 汽包中水位在工艺允许的范围内 画出系统款图及接 线图 设计调节器的组态 关键词 汽包水位 测量 控制 组 态 教师批阅 第第 2 2 节 节 汽汽 包水位调节对包水位调节对 象的干扰分析象的干扰分析 锅炉的汽 水系统原 理图如图 1 所示 课课 程程 设设 计计 用用 纸纸 3 影响汽包水位变化的干扰因素有 给水量的 干扰 蒸汽负荷变化 燃料量变化 汽包压力变 化等 汽包压力变化不是直接影响水位的 而是通 过汽包压力升高时的 自凝结 和压力降低时的 自蒸发 过程引起水位变化的 况且 压力变 化的原因往往是出于热负荷和蒸汽负荷的变化所 引起的故这一干扰可以放到其他干扰中考虑 燃烧流量的变化要经过燃烧系统变成热量 才能为水吸收 继而影响气化量 这个干扰通道 的传递滞后都比较大 蒸汽负荷变化时按用户需 要量而改变的不可控因素 剩下的只有给水量可 作为调节参数 第第 3 3 节 节 锅炉汽包水位的动态特性锅炉汽包水位的动态特性 3 1 汽包水位在给水量作用下的动态特 教师批阅 课课 程程 设设 计计 用用 纸纸 4 图 2 所示是给水量作用下 水位的阶跃响应曲 线 把汽包和给谁看做单容量无自衡过程 水位阶跃 响应如图中 H1线 考虑到给水温度低于汽包内的饱和 水温度 当它进入汽包后吸收了原来的饱和水中的一 部分热量 使锅炉的蒸汽产量下降 水面以下的汽包 总体积 Vs 也就相应减小 导致水位下降 Vs 对对水 位的影响可以用图中的曲线 H2表示 水位 H 的实际 响应曲线是 H1和 H2的总和 从图可知 响应过程有一段迟延时间 给水的过冷 度越大 纯迟延时间也越大 给水扰动下的传递函数可以近似表示为 K0 为响应速度 即给水流量作单位流量变化 时 水位的变化速度 mm s t h 时滞 秒 3 2 汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性 蒸汽流量扰动主要来自汽轮机的负荷变化 这 是一个经常发生的扰动 属于调节系统的外扰 在蒸 汽流量 D 扰动左右下 水位的阶跃响应曲线如图 3 所 示 教师批阅 课课 程程 设设 计计 用用 纸纸 5 当蒸汽流量突然增加时 由于虚假水位现象 在开始阶段水位不仅不会下降却反而先上升 然后下 降 反之 当蒸汽流量突然减少时 则水位先下降 然后上升 蒸汽流量 D 突然增加时 实际水位的变 化 H 是不考虑水面下汽包容积变化时的水位变化 H1 与只考虑水面下汽包容积变化所引起水位变化 H2 的 叠加 即 F 1 K4 FF 用传递函数来表述为 式中 Kf 响应速度 即蒸汽流量变化单位流量时水位 的变化速度 mm s t h K2 响应曲线H2的放大系数 T2 响应曲线H2的时间常数 虚假水位 变化大小与锅炉的工作压力和蒸 发量有关 如一般 100 230T h 的中 高压锅炉 当 负荷突然变化 10 时 虚假水位 可达 30 40mm 虚假水位 变化属于反响特性 其变化 与锅炉的压力和 蒸发量的大小有 关 而与给水量 无关 教师批阅 课课 程程 设设 计计 用用 纸纸 6 第第 4 4 节 节 控制方案设计控制方案设计 目前较为成熟的锅炉汽包水位控制方案有单冲 量控制系统 双冲量控制系统及三冲量控制系统 1 单冲量控制系统 即汽包水位的单回路水位控制 系统 2 双冲量控制系统 即在单冲量系统的基础上引入 了蒸汽流量信号 3 三冲量控制系统 是在双冲量系统的基础上再引 入给水流量信号而构成 本次方案采用单冲量控制系统 单冲量控制系统 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 H 与给定值 H0 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 系统框图为图 4 所示 图 4 单冲量控制系统框图 控制方案如图 5 所示 图 5 单冲量 水位控制系统 教师批阅 课课 程程 设设 计计 用用 纸纸 7 这种控制系统结构简单 是典型的单回路定制控 制系统 对于水在汽包内的停留时间较长 且负荷又 比较稳定 虚假水位 现象不严重的情况下 采用单 冲量控制系统 进行 PID 调节一般就能满足生产要求 单冲量汽包水位调节的优点是 系统结构简单 在汽包容量比较大 水位在受到扰动后的反应速度比 较慢 虚假水位 现象不很严重的场合 采用单冲量 水位调节时能够满足生产要求 单冲量汽包水位调节存在着一些缺点 主要有 1 单冲量控制方案只根据水位信号控制给水量 在锅炉负荷变化大 即阶跃扰动很大时 由于锅炉的 假水位 现象 例如负荷蒸汽增加时 水位一开始 先上升 调节器只根据水位作为控制信号 就去关小 阀门减少给水量 这个动作对锅炉流量平衡是错误的 从而在过程一开始就扩大蒸汽流量和给水流量的波动 幅度 扩大了进出流量的不平衡 2 从给水扰动下水位变化的动态特性可以看出 由于给水压力变化等原因造成给水量变化时 调节器 要等到水位变化后才开始动作 而在调节器动作后又 要经过一段滞后时间 才能对汽包水位发生影响 因此 必将导致汽包水位波动幅度大 过程时间长 第第 5 5 节 节 控制系统各环节仪表的配置 控制系统各环节仪表的配置 选型及参数的确定选型及参数的确定 在汽包水位控制系统设计中 所需使用的仪表 有调节器 执行 器 变送器 传 感器 伺服放大 器 电动操作器 显示仪表 其选 型如下 5 1 调节器的 选型 所选调节器的 型号为 DTZ 2100 1 DTZ 2100 工作 原理 DTZ 2100 全 刻度指示调节器 是调节单元的一 个基型品种 对 被控值与给定值 之差进行比例 微分 积分运算 输出 4 20mA 直 流信号送至执行 机构 实现对温 度 压力 液面 流量等到工艺参 数的自动调节 全刻度指示调节 器前面板有一双 针或双光柱 全 刻度指示表 在 同一刻度标尺上 同时指示测量值 及给定值 由二 指针的示差直接 读出偏差量 指 示醒目 容易观 察调节结果 手 动和自动之间的 切换是无平衡无 扰动的 操作方 课课 程程 设设 计计 用用 纸纸 8 便 全刻度指示调节器 还具有前馈功能 和抗积分 饱和功能 前馈调节器 可以克服滞后现象 提高调 节质量 抗积分饱和调节在工艺过程异常 情况下能 迅速 教师批阅 关闭或打开安全 阀 不致使被调 参数进入非安全 值区域 常用于 化工设备的放空 系统 或后缩机 的防喘系统 2 技术参 数 输入信号 1 1 5V DC 内给定信号 2 1 5V DC 外给定信号 3 4 20mA DC 调节作用 4 比例 积分 微分 比例带 2 500 积分时间 0 01 2 5 分 0 1 25 分 微分时间 0 04 10 分 可 切除 课课 程程 设设 计计 用用 纸纸 9 输入 给定指示表 指示范围 0 100 误差 5 1 输出指示表 指示范围 0 100 误差 2 5 6 输出信号 4 20mA DC 7 切换特性 属于无平衡无扰动切换 8 自动 软手动切换扰动量小于满度的 0 25 硬手动 软手动或自动切换扰动量小 于满度的 0 25 软手动 硬手动切换扰动量小于满度 的 5 负载阻抗 250 750 9 最大工作电流 约 200mA 10 功耗 6W 11 电源 24V DC 12 重量 6 kg 13 工作条件 14 周围环境温度 0 40 教师批阅 相对湿度 85 工作振动 频率 25HZ 全振幅 0 1mm 前馈信号 15 1 5V DC 4 20mA DC 适 用于前馈调节器 前馈系数 16 课课 程程 设设 计计 用用 纸纸 10 0 8 1 2 适用于前馈调节器 刻度误差 0 5 适用于前馈调节器 17 限制范围 18 高限 75 105 适用于抗饱和调节 器 低限 5 25 适用于抗饱和调节器 刻度误差 0 5 3 端子接线图 图 6 DTZ 2100 端子接线图 5 2 执行器的选型 执行器在自动控制系统中的作用是接受来自控 制器的控制信号 通过其本身 开度的变化 从而达到 控制流量的目的 本系统所选用的执行器为 ZAZN 电动双座调节阀 1 概述 ZAZN 电动双座调节阀 由 DDZ 型直行程电动执 行机构和直通双座阀两部分组成 以单项交流 220V 电源为动力 接受 0 10 或 mA 或 4 20mA 直流信 号 教师批阅 课课 程程 设设 计计 用用 纸纸 11 自动地控制调节阀开度 达到对管道内流体的压力 流量 温度 液位等工艺参数的连续调节 座阀有上 下两个阀芯球 流体作用在上 下阀芯上的推力 其 方向相反而大小接近 不平衡力很小 允许压差大 额定流量系数比同口径的单座阀大 但该阀的泄漏较 单座阀大 适用于对泄露量要求不严格 阀前后压差 较大的干净介质场合 2 阀体 型 式 直通双座铸造球型阀 1 公称通径 2 25 32 40 50 65 80 100 12 5 150 200 250 300mm 公称压力 PN1 6 4 0 6 4MPa 3 法兰标准 JB T79 1 94 79 2 94 等 4 材料 铸钢 ZG230 450 铸不锈钢 5 ZGlCrl8Ni9Ti ZGlCrl8Nil2Mo2Ti 等 上 阀 盖 标准型 17 230 散热型 6 230 450 低温型 60 196 波 纹管密封 40 350 3 阀内组件 阀芯型式 双座柱塞型阀芯 1 流量特性 等百分比特性和线性特性 2 4 执行机构 型 号 电动执行器 DKZ 410 1 技术参数 2 教师批阅 表 1 DKZ 410 技术参数 课课 程程 设设 计计 用用 纸纸 12 项目名称DKZ 标准型 输入信号4 20mA 或 0 10V DC 反馈信号 0 10mAdc 4 20mAdc 死区0 4 3 基本误差 2 5 回差 1 5 限位开侧 闭侧 控制机构 开度检测精密导电塑料电位器 动力 220V 50Hz 动力 驱动电机伺服电机 加热器选择件 附属机构 手动机构手轮 环境温度无加热器 25 70 相对湿度 95 环境气体无腐蚀性气体 接线口十四线插头 安装条件 防护等级 端子接线图 3 图 7 DKZ 410 接线图 教师批阅 5 3 变送器的 课课 程程 设设 计计 用用 纸纸 13 选型 变送器在自动检测和控制系统中的作用 是对各 种工艺参数 如温度 压力 流量 液位 成分等物 理量进行检测 以供显示 纪录或控制只用 控制系统中所选的变送器的型号为 CR 604 为锅 炉专用液位计 1 CR 604 概述 CR 604 锅炉专用分体式液位计 采用独特结构 将抗高温 耐高压 抗腐蚀性能集于一身 变送部分 利用军工器件 使信号输出更加稳定 可靠 并可与 计算机联网使用 专用于锅炉液位的线性测量及自控 安装极其方便 维护量很小 大大降低了使用 维护 人员的工作量 2 CR 604 的工作原理 电容式液位测控仪均采用电容原理 即电容两极 间介质量的变化可引起电容量的变化 其原理模拟图 如图 8 所示 把一根外包绝缘层的金属棒插入装有导 电介质的金属容器 金属棒和容器内壁之间形成电容 其填充介质的变化量 H 与形成的电容变化量 Cx 关 系如下式 教师批阅 课课 程程 设设 计计 用用 纸纸 14 图 8 CR 604 的工作原理模拟图 当被测介质液位变化时 传感器电容量 Cx 也随之 发生变化 电容变化增量 Cx 通过变送器电路转换为 与液位成正比例的标准电流信号 转换过程可用图 7 所示的方框图示意 图图 9 转换过程方框图转换过程方框图 3 技术参数 工作电压 最大 40V 最小 6 5V 电 流 环 两线制 4 00mA 20 00mA 0 5 防爆等级 ExiaIICT6 40 70 ExiaIICT1 5 40 85 防爆参数 Ui 30V Ii 100mA Pi 0 75W Ci 100pF Li 10uH 测量范围 0 2200mm Max 测量周期 0 5 秒 分 辨 率 0 02mm 温度漂移 0 5mm Max 40 85 工作压力 40MPa Max 线性偏差 1 0 05 FS mm 介质温度 300 Max 教师批阅 环境温度 40 85 课课 程程 设设 计计 用用 纸纸 15 ExiaIICT1 T5 存储温度 55 100 防护等级 IP67 4 端子接线图 图 10 端子板接线图 5 4 传感器的选型 液位传感器 静压液位计 液位变送器 液位传感器 水位传感器 是一种测量液位的压力传感器 静压投入式液位 变送器 液位计 是基于所测液体静压与该液体的高度成比例 的原理 采用国外先进的隔离型扩散硅敏感元件或陶瓷电容压 力敏感传感器 将静压转换为电信号 再经过温度补偿和线性 修正 转化成标准电信号 一般为4 20mA 分为两类 一类为接触式 包括单法兰静压 双法 兰差压液位变送器 浮球式液位变送器 磁性液位 变送器 投入式液位变送器 电动内浮球液位变送 器 电动浮筒液位变送器 电容式液位变送器 磁 致伸缩液位变送器 侍服液位变送器等 第二类为 非接触式 分为超声波液位变送器 雷达液位变送 器等 静压投入式液位变送器 液位计 适用于石油化工 冶金 电力 制药 供排水 环保等系统和行业的 各种介质的液位测量 精巧的结构 简单的调校和 灵活的安装方式为用户轻松地使用提供了方便 4 20mA 0 5v 0 10mA 等标准信号输出方式 根据需要任选 利用流体静力学原理测量液位 是压力传感器 的一项重要应用 采用特种的中间带有通气导管的 电缆及专门的密封技术 既保证了传感器的水密性 又使得参考压力腔与环境压力相通 从而保证了测 量的高精度和高稳定性 是针对化工工业中强腐蚀性的酸性液体而特制 壳体采用聚四氟 乙烯材料制成 采用特种氟胶 教师批阅 课课 程程 设设 计计 用用 纸纸 16 电缆及专门的密封技术进行电气连接 既保证了传 感器的水密性 耐腐蚀性 又使得参考压力腔与环 境压力相通 从而保证了测量的高精度和高稳定性 工作原理 用静压测量原理 当液位变送器投入到被测液 体中某一深度时 传感器迎液面受到的压力公式为 g H Po 式中 P 变送器迎液面所受压力 被测液体密度 g 当地重力加速度 Po 液面上大气压 H 变送器投入液体的深度 同时 通过导气不锈钢将液体的压力引入到传 感器的正压腔 再将液面上的大气压 Po 与传感器 的负压腔相连 以抵消传感器背面的 Po 使传感器测得压力为 g H 显然 通 过测取压力 P 可以得到液位深度 选用美国进口的高精度 隔离式敏感组件 性能可靠 表压或绝压测量 量程宽 1mH2O 200mH2O 输出 4 20mA 或0 5V 电源电压 24VDC 12 36VDC mV 输出型 为恒流1 5mADC 或恒压12VDC 供电 精度高 优于 0 2 F S 100 防水防潮 防护等级 IP68 完备的电路功能 调校方便 5 5 伺服放大器的选型 所选用的伺服放大器型号为 ZPE 2031J 工作原理 伺服放大器的 输入信号来自于 变送 调节等单 元的标准信号 与执行机构反馈 来的位置信号 在放大器的前级 进行比较 即代 数相减 比较后 的信号差值大于 教师批阅 教师批阅 课课 程程 设设 计计 用用 纸纸 17 放大器的灵敏限时 电动执行器功率出带动阀门 完成各种自控调节 阀门的开启方向也就是电动机的 转动方向 取决于输入信号的量值 电动机总量朝着 减小和反馈信号差值方向转动 2 技术参数 输入信号 4 20mA DC 1 输入通道 1 个 2 输入电阻 250 欧姆 3 输出 输出电压降小于 2V 4 电流 5A 死区 0 8 8 连续可调 5 电源 电压 220V AC 允差 10 15 6 频率 50Hz 允差 1 1 报警触头容量 110V AC 0 5A 28V DC 1A 7 使用环境 温度 0 50 8 相对湿度 10 70 周围空气中无起腐蚀作用的介质 大气压力 86 106Kpa 3 端子接线图 图11 ZPE E 2031J2031J 伺 服放大器接线端 子图 5 6 电动操 作器的选型 教师批阅 课课 程程 设设 计计 用用 纸纸 18 控制系统所选的电动操作器的型号是 DFD 1000 1 工作原理 DFD 1000 型电动操作器 采用 开关操作制 原 理进行 手动 与 自动 的切换和操作 自动跟踪 是在 手动 工况 将执行器位置反馈电压 1 5V DC 加到调节器的积分电容两端 使调节器输出 电流 始终跟踪位置反馈电流 并保持相等 2 技术参数 电源电压 220V 50 602Hz 1 开关触头额定容量 主回路 500V 15A 2 信号回路 110V 2A 跟踪电压 1 5V DC 3 工作条件 4 a 环境 温度 0 45 b 相对湿 度 85 仪表重量 5 约 3Kg 外形尺寸 6 长 宽 高 295 80 160 m m 3 端子接 线图 教师批阅 课课 程程 设设 计计 用用 纸纸 19 图 12 DFD 1000 接线端子图 5 7 显示仪表的选型 所设计的控制系统所选用的显示仪表为 DXZ 1011 1 DXZ 1011 工作原理 本仪表能将 1 5V 直流电压直接并到表头指示 表 头采用动圈式张丝结构 磁路系统由扇形磁铁 导磁 体及由它们组成的平面气隙构成的 磁场均匀 当电 流流过动圈时在 气隙 磁场的作 用下产生作用力 矩 当该力矩和 由张丝转角变形 所形成产生的反 作用力矩相平衡 时 转轴另一端 的指针所指示的 位置即表示被测 量的大小 2 技术参 数 型号与 1 规格 DXZ 1011 单针 重量 6kg 输入信 2 号 1 5V DC 内阻 3 小于 20 指示精 4 度 1 工作环 5 境 1 环 境温度为 0 50 课课 程程 设设 计计 用用 纸纸 20 2 相对湿度 85 3 工作振动频率 f 25Hz 全振幅 0 1mm 结构型式 盘装式 6 外形尺寸 80 160 630mm 7 电源电压 24V DC 8 功耗 2W 9 教师批阅 3 端子接 线图 图 13 DXZ 1011 端子接线图 仪表型号 仪表型号 清单清单 仪表型号及清单 序号名称型号个数 课课 程程 设设 计计 用用 纸纸 21 1调节器DTZ 21001 2执行机构DKZ 4101 3变送器 CR 604 1 4伺服 放大器 ZPE 2031J 1 5电动 操作器 DFD 1000 1 6执行器ZAZN1 7显示仪表DXZ 10111 教师批阅 个人总结 在老师的耐 心指导和同学的 帮助下 我成功 地完成了这次 300mw 火力发电机 组锅炉汽包水位 仪表控制系统设 计的课程设计 在这两周中 我能根据计划进 度的安排 在老 师的指导和与同 学得互相讨论当 中 按时按量的 完成自己的设计 课课 程程 设设 计计 用用 纸纸 22 任务 在此期间 我重新温习了 控制仪表及装置 热工过程控制仪表 热力设备运行 等相关基 础知识 并研读了 热工控制系统 检测技术与系 统设计 等规范 在设计中 我通过所学的基本理论 专业知识和基本技能进行了锅炉汽包水位的控制设计 课程设计是对控制仪表专业知识的一次综合应用 深化和提高 也是将学到理论运用于设计的一次锻炼 通过这次对规范的学习和了解 深知自己的不足 但 只要通过自己的努力及老师的艰辛指导 在设计中要 求自己时刻查询规范 严格按照规范要求来做 我想 自己一定能把这次设计做得更好