过程控制系统课程设计.doc

内蒙古科技大学过程控制系统课程设计说明书内蒙古科技大学过程控制工程课程设计说明书题 目：锅炉汽包水位控制系统设计学生姓名：王 文 燕学 号：0967112241专 业：测控技术与仪器班 级：2009-2指导教师：肖 俊 生目录1概述31.1系统简介31.1.1锅炉的组成及工作原理31.1.2 锅炉的主要控制要求及控制系统31.2本次设计的要求及内容42 锅炉汽包水位控制系统设计52.1锅炉汽包水位控制系统分析52.2 锅炉汽包水位控制方案设计63 锅炉汽包水位单冲量控制系统分析73.1 锅炉汽包水位单回路控制系统原理73.2锅炉汽包水位单回路控制系统方案84 控制仪表的选型104.1调节器的选型104.2 执行器的选型1143 变送器的选型125 控制系统的投运和整定135.1 控制系统的投运135.2 单回路控制系统的整定136 心得体会157 参考文献16171概述1.1系统简介锅炉是火电厂重要的动力设备，它的作用是使燃料在炉膛中燃烧放热并将热量传给工质，以产生一定压力和温度的蒸汽，供汽轮发电机组发电。锅炉是利用燃料（如煤、天然气、焦炉煤气、高炉煤气、重油等）燃烧释放的热能加热给水，生产规定品质和参数的过热蒸汽的设备，又称蒸汽发生器。现代电站采用固态排渣煤粉锅炉，由锅炉本体和许多辅助设备组成，是一个庞大且复杂的设备群。1.1.1锅炉的组成及工作原理锅炉本体是锅炉的主要组成部分，包括炉膛、燃烧器、点火装置、空气预热器、省煤器、蒸发器、汽包、过热器及再热器等，其中炉膛又包括水冷壁、炉墙和构架等。锅炉辅助设备主要包括煤或燃气等燃料供应系统（包括煤场、输煤机等）、煤粉制备系统（包括给煤机、磨煤机、煤粉分离器等）、水处理系统（包括阳床、阴床、各种水箱及除氧器等）、给水系统（给水泵等）、通风系统（包括送风机、引风机等）、除灰除尘系统（除尘器等）、测量及控制系统等。锅炉的工作原理:锅炉生产实际上是实现能量的转换和传递，将燃料的内能转换为蒸汽的热能，整个工作过程可分为以下三个相互关联的子过程：燃料的燃烧过程、火焰和烟气向水及汽传递热量的过程、蒸汽的产生过程。1.1.2 锅炉的主要控制要求及控制系统锅炉的主要控制要求： 供给满足负荷需要的蒸汽量； 过热蒸汽压力保持在一定范围之内； 过热蒸汽温度保持在一定范围之内； 汽包水位保持在一定范围之内； 炉膛负压保持在一定范围之内； 保持锅炉燃烧的经济性； 保证锅炉安全稳定运行。锅炉是一个典型的多输入、多输出过程。输入变量与输出变量之间存在相互关联、相互耦合。锅炉主要控制系统有： 锅炉汽包水位控制系统锅炉汽包水位是确保安全生产和蒸汽质量的重要参数。通过控制给水量维持汽包水位在工艺允许的范围之内。 锅炉燃烧控制系统锅炉燃烧控制系统具体包括三个控制系统，即蒸汽压力控制系统、炉膛负压控制系统、烟气成分（空燃比）控制系统。 过热蒸汽温度控制系统 通过控制减温水量，使过热器出口温度保持在一定的范围之内。1.2本次设计的要求及内容在本次控制系统的选择中，我设计题目是：锅炉汽包水位控制系统。该系统的被调量是汽包水位，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，使汽包中水位在工艺允许的范围内维持在800.5cm。本次设计完成的内容：1、了解锅炉生产工艺；2、确定锅炉汽包水位控制系统方案；3、针对方案确定系统所需的硬件选型及技术参数。2 锅炉汽包水位控制系统设计2.1锅炉汽包水位控制系统分析在锅炉运行中，锅炉的水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。汽包水位是锅炉运行的重要指标，维持汽包水位在一定的范围之内是保证锅炉安全正常运行的首要条件。如果水位过高则会影响汽包内的汽水分离，出现蒸汽带液现象，这会使过热器管壁结垢，并使过热蒸汽温度急剧下降，如以该过热蒸汽作为汽轮机动力，将会损坏汽轮机叶片，影响安全运行；相反，如果水位过低，则当负荷很大时，水将加快汽化速度，此时，如不及时补水，则会导致汽包内的水全部汽化，烧坏水冷壁甚至引起爆管事故。同时高性能的锅炉发生的蒸汽流量很大，而汽包的体积相对来说较小，所以锅炉水位控制显得非常重要。锅炉水位自动控制的任务，就是控制给水流量，使其与蒸发量保持平衡，维持汽包内水位在工艺允许的范围内变化。锅炉汽包水位系统流程如图2-1所示。 图2-1 锅炉汽包水位系统流程2.2 锅炉汽包水位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，冲量即变量即汽包水位。单冲量控制系统结构简单，对于汽包容量较大、负荷变化小且虚假水位现象不太严重的小型锅炉，该控制系统可以保证锅炉安全正常运行。 3 锅炉汽包水位单冲量控制系统分析3.1 锅炉汽包水位单回路控制系统原理单冲量水位控制系统以汽包水位作为唯一的控制信号，它是汽包水位自动调节中最简单、最基本的一种形式。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与给定值的偏差，通过执行器去控制给水调节阀以改变给水量，保持汽包水位在工艺允许的范围内。单冲量水位控制系统的原理图如图3-1所示。 图3-1 锅炉单回路控制系统单回路控制系统一般由被控对象、变送器、控制器（调节器）和执行器构成。被控对象：需要调节其工艺参数的生产设备。变送器：把工艺参数转换成统一标准信号的装置。调节器：将来自变送器的测量值与给定信号相比较后产生的偏差信号, 按照预先设定好的控制规律进行运算后，输出一个控制信号去执行器。执行器：把控制器的输出信号转换成直线位移或角位移，以控制阀门的开度。此外，根据需要还可设有显示、转换、计算、辅助、给定装置等。3.2锅炉汽包水位单回路控制系统方案单冲量控制系统结构简单，是典型的单回路特定控制系统。对于水在汽包内的停留时间较长，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。其控制系统方案如图3-2所示。 图3-2 锅炉汽包水位单冲量控制系统方案图从单冲量调节系统静特性看，单冲量调节器宜选用比例积分调节规律，如选用纯比例调节调节结果水位必定有余差，造成水位极大波动不太合适，因此采用比例积分调节规律，可以消除水位的静态偏差，使水位的波动幅度减少。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。（1）被控参数的选择根据生产工艺要求，锅炉汽包水位需维持在给定值上，或在某一小范围内变化，这是保证生产正常进行的工艺指标，且水位的测量也比较方便。所以，选择汽包水位为直接被控参数。（2）控制参数的选择锅炉在运行过程中，汽包水位是经常变动的。引起水位变化的原因有锅炉内外部扰动，如给水量的干扰，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控制参数。（3）检测控制仪表的选择测量元器件及其变送器的选择。可选用DDZ-III型差压式变送器来实现汽包水位的测量和变送。调节阀的选择 从生产工艺安全原则选择调节阀。不能使锅炉汽包水位过低，防止发生干锅而引起爆炸，所以在故障情况下，阀应该处于全开状态，此时应选取气关式调节阀。调节器的选择 由上分析决定采用PI控制规律。根据构成控制系统负反馈的原则，对于图3-2中所示控制方案，由于调节阀为气关式，故Kv为“-”；当调节阀开度增加时，汽包水位上升，故被控对象的Ko为“+”；测量变送器的Km为“+”，则调节器的Kp应该为“-”，故调节器应采用正作用方式。4 控制仪表的选型仪表的选择控制仪表是自动控制被控变量的仪表，由各种不同的、相互关联的控制仪表构成的控制系统，是操纵一个或几个变量达到预定状态的系统。为了实现自动控制，除自动装置本身外，控制系统还包括向自动装置提供信息的变送器和开关部件，以及执行自动装置控制指令的执行器等。 4.1调节器的选型 采用模拟控制器:DDZIII型调节器，调节器的输入信号为15V的测量信号。设定信号有内设定和外设定两种。内设定信号为15V，外设定信号为420mA。测量信号和设定信号通过输入电路进行减法运算，输出偏差进行PID运算后，由输出电路转换为420mA信号输出。手动电路和保持电路附于比例积分微分电路之中，手动电路可实现软手动和硬手动两种操作，当处于软手动状态时，用手指按下软手动操作键，使控制器输出积分式上升或下降，当手指离开操作键时，控制器的输出值保持在手指离开前瞬间的数值上，当控制器处于硬手动状态时，移动硬手动操作杆，能使控制器的输出快速改变到需要的数值，只要操作杆不动，就保持这一数值不变。由于有保持电路，使自动与软手动相互切换，硬手动只能切换到软手动，都是无平衡无扰动切换，只有软手动和自动切换到硬手动需要事先平衡才能实现无扰动切换。如果是全刻度指示控制器，测量信号的指示电路和设定信号的指示电路分别把15V电压信号转化为15mA电流信号用双针指示器分别指示测量信号和设定信号。当控制器出现故障需要把控制器从壳体中取出检查时，可以把便携式手动操作器插入手动操作插孔，以实现手动操作。420mA输出信号通过精密电阻（250欧姆）转化为15V电压反馈到控制器的输入端，使控制器形成了闭环系统，提高了控制器的运算精度。根据生产设计要求，采用WHSPL型调节器。技术参数：统一标准信号：1-5VDC或4-20mADC；控制精度为0.5%；负载电阻250750；比例度2500；积分时间0.012.5min与0.125min；微分时间0.0410min；电源：22010%AC，0.2A；PID参数范围：（1）给定值-6.9%106.9%；（2）比例带0.0799.9%；（3）积分时间0.099.9min；（4）微分时间0.099.9min（5）采样周期200ms。4.2 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。本设计采用气动薄膜调节阀，其工作原理：当气室输入了0.020.10MPa信号压力之后，薄膜产生推力，使推力盘向下移动，压缩弹簧，带动推杆、阀杆、阀芯向下移动，阀芯离开了阀座，从而使压缩空气流通。当信号压力维持一定时，阀门就维持在一定的开度上。气动薄膜调节阀的结构可以分为两部分，上面是执行机构，下面是调节机构。它主要由膜片、弹簧、推杆、阀芯、阀座等零部件组成。当来自控制器的信号压力通入到薄膜气室时，在膜片上产生一个推力，并推动推杆部件向下移动，使阀芯和阀座之间的空隙减小，流体受到的阻力增大，流量减小。推杆下移的同时，弹簧受压产生反作用力，直到弹簧的反作用力与信号压力在膜片上产生的推力相平衡为止，此时，阀芯与阀座之间的流通面积不再改变，流体的流量稳定。 出于安全的原因，在此次设计中使用VBD气动端面密封蝶阀，VBD气动端面密封蝶阀是一种重量轻，结构简单的后座式端面密封蝶阀。阀体、阀板均用钢板焊接或铸造加工而成。适用于低压状态的空气或其他气体的流量、压力控制。本产品符合GB/T4213-92标准。技术参数：型式：扁平式焊接或铸造阀体；公称通径：1252000mm（580）；公称压力：PN0.25、0.6、1.0、1.6MPa JIS2K、 JIS5K、JIS10K ANSI 150连接型式：法兰式：1252000mm（880）；密封面型式：RF；材料：25#、SUS304、SUS316、高温耐热钢Ni25Mo等；标准型：适用-5200，公称通径DN550以下；外部轴承型：公称通径DN600以上；公称通径DN550以下，温度200600；压盖形式：螺栓压紧式；填料：聚四氟乙烯、聚四氟乙烯石棉（常温用）、柔性石墨（中温、高温用）阀内组件：额定行程：全开60或全开90；阀板材料：25#、SUS304、SUS316等；旋转轴材料：SUS630、SUS304、SUS316；阀体、阀板密封形式端面密封型执行机构：型式气缸活塞执行机构；供气压力 500kPa；气源接口G1/8、G1/4、G3/8、G1/2、；环境温度070；阀作用型式：根据执行机构与旋转轴之间键连接位置不同，可实现阀的气关式或气开式；阀门安装方式：阀杆应水平地安装在配管上。若安装方式发生变化，请予以注明。43 变送器的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，记录或控制之用。选用DDZ-III型差压式变送器来实现汽包水位的测量和变送。5 控制系统的投运和整定5.1 控制系统的投运控制系统的投运，就是将系统由手动工作状态切换至自动工作状态。这一过程是通过控制器上的手动自动切换开关从手动位置切换到自动位置来完成的，但这种切换必须保证无扰动地进行。本设计采用设计比较先进的电动型控制器，因为它拥有比较完善的自动跟踪和保持电路，可以做到在手动时自动输出跟踪手动输出，在自动时手动输出跟踪自动输出，这样随时都可以进行手动与自动的切换而不引起扰动。5.2 单回路控制系统的整定简单控制系统的参数整定所谓控制系统的整定，就是对于一个已经设计并安装就绪的控制系统，通过控制器参数（ 、Ti 、Td ）的调整，使系统的过渡过程达到最为满意的质量指标要求。对于单回路控制系统，控制器参数整定的要求就是通过选择合适的控制器参数（ 、T i 、Td），使过渡过程呈现 4:1 的衰减过程。调节器参数整定有两大类：理论计算和工程整定法。理论计算法需要较多的控制理论知识，由于实际情况，理论计算不可能考虑周到，因此用工程整定法。工程整定法有三种：经验法、临界比例度法和衰减曲线法。在本设计中我将采用临界比例度法。临界比例度法是先将调节器设置为纯比例作用（即把积分时间Ti放在“”的位置，微分时间Td放在“0”的位置，就消除了积分和微分作用），且比例度放在较大位置，将系统投入闭环控制，然后逐步减小比例度（即增大放大系数 Kp）并施加干扰作用，直至控制系统出现等幅振荡的过渡过程。这时的比例度就叫做临界比例度k，振荡周期叫临界振荡周期Tk。根据k和Tk从表5-1中查找调节器应采用的参数值。（工业常见系统液位控制系统的参考选取范围为20%-80%。）表5-1 临界比例度法计算表应采用的控制规律（%）Ti（min）Td（min）P2kPI2.2k0