武红涛DCS控制系统

1、摘要火力发电厂的热力除氧器是利用汽轮机的抽气加热锅炉 给水，使得锅炉的给水达到该压力下的饱和温度，以除去溶 于水中的氧气等气体，防止锅炉、汽轮机和管道等热力设备 遭到腐蚀；另一方而除氧器是汽水直接接触式的加热器，他 是给水加热系统屮的一环，利用汽轮机的抽水加热锅炉给水, 可以提高电厂的效率，节省燃料。除氧器是电厂重要的辅助 设备之一，是电厂热力系统中不可缺少的环节。当除氧器内压力突然升高时，水温变化跟不上压力的变 化，水温暂低于升高后压力下的饱和温度，因而水中的含氧 量随z身高，待水升高至升高后压力的饱和温度时，水屮的 溶解氧才会降至合格的范围；当氧气压力突然降低吋，由于 水温高于该压力对应的

2、饱和温度，除氧器内的凝结水会发牛 自发沸腾现象。严重时给水泵可能会发生汽蚀，导致重大事 故。因此，在运行中应保持除氧器内压力的稳定。 关键字：除氧器；饱和温度；组态abstractthe thermal deaerator of thermal power plant heat boiler feed water by the gas pumped from turbine to make the boiler feed water reach the saturation temperature corresponding to this pressure to remove oxygen

3、and other gases dissolved in the water and prevent corrosion of thermal equipment such as boilers, turbines and pipes. on the other hand, the deaerator is a direct-contact heater. it is one part of the feedwater heating system. it use the water pumped from turbine to heat boiler feed water.this can

4、improve the efficiency of the power plant and save fuel.when the pressure in the deaerator sudden rise, the change of the water temperature can not keep up.the water temperature will temporarily lower than the saturation temperature under the increased pressure, and thus the oxygen content of the wa

5、ter thereupon rising until the water temperature was raised to the saturation temperature corresponding to the elevated pressure, the dissolved oxygen in the water will be reduced to qualified range; when the oxygen pressure is suddenly reduced.as the water temperature is higher than the saturation

6、temperature coitesponding to the pressure,the condensation water inside deaerator will spontaneously boiling. in serious condition,the cavitation phenomenon of feedwater pump will resulting in a major accident. therefore we should maintain the stability of the pressure within the deaerator in operat

7、ion.key words:deaerator; saturation temperature;configurationabstracti1、课程设计任务和要求22、除氧器的简介22.1、热力除氧的原理42.2、除氧器的类型42.3、除氧器的连接系统53、除氧器压力控制63.1、除氧器压力控制系统方案63.2除氧器压力控制系统参数整定83.3除氧器压力控制系统仿真94、除氧器压力dcs控制系统104.1、控制总方案114.2、一次仪表选型114.3、一次仪表和dcs接线134.4、dcs硬件组态134.5、dcs控制组态154.6、人机界面165、课程设计总结和体会17附录117附录1117

8、参考文献171、课程设计任务和要求木课程设计是针对学生学习和运用专业知识的综合考核 和检查，使学生接受工程类基本训练的重要环节，是自动化 （热工）专业的集散控制系统专业课程学习的必修内容 z-o本课程设计的特点是，内容所涉及的知识面较一般习 题广，有较强的系统性和综合性，在运算、绘图、编写设计 文木方面有较高的要求。本课程实际应针对交通运算组织学课程涉及的相关理论 与方法，结合具体实践背景，解决实际问题。要求能从数字 控制系统功能要求出发，制订或分析设计方案，合理地选择 控制系统硬件设备，确定软件需求。能按工艺的控制要求， 选择相关模块，设计组态图。能考虑控制系统安装与调整、 使用与维护、经济

9、和安全等问题，对集散控制系统的安装技 术要求进行设计。课程设计的题目是200mw机组除氧器压力控制系统，要 求将除氧器压力维持在最小值压力35kpao同时每个学生应完 成：总体方案图1张、接线图1张，组态图3张，sama图1 张；设计说明书一份，说明书应包括：确定总体方案，选定 i/o点，控制系统的组态图，sama图等内容。2、除氧器的简介除氧器的主要作用是除去给水中的氧气，保证给水的品 质。水屮溶解了氧气，就会使与水接触的金属腐蚀;在热交换 器中若有气体聚集就会妨碍传热过程的进行，降低设备的传 热效果。因此水中溶解有任何气体都是不利的，尤其是氧气, 它将直接威胁设备的安全运行。教师批阅:恭汽

10、供纟合辛降软辭图2-1除氧器工艺流程图氧器的空间除氧器本身又是给水回热系统屮的一个混合式加热器, 同吋高压加热器的疏水、化学补水及全厂各处水质合格的疏 水、排气等均可通入除氧器汇总并加以利用，减少发电厂的汽 水损失。当水和某种气体混合物接触时,就会有一部分气体融 解到水中去。气体的溶解度就是表示气体溶解于水中的数量, 以毫克/升计值，它和气体的种类以及它在水面的分压力、和 水的温度有关。在一定的压力下，水的温度越高，气体的溶解 度就越小；反之，气体的溶解度就越大。同时气体在水面的分 压力越高，其溶解度就越大，反之，其溶解度也越低。天然水中 常含有大量溶解的氧气，可达10毫克/升。汽轮机的凝结水

11、可 能融有大量氧气，因为空气能通过处于真空状态下的设备不 严密部分渗入进去此外，补充水中也含有氧气及二氧化碳等 其他气体。液面上气体混合物的全压力中，包括有液体蒸汽的 分压力和液面上的全压力。将水加热时,液面附近水蒸气的分 压力就会增加，相应的液而附近其他气体的分压力就会降低. 当水加热到沸点时，蒸汽的分压力就会接近液面上的全压力, 此吋液面上其他气体的分压力几乎接近于零，于是这些气体 将完全自水中清除出去。除氧器的工作原理即利用蒸汽对水 进行加热，使水达到一定压力下的饱和温度，即沸点。这时除 教师批阅：解于水的氧气将全部逸出，以保证给水含氧量合格。高参数的 锅炉给水温度一般为230250摄氏

12、度。采用高压除氧器，在机 组高压加热器故障停用时，进入锅炉的给水温度仍可以维持 在150160摄氏度，这样对锅炉的运行影响就可以小一点。此 外，提高锅炉除氧器的压力，可以避免凝结水进入除氧器时产 生沸腾现象,后者会使水泵进口产生汽蚀，这对水泵是不允许 的。2/1、热力除氧的原理1 亨利定律描述:单位体积中溶解的气体量b与水面上该气体的分压力p气体成正比。推论：如p气体一0,则b 0。2. 道尔顿定律描述：混合气体的全压力p全等于各组成气体的分压 力之和。p=p气体+p水蒸汽推论：若p -p水蒸汽，则为p气体一0。2.2、除氧器的类型1. 真空式除氧器描述：凝汽器内具备除氧的必要条件，在凝汽器底

13、部两 侧加装适当的除氧装置（如淋水盘、溅水板、抽气口等）即 可除氧。特点：系统简单，但除氧效果达不到给水控制指标。2. 大气式除氧器描述：工作压力0. 118mpa,略高于大气压力以便于排岀气体。特点：与高压除氧器相比无优势，常用于热电厂作为第 一级除氧。3. 咼压除氧器描述：工作压力一般为0.3430. 784mpao特点：（1）除氧器给水温度较高，可减少高压加热器的 台数；（2）高加切除吋，锅炉给水温度变化幅度小，改善锅 炉的运行条件；（3）工作温度高，给水中气体的溶解度降低, 有利于提高除氧效果。（4）工作压力提高，给水在除氧器内 的温升也提高，可避免除氧器的自生沸腾。（5）给水泵工作

14、条件恶劣。2.3、除氧器的连接系统单独定压连接前宣定压连接图2-2除氧器连接图治压连接1.单独连接特点：抽汽管上装设压力调节阀，低负荷时切换到高一 级抽汽。正常运行时存在节流损失，低负荷切换到高一级抽 汽时，节流损失更为严重。分析：加热蒸汽经过压力调节阀产生节流压降，除氧器 给水温度低于抽汽口压力下的饱和温度，加热不足部分转移 到相邻高压加热器，减少了木级较低压力抽汽，增加了相邻 较高压力抽汽，热经济性下降。当抽汽切换到高一级抽汽时, 压降更大，节流损失更大，并导致停用一段回热抽汽。特点：单独连接改进型。增加一台高压加热器与除氧器共用一段抽汽，该高压加热器出水温度不受压力调节阀的影 响，无节流

15、损失。分析：前置连接既没抽汽量减少，也没导致低压抽汽量减少，故不存在节流损失。压力调节阀只起蒸汽流量分配作 用。3. 滑压运行连接描述：除氧器滑压运行指除氧器压力随机组的负荷与抽 汽压力的变动而变化。特点：（1）无节流损失；（2）低负荷时不用切换高一级 抽汽和停用本级抽汽；（3）回热加热分配更接近等温升分配。（4）负荷突然变化吋存在除氧效果恶化和给水泵汽蚀问题。说明：定压运行除氧器在机组低负荷时，除氧器出水温 度不变，而前级低加出水温度下降，除氧器加热温升增大。 同时，相邻高加岀水温度下降，而进水温度不变，相邻高加 的加热温升减少。二者都导致回热分配偏离等温升。3、除氧器压力控制31、除氧器压

16、力控制系统方案图3-1除氧器压力控制方案图由图3-1可知，这是一个简单的单回路控制系统，通过 除氧器压力调整门调整蒸汽量来控制除氧器压力。其原理图 如下：凝结水除氧器p1轮机pidp0图3-2除氧器压力控制原理图其中，p1除氧器压力，p0除氧器压力设定值由上述的原理图对应可以画出除氧器压力控制系统的 sama图，具体的图见附录i。并且由图可知：除氧器压力经过三个变送器测量得到的信号pt,经过 selm三选的选择后经过质量判断qc,如果是坏的点，则报 警al,同时在crt上有显示i。进过选择器选择的信号输出 至pid调节器入口，同时做高低幅值报警输出。在调解器入 口与手动设置a模块的设定值进行比

17、较，其偏差值送到pid 调节器进行比例、积分、微分运算后作为调节器的输出信号, 这个信号在手动切换模块t通过m/a进行选择，如果切换为 手动则选择a手动设定一个值，如果不切换手动则向下进行 另一个手动切换模块t,通过强制关闭除氧器压力提哦接法来 选择，如果没有这个信号则向下经过a0,自动信号送到除氧 器压力调节阀进行调节，此调节回路为单回路调节系统，而 且没有前馈信号。除氧器压力信号调节阀的阀位信号如果与 调节发出的阀位指令偏差则自动切换为手动。单回路控制系统主要由调节器和被控对象构成，通常被 控对象的动态特性是无法轻易改变的，要得到满意的调节效 果，就要合理的设置调节器的参数。因而，单回路控

18、制系统 的整定实际上就是调节器的参数整定。调节器的参数主要有 三个，即比例调节规律的比例带、积分调节规律的积分吋间 和微分调节规律的微分时间。而对于除氧器压力控制的单回路控制系统，从资料g（s）=94 严得知被控对象的传递函数为：4.65 +1变送 器的测量变送单元为齐而执行器和调节阀的传递函 数是k厂k产' 由响应曲线法根据被控对象的传递 函数求得对象的一组特征参数£、p、t （有自平衡能力的 对象），然后按表3 1公式计算调节器的整定参数。表3-1衰减曲线法整定参数计算表（2 =0. 75）被控对象的阶跃响应曲线9被控对象的近似传递函数q«(>>&q

19、uot;ur或有阴旌滞后(包桔1-< 0.2)w (;) = 1 1厂“p 1 + gu、数“ 控制规律口0.2<-<1.5ptf691?td。pa1 t p p z0.081 ta2.6 ”p + 0.7ppp1 1 1 r1.19p te3.3何p-0.082.6 p + 0.6 tro.8tcpppig0.85-p e2m0.52-0.151 t&2.6p 丨+0.88o.sitc0.25xp在除氧器的压力控制中我采用的是pi控制器，在经过一系列的计算得岀控制器的参数为：p=l/13. 131=3. 68根据前面的控制系统原理图和得出的参数在matlab中可以画

20、岀除氧器压力控制系统的simulink图如图3-3下：ojin图3-3除氧器控制simulink仿真图仿真可以得到响应曲线如下:图3-4仿真响应曲线图由响应曲线图3-4可以得到系统的上升时间只有150s左 右，也就意味着控制系统能够很快的达到给定值，并且稳定 下来。在有内绕的情况下，控制系统的simuink图和响应曲线 依次如图3-5：st«pgjin图3-5带内扰的simulink仿真图 运行仿真可以得到带内扰的响应曲线如图3-6：由上图可知，即使在有内绕的情况下，控制系统的超调亮只有8%,在100s左右就会达到稳定，所以说，这个控 制系统满足实际的要求。4、除氧器压力dcs控制系

21、统随着计算机过程控制技术的发展和国内电力企业自动控 制水平的提高，集散控制系统dcs在电厂得到了广泛的应用。 dcs的使用大大提高了机组运行的安全稳定性，改变了生产过 程屮传统的操作方式和管理现状，带来了显著的经济效益。随着计算机过程控制技术的发展和自动化控制水平的提 高，集散控制系统dcs在现代化企业的生产过程中得到了广 泛的应用。二十年来，我国电力企业dcs的应用工作取得了 可喜成绩，企业自动化水平显著提高。应用dcs的生产流程 越来越多，领域不断拓宽，dcs技术的应用使过程控制发生了 质的变化，保证了机组安全稳定运行，大大提高了生产自动 化水平，同时为企业带来了良好的经济效益。本文介绍的

22、是美国focboro公式自1987年推岀的第三代 集散控制系统i/a s智能白动化系统集散控制系统在除氧器 压力控制中的应用。4.1、控制总方案i/a c p27o终瑞变送器图4-1除氧器控制总体方案图执行器4.2> 一次仪表选型压力变送器型号：hq-3051测量介质：液体、气体和蒸汽量程范围:差压:0016kpa至010mpa工作电压：12厂45v dc （般使用24v dc）输出信号：4ma20ma dc温度范围：环境温度-20°c70°c精度:0. 075级相对湿度:0、100%rh现场指示表：led数码显示电源变化影响：小于输出量程的0. 0059%/v振动影

23、响：在任意轴上，频率为200iiz,引起的最大误差为量 程的土0. 05%/g介质温度:-40°c100°c贮存温度：-40°c100°c公称通径dn(mm)15-200公称压力 pn(mpa)1.62.54.0公称压 力ps (mpa)一强度试验一2.43.86.0密封试骗1.82.84.4材料材 料代号cpr主要零 件阀 体wcbzglcrl8ni9tizglcrl8nil2mo2ti球 体2crl3lcrl8ni9tilcrl8nil2moti阀杆2crl3!crl8ni9ti!crl8nil2moti一密封圈增强聚四氟乙烯对位聚苯填料聚四氟乙烯柔

24、性石墨适用工 况一适用介质水、蒸汽、油品硝酸类醋酸类适 用度-28 °c -300 °c气动装 置型 号0bd系列、aw系列等详细的接线图见附录ii4.4、dcs硬件组态图4-2控制系统组态图表4-1 dcs模块配置表模块名称型号数据模块地址10模块地址可用的10通道地址dcs信号转接板端子号机柜sp221i/o机笼sp243x数据转发卡sp23300主控制卡spooo电源箱机笼sp3130002,03nai3, nai4电源sp3130100,01,02,03nai5, nai6,nai7, nai8电源指示卡sp3130200,01,02,03nai9, nai10,n

25、ai11,nai12电流信 号输入卡spooo电压信 号输入 卡sp3160204模拟信号输岀sp316030500,01pt-3, pt-4工程师站sp316040600,01pt-5, pt-6操作员站spooo05集线器sp3350803p4scnet 网卡sp3220903na044.5、dcs控制组态使用ain模拟量输入模块，pid调节模块和aout模拟量 输岀模块构成但参数调节回路，ain模块将fbm来的测量信号 进行修正，标度，报警等处理，其输出被连到pid模块的测 量输入参数meas。pid模块根据测量值与设定值spt的偏差 信号和p、1、d整定参数的设置进行运算，其输出被连接到 aout模块的输出measo aout模块对信号进行输出修正后送到 fbm的输出点。ainpnt meas p1doutim memoiamlevel «lbcalco 而 psaoutm mher76.46sp66,00%图4-3控制组态图教师批阅:mcgs是一套基于windows平台的，用于快速构造和牛成 上位机监控系统的组态软件系统，主要完成现场数据的采集 与监测、前端数据的处理与控制。组态控制技术构成的计算 机测控系统与一般的计算机测控系统在结构上没有本质的区 别，他们由被控对象、传感器、1/0接口、计算机和执行结构 几部分组成。具有功能完善