锅炉汽包液位、压力控制系统

锅炉汽包液位、压力控制系统

——过程控制仪表课程设计班级：生产过程0901姓名：孙路培顾丽丽彭硕指导老师：张娓娓日期：2011年6月9日锅炉汽包液位、压力控制系统共22页，您现在浏览的是第1页!章概述

锅炉的汽包液位是影响锅炉安全运行的重要参数，液位过高，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，增加在管壁上的结垢和影响蒸汽的质量。液位过低，则会破坏水循环，引起水冷壁管的破裂，严重时会造成干锅，损坏汽包。所以其值过高过低都可能造成重大事故。压力控制系统的结构是闭环的，由压力传感器、压力控制器和被控对象组成。压力传感器测量被控压力，并转换成便于利用的信号形式，比较装置将反映压力大小的信号与给定压力值比较，产生偏差信号。偏差信号通过压力控制器作用到压力调节机构上，按照消除偏差的方向来改变被测点的压力，将其调节到给定的希望值本。设计使用数显PID控制仪控制气罐压力，要使气罐内气压维持恒定,并要求无残差,我全部使用DDZ-Ⅲ型仪表完成设计,但为了系统的稳定,在控制器,执行器和变送器的基础上加入隔离配电器。锅炉汽包液位、压力控制系统共22页，您现在浏览的是第2页!第二章

锅炉汽包液位控制设计

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液位、蒸汽压力、过热蒸汽温度、炉膛负压、过剩空气（烟气含氧量）等，上图为输入变量与输出变量之间的相互关系。如果蒸汽符合变化或给水量发生变化，会引起锅筒液位、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，还会影响锅筒液位、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。锅炉汽包液位、压力控制系统共22页，您现在浏览的是第3页!所谓单冲量就是指锅炉汽包液位为被控参数，给水量作为控制变量可构成的单回路控制系统，如图2.2所示。对于小型锅炉，由于蒸汽负荷变化时假液位的现象不明显，如果再配上一些联锁报警装置，这种单冲量控制系统能满足要求。对于负荷变动较大的大，中型锅炉，单冲量控制系统不能保证液位稳定，难以满足液位控制要求和生产安全。因此，该控制方案不适用于负荷变动较大的情况。蒸汽流量是影响汽包液位最主要的扰动，也是造成假液位的主要因素。如果将蒸汽流量这一可测不可控的干扰作为前馈引入单冲量系统，就可以有效避免假液位引起的误动作，并及时控制液位，减小液位波动。由此，构成如图2.3所示的双冲量控制系统，其本质为前馈-反馈复合控制系统，即给水量不仅取决于汽包液位，还受到蒸汽用量影响。可见，该控制方案能有效适应负荷需求变化，但对给水系统中的水压等干扰因素造成的波动不能及时抑制。单冲量控制系统

双冲量控制系统

锅炉汽包液位、压力控制系统共22页，您现在浏览的是第4页!压力传感器/变送器

液位变送器选择TK3051L液位变送器PTH501/502/503/504压力传感器/变送器采用全不锈钢封焊结构，具有良的防潮能力及优异的介质兼容性。广泛用于工业设备、水利、化工、医疗、电力、空调、金刚石压机、冶金、车辆制动、楼宇供水等压力测量与控制。量程:-0.1~0～1～150(MPa)综合精度:0.1%FS、0.2%FS、0.5%FS、1.0%FS

输出信号:4～20mA(二线制)、0～5V、1～5V、0～10V(三线制)

供电电压:24DCV(9～36DCV)介质温度:-20～85～150℃

环境温度:常温(-20～85℃)负载电阻:电流输出型：最大800Ω；电压输出型：大于50KΩ绝缘电阻:大于2000MΩ(100VDC

密封等级:IP65长期稳定性能:0.1%FS/年

振动影响:在机械振动频率20Hz～1000Hz内，输出变化小于0.1%FS

电气接口(信号接口):四芯屏蔽线、四芯航空接插件、紧线螺母

机械连接(螺纹接口):1/2-20UNF、M14×1.5、M20×1.5、M22×1.5锅炉汽包液位、压力控制系统共22页，您现在浏览的是第5页!第三章PID对控制的影响

比例P调节：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称为比例带，其中KP为比例系数。人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。积分I调节：

在I调节中，调节的输出信号的变化速度与偏差信号e成正比，称为积分速度，其中TI为积分时间常数。增大积分速度将会降低控制系统的稳定程度，直至出现发散的振荡过程。I调节是无差调节，只有当被调量偏差为零时，I调节的输出才保持不变。I调节的稳定作用比P调节差,如果只采用I调节不可能得到稳定的系统，且振荡频率较低。微分D调节：D调节中的输出与被调量或其偏差对于时间的导数成正比，即TD为微分时间。微分的作用在于改善系统的动态特性。单纯的微分调节器是不能工作的。因此微分调节只能起辅助的调节作用，与P结合PD或与PI构成PID调节。总之，PID控制器中，比例环节主要减少偏差；积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度；微分调节能加快系统的动作速度，减少调节时间。锅炉汽包液位、压力控制系统共22页，您现在浏览的是第6页!（1）给水流量的传递函数：（2）蒸汽流量的传递函数：（3）变送器的比例系数：液位变化范围为±50mm，液位变送器的电流变化为0-10mA，所以液位变送器的比例系数为：给水流量和蒸汽流量变送器的比例系数为：。第四章锅炉汽包液位的三冲量

串级PID控制系统仿真锅炉汽包液位、压力控制系统共22页，您现在浏览的是第7页!

图4.1控制系统(a)液位给定值阶跃跟踪响应时的仿真结果锅炉汽包液位、压力控制系统共22页，您现在浏览的是第8页!

以锅炉汽包液体管道或容器中的压力作为被控制量的反馈控制系统。压力控制系统的结构是闭环的，由压力传感器、压力控制器和被控对象组成。压力传感器测量被控压力，并转换成便于利用的信号形式，比较装置将反映压力大小的信号与给定压力值比较，产生偏差信号。偏差信号通过压力控制器作用到压力调节机构上，按照消除偏差的方向来改变被测点的压力，将其调节到给定的希望值本。设计使用数显PID控制仪控制气罐压力,其基本构成如下:第五章锅炉汽包压力控制设计锅炉汽包液位、压力控制系统共22页，您现在浏览的是第9页!压力变送器型号：YBS主要技术参数

输出信号：4～20mA；基本误差:0.5%、0.2%输出负载:4～20mA0～550Ω（24V供电时）电源电压:24VDC18～36VDC

使用环境:温度:防1爆:-20～+50℃；液晶表头：-10～+50℃；

其它：-40～+60℃；相对湿度：5～95%

与膜片接触介质温度＜100℃（高温介质可通过引压管降温引入）

压力过载≤2FS（最大量程）重量：1Kg

量程分档：单位MPa图5.3压力变送器接线图锅炉汽包液位、压力控制系统共22页，您现在浏览的是第10页!第六章仪表型号清单列表编号型号数量液位变送器CR-60311显示仪表DY2000-G1调节器DY2000-GJ1伺服放大器DFC-2100Ⅲ型1电动操作器DFD-07001执行器ZAJWA1数显控制仪DKJ21001电动执行器KVHV-V1压力变送器YBS1隔离配电器KFP1锅炉汽包液位、压力控制系统共22页，您现在浏览的是第11页!第八章参考文献[1]孙优贤，孙红编著.锅炉设备的自动调节[M].化工工业出版社1982[2]金以慧，过程控制[M].清华大学出版社，1993[3]王永初，任秀珍.工业过程控制系统设计范例[M]..科学出版社1986[4]居滋培，过程控制系统及其应用[M].机械工业出版社，2005[5]侯志林，过程控制与自动化仪表[M]..西安理工大学，1999[6]胡伟，工业锅炉汽包水位模糊PID控制策略的研究[J].焦作工学院[7]严伯钧.过程控制系统分析与设计.北京：中国纺织出版社1994.5[8]黄正慧刘朝英齐树兴.过程控制系统工程设计.北京：科学出版社1995锅炉汽包液位、压力控制系统共22页，您现在浏览的是第12页!锅炉汽包液位的控制方案

根据锅炉汽包液位特性，选取锅炉汽包液位为被控量，给水流量为控制量，蒸汽流量和给水流量为干扰量，通过控制给水量来使锅炉汽包液位维持在满足负荷需求的高度。同时，为保证锅炉安全生产，调节节水量的执行机构选取气关式。锅炉汽包液位、压力控制系统共22页，您现在浏览的是第13页!三冲量控制系统

为进一步改善控制品质，引入给水流量信号，构成三冲量控制系统，如图2.4所示。所谓三冲量，值得是引入了三个测量信号：汽包液位、给水流量和蒸汽流量。三冲量控制本质上时前馈-串级复合控制系统：主回路实现液位调节，副回路使给水流量能适应负荷和液位要求。三冲量调节系统能及时克服负荷(蒸汽量)和给水流量的干扰作用，调节精度较高，适用于汽包容积较小、负荷和给水干扰较大的场合。目前已得到了应用，实践证明效果良好。锅炉汽包液位、压力控制系统共22页，您现在浏览的是第14页!控制器的选择：采用上海万讯仪表有限公司生产的AI系列全通用人工智能调节仪表，其中SA-12智能调节仪控制挂件为AI-818，SA-13智能位式调节仪为AI-708型。AI-818型仪表为PID控制型，输出为4~20mADC信号。执行器的选择：RZXP型新系列气动调节阀，产品公称压力等级有PN10、16、40、64；阀体口径范围DN20~200。适用流体温由-200℃~560℃范围内多种档次。控制器的作用方式：当设定值不变时，随着测量值的增加，调节器的输出也增加，则称为“正作用”方式；当测量值不变时，设定值减小时，调节器输出也增加，称为“正作用”方式；如果测量值增加或设定值减小时，调节器输出减小，则称为“反作用”方式。经分析此系统为正作用方式。阀的开闭选择形式：锅炉给水调节阀一般采用气关式，一旦事故发生，系统失控，供水调节阀处于全开位置，是锅炉不致因给水中断烧坏，避免爆炸等事故的发生。锅炉汽包液位、压力控制系统共22页，您现在浏览的是第15页!PID控制器的参数整定控制器的参数整定对系统的控制质量起到了决定性的作用。确定控制器最佳过渡过程中的比例带δ，积分时间TI和微分时间TD的数值称为控制器参数整定。整定参数的顺序是，先整定比例带δ，待过渡过程稳定后再加入积分作用以消除余差，最后加入微分，以加快过渡过程，进一步提高控制质量。PID控制器的经验法整定：先将TD置为0，置TI为∞，先整定比例带使之达到4：1衰减过程，然后将比例带放大（10%-20%），而积分时间TI由大到小逐步加入，直至达到4：1的衰减过程，然后将比例带减小到比原值小（10%-20%）的位置，而积分时间也适当减小，再把TD由小到大加入，观察曲线，直到满意的过程为止。锅炉汽包液位、压力控制系统共22页，您现在浏览的是第16页!通过估算及仿真实验

根据，给水流量信号和蒸汽流量信号的分流系数为：0.21。PID控制器的参数采用逐步逼近法，通过仿真实验得到：（1）主控制器的PID参数为：（2）副控制器的PID参数为：汽包液位三冲量串级PID控制系统控制系统如图4.1所示，在液位传递函数为仿真结果如图4.2所示。在液位传递函为。锅炉汽包液位、压力控制系统共22页，您现在浏览的是第17页!

(b)在1700秒加入蒸汽流量扰动时的仿真结果(c)在1700秒加入给水流量扰动时的仿真结果

图4.2仿真结果锅炉汽包液位、压力控制系统共22页，您现在浏览的是第18页!

要求使气罐内气压维持恒定,并要求无残差,我全部使用DDZ-Ⅲ型仪表完成设计,但为了系统的稳定,在控制器执行器和变送器的基础上加入隔离配电器。仪表选型及主要参数仪表选型：数显控制仪型号：KSC5

主要参数

输入信号

直流电流信号：4～20mA、0～10mA、0～20mA可通过设置选择

直流电压信号：1～5V、0～5V可通过设置选择精度

测量周期：0.3s控制周期：0.3s～75.0s可设置

测量精度：±0.2%F·S±1个字，自动对温漂、时漂进行补偿

测量分辨率：1/16000、14位A/D转换器显示范围：-1999～9999

热电阻输入导线电阻：小于20Ω热电偶输入冷端补偿范围：0～60℃，精度±1℃设定精度：与显示值一致无相对误差

调节方式

自整定PID连续控制或ON/OFF控制比例带：0.2%～999.9%积分时间：0s～9999s微分时间：0s～3999s

操作输出限幅范围：-6.3～106.3%

报警

报警方式，报警灵敏度可设置

报警输出接点容量：220VAC，3A（阻性负载）

传感器故障继电器输出（扩展功能）

控制输出：4～20mA、0～10mA、0～20mA可通过设置选择精度：±0.3%F·S

位式控制输出：继电器接点输出或控固态输出

外供电源：大于30mA

电源电压：20～28VDC耗电量4W

工作环境：温度：0～50℃湿度：低于90％R·H图5.2KSC5接线图锅炉汽包液位、压力控制系统共22页，您现在浏览的是第19页!KVHV电动V型调节球阀型号：KVHV-V

主要技术参数

阀体：

公称通径：25-300mm公称压力：PN1.6，4.0，6.4MPa

连接形式：法兰式按JB/T79.2-94凹或按JB78-5P对夹式法兰连接

材料：WCBZG1Gr18Ni9TiCF3M

填料：V型聚四氟乙烯填料，含浸聚四氟乙烯填料，石棉纺织填料。耐高温碳纤维填料

温度：常温：-20℃~+120℃散热：+200℃~+450℃

阀内组件：

阀芯形式：V形缺口半球体

流量特性：近似等百分比或近似直线特性及快开特性。

球体阀杆材料：2Cr131Gr18Ni9TioCr17NI17Mo2（316L）

金属阀座材料：与阀杆材料相同，密封堆焊钴铬硬质合金

非金属阀材料：增强聚四氟乙烯。

执行机构：

可选用PSQ系列、3810