过程控制仪表课程设计

1、过程控制仪表课程设计题目： 锅炉汽包水位控制系统学生姓名： 刘永涛班级： 自动化073班学号： 指导老师： 高飞燕，唐耀庚2010年12月25日1：系统简介锅炉是石油、化工、发电等工业企业必不可少的重要动力设备。它既是为工业生产各部门提供动力的关键设备，又是为工业生产各部门提供热源的关键设备。因此，为了安全的生产，就必须确保锅炉的安全运行，而对锅炉的相应控制是达到这一目的的有效手段。1. 1 汽包水位控制的重要性锅炉汽包水位是确保安全生产和提高优质蒸汽的重要变量。尤其是对于大型锅炉，其蒸发量明显要高，汽包容积相对较小，水位变化速度很快，稍不注意就容易造成汽包满水或者缺水，甚至造成干锅。前者将使

2、蒸汽带水，影响蒸汽的品质，且长期运行会使过热器结垢；后者会引起锅炉爆炸的危险。因此，汽包的水位必须严格控制在规定范围内。1. 2 锅炉水位变化的主要干扰因素 锅炉汽包水位的主要干扰因素有供水量的变化，蒸汽负荷量的变化及炉膛热负荷的变化。锅炉的汽包水位系统原理图如图1所示。 图1：锅炉汽包水位控制系统原理图1.2.1 给水流量对水位的干扰 据图一分析，在平衡状态突然加大给水量，虽然给水量大于蒸发量，但由于温度较低的给水进入水循环系统后，要从原有饱和汽水中吸取一部分热量，使得水面下汽包容积有所减少，进入水系统的水首先去填补汽水管路中汽包所让出的空间，只有当汽包容积不再变化时，水位才随给水量的增加呈

3、线性上升。由上述分析，给水量扰动时，水位调节对象有一定的惯性与滞后。1. 2. 2 蒸汽负荷对水位的干扰当蒸汽用户设备用气量突然增大，单从物料不平衡考虑，汽包中蒸发量大于给水量，但由于蒸汽负荷量突然增大时，汽包中压力减少，汽水循环管路中的汽化强度增加，蒸发而以下汽包容积增加，因而在蒸汽负荷量突然增大的起始瞬间，液位不会下降，反而上升。出现“虚假液位”现象，只有当汽包容积与负荷相应达到稳定后，水位才能反映出物料的不平衡，开始下降。因此，蒸汽流量扰动时，非但没有自平衡能力，而且存在“虚假现象”，在控制系统的设计中必须予以考虑。1. 2. 3 炉膛热负荷对水位的干扰当燃料量突然增大时，传给锅炉的热量

4、必然增加，上升管中的蒸发强度增大，蒸发面下的汽包膨胀，使得液位上升，因而带来了蒸汽量及汽包压力的增加，但此时给水量并未增加，因此，这种液位变化也属于“虚假液位”。但是热负荷由蒸汽压力控制系统来保证，因而它的影响是次要的。1.3 锅炉汽包水位控制系统及使用范围目前较为成熟的锅炉汽包水位控制方案中有单冲量水位控制系统，双冲量水位控制系统及三冲量水位控制系统。锅炉水位的控制方案应根据锅炉系统的具体情况选择。1.3. 1 单冲量水位控制系统单冲量水位控制系统是典型的单回路调节系统，由被控对象，测量变送单元，调节器和执行器组成，通过给水流量调节汽包液位，这里指的单冲量即汽包液位。其控制方案如图2所示。

5、图2：单冲量水位控制系统1.3.2 双冲量水位控制系统双冲量水位控制系统是在单冲量水位控制的基础上，将蒸汽流量作为前馈信号引入控制系统，这样就可消除“虚假现象”对调节系统的不良影响，从而改善调节特性，提高调节质量，且投资增加不多，其控制方案如图3所示 图3：双冲量水位控制系统该控制方案依旧存在不能及时反映给水流量对水位调节的干扰，因此双冲量水位控制适用于负荷变化较频繁的小型低压锅炉，而不适用于给水母管压力经常有波动的锅炉系统。1.3.3 三冲量水位控制系统一般情况下锅炉容量越大，汽包的相对水位容量就越小，允许的水位波动越小，如果给水中断，就可能在极短的时间内发生危险水位，这就要求水位的控制必须

6、能够及时的反映给水流量对水位的干扰。为此，在双水位控制的基础上再引进一个给水流量变化的信号进行控制，就构成所谓的三冲量水位控制系统，其控制方案如图4所示。 图4：三冲量水位控制系统该系统中，汽包水位是被控量，是主冲量信号，而蒸汽流量和给水流量是2个辅助冲量信号，通过2个辅助冲量的引入，既克服了“虚假现象”对控制质量的影响，又能及时反映出给水量对水位的干扰，克服了控制过程中的滞后现象。因此，对于大中型高中压锅炉采用三冲量水位控制系统较为适宜。1.4 锅炉汽包水位控制应注意的几个问题 从安全角度考虑，正确选择给水调节阀的气开，气闭形式。 水位变送器若选用差压式，为使仪表与水位高低趋向一致，应考虑带

7、负迁移机构。 引入蒸汽质量的反馈补偿，应注意前反馈放大系数不能过大，以便照顾到水位控制的要求。2：设计方案及仪表选型2.1 设计方案 从上面的分析可知，给水量扰动下水位响应过程具有纯延迟；负荷扰动下水位响应过程具有虚假水位现象；从反馈控制的思想出发，可以以水位信号作为被调量，给水流量作为调节量，构成单回路反馈系统（通常称为水位单冲量系统）。然而对于大量的大中型锅炉来说，因为耗气量改变所产生的虚假水位将引起给水调节机构的误动，致使汽包水位激烈地上下波动，严重地影响设备的寿命和安全而不能满足要求，但对于小容量锅炉来说，它的蓄水量较大，水面以下的气泡体积不占很大比重。因此给水容积迟延和虚假水位现象不

8、明显，可以采用单冲量控制系统。因此，本次设计针对小容积锅炉，采用单冲量水位控制方案。 图5 单冲量水位控制系统 图6 单冲量控制系统方框图如上图5所示为单冲量变量水位控制系统，图6为单冲量变量水位控制系统方框图。此系统有如下特点： 结构简单，投资少。 适用于汽包容量较大，虚假水位不严重，负荷较平稳的场合。 为安全运行，可设置水位报警和连锁控制系统。22 仪表的选型在汽包水位控制系统设计中，所需使用的仪表有变送器、显示仪表、调节器、伺服放大器、电动操作器、执行器。其选型如下：2.2.1 变送器的选择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

9、测，以供显示、纪录或控制用 。控制系统中所选用的变送器型号为：CR-6031智能锅炉汽包液位计。2.2.1.1 CR-6031的工作原理：CR-6031智能锅炉汽包液位计采用断层扫描技术,通过特制的传感器动态扫描并分析液位计中液相、气相的介电常数和温度，进行动态补偿。经过系统软件对比运算后，输出与锅炉液位成正比的420mA标准电流信号及四组SPST固态继电器开关信号。2. 2. 1. 2 CR-6031的技术特点： 两线制电流环，测量系统与电流环隔离； 具有全工况条件（锅炉启、停、排污、事故工况等）下液位准确连续测控功能； 采取断层扫描技术，能够对液相介质介电常数变化、汽相介质介电常数变化和温

10、度变化同时进行精确补偿，任何情况下无需重新标定； 高精度、高稳定性，分辨率达到0.01mm，年漂移量不超过0.5mm； 经CE认证的良好的电磁兼容特性； 耐高温、高压、长寿命； 不存在“假水位”测量； 操作软件为中文操作环境，轻松整定，带自诊断；2.2.1.3 CR-6031的主要技术指标： 工作电压：最大：36V 最小：9V 电流环：两线制4.00mA20.00mA（0.2%） 防爆等级：ExiaIICT6（-4070）ExiaIICT1-5（-4085） 防爆参数：Ui=30V,Ii=100mA,Pi=0.75WCi=100pF,Li=10uH固态继电器（每组）：Ui=30V,Ii=100

11、mA,Pi=0.75WCi=150pF,Li=10uH 测量范围：02200mmMax 测量周期：0.5秒 分辨率：0.01mm 温度漂移：0.05mmMax(-4085) 工作压力：40MPaMax 线性偏差：(1+0.05%FS)mm 介质温度：450Max. 环境温度：-4085（ExiaIICT1-T5） 存储温度：-55100 防护等级：IP67 固态继电器：配置：四组SPST（NO）固态继电器负载电压：220VAC/300VDC(非防爆场所)30VDC/AC(防爆场所) 负载电流：500mA 报警模式：“开、关报警”可选五种报警模式独立可选延时：160秒，可独立编程2.2.1.4

12、CR-6031的端子接线图： 图7：变送器CR-6031端子接线图2. 2. 2 显示仪表的选择显示仪表就是将生产过程中各种参数进行指示、记录或累积的仪表。所设计的控制系统所选用的显示仪表为DY2000-G。2.2 .2. 1 DY2000-G的工作原理：光柱型显示仪表一般由输入电路、低通滤波器、光柱驱动器和平面光柱显示器等几个部分组成。工作过程如下：根据输入信号的不同，配置合适的输入电路，将输入的非电量信号转换成适合光柱显示器所需要的电信号，经低通滤波器去除迭加在信号上的干扰波，加于光柱驱动器电路上，并点亮与之相连接的光柱显示器。光柱驱动电路一般多采用动态扫描方式，使电路较为简单。2.2.2

13、.2 DY2000-G的主要技术参数： 使用条件：环境温度 050；相对湿度85工作电压 交流220V或直流24V；电源频率 (502.5)Hz 基本误差：光柱显示为1F.Sscale 输入特性：010mA，(420)mA：Ri250； (15)V，05V：Ri500kW 输出特性：继电器输出，常开触点3A/220V AC或3A/24V DC；常闭触点1A/220V AC或1A/24V DC 显示方式：101线LED光柱 外形尺寸：横形（1608080）mm；竖形（80 16080）mm 开孔尺寸：横形（152+0.63 76+0.46 ）mm；竖形（76+0.46 152+0.63 ）mm

14、安装方式：装盘和机芯采用全卡入式 重量：约0.5Kg 功耗：0(且超过死区)时，伺服放大器有正向输出，当Ic-If0(且超过死区)时，伺服放大器有反向输出，当 Ic-If=0(或不超过死区)时，伺服放大器无输出。2.2.4.2 DFC-2100型的主要技术指标： 输入信号：420mA DC。 输入通道：三个 输入通道阻抗：型200；型250。 死区可调节范围：1%3% 断信号识别：2mA DC 电源：单相电压220V 50Hz 使用环境：温度：050 相对湿度：85%大气压力：86106KPa、周围空气中无腐蚀性介质。2.2.4.3 DFC-2100型的端子接线图： 图11：DFC-2100架

15、装式型伺服放大器的端子接线图2.2.5 执行器的选择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。本系统选择选择ZAJWA电动对夹式中线调节蝶阀，此型号调节阀由DKJ系列电动执行机构和对夹式中线蝶阀组成，该电动蝶阀体积小、重量轻、结构合理、安装方便，通常适用于控制大流量、低压流体，以及固体粉末的调节、截流。2.2.5.1 本系统选择电动调节对夹式中线蝶阀ZAJWA DN40-DN1000型。2.2.5.2 阀体：中线蝶阀的阀体分为A型和LT型“LT”型蝶阀的结构、性能与零件的材质与“A”型均相同，区别在于“A”型可通过双头螺柱(或加长六

16、角螺栓)对夹连接在两管法兰之间(即对夹式)。“LT”型除通过两组普通六角螺栓连接在两管路之间外，还可以安装在空管端(即对夹式)作为排空阀使用。2.2.5.3 ZAJWA DN40-DN1000的主要性能指标：表1：电动调节对夹式中线蝶阀ZAJWA DN40-DN1000型的主要技术特性 2.2.5.4电动执行机构的选择电动执行机构选择的型号为：DKJ21002.2.5.4.1 DKJ2100工作原理：当伺服放大器的输入端有控制信号输入时，此信号与来自位置发送器的位置反馈信号进行比较，比较后的信号偏差经过放大，使功率级导通相应回路以驱动两相伺服电动机转动，使减速器的输出轴朝着减小这一偏差方向转动

17、（位置发送器不断将输出轴的实际位置转变为电信号位置反馈信号回伺服放大器）直到信号偏差小于死区为止，此时输出轴就稳定在与输入信号相对应的位置上。输出轴的行程与输入信号成比例关系。2.2.5.4.2 DKJ2100的主要技术参数： 单相交流电 电压：220V；-15% ；+10% 频率：50Hz 1% 输入信号范围：4-20mA 输入阻抗：250 温度：-10+55 相对湿度：不大于95% 大气压力：86106KPa 基本误差限：不超过额定行程的2.6% 回差：不大于额定行程的1.5% 额定行程时间误差：不超过额定行程时间的20% 死区：不大于输入量程3%。 阻尼特性：不大于3次半周期摆动。2.2

18、.5.4.3 电动执行机构DKJ2100的端子接线图： 图12：电动执行机构DKJ2100的端子接线图2.2.6 电动操作器的选择本系统所选的操作器型号为：DFD-07002.2.6.1 DFD-0700的工作原理：执行机构的位置反馈电流，流经操作器内R1时产生压降，此压降经放大送至ML393双比较器与给定的限位电压进行比较，当某比较器有低电位输出时，其对应的继电器动作。继电器动作时，其中一对触点将放大器锁死，使放大器停止输出，执行机停转，另一对触点接通LED作报警指标。2.2.6.2 DFD-0700的主要技术特性： 电源电压：单相220V 50Hz 开关触头容量：主回路：500V，15A。

19、 信号回路：100V，0.1A 跟踪电压：15V，DC，跟踪电阻250 环境温度045； 相对湿度85%； 工作振动频率25Hz 振幅0.1mm(双振幅)； 外形尺寸(长宽高)29580160mm 仪表重量：约3公斤 开孔尺寸：75 153 mm2.2.6.3 DFD-0700的端子接线图： 图13：DFD-0700的端子接线图3 控制系统仪表配接图及说明3.1 各仪表的具体配接图详见附件-锅炉汽包水位控制系统的仪表配接图、3.2 控制系统各仪表配接图的说明CR-6031有检测和变送的功能，输出4-20mA的电流，其有二线制和三线制接线法，在此系统中，采用三线制接线。号接线柱是输出信号柱，号为

20、电源接线柱，号为信号接线柱与电源接线柱的公共端。因此，CR-6031 、号接线柱接调节器的、号接线柱(CR-6031DY2000-GJ：,)；因为CR-6031输出的是电流，而调节器DY2000-GJ的输入信号是电压，因此 在CR-6031和调节器DY2000-GJ之间并一个250欧姆的电阻R。、号接线柱接24V直流电源，号接线柱接电源正极。显示仪表DY2000-G的、接线柱是信号输入柱（输入电压范围：1-5VDC），接到调节DY2000-GJ的、号接线柱上（DY2000-GDY2000-GJ：，）。DY2000-G的、号接线柱是电源接线柱，接上24V的直流稳压电源，号接线柱接电源正极。调节器

21、DY2000-GJ的、接线柱为信号输入柱（输入信号为1-5VDC的电压），接CR-6031的、号接线柱。DY2000-GJ的、号接线柱为跟踪信号输入接线柱，接电动操作器的、号接线柱（DY2000-GJDFD-0700: ，）。DY2000-GJ的、号接线柱为输出信号接线柱，输出信号为4-20mA的电流，接伺服放大器DFC-2100的、号接线柱（DY2000-GJDFC-2100：，）。DY2000-GJ的、号接线柱为电源接线端，接24V稳压直流电源。伺服放大器DFC-2100的、号接线柱为输入信号接线柱，输入的信号为4-20mA的电流，接调节器DY2000-GJ的、号接线柱。DFC-2100的、号接线柱为接受来自DFD-0700的反馈信号,接DFD-0700的、号接线柱（DFC-2100DFD-0700：，）。DFC-2100的号接线柱为电机反行接线柱，接DFD-0700的号接线柱，DY2000-GJ的号接线柱与其接线柱连在一起。DFC-2100的号接线柱，接DFD-0700的号接线柱。DFC-2100的、号接线柱为电源接线端，接220V AC电源。电动操作器DFD-0700的号接线柱为DFC-2100输出（正）接线端，接DFC-2100的号接线柱。DFD-0700的号接线柱为DFC-2100输出（反）接线端，接DFC-2100的号接线柱。DFD