过程控制课程设计论文-锅炉汽包水位控制系统

1、内蒙古科技大学过程控制课程设计论文题目：锅炉汽包水位控制系统学生姓名：学号：专业：测控技术与仪器班级：2008-3指导教师：2011 年9 月8 日内蒙古科技大学课程设计论文目录第一章 引 言11.1 背景11.2 锅炉汽包水位调节的必要性11.3 锅炉的工作过程简介1第二章 影响锅炉汽包水位变化的因素和锅炉汽包水位特性22.1 虚假水位32.2 影响锅炉汽包水位变化的因素32.2.1 影响锅炉汽包水位变化的几个主要因素32.2.2 其它影响因素42.3 锅炉汽包水位特性42.3.1 汽包水位在给水流量 W 作用下的动态特性42.3.2 汽包水位在蒸汽流量 D 扰动下的动态特性52.3.3 燃

2、料量 B 扰动下汽包水位的动态特性6第三章 汽包水位控制系统的选择和分析63.1 汽包水位控制系统分析63.2 单冲量控制方式7第四章 仪表的选型84.1 液位变送器的选择84.3 显示仪表的选择104.4 执行器的选择11第五章 课程设计体12参考文献13I内蒙古科技大学课程设计论文第一章 引言1.1 背景我国北方冬季都很冷,温度很低,人体不能适应低温环境,供暖便成为日常生活中不可缺少的部分。供暖厂在北方很多。在供暖厂工艺中，锅炉汽包水位的控制是重点，又是难点。维持汽包水位在给定范围内是保证锅护和汽轮机安全运行的必要条件，也是锅炉正常运行的主要指标之一。1.2 锅炉汽包水位控制的必要性汽包水

3、位是锅炉正常运行中重要参数之一。水位过高，蒸汽空间缩小将会引起蒸汽带水，使蒸汽品质恶化，以致在过热器管内产生盐垢沉积，使管子过热，金属强度降低而发生爆破；满水时蒸汽大量带水，将会引起管道和汽机内产生严重的水冲击,造成设备的损坏。水位过低，将会引起水循环的破坏，使水冷壁管超温过热；严重缺水时，还可能造成更严重的设备损坏事故。因此加强对水位的监测和调整至关重要。1.3 锅炉的工作过程简介锅炉由锅炉的汽水系统和锅炉的燃烧系统两部分组成。锅炉的汽水系统如 图所示。由省煤器 3、汽包 4、下降管 8、过热器 5、上升管 7、给水调节阀 2、给水母管 1 及蒸汽母管 6 等组成。锅炉的给水打入省煤器，水吸

4、收烟气的热量， 使温度升高成为饱和水然后引入汽包。汽包中的水经下降管进入锅炉底部的下 联箱，又经炉膛四周的水冷壁进入上联箱，又回入汽包。水在水冷壁管中吸收 炉内火焰直接辐射的热，一部分蒸发成蒸汽，成为汽水混合物。汽水混合物在 汽包中分离成水和汽，参加循环，汽则成为合格蒸汽送入蒸汽母管。15561图 1.1 锅炉的汽水系统锅炉的燃烧系统由炉膜、烟道、喷燃器、空气预热器等组成。锅炉燃料燃 烧所需的空气由送风机送入，通过空气预热器，在空气预热器中吸收烟气热量， 成为热空气后，与燃料按一定的比例进入炉膛燃烧，生成的热量传递给蒸汽发 生系统，产生饱和蒸汽。然后经过过热器，形成一定的过热蒸汽，汇集到蒸汽

5、母管。具有一定压力的过热蒸汽，经过负荷设备调节阀供负荷设备使用。与此 同时，燃烧过程中产生的烟气，其中含有大量余热，除了将饱和蒸汽变成过热 蒸汽外，还预热锅炉给水和空气，最后经烟囱排入大气。锅炉汽包水位调节的意义 将锅炉汽包水位控制在一个允许范围内，是锅炉安全运行的一个重要指标，也是锅炉能提供符合质量要求得蒸汽负荷的必要条 件。锅炉汽包水位过高，会影响汽包内汽水分离效果，使汽包出口的饱和蒸汽 带水增多，蒸汽带水会使汽轮机产生水冲击，引起轴封破损、叶片断裂等事故。同时会使饱和蒸汽中含盐量增高，降低过热蒸汽品质，增加在过热器管壁和汽 轮机叶片上的结垢。水位过低，则可能破坏自然循环锅炉汽水循环系统中

6、某些 薄弱环节，以致局部水冷管壁被烧坏，严重时会造成爆炸事故。这些后果都是 十分严重的。随着锅炉容量的增加，水位变化速度愈来愈快，人工操作愈来愈 繁重，因此对汽包水位实现自动调节提出了迫切的要求。第二章影响锅炉汽包水位变化的因素和锅炉汽包水位特性2.1 虚假水位控制汽包水位在要求的值的一个首要条件是必须得到真实的汽包水位测量值。但是，汽包水位控制中存在着明显的“虚假水位”现象。从工程应用中我们可以看出，当蒸汽量加大时，虽然锅炉的给水量小于蒸发量，但在一开始， 水位不仅不下降反而迅速上升，然后下降。这种现象称之为“假水位 ”。从控制上来讲，“虚假水位”实际上就是非最小相位系统。我们以蒸汽流量的增

7、加对汽包的影响为例进行分析。在给水不变的情况下，负荷提升，导致蒸 汽流量增加，如果不考虑其它因素的影响，则汽包水位由于蒸汽流量大于给水 流量而直线下降。蒸汽量增大初期，因水中气泡容积增大导致水位暂时先上升， 由于气泡容积只能增大到汽包压力水平，故这种上升是有限的，一段时间后， 汽包压力就达到稳定，水位也不再变动。2.2 影响锅炉汽包水位变化的因素锅炉在运行中，水位是经常变化的。引起水位发生变化的原因主要是锅炉的外扰和内扰。当出现外扰和内扰时，将使蒸发设备的物质平衡关系(即蒸发量与给水量之间的平衡关系)发生破坏，或者工质状态发生变化(当锅炉压力变化时，水和蒸汽的比容发生变化)，从而造成汽包水位发

8、生变化。汽包水位变化的剧烈程度，不仅与扰动量的大小有关，而且还与扰动速度有关。2.2.1 影响锅炉汽包水位变化的几个主要因素(1)锅炉负荷变化的影响汽包水位的变化与锅炉负荷(蒸发量)的变化有密切关系，因为蒸汽是从给水进入锅炉以后逐渐受热汽化而产生的。当负荷变化时，蒸发受热面中水消耗量发生变化，必然引起汽包水位的变化。当负荷增加时，如果给水量不变或增加不及时，则蒸发设备中的水量逐渐被消耗，其最终结果将使水位下降；反之，水位上升。所以，当负荷骤变时，必须严密监视水位，预防水位事故的发生。(2)燃烧工况变化的影响燃烧工况的改变对水位的影响也很大。在外界负荷及给水量不变的情况下， 当燃料量突然增加，水

9、位暂时升高而后下降；燃料突减，水位暂时降低而后升 高，这是由于燃烧工况的改变使炉内放热量改变，而引起工质状态发生变化的 缘故。当燃烧强化时，炉水吸热量增加，汽泡增多，体积膨胀，而使水位暂时 升高。由于产生的蒸汽量不断增加，使汽压上升，饱和温度也相应地提高了，炉水中汽泡数量又随之减少，水位又下降。因此水位波动的大小，取决于燃烧工况改变的强烈程度以及运行调节的及时性。(3) 给水压力的变化给水压力变化时，将使给水流量发生变化，从而破坏了给水量与蒸发量的平衡，引起水位变化。当给水压力增加时，给水流量增大，水位上升；给水压力下降时，给水流量减少，水位下降。2.2.2 其它影响因素影响锅炉汽包水位变化的

10、因素很多，除上述所列之外，还有其他的一些原因。比如，锅炉汽水管泄漏或排污阀不严密，炉内水品质对水位变化的影响， 包水位计不准确，给水自动失灵运行人员手动调节不及时等。这些因素对锅炉汽包水位造成的影响较小，或发生的可能性较低，在此不做一一列举。2.3 锅炉汽包水位特性2.3.1 汽包水位在给水流量 W 作用下的动态特性汽包水位在给水流量作用下的动态特性，即控制通道的特性。如图 1-2-1 是在给水流量作用下水位变化的阶跃响应曲线。如果吧汽包和给水看作单容量无自衡对象，水位阶跃响应曲线将如图中的1线。图 1-1给水流量作用下水位阶跃响应曲线由于给水温度要比汽包内饱和水温度低，所以给水流量增加后，需

11、从原有饱和水中吸取部分热量，时水位下汽包容积减少。当水位下汽包容积的变化过程逐渐平衡时，水位将因出水量大的增加而上升。最后当水位下汽包容积不再变化时，水位变化就完全反映了因储水量的增加而直线上升。所以图中 H 线是水位的实际变化曲线。在给水量作阶跃变化后，汽包水位不马上增加，而呈现一段起始惯性。2.3.2 汽包水位在蒸汽流量 D 扰动下的动态特性汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性，即干扰通道的动态特性。在蒸汽流量干扰作用下，水位变化的阶跃响应曲线如图 1-2 所示。图 1-2 蒸汽流量扰动作用下的水位相应曲线当蒸汽流量 D 突然增加，在燃料不变的情况下，从锅炉的物料平衡关系来看，蒸汽量 D 大

12、于给水量 W，水位变化应如图 1-2-3 中的曲线1。但实际情况并非如此，由于蒸汽用量突然增加，瞬间必导致汽包压力的下降。汽包内水沸腾突然加剧，产生闪蒸，水中气泡迅速增加，因汽包容积增加，而使水位变化的曲线如图 1-2-3 中的2。而实际显示的水位响应曲线 H 为1和2的叠加。即 = 1 + 2。从图中可以看出，当蒸汽量加大时，虽然锅炉的给水量小于蒸发量，但在一开始，水位不仅不下降反而迅速上升，然后下降。出现“假水位 ”。蒸汽流量扰动时，水位变化的动态特性可用传递函数表示为：(1-2)式中-飞升速度，即在蒸汽流量变化单位流量时水位的变化速度，2-响应曲线2的放大系数；2-响应情绪H2的时间常数

13、。2.3.3 燃料量 B 扰动下汽包水位的动态特性在锅炉水位的诸多因素中，以锅炉蒸发量 D 和给水流量 W 为主。所以，对于燃料量 B 扰动下汽包水位的动态特性在此只做简单介绍。汽包水位在燃料量 B 扰动下的响应曲线如图 2.3 所示。当燃料量增加时，锅炉的吸热量增加，蒸发强度加大。如果负荷的用汽量不加调节，则随着汽包压力的增加，汽包输出蒸汽量也将增加，于是蒸发量大于给水量，暂时产生了汽包进出口工质流量的不平衡。由于水面下的蒸汽容积增大，此时也会出现虚假水位现象，但由于燃烧率的增加也将同时导致汽包压力上升，它会使汽泡体积减小，另外由于热惯性，燃料量的增加只使蒸汽量 D 缓慢增加，故虚假水位现象

14、要比蒸汽扰动下缓和的多。图 2. 3 燃料量扰动下水位阶跃响应第三章 汽包水位控制系统的选择和分析3.1 汽包水位控制系统分析常用的汽包水位控制方式有单冲量、双冲量及三冲量控制。这里的冲量指的是变量。单冲量控制系统，即汽包水位的单回路水位控制系统;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；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。这次方案采用单冲量控制系统。3.2 单冲量控制方式单冲量水位控制方式原理图及方框图如图 2-1(a) 、(b)所示。汽 包 对 象调 节 阀控 制 器蒸汽（a）单冲量水位控制方式原理图(b) 单冲量水位控制方式方框图图 2-1它是

15、汽包水位自动调节中最简单、最基本的一种形式。它引入汽包水位作为反馈量，是典型的单回路定值控制系统。此方式将水位测量信号经变送器送到水位调节器，水位调节器根据水位测量值与给定值的偏差去控制给水阀门， 改变给水量来保持汽包水位在允许的操作范围内。这种控制方式，在停留时间较长，负荷也比较稳定的场合，再配上一些联锁报替装置，也可以保证安全操作.但在停留时间较短，负荷变化较大时，采用此方式就不合适。这是由于:(1)负荷变化时产生的“虚假水位”，将使调节器反向错误动作。负荷增大时反向关小给水调节阀，减少给水量。“虚假水位”消失时，将使水位严重下降， 波动很大，动态品质不好。(2)负荷变化时，控制作用缓慢。

16、即使“虚假水位”现象不严重，从负荷变化到水位下降要有一个过程，再由水位变化到阀动作己滞后一段时间。如果水位过程时间常数很小，偏差必然相当显著。(3)给水系统出现扰动时，阀门动作缓慢。假定给水泵的压力发生变化，进水流量立即变化，然而到水位发生偏差而调节阀动作，干扰克服不及时。单冲量控制系统的特点是:系统结构简单，对于汽包内水位的停留时间长、负荷变化小的小型锅炉，水位在受到扰动后的反应速度比较慢、“假水位”现象不很严重的场合，单冲量水位控制系统可以保证锅炉的顺利运行。第四章 仪表的选型4.1 液位变送器的选择选择 AT3051DP 差压变送器用于测量液体、气体或蒸汽的液位、密度和压力，然后将其转变

17、成电信号。(1)工作原理顾名思义差压变送器所测量的结果是压力差，即 P=gh。而由于油罐往往是圆柱形，其截面圆的面积 S 是不变的，那么，重量 G= PS=ghS，S 不变， G 与P 成正比关系。即只要准确地检测出 P 值，与高度h 成反比，在温度变化时，虽然 油品体积膨胀或缩小，实际液位升高或降低，所检测到的压力始终是保持不变的。如果用户需要显示实际液位，也可以引入介质温度补偿予以解决。（ 2）技术参数1 使用对象：液体、气体和蒸汽2 测量范围： 00.1kPa 至 040MPa3 输出信号： 420mADC(特殊可为四线制 220VAC 供电， 010mADC 输出)4 供电电源： 12

18、45V DC，一般为 24V DC5 负载特性：与供电电源有关，在某一电源电压时带负载能力见图2，负载阻抗 RL 与电源电压 Vs 关系式为： RL50(Vs 一 12)6 指示表：指针式线性指示 0100%刻度或 LCD 液晶式显示。7 静压： 4、10、25、32MPa8 湿度：相对湿度为 595%9 容积吸取量： 0.16cm310 精确度： 0.2%11 死区：无(0.1%)4.2 液位控制器选择 UQK-01 浮球液位控制器（1）工作原理控制器由浮筒组与触头组二大部分组成。当被测液位升高或降低时，浮筒随之升降，使其端部的磁钢上下摆动，通过磁力推斥安装在外壳内相同磁极的磁钢上下摆动，其

19、另一端的动触头便会形成相应的连通或断开，随即在电路中的信号装置发出光或声的信号，或启闭电动泵供液或放液。浮筒动作部份与触头组是隔离的，因此避免了一般液位仪表容易渗漏的缺陷。（2）主要技术参数：1 测量范围：0100m2 测量介质：普通水、油、酸、碱、污水、粘稠介质等，测量介质温度：0400。3 输出信号：420mA。4 显示精度：0.5%。5 工作电源：（220VAC、24VDC）。6 输出开关接点：上、上限（常开、常闭）。上限（常开、常闭）。下限（常开、常闭）。下、下限（常开、常闭）。7 变送器安装方式：投入式、螺纹式、顶装式（超声波型）。8 显示表尺寸：16080；9696；7272；48

20、96；9648；4848；80160。9 显示表形式：数字显示、单光柱数字显示、双光柱数字显示。4.3 显示仪表的选择选择 DXZ-1011（1）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）主要技术指标系统精度：0.1%(直流）、0.2%(交流）满刻度1 字响应时间：约 50 次/秒参数设定：人机交互设置（详见操作流程图） 工作温度：0

21、60警报输出：1A/120V；1A/24V；SPST（四种模式可设置）相对湿度：1090%RH(不结露)过载能力：电压（1.2 倍额定值持续，1.5 倍额定值 10 秒）库存温度：-1070电流（10 倍额定值 10 秒）工作电源：45264VAC/DC温度系数：100ppm/(050)系统功耗：交流：4.5VA隔离耐压：2.0KV，1 分钟（电源与输入端）机体重量：200g（3）端子接线图4.4 执行器的选择选择 DKZ-410 直行程电动执行器（1）工作原理电动执行机构按控制方式分为比例和积分式。比例式执行机构由电动伺服放大器和积分式执行机构组成，它能够将系统的控制信号与关于输出轴位置的反

22、馈信号加以比较（闭环控制）以改变输出轴的行程，使之与输出信号成比例关系。积分式执行机构由伺服电机、减速器及位置发送器组成，它能够与电动操作器配合对阀门或其它调节机构实现远方操作。（2）主要技术参数1 输入信号: 电子式:4-20mA DC 或 0-10mA DC, 普通式:开关量2输入通道电阻: 250 欧姆 或 200 欧姆3输入通道个数: 普通型配放大器 3 个，电子式 1 个4基本误差: 2.5%5回差: 1.5%6死区: 3%7阻尼特性: 3 次半周期8电源电压: 220V 或 380V ，50Hz9工作环境: 温度: -10 0 C - +55 0 C ，湿度 : 95%,周围空气不

23、含有腐蚀性质。4.5 阀选择关于给水调节阀的气开气关的选择，一般都是从安全角度考虑的。工业生产过程的调节阀绝大部分为气关方式。选择 ZMBT 气动薄膜隔膜调节阀 (气关) (1)工作原理ZMBT 气动薄膜隔膜调节阀由多弹簧气动薄膜执行机构和隔膜阀组成。隔膜阀体流通平滑、节流元件为弹性隔膜阀，阀盖上无填料函。因而阀流通能力比一般调节阀大且无泄漏，在许用压差范围内可作切断阀用。气开、气关作用由正反执行机构实现。（2）主要性能参数公称通径 mm15202540506580100150200公称压力 MPa0.6 10行程 mm1016254060流量特性近似快开型介质温度-15200(常温型)、-4

24、0+250、-40+450(中温型)、-100+200(低温型)法兰形式法兰密封面形式按 JB77,其中铸铁法兰按光滑式,铸钢法兰按凹式阀体材质PN (MPa)0.6,1.6WCB(ZG230-450)CF3CF8 CF8M4.0,6.4WCB(ZG230-450)、ZG1Cr18Ni9Ti、ZG0Cr18Ni12Mo2Ti CF8 CF8M可调比 R30:1气源接头M161.5第五章 课程设计体会在经过了将近两周的时间里，我们按照要求，大至完成了这次过程控 制的课程设计。最后一周的时间里用来整定和交作业答辩。从这次课程设计中， 我们受益匪浅。在这几周的时间里，我们不仅重新复习了过程控制这门课

25、程， 还顺带重新看了很多相关课程和书籍。完成了一次知识的整合。并且，锻炼了 我们的独立思考能力，创新能力。锅炉汽包水位控制系统设计从实际需求入手，考虑到过程中产生的扰动对水位产生的影响，设计控制系统，分析采用单冲量和三冲量的综合方法对水位进行控制，消除虚假水位现象对系统稳定性的影响，使系统给水量跟踪锅炉的蒸发量，达到预定控制效果。锅炉给水自动调节的主要任务是维持汽包水位在允许范围内变化。锅炉水位控制的方案多种多样，因每台锅炉的特性及实际工况的不同而各异，一言以蔽之，仁者见仁，智者见智。在这次设计的过程中，我们都得到了指导老师的帮助。是他的细心讲解， 让我们学到了更多知识。并且，让我们学习的态度

26、更加严谨。再就是同班的同学，在这次课程设计的途中给了我很多的帮助，跟我讲那些被忘了的知识。是因为大家的相互帮助和合作，我们才共同完成了这次的任务。在设计过程中遇到了很多困难，同时也增长了许多之前没学到的知识。通过锅炉给水控制系统的设计实验，更深的了解了给水控制系统的组成结构和原理。使我们的能力得到进一步增强。参考文献1 孙洪程 翁维勤 魏杰.过程控制系统及工程M.第 3 版.北京:化学工业出版社,2010.2胡寿松.自动控制原理M.第 5 版.北京:科学出版社,2010.3吴勤勤.控制仪表及装置M.第 3 版.北京:化学工业出版社,2010.4徐科军等.传感器与检测技术M.第 2 版.北京:电子工业出版社,2008.5丁明舫等.锅炉技术问答 1100 题M.第 1