《鍋爐汽包水位單回路控制系統(tǒng)設(shè)計》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《鍋爐汽包水位單回路控制系統(tǒng)設(shè)計（13頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、中北大學課程設(shè)計說明書 1、鍋爐汽包的控制意義 在實際生產(chǎn)運行中，鍋爐的液位控制直接影響了鍋爐是否正常運行以及運行的安全狀況。鍋爐是一個復雜的被控對象，主要輸入變量包括符合的蒸汽需求量、給水量、燃料量、 減溫水量、送風量和引風量等；主要輸出變量有鍋筒水位、蒸汽壓力、過熱蒸汽溫度、爐膛 負壓、過?？諝猓煔夂趿浚┑热绻羝献兓蚪o水量發(fā)生變化，會引起鍋筒水位、蒸汽壓力和過熱蒸汽溫度等的變化； 而燃料量的變化不僅影響蒸汽壓力，還會影響鍋筒水位、過熱蒸汽溫度、過?？諝夂蜖t膛負壓、可見，鍋爐是一個具有多輸入、多輸出且變量之間相互關(guān)聯(lián)的被控對象。 2、鍋爐液位控制的難點 液位的控制

2、技術(shù)是通過控制進水或出水閥門的開度，改變水流量來實現(xiàn)的，而水溫的控制是通過調(diào)節(jié)加熱的功率來實現(xiàn)的。鍋爐液位的控制是過路控制系統(tǒng)較為重要和比較難與控制的一項。由于鍋爐運行過程中存在進水量的變化，所以很難通過調(diào)整PID控制其參數(shù)來滿足所有的運行條件，獲得理想的控制效果。調(diào)整過量會導致流量回路動作頻繁，從而給下游設(shè)備帶來了額外的干擾。另外，液位的波動也會破壞鍋爐運行過程的穩(wěn)定，使得蒸汽輸送等不易控制。影響鍋爐液位的關(guān)鍵變量有給水量，蒸汽出口流量和混合燃料的進料量。各變量都有各自不同的擾動。較冷的給水造成相應(yīng)的純滯后。蒸汽流出量的突然增加造成了典型的“假水位”現(xiàn)象，使得過程暫時改變了方向，容易產(chǎn)生誤操

3、作而導致發(fā)生事故。 3、儀表的選型 3.1 單沖量液位調(diào)節(jié)儀 SZD-S-4單沖量液位調(diào)節(jié)儀是在原SZD-2型液位自控儀的基礎(chǔ)上，根據(jù)用戶要求進行研制，設(shè)計。比 SZD-2型液位自控儀增加了閥位反饋信號切換、液位雙色顯示等功能，采用了先進的集成電路，提高了儀表的可靠性、穩(wěn)定性。 SZD-S-4型單沖量液位調(diào)節(jié)儀為PI連續(xù)給水調(diào)節(jié)裝置，主要調(diào)節(jié)系統(tǒng)適用于1～35T/H，壓力≤2.5Mpa的各類鍋爐爐筒水位自動連續(xù)調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)系統(tǒng)是由電感式浮球傳感器（簡稱傳感器），SZD-S-4單沖量液位調(diào)節(jié)儀（簡稱調(diào)節(jié)儀）和給水管路上的電動調(diào)節(jié)機構(gòu)（DKZ或DKJ）三部分組成。 SZD-S-4單沖量液

4、位調(diào)節(jié)儀具有水位高、低、危低極限聲光報警指示及報警觸點輸出，報警消音功能，具有閥位手動/自動開關(guān)切換，手動時還可以對閥門進行遠距離控制，并且能根據(jù)水位高低自動連續(xù)調(diào)節(jié)給水量維持水位正常，是水位自動調(diào)節(jié)，安全生產(chǎn)的自控表。 儀表采用PVC輕觸開關(guān)，面板上調(diào)試液位，帶報警消音。雙色光柱顯示液位，表頭顯示閥位，美觀大方，工藝精良。 【技術(shù)參數(shù)】 1、適用介質(zhì)：非腐蝕性液體，比重≥0.8 2、工作壓力：傳感器≤2.5Mpa 3、工作溫度：傳感器≤250℃ 儀表≤50℃ 4、工作電壓：220VAC15%　50HZ 5、環(huán)境溫度：儀表工作溫度：0～50℃ 6、相對濕度：≤85％

5、 7、功耗：≤10VA 8、液位顯示范圍：50mm 9、閥位反饋信號： DC 0～10mA (DKZ-310)電感或電位器（ZAZ執(zhí)行器） 10、液位輸入：電感信號、0～10m、4～20mA（內(nèi)部跳線） 11、報警觸點輸出：220V、10A 12、開關(guān)閥觸點輸出：220V、10A 3.2給水調(diào)節(jié)閥型號 關(guān)于給水調(diào)節(jié)閥型號選擇。由于流經(jīng)給水閥的除氧水壓力為6.0Mpa，溫度為104℃,極宜產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象。對于輕度汽蝕，一般給水閥的閥芯閥座選用司鈦萊合金堆焊即可。對于重度汽蝕，一般給水閥選用多級高壓調(diào)節(jié)閥，使高壓除氧水在流過調(diào)節(jié)閥多級 孔后逐漸降壓，而每級閥芯上只承擔一

6、部分壓差，使節(jié)流后的壓力在閥的部分恢復不到流體的飽和蒸汽壓力，可以有效的避免汽蝕現(xiàn)象，也有效的防止了汽蝕引起的噪聲振動和對閥芯閥座的侵蝕。 給水閥的選擇問題 關(guān)于給水調(diào)節(jié)閥的氣開氣關(guān)和正負作用的選擇。給水調(diào)節(jié)閥的氣開氣關(guān)的選擇，一般都是從安全角度考慮的。如果高壓蒸汽供給蒸汽透平壓縮機的重要負荷，為保護這些設(shè)備以選用氣開式閥為宜。如果蒸汽作為工藝生產(chǎn)中的熱源時，為保護鍋爐，以選用氣關(guān)（F，C）閥為宜。綜合起來考慮，一般選帶保位裝置(F, I)的給水閥，即事故狀態(tài)該閥停在原位。執(zhí)行器采用正作用。 主要技術(shù)性能指標 公稱通徑mm 20 25 40 50 65 80

7、100 150 200 250 300 350 400 閥座直徑mm 10 12 15 20 25 32 40 50 65 80 100 125 150 200 250 300 可與本公司 商洽生產(chǎn) 額定流量 系數(shù)Kv 直線 1.8 2.8 4.4 6.9 11 17.6 27.5 44 69 110 176 275 440 690 1000 1600 等百分比 1.6 2.5 4 6.3 10 16 25 40 63 100 160 250 400 630 900 14

8、40 公稱壓力MPa 0.6 1.6 4.0 6.4 流量特性 直線、等百分比、快開型 介質(zhì)溫度℃ -15～200(常溫型)、-40～+250、-40～+450(中溫型)、-100～+200(低溫型) 法蘭尺寸 鑄鐵法蘭尺寸按JB78、鑄鋼法蘭尺寸按JB79 法蘭形式 符合JB78-59、JB79-59標準，可按JB/79.1-94、JB/79.2-94、ANSI、JIS、DIN 等標準訂貨生產(chǎn) 閥體材質(zhì) PN (MPa) 0.6,1.6 WCB(ZG230-450) CF3CF8 CF8M 4.0,6.4 WCB(ZG230-450)、ZG1Cr18Ni9

9、Ti、ZG0Cr18Ni12Mo2Ti CF8 CF8M 可調(diào)比R 30:1 氣源接頭 M161.5 執(zhí)行機構(gòu)主要技術(shù)參數(shù) 型　號 ZHA(B)-1 ZHA(B)-2 ZHA(B)-3 ZHA(B)-4 ZHA(B)-5 ZHA(B)-6 有效面積cm2 200 280 400 630 1000 1600 行　程mm 10 16 25 40 60 1000 彈簧范圍KPa 20～100(標準)；40～200；80～240；20～60；60～100 3.3液位差壓變送器 差壓式液位變送器詳情： 遠傳差壓/液

10、位變送器用于防止管道中的介質(zhì)直接進入變送器里，感壓膜片與變送器之間靠注滿流體的毛細管連接起來。它用于測量液體、氣體或蒸汽的液位、流量和壓力，然后將其轉(zhuǎn)變成4～20mA DC信號輸出。 凸法蘭式遠傳液位變送器 液位變送器遠傳裝置形式型號參數(shù) 1151/3351DP/GP 遠傳法蘭式液位變送器 代碼 量程范圍KPa 3 0-1.3～7.5 4 0-6.2～37.4 5 0-31.1～186.8 6 0-117～690 7 0-345～2068 8 0-117KPa～1MPa 9 0-0.4～2.5MPa 0 0-1.6～10MPa 3.4關(guān)

11、于汽包水位測量的問題 由于汽包水位波動較大，--般選用平衡容器測量汽包水位。平衡容器連通管中的水位始終與汽包水位等高，上端的蒸汽冷凝后會在托盤上形成水柱，若水柱高出托盤自溢口后自溢，并經(jīng)平衡閥返回汽包，進行熱量與水量的交換，以求達到汽包內(nèi)部水體與平衡容器內(nèi)部的水體比重--致且恒定，將托盤水面高于正取壓端口H。做負遷移，則差壓變送器量程所對應(yīng)的平衡管正壓端水柱壓力的變化就能夠?qū)嵎从称坏淖兓?。雙室平衡容器的結(jié)構(gòu)圖見圖，其測量筒分別與汽包上部和下部接通，上部引入蒸汽，遇冷蒸汽溫度下降不斷冷凝，冷凝水流入冷凝臺進入A管，A管是充滿液體的，B管與汽包連通。 13 其大致結(jié)構(gòu)原

12、理圖： 圖2 4、給水控制系統(tǒng)的動態(tài)特性 汽包水位是工業(yè)蒸汽鍋爐安全、穩(wěn)定運行的重要指標，是鍋爐蒸汽負荷與給水間物質(zhì)是否平衡的重要標志，維持汽包水位正常是保證鍋爐和汽輪機安全運行的必要條件。汽包鍋爐給水控制系統(tǒng)的作用是使鍋爐的給水量自動適應(yīng)鍋爐的蒸發(fā)量，維持汽包水位在規(guī)定范圍內(nèi)波動。其中給水流量和蒸汽流量是影響汽包水位的兩種主要擾動，前者來自調(diào)節(jié)器，稱為內(nèi)擾，后者來自負荷側(cè)，稱為外擾。 4.1給水控制任務(wù) 汽包鍋爐給水控制的任務(wù)是使給水量適應(yīng)鍋爐蒸發(fā)量，并使汽包的水位保持在一定的范圍內(nèi)，具體要求有以下兩個方面: (1)維持汽包水位在一定范圍內(nèi)。汽包水位是影響鍋爐安全運行的重要因

13、素。水位位過高，會破壞汽水分離裝置的正常工作，嚴重時會導致蒸汽帶水增多，從而增加在過熱器壁上和汽輪機葉片上的結(jié)垢，甚至使汽輪機發(fā)生水沖擊損壞葉片；水位過低，則會破壞水循環(huán)，引起水冷壁的破裂。 正常運行時的水位波動范圍：20?50mm 異常情況：200mm 事故情況：>350mm (2)保恃穩(wěn)定的給水量。穩(wěn)定工況下，給水量不應(yīng)該時大時小地劇烈波動，否則,將對省煤器和給水管道的安全運行不利。 對于蒸發(fā)量為100—230t/h的單汽包爐，當水位變化100mm時，T= 60?30s，對于蒸汽量為更大的汽包爐T=30s，它的意義在于鍋爐在滿負荷運行時，如果突然停止供水，則由于蒸發(fā)量和給水量的不

14、平衡造成水位迅速下降，在30s內(nèi)將下降200mm，或者換句話說，如果給水量減少10%，經(jīng)過30s的時間，水位將下降20mm。 從物質(zhì)平衡的觀點來看，加大了給水量G水位應(yīng)立即上升，但實際上并不是這樣，而是經(jīng)過一段遲延，甚至下降后再上升。這足因為給水溫度遠低于省煤器的溫度，即給水有一定的過冷度，水進入省煤器后，使-部分汽變成了水，特別是沸騰式省煤器，給水減輕了省煤器內(nèi)的沸騰度，省煤器內(nèi)的汽泡總?cè)莘e減少，因此，進入省煤器內(nèi)的水首先來填補省煤器中因汽泡破滅容積減少而降低的水位，經(jīng)過一段遲延甚至水位下降后，才能因給水量不斷從省煤器進入汽包而使水位.在此過程中，負荷還未發(fā)生變化，汽包中水仍然在蒸發(fā)，因此

15、水位也有下降趨勢。沸騰式省煤器的延遲時間T為100?200s。非沸騰式省煤器的延遲時間丁為30?100s。 水位在給水擾動下的傳遞函數(shù)可表示為： 當T=時，上式可變?yōu)? 水位對象可近似認為足-個積分環(huán)節(jié)和個慣性環(huán)節(jié)并聯(lián)形式。 4.2蒸汽流量擾動下水位的動態(tài)特性 如果只從物質(zhì)平衡的角度來看，蒸發(fā)量突然增加時，蒸發(fā)量高于給水量，汽包水位是無自平衡能力的，所以水位應(yīng)該直線下降，但實際水位是先上升，后下降，這種現(xiàn)象稱為“虛假水位”現(xiàn)象，如圖所示。其原因是由于負荷增加時，在汽水循環(huán)回路中的蒸發(fā)強度也將成比例增加，水面下汽泡的容積增加得也很快，此時燃料量M還來不及增加，汽包中氣

16、壓Pb降，汽包膨脹，使汽泡體積增大而水位上升。如圖2-3中所示，開始的一段時間的作用大于H（t）。過了一段時間后，當汽泡容積和負荷相適應(yīng)而達到穩(wěn)定后，水位就要反映出物質(zhì)平衡關(guān)系而下降。因此，水位的變化應(yīng)時上述兩者之和，即 傳遞函數(shù)也為兩者的代數(shù)和: 一般100?230t/hd 的中高爐，負荷突然變化10%時，虛假水位化現(xiàn)象可使水位變化達 30 ?40mm。 汽包水位調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性方程式，通過理論推導和化簡后可寫成: 在蒸汽負荷小變而給水流量變化的情況下，汽包水位的動態(tài)微分方程可以表示為： 對上式進行拉普拉斯變換，可得： 于是，我們得到汽包水位在給水流量作

17、用下的傳遞函數(shù)： 對于中壓（蒸汽壓力<2.0MPa）以下鍋爐，Tw—般較小，可以忽略不計。故上式可以化簡為：可以簡化為： 在給水量不變而蒸汽負荷變化的情況下，汽包水位的動態(tài)微分方程可以表示為： 對上式進行拉普拉斯變換，可得： 于是，我們得到汽包水位在蒸汽流量作用下的傳遞函數(shù)： 上式可以用兩個動態(tài)環(huán)節(jié)的并聯(lián)來等效，即： 下圖給水流量作用下水位的階躍響應(yīng)曲線和蒸汽用量擾動下水位的階躍響應(yīng)曲線 5、單沖量單回路控制系統(tǒng) 單沖量水位控制系統(tǒng)以汽包水位作為唯一的控制信號，沖量即變量。水位測量信號經(jīng)變送器送到水位調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器根據(jù)汽包水位測量值只與給定值H。

18、的偏差，通過執(zhí)行器去控制給水調(diào)節(jié)閥以改變給水量，保持汽包水位在允許的范圍內(nèi)，其原理結(jié)構(gòu)如圖所示。 圖3鍋爐工藝流程圖 5.1鍋筒水位的控制方案 根據(jù)鍋筒水位特性，選取汽包液位是被控變量，蒸汽流量和給水流量是沖量信號，通過控制給水量來使鍋筒水位維持在滿足負荷需求的高度,一旦蒸汽流量或給水流量發(fā)生波動，加法器立即改變調(diào)節(jié)閥的開度進行校正,提高被調(diào)參數(shù)液位的調(diào)節(jié)精度。 控制方框圖： 圖4控制方框圖 控制系統(tǒng)方框圖： 圖5控制系統(tǒng)方框圖 圖中，LC為流量控制器，GV為調(diào)節(jié)閥傳遞函數(shù)， Gp1為水流量變化對水位變化對象傳遞函數(shù)，Glm為液位檢測環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)，Gd2為水流量擾

19、傳遞函數(shù)，Gd1為蒸汽流量干擾傳遞函數(shù)。 可見，它根據(jù)當前鍋筒水位來確定給水量，是一個單回路控制系統(tǒng)。 當蒸汽用量突然增加時，應(yīng)該加大給水量以滿足負荷需求；但是由于假水位現(xiàn)象，導致控制器會先減小給水量來抑制瞬間的水位升高，隨著假水位消失，鍋筒水位會在負荷增加和給水量減少的雙重作用下，產(chǎn)生嚴重的水位下降，甚至發(fā)生危險。因此,該控制方案不適用于負荷變動較大的情況。 6、控制系統(tǒng)仿真 6.1各個環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)及各個參數(shù)的確定 小型鍋爐如35t/h，為維持鍋爐液位范圍在15-35mm內(nèi)穩(wěn)定進行，維持蒸汽壓力1.2-1.3MPa，蒸汽壓力的范圍波動<0.1MPa，具體設(shè)置參數(shù)值為： 根據(jù)本文所

20、控制的水位被控對象的數(shù)據(jù)，給水量的時間常數(shù)T2定為15min，K=500mm，因此水位被控對象的數(shù)學模型為： 蒸汽流量單位階躍擾動下的汽包水位閉環(huán)傳遞函數(shù)為式子所示，其中取K。=0.05，K1=5，T2=15得到汽包水位傳遞函數(shù)： 汽包水位變化范圍在水位變送器的電流范圍4-20mA ,所以水位變送器的比例系數(shù)為: 放大系數(shù)為2。 調(diào)節(jié)閥的比例系數(shù)為： 6.2matlab仿真 PID參數(shù)整定，一般說，液位控制只需比例P控制調(diào)節(jié)即可。但是該系統(tǒng)只用P控制，K取較小值時，超調(diào)量較小，但是穩(wěn)定值偏低，且K越小越低，K取較大值時，震蕩變大，穩(wěn)定較差；如果加入積分環(huán)節(jié)I，效果會很好，

21、但I不能取很大，用matlab仿真I可以取的范圍是0.01-1之間,加上積分環(huán)節(jié)效果不是很好，該仿真結(jié)果，最好控制是PD，效果是穩(wěn)定快，超調(diào)量小，抗干擾能力強。 建立simulink模型，并將上述模型數(shù)據(jù)帶入 見圖6： 圖6單回路控制系統(tǒng)圖SIMULINK模型 (1)首先根據(jù)調(diào)節(jié)器參數(shù)經(jīng)驗數(shù)據(jù), 設(shè)定調(diào)節(jié)器PID參數(shù)K=20，I=0，D=60。經(jīng)仿真后的響應(yīng)曲線為 系統(tǒng)仿真曲線圖 (2) 根據(jù)調(diào)節(jié)器參數(shù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)，設(shè)定調(diào)節(jié)器PID參數(shù)K=40，I=0，D=50. 經(jīng)仿真后的響應(yīng)曲線為 系統(tǒng)仿真曲線圖 (3) 經(jīng)反復試湊比例度、積分時間、微分時間的大小，得出K=4

22、0，I=0，D=50時響應(yīng)曲線呈4：1衰減，結(jié)果令人滿意。 7、課程設(shè)計總結(jié) 通過這次課程設(shè)計，我看到了過程裝備與控制工程這門專業(yè)的精髓，我認真學習了過程控制儀表與技術(shù)這門課本，收獲了很多，并且喜歡上了這門專業(yè)書，我基本了解了鍋爐汽包水位的控制系統(tǒng)，差壓變送器的基本原理，調(diào)節(jié)閥的工作原理，以及整個成套設(shè)備的流程運行情況，最關(guān)鍵的是我明白了調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律，PID的參數(shù)整定，感覺書上說的那些經(jīng)驗法和比例法等等的數(shù)據(jù)有時不可靠，需要按照實際控制系統(tǒng)特性，再用matlab仿真軟件調(diào)節(jié)PID的數(shù)值，我學會了用Simulik仿真系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在王老師的指導下，我實現(xiàn)了各種環(huán)節(jié)的的各種調(diào)節(jié)，清楚的認識

23、了PID調(diào)節(jié)規(guī)律的特性。 該系統(tǒng)液位的PID調(diào)節(jié)控制最好的效果是用PD控制,而且系統(tǒng)比較敏感,PD參數(shù)不好確定,在多次實驗后,才最終確定PID值,因為系統(tǒng)是單沖量單回路,沒有前饋和串級控制系統(tǒng)穩(wěn)定性好。 通過課程設(shè)計，我對以前書本上所學的知識有了更深的理解，也為將來知識的學習打下了堅實的基礎(chǔ)。 這次課程設(shè)計增長了我把知識運用到實際的能力，加深了對課本知識的理解。另外，感謝劉廣璞、劉波、高強、崔寶珍老師的辛勤指導，讓我的課程設(shè)計得以順利地完成。 8、參考文獻 [1] 王毅《過程裝備控制技術(shù)及其應(yīng)用》 化學工業(yè)出版社 [2] 俞金壽《過程自動化及儀表》 化學工業(yè)出版社 [3] 王樹青《工業(yè)過程控制工程》 化學工業(yè)出版社 [4] 吳勤勤《控制儀表及裝置》 化學工業(yè)出版社 [5] 奧特儀表制造有限公司主頁 [6] 張強matlab7.0 simulik實例教程 北京航空航天大學出版社 [7] 韓光信 先進PID在鍋爐水位控制的應(yīng)用研究 中國核心期刊《微計算機信息》2006年第22卷第12-1期