锅炉汽包水位系统

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1、目录第1章绪论21.1概述21.2锅炉的工作过程简介2第2章 锅炉汽包水位动态特性分析42.1汽包水位在给水流量W作用下的动态特性42.2汽包水位在蒸汽流量D扰动下的动态特性5第3章 锅炉汽包水位的控制方案73.1单冲量控制方式73.2双冲量控制方式73.3三冲量控制方式83.4我选择的控制方式9第4章仪器仪表的选择与参数的整定104.1液位变送器的选择104.2控制器的选择114.3执行器的选择124.4控制器的作用方式134.5阀的开闭选择形式134.6工程整定14参考文献:15第1章绪论1.1概述汽包水位是锅炉运行的重要指标，是一个非常重要的被控变量。维持水位在 一定范围内是保障锅炉安全

2、运行的首要条件，液位过高，会使蒸汽带水过多，汽 水分离差，使后续的过热器管壁结垢，传热效率下降，过热蒸汽温度下降，严重 时将引起蒸汽品质下降，影响生产和安全；水位过低又将破坏部分水冷壁的水循 环，引起水冷壁局部过热而损坏，严重时会发生锅炉爆炸。因此，在锅炉运行中， 保证汽包水位在正常范围是非本设计是锅炉汽包水位控制系统的设计，锅炉汽包 水位的良好控制是保证系统输出蒸汽温度稳定的前提。经分析后采用三冲量的控 制方式，。1.2锅炉的工作过程简介锅炉是工业过程中不可缺少的动力设备，锅炉的任务是根据外界负荷的变 化，输送一定质量（汽压、汽温）和相应数量的蒸汽。它所产生的蒸汽不仅能够为 蒸馏、化学反应、

3、干燥等过程提供热源，而且还可以作为风机、压缩机、泵类驱 动透平的动力源。锅炉是由“锅”和“炉”两部分组成的。“锅”就是锅炉的汽水系统，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。锅炉的给水用给水泵打入省煤器，在省煤器中， 水吸收烟气的热量，使温度升高到本身压力下的沸点，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，随即又回入汽包。水在水冷壁管中吸收炉内火焰直接辐射的热，在温度不变 的情况下，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，水和给水一起再进入下

4、降管参加循环，汽则由汽包顶部的管子引往过热器， 蒸汽在过热器中吸热、升温达到规定温度，成为合格蒸汽送入蒸汽母管。“炉”就是锅炉的燃烧系统，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。第2章锅

5、炉汽包水位动态特性分析2.1汽包水位在给水流量W作用下的动态特性图2.1是锅炉汽包水位在给水流量作用下，水位的阶跃响应曲线。把汽包水 位看作单容量无自衡过程，水位的阶跃响应曲线如图中的Hl线。图2.1给水流量作用下水位阶跃响应但是由于给水温度比汽包内饱和水的温度低，所以给水流量增加后，从原有 饱和水中吸收部分热量，这使得水位下汽泡容积有所减少，当水位下汽泡容积的 变化过程逐渐平衡时，水位的变化就完全反映了由于汽包中储水量的增加而逐渐 上升。因此，实际水位曲线如图中的万线，即当给水量作阶跃变化后，汽包水位 一开始不立即增加，而要呈现出一段起始惯性段。用传递函数表示时2-1H (s) k =1W

6、(s) S (孔 S + 1) n式中K1反应速度，即给水流量改变单位流量时水位的变化速度，单位为 毫米/秒或（吨/小时）。从式2-1可知，汽包水位在给水流量作用下的动态特性由一个积分环节和一 个滞后环节所组成，K1、T1的数值可通过实验测试求得，数值的大小同锅炉的 结构有关。有些锅炉当给水量增加时，在较长的一段时间里，汽包水位并不增加， 有一较长的起始惯性段，对于这种锅炉用式2-2来表示它的动态特性，误差较大， 这时可选用下面近似计算：2-2式中，T 一给水量扰动后的纯滞后时间，对非沸腾式省煤器的锅炉，T这 时为30至100秒;对于沸腾式省煤器的锅炉，t为100至200秒;K0 水位 的反应

7、速度。给水温度越低，时滞t亦越大。总之，汽包水位调节对象在给水量作用下，具有纯迟延和惯性，无自衡能力。 具体特性可用二种形式来描述，究竟采用何种形式，可根据锅炉结构和汽化强度 来定。2.2汽包水位在蒸汽流量D扰动下的动态特性在蒸汽流量刀扰动作用下，水位的阶跃响应曲线如图2.1所示。当蒸汽流量 突然增加，从锅炉的物料平衡关系看，蒸汽流量D大于给水量矶水位应下降， 如图中曲线H1。但实际并非如此，由于蒸汽用量增加，瞬间导致汽包压力的下 降。汽包内水的沸腾突然加剧，水中汽泡迅速增加，由于汽泡容积增加而使水位变化的曲线如图中的H2线。因此，实际的水位曲线为H1+H2,即为图中的H。从图中可以看出，当蒸

8、汽负荷增加时，水位不仅不下降反而上升，然后再下降（反 之，蒸汽流量突然减少时，则水位先下降，然后再上升），这种现象称之为“虚 假水位”。当汽水混合物中汽泡容积与负荷相适应达到稳定后，水位才反映出物 料的不平衡，开始下降。应该指出，当负荷阶跃改变时，水面下汽泡容积变化引 起的水位变化是很快的，图2.3中H2的时间常数只有1020秒。蒸汽流量扰动 时，水位变化的动态特性可表示为：、H(S)k k2-3G (s) = -L +2 2D(s)S (TS + 1)n2式中，Kf响应速度，即蒸汽流量变化单位流量时，水位的变化速度，单位为毫 米/秒或（吨/小时）。K 响应曲线玩的放大系数T2响应曲线的时间常

9、数图2-2.蒸汽流量扰动下水位阶跃响应“虚假水位”变化的幅度与锅炉的汽压与蒸汽量有关，对于一般100 230 吨/小时的中高压锅炉，如负荷阶跃变化10%时，“虚假水位”现象可使水位变化 达30 一 40毫米。由于“虚假水位”现象属于反向特性，其出现的水位最大偏差 很难依靠调节来克服，如果要求水位波动不能太大，只有限制负荷D的变化速 度或限制负荷一次变化量。由此可见，汽包水位调节对象在蒸汽流量扰动下，非但没有自平衡能力，而 且存在着“虚假水位”现象，“虚假水位”的变化速度很快，变化幅度与蒸发量 扰动大小成正比，也与压力变化速度成正比，在设计调节系统时必须考虑。第3章锅炉汽包水位的控制方案3.1单

10、冲量控制方式单冲量水位控制方式原理图及方框图如图3-1所示它是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。当蒸汽用量突然增加时，应该加大给水量以满足负荷需求；但是由于假水位 现象，导致控制器会先减小给水量来抑制瞬间的水位升高，随着假水位消失，汽 包水位会在负荷增加和给水量减少的双重作用下，产生严重的水位下降，甚至发 生危险。对于小型锅炉，由于蒸汽负荷变化时假水位的现象不明显，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水位稳定，难以满足水位控制要求和生产安全。 因此

11、，该控制方案不适用于负荷变动较大的情况。图3-1单冲量控制控制系统框图3.2双冲量控制方式双冲量控制系统是以锅炉汽包水位测量信号作为主控信号，以蒸汽流量信 号作为前馈信号构成的“前馈一反馈”控制系统。系统方框图见图3-2图3-2双冲量控制控制系统框图引入蒸汽流量来校正不仅可以补偿“虚假水位”所引起的误动作，而且能 使给水调节阀的动作及时，从而提高控制质量。但这里的前馈仅为静态前馈，若 要考虑两条通道在动态上的差异，则还需要引入动态补偿环节。在给水压力比较 平稳时，采用双冲量控制就能达到控制要求。双冲量水位自动控制系统存在的问 题有：一是对于给水系统的扰动不能直接补偿。当给水量发生扰动时，要等到

12、汽 包水位信号变化时才能通过调节器操作执行调节，滞后时间长，水位波动大。二 是调节阀的工作特性不是完全线性的，因此，要做到静态补偿就比较困难。3.3三冲量控制方式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 3-3，3-4所示。所谓三冲量，值得是引入了三个测量信号：汽包水位、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：主回路实现水位 调节，副回路使给水流量能适应负荷和水位要求。在稳定状态下，液位测量信号为给定值，液位调节器的输出，蒸汽流量及给水 流量三个信号通过加法器得到输出电流。若在某一时刻，蒸汽负荷突然增加，蒸 汽流量变送器的输出电流增加，加法器的输

13、出电流减少，从而会开大给水调节阀， 与此同时出现了虚假液位现象，液位调节器输出电流将增大。由于进入加法器的 两个信号相反，蒸汽流量变送器的输出电流会抵消一部分虚假液位输出电流，所 以虚假液位所带来的影响将局部或全部被抵消。待虚假液位过去，水位开始下降，液位调节器输出电流开始减小，此时它与蒸 汽流量信号变化的方向相反，因此加法器的输出电流减小，此时要求增加给水量 以适应新的负荷需要并补充液位的不足。调节过程进行到液面重新稳定在给定 值，给水量和蒸发量达到新的平衡为止。当蒸汽负荷不变，给水量本身因压力波 动而变化时，加法器的输出相应变化，调节阀门开度直至给水量恢复到所需的数 值为止。由于引进了蒸汽

14、流量和给水流量两个辅助冲量，起到了 “超前信号”的 作用，使给水阀一开始就向正确的方向移动，因而可减小液位的波动幅度，抵消 虚假液位的影响，并可缩短过渡过程时间。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。蒸汽流量k 变送器流量 & 变送器液位&变送器I图3-3三冲量液位控制系统框图图3-4 三冲量液位控制原理图3.4我选择的控制方式我选三冲量的控制方式作为本次设计控制方式。三冲量控制系统具有如下优点：一是相对单冲量和双冲量控制系统，其控制品质 最好，能有效地满足系统对快速性、稳

15、定性、准确性的要求。二是能有效地避 免“虚假水位”现象。第4章仪器仪表的选择与参数的整定4.1液位变送器的选择选则1151/3351DP差压变送器1151/3351DP差压变送器的关键原材料、元器件和零部件均源自进口或合资 生产，整机经过严格组装和测试。该产品具有设计原理先进、品种规格齐全、安 装使用简便等特点。由于该机型外观上完全融合了目前国内最为流行，并被广泛 使用的两种变送器（罗斯蒙特3051与横河EJA）的结构优点，让使用者有耳目 一新的感觉，并具有很强的通用性和替代能力。为适合国内自动化水平的不断提 高和发展，该系列产品除设计小巧精致外，更推出具有HART现场总线协议的 智能化功能。

16、产品特点：超级的测量性能，用于压力、差压、液位、流量测量精度高：数字精度+（-）0.05%；模拟精度+（-）0.5%+（-）0.1%F.S量程、零点外部连续可调，量程比100： 1正迁移可达500%、负迁移可达600%稳定性能好，稳定性：0.25% 60个月耐过压固体传感器设计全系列统一结构、互换性强接触介质的膜片材料可选低压浇铸铝合金壳体测量速率：0.2S小型化（2.4kg）全不锈钢法兰，易于安装过程连接与其它产品兼容，实现最佳测量采用16位计算机的智能变送器标准4-20mA，带有基于HART协议的数字信号，远程操控 支持向现场总线与基于现场控制的技术的升级图4.11151/3351DP差压

17、变送器4.2控制器的选择采用上海龙瑞斯电子科技有限公司生产的XMT系列数字显示控制器，主要选用 XMT F 800 01 A12 T2 型控制器。一、主要技术指标测量范围：一19999999字 分辨率：1、0.1、0.01、0.001字测量精度：0.5%FS可选0.2%FS供电电源：220VAC可选24VDC或110VAC 输入信号:4-20mA,1-5V,0-20mA,0-5V,Pt100,0-3kHz,B,S,E,K,J,T,R,N 等多种 输出信号：4-20mA,1-5V,继电器等 工作温度：一20+ 65C安装方式：卡入式支架顶压安装消耗功率：W5W 指示方式：LED数字显示 报警设置

18、：报警数值用户可任意设定仪表尺寸：160 X 80 X 150,80 X 160 X 120,96 X 96 X 150,96 X 48 X 110,48 X 96 X 110,72X72X110 单位 mm开孔尺寸：1521X760.7、760.7X1561、920.8X920.8、920.8X 440.8、68,0.6X680.8 单位 mm仪表菜单及参数设定菜单提示符提示符含义说明设定范围ALM1上限报警数值 如总深5米，要求4米高报警，则设4米 一19999999 ALM2下限报警数值 如总深5米，要求1米低报警，则设1米 一19999999 Hy-1 系统保留固定值9999禁止改变H

19、y-2 系统保留固定值9999禁止改变Hy回差上限、下限报警的回差值如设定为0.1 米 02000At系统保留固定值0禁止改变I备用项无意义数据可以任意0-9999P备用项无意义数据可以任意0-9999dt系统保留固定值0禁止改变Sn产品功能代码由订货选型时决定，不可更改禁止改变dP小数点位置显示几位小数如要求2位小数，则dP=20-3P-SL显示值零位要求PV窗口显示值的最低点 19999999P-SH显示值满位要求PV窗口显示值的最高点 19999999Pb仪器修正值PV窗口显示值=测量值+Pb数值 1999 4000oP-A系统保留固定值1禁止改变outL系统保留固定值0禁止改变outH

20、系统保留固定值200禁止改变图3.3 XMT显示控制器4.3执行器的选择选择AT65气动执行器AT65气动执行器结构特点1）挤压成型的铝合金缸体，经硬质氧化处理，表面质地坚硬，耐磨性强。2）紧凑的双活塞齿轮、齿条式结构，啮合精确，传动平稳，安装位置对称， 输出扭矩恒定。3）活塞、齿条和输出轴的活动部位均安装F4导向环，实现低摩擦，长寿命， 避免金属间的接触。4）缸体、端盖、输出轴、弹簧、紧固件等均经防腐处理。5）单气控型执行器的弹簧经预压后安装，可安全、方便的拆卸和组装。6）AT65气动执行器在全开和全关位置均可进行0度和90度正负5度的双 向行程调节。7）安装连接尺寸符合ISO5211、DI

21、N3337和VD1 / VDE3845以及NUMAR 标准，确保AT65气动执行器间的互换性和方便安装电磁阀、限位开关等附件。8）输出轴的安装连接孔有多种形状（四方孔、轴键孔、扁孔）供选择9）外形美观而精巧，重量轻，具有防水密封结构。10）有常温型、高温型、低温型。在常温工作条件下使用丁腊橡胶，在高温 或低温时采用氟橡胶或硅橡胶。图3.4 RZXP型新系列气动调节阀4.4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”

22、方 式。经分析此系统为正作用方式。4.5阀的开闭选择形式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，人员安全、 生产安全、系统设备安全的需要为首要依据。由于工业生产过程的调节阀绝大部 分为气动调节阀，所以要选择调节阀的气开气关方式。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。4.6工程整定采用两步整定法进行整定所谓两步整定法就是整定分两步进行，先整定付环，在整定主环求取副调节器的S2S和T2S （闭合主、副回路，两个调节器都置于纯比例、自 动；置81 = 100%；用衰减曲线法求取副调节器的S2S

23、和T2S）。求取主调节器的81S和T1S （闭合主、副回路，两个调节器都置于纯比例、自 动；置82=82S ；用衰减曲线法求取主调节器的81S和T1S）。计算调节器参数（依据以上求得的81S、T1S和82、T2S ；主、副调节器的 选型以及衰减曲线法相关公式，求取主、副调节器的相关参数）。将计算参数置于调节器；将副调节器置串级，主调节器投自动参考文献：1 黄伟 工业锅炉汽包水位自动控制系统设计重庆工业自动化仪表研究所(400708)2 金以慧.过程控制.北京：清华大学出版社.19933 孙优贤，孙红.锅炉设备的自动调节 北京：北学工业出版社1982.54 李艳，张琛星，李明辉陕西科技大学电气与

24、电子工程学院，陕 西咸阳7120815 李全利，迟荣强.单片机原理及接口技术.北京：高等教育出版社,2004.6 胡汉才.单片机原理及其接口技术北京：清华大学出版社20037 孙优贤，孙红编著.锅炉设备的自动调节M.化工工业出版社， 19828 王永初，任秀珍.工业过程控制系统设计范例M.科学出版社，19869 居滋培，过程控制系统及其应用M.机械工业出版社，200510 白云飞.锅炉给水自动控制系统设计J.鸡西大学学报,2006,6(2) :68- 69.11 张玉铎.王满稼.热工自动控制系统.北京.水利电力出版社， 198512 吴永生.方可人.热工测量及仪表.北京中国电力出版社.1995.242-24913 李遵基.热工自动控制系统.北京.中国电力出版社.199714 吴勤勤.控制仪表及装置.北京.化学工业出版社.2002. 40-10515 孙洪程.翁维勤.魏杰.过程控制系统及工程.化学工业出版 社.2010