锅炉汽包水位设计

1、黄山学院自动化专业设计 目录 第一章第一章 绪论绪论.2 11 锅炉工作过程简介.2 第二章第二章 锅炉汽包水位动态特性分析锅炉汽包水位动态特性分析.3 2.1 汽包水位在给水流量 W 作用下的动态特性.3 2.2 汽包水位在蒸汽流量 D 扰动下的动态特性.4 第第 3 3 章章 锅炉汽包水位的控制方案锅炉汽包水位的控制方案.6 3.1 单冲量控制方式.6 3.2 双冲量控制方式.6 3.3 三冲量控制方式.7 3.4 本设计的控制方式.8 第第 4 4 章章 仪器仪表的选择与参数的整定仪器仪表的选择与参数的整定.9 4.1 差压变送器的选择.9 4.2 流量变送器的选择.10 4.3 液位变

2、送器的选择.12 4.4 温度变送器的选择.13 4.5 工程整定.15 第五章第五章 PLCPLC 选型选型.16 第六章第六章 设计小结设计小结.17 参考文献参考文献: :.18 附录附录 1 1.19 附录附录 2 2.20 附录附录 3 3.22 附录附录 4 4.23 锅炉汽包水位设计 2 第一章第一章 绪论绪论 1 11 1 锅炉工作过程简介锅炉工作过程简介 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、 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

3、。 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降管参加循环，汽则由汽包顶 部的管子引往过热器，

4、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。 锅炉汽包水位设计 3 第二章第二章 锅炉汽包水位动

5、态特性分析锅炉汽包水位动态特性分析 2.12.1 汽包水位在给水流量汽包水位在给水流量 W W 作用下的动态特性作用下的动态特性 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。 t W H1 H t H 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

6、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 2-12-1 n STS k sW sH SG )1()( )( )( 1 1 1 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： 2-22-2

7、s e S k sW sH 0 )( )( 式中， 给水量扰动后的纯滞后时间，对非沸腾式省煤器的锅炉， 这时为 30 至 100 秒;对于沸腾式省煤器的锅炉， 为 100 至 200 秒;K0 一水位的反应速度。给 水温度越低，时滞 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。 锅炉汽包水位设计 4 2.22.2 汽包水位在蒸汽流量汽包水位在蒸汽流量 D D 扰动下的动态特性扰动下的动态特性 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

8、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，

9、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: 2-32-3 n f ST k S k sD SH sG ) 1()( )( )( 2 2 2 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 响应曲线的放大系数 T2 响应曲线的时间常数 t D H H1 H2 H t 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 一 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。

10、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。 锅炉汽包水位设计 5 锅炉汽包水位设计 6 第第 3 3 章章 锅炉汽包水位的控制方案锅炉汽包水位的控制方案 3.13.1 单冲量控制方式单冲量控制方式 单冲量水位控制方式原理图及方框图如图 3-1 所示它是汽包水位自动调节中最简单、

11、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，该控制方案不适用于负荷变 动较大的情况。 调节器调节阀汽包 变送器 H1 + - 图 3

12、-1 单冲量控制控制系统框图 3.23.2 双冲量控制方式双冲量控制方式 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 “前馈反馈” 控制系统。系统方框图见图 3-2 文本块 调节器调节阀汽包 变送器K H1H 蒸汽量 + - + + 变送器 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

13、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 锅炉汽包水位设计 7 难。 3.33.3 三冲量控制方式三冲量控制方式 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

14、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

15、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。 调节器调节阀汽包 蒸汽流量 变送器 H 蒸汽量 流量 变送器 流量 调节器 液位 变送器 + - 液位 调节器 H1 - 图

16、 3-3 三冲量液位控制系统框图 锅炉汽包水位设计 8 LTLC FT V-1 FT FC 图 3-4 三冲量液位控制原理图 3.43.4 本设计的控制方式本设计的控制方式 本设计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、 稳定性、 准确性的要求。二是能有效地避免 “虚假水位” 现象。 锅炉汽包水位设计 9 第第 4 4 章章 仪器仪表的选择与参数的整定仪器仪表的选择与参数的整定 4.14.1 差压变送器的选择差压变送器的选择 罗斯蒙特差压压力变送器为压力测量技术创建了一个新的标准。它

17、具有无可比拟的操作 性能、灵活的 CoPlanarTM 平台，而且可以升级。新型 3051C 压力变送器的性能指标保证了 在不同工况下的精度和稳定性。 工作原理： 工作时，高、低压侧的隔离膜片和灌充液将过程压力传递给灌充液，接着 灌充液将压力传递到传感器中心的传感膜片上。传感膜片是一个张紧的弹性元件，其位移随 所受压而变化（对于 GP 表压变送器，大气压如同施加在传感膜片的低压侧一样） 。AP 绝压 变送器，低压侧始终保持一个参考压力。传感膜片的最大位移量为 0.004 英寸（0.1 毫米） ， 且位移量与压力成正比。两侧的电容极板检测传感膜片的位置。传感膜片和电容极板之间电 容的差值被转换为

18、相应的电流，电压或数字 HART（高速可寻址远程发送器数据公路）输出 信号。 3051 变送器的应用 新型 3051C 的性能指标保证在不同工况下的精度和稳定性。灵活 可变的 CoPlanarTM 平台设计不但为您目前的应用需求提供最佳方案，同时通过 PlantWeb 工 厂管控网和现场总线技术也完全能满足您将来的技术要求。 技术参数： 总体性能：0.15 精度：0.075 差压：校验量程从 0.5inH2O 至 2000psi 表压：校验量程从 2.5inH2O 至 2000psi 绝对压力：校验量程从 0.167psia 至 4000psia 过程隔离膜片：不锈钢，哈氏合金 CR，蒙乃尔

19、R，钽（仅限 CD，CG）及镀金蒙乃尔 设计小巧、坚固而质轻，易于安装 锅炉汽包水位设计 10 4.24.2 流量变送器的选择流量变送器的选择 用途 1151DP 型 P 流量变送器,专门接受从节流元件送来的差压信号,经具有开平方功 能的“J”型电子线路板转换成与流量成正比的 4-20mA,DC 信号输出。 其采用电子开关组件，将输出电流在 20%以下，与输入差压的关系切换成线性，减缓 了流量变送器在起始工作段（特别是零点）输出电流的不稳定现象。但在输出电流 50%以下， 由于流量变送器的转换灵敏度仍高于同规格的差压变送器，因此其稳定性仍略逊色于差压变 送器。 锅炉汽包水位设计 11 锅炉汽包

20、水位设计 12 4.34.3 液位变送器的选择液位变送器的选择 用途 液位变送器是一种直接安装在管道或容器上的现场变送器。由于隔离膜片直接 与液相介质相接触，无须将正压侧用导压管引出，因此可以测量高温，高粘度，易结晶，易 沉淀和强腐蚀等介质的液位，压力和密度，然后将其转换成 4-20mA DC 信号输出。 液位变送器有 LT 型法兰式液位变送器和 LT 型卫生式液位变送器两种，它们与智能放大 板相结合，可构成智能型液位变送器，与符合 HART 协议的手操器配合，可以相互通讯，进 行设定和监控。 LHB-1151LT 型液位变送器采用标准的法兰式进行安装联接；经过精细加工和处理， 光洁度和清洁度

21、皆符合卫生标准，内部的灌充液是以不污染介质为标准，选取和注入的，因 此可以广泛地应用于食品，饮料，和医药等工业部门。 *技术参数 锅炉汽包水位设计 13 4.44.4 温度变送器的选择温度变送器的选择 SITRANS T 温度测量仪表 温度变送器，装在传感器头部 SITRANS TH100，二线制 (Pt100) SITRANS TH100 无电气隔离和通用的传感器连接，它是 Pt100 测 量的一种低成本方式。 对于参数调整，SITRANS TH100/TH200 与 SIPROM T 软件和调制 解调器结合使用。 非常紧凑的结构设计使 SITRANS TH100 变送器易于测量点改造或 模

22、拟变送器使用。 锅炉汽包水位设计 14 该变送器有非 EX 版，也可用于爆炸环境。 优点 二线制变送器。 安装在 B 型（DIN 43729 ）或更大的连接头上，也可安装在标 准 DIN 导轨上。 可编程， 即传感器连接、测量范围等也可编程。 “本安”型可用在爆炸区。 应用 与 Pt100 热电阻结合使用，SITRANS TH100 变送器是各工业行业 中理想的温度测量仪表。由于设计紧凑，它可以安装在 B 型 (DIN 43729) 或更大的连接头上。 输出信号是与温度成正比的 420 mA 的直流电流。 通过一台 PC，使用 SIPROM T 软件和 SITRANS TH100/TH200

23、调制 解调器，可以进行参数调整。如果您已经拥有“SITRANS TK 调 制，解调器”( 订货号 7NG3190-6KB), 您可以继续使用它对 SITRANS TH100 进行参数调整。 “本安”防爆型变送器可安装在潜在爆炸区。该设备符合 94/9/EC 欧洲标准(ATEX), 或美国 （FM）及 CSA 规范。 功能 工作原理 由 Pt100 热电阻 ( 二、三或四线制系统 /) 提供的测量信号在输入 级被放大。再将与输入变量成正比的电压经数模转换器中的多路 调制器转换为数字信号。这些信号在微处理器中根据传感器的特 性及其它参量（测量范围、 阻尼、环境温度等）加以转换。 这样得到的信号又在

24、数/模转换器中转换为与负载无关的 420mA 的直流电流。 EMC 滤波器保护输入和输出电路不受电磁干扰。 锅炉汽包水位设计 15 4.54.5 工程整定工程整定 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2S 和T2S（闭合主、副回路，两个调节器都置于纯比例、自动；置 1100；用衰减曲线法求取副调节器的2S 和T2S）。 求取主调节器的1S 和T1S（闭合主、副回路，两个调节器都置于纯比例、自动；置 22S ；用衰减曲线法求取主调节器的1S 和T1S）。 计算调节器参数（依据以上求得的1S 、T1S 和2 、T2S ；主、副调节器的选型

25、 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 锅炉汽包水位设计 16 第五章第五章 PLCPLC 选型选型 锅炉汽包水位是以开关量控制为主，带有部分模拟量控制的应用系统，包括工业生产中 的温度、压力、流量、液位等连续量的控制，故选用带有 A/D 转换的模拟量输入模块和带 有 D/A 转换的模拟量输出模块，配接相应的传感器、变送器和驱动装置。选择运算功能较 强的中小型 PLC（如西门子公司的 S7-300 系列 PLC） 。 表 5-1 PLC 选型表 PLC 订货单 序 号 模块订货号 数 量 1 导轨 6ES7390-1AE

26、80-0AA01 2PS 307 5A6ES7 307-1EA00-0AA01 3CPU 3146ES7 314-1AE01-0AB01 4AI8*12Bit6ES7 331-1KF02-0AB01 5AO2*12Bit6ES7 332-5HB01-0AB01 6DI8/DO8*24V/0.5A6ES7 323-1BH00-0AB01 7 STEP7 V5.4 编程软件 6ES7 810-4CC08-0YA51 8 内存卡 128KByte(MMC) 6ES7 953-8LG11-0AA01 锅炉汽包水位设计 17 第六章第六章 设计小结设计小结 通过这次课程设计让我学到很多东西，不仅仅对 PLC 有了一定的了解，还让我对具体 的项目有了相关的认识。 在老师们的耐心指导下，我从中学到了很多东西，从流程图到查点到做 I/O 点表，再是 仪表的选型，和最后是盘柜的设计。每一步都是在老师耐心指导下完成的，通过这次课程设 计，我有了很大的进步，通过本次课程设计，我的理论联系实际，与具体项目、课题相结合