锅炉给水系统

1、内蒙古科技大学课程设计论文锅炉给水控制系统目录1 概述22 锅炉给水控制系统32.1 锅炉控制系统介绍32.2 锅炉控制系统要求43 锅炉给水控制系统设计方案53.1 pid控制53.2 汽包水位控制方式83.2.1 单冲量控制方式83.2.2 双冲量控制方式93.2.3 三冲量控制方式103.2.4 系统控制器参数的分析与整定114 仪表的选用134.1 检测类仪表144.1.1 压力仪表的选型144.1.2 液位仪表的选型144.1.3 流量仪表的选型144.2 调节阀的选型155.课程设计体会15参考文献161 概述工业锅炉是生产和生活中重要的动力源，在整个能源消耗中占有相当大的比重。目

2、前，我国有百分之九十以上的锅炉燃煤，耗煤量占全国原煤消耗量的1/3以上1，而且锅炉燃用的主要是中低质煤，工业污染十分严重；同时，锅炉形式比较陈旧，生产效率和自动化程度低，这又进一步加重了环境污染的程度，因此，调整能源消费结构，逐步提高使用液体燃料和气体燃料的比例是加强环境保护、实施可持续发展战略的措施之一；同时有必要对工业锅炉进行技术改造，提高运行的自动化水平，这样将获得较为理想的控制效果，其节能效果也是十分可观的。给水控制的任务是维持汽包水位在工艺允许范围内。由于影响汽包水位的几个因素中，燃料量的扰动影响较小，因此，汽包水位的控制中，主要的目的是以汽包水位为被控变量，以调节给水流量为控制手段

3、。同时，由于汽包水位不仅受锅炉侧的影响，也受到汽轮机侧的影响，当锅炉负荷变化或汽轮机用汽量变化时，给水控制都应该能限制汽包水位只在给定的范围内变化。目前，对汽包水位的控制大部分采用常规pid控制方式。此方式是根据被控对象的数学模型建立，使锅炉的给水量适应锅炉的蒸发量，以维持汽包水位在规定的范围内，同时保持稳定的给水流量。 汽包水位是一个重要的监控参数，反映了锅炉蒸汽负荷与给水量之间的平衡关系。另外还有汽包水位控制方式（单冲量、双冲量及三冲量控制23），其中的冲量指的是变量。2 锅炉给水控制系统2.1锅炉控制系统介绍锅炉是一种承受一定工作压力的能量转换设备。其作用就是有效地把燃烧中的化学能转换为

4、热能，或再通过相应设备将热能转化为其它生产和生活所需的能量形式，长期以来在生产和居民生活中都起很重要的作用。根据锅炉的作用不同，可分为电站锅炉，工业锅炉，生活锅炉等。其中电站锅炉主要用于发电，工业锅炉主要用于工农业生产，而生活锅炉主要用于供暖取暖。随着工业生产规模不断扩大，生产过程不断强化，生活设备不断革新，锅炉向大容量、高参数、高效率方向发展。为确保生产生活安全，对锅炉设备的自动控制就显得十分明显45。锅炉系统主要包括燃烧系统、送引风系统、汽水系统及辅助系统等。其工艺流程如下： 图2.1锅炉主要工艺流程图 由图2.1可知，给水泵、给水调节器、省煤器、汽包及循环管等构成了蒸汽发生系统。燃烧和空

5、气按一定比例进入燃烧室燃烧，生成的热量传给蒸汽发生系统，生产饱和蒸汽ds，然后经过过热器，形成具有一定温度的过热蒸汽d，汇聚至蒸汽母管。压力为pm的过热蒸汽，经负荷设备调节控制机构，提供给生产负荷设备使用。与此同时，燃烧过程中产生的烟气，将饱和蒸汽变成过热蒸汽后，再经省煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空气，最后由引风机送往烟囱排出。2.2锅炉控制系统要求锅炉是工农业生产的主要设备之一，其生产任务是根据外界负荷的变化，输送一定质量（汽压、气温）和相应数量的蒸汽给汽轮机，以满足生产的要求。为了满足负荷设备的要求，保证锅炉本身运行的安全性和经济性，提高锅炉的自动化水平，减轻操作工人的劳动强度。其主要

6、控制要求如下：1、 保持汽包水位在规定的范围内：锅炉汽包水位的高度，关系到汽水分离的速度和生产蒸汽的质量，也是确保安全生产的重要条件。如果锅炉汽包水位过高，就会影响汽包水位分离装置的正常工作，造成出口蒸汽水分过多，结果可能会使过热器受热面结垢而导致过热器烧坏，并会引起汽轮机叶片上结垢增加，严重时将损坏汽轮机叶片，同时，还会使过热器气温产生急剧变化，直接影响机组运行的经济性和安全性。如果汽包水位过低，就会影响自然循环的正常进行，严重时会使个别上水管形成自由水面，产生停滞，致使水冷壁因供水不足而烧坏，因此，必须对汽包水位进行控制，将其严格控制在规定的范围内。现在要求将其控制在05cm.2、 稳定蒸

7、汽温度：由于过热器的作用是将从汽包出来的饱和蒸汽加热成为过热蒸汽，使过热器长期承受高温高压。因此，在安全生产和技术经济指标上，必须对其进行控制，使蒸汽温度保持保持在额定值范围内。现场要求将其控制在44550。3、 控制蒸汽压力稳定：蒸汽压力是安全生产的需要，是维持负荷设备正常工作的需要，也是保证燃烧经济性的需要。现场要求将其控制在3.90.1mpa。4、 控制炉膛负压在规定的范围内：炉膛负压的变化，反映了引风量与送风量的不相适应。维持炉膛负压在一定的范围内，对于锅炉的安全运行时有利的。现在要求将其控制在0.10.05pa。5、 保持烟气含氧量在一定范围内：要使锅炉燃烧过程出现最佳工况，提高锅炉

8、的效率和经济性，必须使空气和燃料维持适当的比例，将过剩空气降低到接近于理想水平而又不出现一氧化碳和冒黑烟，这就需要快速而准确地对燃烧过程进行自动化控制，使空气和煤出现最佳的配比，否则势必增加热量损失，降低经济技术指标，并造成对周围环境的污染。现场要求将其控制在：2.60.2（%）。3 锅炉给水控制系统设计方案3.1 pid控制3.1.1 pid控制原理在控制系统中，控制器最常用的控制规律是pid控制67.常规pid控制系统原理框图如图3.1，系统由pid控制器和被控对象组成。 图3.1 pid控制系统原理图pid控制器是一种线性控制器，他根据给定值r(t)与实际输出值y(t)构成控制偏差e(t

9、)=r(t)-y(t).将偏差的比例(p)、积分(i)和微分(d)通过线性组合构成控制量，对被控制对象进行控制，故称pid控制器。其数学模型如下：式中：u(t)调节器的输出信号； e(t)调节器的偏差信号，等于测量值与给定值之差； kp调节器的比例系数； ti 调节器的积分时间； td 调节器的微分时间； 上述公式在实际应用中是无法实现的，必须进行离散化，将其进行离散化的位置型控制算式：式中：u(k)-k采样周期时的输出 e(k)-k采样周期时的偏差 ts-采样周期令,即有其中分别为比例、积分和微分系数。3.1.2 pid对控制的影响3.1.2.1 比例p调节器比例p调节器是一种简单的调节器，

10、其控制规律为： u = kpe + u0 kp：比例系数， u0：控制常量，即误差为零时的控制变量；如图所示，比例调节器对误差e是即时响应的，误差一旦产生，调节器立即产生控制，使被控制的过程变量 图3.2 p调节器的阶跃响应y向误差减小的方向变化。 3.1.2.2比例积分（pi）调节器其控制规律是：ti：积分常数，ti越大，积分作用越弱。 图3.3 pi调节器的阶跃响应 积分器的输出值大 小取决于对误差的累积结果，虽然误差不变，但积分器的输出还在增加，直至使误差e=0。积分器的加入相当于能自动调节控制常量u0，消除静差，使系统趋于稳定。3.1.2.3比例积分微分（pid）调节器其控制规律是：

11、td：微分常数，td越大，微分作用越强。 积分器虽然能够消除静差，但使系统的响应速度变慢，进一步改进是通过检测误差的变化率来预报误差，并对误差的变化作出响应。 图3.4 理想pid调节器的阶跃响应3.1.3 pid参数整定方法有：临界比例度法，衰减曲线法，反应曲线法小结：pid控制是迄今为止最通用的控制方法。大多数反馈控制用该方法或其较小的变形来控制。pid调节器及其改形型是再工业过程控制中最常见的控制器。我们今天所熟知的pid控制器产生并发展于19151940年期间，尽管自1940年以来，许多先进控制方法不断推出，但是pid控制器以其结构简单，及易于操作等特点，仍被广泛应用于冶金、化工、电力

12、、轻工和机械等工业过程控制中。3.2 汽包水位控制方式给水控制的任务是维持汽包水位在工艺允许范围内。由于影响汽包水位的几个原因中，燃料量的扰动影响较小，因此，汽包水位的控制中，主要的目的是以汽包水位为被控变量，以调节给水流量为控制手段。同时，由于汽包水位不仅受锅炉侧的影响，也受到汽轮机侧的影响，当锅炉负荷发生变化或是汽轮机用汽量变化时，给水控制都应该能限制汽包水位只在给定的范围内变化。常用的汽包水位控制方式有单冲量、双冲量及三冲量控制。3.2.1 单冲量控制方式此方式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，是典型的单回路定植控制系统，此方式将水位测量信号经变送器

13、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范围内。图3.5 汽包水位单冲量控制原理图这种方式用在停留时间较长，负荷较稳定的场合，再配上一些连锁报警装置，可以保证安全操作。但停留时间较短，负荷变化较大时，不宜采用这种方式。原因如下：（1）当负荷变化产生虚假水位时，将使控制器反向错误动作；（2）对蒸汽流量扰动不灵敏；（3）对给水自发性干扰不能有效及时克服。 3.2.2 双冲量控制方式 这种方式克服了单冲量的不足。原理图如下：该方式从本质上看是一个前馈(蒸汽流量)加单回路反馈控制系统的复合控制系统。图3.6 汽包水位双冲量控制原理图其特点有：

14、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。但是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。3.2.3 三冲量控制方式一般情况下锅炉容量越大, 气包的相对水位容量就越小, 允许的水位波动就越小, 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能够及时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3.7所示。图

15、3.7 三冲量控制方式原理图该系统中,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个辅助冲量的引人, 既克服了“ 虚假液位”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。 综上所述，应采用三冲量控制方式。三冲量控制方式的工作原理：三冲量汽包给水控制系统，采用蒸汽流量对信号进行前馈控制，当蒸汽负荷突然发生变化，蒸汽信号使给水调节阀一开始就向正确方向移动，即蒸汽流量增加，给水调节阀开大，抵消了由于“虚假水位”引起的反向作用，因而减小了水位和给水流量的波动幅度。当由

16、于水压干扰使给水流量改变时，调节器能迅速消除干扰。如给水流量减少，调节器立即根据给水流量减少的信号，开大给水阀门，使给水量保持不变。另外，给水流量信号也是调节器动作后的反馈信号，能使调节器及知道控制的效果，所以三冲量给水控制系统，调节器动作快，还可以避免调节过大，减少波动和失控。这样，汽包水位就很少受到影响。3.2.4 系统控制器参数的分析与整定 三冲量汽包水位单级控制系统8910采用电动单元组合仪表构成图3.8 三冲量水位单级控制系统仪表构成dbc差压变送器；djk开放器；、分流器；pi调节器；cf伺服放大器；sd执行器；图3.9 三冲量水位单级控制系统组成方框图从系统组成方块图可以看出，三

17、冲量水位控制系统有两个闭合回路：（1）是由给水流量、给水分流器、调节器、调节阀组成的内回路；（2）由汽包水位对象和内回路构成的主回路。蒸汽流量及其蒸气分流器均在闭合回路之外，它的引入可以改善控制质量，但不影响闭合回路工作的稳定性。所以三冲量控制实质是前馈加反馈的控制系统。 在三冲量水位控制系统里，内回路相当于串级控制的内环，当给水量发生扰动时，由于副环回路的快速调节作用，对汽包水位影响较小。在分析内回路时可以认为主回路是开路的，内回路是个随动系统，其方块图如图3.9所示。如果把调节器以外的环节都看作是控制对象，那么控制对象的，那么控制对象的动态特性近似为比例环节，因此可以近似认为： =。所以内

18、回路的传递函数应为： =。 图3.10三冲量水位控制内回路方块图 图3.11水位控制系统内部回路等效方块图 在内回路分析的基础上，可以画出主回路的简化方块图3.10，从图3.10中可以看出，主回路也是一个单回路系统。被控对象已给水量作为输入，以作为对象的输出。等效调节器是比例调节器，等效比例带。图3.12 三冲量水位控制系统主回路简化方块图关于蒸汽流量分流系数的选择问题；蒸汽流量信号不在控制系统闭合回路之内，因此它的大小不影响控制系统的稳定性。蒸汽流量信号的大小原则上可以这样确定，当蒸汽流量发生扰动时，就利用这个扰动信号作为控制信号，通过调整使水位变化很小或基本不变。这要求：；式中 给水流量扰

19、动下汽包水位的传递函数； 蒸汽流量扰动下汽包水位的传递函数； 、蒸汽流量和给水流量的分流系数。 一般情况， 只要是一个比例环节，在负荷变化时就能把锅炉水位控制在允许范围内。如果要求在整个负荷范围内，水位稳定不变，可取=。4 仪表的选用4.1 检测类仪表检测类仪表是对所要控制的点的具体位置的进行检测，以便为其他类仪表提供数据支持以便于做具体控制。本次设计用到了压力，液位，流量等检测仪表。4.1.1压力仪表的选型st3000-s900系列 std940压力变送器 标准型 测量范围： 34033430k pastd960压力变送器 标准型 测量范围： 68613700k pa4.1.2液位仪表的选型sbut外浮筒液位变送器主要技术参数：输出: 420ma dc 二线制;精度: -1.0%+1.0%fs;电源: 24v dc;测量液比重: 0.51.5;温度范围: -2580;4.1.3流量仪表的选型sblb 靶式流量变送器主要技术参数：输出: 4-20ma dc 二线制;精度: -0.50.5%（挂重） -11.0%（水标定）;电源: 24v dc;温度范围: -25+80电源电压: 24v dc;安装方式: 轨道式，轨道宽度35mm;4.2调节阀的选型流量调节阀：电子式电动单座小型调节阀 型号：zdljp-16b;压力调节阀：双座调节阀 型号：zkzn-64