过程控制仪表课程设计(锅炉汽包水位控制系统)

1、University of South China过程控制仪表课程设计题 目锅炉汽包水位控制系统学生姓名专业班级自动化073班学号指导老师高飞燕唐耀庚2010 年12月26日锅炉汽包水位控制系统锅炉是电厂和化工厂里常见的生产设备， 为了使锅炉能正常运行，必须维持 锅炉的水位在一定的范围内，这就需要控制锅炉汽包的水位。汽包水位很重要， 水位过高会影响汽水分离的效果， 使蒸汽带液，损坏汽轮机叶片；如果水位过低 会损坏锅炉，甚至引起爆炸。可见锅炉汽包水位控制在锅炉设备控制系统中的重 要性。本论文设计的是锅炉汽包水位控制系统，利用控制装置和被控对象组成了 一个自动控制系统。被调量是汽包水位，调节量是给

2、谁量。它主要考虑汽包内部 物料平衡，使给水量适应锅炉的挥发量，维持汽包中水位在工艺允许的范围内。一、汽包水位调节对象的干扰分析锅炉的汽水系统原理图如图1所示蒸汽母管图1锅炉汽水駅统原理图影响汽包水位变化的干扰因素有：给水量的干扰，蒸汽负荷变化，燃料 量变化，汽包压力变化等。汽包压力变化不是直接影响水位的，而是通过汽包压力升高时的“自凝 结”和压力降低时的“自蒸发”过程引起水位变化的。况且，压力变化的 原因往往是出于热负荷和蒸汽负荷的变化所引起的故这一干扰可以放到其 他干扰中考虑。燃烧流量的变化要经过燃烧系统变成热量，才能为水吸收，继而影响气 化量，这个干扰通道的传递滞后都比较大。蒸汽负荷变化时

3、按用户需要量 而改变的不可控因素。剩下的只有给水量可作为调节参数。.锅炉汽包水位的动态特性1 .汽包水位在给水量作用下的动态特图2给水流量扰动下水位阶段响应曲线图2所示是给水量作用下，水位的阶跃响应曲线。把汽包和给谁看做单容 量无自衡过程，水位阶跃响应如图中 Hi线。考虑到给水温度低于汽包内的饱和 水温度，当它进入汽包后吸收了原来的饱和水中的一部分热量，使锅炉的蒸汽产量下降，水面以下的汽包总体积 Vs也就相应减小，导致水位下降。Vs对对水位 的影响可以用图中的曲线 H2表示。水位H的实际响应曲线是Hi和H2的总和。 从图可知，响应过程有一段迟延时间t。给水的过冷度越大，纯迟延时间也越大。 给水

4、扰动下的传递函数可以近似表示为K0 -为响应速度，即给水流量作单位流量变化时，水位的变化速度，(mm/s)/(t/h)。t时滞，秒。2 .汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性蒸汽流量扰动主要来自汽轮机的负荷变化， 这是一个经常发生的扰动，属 于调节系统的外扰。在蒸汽流量 D扰动左右下，水位的阶跃响应曲线如图 3所 示。Dno'1r图：寸汽包水位在蒸汽流城扰动件用卜的阶脈响应曲线当蒸汽流量突然增加时，由于虚假水位现象，在开始阶段水位不仅不会下 降却反而先上升，然后下降（反之，当蒸汽流量突然减少时，则水位先下降，然 后上升）。蒸汽流量D突然增加时，实际水位的变化H是不考虑水面下汽包容积 变化

5、时的水位变化H1与只考虑水面下汽包容积变化所引起水位变化 H2的叠加, 即F= （ 1+K4）Ff用传递函数来表述为Hi($)(7 k:D(s) D(s) D(s) 57:5 + 1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，（mm/S/（t/h） K响应曲线H2的放大系数T2-响应曲线H2的时间常数“虚假水位” 变化大小与锅炉的工作压力和蒸发量有关，如一般100230T/h的中、高压锅炉，当负荷突然变化10%时，“虚假水位”可达3040mm。“虚假水位”变化属于反响特性，其变化与锅炉的压力和蒸发量的大小有关， 而 与给水量无关。三. 控制方案设计目前较为成熟的锅炉汽包水位控

6、制方案有单冲量控制系统、双冲量控制系 统及三冲量控制系统。（1）单冲量控制系统。即汽包水位的单回路水位控制系统；(2) 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；(3) 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。本次方案采用单冲量控制系统。单冲量控制系统：单冲量水位控制系统以汽包水位作为唯一的控制信号，冲量即变量。水位测量信号经变送器送到水位调节器，调节器根据汽包水位测量值H与给定值Ho的偏差，通过执行器去控制给水调节阀以改变给水量，保持汽包水位在允许的范围内。系统框图为图4所示。图4单冲量控制系统框图 控制方案如图5所示。蒸汽调节阀图5单冲量水位控制系统

7、这种控制系统结构简单，是典型的单回路定制控制系统。对于水在汽包内 的停留时间较长，且负荷又比较稳定，“虚假水位”现象不严重的情况下，采用 单冲量控制系统，进行PID调节一般就能满足生产要求。单冲量汽包水位调节的优点是：系统结构简单，在汽包容量比较大、水位 在受到扰动后的反应速度比较慢、“虚假水位”现象不很严重的场合，采用单冲 量水位调节时能够满足生产要求。单冲量汽包水位调节存在着一些缺点，主要有：(1) 单冲量控制方案只根据水位信号控制给水量，在锅炉负荷变化大，即 阶跃扰动很大时，由于锅炉的“假水位”现象，例如负荷蒸汽增加时，水位一开 始先上升，调节器只根据水位作为控制信号，就去关小阀门减少给

8、水量，这个动 作对锅炉流量平衡是错误的， 从而在过程一开始就扩大蒸汽流量和给水流量的波 动幅度，扩大了进出流量的不平衡。（2）从给水扰动下水位变化的动态特性可以看出，由于给水压力变化等原 因造成给水量变化时， 调节器要等到水位变化后才开始动作， 而在调节器动作后 又要经过一段滞后时间 才能对汽包水位发生影响，因此必将导致汽包水位波动 幅度大，过程时间长。四、控制系统各环节仪表的配置、选型及参数的确定 在汽包水位控制系统设计中， 所需使用的仪表有调节器、 执行器、变送器、 伺服放大器、电动操作器、显示仪表。其选型如下1 调节器的选型所选调节器的型号为 DTZ2100（1）DTZ2100 工作原理

9、DTZ2100 全刻度指示调节器是调节单元的一个基型品种， 对被控值与给定 值之差进行比例、微分、积分运算输出，420mA直流信号送至执行机构，实现 对温度、压力、液面、流量等到工艺参数的自动调节。全刻度指示调节器前面板 有一双针或双光柱，全刻度指示表，在同一刻度标尺上同时指示测量值及给定值。 由二指针的示差直接读出偏差量， 指示醒目， 容易观察调节结果， 手动和自动之 间的切换是无平衡无扰动的，操作方便。全刻度指示调节器，还具有前馈功能， 和抗积分、饱和功能，前馈调节器，可以克服滞后现象，提高调节质量。抗积分 饱和调节在工艺过程异常， 情况下能迅速关闭或打开安全阀， 不致使被调参数进 入非安

10、全值区域，常用于化工设备的放空系统，或后缩机的防喘系统。（2）技术参数 输入信号：1-5VQC辺内给定信号：15V.DC3 外给定信号： 4 20mA.DC4 调节作用： 比例+积分+微分比例带： 2500%积分时间： 0.01 2.5 分0.125分微分时间： 0.04 1 0分（可切除）©输入，给定指示表： 指示范围：0100%误差：土 1% 输出指示表：指示范围0100%,误差土 2.5%©7 输出信号： 420mA， DC©8 切换特性：属于无平衡无扰动切换 。0.25%自动软手动切换扰动量小于满度的± 0.25% 硬手动软手动或自动切换扰动量小

11、于满度的± 软手动硬手动切换扰动量小于满度的± 5%© 负载阻抗：250Q750 Q©10 最大工作电流：约 200mA©11 功耗： 6W©12 电源: 24V.DC©13 重量： 6 kg©14 工作条件：周围环境温度：0 40 °C相对湿度：< 85%工作振动：频率w 25HZ 全振幅w 0.1mm前馈信号：15V.DC 420mA.DC（适用于前馈调节器）©16 前馈系数： 0.81.2（适用于前馈调节器）©17 刻度误差：± 0.5%（适用于前馈调节器）

12、69;18限制范围：高限： 75105%（适用于抗饱和调节器）低限： -525%（适用于抗饱和调节器）刻度误差：± 0.5%3） 端子接线图输出15V.DClt420mA；2_前愦it号段屯曲幽A nn©24VIX<®图6 DTN 2100端子接线图2. 执行器的选型执行器在自动控制系统中的作用是接受来自控制器的控制信号，通过其本身 开度的变化，从而达到控制流量的目的。本系统所选用的执行器为ZAZN电动双座调节阀(1) 概述ZAZN电动双座调节阀，由DDZ型直行程电动执行机构和直通双座阀两部 分组成。以单项交流220V电源为动力，接受010或mA或420mA

13、直流信 号，自动地控制调节阀开度，达到对管道内流体的压力、流量、温度、液位等工 艺参数的连续调节。座阀有上、下两个阀芯球，流体作用在上、下阀芯上的推力， 其方向相反而大小接近，不平衡力很小，允许压差大，额定流量系数比同口径的 单座阀大，但该阀的泄漏较单座阀大。适用于对泄露量要求不严格，阀前后压差较大的干净介质场合。(2) 阀体 型 式：直通双座铸造球型阀 公称通径：25、32、40、50、65、80、100、125、150、200、250、公称压力:300mmPN1.6、4.0、6.4MPa法兰标准：JB/T79.1-94、79.2-94 等 材料：铸钢(ZG230-450 )、铸不锈钢(ZG

14、ICrl8Ni9Ti、ZGICrl8Nil2Mo2Ti ) 上 阀盖：标准型-17+230 C、散热型+230+450 C、低温型-60-196 °C、波纹管密封-40+350 C(3) 阀内组件阀芯型式：双座柱塞型阀芯流量特性：等百分比特性和线性特性(4) 执行机构 型号：电动执行器DKZ-410技术参数:表1DKZ-410技术参数项目名称DKZ标准型控制机构输入信号4-20mA 或 0-10V DC反馈信号0 10mAdc 4 20mAdc死区0 4% 3%基本误差± 2. 5%回差< 1. 5%限位开侧/闭侧开度检测精密导电塑料电位器动力动力220V/50HZ驱

15、动电机伺服电机附属机构加热器选择件手动机构手轮安装条件环境温度无加热器一25C+70C环境气体无腐蚀性气体接线口十四线插头相对湿度<95%防护等级 端子接线图收燙L；号iff*22-| Ik图7DKZ-410接线图3. 变送器的选型变送器在自动检测和控制系统中的作用，是对各种工艺参数，如温度、压 力、流量、液位、成分等物理量进行检测，以供显示、纪录或控制只用。控制系统中所选的变送器的型号为 CR-604,为锅炉专用液位计。（1）CR-604 概述CR-604锅炉专用分体式液位计，采用独特结构，将抗高温、耐高压、抗腐蚀性能集于一身，变送部分利用军工器件，使信号输出更加稳定、可靠，并可与 计

16、算机联网使用，专用于锅炉液位的线性测量及自控， 安装极其方便，维护量很 小，大大降低了使用、维护人员的工作量。（2）CR-604的工作原理电容式液位测控仪均采用电容原理， 即电容两极间介质量的变化可引起电容 量的变化。其原理模拟图如图8所示，把一根外包绝缘层的金属棒插入装有导电 介质的金属容器，金属棒和容器内壁之间形成电容，其填充介质的变化量AH与形成的电容变化量Cx关系如下式：ACz=d图8CR-604的工作原理模拟图当被测介质液位变化时，传感器电容量 Cx也随之发生变化，电容变化增量Cx通过变送器电路转换为与液位成正比例的标准电流信号。转换过程可用图7所示的方框图示意：图9转换过程方框图

17、(3)技术参数工作电压： 最大：40V 最小：6.5V电流环：两线制4.00mA20.00mA (± 0.5%)防爆等级：ExiallCT6 (-40 C 70C)ExiallCT15(-40 °C 85°C)防爆参数：Ui=30V,li=100mA ,Pi=0.75WCi=100pF,Li=10uH 测量范围：02200mm Max 分辨率：0.02mm 工作压力：40MPa Max 介质温度：300C Max.0.5秒温度漂移：土 0.5mmMax(-40 C 85C)线性偏差：土(1+0.05%FS) mm测量周期:环境温度：-40 C 85C (ExiaI

18、ICT1-T5 )防护等级：IP67®佶兮输出+24vgt电®公共接地空脚存储温度：-55 C100 C(4) 端子接线图 空卿 4- 20mA正 4 20mA 71线制接线.叹;L加縄 空脚图10端子板接线图4. 伺服放大器的选型所选用的伺服放大器型号为ZPE-2031JE(!)工作原理伺服放大器的输入信号来自于变送。调节等单元的标准信号。与执行机构反 馈来的位置信号。在放大器的前级进行比较(即代数相减)，比较后的信号差值 大于放大器的灵敏限时，电动执行器功率出带动阀门，完成各种自控调节，阀门 的开启方向也就是电动机的转动方向，取决于输入信号的量值，电动机总量朝着 减小和

19、反馈信号差值方向转动。(2 ) 技术参数 输入信号：4-20mA. DC 输入通道：1个 输入电阻：250欧姆 输出：输出电压降小于2V电流5A©死区：0.8-8% (连续可调) 电源：电压 220V. AC 允差 +10%，-15%频率 50Hz 允差 +1%，-1% 报警触头容量：110VAC 0.5A/28V. DC . 1A 使用环境：温度0-50 C相对湿度10%-70%周围空气中无起腐蚀作用的介质大气压力 86-106Kpa(3)端子接线图输入信号反惯信号事簷号斗4工0*0-0*'0*o+正合赛反合:一电机正行±_-电机反行0VN220图11 ZPE20

20、31J川伺服放大器接线端子图5. 电动操作器的选型控制系统所选的电动操作器的型号是 DFD-1000(1) 工作原理DFD-1000型电动操作器，采用“开关操作制”原理进行“手动”与“自动”的切换和操作。“自动跟踪”是在“手动”工况，将执行器位置反馈电压1-5V.DC， 加到调节器的积分电容两端，使调节器输出电流，始终跟踪位置反馈电流，并保 持相等。(2) 技术参数、电源电压：220V，50602Hz 、开关触头额定容量：主回路 500V 15A信号回路 110V 2A 跟踪电压1-5V DC 工作条件a环境温度 045Cb、相对湿度 三85%®仪表重量 约3Kg© 外形尺寸（长X宽X高）295 X 80X 160 （mm（3）端子接线图一 Oi0i_ /F?iio|1N -220V1 -L®-亠曲大（Sift岀（正）®-i世置反ts 億号（入）©_-馆号（出）®图12DFD-1000接线端子图6. 显示仪表的选型所设计的控制系统所选用的显示仪表为 DXZ-1011（1）DXZ-1011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