锅炉汽包水位控制系统毕业论文

1、吉林化工学院专业综合设计说明书锅炉汽包水位控制系统学生学号：学生姓名：专业班级：指导教师：施云贵 起止日期：吉林化工学院Jilin Institute of Chemical Technology专业综合设计任务书一、设计题目：锅炉汽包水位控制系统二、设计目的1、掌握锅炉运行基本原理和过程，应用所学知识设计出对锅炉的控制方案。2、掌握工业过程控制系统的常规设计过程，和仪表的选型。3、熟练运用AutoCAD 等绘图工具制图；4、对自己专业课的一个综合融会，应用的过程。三、设计任务及要求1、熟悉锅炉的基本原理；根据运行过程，确定各控制点以及控制方案；用AutoCAD 绘制工艺管道及控制流程图。2、

2、仪表选型及调节阀和节流装置的计算。3、绘制施工图，编制自控设备表相应表格。4、设计说明书的撰写。四、设计时间及进度安排 五、指导教师评语及学生成绩 目 录第1章 专业综合设计的目的 . 1第2章 工艺流程及控制方案的确定 . . 22.1 锅炉设备控制问题 . . 22.2 汽包水位调节系统 . . 22.3 汽包水位调节重要性 . 32.4 汽包水位的动态特性 . 32.5 汽包水位调节系统原理 . . 42.6 控制方案的确定 . 5第3章 控制方案的实施 . 6第4章 执行机构的计算与选择 . . 7第5章 仪表的选型 . 95.1 检测类仪表 . 95.2分电盘的选型 . 105.3信

3、号隔离器的选型 . 105.4 PLC选型 . . 105.5调节阀的选型 . 11第6章 施工图的绘制与说明 . 12 结 论 . . 13 参考文献 . . 14 附录 . 15第1章 专业综合设计的目的专业综合设计是学生理论联系实际的重要实践教学环节，是对学生进行的一次综合性专业设计训练。通过专业综合设计使学生获得以下几方面能力，为毕业设计（论文）奠定基础。1、进一步巩固和加深学生所学一门或几门相关专业课（或专业基础课）理论知识，培养学生设计、计算、绘图、计算机应用、文献查阅、报告撰写等基本技能；2、培养学生实践动手能力及独立分析和解决工程实际问题的能力；3、培养学生的团队协作精神、创新

4、意识、严肃认真的治学态度和严谨求实的工作作风。第2章 工艺流程及控制方案的确定锅炉是发电, 炼油, 化工等工业部门的重要能源, 热源动力设备. 锅炉种类很多, 按所用燃料分类, 有燃煤锅炉, 燃油锅炉, 燃气锅炉; 有利用残渣, 残油, 弛放气等为燃料的锅炉. 所用的这些锅炉, 虽然燃料的种类各不相同, 但蒸汽发生系统和蒸汽处理系统是基本相同的. 锅炉带控制点的工艺流程（见附录图 2）。燃料和空气按一定的比例进入燃烧室燃烧, 生成的热量传给了蒸汽发生系统, 产生饱和的蒸汽. 然后经过热器, 形成一定气温的过热蒸汽, 汇集至蒸汽母管. 有一定压力的过热蒸汽. 经过负荷设备调节阀供给负荷设备. 与

5、此同时, 燃烧过程中产生的烟气, 除将饱和的蒸汽变成过热的蒸汽外, 还经过省煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空气, 最后经过引风机送往烟囱排入大气. 锅炉的水来自除氧器，除氧器的作用是滤除来自软水罐中的氧份。防止锅炉里产生水垢。锅炉是一个较复杂的调节对象, 为保证提供合格的蒸汽以适宜负荷的需要, 生产过程各主要的工艺参数必须严格控制. 主要的调节量有:负荷, 锅炉给水, 燃料量, 减温水, 送风等. 主要的输出量是:汽包水位, 蒸汽压力, 过热蒸汽温度, 炉膛负压, 过剩的空气等. 这些输入量和输出量之间是互相制约的, 例如, 蒸汽负荷变化, 必然会引起汽包水位, 蒸汽压力和过热蒸汽温度的变化

6、; 燃料量的变化不仅影响蒸汽压力, 还会影响汽包水位, 过热蒸汽的温度, 空气量和炉膛的负压等.2.1 锅炉设备控制问题由于锅炉是一个多输入、多输出且相互关联的被控对象，如将其进行系统分解可知，主要包括：(1 锅炉汽包水位的控制；(2 锅炉燃烧系统的控制；(3 过热蒸汽系统的控制。为此其自控设计包含了多个控制系统，如汽包水位调节、除氧器液位调节、除氧器蒸汽压力调节、引风机变频调速、鼓风机变频调速等，其中维持汽包水位在给定范围内（即锅炉汽包水位控制）是保证锅炉安全运行的必要条件，是锅炉正常运行的重要指标。所以是本次设计只针对此问题。2.2 汽包水位调节系统维持汽包水位在给定范围内（即锅炉汽包水位

7、控制）是保证锅炉安全运行的必要条件，是锅炉正常运行的重要指标。 给水量减温水燃料量送风量引风量水 位蒸汽温度蒸汽压力过剩空气炉膛负压2.3 汽包水位调节重要性重要指标（被控变量）维持水位在一定范围内是保证锅炉安全运行的重要条件。 原因：（1）水位过高会影响汽包内汽水分离，饱和水蒸汽带水过多，在过热器管壁结垢，导致损坏。同时过热蒸汽温度急剧下降，若该过热蒸汽作为汽轮机动力，将会损坏汽轮机叶片。（2）水位过低水量较少当负荷较大时水的汽化速度快，如不及时控制，汽包内水会全部汽化，导致水冷壁烧坏，甚至爆炸。2.4 汽包水位的动态特性蒸汽负荷（蒸汽流量）对水位的影响，即干扰通道的动态特性。蒸汽负荷（蒸汽

8、流量）对水位的影响，即干扰通道的动态特性曲线如图2.1所示 图2.1干扰通道的动态特性图2.1中H ：实际水的变化；H1：不考虑水面下气泡容积变化时的水位变化； H2：只考虑水面下气泡容积变化所引起水位变化。 用传递函数表示如式2.1所示(2.1 式2.1中K1：蒸汽流量变化时，水位变化速度；K2：只考虑水面下气泡容积变化所引起水位变化H2的放大倍数； T2：只考虑水面下气泡容积变化所引起水位变化H2的时间常数。在燃料量不变的情况下，蒸汽用量突然增加，瞬时间必然导致汽包压力下降，汽包内水的沸腾突然加剧，水中气泡迅速增加，将整个水位抬高，形成虚假水位上升现象即假水位现象：给水流量对水位的影响，即

9、控制通道的动态特性。给水流量对水位的影响，即控制通道的DHH动态特性曲线如图2.2所示 图2.2控制通道的动态特性汽包给水看成单容量无自衡过程，水位相应曲线H1线。给水温度比汽包内饱和水温度低从原有饱和水中吸取部分热量，使得水位下汽包容积有所减小。当水位下汽包容积变化的过程逐渐平衡时，水位就由于汽包中储水量增加而直线上升。即当突然加大给水量，汽包水位一般不立即增加，而需要一段起始惯性段。 用传递函数表示如式2.2所示(2.2 它相当于一个积分环节和一个纯滞后环节的串联。式2.2中K0：给水流量变化时，水位上变化速度。给水温度越低，纯滞后时间越大。工艺设计可采用省煤器减小纯滞后时间。2.5 汽包

10、水位调节系统原理蒸汽负荷和给水流量是影响汽包水位的主要干扰。由于蒸汽负荷变化（干扰通道）将使汽包水位产生假水位现象，而当给水流量发生变化（控制通道）汽包水位变化将呈现出一段起始惯性段（纯滞后）。由于汽包水位的各项性能指标要求严格，为保证控制质量（包括稳态及动态特性），本系统汽包水位控制是基于GE90-30系列 PLC 实现三冲量调节系统，即前馈串级复合控制系统其构成原理如图2.3所示。该调节系统具有根据蒸汽流量来起校正作用，就可以纠正虚假水位引起的误动作，而且使控制阀的动作非常及时，从而减少水位的波动，改善控制品质。给水流量信号引入不仅克服了控制阀的工作特性不一定完全是线性的问题。同时对于给水

11、系统的扰动（如：给水泵压力变化、进水流量立即发生变化，将造成水位发生偏差）能直接克服。GH图2.3 汽包水位三冲量调节系统2.6 控制方案的确定汽包水位是锅炉运行的主要指标。如果水位过低，则由于汽包内的水量较少，而负荷却很大，水的汽化速度很快，如不及时控制，就会使汽包内的水全部汽化，导致锅炉烧坏和爆炸；水位过高会影响汽包的汽水分离，产生蒸汽带液现象，会使过热器管壁结垢导致破坏，同时过热汽温度下降，该蒸汽作为汽轮机动力的话，还会损坏汽轮机叶片，影响运行的安全与经济性。汽包水位过高或过低的后果极为严重，所以必须严格加以控制。汽包水位的控制方案有三种： （1）单冲量控制方案 汽包水位的控制手段是控制

12、给水，这种控制系统是典型的单回路控制系统。当蒸汽负荷突然大幅增加时，由于假水位现象，控制器不但不能开大给水阀的开度，减少给水量。等到假水位消失后，由于蒸汽量的增加，送水量反而减少，将使水位严重下降，波动很厉害，严重时甚至会使汽包水位降到危险程序以致发生事故。因此对于停留时间短，负荷变动较大的情况，这样的系统不能适应，水位不能保证。然而对于小型锅炉，由于汽包停留时间较长，在蒸汽负荷变化时，假水位的现象并不显著，配上一些联琐报警装置，也可以保证安全操作，帮采用这种单冲量系统尚能满足生产的要求。（2）双单量控制方案在汽包水位的控制中，最主要的扰动是负荷的变化。如果根据蒸汽流量来起较正作用，就可以纠正

13、虚假水位引起的误动作，而且使控制阀的动作十分及时，从而减少水位的波动，改善控制品质。将蒸汽流量信号引入，就构成双冲量控制系统。这是一个前馈加单回路反馈控制的复合控制系统。（3）三冲量控制方案双冲量控制系统还有两个缺点：控制阀的工作特性不一定成为线性，对蒸汽负荷变化要做到静态补偿比较困难；而对于给水系统的扰动仍不能克服。为此可再引入给水流量信号构成三冲量控制系统。该三冲量控制方案，能节省一台控制器。所以我们应该选择三冲量控制方案。 蒸汽汽包省煤器给水 水位给水C 1第3章 控制方案的实施锅炉汽包水位三冲量调节系统主被控变量为汽包水位（LICA-101）水位，其测量范围为0400mm ，采用SMA

14、R 公司生产的差压变送器检测（采用负迁移：测量范围为-4.91.3kPa ），工艺要求汽包正常水位保持在中心线下100毫米高度（即200mm 高度，其中H 050mm ）；给水流量（FIRQ-102）的量程范围为050 m3/h，工作流量37 m3/h，采用电磁流量计检测；蒸汽流量（FIRQ-103）的量程范围为050 t/h，工作流量35 t/h，采用节流式差压流量计实现检测，节流装置采用标准孔板，差压变送器采用SMAR 公司生产的智能差压变送器。其中饱和蒸汽密度受压力影响较大，需进行压力（PIC-102）补偿，压力变送器量程范围为01.6Mpa 。由于现场具有较强的工频及电磁干扰，为增强系

15、统的抗干扰能力，以上4个（AI ）变送器均采用具有馈电功能的隔离式配电器的供电，并隔离输出420mA 标准模拟信号，送入PLC 的16路模拟量输入模板IC693ALG223。通过结构化编程经8通道模拟量输出模板IC693ALE392输出（420mA ）信号，该信号送入后备自动跟踪式手动操作器（具有“自动”、“手动”两种工作方式），并经信号隔离器隔离输出420mA 的标准信号，构成三冲量调节系统控制精小型电动调节阀（FV-102）以操纵给水流量，实现锅炉汽包水位的自动调节。控制方框图如图3.1所示。 图3.1 控制方框图第4章 执行机构的计算与选择锅炉控制系统的计算及结果 压力调节阀: 计算流量

16、的确定 Qmax=50kg/h Qmin=37kg/h 计算压差的确定P1=0.3MPa P2=0.05MPa流通能力的计算Cmax=Qmaxmin P =5005. =224 (4.1根据Cmax=224,查直通双座阀产品, 得相应的流通能力C=280. 验算开度最大流量时的开度:Kmax=( 1.0303. 01max min (22-+Q P C S S*100% (4.2=81.5%最小流量时的开度:Kmin=( 1.0303. 01min min(22-+Q P C S S*100% (4.3=11.3%因Kmax<90% Kmin>10%,故满足要求。 可调比R1的计算

17、R1=10S =105. 0=7 Qmax Qmin=50/37=1.35 因R1Qmax Qmin, 故满足要求。根据C=280，即可查表求得双座调节阀口径D=150mm.其它的压力调节阀的计算如同上面的计算，这里我们就不一一例出了。 液位调节阀的计算计算流量的确定Qmax=76kg/h Qmin=20kg/h计算压差的确定P1=0.35MPa P2=0.05MPa流通能力的计算Cmax=Qmaxmin P =7605. =107 (4.4根据Cmax=107,查直通双座阀产品, 得相应的流通能力C=160. 验算开度最大流量时的开度:Kmax=( 1.0303. 01max min (22

18、-+Q P C S S*100% (4.5=78%最小流量时的开度:Kmin=(1.0303. 01min min(22-+P C S S*100% (4.6=10.5%因Kmax<90% Kmin>10%,故满足要求。可调比R1的计算R1=10S =6.8Qmax Qmin=76/37=2.1因R1Qmax Qmin, 故满足要求。根据C=160，即可查表求得双座调节阀口径D=100mm.其它的压力调节阀的计算如同上面的计算，这里我们就不一一例出了。第5章 仪表的选型本次课程设计所用的仪表可分为四大类。下面就具体的类型做具体介绍。5.1 检测类仪表检测类仪表是对所要控制的点的具体

19、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，温度等检测仪表。ST3000-S900系列 STD940压力变送器 标准型 测量范围： 34033430K Pa STD960压力变送器 标准型测量范围： 68613700K PaWZ 系列 热电阻 WZPK 铠装铂热电阻Pt100 标准型特点:铠装铂热电阻，具有体型细长，热响应快抗震动，使用寿命长等优点。 技术指标: 测温范围-200500C绝缘电阻: 常温绝缘电阻值不小于100K，试验电压10100V DCSBUT 外浮筒液位变送器 主要技术参数：输出: 420mA DC 二线制; 精度: -1.

20、0%+1.0%FS; 电源: 24V DC;测量液比重: 0.51.5; 温度范围: -25C 80C ;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: -25C +80C5.2分电盘的选型SSFP-V 型隔离式分电盘 主要技术参数：输入信号: 420mA DC； 输出信号: 15V DC； 基本误差: 0.2%；对二线制变送器供电电压: 1828V DC; 输出负载能力: 大于1M; 电源电压: 24V DC;安装方式: 轨道式，轨道宽度35mm;5.3信号隔离器的选型S

21、SXG-V 信号隔离器 主要技术参数：输入信号: 15V DC;输出信号: 420mA DC; 基本误差: 0.2%;最大短路电流: <30mADC（现场端）; 输出负载能力: 750; 电源电压: 24V DC;安装方式: 轨道式，轨道宽度35mm;5.4 PLC选型本系统选用的美国GE Fanuc 自动化公司的90-30系列PLC 可编程序控制器具有成本低、性能高、安全性好、易于组态、便于安装等特点，它的CPU 具有十分强大的功能，如内装PID ，结构化编程，中断控制，间接寻址及各种功能模块，能方便地完成各种复杂的操作。本系统选用的CPU360加强型CPU 模块，是GE Fanuc

22、自动化公司90-30系列的增强型产品，它可扩展至9个机架，即可支持89个I/O插槽，可接受4096个开关量、2048个模拟量输入和512个模拟量输出。其内存达240K 并可组态并有9999个内部16位R 寄存器，内部线圈达4096个，定时器/计数器超过2000个，配有Serial-SNP/SNPX、Modbus RTU 、CCM 、LAN-Genius 、Ethernet 等多种通讯协议，支持Genius 、Profibus DP 、WorldFip 、Interbus S 、Lonworks 、DeviceNet 、SDS 等多种现场总线技术。下位机是构成本锅炉控制系统监控程序运行的基础，是

23、整个系统的核心。规格： 基板插槽（10插槽）型号：IC693CHS391型号：IC693PWR321型号： IC693CPU 360型号：IC693ALG223 24伏电源供电 16个通道输入信号一个公共接地端 一个保护接地端 16路420mA;型号：IC693ALG392 24伏电源供电 8个通道输入信号一个公共接地端 一个保护接地端 8路420mA;5.5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;第6章 施工图的绘制与说明1综合设计文件目录（见附录1）2画出带控制点的工艺流程图（见附录2）3画出仪表盘回路图（见附录3）

24、4盘后配线，画出仪表盘背面接线图（见附录4）5供电系统图及仪表供电系统的绘制（见附录5）6进行调节阀节流装置的计算，列出调节阀与节流装置的计算数据与计算结果（见附录6）7自控系统设备表（见附录7）这次设计的目的是专业课综合实践。所以设计的原则是只考虑知识点的综合应用和各控制点控制方案的确定，不考虑实际工程的应用效果。结 论经过这三周短暂的课程设计, 而且在老师们的热心指导下, 我们从设计准备到逐步设计, 到施工图设计, 在同学们努力和帮助下终于完成了本次设计的基本任务和要求.这次设计使我们对以前所学的理论知识有了进一步地理解, 深化了我们所学过的知识, 并增强了我们独立分析和独立解决工程实践中的问题的能力以及用所学的知识进行工程设计的能力. 这次设计给我们提供了一次难得的锻炼的机会, 虽然这次课程设计只有短短的三周时间, 但我们从中得到了很多体会, 使我们终生难忘.在这三周的设计我学到了很多关于过程控制方面的知识。首先对工艺流程图的绘制，是我不仅熟练了对AU