锅炉汽包水位单冲量控制系统设计

1、书目1 概述23 液位限制系统方案33.1 系统方框图33.2 系统方案图44 限制系统的设计44.1 系统限制过程分析54.1.1 系统平衡阶段分析54.1.2 系统抗扰动阶段分析54.2 单回路反馈限制系统64.3 检测变送器的选择74.3.1 选取原则74.3.2 压差变送器74.4 调整阀的选择84.5 仪表性能指标的计算94.5.1 精度94.5.2 灵敏度和灵敏性94.5.3 回差94.6 调整器的选择94.7 调整器作用方向的选择104.8 系统的投运和整定104.8.1 系统的投运104.8.2 简洁限制系统的参数整定115 系统工作原理简述115.1 当汽包液位下降时115.

2、2 当汽包液位上升时126 心得体会12参考文献13锅炉汽包水位单冲量限制系统设计1 概述在过程自动化技术出现之前，工厂操作员必需人工监测设备性能指标和产品质量，以确定生产设备处于最佳运行状态，而且必需在停机时才能实施各种维护，这降低了工厂运营效率，且无法保障操作平安。过程自动化技术可以简化这一过程。通过在工厂各个区域安装数千个传感器，过程自动化系统可以收集温度、压力和流速等数据，然后利用计算机对这些信息进行储存和分析，再用简洁明白的形式把处理后的数据显示到限制室的大屏幕上。操作人员只要视察大屏幕就可以监控整个工厂的每项设备。过程自动化系统除了能够采集和处理信息，还能自动调整各种设备，优化生产

3、。在必要时，工厂操作员可以中止过程自动化系统，进行手动操作。工厂全部者希望他们的设备能以最低的成本生产最多的产品，而在石油、自然气和石化等多个行业，能源成本占总生产成本的3050%。因此，通过过程自动化技术增效节能是降低生产成本的有效途径。对于过程自动化技术而言，计算机程序不仅能够监测和显示工厂的运行状况，还能模拟不同的运行模式，找到最佳策略以提高能效。这些程序的独特优势是能够“学习”和预料趋势，提高了对外界条件改变的响应速度。过程自动化系统中的软件和限制装置能够对设备进行调整，使其在最佳速度下运行，从而大大降低能耗。它们还能够确保质量的一样性，降低次品率，削减奢侈。过程自动化系统还能预料何时

4、须要对生产设备进行维护，从而削减了对设备进行常规检查的次数。常规检查次数的降低可以削减停止和重新启动机器所花费的时间和能源。过程限制系统分为多种，有简洁限制系统和困难限制系统，而困难过程限制系统又可分为：串级限制系统、前馈限制系统、比值限制系统和均值限制系统等几种。在本次限制系统的选择中，因为设计题目要求是：锅炉汽包水位单冲量限制系统的设计，所以本着简洁、好用的原则我把它设计成一个简洁的单回路系统来满足题目要求。2 锅炉生产蒸汽工艺简述 锅炉汽包水位系统流程如图1所示。图1 锅炉汽包水位系统流程水位限制系统的任务是使给水量和锅炉蒸发量相适应，维持汽包水位在工艺规定的范围内。汽包水位反映了锅炉蒸

5、汽流量和给水量之间的平衡关系，是锅炉运行中一个特别重要的监控参数。汽包水位过高，会影响汽水分别的效果，使蒸汽带液，过热器结垢，影响过热器的效率；假如带液蒸汽进入汽轮机，会损坏汽轮机叶片。假如水位过低，会破坏水循环而损坏锅炉，尤其是大型锅炉，一旦停止给水，汽包存水会在很短时间内完全汽化而造成重大事故，甚至引起爆炸。因此汽包水位须要严格限制。3 液位限制系统方案3.1 系统方框图首先要选取汽包水位限制系统的被控参数和限制变量，本系统依据设计要求可干脆选择汽包水位作为被控参数。影响水位改变的因素有给水量改变、蒸汽流量改变、燃料量改变和汽包压力改变等等。而汽包压力和蒸汽流量都不能作为限制变量，因为汽包

6、压力改变并不干脆影响水位，汽包压力改变是由蒸汽流量引起的，蒸汽流量按用户的须要会各不相同，这是一个不行控因素；燃料量的改变也不能作为限制变量，因为这种改变要经过燃烧系统变成热量后，才可被水汲取，这一扰动通道的传递滞后和容量滞后都很大，所以燃料量的改变不能作为限制变量。因此只能选择给水量作为汽包水位的限制变量。将系统的被控参数和限制变量选定之后可得到系统方框图如图2所示。图2 系统方框图3.2 系统方案图由系统方框图可以设计出系统方案图如图3所示。图3 系统方案图从系统方案图中可以看到，将给水量作为限制变量，汽包液位作为被控参数之后，检测变送器选择压差变送器，执行器选择PI限制器，执行器为调整阀

7、。4 限制系统的设计过程限制系统设计和应用的两个重要内容：限制方案的设计、选择检测变送器、选择执行机构调整阀、选择调整器和调整器整定参数值的确定等几个部分。设计和应用好一个过程限制系统，首先应全面了解被限制过程，其次依据工艺要求对系统进行探讨，确定最佳的限制方案，最终，对过程限制系统进行设计，整定和投运。对于过程限制系统而言，限制方案的选择和调整器参数整定是其两个重要的内容，假如限制方案设计不合理，仅凭调整器参数的整定无法获得良好的限制质量；相反限制方案很好，但是调整器参数整定的不合适，也不能使系统运行在最佳状态。过程限制系统从结构形式可分为单回路系统和多回路系统。单回路限制系统包含一个检测变

8、送器，一个调整器，一个执行器和对象，对对象的某一个被限制参数进行闭环负反馈限制。在系统分析设计和整定中，单回路系统设计方法是最基本的方法，适用于其他各类困难限制系统的分析，设计，整定和投运。采纳单回路限制方式来实现锅炉汽包水位单冲量限制系统的原理方框图如图2所示。在图2中，调整器采纳PI调整器，汽包水位是被控对象，检测变送器选用压差变送器，调整阀的具体选择将在下文具体给出。4.1 系统限制过程分析限制系统的限制阶段主要分为：平衡阶段和抗扰动调整阶段。下面将分别对这两个阶段进行分析。 系统平衡阶段分析在锅炉中将会有水蒸气和水，在水中会有气泡，依据设计要求，当汽包水位维持在的液位的时候，系统都是合

9、理的，不会出现任何危急。 系统抗扰动阶段分析在本次设计中，由于是单冲量的，所以只考虑给水量的扰动。当给水量扰动时，汽包水位的动态特性图如图4所示。由图4可知，当给水量增加时，水位阶跃响应曲线如图中所示。假如把汽包水位对给水的响应看做是无自衡单容过程，汽包水位的阶跃响应曲线应当如图中所示。由于给水温度比汽包内饱和水的温度低，进入汽包的给水会从饱和水汲取一部分热量，所以当给水量上升时，汽包水面以下水中的气泡总体积减小，导致水位下降。水中气泡总体积下降，导致水位改变的阶跃响应曲线如图中所示。当给水量上升时，实际汽包水位的曲线应当如所示，即突然加大给水量后，汽包水位一起先并不马上增加，而要呈现出一段起

10、始惯性段。实际水位改变是和的叠加，即。用传递函数来表示即是：用一阶模型近似时，可表示为：为给水流量作用下，阶跃响应的斜率；为纯滞后时间，给水温度越低，越大，一般约在15100s之间。假如采纳省煤器，则由于省煤器本身的延迟，会增到100200s。图4 汽包水位动态特性4.2 单回路反馈限制系统单回路限制系统又称简洁限制系统，是指由一个被控对象、一个检测元件及变送器、一个调整器和一个执行器所构成的闭合系统。当一个单回路系统设计安装就绪之后，限制质量的好坏和限制器参数选择有着很大的关系。合适的限制参数，可以带来满足的限制效果。反之，限制器参数选择得不合适，则会使限制质量变坏，达不到预期效果。因此，当

11、一个单回路系统组成好以后，如何整定好限制器参数是一个很重要的实际问题。简洁限制系统是实现生产过程自动化的基本单元、其结构简洁、投资少、易于调整和投运，能满足一般工业生产过程的限制要求、因此在工业生产小应用特别广泛，尤其适用于被控过程的纯滞后和惯性小、负荷和扰动改变比较平缓，或者限制质量要求不太高的场合。本设计的要求是锅炉汽包水位单冲量限制系统的设计，由于是单冲量，所以不必选择串级限制回路，简洁限制系统就可以。4.3 检测变送器的选择一个简洁的限制系统是由被控对象、检测部件（测量仪表和传感器）、限制器和执行机构组成的。在自动限制系统中，检测部件的作用相当于人的感觉器官，它干脆感受被测参数的改变，

12、提取被测信息，转换成标准信号供显示和作为限制的依据。 选取原则检测部件一般宜采纳定型产品，设计过程限制系统时，依据限制方案选择测量仪表和传感器。选择应当遵循以下原则:（1）牢靠性原则牢靠性是指产品在肯定的条件下，能长期而稳定地完成规定的功能的实力是牢靠性是测量仪表和传感器的最重要的选型原则。（2）好用性原则好用性是指完成具体功能要求的实力和水平。依据工艺要求考虑好用性，既要保证功能的实现，又应考虑经济性，并非功能越强越好。（3）先进性原则随着自动化技术的飞速发展，测量仪表和传感器的技术更新周期越来越短，而价格却越来越低。在可能的条件下，应当尽量采纳先进的设备。 压差变送器被控参数的测量和变送必

13、需快速正确地反映其实际改变状况，为系统设计供应精确的限制依据。前面已经说到本设计的被控对象是汽包液位，所以采纳压差变送器。压差变送器，又叫差压变送器，传感器中的一种。其工作原理是被测介质压力改变采集到信息传输信号主机分析发出执行吩咐执行器动作。其被广泛的应用到自动化限制领域，其涵盖全部气体及液体介质须要测量和监控压力改变的场所。压差变送器的原理图如图5所示。图5 压差变送器原理图由图5可知，是容器上半部分中气体的压强，于是压差可以表示为。其中是液体密度，g是重力加速度。当被测介质的密度已知时，压差变送器测得的压差和液位的高度成正比。测量和变送环节的描述见式（41）。（41）即：参数选择原则：减

14、小Tm和m均对提高系统的限制质量有利。若Tm较大，则会使记录曲线和实际参数之间产生较大的动态误差。从减小测量变送环节误差角度考虑，应削减仪表的量程，即增大Km。4.4 调整阀的选择调整阀类型的选择：气动执行器。调整阀口径（Dg、dg）大小的选择：在正常工况下要求调整阀开度在15%到85%之间。口径不行以太小，因为当系统收到较大扰动时，会使系统处于失控工况；同样口径不能太大，因为假如口径太大，调整阀将长时间处于小开度中，阀门的不平衡力较大，阀门调整灵敏度低，工作特性差。调整阀流量特性的选择：系统总的放大倍数尽可能保持不变，通常被控过程的特性是非线性的(一阶以上特性)，而变送器、调整器(若比例作用

15、时)和执行机构的放大系数是常数。因此往往通过选择调整阀的流量特性来补偿被控过程特性的非线性，从而达到系统总放大倍数不变的目的。4.5 仪表性能指标的计算 精度检测仪表的精度反映测量值接近真实值的精确程度，一般用一系列误差来衡量。（1）肯定误差肯定误差指仪表指示值和被测参数真值之间的差值，如式（42）。 （42）（2）引用误差把肯定误差折合成标尺范围的百分数表示，如式（43）。 （43）（3）精度等级按仪表工业规定，去掉最大引用误差的“”号和“%”号，称为仪表的精度等级，目前已系列化。只能从下列数系中选取最接近的合适数值作为精度等级，即0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.

16、5，1.0，1.5，2.5，4.0等。依据此次设计的汽包水位要求为，所以选用0.4精度的等级。 灵敏度和灵敏性灵敏度表示仪表对被测参数改变反应的实力，是指仪表达到稳态后输出增量和输入增量之比，如式（44）。 （44）灵敏限是指引起仪表指针发生可见改变的被测参数的最小改变量。一般，仪表的灵敏限数值不大于仪表允许误差肯定值的一半。 回差在外界条件不变的状况下，当被测参数从小到大（正行程）和从大到小（反行程）时，同一输入的两个相应输出值经常不相等。两者肯定值之差的最大值和仪表量程之比的百分数称为回差，也称变差。其公式见式（4-5）。 （45）回差产生缘由：由于传动机构的间隙、运动件的摩擦、弹性元件的

17、弹性滞后等。回差越小，仪表的重复性和稳定性越好。应当留意，仪表的回差不能超过仪表引用误差，否则应当检修。4.6 调整器的选择依据被控过程特性和生产工艺要求，了解调整器限制规律对限制质量的影响，合理选择调整器的限制规律，是过程限制方案设计的重要内容之一。选择调整器的限制规律就是为了使调整器的特性和限制过程的特性能很好协作，使所设计的系统能满足生产工艺对限制质量指标的要求。本设计采纳PI调整器。PI限制规律可简洁理解为引入积分作用能消退余差。适用于限制通道滞后小，负荷改变不太大，工艺上不允许有余差的场合，如流量或压力的限制。PI调整器的传递函数见式（46）。（46）4.7 调整器作用方向的选择从限

18、制原理可知，对于一个反馈限制系统来说，只有在负反馈的状况下，系统才是稳定的，当系统收到干扰时，其过渡过程将会是衰减的；反之，假如系统是正反馈，那么系统将是不稳定的，一旦遇到干扰作用，过渡过程将会发散。系统不稳定当然是不希望发生的，因此，对于反馈限制系统来说，要使系统能够稳定，必需构成负反馈。本设计的限制变量是给水量，当给水量增加时，汽包液位当然是会上升，给水量的增加是通过调整阀的阀门开度增加，而本设计中采纳的调整阀类型是气关式，所以调整阀的作用方向是负作用，所谓气关式则是当压力上升时，开度减小，这是出于对平安的考虑，而检测变送器是压差式的，它的正反作用同汽包水位相同，要使系统构成负反馈系统，则

19、调整器应当选用正作用。综上所述可以得到本系统的最终的系统框图如图6所示。图6 确定了正反作用的系统方框图4.8 系统的投运和整定一旦限制系统按设计的要求连好，线路经过检查正确无误，全部仪表经过检查符号精度要求，并已运行正常，即可着手进行限制系统的投运和限制器参数的整定工作。 系统的投运所谓限制系统的投运，就是将系统由手动工作状态切换至自动工作状态。这一过程是通过限制器上的手动自动切换开关从手动位置切换到自动位置来完成的，但这种切换必需保证无扰动地进行。本设计采纳设计比较先进的电动型限制器，因为它拥有比较完善的自动跟踪和保持电路，可以做到在手动时自动输出跟踪手动输出，在自动时手动输出跟踪自动输出

20、，这样随时都可以进行手动和自动的切换而不引起扰动。 简洁限制系统的参数整定所谓限制系统的整定，就是对于一个已经设计并安装就绪的限制系统，通过限制器参数（、）的调整，使系统的过渡过程达到最为满足的质量指标要求。对于单回路限制系统，限制器参数整定的要求就是通过选择合适的限制器参数（、），使过渡过程呈现4:1的衰减过程。调整器参数整定有两大类：理论计算和工程整定法。理论计算法须要较多的限制理论学问，由于实际状况，理论计算不行能考虑周到，因此用工程整定法。工程整定法有三种：阅历法、临界比例度法和衰减曲线法。在本设计中我将采纳临界比例度法。临界比例度法是先将调整器设置为纯比例作用（即把积分时间放在“”的

21、位置，微分时间放在“0”的位置，就消退了积分和微分作用），且比例度放在较大位置，将系统投入闭环限制，然后逐步减小比例度（即增大放大系数）并施加干扰作用，直至限制系统出现等幅振荡的过渡过程。这时的比例度就叫做临界比例度，振荡周期叫临界振荡周期。依据和从表41中查找调整器应采纳的参数值。表41 临界比例度法计算表应采纳的限制规律（%）（min）（min）P2PI2.20.85PID1.70.50.1255 系统工作原理简述5.1 当汽包液位下降时当限制对象汽包液位下降时，检测变送器的类型是压差式的，这时检测到的压力减小，使变送出来的标准信号减小，此时检测量和给定量出现偏差且是给定量大于检测量，经过比较后的值传送给反作用的调整器，而调整阀是