锅炉汽包水位单冲量控制系统设计

1、目录 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark13 o Current Document 1概述2 HYPERLINK l bookmark19 o Current Document 3液位控制系统方案3 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 3.1系统方框图3 HYPERLINK l bookmark25 o Current Document 3.2系统方案图4 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 4控制系统的设计4 HYPERLINK l bookmark31 o Cu

2、rrent Document 4.1系统控制过程分析5 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 4.1.1系统平衡阶段分析5 HYPERLINK l bookmark37 o Current Document 4.1.2系统抗扰动阶段分析54.2单回路反馈控制系统6 HYPERLINK l bookmark52 o Current Document 4.3检测变送器的选择7 HYPERLINK l bookmark55 o Current Document 4.3.1选取原则7 HYPERLINK l bookmark61 o Current Doc

3、ument 4.3.2压差变送器74.4调节阀的选择8 HYPERLINK l bookmark67 o Current Document 4.5仪表性能指标的计算94.5.1 精度9 HYPERLINK l bookmark76 o Current Document 4.5.2灵敏度和灵敏性94.5.3 回差9 HYPERLINK l bookmark85 o Current Document 4.6 调节器的选择9 HYPERLINK l bookmark91 o Current Document 4.7调节器作用方向的选择10 HYPERLINK l bookmark94 o Curre

4、nt Document 4.8系统的投运和整定10 HYPERLINK l bookmark97 o Current Document 4.8.1系统的投运10 HYPERLINK l bookmark100 o Current Document 4.8.2简单控制系统的参数整定11 HYPERLINK l bookmark103 o Current Document 5系统工作原理简述11 HYPERLINK l bookmark106 o Current Document 5.1当汽包液位下降时11 HYPERLINK l bookmark109 o Current Document 5.

5、2当汽包液位上升时12 HYPERLINK l bookmark112 o Current Document 6心得体会12参考文献13锅炉汽包水位单冲量控制系统设计1概述在过程自动化技术出现之前，工厂操作员必须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，而且必须在停机时才能实施各种维护，这降 低了工厂运营效率，且无法保障操作安全。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，再用简洁明了的形式把处理后的数据显示到控制室的大屏幕上。操作人员只要观察大屏幕就可以监

6、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，还能自动调节各种设备，优化生产。 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。工厂所有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、天然气 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”和预测趋势，提高了对外界条件变化的响应速度。过程自动化系统中的软件和控制装置能够对设备进行调节，使其在最佳速度下运

7、行，从而大大降低能耗。它们还能够确保质量的一致性，降低次品率，减少浪费。过 程自动化系统还能预测何时需要对生产设备进行维护， 从而减少了对设备进行常规检 查的次数。常规检查次数的降低可以减少停止和重新启动机器所花费的时间和能源。过程控制系统分为多种，有简单控制系统和复杂控制系统，而复杂过程控制系统又可 分为：串级控制系统、前馈控制系统、比值控制系统和均值控制系统等几种。在本次控制 系统的选择中，因为设计题目要求是：锅炉汽包水位单冲量控制系统的设计，所以本着简 单、实用的原则我把它设计成一个简单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

8、流程水位控制系统的任务是使给水量与锅炉蒸发量相适应，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汽流量与给水量之间的平衡关系，是锅炉运行中一个非常重要 的监控参数。汽包水位过高，会影响汽水分离的效果，使蒸汽带液，过热器结垢，影响过 热器的效率；如果带液蒸汽进入汽轮机，会损坏汽轮机叶片。如果水位过低，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。因此汽包水位需要严格控制。3液位控制系统方案3.1系统方框图首先要选取汽包水位控制系统的被控参数和控制变量，本系统按照设计要求可直接选 择汽包水位作为被控参数。影响水位变化

9、的因素有给水量变化、蒸汽流量变化、燃料量变化和汽包压力变化等等。 而汽包压力和蒸汽流量都不能作为控制变量，因为汽包压力变化并不直接影响水位，汽包 压力变化是由蒸汽流量引起的，蒸汽流量按用户的需要会各不相同，这是一个不可控因素; 燃料量的变化也不能作为控制变量，因为这种变化要经过燃烧系统变成热量后，才可被水 吸收，这一扰动通道的传递滞后和容量滞后都很大，所以燃料量的变化不能作为控制变量。因此只能选择给水量作为汽包水位的控制变量。将系统的被控参数和控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

10、到，将给水量作为控制变量，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控制器，执行器为调节阀。4控制系统的设计过程控制系统设计和应用的两个重要内容：控制方案的设计、选择检测变送器、选择 执行机构调节阀、选择调节器和调节器整定参数值的确定等几个部分。设计和应用好一个过程控制系统，首先应全面了解被控制过程，其次根据工艺要求对 系统进行研究，确定最佳的控制方案，最后，对过程控制系统进行设计，整定和投运。对 于过程控制系统而言，控制方案的选择和调节器参数整定是其两个重要的内容，如果控制 方案设计不合理，仅凭调节器参数的整定无法获得良好的控制质量；相反控制方案很好， 但是调节器参

11、数整定的不合适，也不能使系统运行在最佳状态。过程控制系统从结构形式可分为单回路系统和多回路系统。单回路控制系统包含一个 检测变送器，一个调节器，一个执行器和对象，对对象的某一个被控制参数进行闭环负反 馈控制。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 类复杂控制系统的分析，设计，整定和投运。采用单回路控制方式来实现锅炉汽包水位单冲量控制系统的原理方框图如图2所示。在图2中，调节器采用PI调节器，汽包水位是被控对象，检测变送器选用压差变送器， 调节阀的具体选择将在下文详细给出。4.1系统控制过程分析控制系统的控制阶段主要分为：平衡阶段和抗扰动调节阶段。下面将分别对这两

12、个阶 段进行分析。4.1.1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，按照设计要求，当汽包水位维持在 80 土 0.3cm的液位的时候，系统都是合理的，不会出现任何危险。4.1.2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AH(t)所示。如果把汽包水 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该如图中AH1(t)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吸收一部分热量， 所以当给水量上升时，汽包水面以下水中

13、的气泡总体积减小，导致水位下降。水中气泡总 体积下降，导致水位变化的阶跃响应曲线如图中AH2(t)所示。当给水量上升时，实际汽包 水位的曲线应该如AH(t)所示，即突然加大给水量后，汽包水位一开始并不立即增加，而 要呈现出一段起始惯性段。实际水位变化AH(t)是AH(t)和AH2(t)的叠加，即AH(t) = AH (t) + AH (t)。用传递函数来表示即是：H (s) _ H (s) 1 H (s) _ 匕KG(s) 一 G(s) G(s) Ts + 11用一阶模型近似时，可表示为:H (s) =-o e-s G (s) s%为给水流量作用下，阶跃响应的斜率；T为纯滞后时间，给水温度越低

14、，T越大， 一般T约在15100S之间。如果采用省煤器，则由于省煤器本身的延迟，T会增到100200S。电任)图4汽包水位动态特性4.2单回路反馈控制系统单回路控制系统又称简单控制系统，是指由一个被控对象、一个检测元件及变送器、 一个调节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，控制 质量的好坏与控制器参数选择有着很大的关系。合适的控制参数，可以带来满意的控制效 果。反之，控制器参数选择得不合适，则会使控制质量变坏，达不到预期效果。因此，当 一个单回路系统组成好以后，如何整定好控制器参数是一个很重要的实际问题。简单控制系统是实现生产过程自动化的基本单元、其结构简单、投资

15、少、易于调整和 投运，能满足一般工业生产过程的控制要求、因此在工业生产小应用十分广泛，尤其适用 于被控过程的纯滞后和惯性小、负荷和扰动变化比较平缓，或者控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控制系统的设计，由于是单冲量，所以不必选择 串级控制回路，简单控制系统就可以。4.3检测变送器的选择一个简单的控制系统是由被控对象、检测部件（测量仪表和传感器）、控制器和执行 机构组成的。在自动控制系统中，检测部件的作用相当于人的感觉器官，它直接感受被测 参数的变化，提取被测信息，转换成标准信号供显示和作为控制的依据。4.3.1选取原则检测部件一般宜采用定型产品，设计过程控制系统时，根

16、据控制方案选择测量仪表和 传感器。选择应该遵循以下原则：（1）可靠性原则可靠性是指产品在一定的条件下，能长期而稳定地完成规定的功能的能力是可靠性是 测量仪表和传感器的最重要的选型原则。（2）实用性原则实用性是指完成具体功能要求的能力和水平。根据工艺要求考虑实用性，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，应该尽量采用先进的设备。4.3.2压差变送器被控参数的测量和变送必须迅速正确地反映其实际变化情况，为系统设计提供准确的 控制依据。前面已经说到本设计的被控对象是汽

17、包液位，所以采用压差变送器。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变化一采集到信息一传输信号一主机分析一发出执行命令一执行器动作。其被广泛的应用到自动化控制领域，其涵盖所有气体及液体介质需要测量和监控压力变化的场所。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p广Hp g + p1, p 1是容器上半部分中气体的压强，于是压差可以表示为 Ap = p2 - p1= Hp g。其中p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与液位的高度成正比。（41）测量和变送环节的描述见式（41）。即:W （s） = Km e项m m

18、 T S + 10.7212W （s） = e-3s参数选择原则：减小Tm和cm均对提高系统的控制质量有利。若Tm较大，则会使 记录曲线与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，应减 少仪表的量程，即增大Km。4.4调节阀的选择调节阀类型的选择：气动执行器。调节阀口径（Dg、dg）大小的选择：在正常工况下要求调节阀开度在15%到85%之间。 口径不可以太小，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，因为如果口径太大，调节阀将长时间处于小开度中，阀门的不平衡力较大，阀门调节 灵敏度低，工作特性差。调节阀流量特性的选择：系统总的放大倍数尽可能保持不

19、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、调节器（若比例作用时）和执行机构的放大系数是常数。 因此往往通过选择调节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4.5.1精度检测仪表的精度反映测量值接近真实值的准确程度，一般用一系列误差来衡量。（1）绝对误差绝对误差指仪表指示值与被测参数真值之间的差值，如式（42）。Ax = x - x t(42)（2）引用误差把绝对误差折合成标尺范围的百分数表示，如式（43）。(43)5 = ,一，:-%- x100% = A X100%标尺上线值一标尺下限值M（3）精度等级按仪表工业

20、规定，去掉最大引用误差的“土”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, 0.5, 1.0，1.5, 2.5, 4.0 等。根据此次设计的汽包水位要求为80土0.3cm， 所以选用0.4精度的等级。4.5.2灵敏度和灵敏性灵敏度表示仪表对被测参数变化反应的能力，是指仪表达到稳态后输出增量与输入增 量之比，如式（44）。S = A（44）Ax灵敏限是指引起仪表指针发生可见变化的被测参数的最小变化量。一般，仪表的灵敏 限数值不大于仪表允许误差绝对值的一半。4.5.3回差在外界条

21、件不变的情况下，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常常不相等。两者绝对值之差的最大值和仪表量程M之比的百 分数称为回差，也称变差。其公式见式（4-5）。(45)回差产生原因：由于传动机构的间隙、运动件的摩擦、弹性元件的弹性滞后等。回差 越小，仪表的重复性和稳定性越好。应当注意，仪表的回差不能超过仪表引用误差，否则 应当检修。4.6调节器的选择根据被控过程特性与生产工艺要求，了解调节器控制规律对控制质量的影响，合理选 择调节器的控制规律，是过程控制方案设计的重要内容之一。选择调节器的控制规律就是 为了使调节器的特性与控制过程的特性能很好配合，使所设计的

22、系统能满足生产工艺对控 制质量指标的要求。本设计采用PI调节器。PI控制规律可简单理解为引入积分作用能消除余差。适用于 控制通道滞后小，负荷变化不太大，工艺上不允许有余差的场合，如流量或压力的控制。PI调节器的传递函数见式（46）。G （s） = 1 曰（46）4.7调节器作用方向的选择c P弋从控制原理可知，对于一个反馈控制系统来说，只有在负反馈的情况下，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，如果系统是正反馈，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，对于反馈控制系统来说，要使系统能够稳定，必须构成负反馈。本

23、设计的控制变量是给水量，当给水量增加时，汽包液位当然是会上升，给水量的增 加是通过调节阀的阀门开度增加，而本设计中采用的调节阀类型是气关式，所以调节阀的 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，这是出于对安全的考虑， 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 调节器应该选用正作用。综上所述可以得到本系统的最终的系统框图如图6所示。给水量G汽包水位气关式-检测变送器攵汽包水位调节器图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控制系统按设计的要求连好，线路经过检查正确无误，所有仪表经过检查符号精 度要求，并已运行正常，即可着手进行控

24、制系统的投运和控制器参数的整定工作。4.8.1系统的投运所谓控制系统的投运，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 通过控制器上的手动一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 须保证无扰动地进行。本设计采用设计比较先进的电动III型控制器，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，这样 随时都可以进行手动与自动的切换而不引起扰动。4.8.2简单控制系统的参数整定所谓控制系统的整定，就是对于一个已经设计并安装就绪的控制系统，通过控制器参 数（8、匕、）的调整，使系统的过渡过程达到最为满意的质量

25、指标要求。对于单回路控制系统，控制器参数整定的要求就是通过选择合适的控制器参数（8、T、 iT），使过渡过程呈现4:1的衰减过程。调节器参数整定有两大类：理论计算和工程整定法。理论计算法需要较多的控制理论 知识，由于实际情况，理论计算不可能考虑周到，因此用工程整定法。工程整定法有三种： 经验法、临界比例度法和衰减曲线法。在本设计中我将采用临界比例度法。临界比例度法是先将调节器设置为纯比例作用（即把积分时间T放在“8 ”的位置，i微分时间T放在“0”的位置，就消除了积分和微分作用），且比例度8放在较大位置， d将系统投入闭环控制，然后逐步减小比例度8 （即增大放大系数Kp）并施加干扰作用，直 至控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1，振荡周期叫临 界振荡周期孔。根据q和孔从表41中查找调节器应采用的参数值。表41临界比例度法计算表应采用的控制规律8 (%)T (min)T (min) dP287-iPIk2.2 80.85 TPIDk1