锅炉汽包水位双冲量控制系统设计说明书

1、广西工业职业技术学院设计说明书课题名称：锅炉汽包水位控制系统姓名：_专业：生产过程自动化技术班级：自动化1031起止 日期：2012/06/03 至 2012/06/24指导教师： 周 雪 会目录摘要1概述1.1锅炉汽水系统介绍1.2汽包水位控制的难点2设计意义与要求2.1设计意义2.2设计要求3.汽包水位特性及其控制3.1汽包水位特性3.1.1汽包水位在给水流量作用下的动态特性3.1.2汽包水位在蒸汽流量的作用下的动态特性3.2汽包水位控制方式4仪表选择4.1液位变送器的选择4.2控制器的选择4.3执行器的选择4.4电气阀门定位器4.5控制器的作用方式4.6阀的开闭选择形式5.参数整定6调节

2、阀选型7调节阀口径的计算心得体会参考文献摘要蒸汽锅炉是厂矿重要的动力设备，其任务是供给合格稳定的蒸汽，以满足负荷的需要。为此，锅炉 生产过程的各个主要参数都必须严格控制。而利用余热气体作为热交换介质的余热锅炉在全国占有很大 的比例，其节能降耗效果尤为明显。某化工厂硫酸余热锅炉就是利用余热锅炉副产品中压蒸汽供给各生 产分厂使用，既保证料生产需要也达到了节能降耗的目的。锅炉是一个较为复杂的调节对象，为保证提 供合格的蒸汽以适应负荷的需要，与其配套设计的控制系统必须满足各主要工艺参数的需要。汽包水位 是锅炉运行的主要指标。保持的水位在一定范围内是保证锅炉安全运行的首要条件。因为水位过高，会 影响汽包

3、内汽水分离，饱和水蒸气带水过多，是过热器管壁结垢并损坏，同时使过热蒸汽的温度急剧下 降。如果该带液蒸汽被用户用来带汽轮机，将会损坏汽轮机的叶片。水位过低，由于汽包内的水量较少， 而负荷很大时，水的汽化速度加快，惹不及时加以控制，将使汽包内的水全部汽化，导致水冷壁烧坏， 甚至引起爆炸。因此必须对锅炉汽包水位进行严格控制.汽包水位自动调节的任务是给水量与锅炉蒸发量相平衡，并维持汽包水位在工艺规定的范围内。保 持锅炉汽包水位在一定范围是锅炉稳定安全运行的主要指标。在参考了多种设计方案后，本系统设计一 种双冲量水位控制系统，能够很好补偿扰动产生的“假水位”现象，有利服务于现实生产。1.概述1.1锅炉汽

4、水系统介绍如图1所示，经过处理后的水通过给水母管在给水调节器作用下，流经省煤器被加热后送入汽包， 然后在汽包和管束系统中进行自然对流交换，汽包产生的蒸汽在上汽包中分离，从主汽管流出，在过热器中进行一步加热形成过热蒸汽后流向分汽缸，以便与工业生产以及其他用它用途。1.2汽包水位控制的难点水位的控制技术是通过控制进水和出水阀的开度，改变水流量来实现到。锅炉汽包水位的控制是锅 炉控制系统较为重要和比较难控制的一项。由于锅炉在运行过程中存在进水量和出水量的变化，所以很 难通过调整PID参数来满足所以的运行条件，获得理想的效果。调节过量会导致流量回路动作频繁，从 而给下游设备带来了额外的干扰，这样就倒是

5、水位通常出于欠调整状态允许液位在一定范围内波动，以 减小出水量的变化。然而欠调整的PID不能及时的抑制打扰动，这就可能引起锅炉运行的安全问题。此 外，液位的波动也会破坏锅炉运行过程的稳定，使得整齐输送等不容易控制。影响锅炉汽包水位的关键 量有给水流量，蒸汽出口流量和混合燃料的进料口。各变量都有各自不同的扰动。较冷的给水造成的相 应的纯滞后。蒸汽流量的突然增加导致了典型的虚假水位现象，使得过程暂时改变了方向，容易发生误 操作而导致发生事故。2设计意义与要求2.1设计意义蒸汽锅炉是厂矿重要的动力设备，其任务是供给合格稳定的蒸汽，以满足负荷的需要。为此，锅炉 生产过程的各个主要参数都必须严格控制。而

6、利用余热气体作为热交换介质的余热锅炉在全国占有很大 的比例，其节能降耗效果尤为明显。某化工厂硫酸余热锅炉就是利用余热锅炉副产品中压蒸汽供给各生 产分厂使用，既保证料生产需要也达到了节能降耗的目的。锅炉是一个较为复杂的调节对象，为保证提 供合格的蒸汽以适应负荷的需要，与其配套设计的控制系统必须满足各主要工艺参数的需要。汽包水位 是锅炉运行的主要指标。保持的水位在一定范围内是保证锅炉安全运行的首要条件。因为水位过高，会 影响汽包内汽水分离，饱和水蒸气带水过多，是过热器管壁结垢并损坏，同时使过热蒸汽的温度急剧下 降。如果该带液蒸汽被用户用来带汽轮机，将会损坏汽轮机的叶片。水位过低，由于汽包内的水量较

7、少， 而负荷很大时，水的汽化速度加快，惹不及时加以控制，将使汽包内的水全部汽化，导致水冷壁烧坏， 甚至引起爆炸。因此必须对锅炉汽包水位进行严格控制。2.2设计要求初始条件：锅炉汽包水位自动调节的任务是给水量与锅炉蒸发量相平衡，并维持汽包水位在工艺规 定的范围内。汽包水位自动调节很重要，汽包水位过高，会影响汽水分离效果，使蒸汽带液，如果水位 过低，会损坏锅炉，甚至引起爆炸。该对象的只要扰动是蒸汽负荷的变化。设计一控制系统，使汽包水 位维持在1000.5 cm，并能对蒸汽负荷的扰动能及时克服。要求任务：(1、了解锅炉生产蒸汽工艺设备及其工作流程(2、基于对象特点分析，绘制液位一蒸汽双冲量控制系统方

8、案图(3、确定系统所需检测元件、执行元件、控制器技术参数(4、撰写系统调节原理及调节过程说明书(5、对该双冲量控制系统进行数值计算(6、总结课程设计的经验和收获3.汽包水位特性及其控制3.1汽包水位特性汽包和蒸发管系统中储藏着蒸汽和水，储存量的多少是以被控制量水位来表征的。汽包的流入量是 给水量，流出量是蒸汽量，当给水量等于蒸汽量的时候，汽包水位就能恒定不变，引起水位变化的主要 是蒸汽量的变化和给水量的变化。如果只考虑主要扰动，那么汽包水位对象的动态特性方程可以表示为：d 2 hdh dVdVTT + T =(T + K V ) - (T d + K V )1 2 dt 2 i dt w dt

9、 w w D dt D D(1)式子中，T1，T2为时间常数，为给水流量项时间常数，TD为蒸汽流量项时间常数，Kw为给水流 量项的放大系数，KD为蒸汽流量项的放大系数。3.1.1汽包水位在给水流量作用下的动态特性给水量是锅炉的输入量，如果蒸汽负荷不变，那么给水量发生变化的时候，汽包水位的微分方程可 以表示为:一一 d2h _ dh dVTT + T =T + K V1 2 dt21 dt w dt w w (2)从而可以得到汽包水位在给水量的作用下的传递函数:八,、H (s)TwS + K01 s = V (s) = Ts(TS + 1)W 12(3)、的数值一般很小常常可以忽略不计，对于一些

10、锅炉，在给水量增加较长时间里，汽包水位并不增 加，存在较长一段时间的起始惯性。可以用以下式子近似表示;()_H(s) _ K0、)V7S) Ts (TS +1)W 12(4)由于要得出此动态数学模型必须通过现场数据采集和数据分析处理，最后可以得到锅炉汽包水位在 给谁流量作用下的数学动态模型，在本次课设中，我查阅相关资料了选取了一个实例的动态数学模型:G (s)=耍=_01V( s)览1+15，(5)在给水流量的阶跃输入作用下，当突然加大给水量（蒸汽量不变）是给水量大于蒸汽量，但是因为 温度较低的给多水进入了水环系统，使他从原有的饱和汽水中吸取了一部分热量，汽包和汽水管路中由 于热量的损失，汽包

11、减少。经省煤器进入汽包给水，首先必须填补由于汽水管路中蒸汽减少让出的空间， 这时虽然给水量增加，但是水位还是基本保持不变。但水面下汽包的体积变化过程逐渐平静时，汽包水 位才由于储存量的增加而逐渐上升。当水面下汽包体积不再变化，完全稳定下来时，水位就随着存水量 的增加而上升。3.1.2汽包水位在蒸汽流量的作用下的动态特性汽包水位在蒸汽流量扰动的动态特性可以用下面式子表示;d 2 h dh , dV 、TT + T = -(T d + K V )1 2 dt21 dt D dt D D(6)在其它条件不变的情况下，蒸汽用量突然增加，瞬时间必然会导致汽包压力下降，汽包内水的沸腾 突然加剧，水中气泡迅

12、速增加，气泡体积增大，使汽包水位升高（水量实际上在减少）。这种压力下降 而非水量增加导致的汽包水位上升的现象成为“虚假水位”现象，图2给出了在蒸汽流量扰动作用下， 汽包水位的阶跃响应曲线。当蒸汽流量D突然增加AD时，从锅炉的物料平衡关系来看，蒸汽大于给水量，水位应下降，如图 曲线淑1，实际上，由于蒸汽流量的增加瞬时间必然导致汽包压力下降。汽包内的沸腾突然增加，水中 气泡迅速增加，由于气泡的体积增加使水位的响应曲线如图中/,而实际显示的水位曲线应该是AH为 AH 2和AH1的叠加，即AH =AH1 +AH 2。从图中可以看出蒸汽用量增加，在开始阶段水位不会下降反而 会先上升，然后再下降，这个现象

13、称为“虚假水位”蒸汽扰动时。水位的变化的动态特性用传递函数表 示为：H (s) = H1(s) + H2(2)孕 K2D( s) D( s) D( s) s T s +1(7)式中七为蒸汽流量变化的单位流量时水位的变化速度，K2为响应曲线AH 2的放大倍数，T2为响应 曲线的AH2时间常数。造成虚假液位的原因：一是锅炉蒸汽负荷增加使炉管和汽包中汽水混合物的汽水比例发生变化(汽 容积增加)而引起汽包水位上升，这是引起汽包虚假液位的主要原因。二是蒸汽流量增加，汽包气压下 降，泸水沸点下降，由于锅炉水位饱和水的汽化，是汽包水位随压力下降而升高。虚假水位变化的大小与锅炉的工作压力和蒸发量有关。一般蒸发

14、量为100230t/h的高压锅炉中， 当负荷变化10%时，假水位可以达到3040mm .所以克服虚假水位现象带来调节的误动作变得很有必要。查阅一个实例的汽包水位在蒸汽流量作用下的动态数学模型：H (s) _ 50.05(8)D (s)15S +1S3.2汽包水位控制方式汽包水位控制的目的是要克服锅炉负荷变化引起的虚假液位的影响和各种干扰对水位的影响，维持 汽包水位在允许的范围内变化。在工业汽包水位的自动控制中，针对不同的控制信号有单冲量控制系统， 双冲量控制系统和三冲量控制系统。按照此次课设的方案是设计双冲量控制系统。双冲量控制系统是以锅炉汽包水位测量信号作为主控 信号，以蒸汽流量信号作为前馈

15、信号构成的“前馈一一反馈”控制系统。% - r汽包水位的主要扰动是蒸汽流量的变化，如果系统除了汽包水位控制外，还能利用蒸汽流量变化对 水流量进行补偿控制，就可以消除或减小虚假水位现象对汽包水位的影响，而且使给水调节阀的调节及 时，这就构成了双冲量控制系统，如图3所示。双冲量控制系统实质是一个前馈控制（蒸汽流量）加单 回路反馈控制的前馈-反馈控制系统，当蒸汽流量变化时，调节阀及时按照蒸汽流量的变化变化进行给 水流量补偿，而其他干扰对水位的影响由反馈控制回路克服图3双冲量控制系统框图途中加法器将控制器的输出信号和蒸汽流量变送器的信号求和后，控制调节阀的开度，调节给水量。当蒸汽流量变化时，通过前馈补

16、偿直接控制 给水调节阀。使汽包进出水量不受虚假水位的影响而及时达到平衡，这样就克服了由于蒸汽流量变换引 起假水位变化所造成的汽包水位剧烈波动。引入蒸汽流量来校正不仅可以补偿“虚假水位”所引起的误动作，而且还能是给水调节阀的动作及 时从而提高控制质量。但这里的前馈仅为静态前馈，如果要考虑两条通道在动态上的差异则还需要引入 动态补偿环节。在给水量压力比较平稳时，采用双重量控制就能够达到控制要求。双冲量水位控制系统存在的问题有：一是对于给水系统的扰动不能直接补偿。当给水量发生扰动时， 要等到汽包水位信号变化时才能通过调节阀来执行调节，之后时间长，水位的波动就大。二是，调节阀 的工作不是完全线性的，因

17、此要做到静态补偿就比较困难。4仪表选择4.1液位变送器的选择选择TK3051L液位变送器。（1）工作原理：工作时高低压侧的隔离膜片和灌充液将过程压力传给灌充液，接着灌充液将压力传递到传感器中 心的传感膜片上。传感膜片是一个张紧的弹性元件，其位移随所受压而变化（对于GP表压变送器，大 气压如同施加在传感膜片上的低压侧一样）。AP绝压变送器，低压侧始终保持一个参考压力。传感膜片 的最大位移量为0.004英寸（0.1毫米），且位移量与压力成正比。两侧的电容板极检测传感膜片的位 置。传感膜片和电容极板之间电容的差值被转换为相应的电流，电压或数字HART（高速可寻址远程发 送器数据公路）输出信号。特点：

18、完整的变送系列；测量范围：0-0.5m至20m；结构小巧、坚固、抗震；模块化结构；阻尼可调；多 种选项，量应用灵活；智能，模拟或低耗电路；电气连接及安装：配有多种过程连接器和安装方法。a液位测量精度达0.075%b校验量程从0-0.2-20mc平面式，2-，4-，与6英寸伸出式膜片d多种可选灌充液，可满足不同场合要求e小巧而质轻，易于安装与维护f接液件材料：不锈钢，哈氏合金钽3.2压力传感器/变送器的选择PTH501/502/503/504压力传感器/变送器采用全不锈钢封焊结构，具有良的防潮能力及优异的介质 兼容性。广泛用于工业设备、水利、化工、医疗、电力、空调、金刚石压机、冶金、车辆制动、楼

19、宇供 水等压力测量与控制。量 程：-0.101 150(MPa)综合精度：0.1%FS、0.2%FS、0.5%FS、1.0%FS 输出信号：420mA（二线制）、05V、15V、010V（三线制）供电电压：24DCV（936DCV）介质温度：-2085150C环境温度：常温（-2085 C）负载电阻：电流输出型：最大800Q ；电压输出型：大于50KQ绝缘电阻：大于2000MQ （100VDC）密封等级：IP65长期稳定性能：0.1%FS/年振动影响：在机械振动频率20Hz1000Hz内，输出变化小于0.1%FS电气接口（信号接口）：四芯屏蔽线、四芯航空接插件、紧线螺母机械连接（螺纹接口）：

20、1/2-20UNF、M14X1.5、M20X1.5、M22X1.5 等，其它螺纹可依据客户要求设计。4.2控制器的选择采用上海万讯仪表有限公司生产的AI系列全通用人工智能调节仪表，其中SA-12智能调节仪控制 挂件为AI-818, SA-13智能位式调节仪为AI-708型。AI-818型仪表为PID控制型，输出为420mADC信 号。AI-708型仪表为位式控制型，输出为继电器触点型开关信号。AI系列仪表通过RS485串口通信协 议与上位计算机通讯，从而实现系统的实时监控。A4.3执行器的选择RZXP型新系列气动调节阀采用顶导向结构，配用多弹簧执行机构。具有结构紧凑、重量轻、动作灵 敏、充体通

21、道呈S流线型、压降损失小、阀容量大、流量特性精确、拆装方便等优点。广泛应用于精确 控制气体、液体等介质，气动调节阀的工艺参数如压力、流量、温度、液位保持在给定值。特别适用于 允许泄漏量小阀前后压差不大的工作场合。本系列产品的标准型、调节切断型、波纹管密封型、夹套保温型等多种品种。产品公称压力等级有 PN10、16、40、64；阀体口径范围DN20200。适用流体温由-200C560C范围内多种档次。泄漏量标准 有IV级或VI级。流量特性为线 性或等百分比。多种多样的品种规格可供选择。4.4电气阀门定位器YT-1000系列包括YT-1000L直线型和YT-1000R转角型两种形式电气定位器，是一

22、种从控制器或控 制系统中受4-20mA直流电信号，并向气动执行机构输送空气信号来控制阀门位置的装置。其与气动调 节阀配套使用，构成闭环控制回路。把控制系统给出的直流电流信号转换成驱动调节阀的气信号，控制 调节阀的动作。同时根据调节阀的开度进行反馈，使阀门位置能够按系统输出的控制信号进行正确定位。 该电气定位器可用于单作用型（弹簧复位型）和双作用型气动执行机构。由于该定位器具有防爆结构， 故能使用于爆炸危险场所。技术参数：型号：YT1000L（直线型），YT1000R（回转型）；单作用，双作用；输入信号：4-20mA DC below 24V ；电阻：250+15Q ；供气压力：1.4-7（20

23、-100psig）；行程：10-150mm 0-900；导管接口： PTNPT1/4； 压力表接口： PTNPT1/8 ；电源接口： PF1/2（G1/2）；防爆等级：Exia IIBT6，Exdm IIBT6；防护等级： IP66；环境温度：-20C70C标准；线性度：1% 2%；滞后度：1%；灵敏度：0.2% 0.5%；重 复性：0.5%；空气消耗量：3LPMSup.=1.4kgf/sqcm，20psi；流量：80LPMSup.=1.4kgf/sqcm，20psi； 材料：压铸铝；重量：2.7kg6.0Ib 2.8kg6.2Ib。4.5控制器的作用方式当设定值不变时，随着测量值的增加，调节

24、器的输出也增加，则称为“正作用” 方式；当测量值不变时，设定值减小时，调节器输出也增加，称为“正作用”方式；如果测量值增加或 设定值减小时，调节器输出减小，则称为“反作用”方式。经分析此系统为正作用方式。4.6阀的开闭选择形式关于给水调节阀的气开气关的选择，一般都是从安全角度考虑的，人员安全、生产安全、系统设备 安全的需要为首要依据。由于工业生产过程的调节阀绝大部分为气动调节阀，所以要选择调节阀的气开 气关方式。锅炉给水调节阀一般采用气关式，一旦事故发生，系统失控，供水调节阀处于全开位置， 是锅炉不致因给水中断烧坏，避免爆炸等事故的发生。5 PID控制器的参数整定及系统的5.1 PID控制器的

25、参数整定控制器的参数整定对系统的控制质量起到了决定性的作用。确定控制器最佳过渡过程中的比例带6，积分时间TI和微分时间TD的数值称为控制器参数整定。控制器参数整定的方法，在工程上常用的有以下几种工程整定法。衰减曲线法：它是在经验法和稳定边界潜藏顾虑，针对它们的不足，反复实验而得出的一种参数整 方法。具体步骤如下：将控制器积分时间TI为最大值，微分时间为0，在纯比例作用下，系统试运行。 待系统稳定后，作设定值阶跃扰动。若系统响应衰减太快，则减小比例带，反之，则增大比例带。直到 系统出现4： 1的衰减振荡过程，记下此时的比例带和TS的数值。利用4： 1衰减整定参数表求得控制 器的PID数值。将比例

26、带放到比计算值大一些的数值上，然后把积分时间按计算值加入，再把微分时间 加入，最后把比例带减小到计算值，观察过渡过程曲线，调整到满意的结果。6调节阀选型ZMBP型气动薄膜直通单座调节阀，由气动薄膜多弹簧执行机构和单座阀组成。用新型ZHA/B多弹簧执行机构代替老式ZMA/B执行机构，具有高度低、重量轻、安装维修简便等优点。适用于对泄露量要求严格、阀前后压差低及有一定粘度和含少量纤维介质的场合。阀体型 式：直通单座铸造球型阀公称通径：20、25、32、40、50、65、80、100、125、150、200mm公称压力：PN1.6、4.0、6.4MPa法兰标准：JB/T79.1-94、79.2-94

27、 等材 料：铸钢(ZG230-450)、铸不锈钢(ZG1Cr18Ni9Ti、ZG1Cr18Ni12Mo2Ti)等上阀盖：标准型-17+230C、散热型+230+450C、低温型-60-196C、波纹管密封-40+350C压盖型式：螺栓压紧式填料：V型聚四氟乙烯填料、含浸聚四氟乙烯石棉填料、石棉纺织填料、石墨填料结构形式：标准型、散热型、低温型、波纹管密封型、保温夹套型和衬氟型(见图1图5)阀内组件阀芯型式：单座柱塞型阀芯流量特性：等百分比特性和线性特性材 料：不锈钢(1Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni12Mo2Ti、17-4PH、9Cr18、316L)、不锈钢堆焊司太莱合金、钛和耐腐蚀合金等

28、执行机构型式：多弹簧薄膜式执行机构弹簧范围：20100 (标准)、40-200、80-240、20-60、60-100KPa膜片材料：丁腈橡胶夹尼龙布、乙丙橡胶夹尼龙布供气压力：140400KPa气源接口： RC1/4环境温度：-30+70C阀作用型式分气关式(B)或气开式(K)阀7调节阀口径的计算主给水调节阀已知条件：介质水 正常流量条件下：阀前绝压：p1= 4.30Mp ；阀后绝压：p2= 4.10Mp阀前温度：=105C；管道内径：气=D2 = 125mm正常流量：W= 60000奴/h ；流体密度：p = 0.9567g /cm3稳态最大流量：W = 72000kg / h选择气动单座

29、调节阀，等百分比固有流量特性，流开型（流体流动促使阀芯打开）。查表可知 Fl=0.9, Pc = 224X100KPa，阀前温度是 105C 时 P1.2X100 KPaP =P1-P2=4.30-4.10=0.2MpaPc = FL2 (P1-Ff Pv)=0.92(4.30-0.12)=3.39 MpaAPAPc，故为非阻塞流0.01 W 0.01 60000 =，=43.4Cn (p 询 0.9567 1000 0.2 c max值计算maX W= 1.2W=1.2 72000 = 86400Cmax=62.49660000W C 86400 43.3W ns口径的选定:选择阀的公称流量

30、系数和工程通径：C100=43.4一l = 1 + 0.68/相对行程计算：g43.4=1 + 0.68 lg()=0.8962.4fk C100l x100 ., = 0.89 x100 , = 89，.了所以阀开度为89%心得体会本次课程设计是锅炉汽包水位两冲量控制系统的设计，锅炉汽包水位低的良好的控制是保证系统输 出蒸汽温度稳定的前提。按照设计要求是采用两冲量控制系统也就是前馈控制系统。控制量是锅炉汽包 水位，蒸汽流量是干扰量，干扰量通过前馈通道引入，当系统出现蒸汽流量这个扰动时，立即将其测量 出来，通过前馈控制器，根据扰动量的大小改变控制变量，以抵消扰动对被控参数的影响。这有利与克 服虚假水位的引起的误动作。接着分析了 PID参数对对象系统的影响，以及PID参数对整定及其仿真， 最终成功使汽包水位控制在给定的范围内，同时在强干扰的情况下依然保持良好的稳态性能。通过为期一周的过程控制设计这一实践环节，感受颇多，由原先的课堂理论知识到动手实践环节是 一次重大的转变，也是联系实际的最好表现。在整个课