锅炉水位控制系统设计

锅炉水位控制系统设计PAGEPAGE1 -PAGE1-目录一引言………………1二给水控制系统设计………………22.1汽包水位控制系统基本要求……22.2控制系统原理框图………………22.3汽包水位控制系统控制策略设计………………3三锅炉水位传感器…………………93.1主要技术参数……………………93.2电极棒功能说明…………………93.3安装使用…………10四气包报警系统……………………114.1概述………………114.2外部电路的设计要求……………114.3外部电路的设计…………………114.4操作步骤及工作原理……………114.5参数的设定………13五结论………………14体会……………………15参考文献………………16一引言锅炉水位自动控制系统是近年来应用广泛并逐渐成为市场主流的一项新技术，它是集计算机软硬件技术、自动控制技术、锅炉节能环保技术等几项技术紧密结合的产物。我国现有中、小型锅炉30多万台，每年耗煤量占我国原煤产量的1/3以上，目前大多数工业锅炉仍处于能耗高、浪费大、环境污染严重、简单粗放运行的生产状态。提高锅炉运行热效率、进行自动化和节能环保改造于锅炉自动控制系统是一件具有深远意义的工作。锅炉水位自动控制系统一般由一次仪表、现场远程变送单元、计算机控制中心、二次显示单元及智能电气执行机构等几部分组成。远程变送单元将锅炉的水位等现场量转换成标准电压或电流信号送入控制中心或现场过程控制单元，并由控制中心发出控制指令经电气执行机构进行自动控制。控制中心对整个锅炉的运行进行监测、报警、控制以保证锅炉正常可靠地运行。除此以外为保证锅炉运行的安全，在进行锅炉自动控制系统设计时，对锅炉水位、锅炉汽包压力、炉膛负压等重要参数设置常规仪表及报警装置，以保证这些参数有双重甚至三重显示及报警装置，避免锅炉重大事故的发生。汽包水位控制系统实质上是维持锅炉进出水量平衡的系统。它是以水位作为水量平衡与否的控制指标，通过调整进水量的多少来达到进出平衡。系统将汽包水位维持在汽水分离界面最大的汽包中位线附近，以提高锅炉的蒸发效率，保证生产安全。由于锅炉水位系统是一个设有自平衡能力的被控对象，运行中存在虚假水位现象，在实际应用中可根据情况采用水位单冲量、水位蒸汽量双冲量或水位、蒸汽量、给水量三冲量的控制系统。二给水控制系统设计2.1汽包水位控制系统基本要求汽包锅炉给水自动调节的主要任务是维持汽包水位在允许范围内变化。影响水位变化的主要因素有锅炉的蒸发量、给水流量和燃烧率等。当蒸汽流量突然增大时，由于汽包水位对象是无自平衡能力的，这时水位应按积分规律下降。但是当锅炉蒸发量突然增加时，汽包水面下的汽泡容积也迅速增大，即锅炉的蒸发强度增加，从而使水位升高。因蒸发强度的增加是有一定限度的，故汽泡容积增大而引起的水位变化是惯性环节的特性。实际水位变化的趋势是两种特性的迭加。由此可以看出，当锅炉蒸汽负荷变化时，汽包水位的变化具有特殊的形式：在负荷突然增加时，虽然锅炉的给水流量小于蒸发量，但开始阶段的水位不仅不下降，反而迅速上升（反之，当负荷突然减小时，水位反而先下降），这种现象就是“虚假水位”现象。另外，给水流量和燃烧率扰动由于水面下汽泡的原因，也能产生虚假水位，因此给水控制系统不能单单以汽包水位为被调量，为了减少或抵消虚假水位现象，就必须采用三冲量调节系统。所谓三冲量，就是指汽包水位、蒸汽流量和给水流量。蒸汽流量和给水流量是引起水位变化的原因，蒸汽流量作为水位调节的前馈信号，当蒸汽流量改变时，调节器立即动作，相应地改变给水流量，而当给水流量自发地变化时，调节器也立即动作，使给水流量恢复到原来数值，这样就有效控制了虚假水位的影响。给水控制是串级调节系统，主调节器接受水位信号，对水位起校正作用，是细调；其输出作为副调节器的给定值，副调节器的被调量是给水流量，目的是快速消除来自水侧的扰动。为了提高给水控制系统的可靠性，汽包水位测量使用了三个变送器。三个经压力校正后的汽包水位信号取中间值，作为控制系统的被调量，当水位测量信号平均值超过±300mm，而且任意两个水位测量信号越限±280mm时，发出汽包水位MFT信号。当给水温度不变，而压力在某个范围变化时，给水流量的测量误差很小，若给水压力不变，给水温度在某个范围内变化时，给水流量的测量误差较大，所以对给水流量信号只采取温度校正。蒸汽流量采用汽机调节级压力的测量来表示，调节级压力经过温度修正后，可近似代表蒸汽流量测量值。如果采用标准喷嘴测量蒸汽流量，一方面在高温高压下节流喷嘴容易磨损，检修维护也困难，测量误差较大，另一方面节流损失也大，一般不采用此种方法。当用蒸汽流量转换出负荷小于40%时，送至给水控制系统，切为三冲量调节汽包水位。2.2控制系统原理框图串级三冲量控制系统串级三冲量控制系统的原理框图如图1-1所示，这个系统有三个回路，即Ⅰ为副回路，Ⅱ为主回路，Ⅲ为前馈回路，副回路的作用主要为快速消除内扰，主回路用于校正水位偏差，而前馈通道则用于补偿外扰，主要用于克服“虚假水位”现象。单冲量控制系统在低负荷时（主汽流量D<40%），系统设计为单冲量控制系统，其原理框图如图1-2所示。图2-1：串级三冲量控制系统的原理框图图2-2：单冲量原理框图在单冲量控制系统中对于内扰给水量的变化，系统调节能够消除内扰的影响，但调节不及时，迟延时间长。而对于克服外扰，由于“虚假水位”的存在，使系统调节超调量大，调门大幅变化，对系统的安全性不利。但是在起停机组过程中或在低负荷时（主汽流量D<40%），由于蒸汽参数低，负荷变化小，“虚假水位”现象不太严重，对于维持水位恒定的要求又不高，所以允许采用单冲量给水控制系统。在低负荷时，若采用各种自动校正措施，则会使系统结构复杂，整定困难，同时仍然存在误差。2.3汽包水位控制系统控制策略设计汽包水位调节系统调节器均采用XDPS的EPID模块，逻辑组态组态图如图1-3，它有九个输入接口和一个输出接口，能够实现PID运算的所有算法，及跟踪和切换技术。在启停炉或低负荷时，由于蒸汽流量信号没有或者蒸汽流量不稳定，可以投入旁路给水自动，采用单冲量调节水位，水位高时减少给水流量，水位低时增加给水流量，此时电动给水泵保持在某一固定转速。水位与定值发生偏差时，经比例、积分运算后去控制旁路给水阀。当机组负荷大于40%系统切为三冲量控制。主调节器的输出加上蒸汽流量信号，作为负调节器的设定值，与给水流量比较，经过比例、积分运算后，输出控制电动给水泵转速。此时单级调节器的输出跟踪副调节器的输出，如果负荷减小，三冲量系统可以自动切换到单冲量系统。2.3.1主调节器的输入系统的给定值根据负荷（主蒸汽流量）自动给定，主汽流量信号经过函数模块F（X）修正后，输入偏差运算模块DEV的X1接口作为系统的给定值，汽包液位反馈信号经另一函数模块F（X）修正后变换成百分数形式，作为反馈值输入偏差运算模块DEV的X2接口与给定值X1相比较，其偏差值作为主调节器EPID的E接口输入。主汽流量信号反馈值与给水流量反馈值信号分别经不同的函数模块F（X）修正后，分别作为偏差运算模块DEV的两个输入值X1、X2，其输出值作为主调节器EPID的被跟踪量。两个软手操模块S/MA的状态输出，分别输入与模块AND的Z1，Z2接口，与运算的输出作为或模块OR的Z1输入。主汽流量信号经函数模块F（X）修正后，输入高低限转换模块HLALM，其输出开关值经一非模块NOT运算后，作为或运算模块OR的Z2输入，或运算模块OR的输出开关量作为主调节器EPID的TS输入，即跟踪切换开关。2.3.2副调节器的输入经函数模块F（X）修正的主蒸汽流量信号作为副调节器的前馈量输入求和模块ADD的第二个接口，主调节器的输出信号接入ADD模块的第一个接口，两者加一定的比例系数求和后接入偏差运算模块DEV的X1接口。给水流量作为反馈信号经函数模块F（X）修正后，接入偏差运算模块DEV的X2接口，X1、X2经偏差运算后作为副调节器的E输入值。锅炉的主给水分道电动门1的状态与锅炉主给水分道电动门5的状态的非值作为或运算OR的两个输入开关量，或运算的输出量作为切换模块SFT的切换开关，SFT的两个输入分别为两个软手操S/MA的输出，SFT的输出即为副调节器EPID的被跟踪量。副调节器EPID的跟踪切换开关TS的输入与主调节器的跟踪切换开关逻辑组态相同。2.3.3单冲量控制系统调节器的输入主蒸汽流量经函数模块F（X）修正后的信号作为偏差运算模块DEV的X1输入汽包液位测量反馈信号经另一函数模块F（X）修正后，作为DEV的另一接口X2输入，X1、X2经偏差运算后的输出值作为单冲量调节器EPID的E接口输入值。大旁路调节门的软手操S/MA的输出值，作为单冲量调节器的被跟踪量TR输入。经函数模块F（X）修正的主蒸汽流量信号输入高限为40的高低限转换模块HLALM其输出的一支作为或运算模块OR的Z1输入。由两个调节水门软手操S/MA的输出状态作为与模块AND的Z1、Z2输入,AND的输出一支作为OR的Z2输入,OR的输出值即为单冲量调节器EPID的跟踪切换开关TS。2.3.4系统的无扰切换低负荷时采用单冲量控制系统，高负荷时采用串级三冲量控制系统。两套系统的切换是根据锅炉负荷（主蒸汽流量）的大小进行的。在自动状态下，主蒸汽流量>40%时，由单冲量控制系统切换为串级三冲量控制系统；主蒸汽流量<40%时，由串级三冲量控制系统切换为单冲量控制系统。在组态中，单/三冲量控制系统的切换是通过切换模块SFT实现的。串级三冲量控制系统的输出作为该模块的X1输入，单冲量控制系统的输出作为该模块的X2输入，主汽流量信号经函数模块F（X）修正后，输入高限为40的高低限转换模块HLALM，高低限转换模块HLALM的输出作为切换模块SFT的切换开关Z输入，也就是当主蒸汽流量大于百分之四十时，LALM置1输出，切换模块SFT接收到1后，选择X1值作为输出值，即控制系统切入串级三冲量控制。当主蒸汽流量小于百分之四十时，HLALM输出0，SFT的切换开关Z接收0后，选择X2作为输出值，这时控制系统切换为单冲量控制系统。2.3.5手/自动的切换在一些特殊情况下，调节系统必须切手动运行，以保护调节设备或保证锅炉给水的正常供应。在两个软手操面板上均有“手动”按钮，如果操作员需要手动调节，单击面板上的“M”键，系统自动调节退出，操作人员可凭经验手动调节。设计考虑到自动调节的连续性和稳定性，对于一些自动不能实现的特殊情况，给出了切手动的组态逻辑。给水调节阀反馈阀位信号与控制系统输出信号，即软手操S/MA的输出信号通过DEV作偏差运算，其开关量输出值作为或运算模块OR的Z2输入，Z1信号引自给定值与汽包水位反馈信号经偏差运算模块DEV开关量输出，或运算模块OR的输出值作为软手操S/MA的强制手操接口TOM输入。也就是说在调节阀阀位信号与软手操输出的指令的偏差过大时，汽包水位信号的反馈值与给定值偏差过大时，或调节给水门前后的分道电动门关闭的情况下，系统自动切手动运行。设计为能够参与自动调节的主给水电动调节门、大旁路电动调节门，组态了两套相同的切手动逻辑，在此就不再赘述。在组态中，设计对自动状态下的输出制定了高限。分道电动门的状态与调节器的状态输出分别作为与运算模块AND的Z1、Z2输入，与运算的输出作为转换模块SFT的切换开关Z，X1的规定值为100，即在分道电动门开启和调节器的自动的状态下，调节器的输出不能高于100。2.3.6跟踪技术为了实现控制系统的单冲量回路/三冲量回路之间，手动/自动之间的无扰切换，组态设计了跟踪回路。串级三冲量控制系统的跟踪由下述模块实现，主汽流量信号经函数模块F（X）输入高限为40低限为0的高低限转换模块HLALM，其输出开关量经过非运算模块后，作为或运算模块OR的一个输入量，另一个输入是两个软手操S/MA的状态输出的与运算结果，或运算OR的输出即跟踪切换开关。也就是在控制系统切手动或主蒸汽流量小于百分之四十时，串级三冲量控制切跟踪。串级三冲量控制系统的被跟踪量由以下模块和逻辑实现，分道电动门1的状态，分道电动门5的状态的求反值，分别作为或运算模块OR的两个输入量，OR的输出开关量作为切换模块SFT的切换开关Z输入，切换模块SFT的输X1、X2入值分别两个软手操S/MA的输出值，SFT的输出就是被跟踪量TR值，即在分道电动门1开，分道电动门1电动门5关的状态下跟踪主给水调节门的输出值；在分道电动门1关，分道电动门5开的状态下，系统跟踪大旁路给水调节门的输出值。单冲量控制系统的跟踪逻辑是这样的，前面所提到的高低限转换模块HLALM的输出开关量作为或运算模块OR的Z1输入，两个软手操的状态输出开关量作与运算后，作为或运算模块OR的Z2输入，或运算结果作为单冲量控制系统的跟踪切换开关。简单说，也就是当主蒸汽流量大于总流量的百分之四十时或控制系统切手动时，单冲量控制系统切跟踪，它的被跟踪量是大旁路给水调节门的输出值。2.3.7PI参数整定单冲量控制系统的P、I参数整定，采用与前面所述的给水母管压力控制系统调节器相同的方法，即在锅炉低负荷的仿真状态图1-5用以试凑为主的经验法整定，最终的到的调节器比例系数KP为1.2，积分时间Ti为90S。图1-5：仿真曲线图下面进行串级三冲量控制系统正副调节器P、I参数的整定。串级三冲量控制系统与常规三冲量给水控制系统整定是有区别的，主要有下面两个方面：在串级控制系统中，副回路和主回路的整定基本是各自独立的，调节器整定参数作用非常清晰，整定步骤明确。在常规三冲量给水控制系统中，对主蒸汽流量信号和给水流量信号的静态配合方面要求很严格，如果静态配合不准，就会引起汽包水位的静态偏差。这是三冲量控制系统的缺点,而串级三冲量控制系统不存在这方面问题。如果水位对象外扰特性的虚假水位现象严重时，那么还可以加大流量信号作用强度，来改善调节过程的品质。系统的副回路与单级情况一样，可作为一个随动系统，其等效方框图如图1-6所示。图1-6副回路控制方框图把调节阀和管道系统作为被调对象，则作为Kf以外的环节都作为等效调节器。由于设计中的WT2(S)采用KP2（1+1/Ti2S）的PI调节规律则式中:KP2——副调节器的比例系数，Ti2——副调节器的积分时间。副回路的对象为Kf，可近似为比例环节，所以调节器的比例带（比例系数的倒数）和积分时间都可整定的很小，在我们的设计系统中rG、kz可通过现场实验获得，因此副调节器也是整定KP2、Ti2的问题，整定一般也是用试探法求得，经现场经验法设计确定副调节器的比例系数KP2为2.5，积分时间Ti2为105S。主回路的整定是建立在副回路可等效为一个快速比例环节的基础之上的，它的示意图如图1-7所示。图1-7：控制回路等效方框图其中1/rG为等效的副回路。把WD1(S)看成被控对象，其余环节可看作等效调节器。在此，则也是一个PI规律的调节器。rH和rG为已知，所以外回路只是整定KP1和Ti1的问题，常用的近似整定计算公式为：其中：ε为飞升速度，τ为迟延时间。现场试验表明，当给水内扰特性为一个一阶惯性环节和一个积分环节相串联，调节器采用PI调节规律时，使用上述参数的调节过程过于稳定，用下述近似公式较为合适。用上述近似公式计算是足够准确的，把控制系统中的调节组件都投入自动，用水位定值扰动试验再加以修正整定参数。最后设计确定比例系数KP1为4.8，积分时间Ti1为230S。在线整定参数后，汽包水位调节品质明显改善，从给水调节门阀位反馈开度实时曲线图8所示，给水调节门的线性品质也有了大幅好转，抖动明显消失。三锅炉水位传感器SW系列水位传感器可与多种水位控制仪配套使用，实现锅炉及其它存水容器的水位自动控制和报警，以保证锅炉和贮水容器安全正常运行。SW系列水位传感器，是利用水和蒸气导电率不同的原理，采用接触式电极做传感元件，其主要特点是：1、产品结构简单，便于维修。2、由于电极是从传感器本体上方插入，电极根部不易挂污，性能可靠。3、用不锈钢棒做电极，聚四氟乙烯做绝缘材料，使用寿命长。4、在传感器本体两侧设有管法兰联接口，一侧和锅炉联接，另一侧可和水位计联接。图3-1：水位传感器机构示意图3.1主要技术参数：SWl.6型：公称压力1．6MPa工作温度＜204℃SW2.5型：公称压力2．5MPa工作温度＜225℃SW6.4型：公称压力6．4MPa工作温度＜225℃适用中心距L(mm)：250、300、330、350、440正常水位控制及水位报警位置见表3.2电极棒功能说明在法兰盖有电极棒编号标记：1号电极为高水位报警；2号电极为正常水位上限；3号电极为正常水位下限；4号电极为低水位报警。3.3安装使用1、传感器一侧法兰与锅炉管法兰联接，另一侧法兰与水位计联接，同时要联接好排污管路。2、按四根电极的编号，与水位控制仪相应接点接好，电极引出线要采用耐高温绝缘导线。3、接外壳地线与电极棒之间阻抗应大于20兆欧，如出现短路，系绝缘套出现故障，打开法兰盖检查更换即可。4、应视锅炉水质情况，定期对电极棒进行维护。打开法兰盖，抽出电极棒，用砂纸擦掉电极上的污垢。四气包报警系统4.1概述

DFS-系列电接点电致发光水位计是采取电致发光屏作为显示器件，以实现水位动态模拟显示的新型水位测量仪表。这种水位计广泛适用于锅炉汽鼓、除氧器、水箱等高、中、低压水容器的水位测量。尤其是在锅炉变参数运行的情况下，仍能准确及时地显示出锅炉内部的真实水位。如果配置相应的外部电路就可以对锅炉进行高低水位手/自动控制及高低水位极限报警。

4.2外部电路的设计要求

由于锅炉在正常运行时，既要保证生产需要的用汽量，又要保证锅炉的安全运行。这就需要水位应控制在一定的范围，也就是锅炉水位应有上、下限水位，上、下限极点水位。在正常运行时，锅炉水位应在上、下限之间。这个范围应根据锅炉的产汽量及用汽量的大小来确定。上限、下限极点则从锅炉的安全角度来考虑确定。

锅炉水位在下限时，应起动水泵给锅炉上水，这时声、光报警不动作，如果水位下降到下限极点时声、光报警同时动作，提醒操作人员注意或采取相应的措施。

当锅炉水位上升到上限水位应停止上水，水泵停止运行。这时声、光报警也不动作，当水位仍然上升，到达上限极点时声、光报警才同时动作进行报警。4.3外部电路的设计

DFS-系列电接点电致发光水位计的显示屏刻度有15点和19点两种。分为0±20，±40，±60，±80，±100，±150，±200毫米，0，±20，±40，±60，±80，±100，±150，±200，±250，±300毫米。有三组常开触点输出，触点容量为48V，AC，0.25A，触点控制位置可根据需要设定。其工作原理见图4-1所示。表4-1图4-1：水位计工作原理图其它详DFS-系列电接点电致发光水位计说明书。根据锅炉的运行要求及DFS-系列电极点电致发光水位计的特点，采用水位计的输出触点组成锅炉水位上，下限控制和报警外部电路。

将水位计的一组触点做为锅炉水位上限控制及报警，另一组触点做为锅炉水位下限控制和报警。高低水位声报警共用一个电路。手/自动转换可利用继电器的一个触点和一个开关就可转换。其电路见图4-2。图4-2：水位自动控制声、光报警及手/自动转换电路4.4操作步骤及工作原理

合上电源开关K1，将手/自动开关K2合到自动位置。当锅炉水位为下限极点时，由于水位计测量筒的测量电接点没有导通故水位计的输出触点J下限不动作处于闭合状态。这时电源通过J下限，J1-2常闭触点，使J2中间继电器励磁。J2-7，J2-1常开触点闭合，使控制水泵的交流接触器C励磁，水泵起动开始给锅炉上水。J2中间继电器同时自锁。由于这时锅炉水位处于低水位下限极点以下，J下限极点为常闭状态，J2-3由常开已经变为常闭。低水位光报警信号灯点亮，提醒操作人员注意水位到了危险水位。

当水位上升到下限极点时，测量筒的相应电接点导通，使J下限极点触点打开。低险水位声、光报警同时停止报警。水位上升到J下限时，测量筒的相应电接点导通，经过水位计内电路的放大驱动，使J下限触点打开。但这时J2中间继电器处于自锁状态，水泵仍然继续上水。

当水位上升到高水位时测量筒高水位相应电接点导通，使J上限触点闭合。J1中间继电器励磁。J1-2常闭断开使J2中间继电器断电释放，J2-7触点断开，水泵停止上水。同时J1-5触点闭合，如果水位继续上升到水位上限极点。这时测量筒的相应电接点导通，J上限极点闭合，使声、光报警同时动作提醒操作人员采取相应的措施。

当控制电路正常工作时，声、光报警都不动作。在图4-2中J上限、J上限极点、J下限、J下限极点为DFS-系列电极点电致发光水位计的输出触点。其作用分别为高、低水位控制，声、光报警控制触点。DL、HD、LD分别为高、低水位声、光报警电铃及信号灯。J1、J2为高、低水位控制继电器。J3为声报警控制继电器，消音按钮为消除声报警控制按钮，试验按钮为检查声报警电路是否正常，声报警电路为高、低水位报警共用。C为水泵起动停止控制交流接触器，TAN、QAN分别为手动停止，起动水泵控制按钮。K1为控制电路电源开关，K2为手/自动转换开关。当自动控制电出现故障时，可将转换开关K2合到手动位置，用手动控制水泵上水。如果有备用水泵则可利用J2继电器的触点再做一套手/自动转换控制电路。4.5参数的设定

水阻的设定：在正常的情况下根据被测水质情况适当选择DFS-系列电极点电致发光水位计的水阻开关的档位，以获得最佳测量灵敏度。当锅炉变参数运行时随时调整档位以适应水电阻的变化。其档位参数见表4-2。施用电压有水接通电阻无水断开电阻档位9V50HZ≤10K≥50K中18V50HZ≤40K≥100K高27V50HZ≤80K≥150K表4-2水阻档位参数表

显示屏亮度调整：根据现场照明度调整“调压”旋钮，改变发光屏的驱动电压，以取得最合适的亮度。

锅炉水位上，下限控制范围的设定：这个参数的设定要根据锅炉的产汽量及用汽量来设定，或者根据锅炉原有的平面板玻璃水位计的显示位置来确定。这就要求在安装DFS-系列电接点电致发光水位计的测量筒时，其中心点要与平面板玻璃水位计的中心点相一致，否则将会测量不准。

水位上，下限极点的确定应从锅炉的安全角度来考虑设定。一般在显示屏上看，上限极点比上限点高一格，下限极点则比下限点低一格。具体设定可参照DFS-系列电极点电致发光水位计的说明书及电路图，将显示板背面的跨接线上端焊点断开，再焊接到所需要的控制点上即可。五结论利用XDPS的组态技术，按实际系统的要求进行逻辑设计，克服了以往模拟组合仪表实现调节的诸多缺点，对生产过程实现了分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调的功能。PID设计是本次设计的主要内容和关键核心，能够很好的实现顺序控制和给水的自动化调节。汽包水位控制系统的组态设计以串级三冲量控制理论和单冲量控制理论为