過程控制儀表課程設(shè)計鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)

1、University of South China過程控制儀表課程設(shè)計題 目鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)學(xué)生姓名專業(yè)班級自動化073班學(xué)號指導(dǎo)老師高飛燕唐耀庚2010 年12月26日鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)鍋爐是電廠和化工廠里常見的生產(chǎn)設(shè)備， 為了使鍋爐能正常運行，必須維持 鍋爐的水位在一定的范圍內(nèi)，這就需要控制鍋爐汽包的水位。汽包水位很重要， 水位過高會影響汽水分離的效果， 使蒸汽帶液，損壞汽輪機(jī)葉片；如果水位過低 會損壞鍋爐，甚至引起爆炸。可見鍋爐汽包水位控制在鍋爐設(shè)備控制系統(tǒng)中的重 要性。本論文設(shè)計的是鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)，利用控制裝置和被控對象組成了 一個自動控制系統(tǒng)。被調(diào)量是汽包水位，調(diào)節(jié)量是給

2、誰量。它主要考慮汽包內(nèi)部 物料平衡，使給水量適應(yīng)鍋爐的揮發(fā)量，維持汽包中水位在工藝允許的范圍內(nèi)。一、汽包水位調(diào)節(jié)對象的干擾分析鍋爐的汽水系統(tǒng)原理圖如圖1所示蒸汽母管圖1鍋爐汽水駅統(tǒng)原理圖影響汽包水位變化的干擾因素有：給水量的干擾，蒸汽負(fù)荷變化，燃料 量變化，汽包壓力變化等。汽包壓力變化不是直接影響水位的，而是通過汽包壓力升高時的“自凝 結(jié)”和壓力降低時的“自蒸發(fā)”過程引起水位變化的。況且，壓力變化的 原因往往是出于熱負(fù)荷和蒸汽負(fù)荷的變化所引起的故這一干擾可以放到其 他干擾中考慮。燃燒流量的變化要經(jīng)過燃燒系統(tǒng)變成熱量，才能為水吸收，繼而影響氣 化量，這個干擾通道的傳遞滯后都比較大。蒸汽負(fù)荷變化時

3、按用戶需要量 而改變的不可控因素。剩下的只有給水量可作為調(diào)節(jié)參數(shù)。.鍋爐汽包水位的動態(tài)特性1 .汽包水位在給水量作用下的動態(tài)特圖2給水流量擾動下水位階段響應(yīng)曲線圖2所示是給水量作用下，水位的階躍響應(yīng)曲線。把汽包和給誰看做單容 量無自衡過程，水位階躍響應(yīng)如圖中 Hi線?？紤]到給水溫度低于汽包內(nèi)的飽和 水溫度，當(dāng)它進(jìn)入汽包后吸收了原來的飽和水中的一部分熱量，使鍋爐的蒸汽產(chǎn)量下降，水面以下的汽包總體積 Vs也就相應(yīng)減小，導(dǎo)致水位下降。Vs對對水位 的影響可以用圖中的曲線 H2表示。水位H的實際響應(yīng)曲線是Hi和H2的總和。 從圖可知，響應(yīng)過程有一段遲延時間t。給水的過冷度越大，純遲延時間也越大。 給水

4、擾動下的傳遞函數(shù)可以近似表示為K0 -為響應(yīng)速度，即給水流量作單位流量變化時，水位的變化速度，(mm/s)/(t/h)。t時滯，秒。2 .汽包水位在蒸汽流量擾動下的動態(tài)特性蒸汽流量擾動主要來自汽輪機(jī)的負(fù)荷變化， 這是一個經(jīng)常發(fā)生的擾動，屬 于調(diào)節(jié)系統(tǒng)的外擾。在蒸汽流量 D擾動左右下，水位的階躍響應(yīng)曲線如圖 3所 示。Dno'1r圖：寸汽包水位在蒸汽流城擾動件用卜的階脈響應(yīng)曲線當(dāng)蒸汽流量突然增加時，由于虛假水位現(xiàn)象，在開始階段水位不僅不會下 降卻反而先上升，然后下降（反之，當(dāng)蒸汽流量突然減少時，則水位先下降，然 后上升）。蒸汽流量D突然增加時，實際水位的變化H是不考慮水面下汽包容積 變化

5、時的水位變化H1與只考慮水面下汽包容積變化所引起水位變化 H2的疊加, 即F= （ 1+K4）Ff用傳遞函數(shù)來表述為Hi($)(7 k:D(s) D(s) D(s) 57:5 + 1式中，Kf-響應(yīng)速度，即蒸汽流量變化單位流量時水位的變化速度，（mm/S/（t/h） K響應(yīng)曲線H2的放大系數(shù)T2-響應(yīng)曲線H2的時間常數(shù)“虛假水位” 變化大小與鍋爐的工作壓力和蒸發(fā)量有關(guān)，如一般100230T/h的中、高壓鍋爐，當(dāng)負(fù)荷突然變化10%時，“虛假水位”可達(dá)3040mm?！疤摷偎弧弊兓瘜儆诜错懱匦?，其變化與鍋爐的壓力和蒸發(fā)量的大小有關(guān)， 而 與給水量無關(guān)。三. 控制方案設(shè)計目前較為成熟的鍋爐汽包水位控

6、制方案有單沖量控制系統(tǒng)、雙沖量控制系 統(tǒng)及三沖量控制系統(tǒng)。（1）單沖量控制系統(tǒng)。即汽包水位的單回路水位控制系統(tǒng)；(2) 雙沖量控制系統(tǒng)。即在單沖量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引入了蒸汽流量信號；(3) 三沖量控制系統(tǒng)。是在雙沖量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上再引入給水流量信號而構(gòu)成。本次方案采用單沖量控制系統(tǒng)。單沖量控制系統(tǒng)：單沖量水位控制系統(tǒng)以汽包水位作為唯一的控制信號，沖量即變量。水位測量信號經(jīng)變送器送到水位調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器根據(jù)汽包水位測量值H與給定值Ho的偏差，通過執(zhí)行器去控制給水調(diào)節(jié)閥以改變給水量，保持汽包水位在允許的范圍內(nèi)。系統(tǒng)框圖為圖4所示。圖4單沖量控制系統(tǒng)框圖 控制方案如圖5所示。蒸汽調(diào)節(jié)閥圖5單沖量水位控制系統(tǒng)

7、這種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，是典型的單回路定制控制系統(tǒng)。對于水在汽包內(nèi) 的停留時間較長，且負(fù)荷又比較穩(wěn)定，“虛假水位”現(xiàn)象不嚴(yán)重的情況下，采用 單沖量控制系統(tǒng)，進(jìn)行PID調(diào)節(jié)一般就能滿足生產(chǎn)要求。單沖量汽包水位調(diào)節(jié)的優(yōu)點是：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，在汽包容量比較大、水位 在受到擾動后的反應(yīng)速度比較慢、“虛假水位”現(xiàn)象不很嚴(yán)重的場合，采用單沖 量水位調(diào)節(jié)時能夠滿足生產(chǎn)要求。單沖量汽包水位調(diào)節(jié)存在著一些缺點，主要有：(1) 單沖量控制方案只根據(jù)水位信號控制給水量，在鍋爐負(fù)荷變化大，即 階躍擾動很大時，由于鍋爐的“假水位”現(xiàn)象，例如負(fù)荷蒸汽增加時，水位一開 始先上升，調(diào)節(jié)器只根據(jù)水位作為控制信號，就去關(guān)小閥門減少給

8、水量，這個動 作對鍋爐流量平衡是錯誤的， 從而在過程一開始就擴(kuò)大蒸汽流量和給水流量的波 動幅度，擴(kuò)大了進(jìn)出流量的不平衡。（2）從給水?dāng)_動下水位變化的動態(tài)特性可以看出，由于給水壓力變化等原 因造成給水量變化時， 調(diào)節(jié)器要等到水位變化后才開始動作， 而在調(diào)節(jié)器動作后 又要經(jīng)過一段滯后時間 才能對汽包水位發(fā)生影響，因此必將導(dǎo)致汽包水位波動 幅度大，過程時間長。四、控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)儀表的配置、選型及參數(shù)的確定 在汽包水位控制系統(tǒng)設(shè)計中， 所需使用的儀表有調(diào)節(jié)器、 執(zhí)行器、變送器、 伺服放大器、電動操作器、顯示儀表。其選型如下1 調(diào)節(jié)器的選型所選調(diào)節(jié)器的型號為 DTZ2100（1） DTZ2100 工作原

9、理DTZ2100 全刻度指示調(diào)節(jié)器是調(diào)節(jié)單元的一個基型品種， 對被控值與給定 值之差進(jìn)行比例、微分、積分運算輸出，420mA直流信號送至執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實現(xiàn) 對溫度、壓力、液面、流量等到工藝參數(shù)的自動調(diào)節(jié)。全刻度指示調(diào)節(jié)器前面板 有一雙針或雙光柱，全刻度指示表，在同一刻度標(biāo)尺上同時指示測量值及給定值。 由二指針的示差直接讀出偏差量， 指示醒目， 容易觀察調(diào)節(jié)結(jié)果， 手動和自動之 間的切換是無平衡無擾動的，操作方便。全刻度指示調(diào)節(jié)器，還具有前饋功能， 和抗積分、飽和功能，前饋調(diào)節(jié)器，可以克服滯后現(xiàn)象，提高調(diào)節(jié)質(zhì)量?？狗e分 飽和調(diào)節(jié)在工藝過程異常， 情況下能迅速關(guān)閉或打開安全閥， 不致使被調(diào)參數(shù)進(jìn) 入非

10、安全值區(qū)域，常用于化工設(shè)備的放空系統(tǒng)，或后縮機(jī)的防喘系統(tǒng)。（2） 技術(shù)參數(shù) 輸入信號：1-5VQC辺內(nèi)給定信號：15V.DC3 外給定信號： 4 20mA.DC4 調(diào)節(jié)作用： 比例+積分+微分比例帶： 2500%積分時間： 0.01 2.5 分0.125分微分時間： 0.04 1 0分（可切除）©輸入，給定指示表： 指示范圍：0100%誤差：土 1% 輸出指示表：指示范圍0100%,誤差土 2.5%©7 輸出信號： 420mA， DC©8 切換特性：屬于無平衡無擾動切換 。0.25%自動軟手動切換擾動量小于滿度的± 0.25% 硬手動軟手動或自動切換擾動

11、量小于滿度的± 軟手動硬手動切換擾動量小于滿度的± 5%© 負(fù)載阻抗：250Q750 Q©10 最大工作電流：約 200mA©11 功耗： 6W©12 電源: 24V.DC©13 重量： 6 kg©14 工作條件：周圍環(huán)境溫度：0 40 °C相對濕度：< 85%工作振動：頻率w 25HZ 全振幅w 0.1mm前饋信號：15V.DC 420mA.DC（適用于前饋調(diào)節(jié)器）©16 前饋系數(shù)： 0.8 1.2 （適用于前饋調(diào)節(jié)器）©17 刻度誤差：± 0.5%（適用于前饋調(diào)節(jié)器

12、）©18限制范圍：高限： 75105%（適用于抗飽和調(diào)節(jié)器）低限： -5 25%（適用于抗飽和調(diào)節(jié)器）刻度誤差：± 0.5%3） 端子接線圖輸出15V.DClt420mA；2_前憒it號段屯曲幽A nn©24VIX<®圖6 DTN 2100端子接線圖2. 執(zhí)行器的選型執(zhí)行器在自動控制系統(tǒng)中的作用是接受來自控制器的控制信號，通過其本身 開度的變化，從而達(dá)到控制流量的目的。本系統(tǒng)所選用的執(zhí)行器為ZAZN電動雙座調(diào)節(jié)閥(1) 概述ZAZN電動雙座調(diào)節(jié)閥，由DDZ型直行程電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)和直通雙座閥兩部 分組成。以單項交流220V電源為動力，接受010或mA或

13、420mA直流信 號，自動地控制調(diào)節(jié)閥開度，達(dá)到對管道內(nèi)流體的壓力、流量、溫度、液位等工 藝參數(shù)的連續(xù)調(diào)節(jié)。座閥有上、下兩個閥芯球，流體作用在上、下閥芯上的推力， 其方向相反而大小接近，不平衡力很小，允許壓差大，額定流量系數(shù)比同口徑的 單座閥大，但該閥的泄漏較單座閥大。適用于對泄露量要求不嚴(yán)格，閥前后壓差較大的干凈介質(zhì)場合。(2) 閥體 型 式：直通雙座鑄造球型閥 公稱通徑：25、32、40、50、65、80、100、125、150、200、250、公稱壓力:300mmPN1.6、4.0、6.4MPa 法蘭標(biāo)準(zhǔn)：JB/T79.1-94、79.2-94 等材料：鑄鋼(ZG230-450 )、鑄不

14、銹鋼(ZGICrl8Ni9Ti、ZGICrl8Nil2Mo2Ti ) 上 閥蓋：標(biāo)準(zhǔn)型-17+230 C、散熱型+230+450 C、低溫型-60-196 °C、波紋管密封-40+350 C(3) 閥內(nèi)組件 閥芯型式：雙座柱塞型閥芯流量特性：等百分比特性和線性特性(4) 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 型號：電動執(zhí)行器DKZ-410技術(shù)參數(shù):表1DKZ-410技術(shù)參數(shù)項目名稱DKZ標(biāo)準(zhǔn)型控制機(jī)構(gòu)輸入信號4-20mA 或 0-10V DC反饋信號0 10mAdc 4 20mAdc死區(qū)0 4% 3%基本誤差± 2. 5%回差< 1. 5%限位開側(cè)/閉側(cè)開度檢測精密導(dǎo)電塑料電位器動力動力220V

15、/50HZ驅(qū)動電機(jī)伺服電機(jī)附屬機(jī)構(gòu)加熱器選擇件手動機(jī)構(gòu)手輪安裝條件環(huán)境溫度無加熱器一25C+70C環(huán)境氣體無腐蝕性氣體接線口十四線插頭相對濕度<95%防護(hù)等級 端子接線圖收燙L；號iff*22-| Ik圖7DKZ-410接線圖3. 變送器的選型變送器在自動檢測和控制系統(tǒng)中的作用，是對各種工藝參數(shù)，如溫度、壓 力、流量、液位、成分等物理量進(jìn)行檢測，以供顯示、紀(jì)錄或控制只用?？刂葡到y(tǒng)中所選的變送器的型號為 CR-604,為鍋爐專用液位計。（1）CR-604 概述CR-604鍋爐專用分體式液位計，采用獨特結(jié)構(gòu)，將抗高溫、耐高壓、抗腐蝕性能集于一身，變送部分利用軍工器件，使信號輸出更加穩(wěn)定、可靠

16、，并可與 計算機(jī)聯(lián)網(wǎng)使用，專用于鍋爐液位的線性測量及自控， 安裝極其方便，維護(hù)量很 小，大大降低了使用、維護(hù)人員的工作量。（2）CR-604的工作原理電容式液位測控儀均采用電容原理， 即電容兩極間介質(zhì)量的變化可引起電容 量的變化。其原理模擬圖如圖8所示，把一根外包絕緣層的金屬棒插入裝有導(dǎo)電 介質(zhì)的金屬容器，金屬棒和容器內(nèi)壁之間形成電容，其填充介質(zhì)的變化量AH與形成的電容變化量Cx關(guān)系如下式：ACz=d圖8CR-604的工作原理模擬圖當(dāng)被測介質(zhì)液位變化時，傳感器電容量 Cx也隨之發(fā)生變化，電容變化增量Cx通過變送器電路轉(zhuǎn)換為與液位成正比例的標(biāo)準(zhǔn)電流信號。轉(zhuǎn)換過程可用圖7所示的方框圖示意：圖9轉(zhuǎn)換

17、過程方框圖(3) 技術(shù)參數(shù)工作電壓： 最大：40V 最?。?.5V電流環(huán)：兩線制4.00mA20.00mA (± 0.5%)防爆等級：ExiallCT6 (-40 C 70C)ExiallCT15(-40 °C 85°C)防爆參數(shù)：Ui=30V,li=100mA ,Pi=0.75WCi=100pF,Li=10uH 測量范圍：02200mm Max 分辨率：0.02mm 工作壓力：40MPa Max 介質(zhì)溫度：300C Max.0.5秒溫度漂移：土 0.5mmMax(-40 C 85C)線性偏差：土(1+0.05%FS) mm測量周期:環(huán)境溫度：-40 C 85C

18、(ExiaIICT1-T5 )防護(hù)等級：IP67®佶兮輸出+24vgt電®公共接地空腳存儲溫度：-55 C100 C(4) 端子接線圖 空卿 4- 20mA正 4 20mA 71線制接線.嘆;L加縄 空腳圖10端子板接線圖4. 伺服放大器的選型所選用的伺服放大器型號為ZPE-2031JE(!)工作原理伺服放大器的輸入信號來自于變送。調(diào)節(jié)等單元的標(biāo)準(zhǔn)信號。與執(zhí)行機(jī)構(gòu)反 饋來的位置信號。在放大器的前級進(jìn)行比較(即代數(shù)相減)，比較后的信號差值 大于放大器的靈敏限時，電動執(zhí)行器功率出帶動閥門，完成各種自控調(diào)節(jié)，閥門 的開啟方向也就是電動機(jī)的轉(zhuǎn)動方向，取決于輸入信號的量值，電動機(jī)總量

19、朝著 減小和反饋信號差值方向轉(zhuǎn)動。(2 ) 技術(shù)參數(shù) 輸入信號：4-20mA. DC 輸入通道：1個 輸入電阻：250歐姆 輸出：輸出電壓降小于2V電流5A©死區(qū)：0.8-8% (連續(xù)可調(diào)) 電源：電壓 220V. AC 允差 +10%，-15%頻率 50Hz 允差 +1%，-1% 報警觸頭容量：110VAC 0.5A/28V. DC . 1A 使用環(huán)境：溫度0-50 C相對濕度10%-70%周圍空氣中無起腐蝕作用的介質(zhì)大氣壓力 86-106Kpa(3)端子接線圖輸入信號反慣信號事簷號斗4工0*0-0*'0*o+正合賽反合:一電機(jī)正行±_-電機(jī)反行0VN220圖11

20、 ZPE2031J川伺服放大器接線端子圖5. 電動操作器的選型控制系統(tǒng)所選的電動操作器的型號是 DFD-1000(1) 工作原理DFD-1000型電動操作器，采用“開關(guān)操作制”原理進(jìn)行“手動”與“自動”的切換和操作?！白詣痈櫋笔窃凇笆謩印惫r，將執(zhí)行器位置反饋電壓1-5V.DC， 加到調(diào)節(jié)器的積分電容兩端，使調(diào)節(jié)器輸出電流，始終跟蹤位置反饋電流，并保 持相等。(2) 技術(shù)參數(shù)、電源電壓：220V，50602Hz 、開關(guān)觸頭額定容量：主回路 500V 15A信號回路 110V 2A 跟蹤電壓1-5V DC 工作條件a環(huán)境溫度 045Cb、相對濕度 三85%®儀表重量 約3Kg© 外形尺寸（長X寬X高）295 X 80X 160 （mm（3）端子接線圖一 Oi0i_ /F?iio|1N -220V1 -L®-亠曲大（Sift岀（正）®-i世置反ts 億號（入）©_-館號（出）®圖12DFD-1000接線端子圖6. 顯示儀表的選型所設(shè)計的控制系統(tǒng)所選用的顯示儀表為 DXZ-1011（1）DXZ-1011工作原理本儀表能將1-5V直流電壓直接并到表頭指示。表頭采用動圈式張絲結(jié)構(gòu)。磁路系統(tǒng)由扇形磁