鍋爐汽包液位壓力控制系統(tǒng)

鍋爐汽包液位壓力控制系統(tǒng)第1頁(yè)，共22頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第一章概述

鍋爐的汽包液位是影響鍋爐安全運(yùn)行的重要參數(shù)，液位過(guò)高，會(huì)破壞汽水分離裝置的正常工作，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致蒸汽帶水增多，增加在管壁上的結(jié)垢和影響蒸汽的質(zhì)量。液位過(guò)低，則會(huì)破壞水循環(huán)，引起水冷壁管的破裂，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成干鍋，損壞汽包。所以其值過(guò)高過(guò)低都可能造成重大事故。壓力控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是閉環(huán)的，由壓力傳感器、壓力控制器和被控對(duì)象組成。壓力傳感器測(cè)量被控壓力，并轉(zhuǎn)換成便于利用的信號(hào)形式，比較裝置將反映壓力大小的信號(hào)與給定壓力值比較，產(chǎn)生偏差信號(hào)。偏差信號(hào)通過(guò)壓力控制器作用到壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)上，按照消除偏差的方向來(lái)改變被測(cè)點(diǎn)的壓力，將其調(diào)節(jié)到給定的希望值本。設(shè)計(jì)使用數(shù)顯PID控制儀控制氣罐壓力，要使氣罐內(nèi)氣壓維持恒定,并要求無(wú)殘差,我全部使用DDZ-Ⅲ型儀表完成設(shè)計(jì),但為了系統(tǒng)的穩(wěn)定,在控制器,執(zhí)行器和變送器的基礎(chǔ)上加入隔離配電器。第2頁(yè)，共22頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第二章

鍋爐汽包液位控制設(shè)計(jì)

鍋爐是一個(gè)復(fù)雜的被控對(duì)象，主要輸入變量包括符合的蒸汽需求量、給水量、燃料量、減溫水量、送風(fēng)量和引風(fēng)量等；主要輸出變量有鍋筒液位、蒸汽壓力、過(guò)熱蒸汽溫度、爐膛負(fù)壓、過(guò)?？諝猓煔夂趿浚┑龋蠄D為輸入變量與輸出變量之間的相互關(guān)系。如果蒸汽符合變化或給水量發(fā)生變化，會(huì)引起鍋筒液位、蒸汽壓力和過(guò)熱蒸汽溫度等的變化；而燃料量的變化不僅影響蒸汽壓力，還會(huì)影響鍋筒液位、過(guò)熱蒸汽溫度、過(guò)?？諝夂蜖t膛負(fù)壓、可見(jiàn)，鍋爐是一個(gè)具有多輸入、多輸出且變量之間相互關(guān)聯(lián)的被控對(duì)象。第3頁(yè)，共22頁(yè)，2023年，2月20日，星期四鍋爐汽包液位的控制方案

根據(jù)鍋爐汽包液位特性，選取鍋爐汽包液位為被控量，給水流量為控制量，蒸汽流量和給水流量為干擾量，通過(guò)控制給水量來(lái)使鍋爐汽包液位維持在滿(mǎn)足負(fù)荷需求的高度。同時(shí)，為保證鍋爐安全生產(chǎn)，調(diào)節(jié)節(jié)水量的執(zhí)行機(jī)構(gòu)選取氣關(guān)式。第4頁(yè)，共22頁(yè)，2023年，2月20日，星期四所謂單沖量就是指鍋爐汽包液位為被控參數(shù)，給水量作為控制變量可構(gòu)成的單回路控制系統(tǒng)，如圖2.2所示。對(duì)于小型鍋爐，由于蒸汽負(fù)荷變化時(shí)假液位的現(xiàn)象不明顯，如果再配上一些聯(lián)鎖報(bào)警裝置，這種單沖量控制系統(tǒng)能滿(mǎn)足要求。對(duì)于負(fù)荷變動(dòng)較大的大，中型鍋爐，單沖量控制系統(tǒng)不能保證液位穩(wěn)定，難以滿(mǎn)足液位控制要求和生產(chǎn)安全。因此，該控制方案不適用于負(fù)荷變動(dòng)較大的情況。蒸汽流量是影響汽包液位最主要的擾動(dòng)，也是造成假液位的主要因素。如果將蒸汽流量這一可測(cè)不可控的干擾作為前饋引入單沖量系統(tǒng)，就可以有效避免假液位引起的誤動(dòng)作，并及時(shí)控制液位，減小液位波動(dòng)。由此，構(gòu)成如圖2.3所示的雙沖量控制系統(tǒng)，其本質(zhì)為前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)，即給水量不僅取決于汽包液位，還受到蒸汽用量影響?？梢?jiàn)，該控制方案能有效適應(yīng)負(fù)荷需求變化，但對(duì)給水系統(tǒng)中的水壓等干擾因素造成的波動(dòng)不能及時(shí)抑制。單沖量控制系統(tǒng)

雙沖量控制系統(tǒng)

第5頁(yè)，共22頁(yè)，2023年，2月20日，星期四三沖量控制系統(tǒng)

為進(jìn)一步改善控制品質(zhì)，引入給水流量信號(hào)，構(gòu)成三沖量控制系統(tǒng)，如圖2.4所示。所謂三沖量，值得是引入了三個(gè)測(cè)量信號(hào)：汽包液位、給水流量和蒸汽流量。三沖量控制本質(zhì)上時(shí)前饋-串級(jí)復(fù)合控制系統(tǒng)：主回路實(shí)現(xiàn)液位調(diào)節(jié)，副回路使給水流量能適應(yīng)負(fù)荷和液位要求。三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)能及時(shí)克服負(fù)荷(蒸汽量)和給水流量的干擾作用，調(diào)節(jié)精度較高，適用于汽包容積較小、負(fù)荷和給水干擾較大的場(chǎng)合。目前已得到了應(yīng)用，實(shí)踐證明效果良好。第6頁(yè)，共22頁(yè)，2023年，2月20日，星期四壓力傳感器/變送器

液位變送器選擇TK3051L液位變送器

PTH501/502/503/504壓力傳感器/變送器采用全不銹鋼封焊結(jié)構(gòu)，具有良的防潮能力及優(yōu)異的介質(zhì)兼容性。廣泛用于工業(yè)設(shè)備、水利、化工、醫(yī)療、電力、空調(diào)、金剛石壓機(jī)、冶金、車(chē)輛制動(dòng)、樓宇供水等壓力測(cè)量與控制。量程:-0.1~0～1～150(MPa)綜合精度:0.1%FS、0.2%FS、0.5%FS、1.0%FS

輸出信號(hào):4～20mA(二線(xiàn)制)、0～5V、1～5V、0～10V(三線(xiàn)制)

供電電壓:24DCV(9～36DCV)介質(zhì)溫度:-20～85～150℃

環(huán)境溫度:常溫(-20～85℃)負(fù)載電阻:電流輸出型：最大800Ω；電壓輸出型：大于50KΩ絕緣電阻:大于2000MΩ(100VDC

密封等級(jí):IP65長(zhǎng)期穩(wěn)定性能:0.1%FS/年

振動(dòng)影響:在機(jī)械振動(dòng)頻率20Hz～1000Hz內(nèi)，輸出變化小于0.1%FS

電氣接口(信號(hào)接口):四芯屏蔽線(xiàn)、四芯航空接插件、緊線(xiàn)螺母

機(jī)械連接(螺紋接口):1/2-20UNF、M14×1.5、M20×1.5、M22×1.5第7頁(yè)，共22頁(yè)，2023年，2月20日，星期四控制器的選擇：采用上海萬(wàn)訊儀表有限公司生產(chǎn)的AI系列全通用人工智能調(diào)節(jié)儀表，其中SA-12智能調(diào)節(jié)儀控制掛件為AI-818，SA-13智能位式調(diào)節(jié)儀為AI-708型。AI-818型儀表為PID控制型，輸出為4~20mADC信號(hào)。執(zhí)行器的選擇：RZXP型新系列氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，產(chǎn)品公稱(chēng)壓力等級(jí)有PN10、16、40、64；閥體口徑范圍DN20~200。適用流體溫由-200℃~560℃范圍內(nèi)多種檔次?？刂破鞯淖饔梅绞剑寒?dāng)設(shè)定值不變時(shí)，隨著測(cè)量值的增加，調(diào)節(jié)器的輸出也增加，則稱(chēng)為“正作用”方式；當(dāng)測(cè)量值不變時(shí)，設(shè)定值減小時(shí)，調(diào)節(jié)器輸出也增加，稱(chēng)為“正作用”方式；如果測(cè)量值增加或設(shè)定值減小時(shí)，調(diào)節(jié)器輸出減小，則稱(chēng)為“反作用”方式。經(jīng)分析此系統(tǒng)為正作用方式。閥的開(kāi)閉選擇形式：鍋爐給水調(diào)節(jié)閥一般采用氣關(guān)式，一旦事故發(fā)生，系統(tǒng)失控，供水調(diào)節(jié)閥處于全開(kāi)位置，是鍋爐不致因給水中斷燒壞，避免爆炸等事故的發(fā)生。第8頁(yè)，共22頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第三章PID對(duì)控制的影響

比例P調(diào)節(jié)：在P調(diào)節(jié)中，調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)與偏差信號(hào)成比例。比例調(diào)節(jié)是有差調(diào)節(jié)，比例調(diào)節(jié)的殘差隨著比例帶的加大而加大稱(chēng)為比例帶，其中KP為比例系數(shù)。人們希望盡量減小比例帶，然而，減小比例帶就等于加大調(diào)節(jié)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)增益，其后果是導(dǎo)致系統(tǒng)的激烈振蕩甚至不穩(wěn)定。穩(wěn)定性是任何閉環(huán)系統(tǒng)的首要要求，比例帶的設(shè)置必須保證系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定裕度。比例帶具有一個(gè)臨界值，此時(shí)系統(tǒng)處于穩(wěn)定邊界的情況，進(jìn)一步減小比例帶系統(tǒng)就不穩(wěn)定了。積分I調(diào)節(jié)：

在I調(diào)節(jié)中，調(diào)節(jié)的輸出信號(hào)的變化速度與偏差信號(hào)e成正比，稱(chēng)為積分速度，其中TI為積分時(shí)間常數(shù)。增大積分速度將會(huì)降低控制系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，直至出現(xiàn)發(fā)散的振蕩過(guò)程。I調(diào)節(jié)是無(wú)差調(diào)節(jié)，只有當(dāng)被調(diào)量偏差為零時(shí)，I調(diào)節(jié)的輸出才保持不變。I調(diào)節(jié)的穩(wěn)定作用比P調(diào)節(jié)差,如果只采用I調(diào)節(jié)不可能得到穩(wěn)定的系統(tǒng)，且振蕩頻率較低。微分D調(diào)節(jié)：D調(diào)節(jié)中的輸出與被調(diào)量或其偏差對(duì)于時(shí)間的導(dǎo)數(shù)成正比，即TD為微分時(shí)間。微分的作用在于改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。單純的微分調(diào)節(jié)器是不能工作的。因此微分調(diào)節(jié)只能起輔助的調(diào)節(jié)作用，與P結(jié)合PD或與PI構(gòu)成PID調(diào)節(jié)?？傊琍ID控制器中，比例環(huán)節(jié)主要減少偏差；積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度；微分調(diào)節(jié)能加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。第9頁(yè)，共22頁(yè)，2023年，2月20日，星期四PID控制器的參數(shù)整定控制器的參數(shù)整定對(duì)系統(tǒng)的控制質(zhì)量起到了決定性的作用。確定控制器最佳過(guò)渡過(guò)程中的比例帶δ，積分時(shí)間TI和微分時(shí)間TD的數(shù)值稱(chēng)為控制器參數(shù)整定。整定參數(shù)的順序是，先整定比例帶δ，待過(guò)渡過(guò)程穩(wěn)定后再加入積分作用以消除余差，最后加入微分，以加快過(guò)渡過(guò)程，進(jìn)一步提高控制質(zhì)量。PID控制器的經(jīng)驗(yàn)法整定：先將TD置為0，置TI為∞，先整定比例帶使之達(dá)到4：1衰減過(guò)程，然后將比例帶放大（10%-20%），而積分時(shí)間TI由大到小逐步加入，直至達(dá)到4：1的衰減過(guò)程，然后將比例帶減小到比原值小（10%-20%）的位置，而積分時(shí)間也適當(dāng)減小，再把TD由小到大加入，觀察曲線(xiàn)，直到滿(mǎn)意的過(guò)程為止。第10頁(yè)，共22頁(yè)，2023年，2月20日，星期四（1）給水流量的傳遞函數(shù)：（2）蒸汽流量的傳遞函數(shù)：（3）變送器的比例系數(shù)：液位變化范圍為±50mm，液位變送器的電流變化為0-10mA，所以液位變送器的比例系數(shù)為：給水流量和蒸汽流量變送器的比例系數(shù)為：。第四章鍋爐汽包液位的三沖量

串級(jí)PID控制系統(tǒng)仿真第11頁(yè)，共22頁(yè)，2023年，2月20日，星期四通過(guò)估算及仿真實(shí)驗(yàn)

根據(jù)，給水流量信號(hào)和蒸汽流量信號(hào)的分流系數(shù)為：0.21。PID控制器的參數(shù)采用逐步逼近法，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)得到：（1）主控制器的PID參數(shù)為：（2）副控制器的PID參數(shù)為：汽包液位三沖量串級(jí)PID控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)如圖4.1所示，在液位傳遞函數(shù)為仿真結(jié)果如圖4.2所示。在液位傳遞函為。第12頁(yè)，共22頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

圖4.1控制系統(tǒng)(a)液位給定值階躍跟蹤響應(yīng)時(shí)的仿真結(jié)果第13頁(yè)，共22頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

(b)在1700秒加入蒸汽流量擾動(dòng)時(shí)的仿真結(jié)果(c)在1700秒加入給水流量擾動(dòng)時(shí)的仿真結(jié)果

圖4.2仿真結(jié)果第14頁(yè)，共22頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

以鍋爐汽包液體管道或容器中的壓力作為被控制量的反饋控制系統(tǒng)。壓力控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是閉環(huán)的，由壓力傳感器、壓力控制器和被控對(duì)象組成。壓力傳感器測(cè)量被控壓力，并轉(zhuǎn)換成便于利用的信號(hào)形式，比較裝置將反映壓力大小的信號(hào)與給定壓力值比較，產(chǎn)生偏差信號(hào)。偏差信號(hào)通過(guò)壓力控制器作用到壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)上，按照消除偏差的方向來(lái)改變被測(cè)點(diǎn)的壓力，將其調(diào)節(jié)到給定的希望值本。設(shè)計(jì)使用數(shù)顯PID控制儀控制氣罐壓力,其基本構(gòu)成如下:第五章鍋爐汽包壓力控制設(shè)計(jì)第15頁(yè)，共22頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

要求使氣罐內(nèi)氣壓維持恒定,并要求無(wú)殘差,我全部使用DDZ-Ⅲ型儀表完成設(shè)計(jì),但為了系統(tǒng)的穩(wěn)定,在控制器執(zhí)行器和變送器的基礎(chǔ)上加入隔離配電器。儀表選型及主要參數(shù)儀表選型：數(shù)顯控制儀型號(hào)：KSC5

主要參數(shù)

輸入信號(hào)

直流電流信號(hào)：4～20mA、0～10mA、0～20mA可通過(guò)設(shè)置選擇

直流電壓信號(hào)：1～5V、0～5V可通過(guò)設(shè)置選擇精度

測(cè)量周期：0.3s控制周期：0.3s～75.0s可設(shè)置

測(cè)量精度：±0.2%F·S±1個(gè)字，自動(dòng)對(duì)溫漂、時(shí)漂進(jìn)行補(bǔ)償

測(cè)量分辨率：1/16000、14位A/D轉(zhuǎn)換器顯示范圍：-1999～9999

熱電阻輸入導(dǎo)線(xiàn)電阻：小于20Ω

熱電偶輸入冷端補(bǔ)償范圍：0～60℃，精度±1℃

設(shè)定精度：與顯示值一致無(wú)相對(duì)誤差

調(diào)節(jié)方式

自整定PID連續(xù)控制或ON/OFF控制比例帶：0.2%～999.9%

積分時(shí)間：0s～9999s微分時(shí)間：0s～3999s

操作輸出限幅范圍：-6.3～106.3%

報(bào)警

報(bào)警方式，報(bào)警靈敏度可設(shè)置

報(bào)警輸出接點(diǎn)容量：220VAC，3A（阻性負(fù)載）

傳感器故障繼電器輸出（擴(kuò)展功能）

控制輸出：4～20mA、0～10mA、0～20mA可通過(guò)設(shè)置選擇精度：±0.3%F·S

位式控制輸出：繼電器接點(diǎn)輸出或控固態(tài)輸出

外供電源：大于30mA

電源電壓：20～28VDC耗電量4W

工作環(huán)境：溫度：0～50℃濕度：低于90％R·H

圖5.2KSC5接線(xiàn)圖第16頁(yè)，共22頁(yè)，2023年，2月20日，星期四壓力變送器型號(hào)：YBS主要技術(shù)參數(shù)

輸出信號(hào)：4～20mA；基本誤差:0.5%、0.2%

輸出負(fù)載:4～20mA0～550Ω（24V供電時(shí)）電源電壓:24VDC18～36VDC

使用環(huán)境:溫度:防1爆:-20～+50℃；液晶表頭：-10～+50℃；

其它：-40～+60℃；相對(duì)濕度：5～95%

與膜片接觸介質(zhì)溫度＜100℃（高溫介質(zhì)可通過(guò)引壓管降溫引入）

壓力過(guò)載≤2FS（最大量程）重量：1Kg

量程分檔：?jiǎn)挝籑Pa

圖5.3壓力變送器接線(xiàn)圖第17頁(yè)，共22頁(yè)，2023年，2月20日，星期四KVHV電動(dòng)V型調(diào)節(jié)球閥型號(hào)：KVHV-V

主要技術(shù)參數(shù)

閥體：

公稱(chēng)通徑：25-300mm公稱(chēng)壓力：PN1.6，4.0，6.4MPa

連接形式：法蘭式按JB/T79.2-94凹或按JB78-5P對(duì)夾式法蘭連接

材料：WCBZG1Gr18Ni9TiCF3M

填料：V型聚四氟乙烯填料，含浸聚四氟乙烯填料，石棉紡織填料。耐高溫碳纖維填料

溫度：常溫：-20℃~+120℃散熱：+200℃~+450℃

閥內(nèi)組件：

閥芯形式：V形缺口半球體

流量特性：近似等百分比或近似直線(xiàn)特性及快開(kāi)特性。

球體閥桿材料：2Cr131Gr18Ni9TioCr17NI17Mo2（316L）

金屬閥座材料：與閥桿材料相同，密封堆焊鈷鉻硬質(zhì)合金

非金屬閥材料：增強(qiáng)聚四氟乙烯。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)：

可選用PSQ系列、3810系列或NB系列電子式角行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)。隔離配電器型號(hào)：KFP

主要技術(shù)參數(shù)

輸入信號(hào)：4～20mA，二線(xiàn)制

輸出信號(hào)：4～20mA、1～5V；

配電電源：18.5～28.5VDC

精度：0.2%

工作溫度：0～50℃

隔離電壓：1500VDC1分鐘

電源電壓：24VDC±10%

輸出負(fù)載電阻：≥5KΩ（電壓輸出），≤500Ω（電流輸出）圖5.4執(zhí)行器接線(xiàn)圖圖5.5信號(hào)隔離器接線(xiàn)圖

第18頁(yè)，共22頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第六章儀表型號(hào)清單列表編號(hào)型號(hào)數(shù)量液位變送器CR-60311顯示儀表DY2000-G1調(diào)節(jié)器DY2000-GJ1伺服放大器DFC-2100Ⅲ型1電動(dòng)操作器DFD-07001執(zhí)行器ZAJWA1數(shù)顯控制儀DKJ21001電動(dòng)執(zhí)行器KVHV-V1壓力