锅炉汽包液位压力控制系统设计.docx

锅炉汽包液位压力控制系统设计.docx

《锅炉汽包液位压力控制系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《锅炉汽包液位压力控制系统设计.docx（26页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

锅炉汽包液位压力控制系统设计

过程控制仪表课程设计

题目：

锅炉汽包液位、压力控制系统

姓名：

孙路培顾丽丽彭硕

班级：

生产过程0901

学号：

04020901023035

指导老师：

张娓娓

2011年6月8日

目录

第一章概述2

第二章锅炉汽包液位控制设计3

2.1锅炉汽包液位的控制方案4

2.2液位变送器的选择7

2.3压力传感器/变送器8

2.4控制器的选择8

2.5执行器的选择9

2.6控制器的作用方式10

2.7阀的开闭选择形式10

三PID对控制的影响10

3.1比例P调节10

3.2积分I调节10

3.3微分D调节11

3.4PID控制器的参数整定11

四锅炉汽包液位的三冲量串级PID控制系统仿真11

4.1试验得到下列近似传递函数及系数11

4.2通过估算及仿真实验12

4.3汽包液位三冲量串级PID控制系统12

4.4汽包液位双冲量PID控制系统13

五锅炉汽包压力控制设计14

5.1仪表选型及主要参数15

5.2压力变送器16

5.3KVHV电动V型调节球阀17

5.4隔离配电器18

六仪表型号清单列表19

七总结20

八参考文献…………………………………………………………………21

第一章概述

锅炉的汽包液位是影响锅炉安全运行的重要参数，液位过高，会破坏汽水分离装置的正常工作，严重时会导致蒸汽带水增多，增加在管壁上的结垢和影响蒸汽的质量。

液位过低，则会破坏水循环，引起水冷壁管的破裂，严重时会造成干锅，损坏汽包。

所以其值过高过低都可能造成重大事故。

它的被调量是汽包液位，而调节量则是给水流量，通过对水流量的调节，使汽包内部的物料达到动态平衡，变化在允许范围之内，由于锅炉汽包液位对蒸汽流量和给水流量变化的影响呈积极特性。

但是在负荷急剧增加时，导致汽包压力为“逆响应特性”，即所谓的“虚假液位”，造成这一原因时候由于负荷增加时，导致汽包压力下降，使汽包内水的沸点温度下降，水的沸腾突然加剧，形成大量气泡，而使液位抬高。

汽包液位控制系统，实质上是维持锅炉进出水量平衡的系统。

它是以液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，将汽包液位维持在汽水分离界面最大的汽包中位线附近，以提高锅炉蒸发效率，保证生产安全。

本设计是以锅炉汽包液体管道或容器中的压力作为被控制量的反馈控制系统。

压力控制系统的结构是闭环的，由压力传感器、压力控制器和被控对象组成。

压力传感器测量被控压力，并转换成便于利用的信号形式，比较装置将反映压力大小的信号与给定压力值比较，产生偏差信号。

偏差信号通过压力控制器作用到压力调节机构上，按照消除偏差的方向来改变被测点的压力，将其调节到给定的希望值本。

设计使用数显PID控制仪控制气罐压力，要使气罐内气压维持恒定,并要求无残差,我全部使用DDZ-Ⅲ型仪表完成设计,但为了系统的稳定,在控制器,执行器和变送器的基础上加入隔离配电器。

第二章锅炉汽包液位控制设计

锅炉汽包液位是确保安全生产和提高优质蒸汽的重要变量。

尤其是对于大型锅炉，其蒸发量明显要高，汽包容积相对较小，液位变化速度很快，稍不注意就容易造成汽包满水或者缺水，甚至造成干锅。

前者将使蒸汽带水，影响蒸汽的品质，且长期运行会使过热器结垢；后者会引起锅炉爆炸的危险。

因此，汽包的液位必须严格控制在规定范围内。

锅炉是一个复杂的被控对象，主要输入变量包括符合的蒸汽需求量、给水量、燃料量、减温水量、送风量和引风量等；主要输出变量有锅筒液位、蒸汽压力、过热蒸汽温度、炉膛负压、过剩空气（烟气含氧量）等，图2.0所示为输入变量与输出变量之间的相互关系。

如果蒸汽符合变化或给水量发生变化，会引起锅筒液位、蒸汽压力和过热蒸汽温度等的变化；而燃料量的变化不仅影响蒸汽压力，还会影响锅筒液位、过热蒸汽温度、过剩空气和炉膛负压、可见，锅炉是一个具有多输入、多输出且变量之间相互关联的被控对象。

图2.0锅炉的输入输出变量示意图

2.1锅炉汽包液位的控制方案

根据锅炉汽包液位特性，选取锅炉汽包液位为被控量，给水流量为控制量，蒸汽流量和给水流量为干扰量，通过控制给水量来使锅炉汽包液位维持在满足负荷需求的高度。

同时，为保证锅炉安全生产，调节节水量的执行机构选取气关式。

扰动

给定

图2.1系统方框图

2.1.1单冲量控制系统

所谓单冲量就是指锅炉汽包液位为被控参数，给水量作为控制变量可构成的单回路控制系统，如图2.2所示。

当蒸汽用量突然增加时，应该加大给水量以满足负荷需求。

由于假液位现象，导致控制器会先减小给水量来抑制瞬间的液位升高，随着假液位消失，汽包液位会在负荷增加和给水量减少的双重作用下，产生严重的液位下降，甚至发生危险。

对于小型锅炉，由于蒸汽负荷变化时假液位的现象不明显，如果再配上一些联锁报警装置，这种单冲量控制系统能满足要求。

对于负荷变动较大的大，中型锅炉，单冲量控制系统不能保证液位稳定，难以满足液位控制要求和生产安全。

因此，该控制方案不适用于负荷变动较大的情况。

2.1.2双冲量控制系统

蒸汽流量是影响汽包液位最主要的扰动，也是造成假液位的主要因素。

如果将蒸汽流量这一可测不可控的干扰作为前馈引入单冲量系统，就可以有效避免假液位引起的误动作，并及时控制液位，减小液位波动。

由此，构成如图2.3所示的双冲量控制系统，其本质为前馈-反馈复合控制系统，即给水量不仅取决于汽包液位，还受到蒸汽用量影响。

可见，该控制方案能有效适应负荷需求变化，但对给水系统中的水压等干扰因素造成的波动不能及时抑制。

2.1.3三冲量控制系统

为进一步改善控制品质，引入给水流量信号，构成三冲量控制系统，如图2.4所示。

所谓三冲量，值得是引入了三个测量信号：

汽包液位、给水流量和蒸汽流量。

三冲量控制本质上时前馈-串级复合控制系统：

主回路实现液位调节，副回路使给水流量能适应负荷和液位要求。

在稳定状态下,液位测量信号为给定值，液位调节器的输出，蒸汽流量及给水流量三个信号通过加法器得到输出电流。

若在某一时刻，蒸汽负荷突然增加，蒸

汽流量变送器的输出电流增加，加法器的输出电流减少，从而会开大给水调节阀，与此同时出现了虚假液位现象，液位调节器输出电流将增大。

由于进入加法器的两个信号相反，蒸汽流量变送器的输出电流会抵消一部分虚假液位输出电流，所以虚假液位所带来的影响将局部或全部被抵消。

待虚假液位过去,液位开始下降，液位调节器输出电流开始减小，此时它与蒸汽流量信号变化的方向相反，因此加法器的输出电流减小，此时要求增加给水量以适应新的负荷需要并补充液位的不足。

调节过程进行到液面重新稳定在给定值，给水量和蒸发量达到新的平衡为止。

当蒸汽负荷不变，给水量本身因压力波动而变化时，加法器的输出相应变化，调节阀门开度直至给水量恢复到所需的数值为止。

由于引进了蒸汽流量和给水流量两个辅助冲量，起到了“超前信号”的作用，使给水阀一开始就向正确的方向移动，因而可减小液位的波动幅度，抵消虚假液位的影响，并可缩短过渡过程时间。

图2.5为三冲量液位调节方框图。

三冲量调节系统能及时克服负荷（蒸汽量）和给水流量的干扰作用，调节精度较高，适用于汽包容积较小、负荷和给水干扰较大的场合。

目前已得到了应用，实践证明效果良好。

给水

给水

省

煤器

省煤器

图2.4三冲量控制系统及连接关系

蒸汽流量D

蒸汽流量变送器

液位

调节

器（主）

流量

调节

器（副）

给水

气泡

液位

调节阀

液位给定值流量

++

——

流量变送器

液位变送器

图2.5三冲量液位控制系统框图

2.2液位变送器的选择

选择TK3051L液位变送器，如图2.6所示

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。

完整的变送系列；测量范围：

0-0.5inH20至6000psig；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安装法。

图2.6TK3051L液位变送器

2.3压力传感器/变送器

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、楼宇供水等压力测量与控制。

量程:

-0.1~0～1～150（MPa）综合精度:

0.1%FS、0.2%FS、0.5%FS、1.0%FS

输出信号:

4～20mA（二线制）、0～5V、1～5V、0～10V（三线制）

供电电压:

24DCV（9～36DCV）介质温度:

-20～85～150℃

环境温度:

常温（-20～85℃）负载电阻:

电流输出型：

最大800Ω；

电压输出型：

大于50KΩ绝缘电阻:

大于2000MΩ（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20Hz～1000Hz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）:

1/2-20UNF、M14×1.5、M20×1.5、M22×1.5等，其它螺纹可依据客户要求设计。

2.4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4~20mADC信号。

P、I、D参数可根据实验需要调整。

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。

AI仪表常用参数设置：

CtrL：

控制方式。

CtrL=0，采用位式控制；CtrL=1，采用AI人工智能调节/PID

调节；CtrL=2，启动自整定参数功能；CtrL=3；自整定结束。

Sn：

输入规格。

Sn=21，Pt100热电阻输入；Sn=32,0.2~1VDC电压输入；

Sn=33,1~5VDC电压输入。

DIL：

输入下显示值，一般DIL=0.

DIH：

输入上限显示值。

输入为液位信号时，DIH=50；输入为热电阻信号时，

DIH=100；输入为流量信号时，DIH=100.

OPI：

输出方式，一般为4~20mA线性电流输出。

CF：

系统功能选择。

CF=0为内部给定，反作用调节；CF=1为内部给定，正作用

调节；CF=8为外部给定，反作用调节；CF=9为外部给定，正作用调节。

Addr：

通讯地址。

单回路实验Addr=1；串级实验主控Addr=1；副控为Addr=2；

三闭环实验主控为Addr=1，副控为Addr=2，内环为Addr=3。

实验中各

仪表通讯地址不允许相同。

2.5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DN20~200。

适用流体温由-200℃~560℃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。

图2.7RZXP型新系列气动调节阀

2.6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。

2.7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。

三PID对控制的影响

3.1比例P调节

在P调节中，调节器的输出信号与偏差信号成比例，即。

。

比例调节是有差调节，比例调节的残差随着比例带的加大而加大

称为比例带，其中KP为比例系数。

人们希望尽量减小比例带，然而，减小比例带就等于加大调节系统的开环增益，其后果是导致系统的激烈振荡甚至不稳定。

稳定性是任何闭环系统的首要要求，比例带的设置必须保证系统具有一定的稳定裕度。

比例带具有一个临界值，此时系统处于稳定边界的情况，进一步减小比例带系统就不稳定了。

3.2积分I调节

在I调节中，调节的输出信号的变化速度与偏差信号e成正比，

即称为积分速度，其中TI为积分时间常数。

增大积分速度将会降低控制系统的稳定程度，直至出现发散的振荡过程。

I调节是无差调节，只有当被调量偏差为零时，I调节的输出才保持不变。

I调节的稳定作用比P调节差,如果只采用I调节不可能得到稳定的系统，且振荡频率较低。

3.3微分D调节

D调节中的输出与被调量或其偏差对于时间的导数成正比，即TD为微分时间。

微分的作用在于改善系统的动态特性。

单纯的微分调节器是不能工作的。

因此微分调节只能起辅助的调节作用，与P结合PD或与PI构成PID调节。

总之，PID控制器中，比例环节主要减少偏差；积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度；微分调节能加快系统的动作速度，减少调节时间。

3.4PID控制器的参数整定

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δ，积分时间TI和微分时间TD的数值称为控制器参数整定。

整定参数的顺序是，先整定比例带δ，待过渡过程稳定后再加入积分作用以消除余差，最后加入微分，以加快过渡过程，进一步提高控制质量。

PID控制器的经验法整定：

先将TD置为0，置TI为∞，先整定比例带使之达到4：

1衰减过程，然后将比例带放大（10%-20%），而积分时间TI由大到小逐步加入，直至达到4：

1的衰减过程，然后将比例带减小到比原值小（10%-20%）的位置，而积分时间也适当减小，再把TD由小到大加入，观察曲线，直到满意的过程为止。

四锅炉汽包液位的三冲量串级PID控制系统仿真

4.1试验得到下列近似传递函数及系数

（1）给水流量的传递函数：

（2）蒸汽流量的传递函数：

（3）变送器的比例系数：

液位变化范围为±50mm，液位变送器的电流变化为0-10mA，所以液位变送器的比例系数为：

给水流量和蒸汽流量变送器的比例系数为：

。

4.2通过估算及仿真实验

根据，给水流量信号和蒸汽流量信号的分流系数为：

0.21。

PID控制器的参数采用逐步逼近法，通过仿真实验得到：

（1）主控制器的PID参数为：

（2）副控制器的PID参数为：

4.3汽包液位三冲量串级PID控制系统

控制系统如图4.1所示，在液位传递函数为仿真结果如

图4.2所示。

在液位传递函数为。

图4.1控制系统

（a）液位给定值阶跃跟踪响应时的仿真结果（b）在1700秒加入蒸汽流量扰动时的仿真结果

（c）在1700秒加入给水流量扰动时的仿真结果

图4.2仿真结果

4.4汽包液位双冲量PID控制系统

若汽包液位采用双冲量单级PID控制系统，对其在无、有干扰情况下进行仿真。

仿真结果与三冲量PID进行比较如图3.3所示。

从控制系统仿真曲线图可以看出

（1）采用PID控制器，系统的静态特性较好

（2）三冲量控制与双冲量，采用三冲量系统对干扰有很好有控制能力（3）串级系统对系统内的干扰有较强的控制能力。

（4）当对象参数发生改变时，系统发生巨大响应，超调量明显变大，上升时间变长，系统振荡加剧，可以看出当控制对象不明确时，PID控制效果不好。

（a）液位给定值阶跃跟踪响应时的仿真结果

（b）在500秒加入蒸汽流量扰动时的仿真结果（c）在500秒加入给水流量扰动时的仿真果图4.3仿真结果

五锅炉汽包压力控制设计

以锅炉汽包液体管道或容器中的压力作为被控制量的反馈控制系统。

压力控制系统的结构是闭环的，由压力传感器、压力控制器和被控对象组成。

压力传感器测量被控压力，并转换成便于利用的信号形式，比较装置将反映压力大小的信号与给定压力值比较，产生偏差信号。

偏差信号通过压力控制器作用到压力调节机构上，按照消除偏差的方向来改变被测点的压力，将其调节到给定的希望值本。

设计使用数显PID控制仪控制气罐压力,其基本构成如下:

图5.1压力控制系统框图

要求使气罐内气压维持恒定,并要求无残差,我全部使用DDZ-Ⅲ型仪表完成设计,但为了系统的稳定,在控制器,执行器和变送器的基础上加入隔离配电器。

5.1仪表选型及主要参数

5.1.1仪表选型及主要参数

仪表选型：

数显控制仪

型号：

KSC5

5.1.2主要参数

输入信号

直流电流信号：

4～20mA、0～10mA、0～20mA可通过设置选择

直流电压信号：

1～5V、0～5V 可通过设置选择

精    度

测量周期：

0.3s控制周期：

0.3s～75.0s可设置

测量精度：

±0.2%F·S ±1个字，自动对温漂、时漂进行补偿

测量分辨率：

1/16000、14位A/D转换器显示范围：

-1999～9999

热电阻输入导线电阻：

小于20Ω 

热电偶输入冷端补偿范围：

0～60℃，精度±1℃

设定精度：

与显示值一致无相对误差     

调节方式

自整定PID连续控制或ON/OFF控制比例带：

0.2%～999.9% 

积分时间：

0s～9999s  微分时间：

0s～3999s

操作输出限幅范围：

-6.3～106.3%

报    警

报警方式，报警灵敏度可设置

报警输出接点容量：

220V AC，3A（阻性负载 ）

传感器故障继电器输出（扩展功能）

控制输出：

4～20mA、0～10mA、0～20mA可通过设置选择

精度：

±0.3%F·S

位式控制输出：

继电器接点输出或控固态输出

外供电源：

大于30mA

电源电压：

20～28V DC  耗电量4W

工作环境：

温度：

0～50℃  湿度：

低于90％R·H

5.1.3接线图

图5.2KSC5接线图

5.2压力变送器

型号：

YBS

5.2.1主要技术参数 

输出信号：

 4～20mA；基本误差:

 0.5%、0.2%

输出负载:

 4～20mA  0～550Ω（24V供电时）电源电压:

 24VDC（18～36VDC

使用环境:

 温  度:

 防 1爆:

-20～+50℃； 液晶表头：

-10～+50℃；

其   它：

-40～+60℃；相对湿度：

 5～95%

与膜片接触介质温度＜100℃（高温介质可通过引压管降温引入）

压力过载≤2FS（最大量程）重量：

1Kg

量程分档：

单位MPa

量程序号

1

2

3

4

1

-0.10～0.1

-0.10～0.16

-0.10～0.20

-0.10～0.25

2

0～0.1

0～0.16

0～0.20

0～0.25

3

0～0.4

0～0.60

0～1.00

0～1.60

4

0～2.00

0～2.5

0～4.00

0～6.00

5

0～10.0

0～16

0～20.00

0～25.00

5.2.2接线图

图5.3压力变送器接线图

5.3KVHV电动V型调节球阀

型号：

KVHV-V

5.3.1主要技术参数

阀体：

公称通径：

25-300mm公称压力：

PN1.6，4.0，6.4MPa

连接形式：

法兰式按JB/T79.2-94凹或按JB78-5P对夹式法兰连接

材料：

WCBZG1Gr18Ni9TiCF3M

填料：

V型聚四氟乙烯填料，含浸聚四氟乙烯填料，石棉纺织填料。

耐高温碳纤维填料

温度：

常温：

-20℃~+120℃散热：

+200℃~+450℃

阀内组件：

阀芯形式：

V形缺口半球体

流量特性：

近似等百分比或近似直线特性及快开特性。

球体阀杆材料：

2Cr131Gr18Ni9TioCr17NI17Mo2（316L）

金属阀座材料：

与阀杆材料相同，密封堆焊钴铬硬质合金

非金属阀材料：

增强聚四氟乙烯。

执行机构：

可选用PSQ系列、3810系列或NB系列电子式角行程执行机构。

5.3.2接线图

图5.4执行器接线图

5.4隔离配电器

型号：

KFP

5.4.1主要技术参数

输入信号：

4～20mA，二线制  输出信号：

4～20mA、1～5V；

配电电源：

18.5～28.5VDC  精度：

0.2%

工作温度：

0～50℃    隔离电压：

1500VDC1分钟

电源电压：

24VDC±10%  输出负载电阻：

≥5KΩ（电压输出），≤500Ω（电流输出）

5.4.2接线图:

图5.5信号隔离器接线图

六仪表型号清单列表

编号

型号

数量

液位变送器

CR-6031

1

显示仪表

DY2000-G

1

调节器

DY2000-GJ

1

伺服放大器

DFC-2100Ⅲ型

1

电动操作器

DFD-0700

1

执行器

ZAJWA

1

数显控制仪

DKJ2100

1

电动执行器

KVHV-V

1

压力变送器

YBS

1

隔离配电器

KFP

1

七总结

通过对锅炉汽包液位、压力控制系统的设计，锅炉汽包液位的良好控制是保证系统输出蒸汽温度稳定的前提。

经分析后采用三冲量的控制方式，这是基于串前馈-串级复合控制系统，副回路调节器通过副回路快速消除给水环节的扰动对汽包液位的影响，主调节器通过副调节器对液位进行校正，使液位保持在设定值，使系统工作在良好的状态下，可满足系统的控制要求。

接着分析了PID对系统的影响，及PID的参数整定，然后MATLAB中进行了仿真，能够更好分析锅炉汽包液位的情况。

通过分析证明了汽包液位是工业锅炉安全、稳定运行的重要指标，保证液位控制在给定范围内，对于提高蒸汽品质、减少设备损耗和运行损耗、确保整个网络安全运行具有重要意义。

八参考文献

[1]孙优贤，孙红编著.锅