核电站培训热工基础.docx

资源描述

核电站培训热工基础.docx

《核电站培训热工基础.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《核电站培训热工基础.docx（209页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

核电站培训热工基础.docx

核电站培训热工基础

秦山CANDU-6核电厂

培训教材

QS3-302

仪表基础

秦山第三核电有限公司

秦山CANDU-6核电厂

培训教材QS3-302仪表基础

翻译：

任永忠

校对：

陆曙东

修改：

范懿峰

秦山第三核电有限公司

2000年10月

仪表基本原理

课程时间：

22小时

学员：

B，C，D1，D2，D9，E1，E2，F，G，H组

先决条件：

不适用

目的：

—阐明气动和电动信号的标准量程，优点及缺点

—根据给定的工艺参数计算气动或电动信号值和信号量程

—对ISA符号有一个基本认识

—理解以下基本理论及实际概念：

—压力仪表

—液位仪表

—流量仪表

—温度仪表

—中子通量测量

—典型报警器、选择器、求和放大器、开方取值器和I/P转换器的概述

—解释控制回路中控制阀的功能

—理解反馈和前馈控制的基本理论和实际概念

—对控制系统的工艺动力学及其调节原理有一个基本了解

—对更高级的控制技术如前馈控制，串级控制及前馈串级控制有一个基本了解

—理解直接数字控制（DDC）的概念

内容：

第一部分仪表设备

-仪表简介

包括引言、气信号、电信号、4至20mA电流回路和趋势记录

-ISA图例符号

包括ISA图例符号、线型符号和仪表符号

-压力仪表

包括压力的单位、绝对压力和表压力、压力测量、差压传感器、差压变送器的安装和NGS中的过程压力参数

-液位仪表

包括理论上的液位测量、开口容器的液位测量、密闭容器的液位测量、三阀组、带有三阀组的变送器投入使用的操作步骤、变送器停用、干管系统、湿管系统、负迁移、正迁移、吹气法液位测量系统和吹气法在密闭容器上的应用

-流量仪表

包括流体的能量和流量方程、一次仪表、孔板、取压口位置、三阀组的操作步骤、其他取压方式、孔板的优缺点、文丘利管、流量喷嘴、弯管取压

-温度仪表

包括温度仪表、就地温度测量、热电偶（TC）工作原理、热电偶的结构、电阻温度计（RTD）的工作原理和热套管

-中子通量测量

包括中子通量测量、电离室中子探测器、工作原理、核芯（Hilborn）探测器、铂发射极检测器、钒探测器

-电流型报警器及附件

包括电流型报警器及附件、继电器、故障安全电路报警、典型的报警应用、选择器、高值选择器、低值选择器、中间值选择器、求和及平均值放大器、开方器、切断继电器和电流-压力转换器

-控制阀和附件

包括控制阀和附件、球形阀、球形阀阀体、阀门驱动机构、阀门动作、球形阀流量特性、快开球形阀、线性球形阀、等百分比球形阀、台架设定、双座球阀、阀门定位器、定位器旁路、阀门定位器的故障安全模式、蝶阀、蝶阀的优点、蝶阀的应用、球阀、偏心旋转阀、隔膜阀（Saunders）、电磁阀、电动阀和不同尺寸阀门的并列使用

附录A电位检测仪

附录B恒差压中继器

第二部分基本控制原理

-基本控制原理

包括前馈控制

-开/关控制

包括负反馈控制

-比例控制

（1）

-比例控制

（2）

-复位或积分运算

-比率-微分运算

-多种控制模式

-典型的负反馈控制原理

包括液位控制、于开口容器上的安装、流量控制、压力控制和温度控制

-过程的动态特性

包括系统滞后和死区

-控制器的调整

包括控制回路和方法

-气动控制器

包括比例加积分控制器和微分运算

-电动控制器

包括积分运算、微分运算、电流输出站、实用电动控制器

-前馈控制

-串级控制

-前馈加串级控制

-直接数字控制（总体概念）

-直接数字控制——输入和输出要求

-DDC的优缺点

教学策略：

-讲课

教师需要以下设备

1.吸顶式投影仪

2.白板

评估：

-覆盖课程内容的中间及最终测试。

学员教材：

-课程手册：

仪表基础

第一部分仪表设备3

1.仪表简介3

1.1引言3

1.2气信号4

1.3电信号4

1.44至20mA电流回路5

1.5趋势记录7

2.ISA图例符号7

2.1ISA图例符号7

2.2线型符号8

2.3仪表符号8

3.压力仪表12

3.1压力的单位12

3.2绝对压力和表压力12

3.3压力测量13

3.4差压传感器16

3.5差压变送器的安装16

3.6NGS中的过程压力参数17

4.液位仪表17

4.1理论上的液位测量17

4.2开口容器的液位测量18

4.3密闭容器的液位测量18

4.4三阀组19

4.5带有三阀组的变送器投入使用的操作步骤20

4.6变送器停用20

4.7干管系统20

4.8湿管系统21

4.9负迁移23

4.10正迁移24

4.11吹气法液位测量系统24

4.12吹气法在密闭容器上的应用25

5.流量仪表26

5.1流体的能量和流量方程26

5.2一次仪表27

5.3孔板27

5.4取压口位置29

5.5三阀组的操作步骤30

5.6其他取压方式30

5.7孔板的优缺点32

5.8文丘利管32

5.9流量喷嘴33

5.10弯管取压34

6.温度仪表35

6.1温度仪表35

6.2就地温度测量35

6.3热电偶（TC）工作原理37

6.4热电偶的结构39

6.5电阻温度计（RTD）的工作原理40

6.6热套管41

7.中子通量测量44

7.1中子通量测量44

7.2电离室中子探测器44

7.3工作原理45

7.4核芯（Hilborn）探测器46

7.5铂发射极检测器49

7.6钒探测器49

8.电流型报警器及附件49

8.1电流型报警器及附件49

8.2继电器51

8.3故障安全电路报警51

8.4典型的报警应用52

8.5选择器53

8.6高值选择器53

8.7低值选择器55

8.8中间值选择器55

8.9求和及平均值放大器56

8.10开方器56

8.11切断继电器59

8.12电流-压力转换器60

9.控制阀和附件61

9.1控制阀和附件61

9.2球形阀62

9.3球形阀阀体62

9.4阀门驱动机构64

9.5阀门动作66

9.6球形阀流量特性67

9.7快开球形阀68

9.8线性球形阀69

9.9等百分比球形阀70

9.10台架设定73

9.11双座球阀74

9.12阀门定位器74

9.13定位器旁路76

9.14阀门定位器的故障安全模式76

9.15蝶阀77

9.16蝶阀的优点77

9.17蝶阀的应用78

9.18球阀78

9.19偏心旋转阀79

9.20隔膜阀（Saunders）79

9.21电磁阀80

9.22电动阀82

9.23不同尺寸阀门的并列使用84

附录A电子位移检测仪85

附录B恒差压中继器92

第二部分基本控制原理94

1.基本控制原理95

1.1前馈控制96

1.2小结96

2.开/关控制97

2.1负反馈控制97

2.2小结98

3.比例控制

（1）98

3.1小结100

4.比例控制

（2）100

4.1偏移的计算104

4.2小结105

5.复位或积分运算105

5.1小结108

6.比率-微分运算108

6.1小结111

7.多种控制模式111

8.典型的负反馈控制原理112

8.1液位控制112

8.2于开口容器上的安装112

8.3流量控制112

8.4压力控制113

8.5温度控制114

9.过程的动态特性115

9.1系统滞后117

9.2死区119

9.3小结122

10.控制器的调整122

10.1控制回路123

10.2方法124

10.3小结126

11.气动控制器126

11.1比例加积分控制器127

11.2微分运算128

11.3小结129

12.电动控制器129

12.1积分运算131

12.2微分运算133

12.3电流输出站134

12.4实用电动控制器134

12.5小结136

13.前馈控制137

14.串级控制138

14.1小结139

15.前馈加串级控制140

16.直接数字控制（总体概念）141

17.直接数字控制——输入和输出要求142

17.1小结146

18.DDC的优缺点146

18.1数字控制的优点147

前言

这本教材是以适合于自学的形式编写的，书中描述了在典型的CANDU电站中，用于测量、指示及处理基本工艺参数（液位、流量、压力、温度及中子通量）的技术及设备。

尽可能多看多了解这类设备。

学习教材是学习仪表与控制课程的前提。

QS3-302

第一部分

仪表设备

第一部分仪表设备

1.仪表简介

1.1引言

几乎在所有的需要稳定可靠地运行的工业过程及发电系统中均需使用到仪表。

仪表为监视、记录和控制工艺流程并把它维持在需要的状态提供了手段。

CANDU核系统（图1）中有许多过程变量必须进行测量及控制。

为保证电站安全高效地运行，必须对有些变量，例如锅炉液位，压力及一回路热传输系统（PHTS）压力等谨慎控制。

因为CANDU系统是相互影响的，手动控制是不可行也是不可靠的。

而有了仪表，CANDU系统便可进行自动控制。

（实际上，是不允许对全部机组进行手动控制的）。

反应堆，蒸汽发生器及辅助设备

汽轮机、发电机及辅助设备

供电系统

30000

40000

50000

发电机

汽轮机

蒸汽发生器

反应堆

变压器及

OH电网

电站控制系统

仪表和控制

60000

图1

CANDU电站简图（主要的SCI系统）

在控制任何工艺过程之前，必须知道它的当前状态。

必须选用专门的仪表来测量指示过程状态，以在需要时触发正确的动作。

仪表可以就地安装把过程状态指示给电厂工作人员。

这种数据显示方式被称为就地或现场指示。

就地指示可以使用在许多场合之中，但它的缺点是为确定系统状态必须有人去现场。

把所有这些指示器都集中到一个地点（即中央控制室）将意味着把实际过程变量传输到那个地点.这会由于控制中存在高压蒸汽、高电压有毒气体、腐蚀性液体等，导致危险工况引入控制室。

最好是能够把符合过程状态的代表信号传送到中央控制室，而不是简单地在就地指示或把工艺过程变量引入控制室。

通过在控制室内测量和显示这个信号，可以确定现场过程状态。

安装在控制室盘上的读数设备可以被调节或标定以正确指示工艺值。

传送信号的另一个好处是可以对某些信号进行分析处理，从而当过程偏离了需要的运行值（即设定值）时可以自动触发报警单元，可在控制室内发出报警或出发安全停堆。

两种标准信号是：

1.气动信号

2.电动信号

1.2气信号

过程变量，例如水箱内液位或PHTS（一回路热传输系统）中的压力是通过一个与变送器气动过程传感器来进行检测的。

气动变送器的输出信号是气压，它的大小与被测量成正比。

气信号的工业标准范围是20~100kPa（g）（kPa（g）=高于大气压的kPa），相应于过程参数的0%~100%.过程参数与变送器输出的关系见图2。

100%100

75%80

过程参数50%60气动变送器输出（kPa（g））

25%40

0%20

图2

过程参数与气动变送器输出的关系

注意这里变送器输出不是从0kPa（g）开始，而是从20kPa（g）开始。

20kPa（g）输出称为有效零点允许控制室人员区分过程参数确为0%（读数为20kPa（g））和变送器故障或压力管断开（读数为0kPa（g））。

举例：

用一个输出范围为20至100kPa（g）的气动变送器监测某水箱的液位，其校验量程为水箱底部100至200cm，计算当水位高出箱底175cm时变送器的输出。

答案：

变送器输出信号范围（上下限之差）=100kPa-20kPa=80kPa（g）

测量变化系数=（175-100）/200=0.75

输出信号=（测量变化系数）×（信号范围）+有效零点

=0.75×80+20

=80kPa（g）

气动系统既有优点也有缺点。

一个优点（与电动系统相比）是故障时不会产生火花，使得用于易爆环境时更加安全，另外，没有电击的危险。

但是，如果管道破裂，加压系统是很危险的。

而且气信号管道笨重难于安装。

然而，气动系统最大的问题是空气是可压缩的，这就意味着过程变化引起的压力瞬变在空气管道中只能以声速（约300米/秒）传播。

因此必须避免核电站中使用太长的信号管路从而产生时间延迟。

1.3电信号

对于大型的使用中央控制室的核电站，仅仅使用电信号。

工作人员监测过程变量，电动变送器产生与过程变量成比例。

电信号的工业标准是4至20mA电流信号代表过程变量的0%至100%。

同样的，有效零点（4mA）也是为了区分过程参数0%（4mA）和信号环路断开（0mA）。

过程参数与电动变送器输出的关系见图3。

100%20

75%16

过程参数50%12电动变送器输出（mA）

25%8

0%4

图3

过程参数与电动变送器输出的关系

举例：

输出为4至20mA的电动变送器标定为测压力范围7至10MPa（g）。

12mA的信号代表多大的压力？

答案：

变送器信号范围=20mA-4mA=16mA

测量变化系数=（输出信号-有效零点）/信号范围=（12-4）/16=0.5

实际过程变化值=（测量变化系数）×（信号范围）

=0.5×（10-7MPa）

=1.5MPa

实际过程值=基点+实际过程变化值

=7+1.5MPa

=8.5MPa

使用电信号取代气体信号便可以清除加压流体的传输延迟。

电信号，既电流是以光速传播的。

它可以传输长距离而不产生延时。

本教材中均使用电信号。

1.44至20mA电流回路

简言之，电动变送器可以看成为一个可变电阻，它的阻值随过程的变化而变化。

当它与一恒压电源串联时，便可在环路中产生4至20mA的电流。

根据欧姆定律，I=V/R

当供电电压恒定时，改变电阻值，便可调节环路中的电流值。

给变送器供电的两根线中也载有信号。

使用电流信号减少了所需线的数目及背景噪声的影响，因为背景噪声主要是感应电压。

对电流或电压敏感的读数设备可用来提供信号指示。

把毫安表串联到环路中可得到电流信号指示。

另外，把电压敏感设备例如电压表并联到一降压电阻器上可以测量到电阻器两端的电压。

（见图4）

毫安表

电子变送器

电源

降压电阻

图4

典型电流回路

NOB中使用的所有电压敏感仪表的电压范围是0.25~1.25，或是1~5V。

可以使用欧姆定律计算出所需降压电阻器的值。

欧姆定律：

V=IR

或R=V/I

这里

v=电阻两端电压（v）

I=电流（amp）

R=电阻（Ω）

已知V和I的值，便可计算出R值。

举例：

一降压电阻器需产生：

（a）0.25至1.25V信号

（b）1至5V信号

电流信号为4~20mA，计算其值。

答案：

（a）当电流=20mA，电压=1.25V时

根据欧姆定律，R=V/I=1.25V/（20X10

）A=62.5Ω

（b）当电流=20mA，电压=5V时

同样，由欧姆定律R=V/I=5V/（20X10

）A=250Ω

1.5趋势记录

过程环路中使用记录仪可以永久记录过程行为。

记录仪可以探测过程信号，把它打印在记录纸上，易于读出。

记录仪只可能携带有限数量的记录纸及墨水。

必须定期更换记录纸及墨水使记录仪成为最麻烦的仪器之一。

此外，电厂处于稳定模式（即正常）运行时大多数控制变量将处于相当稳定的状态，所以过程记录仪将打出直线，产生这些记录并没有实际意义。

因此，除一些重要的过程例如一回路热传输系统压力、锅炉液位、压力外，大多数过程环路可由趋势记录仪监视。

趋势记录仪是一种不一直连接到过程环路中的记录仪。

趋势记录仪可由异常工况（如：

过程扰动、调节等）启动以记录特定的过程参数。

这种例外记录管理记录方式允许把趋势记录仪连接到接线板上几个有效环路中的一个环路上。

假定趋势记录仪需要1至5V直流输入。

它随4至20ma电流信号的变化而变化，则电流环路中必须永久安装-250Ω降压电阻器从而当不连入趋势记录仪时变送器电路不会开始。

当铅插头插入插座中时，趋势记录仪便连到降压电阻器上便可响应环路信号。

（图5）。

杆座

电源

回路2

回路3

回路4

回路5

回路1

杆头

典型接插件

趋势记录

#2传感器

图5

典型趋势记录回路

2.ISA图例符号

2.1ISA图例符号

为了简化流程图（仪表原理图）。

使得工艺过程环路更易于理解。

图纸上的仪表均按标准符号标出其位置及不同的功能。

在Ontario-Hydro中，采用基于ISA（美国仪表协会）图例符号的惯例。

（注：

某些符号有局部改变）。

2.2线型符号

连接不同种类的仪表的传输线路符号见图1。

机械连接

电信号

气信号

液压管线

图1

传输线符号

2.3仪表符号

仪表通过在圆圈中插入字母代码（2或3个字母）来识别。

此字母代码表示仪表类型及功能。

一般来说，仪表监测的过程参数是由此过程参数代码的第一个字母来表示。

举例：

F=FLOW流量

L=LEVEL液位

P=PRESSURE压力

T=TEMPERATURE温度

代码中的第二个字母表示仪表的功能：

举例：

FI=FLOWINDICATOR流量指示

FC=FLOWCONTROLLER流量控制

LA=LEVELALARM液位报警

LR=LEVELRECORDER液位记录仪

PT=PRESSURETRANSMITTER压力变送器

TE=TEMPERATUREELEMENT测量元件

某些情况下，仪表具有两种用途并且其功能必须更清楚地指明时，应适用第三个字母：

举例：

FIC=FLOWINDICATORCONTROLLER流量指示控制仪

LAH=LEVELALARMHIGH高液位报警

LAL=LEVELALARMLOW低液位报警

完整的仪表识别代码表见本节后的表1。

为了区别是控制室内安装的仪表还是就地或现场（控制室外任何地方）安装仪表，在圆圈内通过其直径画一水平线。

圆圈内只有字母代码表示一现场或就地安装仪表。

圆圈内通过其直径画一实线，字母代码位于直线上表示是控制室内盘面板上安装的仪表。

圆圈内通过其直径画一虚线，表示是控制室内架装的仪表通常在控制盘后。

（见图2）。

现场（或就地）安装

指示仪

控制室

架装

液位记录

控制室

架装

高液位报警

图2

ISA符号及其代表的仪表

举例：

一个液位环路包括：

液位变送器

液位指示器

液位控制器

液位记录仪

高液位报警

低液位报警

液位变送器直接与水箱连接，其余仪表由液位变送器驱动用来监测和指示水箱内液位。

假定传送信号为电信号，请适用ISA符号画出其流程图。

答案：

此环路可由ISA符号表示，如图3所示。

图3

某液位回路的ISA符号表示示例

控制室

现场

液位记录仪

液位变送器

工艺

液位记录

前盘安装

液位控制

前盘安装

液位低

报警架装

液位高

报警架装

首位字母

后续字母

被测变量

读出或顺从功能

输出功能

调节器

电流

报警

平均值

控制

触点

元件

流量

测量尺寸

手动

高值

指示

液位

电动

中值

压力

中子通量

记录

继电器

螺线管

开关

温度

变送

阀门

阱

变换器

计算机

位置

表1

仪表识别代码

3.压力仪表

学习完这一章之后，你将能够：

（1）根据如何检测到差压和压力及它们如何转变为电信号的基本原理，从而解释差压变送器的基本工作原理。

3.1压力的单位

压力被定义为垂直作用于单位面积上的力。

数学上我们有：

P=F/A

这里：

P=压力（Pa）

F=力（N）

A=面积（m

）

国际单位制（SL）中压力的基本单位是“帕斯卡”（Pa），它被定义为1牛顿（N）的力作用于1平方米的面积上，即：

1Pa=1N/m

因为“帕斯卡”（Pa）是一个很小的单位。

（1Pa=1.45X10

PSI），在NOB中碰到压力时一般使用kPa（1kPa=1000Pa）和MPa（1MPa=1000kPa或1×10

Pa）。

3.2绝对压力和表压力

压力测量可以是指表压力或绝对压力。

表压力是我们日常生活中经常碰到的（例如：

压力表上的轮胎内压估计轮胎层数弧度）。

当降到大气压力时，表压力测量设备将指示零值（即表压力是以大气压力为参照点的）。

表压力用在压力单位后加一字母来表示（例如：

kPa（g））。

绝对压力包括大气压力和表压力，它用在压力单位后加一字母来表示（如：

kPa（a））。

绝对压力指示器不会指示零刻度，当完全排空时它指示大气压力值。

绝对压力和表压力之间的关系为：

绝对压力=表压力+大气压力

大气压力的标准值是指海平面上的大气压力101.3Pa。

注：

读数低于101.3Pa（a）指示真空状态。

例如：

典型的冷凝器压力是5kPa（a）。

举例：

某箱中气体压力是1000kPa（a），表压力是多少？

答案：

表压力=绝对压力-大气压力

因此，表压力=1000kPa（a）-101.3Pa

=898.7kPa（g）

图1表明了绝对压力和表压力之间的关系，注意表压力刻度的起点（0kPa（g））是101.3kPa（a）。

表刻度

绝对刻度

大气压

绝对真空

图1

绝对压力与表压力间关系

3.3压力测量

为了得到代表过程中的压力的标准（4~20ma）电信号，必须探测压力，必须具有与被测压力成正比的可探测的物理位移。

我们使用压力传感器来探测过程压力。

图2中给出了几种典型的压力传感器或初级压力敏感元件。

它们包括膜片与膜盒、压力波纹管、波登管等。

在操作范围内，压力传感器的物理位移与被测压力成正比例。

应用压力

弯曲隔膜

移动

反作用弹簧隔膜

位移

金属膜片

位移

焊点

波纹管

工作压力

压力膜盒

工作压力

压力波纹管

图2

典型一次压力元件

增加的压力

波登管剖面图

工作压力

图2a

波登管

大多数压力变送器是基于压力传感器制造的。

它们通常能够测量差压（即高压输入与低压输入之差），因此通常称它们为差压变送器或差压元件。

图3给出了一个典型的差压变送器的结构图。

差

展开阅读全文