高压除氧器水位控制系统设计Word格式文档下载.docx

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2.1串级反馈控制系统4

2.1.1串级控制系统4

2.1.4串级反馈控制系统5

2.2除氧器液位控制系统方框图6

2.3检测部分6

2.3.1液位检测部分6

2.3.2流量检测部分6

2.3.3温度检测部分7

第三章仪表的选型8

3.1液位仪表的选型——PMC/L系列液位变送器8

3.2流量仪表的选型——DBLU涡街流量变送器8

3.3温度仪表的选型9

3.3.1热电偶9

3.3.2WR系列端（表）面热电偶10

3.3.3DBW（Z/R）系列温度变送器10

3.4记录仪表的选型10

3.4.1执行器的选择及研究10

3.4.2X（W/Q）GA、X（W/Q）G系列中型圆图记录仪11

3.5KMM可编程调节器12

3.6控制阀的分析13

3.7除氧器液位检测控制系统单元接线图介绍13

第四章KMM可编程调节器14

4.1采用的功能模块14

4.1.1温度补偿模块—TCOMP14

4.1.2输入处理功能—数字滤波—DIGFILT15

4.1.3PID运算模块15

4.1.4加法运算模块—ADD16

4.1.5减法运算模块—SUB16

4.1.6低限模块—LLM16

4.1.7高限模块—HLM16

4.1.8手动操作模块—MAN16

4.2除氧器液位检测控制系统组态图介绍16

总结18

参考文献18

致谢20

附图21

摘要

在锅炉的给水处理工艺中，除氧器是锅炉及供热系统关键的设备之一，而除氧器的水位控制又是一个十分重要的环节。

本次设计详细的叙述了一种水位控制系统，即高压除氧器水位控制系统。

在设计中，对各种控制方案进行了对比和筛选，最终采用了串级反馈的控制方案对其水位进行监控。

同时还对除氧水箱水温、除氧器入口出口给水流量进行检测，除氧水位检测显示、上下限报警、记录及自动控制，从而实现对除氧器水位及时有效的调节控制。

在控制系统中进入除氧器的除盐水流量为操纵量，除氧器液位为被控变量。

调节器采用KMM可编程调节器，具有45种运算模块，在本次设计中将会采用其中的8种对除氧器的水位进行控制。

同时还会对系统中检测仪表做出选型，特别是对高压除氧器出口给水泵轴承温度检测显示、上下限报警这块儿，选择了WR系列端（表）面热电偶对其进行检测。

而仪表选型只是除氧器水位检测控制系统单元接线图的基础，根据各个仪表的端口功能，实现了单元连线图的连接。

设计中，还考虑了系统控制阀的选型以及主副控制器正反作用的分析等。

关键词：

除氧器，液位，流量，串级反馈，KMM可编程调节器，运算模块

前言

液位是工业过程中的常见参数，具有便于直接观察、容易测量和过程时间常数一般比较小的特点。

液位控制系统是以液位为被控参数的控制系统，它在工业生产的各个领域都有广泛的应用。

在工业生产过程中，有很多地方需要对容器内的介质进行液位控制，使之高精度的保持在给定的数值，如在锅炉的给水处理工艺中，除氧器是锅炉及供热系统中关键的设备之一，而除氧器液位的控制对整个控制系统又有着至关重要的作用。

在本次设计中首先进行精确的仪表选型，之后对除氧器进行液位测量采用串级反馈控制系统，其集合以上控制系统所有优点，反馈控制系统可以克服多个扰动的影响，适应性强，但存在调节不及时的缺点,将反馈后的信号作为流量副回路的设定值，在反馈控制系统中，如果控制阀前压力或流量的波动较大，为了迅速消除这些扰动对操纵变量的影响，可发挥串级控制系统的特点，在反馈控制系统中引入流量副回路。

当希望操纵变量与流量有精确的对应关系时，也可以引入流量副回路。

串级控制系统不仅能迅速克服作用于副回路内的干扰，也能加速克服主回路的干扰，使系统快速恢复到稳定状态。

画出除氧器液位检测控制系统图、系统组态图及单元接线图；

控制器采用KMM可编程调节器，运用各个功能模块进行控制编程，组成除氧器液位检测控制系统组态图，充分了解了整个控制系统的流程。

第一章工艺

1.1除氧器的特性

高压除氧器主要由除氧塔头、除氧水箱两大件以及接管和外接件组成；

按照除氧塔头的结构可以分为淋水盘式、喷雾式、水膜式及旋模式4种结构；

按照工作过程可分为混合式和过热式两种类型；

按工作压力可分为真空式、大气式和高压式三种类型。

除氧器主要的功能为除去溶于水中的氧及其他不凝气体，降低锅炉水中的氧含量，使之达到规定的标准，以保障锅炉和整个系统不发生过度的氧化腐蚀。

除氧器利用热力原理去除水中的氧气，保证给水品质，同时除氧器本身又是给水回热加热系统中的混合式加热器，起到了加热给水，又提高了给水温度的作用。

热力除氧器具有耗能少、无污染、无排放，效率高、维护检修方便、运行安全等优点。

1.2除氧器的工作原理

除氧器的工作原理是根据水中气体的溶解特性，将水中任何一种气体除去时，只要将水面上存在的该气体除去即可，因此希望排除水中的各种气体，最好水面上只有水蒸汽而无其它气体。

热力除氧就是将水加热至沸点，氧的溶解度减小而逸出，再将水面上产生的氧气排除，使充满蒸汽，如此使水中氧气不断逸出，而保证给水含氧量达到给水质量标准要求。

在容器中，溶解于水中的气体量是与水面上气体的分压成正比。

采用热力除氧的方法，即用蒸汽来加热给水，提高水的温度，使水面上蒸汽的分压力逐步增加，而溶解气体的分压力则渐渐降低，溶解于水中的气体就不断逸出，当水被加热至相应压力下的沸腾温度时，水面上全都是水蒸汽，溶解气体的分压力为零，水不再具有溶解气体的能力，亦即溶解于水中的气体，包括氧气均可被除去。

除氧的效果一方面决定于是否把给水加至相应压力下的沸腾温度，另一方面决定于溶解气体的排除速度，这个速度与水和蒸汽的接触表面积的大小有很大的关系。

为保证除氧效果，高压除氧器必须具备两个条件：

第一，必须把水加热到除氧器的压力对应的饱和温度；

第二，必须及时排除水中分离出的气体。

第一个条件不具备，气体不能全部从水中分离出来；

第二个条件不具备时，已分离出来的气体会重新回到水中。

高压除氧器的实质是除气，在除氧的同时可以除掉溶解于水中的其他气体，而且不会生成任何残留物质；

另外高压除氧器可作为一级回热加热器，除氧工艺的成本又低廉，故被广泛采用。

1.3本课题的设计研究任务

本课题主要研究工业锅炉高压除氧器的水位控制系统。

在满足经济性,实用性,科学性的前提下设计一套性能稳定可靠的高压除氧器水位控制系统，适用于工业锅炉，将除氧器的水位控制在合理范围内，使除氧系统有良好的除氧效果。

（1）确立高压除氧器的控制方案。

对工业锅炉来说，除氧器的给水干扰幅值大而频繁，对除氧器内的水位影响较大，简单回路的反馈控制系统难于满足除氧工艺的要求，因此考虑采用串级控制系统。

（2）针对除氧系统的特点，选定各测量控制仪表，分析研究测量变送环节对除氧器水位控系统的影响。

（3）对控制系统的设计细节如下；

1．高压除氧器水位的检测显示，上下限报警,自动控制。

操纵量为进入高压除氧器的除盐水的流量，控制器采用KMM可编程调节器；

2.高压除氧器入口除盐水流量检测显示和报警；

3.高压除氧器入口蒸汽压力检测显示，上下限报警；

4.高压除氧水箱水温检测显示。

第二章总体设计方案

2.1串级反馈控制系统

2.1.1串级控制系统

（一）串级控制系统的概述

串级控制系统是一种常用的复杂控制系统，它根据系统结构命名。

它由两个或两个以上的控制器串联连接组成，一个控制器的输出作为另一个控制器的设定值，这类控制系统称为串级控制系统。

串级控制系统的结构特点：

由两个或两个以上的控制器串联连接，一个控制器的输出是另一个控制器的设定。

由两个或两个以上的控制器、相应数量的检测变送器和一个执行其组成。

主控制回路是定值控制系统。

对主控制器的输出而言，副控制回路是随动控制系统；

对进入副回路的扰动而言，副控制回路是定值控制系统。

串级控制系统增加了副控制回路，是控制系统性能得到改善，主要有以下几个方面的表现：

能迅速克服进入副回路扰动的影响。

当扰动进入副回路后，首先，副被控变量检测到扰动的影响，并通过副回路的定值控制作用，及时调节操纵变量，使副被控变量回复到副设定值，从而使扰动对主被控变量的影响减少。

即副环回路对扰动进行粗调，主环回路对扰动进行细调。

因此，串级控制系统能迅速克服进入副回路扰动的影响并使系统余差大大减小。

改善主控制器Gc2的广义对象特性，提高工作频率。

副环可近似为1:

1的比例环节，串级控制系统工作频率的提高表明控制系统的操作周期缩短，在同样的衰减比条件下的回复时间减小，有利于提高控制系统的动态性能。

容许副回路内各环节特性在一定范围内变动而不影响整个系统的控制品质，也可以减少控制阀流量特性不合适带来的效应，能够较好的客服控制阀的回差等非线性特征。

能够更精确控制操纵变量的流量。

可实现更灵活的操作方式。

（2）主、副控制器正反作用的选择

串级控制系统主、副控制器正反作用的选择应满足负反馈的控制要求，主环和副环都必须使总开环增益为正。

可以按照如下步骤来选择：

从安全角度考虑，控制发的选择分为气开和气关型式（气开型，KV为正；

气关型，KV为负）。

由工艺条件可以确定副被控对象的特征（操纵变量增加时，若副被控变量增加，则Kp2为正；

操纵变量增加时，若副被控变量减小，则Kp2为负）。

根据副被控回路为负反馈的准则，确定副控制器的正反作用（正作用，Kc2<

0；

反作用，Kc2>

0）。

由工艺条件可以确定主被控对象的特征（副被控变量增加时，主被控变量增加，则KP1为正；

副被控变量增加时，主被控变量减小，则KP1为负）。

根据主控制回路为负反馈的准则，确定主控制器的正反作用（正作用，Kc1<

反作用，Kc1>

0）；

确定主控制器的正反作用时，只需要满足Kc1Km2Kp1>

0。

应根据负反馈准则来确定主控制器在主控制方式是控制器正反作用是否要更换。

当副控制器是反作用控制器时，主控制器从串级方式切换到主控方式时，不需要更换主控制器的作用方式。

（三）串级控制系统的参数整定

串级控制系统有两个控制器，它的参数整定也要比单回路控制系统的参数整定复杂。

串级控制系统控制器参数整定有逐步逼近法、两步法和一步法等。

逐步逼近法先断开主回路，整定副控制器参数；

之后闭合主回路，整定主控制器参数；

最后，再整定副控制器参数、主控制器参数，直到控制品质满足要求。

两步法是主控制器手动情况下，先整定副控制器参数，整定好后，主控制器切自动，整定主控制器参数。

一步法是根据副被控对象的特征按副控制器比例度的经验数据表进行副控制器参数的设置，之后再整定主控制器参数。

参数整定时应防止共振现象出现，一旦出现共振，应加大主控制器或副控制器的比例度，使副回路的工作频率与主回路的工作频率错开，以消除共振。

2.1.4串级反馈控制系统

除氧器液位控制系统中，被控变量是除氧器液位，操纵量为进入除氧器的除盐水的流量，主要的扰动变量有两个方面，一个是除氧器入口除盐水流量方面的扰动；

另一个是加热蒸汽方面的扰动。

本次设计采用了串级反馈控制系统——其集合以上控制系统所有优点，反馈控制系统可以克服多个扰动的影响，适应性强，将反馈后的信号作为流量副回路的设定值，在反馈控制系统中，如果控制阀前压力或流量的波动较大，为了迅速消除这些扰动对操纵变量的影响，可发挥串级控制系统的特点，在反馈控制系统中引入流量副回路。

当除氧器入口除盐水流量发生变化时，干扰会首先进入串级控制系统的副回路中，副被控变量检测到扰动的影响，并通过副回路的定值控制作用，及时调节操纵变量，使副被控变量回复到副设定值，从而使扰动对主被控变量的影响减少。

2.2除氧器液位控制系统方框图

高压除氧器水位控制系统方框图

该自控系统的主要特点是：

在某一时间段内，给水流量按给定值保持不变，控制系统主要克服系统的内扰，控制比较平稳；

当给水流量按给定程序阶跃变化时，串级调节系统能迅速改变进入除盐水流量的大小，在较短的时间内将水位控制在合理范围内。

因此，能够保证除氧系统具有良好的控制品质。

2.3检测部分

2.3.1液位检测部分

除氧器液位测量的目的在于正确地测量容器或设备中水的液位变化。

它不仅是除氧器水位计量的参数，也是保证连续生产和设备安全的重要参数。

在整个生产过程中对除氧器液位的检测和控制是很重要的。

本次设计采用PMC/L系列液位变送器来测量除氧器液位。

2.3.2流量检测部分

流量是流过介质的量与该量流过的导管截面所需时间只比，根据采用的不同定义，流量又可分为体积流量和质量流量。

在一段时间内流过管道横截面的流体总量称为累积流量，也可称为总量。

由于进入除氧器的是一般的除盐水，因此，对于流量计的选择没有什么特别的要求，所以在本次设计中采用了DBLU型涡街流量变送器来检测进入除氧器除盐水的流量。

涡街流量变送器端口简单，只有四个端口，只有电源和输出，便于连接。

2.3.3温度检测部分

温度是表征物体冷、热程度的物理量，反映了物体内部分子运动平均动能的大小。

温度概念的建立是以热平衡为基础的。

温度的测量通常是利用一些材料和元件的性能随温度而变化的特性，通过测量该性能参数，而得到检测温度。

按照所用测温方法的不同，温度测量分为接触式和非接触式两大类。

本次设计中要测量两个不同的温度，一个是高压除氧器水温，还有一个是高压除氧器出口给水泵轴承温度检测。

因而在仪表的选择上，这两个也是有差别的。

对于除氧器水箱水温的检测采用的是DBW（Z/R）系列温度变送器进行测量，而对于高压除氧器出口给水泵轴承温度检测，则采用WR系列端（表）面热电偶进行检测。

第三章仪表的选型

根据任务书的要求，本次设计需要对除氧水箱水温、除氧器入口出口给水流量进行检测，除氧器水位检测显示、上下限报警、记录、自动控制。

操纵量为进入除氧器的除盐水的流量，控制器采用KMM可编程调节器。

因此，需对以上仪表进行针对性选型，由任务书的要求可知，其它检测点要求不是很严格，但是对除氧器液位的控制却很严格。

3.1液位仪表的选型——PMC/L系列液位变送器

（一）工作原理

PMC/L系列液位变送器由陶瓷膜片传感器、导气通道、转换电路及变送体等所组成。

测量时，液体介质直接作用与陶瓷膜片传感器，介质的压力使陶瓷膜片发生位移，而膜片位移产生的电容变化量由电路检测并放大转换为标准信号输出。

（二）特点

PMC/L系列液位变送器是采用PMC压力变送器SKD散件及组装调试技术生产的液位测量仪表。

它是利用检测液体压力的方法检测液位的一种液体测量仪表。

该变送器广泛应用于石油、化工、冶金、电站、供水、环保、食品、地质、水文、航运、水利工程等行业，可满足多种液位测量系统及各种场合的要求，是各行业自动化仪表装置设计中的优选产品。

测量精度及可靠性高；

稳定性好；

抗干扰能力强；

耐腐蚀、抗冲击能力强；

安装调试简便。

综合上述的三种仪表的特点，DBUT系列外浮筒液位变送器输出信号为0∽10mADC，范围不能与KMM可编程调节器的范围不符；

SBUT系列外浮筒液位变送器和PMC/L系列液位变送器与本设计的要求相符，但是SBUT系列外浮筒液位变送器的端子图没有PMC/L系列液位变送器的端子图简单、明了、易懂。

故本设计选择PMC/L系列液位变送器。

3.2流量仪表的选型——DBLU涡街流量变送器

DBLU系列涡街流量变送器是一种采用压电晶体作为检测元件，它的基本原理是卡曼涡街原理，即“涡街漩涡分离频率与流速成正比”。

变送器流通本体直径与仪表的公称口径基本相同，流通本体内插入有一个近似为等腰三角形的柱体，柱体的轴线与被测介质流动方向垂直，底面迎向流体。

当被测介质流过柱体时，在柱体两侧交替产生漩涡，漩涡不断产生和分离，在柱体下游便形成了交错排列的两列漩涡，即“涡街”，涡街分离的频率与柱侧介质流速成正比。

DBLU涡街流量变送器是基于卡曼涡街原理应用压电检测技术开发的一种新型节能流量仪表。

该仪表与涡街流量显示仪配套，组成涡街流量计。

广泛用于钢铁、冶金、石油、化工、轻功、医药、城市公用事业等行业的液体、气体、蒸汽的流量测量。

输出信号不受流量的温度、压力、密度、成份等影响，并与流体流速成正比；

感测元件不接触介质、可靠性高；

无可动部件、结构简单、牢固；

测量范围宽、精度高；

压损小、节能显著。

综合上述三个仪表，DBLB系列靶式流量变送器输出信号为0∽10mADC，四线制传输，与KMM可编程调节器范围不符合，且较复杂；

而SBLB系列靶式流量变送器的接线端子较复杂。

因此选择使用范围广、不受其他因素影响、接连端子简单的DBLU涡街流量变送器

3.3温度仪表的选型

3.3.1热电偶

（1）概述

热电偶是温度测量仪表中常用的测温元件,是由两种不同成分的导体两端接合成回路时，当两接合点热电偶温度不同时，就会在回路内产生热点流。

如果热电偶的工作端与参比端存有温差时，显示仪表将会指示出热电偶产生的热电势所对应的温度值。

热电偶的热电动热将随着测量端温度升高而增长，它的大小只与热电偶材料和两端的温度有关，与热电极的长度、直径无关。

常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。

所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。

（2）特点

装配简单，更换方便；

压簧式感温元件，抗震性能好；

测量范围大（－200℃～1300°

C,特殊情况下－270°

C～2800°

C）；

机械强度高，耐压性能好；

耐高温可达2800度

（3）选择原因

装配简单，更换方便　压簧式感温元件，抗震性能好，测量范围大。

3.3.2WR系列端（表）面热电偶

WR系列端（表）面热电偶外型尺寸与结构尺寸与WZ系列端（表）面热电阻相同。

该热电偶具有较小的弯曲半径，良好的可挠性，也适用于低频往复运动的设备上测量温度。

3.3.3DBW（Z/R）系列温度变送器

（一）概述

SBW系列热电偶、热电阻温度变送器是DDZ系列仪表中的现场安装式温度变送器单元，与工业热电偶、热电阻配套使用，它采用二线制传输方式（两根导线作为电源输入和信号输出的公用传输线）。

将工业热电偶、热电阻信号转换成与输入信号或与温度信号成线性的4-20mA、0-10mA的输出信号。

该变送器可直接安装在热电偶、热电阻的接线盒内与之形成一体化结构，它作为新一代测温仪表可广泛应用于冶金、石油、化工、纺织、食品、国防以及科研等工业部门。

直流4～20mA、1～5VDC标准信号传输。

具有理想的热电偶冷补偿和线性化校正功能。

电源、输入、输出、大地相互隔离，具有优良的抗干扰性能。

本质安全型仪表，具有优良的安全防爆功能。

无噪音运行，电路模块化，维护量少。

（4）选择原因

具有理想的热电偶冷补偿和线性化校正功能；

3.4记录仪表的选型

3.4.1执行器的选择及研究

执行器有执行机构和调节机构两部分构成。

执行机构把控制器的输出信号转换成角位移或直线位移；

调节结构把角位移或直线位移转换成流通面积的变化，从而改变控制变量的数值。

常用的调节机构有各种阀门和挡板，在除氧器稳控系统中采用调节阀门。

（1）.执行机构的选择

除氧器温控系统的给水调节阀与进汽阀均采用DDZ-3电动执行机构ZKZ型。

电动执行机构接收KMM可编程调节器传来的4～20mA电流信号，通过电动机的正、反转产生推杆的直行程。

由于输入电流信号功率小，不可能驱动电动机转动，所以配备功率放大器，构成一个以行程为被调参数的自动调节系统，该执行机构实际上是一个整套系统，包括信号比较、功率放大、单相低速同步电动机、减速传动机构和位置反馈电路等几部分组成。

前两部分集中在伺服放大器中，安装在室内；

后三部分集中在执行机构中，安装在现场。

（2）.调节阀的选择

a．调节阀的结构形式

低压除氧器进汽阀采用VP直通单座阀。

b．调节阀的流量特性调节阀的流量特性是：

在阀前后压差恒定的条件下，流经调节阀的相对流量与阀杆相对行程（开度）之间的关系，即

（2-2）

式中Q一流量；

Q。

一阀门全开流量：

l一行程；

L一阀杆的全行程。

其特性是有阀芯阀座形状决定的，是调节机构的固有性能。

图（3.2.3a）所示的是直通单座阀柱塞形阀芯的形状与流量特性的关系。

由于除氧器给水及进汽管道系统的压力损失较大，给水阀与进汽阀的可调范围要求大。

开度变化及阀上压差变化相对较大，因此宜选用等百分比流量特图3.2.3a

3.4.2X（W/Q）GA、X（W/Q）G系列中型圆图记录仪

令U1为运算放大器，设其输入电压为Ex，则U1的负端电位降低，U1将Ex直流放大后，其输出电压送入伺服放大器A1、A1将输入调制为交流电压，并进行放大，驱动可逆电机运转、使与指针连动的滑线电阻的滑臂移动、缓冲放大器的正端电位变化经过缓冲放大器变成P点的电位变化，从而改变U1的正端与负端的电位差，当电位差为零时，U1的输出为零，BM停止转动，这样，Ex与P点的电位变化相互比较，它的大小与滑线电阻的滑臂的位置相对应，另一方面，走纸电机以一定的速度驱动记录纸，便把输入电压随时间变化的关系记录下来。

原理简单，结构精巧，可靠性高。

3.5KMM可编程调节器

一、KMM211（STZ）型可编程自整定调节器

KMM211是在KMM201基础上增加了调节参数自整定功能的可编程自整定调节器。

本仪表可以在控制过程中，自动的计算并且设定PID调节参数，使之适合控制对象的特性。

这样就克服了以往调节器参数整定方面的不足，使调节系统的启动变得简单、方便，同时又以达到最优的运行状态。

（1）操作简单：

操作人员只要给出设定值和P、I、D参数的初始值，并使调节器处于自动方式，调节器即可自动达到最佳的运动状态。

同时调节器在运行中还可准确检出过程的变化，自动进行参数的整定，不需人工干予。

（2）闭环整定：

在进行自整定过程中，调节系统的反馈控制照常进行，因此这种对过程影响很小的自整定功能对于过程是安全的。

（3）算法丰富：

具有45种算法，易于构成高级的控制系统。

（4）继承性好：

在可编程调节器KMM201的基础上增加调节参数的自整定功能，除PID算法外，其它算法及组态方法和KMM201相同，硬件除CPU板外也与KMM201相同。

（三）特点

具有45种算法，易于构成