锅炉汽包水位单冲量控制系统设计.doc
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武汉理工大学《仪表与过程控制系统》课程设计说明书
目录
1概述 2
3液位控制系统方案 3
3.1系统方框图 3
3.2系统方案图 4
4控制系统的设计 4
4.1系统控制过程分析 5
4.1.1系统平衡阶段分析 5
4.1.2系统抗扰动阶段分析 5
4.2单回路反馈控制系统 6
4.3检测变送器的选择 7
4.3.1选取原则 7
4.3.2压差变送器 7
4.4调节阀的选择 8
4.5仪表性能指标的计算 9
4.5.1精度 9
4.5.2灵敏度和灵敏性 9
4.5.3回差 9
4.6调节器的选择 9
4.7调节器作用方向的选择 10
4.8系统的投运和整定 10
4.8.1系统的投运 10
4.8.2简单控制系统的参数整定 11
5系统工作原理简述 11
5.1当汽包液位下降时 11
5.2当汽包液位上升时 12
6心得体会 12
参考文献 13
锅炉汽包水位单冲量控制系统设计
1概述
在过程自动化技术出现之前，工厂操作员必须人工监测设备性能指标和产品质量，以确定生产设备处于最佳运行状态，而且必须在停机时才能实施各种维护，这降低了工厂运营效率，且无法保障操作安全。
过程自动化技术可以简化这一过程。
通过在工厂各个区域安装数千个传感器，过程自动化系统可以收集温度、压力和流速等数据，然后利用计算机对这些信息进行储存和分析，再用简洁明了的形式把处理后的数据显示到控制室的大屏幕上。
操作人员只要观察大屏幕就可以监控整个工厂的每项设备。
过程自动化系统除了能够采集和处理信息，还能自动调节各种设备，优化生产。
在必要时，工厂操作员可以中止过程自动化系统，进行手动操作。
工厂所有者希望他们的设备能以最低的成本生产最多的产品，而在石油、天然气和石化等多个行业，能源成本占总生产成本的30—50%。
因此，通过过程自动化技术增效节能是降低生产成本的有效途径。
对于过程自动化技术而言，计算机程序不仅能够监测和显示工厂的运行状况，还能模拟不同的运行模式，找到最佳策略以提高能效。
这些程序的独特优势是能够“学习”和预测趋势，提高了对外界条件变化的响应速度。
过程自动化系统中的软件和控制装置能够对设备进行调节，使其在最佳速度下运行，从而大大降低能耗。
它们还能够确保质量的一致性，降低次品率，减少浪费。
过程自动化系统还能预测何时需要对生产设备进行维护，从而减少了对设备进行常规检查的次数。
常规检查次数的降低可以减少停止和重新启动机器所花费的时间和能源。
过程控制系统分为多种，有简单控制系统和复杂控制系统，而复杂过程控制系统又可分为：
串级控制系统、前馈控制系统、比值控制系统和均值控制系统等几种。
在本次控制系统的选择中，因为设计题目要求是：
锅炉汽包水位单冲量控制系统的设计，所以本着简单、实用的原则我把它设计成一个简单的单回路系统来满足题目要求。
2锅炉生产蒸汽工艺简述
锅炉汽包水位系统流程如图1所示。
图1锅炉汽包水位系统流程
水位控制系统的任务是使给水量与锅炉蒸发量相适应，维持汽包水位在工艺规定的范围内。
汽包水位反映了锅炉蒸汽流量与给水量之间的平衡关系，是锅炉运行中一个非常重要的监控参数。
汽包水位过高，会影响汽水分离的效果，使蒸汽带液，过热器结垢，影响过热器的效率；如果带液蒸汽进入汽轮机，会损坏汽轮机叶片。
如果水位过低，会破坏水循环而损坏锅炉，尤其是大型锅炉，一旦停止给水，汽包存水会在很短时间内完全汽化而造成重大事故，甚至引起爆炸。
因此汽包水位需要严格控制。
3液位控制系统方案
3.1系统方框图
首先要选取汽包水位控制系统的被控参数和控制变量，本系统按照设计要求可直接选择汽包水位作为被控参数。
影响水位变化的因素有给水量变化、蒸汽流量变化、燃料量变化和汽包压力变化等等。
而汽包压力和蒸汽流量都不能作为控制变量，因为汽包压力变化并不直接影响水位，汽包压力变化是由蒸汽流量引起的，蒸汽流量按用户的需要会各不相同，这是一个不可控因素；燃料量的变化也不能作为控制变量，因为这种变化要经过燃烧系统变成热量后，才可被水吸收，这一扰动通道的传递滞后和容量滞后都很大，所以燃料量的变化不能作为控制变量。
因此只能选择给水量作为汽包水位的控制变量。
将系统的被控参数和控制变量选定之后可得到系统方框图如图2所示。
图2系统方框图
3.2系统方案图
由系统方框图可以设计出系统方案图如图3所示。
图3系统方案图
从系统方案图中可以看到，将给水量作为控制变量，汽包液位作为被控参数之后，检测变送器选择压差变送器，执行器选择PI控制器，执行器为调节阀。
4控制系统的设计
过程控制系统设计和应用的两个重要内容：
控制方案的设计、选择检测变送器、选择执行机构调节阀、选择调节器和调节器整定参数值的确定等几个部分。
设计和应用好一个过程控制系统，首先应全面了解被控制过程，其次根据工艺要求对系统进行研究，确定最佳的控制方案，最后，对过程控制系统进行设计，整定和投运。
对于过程控制系统而言，控制方案的选择和调节器参数整定是其两个重要的内容，如果控制方案设计不合理，仅凭调节器参数的整定无法获得良好的控制质量；相反控制方案很好，但是调节器参数整定的不合适，也不能使系统运行在最佳状态。
过程控制系统从结构形式可分为单回路系统和多回路系统。
单回路控制系统包含一个检测变送器，一个调节器，一个执行器和对象，对对象的某一个被控制参数进行闭环负反馈控制。
在系统分析设计和整定中，单回路系统设计方法是最基本的方法，适用于其他各类复杂控制系统的分析，设计，整定和投运。
采用单回路控制方式来实现锅炉汽包水位单冲量控制系统的原理方框图如图2所示。
在图2中，调节器采用PI调节器，汽包水位是被控对象，检测变送器选用压差变送器，调节阀的具体选择将在下文详细给出。
4.1系统控制过程分析
控制系统的控制阶段主要分为：
平衡阶段和抗扰动调节阶段。
下面将分别对这两个阶段进行分析。
4.1.1系统平衡阶段分析
在锅炉中将会有水蒸气和水，在水中会有气泡，按照设计要求，当汽包水位维持在的液位的时候，系统都是合理的，不会出现任何危险。
4.1.2系统抗扰动阶段分析
在本次设计中，由于是单冲量的，所以只考虑给水量的扰动。
当给水量扰动时，汽包水位的动态特性图如图4所示。
由图4可知，当给水量增加时，水位阶跃响应曲线如图中所示。
如果把汽包水位对给水的响应看做是无自衡单容过程，汽包水位的阶跃响应曲线应该如图中所示。
由于给水温度比汽包内饱和水的温度低，进入汽包的给水会从饱和水吸收一部分热量，所以当给水量上升时，汽包水面以下水中的气泡总体积减小，导致水位下降。
水中气泡总体积下降，导致水位变化的阶跃响应曲线如图中所示。
当给水量上升时，实际汽包水位的曲线应该如所示，即突然加大给水量后，汽包水位一开始并不立即增加，而要呈现出一段起始惯性段。
实际水位变化是和的叠加，即。
用传递函数来表示即是：
用一阶模型近似时，可表示为：
为给水流量作用下，阶跃响应的斜率；为纯滞后时间，给水温度越低，越大，一般约在15~100s之间。
如果采用省煤器，则由于省煤器本身的延迟，会增到100~200s。
图4汽包水位动态特性
4.2单回路反馈控制系统
单回路控制系统又称简单控制系统，是指由一个被控对象、一个检测元件及变送器、一个调节器和一个执行器所构成的闭合系统。
当一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数选择有着很大的关系。
合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。
反之，控制器参数选择得不合适，则会使控制质量变坏，达不到预期效果。
因此，当一个单回路系统组成好以后，如何整定好控制器参数是一个很重要的实际问题。
简单控制系统是实现生产过程自动化的基本单元、其结构简单、投资少、易于调整和投运，能满足一般工业生产过程的控制要求、因此在工业生产小应用十分广泛，尤其适用于被控过程的纯滞后和惯性小、负荷和扰动变化比较平缓，或者控制质量要求不太高的场合。
本设计的要求是锅炉汽包水位单冲量控制系统的设计，由于是单冲量，所以不必选择串级控制回路，简单控制系统就可以。
4.3检测变送器的选择
一个简单的控制系统是由被控对象、检测部件（测量仪表和传感器）、控制器和执行机构组成的。
在自动控制系统中，检测部件的作用相当于人的感觉器官，它直接感受被测参数的变化，提取被测信息，转换成标准信号供显示和作为控制的依据。
4.3.1选取原则
检测部件一般宜采用定型产品，设计过程控制系统时，根据控制方案选择测量仪表和传感器。
选择应该遵循以下原则:
（1）可靠性原则
可靠性是指产品在一定的条件下，能长期而稳定地完成规定的功能的能力是可靠性是测量仪表和传感器的最重要的选型原则。
（2）实用性原则
实用性是指完成具体功能要求的能力和水平。
根据工艺要求考虑实用性，既要保证功能的实现，又应考虑经济性，并非功能越强越好。
（3）先进性原则
随着自动化技术的飞速发展，测量仪表和传感器的技术更新周期越来越短，而价格却越来越低。
在可能的条件下，应该尽量采用先进的设备。
4.3.2压差变送器
被控参数的测量和变送必须迅速正确地反映其实际变化情况，为系统设计提供准确的控制依据。
前面已经说到本设计的被控对象是汽包液位，所以采用压差变送器。
压差变送器，又叫差压变送器，传感器中的一种。
其工作原理是被测介质压力变化—采集到信息—传输信号—主机分析—发出执行命令—执行器动作。
其被广泛的应用到自动化控制领域，其涵盖所有气体及液体介质需要测量和监控压力变化的场所。
压差变送器的原理图如图5所示。
图5压差变送器原理图
由图5可知，是容器上半部分中气体的压强，于是压差可以表示为。
其中是液体密度，g是重力加速度。
当被测介质的密度已知时，压差变送器测得的压差与液位的高度成正比。
测量和变送环节的描述见式（4—1）。
（4—1）
即：
参数选择原则：
减小Tm和τm均对提高系统的控制质量有利。
若Tm较大，则会使记录曲线与实际参数之间产生较大的动态误差。
从减小测量变送环节误差角度考虑，应减少仪表的量程，即增大Km。
4.4调节阀的选择
调节阀类型的选择：
气动执行器。
调节阀口径（Dg、dg）大小的选择：
在正常工况下要求调节阀开度在15%到85%之间。
口径不可以太小，因为当系统收到较大扰动时，会使系统处于失控工况；同样口径不能太大，因为如果口径太大，调节阀将长时间处于小开度中，阀门的不平衡力较大，阀门调节灵敏度低，工作特性差。
调节阀流量特性的选择：
系统总的放大倍数尽可能保持不变，通常被控过程的特性是非线性的（一阶以上特性），而变送器、调节器（若比例作用时）和执行机构的放大系数是常数。
因此往往通过选择调节阀的流量特性来补偿被控过程特性的非线性，从而达到系统总放大倍数不变的目的。
4.5仪表性能指标的计算
4.5.1精度
检测仪表的精度反映测量值接近真实值的准确程度，一般用一系列误差来衡量。
（1）绝对误差
绝对误差指仪表指示值与被测参数真值之间的差值，如式（4—2）。
（4—2）
（2）引用误差
把绝对误差折合成标尺范围的百分数表示，如式（4—3）。
（4—3）
（3）精度等级
按仪表工业规定，去掉最大引用误差的“±”号和“%”号，称为仪表的精度等级，目前已系列化。
只能从下列数系中选取最接近的合适数值作为精度等级，即0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等。
根据此次设计的汽包水位要求为，所以选用0.4精度的等级。
4.5.2灵敏度和灵敏性
灵敏度表示仪表对被测参数变化反应的能力，是指仪表
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