锅炉汽包水位单回路控制系统设计.docx
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锅炉汽包水位单回路控制系统设计
1、锅炉汽包的控制意义
在实际生产运行中，锅炉的液位控制直接影响了锅炉是否正常运行以及运行的安全状况。
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水位、蒸汽压力、过热蒸汽温度、炉膛负压、过剩空气（烟气含氧量）等如果蒸汽符合变化或给水量发生变化，会引起锅筒水位、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，还会影响锅筒水位、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。
2、锅炉液位控制的难点
液位的控制技术是通过控制进水或出水阀门的开度，改变水流量来实现的，而水温的控制是通过调节加热的功率来实现的。
锅炉液位的控制是过路控制系统较为重要和比较难与控制的一项。
由于锅炉运行过程中存在进水量的变化，所以很难通过调整PID控制其参数来满足所有的运行条件，获得理想的控制效果。
调整过量会导致流量回路动作频繁，从而给下游设备带来了额外的干扰。
另外，液位的波动也会破坏锅炉运行过程的稳定，使得蒸汽输送等不易控制。
影响锅炉液位的关键变量有给水量，蒸汽出口流量和混合燃料的进料量。
各变量都有各自不同的扰动。
较冷的给水造成相应的纯滞后。
蒸汽流出量的突然增加造成了典型的“假水位”现象，使得过程暂时改变了方向，容易产生误操作而导致发生事故。
3、仪表的选型
3.1单冲量液位调节仪
SZD-S-4单冲量液位调节仪是在原SZD-2型液位自控仪的基础上，根据用户要求进行研制，设计。
比SZD-2型液位自控仪增加了阀位反馈信号切换、液位双色显示等功能，采用了先进的集成电路，提高了仪表的可靠性、稳定性。
SZD-S-4型单冲量液位调节仪为PI连续给水调节装置，主要调节系统适用于1～35T/H，压力≤2.5Mpa的各类锅炉炉筒水位自动连续调节。
调节系统是由电感式浮球传感器（简称传感器），SZD-S-4单冲量液位调节仪（简称调节仪）和给水管路上的电动调节机构（DKZ或DKJ）三部分组成。
SZD-S-4单冲量液位调节仪具有水位高、低、危低极限声光报警指示及报警触点输出，报警消音功能，具有阀位手动/自动开关切换，手动时还可以对阀门进行远距离控制，并且能根据水位高低自动连续调节给水量维持水位正常，是水位自动调节，安全生产的自控表。
仪表采用PVC轻触开关，面板上调试液位，带报警消音。
双色光柱显示液位，表头显示阀位，美观大方，工艺精良。
【技术参数】
1、适用介质：
非腐蚀性液体，比重≥0.8
2、工作压力：
传感器≤2.5Mpa
3、工作温度：
传感器≤250℃ 仪表≤50℃
4、工作电压：
220VAC±15% 50HZ
5、环境温度：
仪表工作温度：
0～50℃
6、相对湿度：
≤85％
7、功耗：
≤10VA
8、液位显示范围：
±50mm
9、阀位反馈信号：
DC0～10mA（DKZ-310）电感或电位器（ZAZ执行器）
10、液位输入：
电感信号、0～10m、4～20mA（内部跳线）
11、报警触点输出：
220V、10A
12、开关阀触点输出：
220V、10A
3.2给水调节阀型号
关于给水调节阀型号选择。
由于流经给水阀的除氧水压力为6.0Mpa，温度为104℃,极宜产生汽蚀现象。
对于轻度汽蚀，一般给水阀的阀芯阀座选用司钛莱合金堆焊即可。
对于重度汽蚀，一般给水阀选用多级高压调节阀，使高压除氧水在流过调节阀多级孔后逐渐降压，而每级阀芯上只承担一部分压差，使节流后的压力在阀的部分恢复不到流体的饱和蒸汽压力，可以有效的避免汽蚀现象，也有效的防止了汽蚀引起的噪声振动和对阀芯阀座的侵蚀。
给水阀的选择问题
关于给水调节阀的气开气关和正负作用的选择。
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。
如果高压蒸汽供给蒸汽透平压缩机的重要负荷，为保护这些设备以选用气开式阀为宜。
如果蒸汽作为工艺生产中的热源时，为保护锅炉，以选用气关（F，C）阀为宜。
综合起来考虑，一般选带保位装置（F,I）的给水阀，即事故状态该阀停在原位。
执行器采用正作用。
主要技术性能指标
公称通径mm
20
25
40
50
65
80
100
150
200
250
300
350
400
阀座直径mm
10
12
15
20
25
32
40
50
65
80
100
125
150
200
250
300
可与本公司
商洽生产
额定流量
系数Kv
直线
1.8
2.8
4.4
6.9
11
17.6
27.5
44
69
110
176
275
440
690
1000
1600
等百分比
1.6
2.5
4
6.3
10
16
25
40
63
100
160
250
400
630
900
1440
公称压力MPa
0.61.64.06.4
流量特性
直线、等百分比、快开型
介质温度℃
-15～200（常温型）、-40～+250、-40～+450（中温型）、-100～+200（低温型）
法兰尺寸
铸铁法兰尺寸按JB78、铸钢法兰尺寸按JB79
法兰形式
符合JB78-59、JB79-59标准，可按JB/79.1-94、JB/79.2-94、ANSI、JIS、DIN等标准订货生产
阀体材质
PN
（MPa）
0.6,1.6
WCB（ZG230-450）CF3CF8CF8M
4.0,6.4
WCB（ZG230-450）、ZG1Cr18Ni9Ti、ZG0Cr18Ni12Mo2TiCF8CF8M
可调比R
30:
1
气源接头
M16×1.5
执行机构主要技术参数
型 号
ZHA（B）-1
ZHA（B）-2
ZHA（B）-3
ZHA（B）-4
ZHA（B）-5
ZHA（B）-6
有效面积cm2
200
280
400
630
1000
1600
行 程mm
10
16
25
40
60
1000
弹簧范围KPa
20～100（标准）；40～200；80～240；20～60；60～100
3.3液位差压变送器
差压式液位变送器详情：
远传差压/液位变送器用于防止管道中的介质直接进入变送器里，感压膜片与变送器之间靠注满流体的毛细管连接起来。
它用于测量液体、气体或蒸汽的液位、流量和压力，然后将其转变成4～20mADC信号输出。
凸法兰式远传液位变送器
液位变送器远传装置形式型号参数
1151/3351DP/GP
远传法兰式液位变送器
代码
量程范围KPa
3
0-1.3～7.5
4
0-6.2～37.4
5
0-31.1～186.8
6
0-117～690
7
0-345～2068
8
0-117KPa～1MPa
9
0-0.4～2.5MPa
0
0-1.6～10MPa
3.4关于汽包水位测量的问题
由于汽包水位波动较大，--般选用平衡容器测量汽包水位。
平衡容器连通管中的水位始终与汽包水位等高，上端的蒸汽冷凝后会在托盘上形成水柱，若水柱高出托盘自溢口后自溢，并经平衡阀返回汽包，进行热量与水量的交换，以求达到汽包内部水体与平衡容器内部的水体比重--致且恒定，将托盘水面高于正取压端口H。
做负迁移，则差压变送器量程所对应的平衡管正压端水柱压力的变化就能够实反映汽包水位的变化。
双室平衡容器的结构图见图，其测量筒分别与汽包上部和下部接通，上部引入蒸汽，遇冷蒸汽温度下降不断冷凝，冷凝水流入冷凝台进入A管，A管是充满液体的，B管与汽包连通。
其大致结构原理图：
图2
4、给水控制系统的动态特性
汽包水位是工业蒸汽锅炉安全、稳定运行的重要指标，是锅炉蒸汽负荷与给水间物质是否平衡的重要标志，维持汽包水位正常是保证锅炉和汽轮机安全运行的必要条件。
汽包锅炉给水控制系统的作用是使锅炉的给水量自动适应锅炉的蒸发量，维持汽包水位在规定范围内波动。
其中给水流量和蒸汽流量是影响汽包水位的两种主要扰动，前者来自调节器，称为内扰，后者来自负荷侧，称为外扰。
4.1给水控制任务
汽包锅炉给水控制的任务是使给水量适应锅炉蒸发量，并使汽包的水位保持在一定的范围内，具体要求有以下两个方面:
（1）维持汽包水位在一定范围内。
汽包水位是影响锅炉安全运行的重要因素。
水位位过高，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，从而增加在过热器壁上和汽轮机叶片上的结垢，甚至使汽轮机发生水冲击损坏叶片；水位过低，则会破坏水循环，引起水冷壁的破裂。
正常运行时的水位波动范围：
±20〜50mm
异常情况：
±200mm
事故情况：
>±350mm
（2）保恃稳定的给水量。
稳定工况下，给水量不应该时大时小地剧烈波动，否则,将对省煤器和给水管道的安全运行不利。
对于蒸发量为100—230t/h的单汽包炉，当水位变化±100mm时，T=60〜30s，对于蒸汽量为更大的汽包炉T=30s，它的意义在于锅炉在满负荷运行时，如果突然停止供水，则由于蒸发量和给水量的不平衡造成水位迅速下降，在30s内将下降200mm，或者换句话说，如果给水量减少10%，经过30s的时间，水位将下降20mm。
从物质平衡的观点来看，加大了给水量G水位应立即上升，但实际上并不是这样，而是经过一段迟延，甚至下降后再上升。
这足因为给水溫度远低于省煤器的温度，即给水有一定的过冷度，水进入省煤器后，使-部分汽变成了水，特别是沸腾式省煤器，给水减轻了省煤器内的沸腾度，省煤器内的汽泡总容积减少，因此，进入省煤器内的水首先来填补省煤器中因汽泡破灭容积减少而降低的水位，经过一段迟延甚至水位下降后，才能因给水量不断从省煤器进入汽包而使水位.在此过程中，负荷还未发生变化，汽包中水仍然在蒸发，因此水位也有下降趋势。
沸腾式省煤器的延迟时间T为100〜200s。
非沸腾式省煤器的延迟时间丁为30〜100s。
水位在给水扰动下的传递函数可表示为：
当T=
时，上式可变为:
水位对象可近似认为足-个积分环节和个惯性环节并联形式。
4.2蒸汽流量扰动下水位的动态特性
如果只从物质平衡的角度来看，蒸发量突然增加时，蒸发量高于给水量，汽包水位是无自平衡能力的，所以水位应该直线下降，但实际水位是先上升，后下降，这种现象称为“虚假水位”现象，如图所示。
其原因是由于负荷增加时，在汽水循环回路中的蒸发强度也将成比例增加，水面下汽泡的容积增加得也很快，此时燃料量M还来不及增加，汽包中气压Pb降，汽包膨胀，使汽泡体积增大而水位上升。
如图2-3中所示，开始的一段时间的作用大于H（t）。
过了一段时间后，当汽泡容积和负荷相适应而达到稳定后，水位就要反映出物质平衡关系而下降。
因此，水位的变化应时上述两者之和，即
传递函数也为两者的代数和:
一般100〜230t/hd的中高炉，负荷突然变化10%时，虚假水位化现象可使水位变化达30〜40mm。
汽包水位调节对象的动态特性方程式，通过理论推导和化简后可写成:
在蒸汽负荷小变而给水流量变化的情况下，汽包水位的动态微分方程可以表示为：
对上式进行拉普拉斯变换，可得：
于是，我们得到汽包水位在给水流量作用下的传递函数：
对于中压（蒸汽压力<2.0MPa）以下锅炉，Tw—般较小，可以忽略不计。
故上式可以化简为：
可以简化为：
在给水量不变而蒸汽负荷变化的情况下，汽包水位的动态微分方程可以表示为：
对上式进行拉普拉斯变换，可得：
于是，我们得到汽包水位在蒸汽流量作用下的传递函数：
上式可以用两个动态环节的并联来等效，即：
下图给水流量作用下水位的阶跃响应曲线和蒸汽用量扰动下水位的阶跃响应曲线
5、单冲量单回路控制系统
单冲量水位控制系统以汽包水位作为唯一的控制信号，冲量即变量。
水位测量信号经变送器送到水位调节器，调节器根据汽包水位测量值只与给定值H。
的偏差，通过执行器去控制给水调节阀以改变给水量，保持汽包水位在允许的范围内，其原理结构如图所示。
图3锅炉工艺流程图
5.1锅筒水位的控制方案
根据锅筒水位特性，选取汽包液位是被控变量，蒸汽流量和给水流量是冲量信号，通过控制给水量来使锅筒水位维持在满足负荷需求的高度,一旦蒸汽流量或给水流量发生波动，加法器立即改变调节阀的开度进行校正,提高被调参数液位的调节精度。
控制方框图：
图4控制方框图
控制系统方框图：
图5控制系统方框图
图中，LC为流量控制器，GV为调节阀传递函数，Gp1为水流量变化对水位变化对象传递函数，Glm为液位检测环节传递函数，Gd2为水流量扰传递函数，Gd1为蒸汽流量干扰传递函数。
可见，它根据当前锅筒水位来确定给水量，是一个单回路控制系统。
当蒸汽用量突然增加时，应该加大给水量以满足负荷需求；但是由于假水位现象，导致控制器会先减小给水量来抑制瞬间的水位升高，随着假水位消失，锅筒水位会在负荷增加和给水量减少的双重作用下，产生严重的水位下降，甚至发生危险。
因此,该控制方案不适用于负荷变动较大的情况。
6、控制系统仿真
6.1各个环节传递函数及各个参数的确定
小型锅炉如35t/h，为维持锅炉液位范围在15-35mm内稳定进行，维持蒸汽压力1.2-1.3MPa，蒸汽压力的范围波动<0.1MPa，具体设置参数值为：
根据本文所控制的水位被控对象的数据，给水量的时间常数T2定为15min，K=500mm，因此水位被控对象的数学模型为：
蒸汽流量单位阶跃扰动下的汽包水位闭环传递函数为式子所示，其中取K。
=0.05，K1=5，T2=15得到汽包水位传递函数：
汽包水位变化范围在水位变送器的电流范围4-20mA,所以水位变送器的比例系数为:
放大系数为2。
调节阀的比例系数为：
6.2matlab仿真
PID参数整定，一般说，液位控制只需比例P控制调节即可。
但是该系统只用P控制，K取较小值时，超调量较小，但是稳定值偏低，且K越小越低，K取较大值时，震荡变大，稳定较差；如果加入积分环节I，效果会很好，但I不能取很大，用matlab仿真I可以取的范围是0.01-1之间,加上积分环节效果不是很好，该仿真结果，最好控制是PD，效果是稳定快，超调量小，抗干扰能力强。
建立simulink模型，并将上述模型数据带入见图6：
图6单回路控制系统图SIMULINK模型
（1）首先根据调节器参数经验数据,设定调节器PID参数K=20，I=0，D=60。
经仿真后的响应曲线为
系统仿真曲线图
（2）根据调节器参数经验数据，设定调节器PID参数K=40，I=0，D=50.经仿真后的响应曲线为
系统仿真曲线图
（3）经反复试凑比例度、积分时间、微分时间的大小，得出K=40，I=0，D=50时响应曲线呈4：
1衰减，结果令人满意。
7、课程设计总结
通过这次课程设计，我看到了过程装备与控制工程这门专业的精髓，我认真学习了过程控制仪表与技术这门课本，收获了很多，并且喜欢上了这门专业书，我基本了解了锅炉汽包水位的控制系统，差压变送器的基本原理，调节阀的工作原理，以及整个成套设备的流程运行情况，最关键的是我明白了调节器的调节规律，PID的参数整定，感觉书上说的那些经验法和比例法等等的数据有时不可靠，需要按照实际控制系统特性，再用matlab仿真软件调节PID的数值，我学会了用Simulik仿真系统的稳定性，在王老师的指导下，我实现了各种环节的的各种调节，清楚的认识了PID调节规律的特性。
该系统液位的PID调节控制最好的效果是用PD控制,而且系统比较敏感,PD参数不好确定,在多次实验后,才最终确定PID值,因为系统是单冲量单回路,没有前馈和串级控制系统稳定性好。
通过课程设计，我对以前书本上所学的知识有了更深的理解，也为将来知识的学习打下了坚实的基础。
这次课程设计增长了我把知识运用到实际的能力，加深了对课本知识的理解。
另外，感谢刘广璞、刘波、高强、崔宝珍老师的辛勤指导，让我的课程设计得以顺利地完成。
8、参考文献
[1]王毅《过程装备控制技术及其应用》化学工业出版社
[2]俞金寿《过程自动化及仪表》化学工业出版社
[3]王树青《工业过程控制工程》化学工业出版社
[4]吴勤勤《控制仪表及装置》化学工业出版社
[5]奥特仪表制造有限公司主页
[6]张强matlab7.0simulik实例教程北京航空航天大学出版社
[7]韩光信先进PID在锅炉水位控制的应用研究中国核心期刊《微计算机信息》2006年第22卷第12-1期
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