锅炉给水系统.docx

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锅炉给水系统

锅炉给水控制系统

目录

1概述2

2锅炉给水控制系统3

2.1锅炉控制系统介绍3

2.2锅炉控制系统要求4

3锅炉给水控制系统设计方案5

3.1PID控制5

3.2汽包水位控制方式8

3.2.1单冲量控制方式8

3.2.2双冲量控制方式9

3.2.3三冲量控制方式10

3.2.4系统控制器参数的分析与整定11

4仪表的选用13

4.1检测类仪表14

4.1.1压力仪表的选型14

4.1.2液位仪表的选型14

4.1.3流量仪表的选型14

4.2调节阀的选型15

5.课程设计体会15

参考文献16

1概述

工业锅炉是生产和生活中重要的动力源，在整个能源消耗中占有相当大的比重。

目前，我国有百分之九十以上的锅炉燃煤，耗煤量占全国原煤消耗量的1/3以上[1]，而且锅炉燃用的主要是中低质煤，工业污染十分严重；同时，锅炉形式比较陈旧，生产效率和自动化程度低，这又进一步加重了环境污染的程度，因此，调整能源消费结构，逐步提高使用液体燃料和气体燃料的比例是加强环境保护、实施可持续发展战略的措施之一；同时有必要对工业锅炉进行技术改造，提高运行的自动化水平，这样将获得较为理想的控制效果，其节能效果也是十分可观的。

给水控制的任务是维持汽包水位在工艺允许范围内。

由于影响汽包水位的几个因素中，燃料量的扰动影响较小，因此，汽包水位的控制中，主要的目的是以汽包水位为被控变量，以调节给水流量为控制手段。

同时，由于汽包水位不仅受锅炉侧的影响，也受到汽轮机侧的影响，当锅炉负荷变化或汽轮机用汽量变化时，给水控制都应该能限制汽包水位只在给定的范围内变化。

目前，对汽包水位的控制大部分采用常规PID控制方式。

此方式是根据被控对象的数学模型建立，使锅炉的给水量适应锅炉的蒸发量，以维持汽包水位在规定的范围内，同时保持稳定的给水流量。

汽包水位是一个重要的监控参数，反映了锅炉蒸汽负荷与给水量之间的平衡关系。

另外还有汽包水位控制方式（单冲量、双冲量及三冲量控制[2][3]），其中的冲量指的是变量。

2锅炉给水控制系统

2.1锅炉控制系统介绍

锅炉是一种承受一定工作压力的能量转换设备。

其作用就是有效地把燃烧中的化学能转换为热能，或再通过相应设备将热能转化为其它生产和生活所需的能量形式，长期以来在生产和居民生活中都起很重要的作用。

根据锅炉的作用不同，可分为电站锅炉，工业锅炉，生活锅炉等。

其中电站锅炉主要用于发电，工业锅炉主要用于工农业生产，而生活锅炉主要用于供暖取暖。

随着工业生产规模不断扩大，生产过程不断强化，生活设备不断革新，锅炉向大容量、高参数、高效率方向发展。

为确保生产生活安全，对锅炉设备的自动控制就显得十分明显[4][5]。

锅炉系统主要包括燃烧系统、送引风系统、汽水系统及辅助系统等。

其工艺流程如下：

图2.1锅炉主要工艺流程图

由图2.1可知，给水泵、给水调节器、省煤器、汽包及循环管等构成了蒸汽发生系统。

燃烧和空气按一定比例进入燃烧室燃烧，生成的热量传给蒸汽发生系统，生产饱和蒸汽Ds，然后经过过热器，形成具有一定温度的过热蒸汽D，汇聚至蒸汽母管。

压力为PM的过热蒸汽，经负荷设备调节控制机构，提供给生产负荷设备使用。

与此同时，燃烧过程中产生的烟气，将饱和蒸汽变成过热蒸汽后，再经省煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空气，最后由引风机送往烟囱排出。

2.2锅炉控制系统要求

锅炉是工农业生产的主要设备之一，其生产任务是根据外界负荷的变化，输送一定质量（汽压、气温）和相应数量的蒸汽给汽轮机，以满足生产的要求。

为了满足负荷设备的要求，保证锅炉本身运行的安全性和经济性，提高锅炉的自动化水平，减轻操作工人的劳动强度。

其主要控制要求如下：

1、保持汽包水位在规定的范围内：

锅炉汽包水位的高度，关系到汽水分离的速度和生产蒸汽的质量，也是确保安全生产的重要条件。

如果锅炉汽包水位过高，就会影响汽包水位分离装置的正常工作，造成出口蒸汽水分过多，结果可能会使过热器受热面结垢而导致过热器烧坏，并会引起汽轮机叶片上结垢增加，严重时将损坏汽轮机叶片，同时，还会使过热器气温产生急剧变化，直接影响机组运行的经济性和安全性。

如果汽包水位过低，就会影响自然循环的正常进行，严重时会使个别上水管形成自由水面，产生停滞，致使水冷壁因供水不足而烧坏，因此，必须对汽包水位进行控制，将其严格控制在规定的范围内。

现在要求将其控制在0±5cm.

2、稳定蒸汽温度：

由于过热器的作用是将从汽包出来的饱和蒸汽加热成为过热蒸汽，使过热器长期承受高温高压。

因此，在安全生产和技术经济指标上，必须对其进行控制，使蒸汽温度保持保持在额定值范围内。

现场要求将其控制在445±50℃。

3、控制蒸汽压力稳定：

蒸汽压力是安全生产的需要，是维持负荷设备正常工作的需要，也是保证燃烧经济性的需要。

现场要求将其控制在3.9±0.1MPa。

4、控制炉膛负压在规定的范围内：

炉膛负压的变化，反映了引风量与送风量的不相适应。

维持炉膛负压在一定的范围内，对于锅炉的安全运行时有利的。

现在要求将其控制在0.1±0.05Pa。

5、保持烟气含氧量在一定范围内：

要使锅炉燃烧过程出现最佳工况，提高锅炉的效率和经济性，必须使空气和燃料维持适当的比例，将过剩空气降低到接近于理想水平而又不出现一氧化碳和冒黑烟，这就需要快速而准确地对燃烧过程进行自动化控制，使空气和煤出现最佳的配比，否则势必增加热量损失，降低经济技术指标，并造成对周围环境的污染。

现场要求将其控制在：

2.6±0.2（%）。

3锅炉给水控制系统设计方案

3.1PID控制

3.1.1PID控制原理

在控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制[6][7].常规PID控制系统原理框图如图3.1，系统由PID控制器和被控对象组成。

图3.1PID控制系统原理图

PID控制器是一种线性控制器，他根据给定值r（t）与实际输出值y（t）构成控制偏差e（t）=r（t）-y（t）.

将偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合构成控制量，对被控制对象进行控制，故称PID控制器。

其数学模型如下：

式中：

u（t）——调节器的输出信号；

e（t）——调节器的偏差信号，等于测量值与给定值之差；

KP——调节器的比例系数；

TI——调节器的积分时间；

TD——调节器的微分时间；

上述公式在实际应用中是无法实现的，必须进行离散化，将其进行离散化的位置型控制算式：

式中：

u（k）---k采样周期时的输出

e（k）---k采样周期时的偏差

Ts-----采样周期

令

即有

其中分别为比例、积分和微分系数。

3.1.2PID对控制的影响

3.1.2.1比例P调节器

比例P调节器是一种简单的调节器，其控制规律为：

u=KPe+u0

KP：

比例系数，

u0：

控制常量，即误差为零时的控制变量；

如图所示，比例调节器对误差e是即时响应的，误差一旦产生，调节器立即产生控制，使被控制的过程变量图3.2P调节器的阶跃响应

Y向误差减小的方向变化。

3.1.2.2比例积分（PI）调节器

其控制规律是：

Ti：

积分常数，Ti越大，积分作用越弱。

图3.3PI调节器的阶跃响应

积分器的输出值大小取决于对误差的累积结果，虽然误差不变，但积分器的输出还在增加，直至使误差e=0。

积分器的加入相当于能自动调节控制常量u0，消除静差，使系统趋于稳定。

3.1.2.3比例积分微分（PID）调节器

其控制规律是：

Td：

微分常数，Td越大，微分作用越强。

积分器虽然能够消除静差，但使系统的响应速度变慢，进一步改进是通过检测误差的变化率来预报误差，并对误差的变化作出响应。

图3.4理想PID调节器的阶跃响应

3.1.3PID参数整定

方法有：

临界比例度法，衰减曲线法，反应曲线法

小结：

PID控制是迄今为止最通用的控制方法。

大多数反馈控制用该方法或其较小的变形来控制。

PID调节器及其改形型是再工业过程控制中最常见的控制器。

我们今天所熟知的PID控制器产生并发展于1915~1940年期间，尽管自1940年以来，许多先进控制方法不断推出，但是PID控制器以其结构简单，及易于操作等特点，仍被广泛应用于冶金、化工、电力、轻工和机械等工业过程控制中。

3.2汽包水位控制方式

给水控制的任务是维持汽包水位在工艺允许范围内。

由于影响汽包水位的几个原因中，燃料量的扰动影响较小，因此，汽包水位的控制中，主要的目的是以汽包水位为被控变量，以调节给水流量为控制手段。

同时，由于汽包水位不仅受锅炉侧的影响，也受到汽轮机侧的影响，当锅炉负荷发生变化或是汽轮机用汽量变化时，给水控制都应该能限制汽包水位只在给定的范围内变化。

常用的汽包水位控制方式有单冲量、双冲量及三冲量控制。

3.2.1单冲量控制方式

此方式是汽包水位自动调节中最简单、最基本的一种形式，它引入汽包水位作为反馈量，是典型的单回路定植控制系统，此方式将水位测量信号经变送器送到水位调节器，水位调节器根据水位测量值与给定值的偏差去控制给水阀门，改变给水量来保持汽包水位在允许范围内。

图3.5汽包水位单冲量控制原理图

这种方式用在停留时间较长，负荷较稳定的场合，再配上一些连锁报警装置，可以保证安全操作。

但停留时间较短，负荷变化较大时，不宜采用这种方式。

原因如下：

（1）当负荷变化产生虚假水位时，将使控制器反向错误动作；

（2）对蒸汽流量扰动不灵敏；

（3）对给水自发性干扰不能有效及时克服。

3.2.2双冲量控制方式

这种方式克服了单冲量的不足。

原理图如下：

该方式从本质上看是一个前馈（蒸汽流量）加单回路反馈控制系统的复合控制系统。

图3.6汽包水位双冲量控制原理图

其特点有：

可消除“虚假现象”对调节系统的不良影响,从而改善调节特性,提高调节质量,且投资增加不多。

但是该控制方案依旧存在不能及时反映给水流量对水位调节的干扰,因此双冲量水位控制适用于负荷变化较频繁的小型低压锅炉,而不适用于给水母管压力经常有波动的锅炉系统。

3.2.3三冲量控制方式

一般情况下锅炉容量越大,气包的相对水位容量就越小,允许的水位波动就越小,如果给水中断,就可能在极短的时间内发生危险水位,这就要求水位的控制必须能够及时反映给水流量对水位的干扰。

为此,在双水位控制的基础上再引进一个给水流量变化的信号进行控制,就构成所谓的三冲量水位控制系统,其控制方案如图3.7所示。

图3.7三冲量控制方式原理图

该系统中,汽包水位是被控量,是主冲量信号,而蒸汽流量和给水流量是2个辅助冲量信号,通过2个辅助冲量的引人,既克服了“虚假液位”对控制质量的影响，又能及时反映出给水量对水位的干扰,克服了控制过程中的滞后现象。

因此,对于大中型高中压锅炉采用三冲量水位控制系统较为适宜。

综上所述，应采用三冲量控制方式。

三冲量控制方式的工作原理：

三冲量汽包给水控制系统，采用蒸汽流量对信号进行前馈控制，当蒸汽负荷突然发生变化，蒸汽信号使给水调节阀一开始就向正确方向移动，即蒸汽流量增加，给水调节阀开大，抵消了由于“虚假水位”引起的反向作用，因而减小了水位和给水流量的波动幅度。

当由于水压干扰使给水流量改变时，调节器能迅速消除干扰。

如给水流量减少，调节器立即根据给水流量减少的信号，开大给水阀门，使给水量保持不变。

另外，给水流量信号也是调节器动作后的反馈信号，能使调节器及知道控制的效果，所以三冲量给水控制系统，调节器动作快，还可以避免调节过大，减少波动和失控。

这样，汽包水位就很少受到影响。

3.2.4系统控制器参数的分析与整定

三冲量汽包水位单级控制系统[