35吨过热蒸汽锅炉给水调节阀选型蒸汽流量测量孔板计算过程控制系统课程设计.docx
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35吨过热蒸汽锅炉给水调节阀选型蒸汽流量测量孔板计算过程控制系统课程设计
过程控制系统课程设计
题目：
35吨过热蒸汽锅炉给水调节阀选型，蒸汽流量测量
孔板计算（DCS方案）
学院：
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班级：
小组：
小组成员：
指导教师：
摘要
计算机锅炉控制是近几年来开发的一项新技术，在工作领域上有重大的应用。
它是由计算机、计算机软件、硬件、自动控制理论和锅炉节能等几项技术紧密结合的产物，锅炉控制装置，其主要目的是为了保证锅炉的安全、稳定、经济的运行，加强自动控制，从而采用计算机控制，对锅炉能够进行自动检测、自动显示、自动控制和自动报警等多项功能。
但由于我国锅炉生产操作水平落后，从而造成很多大量的热量流失，能源（尤其是煤）的浪费。
实践经验告诉我们，工业上实现锅炉自动控制，是锅炉能够安全生产，提高效率，节约能源的有效方法之一，也是目前最为广泛应用的技术，同时为锅炉高效生产创造了条件。
本课程设计采用DCS系统对35吨过热蒸汽锅炉进行硬件配置及其功能的软件实现。
本设计以锅炉水位为主控对象，蒸汽流量为前馈信号，给水量为摈器的反馈信号。
通过DCS系统对锅炉内的水位、压力、温度进行检测、显示和控制，使其都维持在正常允许的范围之内。
一、整体设计
由于一个大型的锅炉控制系统中，可测点不只数十个而是好几百个，有的为了保证生产安全甚至有上千个，因此要设计出一个安全可靠同时要满足工业生产要求的一套生产系统是非常困难的，但若是采用DCS控制系统，对其参数进行分时控制，则不仅可以做到安全可靠，还可以做到高效运行。
因此采用DCS对各个参数进行分别控制，对温度、压力、流量以及锅炉内的液位进行测量显示。
1、35吨过热蒸汽锅炉如下：
35吨锅炉主要性能参数
锅炉型号
SZL
SZL
SZL
LG-
额定蒸发量t/h
35
35
35
35
额定工作压力Mpa
1.6
2.5
2.5
3.82
额定蒸汽温度℃
204
226
400
450
额定给水温度℃
105
105
105
105
燃烧方式
鳞片炉排层燃
鳞片炉排层燃
鳞片炉排层燃
鳞片炉排层燃
适应煤种
AII、AIII
AII、AIII
AII、AIII
AII、AIII
炉排面积m2
37.5
37.5
37.5
39.5
本体受热面积m2
932
932
1021
1085
过热器受热面积m2
/
/
170
285
锅炉尾部受热面积m2
421
545
650.6
685
满负荷运行耗煤量（Kg/h）
4794
4830
5844
6704
排烟温度℃
<170
<170
<170
<170
热效率%
82
81.8
81.5
83
2、设计分析说明
锅炉在运行期间，由于炉内有一部分是汽泡，当这些汽泡形成后，就脱离受热，进入锅炉的蒸汽空间，对于35吨受热锅炉，总蒸汽量可达到全部水容积的15％~20％。
蒸汽总量与锅炉的蒸发量和汽压有关，蒸发量越大、汽压越小，蒸汽总容积就越大，因此锅炉在稳定工况时，水位与蒸汽容积有关。
锅炉在过渡工况时，水位不仅受蒸发量和给水量的影响，而且还受水面下蒸汽容积变化的影响。
尤其是在负荷突然变化时，水位的变动主要取决于蒸汽容积的变化。
这是因为锅炉在运行时，炉水温度接近于锅炉压力下的饱和蒸汽温度。
假如蒸汽流量突然增大，而炉膛中的燃烧情况还未来得及随之变化，锅炉汽压就要降低，蒸汽的饱和温度也随之下降，这样会使蒸汽比容增大，造成蒸汽总容积增大；另外一方面，由于炉水变成过热水，将产生更多汽泡也使水面下蒸汽容积增大。
由于这种自蒸发现象，尽管在蒸汽流量大于给水量的情况下，水位却虚假地上升。
反之，当锅炉负荷突然减小时，尽管给水量大于蒸汽流量，水位会虚假地下降。
3、控制方式
35吨过热蒸汽锅炉主要用来产生蒸汽，为了维持锅炉汽包内部液位、压力、温度和流量的稳定，本设计采用串级控制系统。
供水侧的扰动，反馈控制系统就能达到较好的效果。
在工业生产中，主要是负荷带来的扰动，当负荷发生变化时，锅炉液位就会偏离设定值，通过测量变送器的信号传送到液位控制器，然后经过一系列的运算去控制执行器动作，从而维持设定值不变。
但此系统对负荷变化频繁的场合不太适用。
4、流程图
（1）管道流程图
（2）蒸汽流量测量计算回路
二、原理方框图
1、串级控制系统方框图
水位控制原理方框图
R（S）液位给定值GC1（S）液位控制器传递函数GC1（S）流量控制器传递函数
Gp1（S）流量控制通道传递函数Y（S）液位测量值Gd（s）干扰通道传递函数
Gff（s）前馈控制器的传递函数H2（S）液位测量变送器的传递函数D（S）扰动量
Gp2（S）流量控制通道传递函数H1（S）流量测量变送器的传递函数
2、压力控制方框图
GC（S）
Gv（S）
Go（S）
R（S）
Y（S）
Gm（S）
蒸汽流量控制原理方框图
R（S）蒸汽流量给定值GC（S）压力控制器传递函数Gv（S）
Y（S）蒸汽测量值Go（S）蒸汽流量传递函数Gm（S）压力测量变送器
三、仪表设备选型表
设备名称
设备型号
设备类型
数量
蒸汽流量变送器
CW-LG一体化孔板流量计
自动化设备
1台
液位控制器
AI518/708T经济型智能控制器
仪表
1台
液位变送器
ATE500P高温投入式液位变送器
自动化设备
1台
蒸汽压力变送器
蒸汽压力控制器
SYB-511智能型压力变送控制器
仪表
1台
给水流量控制器
给水流量变送控制器
FD1型智能电磁流量计
自动化设备
1台
管道仪表流程图:
该流程图包括了蒸汽流量前馈，给水流量-液位串级控制系统。
控制盘盘前布置图：
仪表、自动化设备接线图:
仪表数据:
AI518/708T经济型智能控制器：
1利用先进技术使产片成本，市场价格大幅度降低经济实惠。
2具备单位显示，二位/三位/四位/调节、报警及通讯功能。
3具备单显示的AI人工智能调节及自整定、自学习功能，除无移相触发功能及部分输入规格以外，适合温度、压力、流量、液位、温度、等的控制，可编程多种热电偶、热电阻、mV及标准信号的输入，还可扩充输入信号。
4模块化输出支持SSR电压，线形电流（电压），继电器触点开关、可控硅无触点开关及可控硅过零触发输出。
5有上限、下限、正偏差、及负偏差等多种报警模式及上电免除报警等功能。
6可定义参数查看及修改的权限。
电源电压：
100-240VAC/50Hz或24VDC/AC+10%,-15%
工耗：
<=5W
环境温度：
0-55℃
环境湿度：
<90%RH
测量精度：
0.2级（±0.2%FS+1个字）0.3级
连续电流输出：
0-10mA时，最大负载电阻1k欧；4-20mA时，最大负载电阻500欧
波特率：
1200-19200bps，AIBUS协议
传输距离：
使用RS485时1200M
数据格式：
1个起始位，8个数据位，1或2个停止位
校验方式：
16位求和校验
地址范围：
0-100
输出类型：
0-10mA或4-20mA
最大输出电压>=10.5V（使用X模块）>=7V（使用X4模块）
变送精度：
0.5%FS
电压输出时：
输出规格：
5V10V12V14V可选
最大电流50mA
SYB-511智能型压力变送控制器：
SYB-511智能型压力变送控制器为新一代智能化测压仪表，仪表采用高精度压敏元件、最新的单片机及软件特殊处理技术，超量程报警、量程迁移、零点及量程面板式软件调整。
零点自动跟踪和稳定性处理、仪表显示准确、可靠、功能齐全，使用方便。
适用于石油、化工、冶金、电站、国防和科研部门，监测现场的压力、实时进行现场控制。
自控设备表：
ATE500P系列高温投入式液位变送器：
高温投入式液位变送器的概述
ATE-BP500系列高温投入式静压液位变送器是基于所测液体静压与该液体高度成正比的原理，采用扩散硅或陶瓷敏感元件的压阻效应，将静压转成电信号。
经过温度补偿和线性校正。
转换成4~20mADC标准电流信号输出。
ATE-BP500系列高温投入式静压液位变送器的传感器部分可直接投入到液体中，变送器部分可用法兰或支架固定，安装使用极为方便，且克服只能在低温环境下工作状态。
高温投入式液位变送器的概述特点
1稳定性好，精度高，可在高温环境下工作
2直接投入到被测介质中，安装使用相当方便
3固态结构，无可动部件，高可靠性，使用寿命长，从水、油到粘度较大的糊状都可以进行高精度测量，不受被测介质起泡、沉积、电气特性的影响宽范围的温度补偿。
高温投入式液位变送器的概述技术参数
1测量范围：
0.3~100m（由用户自选）
2精度：
0.2、0.5、1.0级
3工作温度：
-20℃~200℃
4输出信号：
二线制4~20mADC
5电源电压：
标准24VDC（12~36VDC）
6不灵敏区：
≤±1.0%FS
7负载能力：
0~600Ω
8相对温度：
≤85%
9防护等级：
IP68
10防爆标志：
ExiaIICT4-6
高温投入式液位变送器的概述选型表
型谱
说明
ATE500P
投入式静压高温液位变送器
类质
2
杆式（传感器装在底部，直接接触液体介质）
3
防腐式
4
导压杆式（传感器装在上部，不直接接触介质）
过程连接形式
T
支架安装
N
法兰安装DN40 PN1.0
Y
特别约定
传感器连接材料
1
304
杆式
2
316
3
316L
4
丁晴橡胶与聚氯乙烯复合物
缆式
5
聚四氟乙烯，（聚丙烯法兰）
防爆方式
O
不防爆
E
本安防爆ExiaⅡCT6
显示方式
O
不带现场批示
Z
带电流表指示（0-100%刻度）
X
带液晶数字显示
CW-LG一体化孔板流量计：
概述
CW-LG一体化孔板流量计是将标准孔板与多参数差压变送器（或差压变送器、温度变送器及压力变送器）配套组成的高量程比差压流量装置，可测量气体、蒸汽、液体及天然气的流量，广泛应用于石油、化工、冶金、电力、供热、供水等领域的过程控制和测量。
适用范围
1.公称直径：
15mm≤DN≤1200mm
2.公称压力：
PN≤10MPa
3.工作温度：
－50℃≤t≤550℃
4.量程比：
1:
10，1:
15
5.精度：
0.5级，1级
产品选型
型号
说明
CW-LG
节流装置（孔板流量计）
代号
按其结构特征的两大基本分类
K
孔板
P
喷嘴等
代号
公称压力（公斤）
2.5
2.5
10
10
16
16
25
25
64
64
100
100
200
200
代号
口径（mm）
15～1200
15～1200mm
代号
按其结构形式细分
H
标准孔板（环室）
Y
标准孔板（法兰）
K
标准孔板（钻孔）
I
ISA1932喷嘴
L
长径喷嘴
W
文丘利喷嘴
G
经典文丘利管
S
双重孔板
Q
圆缺孔板
Z
锥形入口孔板
R
1/4圆孔板
P
偏心孔板
N
整体（内藏）孔板
X
楔形孔板
T
不在上述之列的特殊节流装置
代号
介质
1
液体
2
气体
3
蒸汽
4
高温液体
代号
补偿形式
N
不带压力、温度补偿
P
带压力补偿输出
T
带温度补偿输出
Q
带压力、温度补偿输出
代号
变送器差压量程范围
0
微差压量程
1
低差压量程
2
中差压量程
3
高差压量程
代号
是否带现场显示
W
节流装置传感器
X
智能节流装置（流量计）
代号
供电方式
0
外接+24VDC供电
1
3.6V电池供电
FD1型智能电磁流量计：
工作原理：
法拉第电磁感应定律，有一定电导率的流体流经测量管，将切割磁力线感应出电动势E。
电动势E正比于磁通量密度B、测量管内径d与平均流速V的乘积。
电动势E（流量信号）由电极检出并通过电缆送到转换器。
转换器将流量信号放大处理后，可现实流体流量，并能输出脉冲，模拟电流信号，用于流量的控制和调节。
技术参数：
1、流动方向：
正、反，净流量，量程比：
150：
1，重复性误差：
测量值的±0.1%
2、精度等级：
0.25级，0.5级，1.0级
3、被测介质温度：
普通橡胶衬里：
-20～+60℃；高温橡胶衬里：
-20～+90℃；聚四氟乙烯衬里：
-30～+100℃；高温型四氟衬里：
-30～+180℃
4、流量测量范围：
流量测量范围对应流速范围是0.3～15m/s
范围：
0.5~10m/s
介质温度：
≤200℃
压力：
1.6MPa（特殊要求，用户提供）
特征：
大口径管道水流量，检测带压开孔，带压安装，自动归零技术，最优化设计，抗干扰。
输出：
4~20mA、0~1KHz累计量当量脉冲。
电源：
220VAC、50HZ或24VDC
材质：
316L哈氏合金、钽、钛
应用：
水、污水、原水
截流元件计算书：
蒸汽流量测量孔板计算
在此设计中:
被测流体:
蒸汽Qvmax=4752Qvmin=1200K=0.1
P=9000pat=450patm=100900paρ0=1.293kg/m3D=0.478m
工作绝对温度:
T1=T0+t=273.15+450=723.15K
工作绝对压力:
p1=patm+p=100900+9000=109900Pa
工作状态下的蒸汽密度:
管道相对粗糙度:
工作状态体积流量:
求雷诺系数:
计算不变数:
求β:
C=0.5959+0.0312β2.1-0.1840β8+0.0029β2.5（106/Remax）0.75
ε=1-（0.41+0.35β4）（△p/kp1）
计算孔径d=Βd=262.0874mm
阀门选型计算书及阀门选型：
1调节阀结构形式的选择:
由于根据锅炉给水系统的介质是水,并且要求的泄漏量不十分严个,阀前后压差较大,所以可选择直通单座阀。
2调节阀气开、气关形式的选择：
从工艺生产的安全角度考虑，给水调节阀应选择气关或者电关形式。
3调节阀流量特性的选择：
若锅炉给水系统负荷变化不是很大，选择直线特性的调节阀即可，若负荷变化较大，可以选择等百分比特性的调节阀。
4调节阀口径的确定：
选择调节阀口径是调节阀选择中的一个关键步骤,它对生产的正常进行,控制质量以及生产的经济效果起着至关重要的作用.
在此设计中,设锅炉给水系统的最大流量Qmax=100m3/h,最小压差△Pmin=50kPa,最小流量Qmin=20m3/h,S=0.5,被调介质为水,并且选择直流特性的双座调节阀,下面计算阀门的口径.
1.计算流量系数
2.根据Cmax=141.3查表选择C=160
3.验算开度:
最大流量时的开度
最小流量时的开度
一、
因为Kmax<90%,Kmin>10%,故满足要求.
4.验算可调范围
根据C=60,查制造厂产品样本或查表,可得调节阀口径D=100mm。
阀门选型：
QSVN系列智能电动双座调节阀：
QSVN系列智能电动双座调节阀是QS智能电动调节阀系列产品之一，它由PSL智能型电动执行器与优质的国产阀门相组合构成，是一种高性能的调节阀，适合于密封要求不严的场合，可广泛应用于电力、冶金、石化、化工、医药、锅炉、轻工业等行业的自动控制系统中。
电动执行机构接受4-20mA控制信号，改变阀门的开度，同时将阀门开度的隔离信号反馈给控制系统，实现对压力、温度、流量、液位等参数的调节。
一、主要特点：
1配用PSL智能型直行程电动执行器，体积小、规格全、重量轻、推力大、操作方便，无调整电位器，可靠性高、噪声小。
2PSL电动执行器采用一体化结构设计，具有自诊断功能，使用和调校十分方便。
3有数字显示窗口，可看到控制信号值、阀位值。
4PSL智能型电动执行机构功能：
带断控制信号故障判断、报警及保护功能。
即断信号时可使执行机构或开或关或保持或在0-100%之间予置的任意位置，及带阀门堵转故障判断、报警及保护功能。
5阀内有上、下两个阀芯，流体作用在上、下阀芯上的推力，其方向相反二大小接近，故不平衡力很小，允许压差较大，额定流量系数比同口径单座阀小，但该阀泄露较单座阀大。
二、主要技术参数：
1执行机构
形式：
PSL智能型直行程执行机构
输入信号：
4——20mA
输入阻抗：
250欧
输出信号：
4——20mA
输出最大负载：
<650欧
断信号阀位置：
可任意设置为保持/全开/全关/0-100%间任意值
电源：
220V±10%/50Hz
推力规格：
1KN2KN4KN8KN16KN20KN25KN
阀作用形式：
任意设置正反作用
防护等级：
IP65
基本误差：
±1.0%
死区：
<=±1.0%
环境温度：
-10~+65℃
2阀体
公称通径：
25—200mm
公称压力：
PN1.64.06.4MPa
连接形式：
法兰连接（接JB79-9标准）
材料：
铸铁（HT200）,碳钢（ZG25）,不锈钢（ZG1C18Ni9,ZGOCr17Ni12M02）
上阀盖：
常温型：
-40~250℃中温型：
-40~450℃
填料：
V型聚四氟乙烯填料
3阀内组件：
阀芯形式：
双座柱塞型阀芯
流量特性：
线性和等百分比特性
材料：
不锈钢
泄漏量：
<=额定流量系数Kv的0.5%
基本误差：
±1.0%
回差：
<=1.0%
死区：
<=1.0%
可调范围：
30:
1
具体参数见下表：
自控设备预算书：
设备
数量
单价（元）
合计（元）
CW-LG一体化孔板流量计
1
1250
3750
AI518/708T经济型智能控制器
1
1460
1460
ATE500P高温投入式液位变送器
1
1300
1300
SYB-511智能型压力变送控制器
1
1780
5340
FD1型智能电磁流量计
1
100000
100000
QSVN系列智能电动双座调节阀
1
850
850
课程设计总结：
通过这次过程控制系统课程设计，我们不仅进一步的了解了锅炉液位控制系统的构成，而且对前馈控制系统以及串级控制系统有了更深入的了解。
此外在网上寻找各种自动化设备和仪表的过程中，我搜寻了多家公司和网站，这不仅是我扩大了知识面，而且对各种仪表、控制器、变送器的工作原理和应用场所有了更多的认识。
这次课程设计让我们明白了要学好过程控制系统这门课程仅仅靠上课听课和看书是不够的，只有针对具体一项工程，仔细分析它的要求，计算系统中的参数，才能明白其中的道理，才能提高我们的水平
在这次课程设计中，我们小组分工明确，这不仅加深了我们之间的友谊，更锻炼了我们的团队合作精神。
总之这次课程设计让我们受益匪浅。
参考文献：
【1】《过程控制系统》李国勇编著电子工业出版社2009年5月
【2】《过程控制系统》方康玲武汉理工大学出版社2007
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