毕业论文 汽包锅炉给水控制系统设计.docx
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毕业论文汽包锅炉给水控制系统设计
毕业论文
汽包锅炉给水控制系统设计
目录…………………………………………………………………………………..1
1绪论………………………………………………………………………...………3
1.1锅炉汽包水位测量的重要性………………………………………………3
1.2锅炉汽包水位测量………………………………………………………...3
2控制系统总体结构设计………………………………………………..…………4
2.1控制对象的选择…………………………………………………………...4
2.1.1给水任务……………………………………………………………4
…………………………………………..…...4
………………………………………….5
2.2整体结构设计……………………………………………………………...7
…………………………………………………………….7
2.2.2300MW机组给水控制过程…………………………………...……9
3测量仪表选型……………………………………………..……………………..13
3.1给水控制系统测量任务…………………………………………………13
…………………………………………………...13
…………………………………………………...13
………………………………………………...14
…………………………………………………………..15
………..............................................................15
………………………………………………...17
……….………………………..………....…18
4数据采集系统选型………………………………………………………………20
………………………………………………………..20
……………………………………………..20
4.3数据采集系统选型……………………………………………………….21
………………………………………………...21
4.3.2NIPCI-6221数据采集卡相关配件…………………………....….21
………………………………………...24
第五章：
数据采集程序设计………………………………………………………25
5.1LabVIEW数据采集介绍………………………………………………….25
5.2基于LabVIEW平台的虚拟仪器程序设计………………………...…...25
………………………………………………………..26
……………………………………………………...26
……………………………………………………...26
6控制系统界面设计…………………………………………………………….…31
……………………………………..……..…….31
………………………………………………………..31
……………………………….…..31
……………………………………………………...32
分组说明……………………………………………………………………………32
参考文献……………………………………………………………………………34
1绪论
对火力发电厂来说，锅炉汽包满、缺水事故是长期困扰其安全的重大恶性事故之一，究其原因，首先是因为锅炉汽包水位的测量技术尚有一些不完善，而另一个原因，则是缺乏对汽包水位测量技术的理解，这些都导致了恶性事故的屡屡发生。
因此，可知保持锅炉汽包水位处于正常范围内波动是锅炉运行的一项重要安全性指标，必须对其进行透彻的理解。
锅炉气包水位是确保安全生产和提高优质蒸汽的重要变量。
尤其对于大型锅炉，其蒸发量明显要高，气包容积相对较小，水位变化速度很快，稍不注意就容易造成气包满水或者缺水，甚至造成干锅。
前者将使蒸汽带水，影响蒸汽品质，且长期运行会使过热器结垢；后者会引起锅炉爆炸的危险。
1.2锅炉汽包水位测量
锅炉运行中，我们是通过水位测量系统来监视和控制汽包水位的。
当汽包水位超出正常运行范围时，报警系统将发出报警信号，保护系统将立即采取必要的保护措施，以确保锅炉和汽轮机的安全。
因此，锅炉汽包水位测量系统是机组安全运行的极端重要的系统，这也是锅炉给水控制系统的最主要任务。
2控制系统总体结构设计
2.1控制对象的选择
此次设计对象为300MW机组锅炉给水控制，锅炉的主要参数如下表
300MW机组锅炉的主要参数。
蒸汽压力MPa
蒸汽温度
℃
给水温度
℃
最大连续蒸发量（t/h）
发电功率
MW
540/540
250-280
1025
300
2.1.1给水任务
锅炉给水控制的任务是使给水量对应于锅炉的蒸发量，以保持锅炉运行过程中的汽水流量平衡，并维持汽包水位在正常的规定范围内波动。
一般国产的300MW机组的汽包锅炉蒸发量为1025t/h，而泡包的容积仅为30~40m³，汽包水位过高或过低都将危及锅炉的安全运行，因此，对于汽包锅炉来说，给水控制系统的主要任务是保证给水流量适应于锅炉蒸发量的要求，维持汽包水位在合适的范围内（正常情况下汽包水位限制在-50mm~+50mm范围内变化）以保证机组的安全运行。
被调对象的示意图如下：
影响H的原因有：
给水量Ｗ，蒸汽量Ｄ，锅炉燃烧率Q。
①给水流量w对水位的干扰：
在平衡状态突然加大给水量，虽然给水量大于蒸发量，但由于温度较低的给水进入水循环系统后，要从原有饱和汽水中吸取一部分热量使得水面下气包容积有所减少，进入水系统的水首先去填补汽水管路中气包所让出的空间，只有当气包容积不再变化时，水位才随给水量的增加呈线性上升。
由上述分析，给水量扰动时，水位调节对象有一定的惯性与滞后。
水位在给水扰动下的传递函数为：
其中τ──迟延时间s；ε──飞升速度
②蒸汽负荷对水位的干扰：
当蒸汽用户设备用气量突然增大，单从物料不平衡考虑，汽包中蒸发量大于给水量，水位应该直接下降，如曲线H1；但由于蒸汽负荷量突然增大时，汽包中压力减小，汽水循环管路中的汽化强度增加，蒸发面以下汽包容积增加而引起水位上升，如曲线H2；因而在蒸汽负荷量突然增大的起始瞬间，液位不会下降，反而上升，出现“虚假液位”现象，如曲线H；只有当气包容积与负荷相应达到稳定后，水位才能反映出物料的不平衡，开始下降。
因此，蒸汽流量扰动时，非但没有自平衡能力，而且存在“虚假现象”，在控制系统的设计中必须予以考虑。
水位的变化为上述两者变化之和，即H（t）=H1（t）+H2（t）
传递函数也为两者之和，即
式中T——H2的时间常数，约为10~20s;k——H2的放大系数；ε──飞升速度。
③炉膛热负荷对水位的干扰
当燃料量突然增大时，传给锅炉的热量必然增加，上升管中的蒸发强度增大，蒸发面下的气包膨胀，使得液位上升，因而带来了蒸汽量及气包压力的增加，但此时给水量并未增加，因此，这种液位变化也属于“虚假液位”。
但是热负荷由蒸汽压力控制系统来保证，因而它的影响是次要的。
蒸汽量扰动主要取决于汽轮机的运行工况，属于外部扰动，锅炉燃烧率扰动其实也是一种间接的外部扰动。
很显然这两种物理量是不可能作为调节汽包水位的调节手段的，调节作用量只能选择给水量。
“虚假水位”（levelswell）现象主要是来自于蒸汽量的变化，显然蒸汽量是一个不可调节的量（对调节系统而言），但它是一个可测量，所以在系统中需要引入这些扰动信息来改善调节品质。
锅炉启动及低负荷阶段，汽包水位采用单冲量控制方式；达到一定负荷后，控制系统能自动或手动切换到由蒸汽流量、给水流量和汽包水位信号组成的三冲量控制方式。
在启动或低负荷运行过程中，由于锅炉需要供水量很小，常会造成使给水泵工作流量太小的情况，从而使泵得不到足够的冷却而引起泵的汽蚀，甚至振动。
因此，在调节给水量的过程中，必须保证给水泵的工作流量不低于满足泵足够冷却的最小冷却水量。
所以需要采用最小流量的控制方式，即设置给水泵再循环阀实现最小流量保护。
①
调节系统，由被控对象、测量变送单元、调节器和执行器组成，通过给水流量调节气包液位，这里指的单冲量即气包液位。
其控制方案如图该控制方案系统结构简单，投资少，易实现。
但它不能克服“虚假液位”的影响，且不能及时反映给水量的扰动，控制作用迟缓，因此，只在锅炉启动及低负荷阶段进行控制。
②串级三冲量水位控制系统
其控制方案如图所示，其给水调节任务由两个调节器完成。
主调节器PI采用比例积分调节器，以保证水位无静态偏差，主调节器输出信号和给水、蒸汽流量信号都作用到副调节器PI2上，一般副调节器都采用比例调节器，以保证副回路的快速性。
当给水流量自发性扰动和蒸汽流量改变时，迅速调节给水流量，以保证给水流量与蒸汽流量平衡。
由于水位偏差由主调节器负责校正，所以蒸汽流量强度系数α的大小可以根据锅炉“虚假水位”的
严重程度来确定，使得负荷在变化时，蒸汽流量的前馈调节作用更好的客服“虚假水位”的影响，改善调节品质。
2.2.2300MW机组给水控制过程
机组汽包水位控制系统的SAMA图如下
图2.9300MW机组给水控制系统图
该300MW给水机组系统，配有两台50%容量的汽动泵和一台25%的电动泵，电动泵出水管路设有调节阀。
在正常运行工况下，通过调节汽动泵转速控制进入锅炉的给水流量，在启动停止和事故运行工况下，通过调节电动泵出水管路上的调节阀控制给水流量。
在电动泵和汽动泵相互切换的过渡运行工况时，三台给水泵可同步调节给水流量。
①电泵启动
1）启动之初，主给水阀关闭，电泵定速运行，通过启动控制阀的节流作用，调节给水流量控制水位。
控制原理如图所示。
此时，启动控制阀调节器PID①对设定值和水位值之间的偏差进行PID运算，自动控制指令经启动控制阀M/A站输出，去控制启动控制阀的开度调节进入汽包的给水，最终使水位等于定值。
2）随着负荷的升高，要求的给水量增加，该启动控制阀逐渐开大，到了一定开度以后，调节性能变差，这时应该手动逐渐打开主给水阀，或者，当负荷增加控制阀开大以后，当发现控制阀已无法再对给水进行调节时，手动升高电泵转速，提高压头，增加给水。
3）随着负荷继续升高，给水压力已升得较高，阀门承受的节流压差也越来越大，当启动控制阀门已开到90%以后，可以将电动给水泵转速控制投自动。
给水控制阀由阀门节流调节方式变成了给水泵转速调节方式。
此时单冲量控制器PID②将对水位与给定值之间的偏差进行计算，PID②的输出经电泵M/A站，输出到电动给水泵勺管控制机构，自动调整电泵转速，PID②最终使水位等于定值。
在电泵转速控制投自动的同时，启动控制阀M/A站，自动地切换成手动，以防止责任不分，互相干扰。
如前所述，随负荷升高，节流加强，所以此时应手动打开主给水阀。
作为调节型阀门，不能长期处于一个高温高压环境中，所以当主给水阀全开后，则发出一个脉冲，超驰关闭启动控制阀。
②电泵三冲量控制
负荷继续升高后，仅用PID②这个单冲量调节器，已难以保证调节品质，当负荷（蒸汽流量）大于30%以后，将自动采用三冲量控制方案。
PID调节器③（又称为给水流量调节器）接受给水流量反馈信号，当给水流量由于扰动而发生波动时，该调节器会快速地调节泵的转速，有效克服给水波动。
用蒸汽流量信号作为给水流量调节器PID③的设定值的一部分，是为了使进入锅炉的给水量于流出锅炉的蒸汽量随时保持平衡，这样可以有效地克服虚假水位对调节品质的影响。
为了最终使水位能保持在定值上，PI调节器④（称为三冲量水位调节器）将对水位与其定值的偏差进行PI运算，其输出成为给水量设定值的另一部分。
PI调节器④最终将水位维持在设定值（细调）。
③汽泵投运
随着负荷进一步升高，则需暖汽泵组并启动。
逐步升高小机转速，升高泵的出压头，转速大于额定要求转速时，小机可投入遥控方式，此后，可在小机的M/A站上控制转速。
当泵的出口压头略大于给水母管压头时，打开汽泵出口阀，并继续手动调节汽泵转速，使汽泵转速与电泵转速逐步接近。
此时水位仍将由电泵自动维持。
当汽泵与电泵流量相近时，可将汽泵投自动，此时汽动给水泵将按三冲量方案自动调节。
将电动泵转速控制M/A站切手动，逐步降低电泵转速，当其流量较低时，关闭其出口阀，停电泵（若要将其作为备用泵，出口阀可以不关）。
为了使两汽泵的负荷均衡，所以用了MASTER算法。
④最小流量保护
除氧器水箱中的水是饱和水，给水泵入口水可认为是接近饱和的水，汽蚀裕量不大，若给水泵流量太低（例如启动时或负荷较低时），泵的效率就会较低，加上冷却不够，则可能导致汽蚀，为了防止汽蚀，在泵的出口与除氧器水箱之间设有一再循环管，装有一个再循环控制阀，可用它分流来保证最低安全流量。
3测量仪表选型
给水控制系统中需要测量汽包水位、给水流量、蒸汽流量，因此所选取的测控设备主要有汽包水位计，给水流量计，蒸汽流量计。
但是要实现给水全程控制，还要这三个测量信号进行修正。
其原理图如图3.1：
由图可知汽包水位不仅与取样装置的差压有关，还与汽包压力有关，因此所选仪表还包括压力传感器。
其原理如图3.2所示:
可知给水流量的测量一般只需要采用温度校正，因此所选仪表还包括温度计，可采用热电偶式的温度计。
并且总的给水流量不仅包括从主管道测出的进入锅炉汽包的给水流量，还应包括减温水量。
每一路减温水的流量都由测量元件测出，即此处仍需选用流量计，再求和得：
减温水=1级左+1级右+2级左+2级右+3级左+3级右；
其原理图3.3如下：
由于主蒸汽流量等于进入汽机的蒸汽和进入高压旁路的蒸汽量，而根据费留格尔公式知，汽机蒸汽流量为汽机一级压力的函数，且G∝
，因此需测出主汽温度和一级压力及高庞流量。
综述：
由以上可知，本次设计需要测量的量有：
表3.1本次设计所需测量量
测量信号
所需仪器
所测量
汽包水位方面
液位计、压力传感器
汽包液位高、汽包压力
给水流量方面
流量计、热电偶温度计
减温水流量、给水流量
给水温度
蒸汽流量方面
压力传感器、流量计
热电偶温度计
汽机一级压力、高旁流量
主蒸汽温度
3.2.1汽包水位测量方面
汽包正常水位（NormalWaterLevel,NWL）是指锅炉正常运行过程中汽包中的水位应该保持的高度，一般称为汽包的零水位。
为了保证锅炉的安全性和经济性，在锅炉运行过程中汽包水位必须保持在正常水位附近，它的允许波动范围一般在±50mm内。
当锅炉运行不稳定、负荷变化较大或自动控制系统故障时，汽包水位有时会超出上述允许范围，但是只要没有上升到影响汽水分离器正常工作的程度，或者下降到破坏锅炉水循环的程度，还是允许锅炉继续运行的。
然而，水位变动范围过大，就应该引起值班人员的重视，采用相应措施恢复水位正常，如果水位继续变动，达到不能允许的范围时，就应该立即停止锅炉的运行，以保证设备安全。
为此，锅炉厂还规定了汽包水位的高、低限报警值和跳闸值。
对哈尔滨锅炉厂生产的亚临界自然循环锅炉，汽包水位达＋120mm时自动开启事故放水阀，汽包水位降至0mm时自动关闭事故放水阀。
汽包水位允许高限为＋120mm（报警），低限一180mm（报警），汽包水位达+240mm或一330mm时MFT动作紧急停炉。
因此可采用WDP型汽包水位低偏差云母水位计，它是一种低偏差云母水位计，具体如下：
表3.2WDP低压偏差云母水位计
型号
工作压力
介质温度
可视高度
安装中心距
测量精度
生产厂家
WDP
10-22Mpa
310-375℃
454-255mm
600-700mm
河北天星阔蓝木金属
其变送器可采用181S系列射频电容液位变送器，射频电容液位变送器的主要特点:
①结构简单：
无任何可动或弹性元部件，因此可靠性极高，维护量极少。
一般情况下，不必进行常规的大、中、小维修。
②安装方便：
内装式结构尤其显示出这一特点，无需任何专用工具，十几分钟即可装好。
③调整方便：
零位、量程两个电位器可在液位检测有效范围内任意进行零点迁移或量程的压缩或扩展，两个调整互不影响。
④用途广泛：
适用于高温高压、强腐蚀等介质的液位测量。
具体如下：
表3.3181S系列射频电容液位变送器
型号
精度
承压范围
工作温度
环境温度
有效检测范围
输出信号
181S
32MPa以下
50～240℃
20～75℃
0.2～20m
4～20mA、二线制
pa，温度在540℃，因此可选用PT142高温熔体压力传感器，具体如下：
表3.4PT142高温熔体压力传感器
型号
量程
综合精度
工作温度
长期稳定性
生产厂家
PT124
30MPa
1.0%FS
200-650℃
0.1%FS/年
佛山市普量电子
由于压力传感器所输送的电势信号，一般不在采集卡采集范围内，故应为其配备一台变送器，可选BP801型扩散硅压力变送器，具体规格如下：
表3.5BP801型扩散硅压力变送器
型号
量程范围
精度等级
输出信号
标准供电
生产厂家
BP801
0-7MPa-35
MPa
0.1%
4-20mADC二线
DC24V
安徽天康（集团）股份
压力测量接线图如下：
由于给水温度是250℃~280℃，故可选用E型镍铬—铜镍热电偶温度计，该温度计耐磨，同时耐冲刷，耐腐蚀，性能稳定，寿命长。
具体如下：
表3.6WRNK-231镍铬—康铜热电偶温度计
热电偶名称
分度号
测量范围
常用温度
最大误差
生产厂家
镍铬—康铜
E
0~700℃
600℃
±2.5℃或0.75%t
北京华电国冶技术
温度测量接线图如下：
由于最大连续蒸发量为1025t/h,两台50%容量的汽动给水泵，一台25%容量的电动泵。
所以流量计可选用STP5-FH-dn125型孔板流量计，具体如下：
表3.7LGFK22-2000孔板流量计
型号
公称直径
公称压力
工作温度
量程比
精度
生产厂家
LGFK22-2000
20~3000mm
PN≤22MPa
-50℃t≤600℃
1:
10
1:
15
1级
江苏进源仪表厂
减温水流量计可采用KY-LG一体化孔板流量计，其规格参数等具体如下：
表3.8KY-LG一体化孔板流量计
型号
公称直径
公称压力
工作温度
量程比
精度
生产厂家
KX-LG
15mm≤DN≤1200mm
PN≤10MPa
－50℃≤t≤550℃
1:
10
1:
15
1级
江苏康宇自动化设备
由于该型孔板流量计具有差压变送器，故不需再单独添加差压变送器。
考虑到事故时，给水从旁路管道流出，所以其测量水位计仍可采用STP5-FH-dn125PT142高温熔体压力传感器；主蒸汽温度测量仍可采用中的E型镍铬—铜镍热电偶温度计。
综上可知，本次测量所需选用的测量仪器如表3.9所示：
表3.9所需仪器汇总表格
仪器名称
WDP低压偏差云母水位计
181S系列射频电容液位变送器
PT142高温熔体压力传感器
BP801型扩散硅压力变送器
E型镍铬—铜镍热电偶温度计
STP5-FH-dn125型孔板流量计
KY-LG一体化孔板流量计
生产厂家
河北天星阔蓝木金属
江苏阳光自动化设备
佛山市普量电子
安徽天康（集团）股份
北京华电国冶技术
江苏进源仪表厂
江苏康宇自动化设备
4数据采集系统选型
一个完整数据采集系统的基本组成，包括原始信号、信号调理设备、数据采集设备和计算机。
传感器：
将物理信号转换为可识别的电压或电流信号；信号调理：
放大、滤波、隔离处理，便于精确测量；数据采集设备：
将模拟量电信号转换为数字信号送给计算机进行处理，将计算机编辑好的数字信号转换为模拟信号输出；计算机：
安装驱动和应用软件，完成数据采集、分析和处理。
①采样频率
采样频率的高低，决定了在一定时间内获取原始信号信息的多少，为了能够较好的再现原始信号，不产生波形失真，采样率必须要足够高才行。
根据奈奎斯特理论采样频率至少是原信号的两倍，但实际中，一般都需要5～10倍。
②采样方法
采集卡通常都有好几个数据通道，如果所有的数据通道都轮流使用同一个放大器和A/D转换器，要比每个通道单独使用各自的经济的多，但这仅适用于对时间不是很重要的场合。
如果采样系统对时间要求严格，则必须同时采集，这就需要每个通道都有自己的放大和A/D转换器。
但是处于成本的考虑，现在普遍流行的是各个数据通道公用一套放大器和A/D转换器。
③分辨率
ADC的位数越多，分辨率就越高，可区分的电压就越小。
例如，三位的A/D转换把模拟电压范围分成23=8段，每段用二进制代码在000到111之间表示。
因而，数字信号不能真实地反映原始信号，因为一部分信息被漏掉了。
如果增加到十二位，代码数从8增加到212=4096，这样就可以获得就能获得十分精确的模拟信号数字化表示。
④电压动态范围
电压范围指ADC能扫描到的最高和最低电压。
一般最好能够使进入采集卡的电压范围刚好与其符合，以便利用其可靠的分辨率范围。
例如，一个12位多功能DAQ卡，其可选的范围从0到10V，或－5到＋5V，其可选增益有1，2，5，10，20，50或100。
电压取值范围从0到10V，增益为50，则理想分辩电压是：
⑤I/O通道数
该参数表明了数据采集卡所能够采集的最多的信号路数。
4.3数据采集系统选型
本次数据采集卡采集的是从液位变送器、压力变送器、热电偶、流量计差压变送器输入的信号，需采集一道液位信号（汽包液位），两道压力信号（汽包压力、汽机一级压力），两道热电偶温度信号（给水温度、主蒸汽温度），八道流量信号（给水流量、六道减温水流量、旁路流量，所以所选采集卡需具有十三道以上通道。
变送器输出为0~20mA的电流，采样率要求最好达到1K以上，分辨率可选高点，故可采用NI公司的NIPCI-6221数据采集卡。
NIPCI-6221是NI公司的M系列多功能数据采集卡，采用的是一个A/D转换器，虽然是多路采集，实际上是分时工作的，所有在多路同时工作时采样率会成倍降低。
该板卡的主要性能如下：
①16路模拟信号输入通道，采样率为250kS/s；
②2路模拟量输出通道，分辨率为16位；
③24路数字I/O，数字触发；
④2个32位定时计数器；
⑤NI-DAQmx测试软件和硬件配置支持；
⑥NI-MCal校准支持；
⑦NIST校准证书和多于70多种的信号调理模块选择。
基于以上原因，本设计选择了NIPCI-6221数据采集卡。
图4.1NIPCI-6221
4.3.2NIPCI-6221数据采集卡相关配件
图4.2NIPCI-6221及其配件
ConnectorBlock-ScrewTerminalSCB-68-776844-01
Cable–ShieldedSHC68-68-EPM（2m）-192061-02
NIPCI-6221推荐配件基本参数如下：
NISCB-68
图4.3NISCB-68
∙ShieldedI/Oconnectorb
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