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过程控制课程设计

内蒙古科技大学

过程控制课程设计论文

题目：

锅炉汽包水位三冲量控制系统

学生姓名：

刘福兴

学号：

0867112324

专业：

测控技术与仪器

班级：

2008-3

指导教师：

左鸿飞

2011年9月7日

目录

第1章绪论……….………………………………………………………………3

1.1锅炉的工作过程简介…….…………………………...……………………...3

1.2锅炉液位控制的难点………………………………………………………..4

第2章锅炉汽包水位特性及其控制.........................................5

2.1锅炉汽包水位的特性………………………….……………………………………...5

2.1.1汽包水位在给水流量W作用下的动态特性………………………………..5

2.1.2汽包水位在蒸汽流量D扰动下的动态特性……………………………...7

2.1.3汽包水位在燃料量B扰动下的动态特性……….…….………….……..8

2.2汽包水位控制方式………………………..……………………………….9

2.2.1单冲量控制方式…………………………….…………………………..9

2.2.2双冲量控制方式………..…………….………………………………..10

2.2.3三冲量控制方式……………………………………………………….11

第3章仪表选型………………………………………………………….………………13

3.1液位变送器的选择…………………………………………………………13

3.2压力传感器/变送器……………...…………………………………………14

3.3控制器的选择…………………….………………………………….……..15

3.4执行器的选择……………………………………………………………....16

3.5控制器的作用方式………………………………………………………....16

3.6阀的开闭选择形式………………………………………………………....16

第4章参数整定…………………………………………………………………….…..17

4.1PID对控制的影响……………………………………………………..……17

4.2PID控制器的参数整定……………………………………………..………18

第5章设计心得………………………………………………………………………….19

第6章参考文献...................................................................................................20

第1章绪论

锅炉是发电和供热生产过程中的主要动力设备，汽包水位则是确保安全生产稳定性、经济性以及提供优质蒸汽的一个重要监控参数，必须保持在某一期望值附近。

它反映了锅炉蒸发量和给水量之间的一种动态平衡关系。

水位高会导致蒸汽带水进入过热器并在过热管内结垢，使传热效率和蒸汽品质下降，影响供气的质量；过低时会破坏部分水冷壁的水循环，影响省煤器运行效率，甚至造成干锅和锅炉爆炸的危险。

因此汽包水位必须控制在一定范围内，而影响锅炉水位的因素很多，最主要的是蒸发量和给水量的波动。

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，维持汽包水位在一定范围内波动，这对机组的安全、稳定、经济运行有着重要的影响。

由于控制对象在给水量扰动时有一定的惯性，而且在负荷扰动时又存在虚假水位，故采用串级三冲量给水控制系统能有效地消除这些扰动。

该系统以汽包水位为主信号，任何导致水位变化的扰动都会使调节器动作；蒸汽流量是前馈信号,它的作用是防止虚假水位引起的调节器的误动作，改善蒸汽流量扰动时的调节质量；给水流量是介质反馈信号，因给水流量信号对给水流量变化的响应很快，使调节器能够在水位还没变化时就对前馈信号的变化作出反应，消除内扰，使调节过程比较稳定，充分保证了调节系统的稳定运行。

1.1锅炉的工作过程简介

锅炉是工业过程中不可缺少的动力设备，锅炉的任务是根据外界负荷的变化，输送一定量的汽压、汽温和蒸汽。

它所产生的蒸汽不仅能够为蒸馏、化学反应、干燥等过程提供热源，而且还可以作为风机、压缩机、泵类驱动透平的动力源。

锅炉是由“锅”和“炉”两部分组成的。

“锅”就是锅炉的汽水系统，如图所示。

由省煤器3、汽包4、下降管8、过热器5、上升管7、给水调节阀2、给水母管1及蒸汽母管6等组成。

锅炉的给水用给水泵打入省煤器，在省煤器中，水吸收烟气的热量，使温度升高到本身压力下的沸点，成为饱和水然后引入汽包。

汽包中的水经下降管进入锅炉底部的下联箱，又经炉膛四周的水冷壁进入上联箱，随即又回入汽包。

水在水冷壁管中吸收炉内火焰直接辐射的热，在温度不变的情况下，一部分蒸发成蒸汽，成为汽水混合物。

汽水混合物在汽包中分离成水和汽，水和给水一起再进入下降管参加循环，汽则由汽包顶部的管子引往过热器，蒸汽在过热器中吸热、升温达到规定温度，成为合格蒸汽送入蒸汽母管。

图1.1锅炉的汽水系统

“炉”就是锅炉的燃烧系统，由炉膜、烟道、喷燃器、空气预热器等组成。

锅炉燃料燃烧所需的空气由送风机送入，通过空气预热器，在空气预热器中吸收烟气热量，成为热空气后，与燃料按一定的比例进入炉膛燃烧，生成的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽。

然后经过过热器，形成一定的过热蒸汽，汇集到蒸汽母管。

具有一定压力的过热蒸汽，经过负荷设备调节阀供负荷设备使用。

与此同时，燃烧过程中产生的烟气，其中含有大量余热，除了将饱和蒸汽变成过热蒸汽外，还预热锅炉给水和空气，最后经烟囱排入大气。

1.2锅炉汽包水位控制的难点

水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。

锅炉汽包水位的控制是锅炉控制系统较为重要和比较难于控制的一项。

由于在锅炉运行过程中存在进水量和出水量的变化，所以很难通过调整PID控制器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。

这样就导致水位控制器通常处于欠调整状态允许液位在一定范围内波动，以减小出水量的变化。

然而，欠调整的PID不能及时抑制大扰动，这就可能引起锅炉运行的安全问题。

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。

影响锅炉汽包水位的关键变量有给水流量，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虚假水位现象，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。

第2章锅炉汽包水位特性及其控制

2.1锅炉汽包水位的特性

锅炉汽包水位自动调节的任务是使给水量跟踪锅炉的蒸发量，并维持汽包中的水位在工艺允许的范围内。

维持汽包水位在给定范围内是保证锅护和汽轮机安全运行的必要条件，也是锅炉正常运行的主要指标之一。

水位过高，会影响汽包内汽水分离效果，使汽包出口的饱和蒸汽带水增多，蒸汽带水会使汽轮机产生水冲击，引起轴封破损、叶片断裂等事故。

同时会使饱和蒸汽中含盐量增高，降低过热蒸汽品质，增加在过热器管壁和汽轮机叶片上的结垢。

水位过低，则可能破坏自然循环锅炉汽水循环系统中某些薄弱环节，以致局部水冷管壁被烧坏，严重时会造成爆炸事故。

这些后果都是十分严重的。

随着锅炉容量的增加，水位变化速度愈来愈快，人工操作愈来愈繁重，因此对汽包水位实现自动调节提出了迫切的要求。

汽包水位不仅受汽包中储水量的影响，亦受水位下汽泡容积的影响。

而水位下汽泡容积与锅炉的负荷、蒸汽压力、炉膛热负荷等有关。

因此，影响水位变化的因素很多，其中主要是锅炉蒸发量即蒸汽流量D和给水流量W。

2.1.1汽包水位在给水流量W作用下的动态特性

图2.1.1是锅炉汽包水位在给水流量作用下，水位的阶跃响应曲线。

把汽包水位看作单容量无自衡过程，水位的阶跃响应曲线如图中的

线。

图2.1.1给水流量作用下水位阶跃响应

但是由于给水温度比汽包内饱和水的温度低，所以给水流量增加后，从原有饱和水中吸收部分热量，这使得水位下汽泡容积有所减少，当水位下汽泡容积的变化过程逐渐平衡时，水位的变化就完全反映了由于汽包中储水量的增加而逐渐上升。

因此，实际水位曲线如图中的

线，即当给水量作阶跃变化后，汽包水位一开始不立即增加，而要呈现出一段起始惯性段。

用传递函数表示时，它近似于一个积分环节和时滞环节的串联。

系统特性可表示为:

2-1

式中

--反应速度，即给水流量改变单位流量时水位的变化速度，单位为毫米/秒或（吨/小时）。

从式2-1可知，汽包水位在给水流量作用下的动态特性由一个积分环节和一个滞后环节所组成，

、

的数值可通过实验测试求得，数值的大小同锅炉的结构有关。

有些锅炉当给水量增加时，在较长的一段时间里，汽包水位并不增加，有一较长的起始惯性段，对于这种锅炉用式2-1来表示它的动态特性，误差较大，这时可选用下面近似计算：

2-2

式中，τ --给水量扰动后的纯滞后时间，对非沸腾式省煤器的锅炉，τ 这时为30-100S；对于沸腾式省煤器的锅炉，τ 为100-200S；

--水位的反应速度。

给水温度越低，时滞τ 亦越大。

由此可见，汽包水位调节对象的动态特性可以有二种形式：

反应曲线变化最快的可用式（2-1）表示，这时的动态特性可以等效为一个积分环节和一个惯性环节相串联;另外也可用式（2-2）表示，相当于一个积分环节和一个纯滞后环节的串联。

对于不同的锅炉设备，究竟采用何种形式的传递函数来表示它的动态特性，还要根据具体条件来定，原则是:

表达特性最符合实际情况、传递函数式尽可能地简单。

总之，汽包水位调节对象在给水量作用下，具有纯迟延和惯性，无自衡能力。

具体特性可用二种形式来描述，究竟采用何种形式，可根据锅炉结构和汽化强度来定。

2.1.2汽包水位在蒸汽流量D扰动下的动态特性

在蒸汽流量D扰动作用下，水位的阶跃响应曲线如图2.1.2所示。

当蒸汽流量突然增加，从锅炉的物料平衡关系看，蒸汽流量D大于给水量水位应下降，如图中曲线

。

但实际并非如此，由于蒸汽用量增加，瞬间导致汽包压力的下降。

汽包内水的沸腾突然加剧，水中汽泡迅速增加，由于汽泡容积增加而使水位变化的曲线如图中的

线。

因此，实际的水位曲线为

+

，即为图中的

。

从图中可以看出，当蒸汽负荷增加时，水位不仅不下降反而上升，然后再下降（反之，蒸汽流量突然减少时，则水位先下降，然后再上升），这种现象称之为虚假水位。

当汽水混合物中汽泡容积与负荷相适应达到稳定后，水位才反映出物料的不平衡，开始下降。

应该指出，当负荷阶跃改变时，水面下汽泡容积变化引起的水位变化是很快的，图2.1.2中

的时间常数只有10-20S。

蒸汽流量扰动时，水位变化的动态特性可表示为:

2-3

式中，

--响应速度，即蒸汽流量变化单位流量时，水位的变化速度，单位为毫米/秒或（吨/小时）；

--响应曲线的放大系数；

--响应曲线的时间常数；

图2.1.2蒸汽流量扰动下水位阶跃响应

虚假水位变化的幅度与锅炉的汽压与蒸汽量有关，对于一般100-230吨/小时的中高压锅炉，如负荷阶跃变化10%时，虚假水位现象可使水位变化达30-40毫米。

由于虚假水位现象属于反向特性，其出现的水位最大偏差很难依靠调节来克服，如果要求水位波动不能太大，只有限制负荷D的变化速度或限制负荷一次变化量。

由此可见，汽包水位调节对象在蒸汽流量扰动下，非但没有自平衡能力，而且存在着虚假水位现象，虚假水位的变化速度很快，变化幅度与蒸发量扰动大小成正比，也与压力变化速度成正比，在设计调节系统时必须考虑。

2.1.3汽包水位在燃料量B扰动下的动态特性

汽包水位在燃料量B扰动下的响应曲线如图2.1.3所示。

当燃料量增加时，锅炉的吸热量增加，蒸发强度加大。

如果负荷的用汽量不加调节，则随着汽包压力的增加，汽包输出蒸汽量也将增加，于是蒸发量大于给水量，暂时产生了汽包进出口工质流量的不平衡。

由于水面下的蒸汽容积增大，此时也会出现虚假水位现象，但由于燃烧率的增加也将同时导致汽包压力上升，它会使汽泡体积减小，另外由于热惯性，燃料量的增加只使蒸汽量D缓慢增加，故虚假水位现象要比蒸汽扰动下缓和的多。

图2.1.3燃料量扰动下水位阶跃响应

2.2汽包水位控制方式

给水控制的任务是维持汽包中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。

这里的冲量指的是变量。

图2.2.1汽包水位单冲量控制原理图及方框图

2.2.1单冲量控制方式

单冲量水位控制方式原理图及方框图如图2.2.1所示。

它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，是典型的单回路定值控制系统。

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的操作范围内。

这种控制方式，在停留时间较长，负荷也比较稳定的场合，再配上一些联锁报替装置，也可以保证安全操作.但在停留时间较短，负荷变化较大时，采用此方式就不合适。

这是由于：

（1）负荷变化时产生的虚假水位，将使调节器反向错误动作，负荷增大时反向关小给水调节阀，一到闪急汽化平息下来，将使水位严重下降，波动很大，动态品质很差。

（2）负荷变化时，控制作用缓慢。

即使虚假水位现象不严重，从负荷变化到水位下降要有一个过程，再由水位变化到阀动作己滞后一段时间。

如果水位过程时间常数很小，偏差必然相当显著。

（3）给水系统出现扰动时，阀门动作缓慢。

假定给水泵的压力发生变化，进水流量立即变化，然而到水位发生偏差而调节阀动作，同样不够及时。

总之，单冲量汽包水位调节的优点是：

系统结构简单，在汽包容量比较大、水位在受到扰动后的反应速度比较慢、虚假水位现象不很严重的场合，采用单冲量水位调节是能够满足生产要求的。

2.2.2双冲量控制方式

在汽包水位控制中，最主要的扰动是负荷的变化。

如果引入蒸汽流量来校正，就构成了双冲量控制系统。

这样不仅可以补偿虚假水位的引起的误动作，而且使给水调节阀的动作及时，如图2.2.2所示。

图中，

为加法系数，

为蒸汽流量扰动下，汽包水位的传递函数。

图2.2.2汽包水位双冲量控制原理图及方框图

从本质上看，双冲量控制系统是一个前馈加单回路反馈控制系统的复合控制系统。

这种调节系统的特点是：

（1）引入蒸汽流量前馈信号可以消除虚假水位对调节的不良影响，当蒸汽量变化时，就有一个使给水量与蒸汽量同方向变化的信号，可以减小或抵消由于虚假水位现象而使给水量与蒸汽量相反方向变化的误动作，使调节阀一开始就向正确的方向移动。

因而大大减小了给水量和水位的波动，缩短了过渡过程的时间。

（2）引入了蒸汽流量前馈信号，能够改善调节系统的静态特性，提高调节质量。

当

、

选择匹配时，系统的静态特性是无差的。

双冲量调节由于有以上特点，所以能在负荷变化频繁的工况下比较好的完成水位调节任务。

在给水压力比较平稳时，采用双冲量调节是能够达到调节要求的。

双冲量调节存在的问题是:

调节作用不能及时反映给水侧的扰动，当给水量扰动时，调节系统等于单冲量调节。

因此，如果给水母管压力经常有波动，给水调节阀前后压差不易保持正常时，不宜采用双冲量调节。

同时调节阀的工作特性不一定是线性的，这样要做到静态补偿就比较困难。

2.2.3三冲量控制方式

目前锅炉都向大容量高参数的方向发展，一般讲锅炉容量越大，汽包的容水量相对就越小，允许波动的蓄水量就更少。

如果给水中断，可能在10-20秒内就会发生危险水位;如仅是给水量与蒸发量不相适应，在一分钟到几分钟内也将发生缺水或满水事故。

这样对水位控制要求就更高了。

锅炉给水量在运行中经常会有自发性的变化，当几台锅炉并列运行时，还可能发生几台锅炉的水位调节互相干扰的现象。

当某一台锅炉负荷和给水量改变时，引起给水母管压力波动，而使其它锅炉的给水量受到扰动。

在双冲量水位调节中，对于给水量这种自发变化不能及时反映出来，要经过一定的迟延时间之后，给水量的扰动才能通过汽包水位的变化而被发觉，此后在克服扰动时，几台锅炉的水位调节又互相影响，使得调节过程非常复杂。

针对上述情况，为了把水位控制平稳，在双冲量水位调节基础上引入了给水流量信号，由水位H、蒸汽流量D和给水流量W组成了三冲量汽包水位调节系统，汽包水位H是被调量，是主冲量信号，蒸汽流量D、给水流量W是两个辅助冲量信号。

图2.2.3a汽包水位三冲量前馈--反馈控制原理图及方框图

（1）前馈--反馈控制方式

前馈--反馈控制方式的原理图及方框图如图2.2.3a所示，从方块图上可以看出，这个系统有两个闭合回路：

（1）是由给水流量W、给水分流器

、调节器

、调节阀

组成的内回路。

（2）由水位调节对象

和内回路构成的主回路。

蒸汽流量D、分流器

、对象

均在闭合回路之外，它的引入可以改善调节质量，但不影响闭合回路工作的稳定性。

所以该系统的实质是前馈加反馈的调节系统。

为了确保当负荷变化时水位无余差，必须保证物料平衡，由此确定分流系数

，

的值。

（2）前馈--串级控制方式

前馈--串级控制方式的原理图及方框图如图2.2.3b所示，该方案与前馈--反馈控制方式相似，仅是加法器位置从调节器前移至调节器后。

此方案不管系数如何设置，当负荷变化时，液位可以保持无差。

图2.2.3b汽包水位三冲量前馈--串级控制原理图及方框图

第3章仪表选型

3.1液位变送器的选择

选择TK3051L液位变送器，如图3.1

（1）工作原理：

工作时高低压侧的隔离膜片和灌充液将过程压力传给灌充液，接着灌充液将压力传递到传感器中心的传感膜片上。

传感膜片是一个张紧的弹性元件，其位移随所受压而变化（对于GP表压变送器，大气压如同施加在传感膜片上的低压侧一样）。

AP绝压变送器，低压侧始终保持一个参考压力。

传感膜片的最大位移量为0.004英寸（0.1毫米），且位移量与压力成正比。

两侧的电容板极检测传感膜片的位置。

传感膜片和电容极板之间电容的差值被转换为相应的电流，电压或数字HART（高速可寻址远程发送器数据公路）输出信号。

（2）特点：

完整的变送系列；测量范围：

0-0.5inH20至6000psig；结构小巧、坚固、抗震；模块化结构；阻尼可调；多种选项，量应用灵活；智能，模拟或低耗电路；电气连接及安装：

配有多种过程连接器和安装法兰。

技术参数如下：

a液位测量精度达0.075%

b校验量程从2.5inH20至8310inH20

c平面式，2-，4-，与6英寸伸出式膜片

d多种可选灌充液，可满足不同场合要求

e小巧而质轻，易于安装与维护

f接液件材料：

不锈钢，哈氏合金钽

图3.1TK3051L液位变送器

3.2压力传感器/变送器

PTH501/502/503/504压力传感器/变送器采用全不锈钢封焊结构，具有良的防潮能力及优异的介质兼容性。

广泛用于工业设备、水利、化工、医疗、电力、空调、金刚石压机、冶金、车辆制动、楼宇供水等压力测量与控制

技术参数如下：

量程:

-0.1~0～1～150（MPa）

综合精度:

0.1%FS、0.2%FS、0.5%FS、1.0%FS

输出信号:

4～20mA（二线制）、0～5V、1～5V、0～10V（三线制）

供电电压:

24DCV（9～36DCV）

介质温度:

-20～85～150℃

环境温度:

常温（-20～85℃）

负载电阻:

电流输出型：

最大800Ω；电压输出型：

大于50KΩ

绝缘电阻:

大于2000MΩ（100VDC

密封等级:

IP65

长期稳定性能:

0.1%FS/年

振动影响:

在机械振动频率20Hz～1000Hz内，输出变化小于0.1%FS

电气接口（信号接口）:

四芯屏蔽线、四芯航空接插件、紧线螺母

机械连接（螺纹接口）:

1/2-20UNF、M14×1.5、M20×1.5、M22×1.5等，其它螺纹可依据客户要求设计

图3.2压力传感器/变送器

3.3控制器的选择

采用上海万讯仪表有限公司生产的AI系列全通用人工智能调节仪表，其中SA-12智能调节仪控制挂件为AI-818，SA-13智能位式调节仪为AI-708型。

AI-818型仪表为PID控制型，输出为4~20mADC信号。

AI-708型仪表为位式控制型，输出为继电器触点型开关信号。

AI系列仪表通过RS485串口通信协议与上位计算机通讯，从而实现系统的实时监控。

AI仪表常用参数设置：

CtrL：

控制方式。

CtrL=0，采用位式控制；CtrL=1，采用AI人工智能调节/PID调节；CtrL=2，启动自整定参数功能；CtrL=3；自整定结束。

Sn：

输入规格。

Sn=21，Pt100热电阻输入；Sn=32,0.2~1VDC电压输入；

Sn=33,1~5VDC电压输入。

DIL：

输入下显示值，一般DIL=0.

DIH：

输入上限显示值。

输入为液位信号时，DIH=50；输入为热电阻信号时，

DIH=100；输入为流量信号时，DIH=100.

OPI：

输出方式，一般为4~20mA线性电流输出。

CF：

系统功能选择。

CF=0为内部给定，反作用调节；CF=1为内部给定，正作用调节；CF=8为外部给定，反作用调节；CF=9为外部给定，正作用调节。

Addr：

通讯地址。

单回路实验Addr=1；串级实验主控Addr=1；副控为Addr=2；

三闭环实验主控为Addr=1，副控为Addr=2，内环为Addr=3。

实验中各仪表通讯地址不允许相同。

P、I、D参数可根据实验需要调整。

图3.3智能调节仪表

3.4执行器的选择

RZXP型新系列气动调节阀采用顶导向结构，配用多弹簧执行机构。

具有结构紧凑、重量轻、动作灵敏、充体通道呈S流线型、压降损失小、阀容量大、流量特性精确、拆装方便等优点。

广泛应用于精确控制气体、液体等介质，气动调节阀的工艺参数如压力、流量、温度、液位保持在给定值。

特别适用于允许泄漏量小阀前后压差不大的工作场合。

本系列产品的标准型、调节切断型、波纹管密封型、夹套保温型等多种品种。

产品公称压力等级有PN10、16、40、64；阀体口径范围DN20~200。

适用流体温由-200℃~560℃范围内多种档次。

泄漏量标准有IV级或VI级。

流量特性为线性或等百分比。

多种多样的品种规格可供选择。

图3.4RZXP型新系列气动调节阀

3.5控制器的作用方式

当设定值不变时，随着测量值的增加，调节器的输出也增加，则称为“正作用”方式；当测量值不变时，设定值减小时，调节器输出也增加，称为“正作用”方式；如果测量值增加或设定值减小时，调节器输出减小，则称为“反作用”方式。

经分析此系统为正作用方式。

3.6阀的开闭选择形式

关于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，人员安全、生产安全、系统设备安全的需要为首要依据。

由于工业生产过程的调节阀绝大部分为气动调节阀，所以要选择调节阀的气开气关方式。

锅炉给水调节阀一般采用气关式，一旦事故发生，系统失控，供水调节阀处于全开位置，是锅炉不致因给水中断烧坏，避免爆炸等事故的发生。

第4章参数整定

4.1PID对控制的影响

（1）比例P调节

在P调节中，调节器的输出信号与偏差信号成比例