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1、过程控制仪表课程设计锅炉汽包水位控制系统University of South China过程控制仪表课程设计题 目 锅炉汽包水位控制系统 学生姓名 专业班级 自动化073班 学 号 指导老师 高飞燕 唐耀庚 2010年12月26日锅炉汽包水位控制系统锅炉是电厂和化工厂里常见的生产设备，为了使锅炉能正常运行，必须维持锅炉的水位在一定的范围内，这就需要控制锅炉汽包的水位。汽包水位很重要，水位过高会影响汽水分离的效果，使蒸汽带液，损坏汽轮机叶片；如果水位过低会损坏锅炉，甚至引起爆炸。可见锅炉汽包水位控制在锅炉设备控制系统中的重要性。本论文设计的是锅炉汽包水位控制系统，利用控制装置和被控对象组成了一

2、个自动控制系统。被调量是汽包水位，调节量是给谁量。它主要考虑汽包内部物料平衡，使给水量适应锅炉的挥发量，维持汽包中水位在工艺允许的范围内。一、 汽包水位调节对象的干扰分析锅炉的汽水系统原理图如图1所示。影响汽包水位变化的干扰因素有：给水量的干扰，蒸汽负荷变化，燃料量变化，汽包压力变化等。汽包压力变化不是直接影响水位的，而是通过汽包压力升高时的“自凝结”和压力降低时的“自蒸发”过程引起水位变化的。况且，压力变化的原因往往是出于热负荷和蒸汽负荷的变化所引起的故这一干扰可以放到其他干扰中考虑。燃烧流量的变化要经过燃烧系统变成热量，才能为水吸收，继而影响气化量，这个干扰通道的传递滞后都比较大。蒸汽负荷

3、变化时按用户需要量而改变的不可控因素。剩下的只有给水量可作为调节参数。二锅炉汽包水位的动态特性 1 .汽包水位在给水量作用下的动态特 图2所示是给水量作用下，水位的阶跃响应曲线。把汽包和给谁看做单容量无自衡过程，水位阶跃响应如图中H1线。考虑到给水温度低于汽包内的饱和水温度，当它进入汽包后吸收了原来的饱和水中的一部分热量，使锅炉的蒸汽产量下降，水面以下的汽包总体积Vs也就相应减小，导致水位下降。Vs对对水位的影响可以用图中的曲线H2表示。水位H的实际响应曲线是H1和H2的总和。从图可知，响应过程有一段迟延时间。给水的过冷度越大，纯迟延时间也越大。给水扰动下的传递函数可以近似表示为K0 为响应速

4、度，即给水流量作单位流量变化时，水位的变化速度，（mm/s）/(t/h)。时滞，秒。2汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性蒸汽流量扰动主要来自汽轮机的负荷变化，这是一个经常发生的扰动，属于调节系统的外扰。在蒸汽流量D扰动左右下，水位的阶跃响应曲线如图3所示。当蒸汽流量突然增加时，由于虚假水位现象，在开始阶段水位不仅不会下降却反而先上升，然后下降（反之，当蒸汽流量突然减少时，则水位先下降，然后上升）。蒸汽流量D突然增加时，实际水位的变化H是不考虑水面下汽包容积变化时的水位变化H1与只考虑水面下汽包容积变化所引起水位变化H2的叠加，即 F=（1+K4）FF用传递函数来表述为式中，Kf- -响应速度，

5、即蒸汽流量变化单位流量时水位的变化速度，（mm/s）/（t/h）K-响应曲线H2的放大系数T2-响应曲线H2的时间常数“虚假水位” 变化大小与锅炉的工作压力和蒸发量有关，如一般100230T/h的中、高压锅炉，当负荷突然变化10%时，“虚假水位”可达3040mm。“虚假水位”变化属于反响特性，其变化与锅炉的压力和蒸发量的大小有关，而与给水量无关。三 控制方案设计目前较为成熟的锅炉汽包水位控制方案有单冲量控制系统、双冲量控制系统及三冲量控制系统。(1) 单冲量控制系统。即汽包水位的单回路水位控制系统；(2) 双冲量控制系统。即在单冲量系统的基础上引入了蒸汽流量信号；(3) 三冲量控制系统。是在双

6、冲量系统的基础上再引入给水流量信号而构成。本次方案采用单冲量控制系统。单冲量控制系统：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H与给定值H0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。系统框图为图4所示。图4 单冲量控制系统框图控制方案如图5所示。图5 单冲量水位控制系统这种控制系统结构简单，是典型的单回路定制控制系统。对于水在汽包内的停留时间较长，且负荷又比较稳定，“虚假水位”现象不严重的情况下，采用单冲量控制系统，进行PID调节一般就能满足生产要求。单冲量汽包水位调节的优点是：系

7、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时能够满足生产要求。单冲量汽包水位调节存在着一些缺点，主要有：（1）单冲量控制方案只根据水位信号控制给水量，在锅炉负荷变化大，即阶跃扰动很大时，由于锅炉的“假水位”现象，例如负荷蒸汽增加时，水位一开始先上升，调节器只根据水位作为控制信号，就去关小阀门减少给水量，这个动作对锅炉流量平衡是错误的，从而在过程一开始就扩大蒸汽流量和给水流量的波动幅度，扩大了进出流量的不平衡。（2）从给水扰动下水位变化的动态特性可以看出，由于给水压力变化等原因造成给水量变化时，调节器要等到水位变化后才开始动

8、作，而在调节器动作后又要经过一段滞后时间 才能对汽包水位发生影响，因此必将导致汽包水位波动幅度大，过程时间长。四、控制系统各环节仪表的配置、选型及参数的确定在汽包水位控制系统设计中，所需使用的仪表有调节器、执行器、变送器、伺服放大器、电动操作器、显示仪表。其选型如下1 调节器的选型 所选调节器的型号为DTZ2100（1） DTZ2100工作原理 DTZ2100全刻度指示调节器是调节单元的一个基型品种，对被控值与给定值之差进行比例、微分、积分运算输出，420mA直流信号送至执行机构，实现对温度、压力、液面、流量等到工艺参数的自动调节。全刻度指示调节器前面板有一双针或双光柱，全刻度指示表，在同一刻

9、度标尺上同时指示测量值及给定值。由二指针的示差直接读出偏差量，指示醒目，容易观察调节结果，手动和自动之间的切换是无平衡无扰动的，操作方便。全刻度指示调节器，还具有前馈功能，和抗积分、饱和功能，前馈调节器，可以克服滞后现象，提高调节质量。抗积分饱和调节在工艺过程异常，情况下能迅速关闭或打开安全阀，不致使被调参数进入非安全值区域，常用于化工设备的放空系统，或后缩机的防喘系统。（2） 技术参数输入信号：1-5V,DC内给定信号：15V.DC外给定信号：420mA.DC 调节作用： 比例+积分+微分 比例带：2500% 积分时间：0.012.5分 0.125分 微分时间：0.0410分（可切除） 输入

10、，给定指示表： 指示范围：0100%，误差：1%输出指示表：指示范围0100%，误差2.5%输出信号：420mA，DC切换特性：属于无平衡无扰动切换。 自动软手动切换扰动量小于满度的0.25% 硬手动软手动或自动切换扰动量小于满度的0.25% 软手动硬手动切换扰动量小于满度的5%负载阻抗：250750最大工作电流：约200mA功耗：6W电源: 24V.DC重量：6 kg工作条件： 周围环境温度：040 相对湿度： 85% 工作振动：频率 25HZ 全振幅 0.1mm前馈信号：15V.DC 420mA.DC（适用于前馈调节器） 前馈系数：0.81.2（适用于前馈调节器）刻度误差：0.5%（适用于

11、前馈调节器）限制范围： 高限：75105%（适用于抗饱和调节器） 低限：-525%（适用于抗饱和调节器） 刻度误差：0.5%（3） 端子接线图图6 DTZ2100端子接线图2 执行器的选型 执行器在自动控制系统中的作用是接受来自控制器的控制信号，通过其本身 开度的变化，从而达到控制流量的目的。 本系统所选用的执行器为ZAZN 电动双座调节阀（1） 概述 ZAZN电动双座调节阀，由DDZ型直行程电动执行机构和直通双座阀两部分组成。以单项交流220V电源为动力，接受010或mA或420mA直流信号，自动地控制调节阀开度，达到对管道内流体的压力、流量、温度、液位等工艺参数的连续调节。座阀有上、下两个

12、阀芯球，流体作用在上、下阀芯上的推力，其方向相反而大小接近，不平衡力很小，允许压差大，额定流量系数比同口径的单座阀大，但该阀的泄漏较单座阀大。 适用于对泄露量要求不严格，阀前后压差较大的干净介质场合。（2） 阀体型 式：直通双座铸造球型阀公称通径：25、32、40、50、65、80、100、125、150、200、250、300mm公称压力：PN1.6、4.0、6.4MPa法兰标准：JB/T79.1-94、79.2-94等材料：铸钢（ZG230-450）、铸不锈钢（ZGlCrl8Ni9Ti、ZGlCrl8Nil2Mo2Ti）等上 阀 盖：标准型-17+230、散热型+230+450、低温型-6

13、0-196、波纹管密封-40+350（3） 阀内组件 阀芯型式：双座柱塞型阀芯流量特性：等百分比特性和线性特性（4） 执行机构 型 号：电动执行器DKZ-410 技术参数： 表1 DKZ-410技术参数项目名称DKZ标准型控制机构输入信号4-20mA或0-10VDC反馈信号010mAdc420mAdc死区043基本误差25回差15限位开侧/闭侧开度检测精密导电塑料电位器动力动力220V/50Hz驱动电机伺服电机附属机构加热器选择件手动机构手轮安装条件环境温度无加热器25+70相对湿度95环境气体无腐蚀性气体接线口十四线插头防护等级端子接线图图7 DKZ-410接线图3 变送器的选型 变送器在自

14、动检测和控制系统中的作用，是对各种工艺参数，如温度、压力、流量、液位、成分等物理量进行检测，以供显示、纪录或控制只用 。 控制系统中所选的变送器的型号为CR-604，为锅炉专用液位计。（1） CR-604概述 CR-604 锅炉专用分体式液位计，采用独特结构，将抗高温、耐高压、抗腐蚀性能集于一身，变送部分利用军工器件，使信号输出更加稳定、可靠，并可与计算机联网使用，专用于锅炉液位的线性测量及自控，安装极其方便，维护量很小，大大降低了使用、维护人员的工作量。 （2） CR-604的工作原理 电容式液位测控仪均采用电容原理，即电容两极间介质量的变化可引起电容量的变化。其原理模拟图如图8所示，把一根

15、外包绝缘层的金属棒插入装有导电介质的金属容器，金属棒和容器内壁之间形成电容，其填充介质的变化量H与形成的电容变化量Cx关系如下式： 图8 CR-604的工作原理模拟图当被测介质液位变化时，传感器电容量Cx也随之发生变化，电容变化增量Cx通过变送器电路转换为与液位成正比例的标准电流信号。转换过程可用图7所示的方框图示意： 图9 转换过程方框图（3） 技术参数工作电压： 最大：40V 最小：6.5V电 流 环：两线制4.00mA 20.00mA（0.5%）防爆等级：ExiaIICT6 （-4070） ExiaIICT15 （-4085）防爆参数：Ui=30V,Ii=100mA ,Pi=0.75W

16、Ci=100pF,Li=10uH 测量范围：02200mm Max测量周期：0.5秒 分 辨 率：0.02mm 温度漂移：0.5mm Max (-4085) 工作压力：40MPa Max线性偏差：(1+0.05%FS) mm 介质温度：300 Max.环境温度：-4085 （ExiaIICT1-T5） 存储温度：-55100防护等级：IP67（4） 端子接线图 图10 端子板接线图4 伺服放大器的选型 所选用的伺服放大器型号为ZPE2031J（！） 工作原理伺服放大器的输入信号来自于变送。调节等单元的标准信号。与执行机构反馈来的位置信号。在放大器的前级进行比较（即代数相减），比较后的信号差值大

17、于放大器的灵敏限时，电动执行器功率出带动阀门，完成各种自控调节，阀门的开启方向也就是电动机的转动方向，取决于输入信号的量值，电动机总量朝着减小和反馈信号差值方向转动。( 2 ) 技术参数 输入信号：4-20mA. DC输入通道：1个输入电阻：250欧姆输出：输出电压降小于2V 电流 5A死区：0.8-8%（连续可调）电源：电压 220V. AC 允差 +10%，-15% 频率 50Hz 允差 +1%，-1%报警触头容量：110V.AC 0.5A/28V. DC . 1A使用环境：温度 0-50 相对湿度 10%-70% 周围空气中无起腐蚀作用的介质 大气压力 86-106Kpa（3） 端子接线

18、图图11 ZPE2031J伺服放大器接线端子图5 电动操作器的选型控制系统所选的电动操作器的型号是DFD-1000（1） 工作原理DFD-1000型电动操作器，采用“开关操作制”原理进行“手动”与“自动”的切换和操作。“自动跟踪”是在“手动”工况，将执行器位置反馈电压1-5V.DC，加到调节器的积分电容两端，使调节器输出电流，始终跟踪位置反馈电流，并保持相等。（2） 技术参数、电源电压：220V，50602Hz 、开关触头额定容量：主回路 500V 15A 信号回路 110V 2A 跟踪电压 1-5V DC 工作条件a、环境温度 045b、相对湿度 85% 仪表重量 约3Kg 外形尺寸 （长宽

19、高） 29580160（mm）（3） 端子接线图图12 DFD-1000接线端子图6 显示仪表的选型所设计的控制系统所选用的显示仪表为DXZ-1011（1） DXZ-1011工作原理 本仪表能将1-5V直流电压直接并到表头指示。表头采用动圈式张丝结构。磁路系统由扇形磁铁、导磁体及由它们组成的平面气隙构成的，磁场均匀。当电流流过动圈时在气隙、磁场的作用下产生作用力矩，当该力矩和由张丝转角变形所形成产生的反作用力矩相平衡时，转轴另一端的指针所指示的位置即表示被测量的大小。（2） 技术参数 型号与规格：DXZ-1011,单针，重量6kg输入信号：15V DC内阻，小于20指示精度：1%工作环境 1）

20、环境温度为050 2）相对湿度85% 3)工作振动频率：f25Hz，全振幅0.1mm结构型式：盘装式外形尺寸：80160630mm电源电压：24V.DC功耗：2W （3） 端子接线图图13 DXZ-1011端子接线图五仪表型号清单表2 仪表型号及清单序号名称型号个数1调节器DTZ210012执行机构DKZ-41013变送器CR-60414伺服放大器ZPE2031J15电动操作器DFD-100016执行器ZAZN17显示仪表DXZ-10111六各仪表间的配接图参考文献 1施仁，刘文江等自动化仪表与过程控制M.北京:电子工业出版社,2009.22何衍庆.工业生产过程控制M.北京：化学工业出版社，2004.2 3金以慧，方崇智过程控制M北京：清华大学出版社，1993.4薄永军.自动化及仪表技术基础M.北京:化学工业出版社,2008.55周泽魁.控制仪表与计算机控制装置M.北京：化学工业出版社，2002.9