鍋爐汽包給水控制

1、過程控制系統(tǒng)設計與實踐工藝過程及要求6號課題：鍋爐汽包給水控制系統(tǒng)（該題目不要有任何改動）該課題由第六組4名同學完成。汽包水位是影響鍋爐安全運行的重要因素，水位過高會破壞汽水分離裝置的正常工作，水位過低會引起水冷壁破裂。鍋爐汽包給水控制的任務是使給水量適應鍋爐蒸發(fā)量，使汽包中水位保持一定范圍內(nèi)。工藝上要求：1) 正常運行時水位波動范圍：±3050mm。2) 異常情況：±200mm。事故情況：>±350mm。3) 出現(xiàn)事故時能進行報警。4) 保持穩(wěn)定的給水量。給水量不應該時大時小地劇烈波動，否則對省煤器和給水管道的安全運行不利。圖1 汽包給水系統(tǒng)工藝流程圖鍋爐

2、汽包給水控制系統(tǒng)目 錄1 引 言11.1 論文選題背景11.2 鍋爐汽包給水系統(tǒng)11.2.1 工作過程11.2.1 控制對象及控制任務12 給水控制基本方案22.1 單沖量控制系統(tǒng)22.2 雙沖量控制方案32.3 三沖量控制系統(tǒng)42.4 幾種控制方案的比較42.5 最優(yōu)方案53 系統(tǒng)的實現(xiàn)63.1 引起“虛假水位”原因分析63.2 汽包水位檢測元件83.2.1 測量的問題83.2.2 檢測元件的型號選擇83.2 給水閥的選擇83.2.1 氣開氣關的選擇83.2.2 調(diào)節(jié)閥的型號選擇93.3 調(diào)節(jié)器的選擇93.3.1 控制規(guī)律與正反作用確定93.3.2 調(diào)節(jié)器的型號選擇103.3 流量檢測元件的

3、選擇103.4 儀器儀表清單114 結(jié)束語12參考文獻13附錄141 引 言1.1 論文選題背景鍋爐是典型的復雜控制系統(tǒng)，其中鍋爐汽包水位是鍋爐運行中的重要參數(shù)，同時，它還是衡量鍋爐汽水系統(tǒng)物質(zhì)是否平衡的標志，維持鍋爐汽包水位在規(guī)定的范圍內(nèi)，是鍋爐正常運行的主要指標之一。因此要時刻掌握鍋爐汽包的液位情況，研究汽包液位的檢測原理，保證儀表檢測裝置的檢測精度是非常有必要的。1.2 鍋爐汽包給水系統(tǒng)1.2.1 工作過程給水由給水泵打入省煤器以后，在此加熱成為汽包工作壓力下的飽和水， 進入汽包，然后沿下降管進入爐膛四周的水冷壁，在此吸收爐膛中的熱量汽化后沿上升管回到汽包，從汽包中分離出的飽和蒸汽進入過

4、熱器，進一步吸收煙氣中的熱量變成過熱蒸汽，送往汽輪機中做功。如圖1所示鍋爐給水系統(tǒng)結(jié)構。1.2.1 控制對象及控制任務汽包水位反映了鍋爐蒸汽負荷與給水量之間的平衡關系。維持汽包水位正常是保證鍋爐和汽輪機安全運行的必要條件，這是因為：汽包水位過高，會影響汽包內(nèi)汽水分離裝置的正常工作，造成出口蒸汽水分過多而使過熱器管壁結(jié)垢，容易燒壞過熱器，也會使飽和水蒸氣溫度急劇下降，該過熱蒸汽作為氣輪機動力的話，將會損壞氣輪機葉片，影響運行的安全性和經(jīng)濟性。水位過低，則由于汽包內(nèi)的水量轉(zhuǎn)少，而負荷很大時，如不及時調(diào)節(jié)就會使汽包內(nèi)的水全部液化，導致水冷壁館燒壞而破裂，甚至引起爆炸。因此，鍋爐汽包水位必須嚴加控制。

5、影響汽包水位的因素主要有鍋爐蒸汽流量、給水流量、汽包水位。鍋爐給水控制的任務主要是保持汽包水位的正常，使鍋爐的給水量適應鍋爐的蒸發(fā)量，保持汽包水位在給定的范圍內(nèi)變化。1給水母管2給水調(diào)節(jié)閥3省煤器4汽包5下降管6上升管7過熱器8蒸汽母管圖1 鍋爐的給水系統(tǒng)顯然，在鍋爐給水自動控制系統(tǒng)中，應以汽包水位H作為被控參數(shù)。汽包水位不僅受汽包中儲水量的影響，亦受水位下氣泡容積的影響。而水位下氣泡容積與鍋爐的負荷、蒸汽壓力、爐膛熱負荷等有關。因此，影響水位變化的因數(shù)很多，其中主要是鍋爐蒸發(fā)量（蒸汽流量D）、給水流量W。2 給水控制基本方案2.1 單沖量控制系統(tǒng)單沖量水位控制系統(tǒng)是以汽包水位測量信號為唯一的

6、控制信號。這種控制結(jié)構簡單，是單回路定值控制系統(tǒng)，在汽包內(nèi)水的停留時間較長，負荷又比較穩(wěn)定的場合下再配上一些鎖報警裝置就可以安全操作。然而，在停留時間較短，負荷變化較大時，采用單沖量水位控制系統(tǒng)就不能適用。這是由于：負荷變化時產(chǎn)生的“虛假水位”將使調(diào)節(jié)器反向錯誤動作，負荷增大時反向關小給水調(diào)節(jié)閥，一旦急劇汽化平息下來，將使水位嚴重下降，波動厲害，動態(tài)品質(zhì)很差。負荷變化時，控制作用緩慢。即使“虛假水位”現(xiàn)象不嚴重，從負荷變化到水位下降要有一個過程，到閥門的動作已滯后一段時間。如果水位過程時間常數(shù)很小，偏差必然相當顯著。給水系統(tǒng)出現(xiàn)擾動時，動作緩慢。假定給水泵的壓力發(fā)生變化，進水流量立即變化，然而

7、到水位發(fā)生偏差而使調(diào)節(jié)閥動作，同樣不夠及時。為了克服上述這些矛盾，可以不僅依據(jù)水位，同時也參考蒸汽流量和給水流量的變化，則可用雙沖量或三沖量控制系統(tǒng)來控制給水調(diào)節(jié)閥，能收到很好的效果。2.2 雙沖量控制方案雙沖量鍋爐給水控制系統(tǒng)，是以鍋爐汽包水位測量信號作為主控制信號，以蒸汽流量信號作為前饋信號構成的鍋爐汽包水位自動控制系統(tǒng)。在汽包的水位控制中，最主要的擾動是負荷的變化。用雙沖量控制系統(tǒng)的特點是：引入蒸汽流量前饋信號可以消除“虛假水位”現(xiàn)象對控制的不良影響。當蒸汽流量變化時，就有一個給水量與蒸汽量同方向變化的信號，可以減少或抵消由于“虛假水位”現(xiàn)象而使給水量與蒸發(fā)量相反方向變化的錯誤方向。而調(diào)

8、節(jié)閥一開始就向正確的方向動作。因而能極大地減少給水量和水位的波動，縮短過渡過程的時間。引入蒸汽流量前饋信號，能夠改善控制系統(tǒng)的靜態(tài)特性，提高控制質(zhì)量。雙沖量水位自動控制系統(tǒng)存在的問題是：控制作用不能及時地反映給水方面的擾動，當給水量發(fā)生擾動時，要等到汽包水位信號變化時才通過調(diào)節(jié)器操作執(zhí)行器進行調(diào)節(jié)，滯后時間長，水位波動大。因此，如果給水母管壓力經(jīng)常有波動，給水調(diào)節(jié)閥前后壓差不能保持正常時，不宜采用雙沖量控制。2.3 三沖量控制系統(tǒng)三沖量鍋爐汽包給水自動控制系統(tǒng)，是以汽包水位H為主控制信號，蒸汽流量D為前饋控制信號，給水流量W為反饋控制信號組成的控制系統(tǒng)。三沖量汽包給水控制系統(tǒng)，采用蒸汽流量信號

9、對給水流量進行前饋控制，當蒸汽負荷突然發(fā)生變化，蒸汽流量信號給調(diào)節(jié)閥一開始就向正確方向移動，即蒸汽流量增加，給水調(diào)節(jié)閥開大，抵消了由于“虛假水位”引起的方向動作，因而減少了水位和給水流量的波動幅度。當給水流量發(fā)生自發(fā)性擾動時，通過反饋控制作用，可抑制這種擾動對給水流量以及汽包水位的影響，這有利于減少汽包水位的波動。因此，三沖量給水控制系統(tǒng)在克服擾動、維持汽包水位穩(wěn)定、提高給水控制質(zhì)量方面優(yōu)于單沖量給水控制系統(tǒng)。2.4 幾種控制方案的比較單沖量水位控制是汽包水位自動控制中最簡單最基本的一種形式，是典型的單回路定值控制系統(tǒng)，但它不能克服“虛假水位”的影響，而且沒有給水流量信號的反饋，所以水位波動較

10、大。雙沖量水位控制系統(tǒng)適用于小型低壓而且給水壓力較穩(wěn)定的鍋爐。當給水壓力經(jīng)常有波動，給水調(diào)節(jié)閥前后壓差不易保持正常時，不宜采用雙沖量控制；另外在大型鍋爐的控制中，鍋爐容量越大，壓力越來越高，汽包的相對容水量就越小，允許波動的儲水量就更少。三沖量控制對單、雙沖量控制方案取長補短，極大地提高了水位控制質(zhì)量。為了把水位控制平穩(wěn)，在雙沖量水位調(diào)節(jié)的基礎上引入了給水流量信號，由水位蒸汽流量和給水流量就構成了三沖量水位控制系統(tǒng)，在這個系統(tǒng)里，汽包水位是被控變量，是主沖量信號，蒸汽流量 給水流量是兩個輔助沖量信號。三沖量水位控制系統(tǒng)抗干擾能力強，適用于大中型中壓鍋爐。2.5 最優(yōu)方案通過上面三種方案的比較，

11、我們根據(jù)單沖量控制、雙沖量控制和三沖量控制各自不同的特點，制定了串級三沖量給水控制系統(tǒng)。圖2-1 串級三沖量給水控制系統(tǒng)串級三沖量給水控制系統(tǒng)的基本結(jié)構如圖2-1所示。該系統(tǒng)采用一個調(diào)節(jié)器（一般為PID調(diào)節(jié)器），其輸入為汽包水位給定信號、蒸汽流量反饋信號。調(diào)節(jié)器的輸入偏差信號為：偏差=汽包水位給定信號-蒸汽流量反饋信號 在平衡狀態(tài)下，汽包水位等于、蒸汽流量D等于給水流量W，故調(diào)節(jié)器輸入偏差等于0，輸出保持不變。蒸汽流量的引入是為了克服“虛假水位”引起的調(diào)節(jié)器誤動作。例如，當蒸汽流量增加時，由于虛假水位的影響，使水位上升，這將使調(diào)節(jié)器的輸入偏差為負,經(jīng)PID反饋回來的數(shù)據(jù)下降，使給水流量減少。當

12、與此同時，加入調(diào)節(jié)器輸入端的前饋信號也增加了。這個克服給水流量內(nèi)擾的控制過程是在給水流量、變送器、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器、調(diào)節(jié)閥組成的閉合回路中進行的，該回路成為內(nèi)回路，或稱局部反饋回路。因為內(nèi)回路不包括有遲延的水位現(xiàn)象，所以動作很快，可以迅速消除內(nèi)擾。由汽包水位信號形成的閉合回路是給水控制系統(tǒng)的主回路，或稱外回路，這個回路包括水位變送器、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器、調(diào)節(jié)閥和汽包水位對象。無論外擾還是內(nèi)擾使汽包水位偏離給定值，都會使調(diào)節(jié)器的輸入偏差發(fā)生變化，從而改變調(diào)節(jié)器的輸出，改變調(diào)節(jié)閥的開度，改變給水流量，使水位朝著減少和消除被調(diào)量偏差的方向變化，并最終使汽包水位等于給定值。這樣就能維持水位的相對穩(wěn)定，保持平

13、衡。3 系統(tǒng)的實現(xiàn)3.1 引起“虛假水位”原因分析當蒸汽流量在時間突然增加的擾動下，汽包水位的特性曲線如圖3-1所示。圖中H1是由于蒸汽流量D和給水流量W不平衡引起的水位變化；H2為“虛假水位”的變化；H為實際水位變化的反應曲線，且H= H1+ H2在鍋爐生產(chǎn)過程中，當蒸汽負荷突然增加時，單從物料不平衡考慮，汽包中蒸發(fā)量大于給水量，水位應下降，如圖中H0所示。但因蒸汽流量與給水流量產(chǎn)生不平衡的初始階段，水位下降存在時間上的延遲，所以實際水位的變化應為H1曲線。但實際上當蒸汽負荷增加時，雖然鍋爐的給水量小于蒸汽流量，水位不但不下降反而迅速上升，這是由于汽水混合物中蒸汽的容積迅速增加造成的。這種現(xiàn)

14、象常稱為“虛假水位”現(xiàn)象。“虛假水位”H2是由兩個原因造成的，如圖3-2所示。圖3-1 蒸汽流量擾動作用下的特性曲線 圖3-2 引起“虛假水位”原因分析(1)由于鍋爐蒸汽負荷增加，使爐管和汽包中汽水混合物的汽、水比例發(fā)生變化而引起汽包水位上升，這是引起汽包“虛假水位”的主要原因。(2)蒸汽流量增加，汽包汽壓下降，爐水沸點下降，由于爐水為飽和水的汽化，使汽包水位隨壓力下降而升高，如圖中H2曲線所示?！疤摷偎弧盚2等于H2和之和。3.2 汽包水位檢測元件 3.2.1 測量的問題長期以來鍋爐汽包水位連續(xù)測量技術方面采用的平衡容器式（差壓式）測量方法存在許多無法改進的缺陷，比如，不能實施全工況測量，

15、存在“虛假水位”測量、在鍋爐啟、停、排空、連排、事故等不穩(wěn)定運行工況下建立穩(wěn)定差壓條件時間較長、恢復時間較長或干脆不能建立正常差壓，需要人工干預等問題。這些缺陷都是由于差壓式測量原理及其對系統(tǒng)取樣結(jié)構的不合理造成的，無法改進。3.2.2 檢測元件的型號選擇為徹底解決汽包水位測量存在的問題，選用河南長潤自動化系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)出的CR-6031智能鍋爐汽包液位計，采用斷層掃描技術，通過特制的傳感器動態(tài)掃描并分析液位計中液相、氣相的介電常數(shù)和溫度，進行動態(tài)補償。經(jīng)過系統(tǒng)軟件對比運算后，輸出與鍋爐液位成正比的420mA標準電流信號及四組SPST固態(tài)繼電器開關信號。3.2 給水閥的選擇3.2.1 氣開氣

16、關的選擇給水調(diào)節(jié)閥氣開關的選擇，一般都是從安全角度考慮。以蒸汽作為工藝生產(chǎn)中的熱源時，為保護鍋爐，以選用氣關閥為宜，一旦事故發(fā)生，可保證事故狀態(tài)下調(diào)節(jié)閥處于全開位置，使鍋爐不致因進水中斷而燒干。3.2.2 調(diào)節(jié)閥的型號選擇受流經(jīng)給水閥的除氧水壓力和溫度的影響，極易產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象。要防止汽蝕引起的噪聲振動和對閥芯閥座的侵蝕，一般給水閥的閥芯閥座選用司鈦萊合金堆焊即可。鍋爐給水調(diào)節(jié)閥STB是一種新穎的壓力平衡套筒結(jié)構高壓差調(diào)節(jié)閥。閥內(nèi)組件采用高強度不銹鋼制造，零件表面經(jīng)過硬化處理，硬度可達到HRC70左右，抗沖刷能力強。閥內(nèi)組件結(jié)構新穎，采用套筒節(jié)流，有效控制流速在30m/s左右。節(jié)流面與閥座密封面

17、分開，有效保護密封面，密封性能優(yōu)良，使用壽命長。閥芯采用壓力平衡式結(jié)構，減少流體作用在閥芯上的不平衡力。3.3 調(diào)節(jié)器的選擇3.3.1 控制規(guī)律與正反作用確定 為保證調(diào)節(jié)過程的快速性和穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)器設置為PID動作規(guī)律。當信號增大時，調(diào)節(jié)器應開大調(diào)節(jié)閥門，負反饋時標以“-”。而由水位測量原理可知，當汽包水位下降時，差壓信號增加，這是應開大給水閥門，故水位信號的極性為“+”；蒸汽負荷增加時，為維持物質(zhì)平衡關系應開大給水閥門，故蒸汽負荷信號的極性為“+”；給水流量若由于給水母管壓力波動等原因發(fā)生變化時，因這時的變化不是控制作用的結(jié)果，而只是一種內(nèi)部擾動，故應予以迅速消除，給水流量的極性應為“-”；

18、水位給定值信號應與被控參數(shù)水位信號相平衡，故水位給定值信號的極性為“-”。 根據(jù)生產(chǎn)工藝安全等原則我們已選用氣關閥，在滿足給水流量、變送器、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器、調(diào)節(jié)閥組成的內(nèi)回路構成負反饋系統(tǒng)下，最終確定調(diào)節(jié)器為正作用方式。圖2-2 串級三沖量給水控制系統(tǒng)框圖圖中，F(xiàn)D、FW分別為蒸汽輸出干擾量和給水輸入干擾量,aD、afD分別表示蒸汽流量變送器（一般經(jīng)開方器）的輸出參數(shù)、aW為負變送器控制系數(shù)。3.3.2 調(diào)節(jié)器的型號選擇 根據(jù)過程特性與工藝要求，選用陜西東輝智能儀器有限公司的DY-GL/GLF鍋爐水位三沖量調(diào)節(jié)器。該產(chǎn)品既有雙光柱雙數(shù)字顯示，又帶閥位自動跟蹤，實現(xiàn)自動/自動無擾切換，同時，出現(xiàn)

19、事故時能進行報警。3.3 流量檢測元件的選擇給水流量、蒸汽流量的測量選用流量變送器則不必加開方器。它們的顯示儀表的量程應選擇的相同，其范圍應比額定蒸汽負荷大一些，以保證鍋爐在額定負荷下的給水流量有波動的余地。選用橫河電機（中國）有限公司的EJX110A型高性能差壓變送器，采用單晶硅諧振式傳感技術，適用于液體、氣體或蒸汽的流量等測量，EJX系列支持。3.4 儀器儀表清單在任何一個生產(chǎn)實踐還是實驗中，儀器儀表的選擇都是非常重要的，它可以決定生產(chǎn)時間能否順利進行，甚至可以避免造成不必要的安全危險和損失。根據(jù)本次鍋爐汽包給水控制系統(tǒng)所需的精度要求、實際需要，選取 如下的儀器儀表，其中包括生產(chǎn)公司、技術

20、指標、數(shù)量。表一.儀器儀表清單 簡介儀器儀表生產(chǎn)公司技 術 指 標 數(shù)量CR-6031智能鍋爐汽包液位計河南長潤自動化系統(tǒng)有限公司分辨率達到0.02mm測量范圍：02200mmMax 報警模式：五種報警模式獨立1鍋爐給水調(diào)節(jié)閥西安秦申調(diào)節(jié)閥有限責任公司串級式四級節(jié)流，有效控制流速在30m/s左右，允許壓差可達15MPa左右1DY-GL/GLF鍋爐水位三沖量調(diào)節(jié)器陜西東輝智能儀器有限公司功耗：略小于5W支持Modbus協(xié)議1EJX110A型高性能差壓變送器橫河電機有限公司420mA或FOUNDATION現(xiàn)場總線，兩線制數(shù)字通信24 結(jié)束語本文分析和比較了鍋爐汽包給水控制系統(tǒng)采用單沖量給水控制系統(tǒng)、雙沖量給水控制系統(tǒng)和三沖量