鍋爐汽包水位單沖量控制系統(tǒng)設計

1、書目1 概述23 液位限制系統(tǒng)方案33.1 系統(tǒng)方框圖33.2 系統(tǒng)方案圖44 限制系統(tǒng)的設計44.1 系統(tǒng)限制過程分析54.1.1 系統(tǒng)平衡階段分析54.1.2 系統(tǒng)抗擾動階段分析54.2 單回路反饋限制系統(tǒng)64.3 檢測變送器的選擇74.3.1 選取原則74.3.2 壓差變送器74.4 調(diào)整閥的選擇84.5 儀表性能指標的計算94.5.1 精度94.5.2 靈敏度和靈敏性94.5.3 回差94.6 調(diào)整器的選擇94.7 調(diào)整器作用方向的選擇104.8 系統(tǒng)的投運和整定104.8.1 系統(tǒng)的投運104.8.2 簡潔限制系統(tǒng)的參數(shù)整定115 系統(tǒng)工作原理簡述115.1 當汽包液位下降時115.

2、2 當汽包液位上升時126 心得體會12參考文獻13鍋爐汽包水位單沖量限制系統(tǒng)設計1 概述在過程自動化技術出現(xiàn)之前，工廠操作員必需人工監(jiān)測設備性能指標和產(chǎn)品質(zhì)量，以確定生產(chǎn)設備處于最佳運行狀態(tài)，而且必需在停機時才能實施各種維護，這降低了工廠運營效率，且無法保障操作平安。過程自動化技術可以簡化這一過程。通過在工廠各個區(qū)域安裝數(shù)千個傳感器，過程自動化系統(tǒng)可以收集溫度、壓力和流速等數(shù)據(jù)，然后利用計算機對這些信息進行儲存和分析，再用簡潔明白的形式把處理后的數(shù)據(jù)顯示到限制室的大屏幕上。操作人員只要視察大屏幕就可以監(jiān)控整個工廠的每項設備。過程自動化系統(tǒng)除了能夠采集和處理信息，還能自動調(diào)整各種設備，優(yōu)化生產(chǎn)

3、。在必要時，工廠操作員可以中止過程自動化系統(tǒng)，進行手動操作。工廠全部者希望他們的設備能以最低的成本生產(chǎn)最多的產(chǎn)品，而在石油、自然氣和石化等多個行業(yè)，能源成本占總生產(chǎn)成本的3050%。因此，通過過程自動化技術增效節(jié)能是降低生產(chǎn)成本的有效途徑。對于過程自動化技術而言，計算機程序不僅能夠監(jiān)測和顯示工廠的運行狀況，還能模擬不同的運行模式，找到最佳策略以提高能效。這些程序的獨特優(yōu)勢是能夠“學習”和預料趨勢，提高了對外界條件改變的響應速度。過程自動化系統(tǒng)中的軟件和限制裝置能夠?qū)υO備進行調(diào)整，使其在最佳速度下運行，從而大大降低能耗。它們還能夠確保質(zhì)量的一樣性，降低次品率，削減奢侈。過程自動化系統(tǒng)還能預料何時

4、須要對生產(chǎn)設備進行維護，從而削減了對設備進行常規(guī)檢查的次數(shù)。常規(guī)檢查次數(shù)的降低可以削減停止和重新啟動機器所花費的時間和能源。過程限制系統(tǒng)分為多種，有簡潔限制系統(tǒng)和困難限制系統(tǒng)，而困難過程限制系統(tǒng)又可分為：串級限制系統(tǒng)、前饋限制系統(tǒng)、比值限制系統(tǒng)和均值限制系統(tǒng)等幾種。在本次限制系統(tǒng)的選擇中，因為設計題目要求是：鍋爐汽包水位單沖量限制系統(tǒng)的設計，所以本著簡潔、好用的原則我把它設計成一個簡潔的單回路系統(tǒng)來滿足題目要求。2 鍋爐生產(chǎn)蒸汽工藝簡述 鍋爐汽包水位系統(tǒng)流程如圖1所示。圖1 鍋爐汽包水位系統(tǒng)流程水位限制系統(tǒng)的任務是使給水量和鍋爐蒸發(fā)量相適應，維持汽包水位在工藝規(guī)定的范圍內(nèi)。汽包水位反映了鍋爐蒸

5、汽流量和給水量之間的平衡關系，是鍋爐運行中一個特別重要的監(jiān)控參數(shù)。汽包水位過高，會影響汽水分別的效果，使蒸汽帶液，過熱器結垢，影響過熱器的效率；假如帶液蒸汽進入汽輪機，會損壞汽輪機葉片。假如水位過低，會破壞水循環(huán)而損壞鍋爐，尤其是大型鍋爐，一旦停止給水，汽包存水會在很短時間內(nèi)完全汽化而造成重大事故，甚至引起爆炸。因此汽包水位須要嚴格限制。3 液位限制系統(tǒng)方案3.1 系統(tǒng)方框圖首先要選取汽包水位限制系統(tǒng)的被控參數(shù)和限制變量，本系統(tǒng)依據(jù)設計要求可干脆選擇汽包水位作為被控參數(shù)。影響水位改變的因素有給水量改變、蒸汽流量改變、燃料量改變和汽包壓力改變等等。而汽包壓力和蒸汽流量都不能作為限制變量，因為汽包

6、壓力改變并不干脆影響水位，汽包壓力改變是由蒸汽流量引起的，蒸汽流量按用戶的須要會各不相同，這是一個不行控因素；燃料量的改變也不能作為限制變量，因為這種改變要經(jīng)過燃燒系統(tǒng)變成熱量后，才可被水汲取，這一擾動通道的傳遞滯后和容量滯后都很大，所以燃料量的改變不能作為限制變量。因此只能選擇給水量作為汽包水位的限制變量。將系統(tǒng)的被控參數(shù)和限制變量選定之后可得到系統(tǒng)方框圖如圖2所示。圖2 系統(tǒng)方框圖3.2 系統(tǒng)方案圖由系統(tǒng)方框圖可以設計出系統(tǒng)方案圖如圖3所示。圖3 系統(tǒng)方案圖從系統(tǒng)方案圖中可以看到，將給水量作為限制變量，汽包液位作為被控參數(shù)之后，檢測變送器選擇壓差變送器，執(zhí)行器選擇PI限制器，執(zhí)行器為調(diào)整閥

7、。4 限制系統(tǒng)的設計過程限制系統(tǒng)設計和應用的兩個重要內(nèi)容：限制方案的設計、選擇檢測變送器、選擇執(zhí)行機構調(diào)整閥、選擇調(diào)整器和調(diào)整器整定參數(shù)值的確定等幾個部分。設計和應用好一個過程限制系統(tǒng)，首先應全面了解被限制過程，其次依據(jù)工藝要求對系統(tǒng)進行探討，確定最佳的限制方案，最終，對過程限制系統(tǒng)進行設計，整定和投運。對于過程限制系統(tǒng)而言，限制方案的選擇和調(diào)整器參數(shù)整定是其兩個重要的內(nèi)容，假如限制方案設計不合理，僅憑調(diào)整器參數(shù)的整定無法獲得良好的限制質(zhì)量；相反限制方案很好，但是調(diào)整器參數(shù)整定的不合適，也不能使系統(tǒng)運行在最佳狀態(tài)。過程限制系統(tǒng)從結構形式可分為單回路系統(tǒng)和多回路系統(tǒng)。單回路限制系統(tǒng)包含一個檢測變

8、送器，一個調(diào)整器，一個執(zhí)行器和對象，對對象的某一個被限制參數(shù)進行閉環(huán)負反饋限制。在系統(tǒng)分析設計和整定中，單回路系統(tǒng)設計方法是最基本的方法，適用于其他各類困難限制系統(tǒng)的分析，設計，整定和投運。采納單回路限制方式來實現(xiàn)鍋爐汽包水位單沖量限制系統(tǒng)的原理方框圖如圖2所示。在圖2中，調(diào)整器采納PI調(diào)整器，汽包水位是被控對象，檢測變送器選用壓差變送器，調(diào)整閥的具體選擇將在下文具體給出。4.1 系統(tǒng)限制過程分析限制系統(tǒng)的限制階段主要分為：平衡階段和抗擾動調(diào)整階段。下面將分別對這兩個階段進行分析。 系統(tǒng)平衡階段分析在鍋爐中將會有水蒸氣和水，在水中會有氣泡，依據(jù)設計要求，當汽包水位維持在的液位的時候，系統(tǒng)都是合

9、理的，不會出現(xiàn)任何危急。 系統(tǒng)抗擾動階段分析在本次設計中，由于是單沖量的，所以只考慮給水量的擾動。當給水量擾動時，汽包水位的動態(tài)特性圖如圖4所示。由圖4可知，當給水量增加時，水位階躍響應曲線如圖中所示。假如把汽包水位對給水的響應看做是無自衡單容過程，汽包水位的階躍響應曲線應當如圖中所示。由于給水溫度比汽包內(nèi)飽和水的溫度低，進入汽包的給水會從飽和水汲取一部分熱量，所以當給水量上升時，汽包水面以下水中的氣泡總體積減小，導致水位下降。水中氣泡總體積下降，導致水位改變的階躍響應曲線如圖中所示。當給水量上升時，實際汽包水位的曲線應當如所示，即突然加大給水量后，汽包水位一起先并不馬上增加，而要呈現(xiàn)出一段起

10、始慣性段。實際水位改變是和的疊加，即。用傳遞函數(shù)來表示即是：用一階模型近似時，可表示為：為給水流量作用下，階躍響應的斜率；為純滯后時間，給水溫度越低，越大，一般約在15100s之間。假如采納省煤器，則由于省煤器本身的延遲，會增到100200s。圖4 汽包水位動態(tài)特性4.2 單回路反饋限制系統(tǒng)單回路限制系統(tǒng)又稱簡潔限制系統(tǒng)，是指由一個被控對象、一個檢測元件及變送器、一個調(diào)整器和一個執(zhí)行器所構成的閉合系統(tǒng)。當一個單回路系統(tǒng)設計安裝就緒之后，限制質(zhì)量的好壞和限制器參數(shù)選擇有著很大的關系。合適的限制參數(shù)，可以帶來滿足的限制效果。反之，限制器參數(shù)選擇得不合適，則會使限制質(zhì)量變壞，達不到預期效果。因此，當

11、一個單回路系統(tǒng)組成好以后，如何整定好限制器參數(shù)是一個很重要的實際問題。簡潔限制系統(tǒng)是實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化的基本單元、其結構簡潔、投資少、易于調(diào)整和投運，能滿足一般工業(yè)生產(chǎn)過程的限制要求、因此在工業(yè)生產(chǎn)小應用特別廣泛，尤其適用于被控過程的純滯后和慣性小、負荷和擾動改變比較平緩，或者限制質(zhì)量要求不太高的場合。本設計的要求是鍋爐汽包水位單沖量限制系統(tǒng)的設計，由于是單沖量，所以不必選擇串級限制回路，簡潔限制系統(tǒng)就可以。4.3 檢測變送器的選擇一個簡潔的限制系統(tǒng)是由被控對象、檢測部件（測量儀表和傳感器）、限制器和執(zhí)行機構組成的。在自動限制系統(tǒng)中，檢測部件的作用相當于人的感覺器官，它干脆感受被測參數(shù)的改變，

12、提取被測信息，轉(zhuǎn)換成標準信號供顯示和作為限制的依據(jù)。 選取原則檢測部件一般宜采納定型產(chǎn)品，設計過程限制系統(tǒng)時，依據(jù)限制方案選擇測量儀表和傳感器。選擇應當遵循以下原則:（1）牢靠性原則牢靠性是指產(chǎn)品在肯定的條件下，能長期而穩(wěn)定地完成規(guī)定的功能的實力是牢靠性是測量儀表和傳感器的最重要的選型原則。（2）好用性原則好用性是指完成具體功能要求的實力和水平。依據(jù)工藝要求考慮好用性，既要保證功能的實現(xiàn)，又應考慮經(jīng)濟性，并非功能越強越好。（3）先進性原則隨著自動化技術的飛速發(fā)展，測量儀表和傳感器的技術更新周期越來越短，而價格卻越來越低。在可能的條件下，應當盡量采納先進的設備。 壓差變送器被控參數(shù)的測量和變送必

13、需快速正確地反映其實際改變狀況，為系統(tǒng)設計供應精確的限制依據(jù)。前面已經(jīng)說到本設計的被控對象是汽包液位，所以采納壓差變送器。壓差變送器，又叫差壓變送器，傳感器中的一種。其工作原理是被測介質(zhì)壓力改變采集到信息傳輸信號主機分析發(fā)出執(zhí)行吩咐執(zhí)行器動作。其被廣泛的應用到自動化限制領域，其涵蓋全部氣體及液體介質(zhì)須要測量和監(jiān)控壓力改變的場所。壓差變送器的原理圖如圖5所示。圖5 壓差變送器原理圖由圖5可知，是容器上半部分中氣體的壓強，于是壓差可以表示為。其中是液體密度，g是重力加速度。當被測介質(zhì)的密度已知時，壓差變送器測得的壓差和液位的高度成正比。測量和變送環(huán)節(jié)的描述見式（41）。（41）即：參數(shù)選擇原則：減

14、小Tm和m均對提高系統(tǒng)的限制質(zhì)量有利。若Tm較大，則會使記錄曲線和實際參數(shù)之間產(chǎn)生較大的動態(tài)誤差。從減小測量變送環(huán)節(jié)誤差角度考慮，應削減儀表的量程，即增大Km。4.4 調(diào)整閥的選擇調(diào)整閥類型的選擇：氣動執(zhí)行器。調(diào)整閥口徑（Dg、dg）大小的選擇：在正常工況下要求調(diào)整閥開度在15%到85%之間。口徑不行以太小，因為當系統(tǒng)收到較大擾動時，會使系統(tǒng)處于失控工況；同樣口徑不能太大，因為假如口徑太大，調(diào)整閥將長時間處于小開度中，閥門的不平衡力較大，閥門調(diào)整靈敏度低，工作特性差。調(diào)整閥流量特性的選擇：系統(tǒng)總的放大倍數(shù)盡可能保持不變，通常被控過程的特性是非線性的(一階以上特性)，而變送器、調(diào)整器(若比例作用

15、時)和執(zhí)行機構的放大系數(shù)是常數(shù)。因此往往通過選擇調(diào)整閥的流量特性來補償被控過程特性的非線性，從而達到系統(tǒng)總放大倍數(shù)不變的目的。4.5 儀表性能指標的計算 精度檢測儀表的精度反映測量值接近真實值的精確程度，一般用一系列誤差來衡量。（1）肯定誤差肯定誤差指儀表指示值和被測參數(shù)真值之間的差值，如式（42）。 （42）（2）引用誤差把肯定誤差折合成標尺范圍的百分數(shù)表示，如式（43）。 （43）（3）精度等級按儀表工業(yè)規(guī)定，去掉最大引用誤差的“”號和“%”號，稱為儀表的精度等級，目前已系列化。只能從下列數(shù)系中選取最接近的合適數(shù)值作為精度等級，即0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.

16、5，1.0，1.5，2.5，4.0等。依據(jù)此次設計的汽包水位要求為，所以選用0.4精度的等級。 靈敏度和靈敏性靈敏度表示儀表對被測參數(shù)改變反應的實力，是指儀表達到穩(wěn)態(tài)后輸出增量和輸入增量之比，如式（44）。 （44）靈敏限是指引起儀表指針發(fā)生可見改變的被測參數(shù)的最小改變量。一般，儀表的靈敏限數(shù)值不大于儀表允許誤差肯定值的一半。 回差在外界條件不變的狀況下，當被測參數(shù)從小到大（正行程）和從大到小（反行程）時，同一輸入的兩個相應輸出值經(jīng)常不相等。兩者肯定值之差的最大值和儀表量程之比的百分數(shù)稱為回差，也稱變差。其公式見式（4-5）。 （45）回差產(chǎn)生緣由：由于傳動機構的間隙、運動件的摩擦、彈性元件的

17、彈性滯后等?；夭钤叫。瑑x表的重復性和穩(wěn)定性越好。應當留意，儀表的回差不能超過儀表引用誤差，否則應當檢修。4.6 調(diào)整器的選擇依據(jù)被控過程特性和生產(chǎn)工藝要求，了解調(diào)整器限制規(guī)律對限制質(zhì)量的影響，合理選擇調(diào)整器的限制規(guī)律，是過程限制方案設計的重要內(nèi)容之一。選擇調(diào)整器的限制規(guī)律就是為了使調(diào)整器的特性和限制過程的特性能很好協(xié)作，使所設計的系統(tǒng)能滿足生產(chǎn)工藝對限制質(zhì)量指標的要求。本設計采納PI調(diào)整器。PI限制規(guī)律可簡潔理解為引入積分作用能消退余差。適用于限制通道滯后小，負荷改變不太大，工藝上不允許有余差的場合，如流量或壓力的限制。PI調(diào)整器的傳遞函數(shù)見式（46）。（46）4.7 調(diào)整器作用方向的選擇從限

18、制原理可知，對于一個反饋限制系統(tǒng)來說，只有在負反饋的狀況下，系統(tǒng)才是穩(wěn)定的，當系統(tǒng)收到干擾時，其過渡過程將會是衰減的；反之，假如系統(tǒng)是正反饋，那么系統(tǒng)將是不穩(wěn)定的，一旦遇到干擾作用，過渡過程將會發(fā)散。系統(tǒng)不穩(wěn)定當然是不希望發(fā)生的，因此，對于反饋限制系統(tǒng)來說，要使系統(tǒng)能夠穩(wěn)定，必需構成負反饋。本設計的限制變量是給水量，當給水量增加時，汽包液位當然是會上升，給水量的增加是通過調(diào)整閥的閥門開度增加，而本設計中采納的調(diào)整閥類型是氣關式，所以調(diào)整閥的作用方向是負作用，所謂氣關式則是當壓力上升時，開度減小，這是出于對平安的考慮，而檢測變送器是壓差式的，它的正反作用同汽包水位相同，要使系統(tǒng)構成負反饋系統(tǒng)，則

19、調(diào)整器應當選用正作用。綜上所述可以得到本系統(tǒng)的最終的系統(tǒng)框圖如圖6所示。圖6 確定了正反作用的系統(tǒng)方框圖4.8 系統(tǒng)的投運和整定一旦限制系統(tǒng)按設計的要求連好，線路經(jīng)過檢查正確無誤，全部儀表經(jīng)過檢查符號精度要求，并已運行正常，即可著手進行限制系統(tǒng)的投運和限制器參數(shù)的整定工作。 系統(tǒng)的投運所謂限制系統(tǒng)的投運，就是將系統(tǒng)由手動工作狀態(tài)切換至自動工作狀態(tài)。這一過程是通過限制器上的手動自動切換開關從手動位置切換到自動位置來完成的，但這種切換必需保證無擾動地進行。本設計采納設計比較先進的電動型限制器，因為它擁有比較完善的自動跟蹤和保持電路，可以做到在手動時自動輸出跟蹤手動輸出，在自動時手動輸出跟蹤自動輸出

20、，這樣隨時都可以進行手動和自動的切換而不引起擾動。 簡潔限制系統(tǒng)的參數(shù)整定所謂限制系統(tǒng)的整定，就是對于一個已經(jīng)設計并安裝就緒的限制系統(tǒng)，通過限制器參數(shù)（、）的調(diào)整，使系統(tǒng)的過渡過程達到最為滿足的質(zhì)量指標要求。對于單回路限制系統(tǒng)，限制器參數(shù)整定的要求就是通過選擇合適的限制器參數(shù)（、），使過渡過程呈現(xiàn)4:1的衰減過程。調(diào)整器參數(shù)整定有兩大類：理論計算和工程整定法。理論計算法須要較多的限制理論學問，由于實際狀況，理論計算不行能考慮周到，因此用工程整定法。工程整定法有三種：閱歷法、臨界比例度法和衰減曲線法。在本設計中我將采納臨界比例度法。臨界比例度法是先將調(diào)整器設置為純比例作用（即把積分時間放在“”的

21、位置，微分時間放在“0”的位置，就消退了積分和微分作用），且比例度放在較大位置，將系統(tǒng)投入閉環(huán)限制，然后逐步減小比例度（即增大放大系數(shù)）并施加干擾作用，直至限制系統(tǒng)出現(xiàn)等幅振蕩的過渡過程。這時的比例度就叫做臨界比例度，振蕩周期叫臨界振蕩周期。依據(jù)和從表41中查找調(diào)整器應采納的參數(shù)值。表41 臨界比例度法計算表應采納的限制規(guī)律（%）（min）（min）P2PI2.20.85PID1.70.50.1255 系統(tǒng)工作原理簡述5.1 當汽包液位下降時當限制對象汽包液位下降時，檢測變送器的類型是壓差式的，這時檢測到的壓力減小，使變送出來的標準信號減小，此時檢測量和給定量出現(xiàn)偏差且是給定量大于檢測量，經(jīng)過比較后的值傳送給反作用的調(diào)整器，而調(diào)整閥是