鍋爐汽包水位單沖量控制系統(tǒng)設計

1、目錄 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark13 o Current Document 1概述2 HYPERLINK l bookmark19 o Current Document 3液位控制系統(tǒng)方案3 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 3.1系統(tǒng)方框圖3 HYPERLINK l bookmark25 o Current Document 3.2系統(tǒng)方案圖4 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 4控制系統(tǒng)的設計4 HYPERLINK l bookmark31 o Cu

2、rrent Document 4.1系統(tǒng)控制過程分析5 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 4.1.1系統(tǒng)平衡階段分析5 HYPERLINK l bookmark37 o Current Document 4.1.2系統(tǒng)抗擾動階段分析54.2單回路反饋控制系統(tǒng)6 HYPERLINK l bookmark52 o Current Document 4.3檢測變送器的選擇7 HYPERLINK l bookmark55 o Current Document 4.3.1選取原則7 HYPERLINK l bookmark61 o Current Doc

3、ument 4.3.2壓差變送器74.4調(diào)節(jié)閥的選擇8 HYPERLINK l bookmark67 o Current Document 4.5儀表性能指標的計算94.5.1 精度9 HYPERLINK l bookmark76 o Current Document 4.5.2靈敏度和靈敏性94.5.3 回差9 HYPERLINK l bookmark85 o Current Document 4.6 調(diào)節(jié)器的選擇9 HYPERLINK l bookmark91 o Current Document 4.7調(diào)節(jié)器作用方向的選擇10 HYPERLINK l bookmark94 o Curre

4、nt Document 4.8系統(tǒng)的投運和整定10 HYPERLINK l bookmark97 o Current Document 4.8.1系統(tǒng)的投運10 HYPERLINK l bookmark100 o Current Document 4.8.2簡單控制系統(tǒng)的參數(shù)整定11 HYPERLINK l bookmark103 o Current Document 5系統(tǒng)工作原理簡述11 HYPERLINK l bookmark106 o Current Document 5.1當汽包液位下降時11 HYPERLINK l bookmark109 o Current Document 5.

5、2當汽包液位上升時12 HYPERLINK l bookmark112 o Current Document 6心得體會12參考文獻13鍋爐汽包水位單沖量控制系統(tǒng)設計1概述在過程自動化技術(shù)出現(xiàn)之前，工廠操作員必須人工監(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)，而且必須在停機時才能實施各種維護，這降 低了工廠運營效率，且無法保障操作安全。過程自動化技術(shù)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，再用簡潔明了的形式把處理后的數(shù)據(jù)顯示到控制室的大屏幕上。操作人員只要觀察大屏幕就可以監(jiān)

6、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)節(jié)各種設備，優(yōu)化生產(chǎn)。 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。工廠所有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、天然氣 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(shù)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(shù)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”和預測趨勢，提高了對外界條件變化的響應速度。過程自動化系統(tǒng)中的軟件和控制裝置能夠?qū)υO備進行調(diào)節(jié)，使其在最佳速度下運

7、行，從而大大降低能耗。它們還能夠確保質(zhì)量的一致性，降低次品率，減少浪費。過 程自動化系統(tǒng)還能預測何時需要對生產(chǎn)設備進行維護， 從而減少了對設備進行常規(guī)檢 查的次數(shù)。常規(guī)檢查次數(shù)的降低可以減少停止和重新啟動機器所花費的時間和能源。過程控制系統(tǒng)分為多種，有簡單控制系統(tǒng)和復雜控制系統(tǒng)，而復雜過程控制系統(tǒng)又可 分為：串級控制系統(tǒng)、前饋控制系統(tǒng)、比值控制系統(tǒng)和均值控制系統(tǒng)等幾種。在本次控制 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控制系統(tǒng)的設計，所以本著簡 單、實用的原則我把它設計成一個簡單的單回路系統(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)

8、流程水位控制系統(tǒng)的任務是使給水量與鍋爐蒸發(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汽流量與給水量之間的平衡關(guān)系，是鍋爐運行中一個非常重要 的監(jiān)控參數(shù)。汽包水位過高，會影響汽水分離的效果，使蒸汽帶液，過熱器結(jié)垢，影響過 熱器的效率；如果帶液蒸汽進入汽輪機，會損壞汽輪機葉片。如果水位過低，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。因此汽包水位需要嚴格控制。3液位控制系統(tǒng)方案3.1系統(tǒng)方框圖首先要選取汽包水位控制系統(tǒng)的被控參數(shù)和控制變量，本系統(tǒng)按照設計要求可直接選 擇汽包水位作為被控參數(shù)。影響水位變化

9、的因素有給水量變化、蒸汽流量變化、燃料量變化和汽包壓力變化等等。 而汽包壓力和蒸汽流量都不能作為控制變量，因為汽包壓力變化并不直接影響水位，汽包 壓力變化是由蒸汽流量引起的，蒸汽流量按用戶的需要會各不相同，這是一個不可控因素; 燃料量的變化也不能作為控制變量，因為這種變化要經(jīng)過燃燒系統(tǒng)變成熱量后，才可被水 吸收，這一擾動通道的傳遞滯后和容量滯后都很大，所以燃料量的變化不能作為控制變量。因此只能選擇給水量作為汽包水位的控制變量。將系統(tǒng)的被控參數(shù)和控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

10、到，將給水量作為控制變量，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控制器，執(zhí)行器為調(diào)節(jié)閥。4控制系統(tǒng)的設計過程控制系統(tǒng)設計和應用的兩個重要內(nèi)容：控制方案的設計、選擇檢測變送器、選擇 執(zhí)行機構(gòu)調(diào)節(jié)閥、選擇調(diào)節(jié)器和調(diào)節(jié)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控制系統(tǒng)，首先應全面了解被控制過程，其次根據(jù)工藝要求對 系統(tǒng)進行研究，確定最佳的控制方案，最后，對過程控制系統(tǒng)進行設計，整定和投運。對 于過程控制系統(tǒng)而言，控制方案的選擇和調(diào)節(jié)器參數(shù)整定是其兩個重要的內(nèi)容，如果控制 方案設計不合理，僅憑調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定無法獲得良好的控制質(zhì)量；相反控制方案很好， 但是調(diào)節(jié)器參

11、數(shù)整定的不合適，也不能使系統(tǒng)運行在最佳狀態(tài)。過程控制系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)形式可分為單回路系統(tǒng)和多回路系統(tǒng)。單回路控制系統(tǒng)包含一個 檢測變送器，一個調(diào)節(jié)器，一個執(zhí)行器和對象，對對象的某一個被控制參數(shù)進行閉環(huán)負反 饋控制。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 類復雜控制系統(tǒng)的分析，設計，整定和投運。采用單回路控制方式來實現(xiàn)鍋爐汽包水位單沖量控制系統(tǒng)的原理方框圖如圖2所示。在圖2中，調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器，汽包水位是被控對象，檢測變送器選用壓差變送器， 調(diào)節(jié)閥的具體選擇將在下文詳細給出。4.1系統(tǒng)控制過程分析控制系統(tǒng)的控制階段主要分為：平衡階段和抗擾動調(diào)節(jié)階段。下面將分別對這兩

12、個階 段進行分析。4.1.1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，按照設計要求，當汽包水位維持在 80 土 0.3cm的液位的時候，系統(tǒng)都是合理的，不會出現(xiàn)任何危險。4.1.2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AH(t)所示。如果把汽包水 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該如圖中AH1(t)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吸收一部分熱量， 所以當給水量上升時，汽包水面以下水中

13、的氣泡總體積減小，導致水位下降。水中氣泡總 體積下降，導致水位變化的階躍響應曲線如圖中AH2(t)所示。當給水量上升時，實際汽包 水位的曲線應該如AH(t)所示，即突然加大給水量后，汽包水位一開始并不立即增加，而 要呈現(xiàn)出一段起始慣性段。實際水位變化AH(t)是AH(t)和AH2(t)的疊加，即AH(t) = AH (t) + AH (t)。用傳遞函數(shù)來表示即是：H (s) _ H (s) 1 H (s) _ 匕KG(s) 一 G(s) G(s) Ts + 11用一階模型近似時，可表示為:H (s) =-o e-s G (s) s%為給水流量作用下，階躍響應的斜率；T為純滯后時間，給水溫度越低

14、，T越大， 一般T約在15100S之間。如果采用省煤器，則由于省煤器本身的延遲，T會增到100200S。電任)圖4汽包水位動態(tài)特性4.2單回路反饋控制系統(tǒng)單回路控制系統(tǒng)又稱簡單控制系統(tǒng)，是指由一個被控對象、一個檢測元件及變送器、 一個調(diào)節(jié)器和一個執(zhí)行器所構(gòu)成的閉合系統(tǒng)。當一個單回路系統(tǒng)設計安裝就緒之后，控制 質(zhì)量的好壞與控制器參數(shù)選擇有著很大的關(guān)系。合適的控制參數(shù)，可以帶來滿意的控制效 果。反之，控制器參數(shù)選擇得不合適，則會使控制質(zhì)量變壞，達不到預期效果。因此，當 一個單回路系統(tǒng)組成好以后，如何整定好控制器參數(shù)是一個很重要的實際問題。簡單控制系統(tǒng)是實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化的基本單元、其結(jié)構(gòu)簡單、投資

15、少、易于調(diào)整和 投運，能滿足一般工業(yè)生產(chǎn)過程的控制要求、因此在工業(yè)生產(chǎn)小應用十分廣泛，尤其適用 于被控過程的純滯后和慣性小、負荷和擾動變化比較平緩，或者控制質(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控制系統(tǒng)的設計，由于是單沖量，所以不必選擇 串級控制回路，簡單控制系統(tǒng)就可以。4.3檢測變送器的選擇一個簡單的控制系統(tǒng)是由被控對象、檢測部件（測量儀表和傳感器）、控制器和執(zhí)行 機構(gòu)組成的。在自動控制系統(tǒng)中，檢測部件的作用相當于人的感覺器官，它直接感受被測 參數(shù)的變化，提取被測信息，轉(zhuǎn)換成標準信號供顯示和作為控制的依據(jù)。4.3.1選取原則檢測部件一般宜采用定型產(chǎn)品，設計過程控制系統(tǒng)時，根

16、據(jù)控制方案選擇測量儀表和 傳感器。選擇應該遵循以下原則：（1）可靠性原則可靠性是指產(chǎn)品在一定的條件下，能長期而穩(wěn)定地完成規(guī)定的功能的能力是可靠性是 測量儀表和傳感器的最重要的選型原則。（2）實用性原則實用性是指完成具體功能要求的能力和水平。根據(jù)工藝要求考慮實用性，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(shù)的飛速發(fā)展，測量儀表和傳感器的技術(shù)更新周期越來越短，而價格卻 越來越低。在可能的條件下，應該盡量采用先進的設備。4.3.2壓差變送器被控參數(shù)的測量和變送必須迅速正確地反映其實際變化情況，為系統(tǒng)設計提供準確的 控制依據(jù)。前面已經(jīng)說到本設計的被控對象是汽

17、包液位，所以采用壓差變送器。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)壓力變化一采集到信息一傳輸信號一主機分析一發(fā)出執(zhí)行命令一執(zhí)行器動作。其被廣泛的應用到自動化控制領(lǐng)域，其涵蓋所有氣體及液體介質(zhì)需要測量和監(jiān)控壓力變化的場所。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p廣Hp g + p1, p 1是容器上半部分中氣體的壓強，于是壓差可以表示為 Ap = p2 - p1= Hp g。其中p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與液位的高度成正比。（41）測量和變送環(huán)節(jié)的描述見式（41）。即:W （s） = Km e項m m

18、 T S + 10.7212W （s） = e-3s參數(shù)選擇原則：減小Tm和cm均對提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量有利。若Tm較大，則會使 記錄曲線與實際參數(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，應減 少儀表的量程，即增大Km。4.4調(diào)節(jié)閥的選擇調(diào)節(jié)閥類型的選擇：氣動執(zhí)行器。調(diào)節(jié)閥口徑（Dg、dg）大小的選擇：在正常工況下要求調(diào)節(jié)閥開度在15%到85%之間。 口徑不可以太小，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，因為如果口徑太大，調(diào)節(jié)閥將長時間處于小開度中，閥門的不平衡力較大，閥門調(diào)節(jié) 靈敏度低，工作特性差。調(diào)節(jié)閥流量特性的選擇：系統(tǒng)總的放大倍數(shù)盡可能保持不

19、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)節(jié)器（若比例作用時）和執(zhí)行機構(gòu)的放大系數(shù)是常數(shù)。 因此往往通過選擇調(diào)節(jié)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4.5.1精度檢測儀表的精度反映測量值接近真實值的準確程度，一般用一系列誤差來衡量。（1）絕對誤差絕對誤差指儀表指示值與被測參數(shù)真值之間的差值，如式（42）。Ax = x - x t(42)（2）引用誤差把絕對誤差折合成標尺范圍的百分數(shù)表示，如式（43）。(43)5 = ,一，:-%- x100% = A X100%標尺上線值一標尺下限值M（3）精度等級按儀表工業(yè)

20、規(guī)定，去掉最大引用誤差的“土”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, 0.5, 1.0，1.5, 2.5, 4.0 等。根據(jù)此次設計的汽包水位要求為80土0.3cm， 所以選用0.4精度的等級。4.5.2靈敏度和靈敏性靈敏度表示儀表對被測參數(shù)變化反應的能力，是指儀表達到穩(wěn)態(tài)后輸出增量與輸入增 量之比，如式（44）。S = A（44）Ax靈敏限是指引起儀表指針發(fā)生可見變化的被測參數(shù)的最小變化量。一般，儀表的靈敏 限數(shù)值不大于儀表允許誤差絕對值的一半。4.5.3回差在外界條

21、件不變的情況下，當被測參數(shù)從小到大（正行程）和從大到?。ǚ葱谐蹋r， 同一輸入的兩個相應輸出值常常不相等。兩者絕對值之差的最大值和儀表量程M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)生原因：由于傳動機構(gòu)的間隙、運動件的摩擦、彈性元件的彈性滯后等?；夭?越小，儀表的重復性和穩(wěn)定性越好。應當注意，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)節(jié)器的選擇根據(jù)被控過程特性與生產(chǎn)工藝要求，了解調(diào)節(jié)器控制規(guī)律對控制質(zhì)量的影響，合理選 擇調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律，是過程控制方案設計的重要內(nèi)容之一。選擇調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律就是 為了使調(diào)節(jié)器的特性與控制過程的特性能很好配合，使所設計的

22、系統(tǒng)能滿足生產(chǎn)工藝對控 制質(zhì)量指標的要求。本設計采用PI調(diào)節(jié)器。PI控制規(guī)律可簡單理解為引入積分作用能消除余差。適用于 控制通道滯后小，負荷變化不太大，工藝上不允許有余差的場合，如流量或壓力的控制。PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)見式（46）。G （s） = 1 曰（46）4.7調(diào)節(jié)器作用方向的選擇c P弋從控制原理可知，對于一個反饋控制系統(tǒng)來說，只有在負反饋的情況下，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，如果系統(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，對于反饋控制系統(tǒng)來說，要使系統(tǒng)能夠穩(wěn)定，必須構(gòu)成負反饋。本

23、設計的控制變量是給水量，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)節(jié)閥的閥門開度增加，而本設計中采用的調(diào)節(jié)閥類型是氣關(guān)式，所以調(diào)節(jié)閥的 作用方向是負作用，所謂氣關(guān)式則是當壓力上升時，開度減小，這是出于對安全的考慮， 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(gòu)成負反饋系統(tǒng)，則 調(diào)節(jié)器應該選用正作用。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。給水量G汽包水位氣關(guān)式-檢測變送器攵汽包水位調(diào)節(jié)器圖6確定了正反作用的系統(tǒng)方框圖4.8系統(tǒng)的投運和整定一旦控制系統(tǒng)按設計的要求連好，線路經(jīng)過檢查正確無誤，所有儀表經(jīng)過檢查符號精 度要求，并已運行正常，即可著手進行控

24、制系統(tǒng)的投運和控制器參數(shù)的整定工作。4.8.1系統(tǒng)的投運所謂控制系統(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 通過控制器上的手動一自動切換開關(guān)從手動位置切換到自動位置來完成的，但這種切換必 須保證無擾動地進行。本設計采用設計比較先進的電動III型控制器，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，這樣 隨時都可以進行手動與自動的切換而不引起擾動。4.8.2簡單控制系統(tǒng)的參數(shù)整定所謂控制系統(tǒng)的整定，就是對于一個已經(jīng)設計并安裝就緒的控制系統(tǒng)，通過控制器參 數(shù)（8、匕、）的調(diào)整，使系統(tǒng)的過渡過程達到最為滿意的質(zhì)量

25、指標要求。對于單回路控制系統(tǒng)，控制器參數(shù)整定的要求就是通過選擇合適的控制器參數(shù)（8、T、 iT），使過渡過程呈現(xiàn)4:1的衰減過程。調(diào)節(jié)器參數(shù)整定有兩大類：理論計算和工程整定法。理論計算法需要較多的控制理論 知識，由于實際情況，理論計算不可能考慮周到，因此用工程整定法。工程整定法有三種： 經(jīng)驗法、臨界比例度法和衰減曲線法。在本設計中我將采用臨界比例度法。臨界比例度法是先將調(diào)節(jié)器設置為純比例作用（即把積分時間T放在“8 ”的位置，i微分時間T放在“0”的位置，就消除了積分和微分作用），且比例度8放在較大位置， d將系統(tǒng)投入閉環(huán)控制，然后逐步減小比例度8 （即增大放大系數(shù)Kp）并施加干擾作用，直 至控制系統(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1，振蕩周期叫臨 界振蕩周期孔。根據(jù)q和孔從表41中查找調(diào)節(jié)器應采用的參數(shù)值。表41臨界比例度法計算表應采用的控制規(guī)律8 (%)T (min)T (min) dP287-iPIk2.2 80.85 TPIDk1