鍋爐汽包水位設計講解

1、黃山學院自動化專業(yè)設計目錄 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark1 o Current Document 第一章緒論2 HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 1. 1鍋爐工作過程簡介2第二章鍋爐汽包水位動態(tài)特性分析3 HYPERLINK l bookmark7 o Current Document 2.1汽包水位在給水流量W作用下的動態(tài)特性3 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 2.2汽包水位在蒸汽流量D擾動下的動態(tài)特性4第3章鍋爐汽包水位的控制方案6 HYPERLINK

2、 l bookmark13 o Current Document 3.1單沖量控制方式6 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 3.2雙沖量控制方式6 HYPERLINK l bookmark19 o Current Document 3.3三沖量控制方式7 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 3.4本設計的控制方式8 HYPERLINK l bookmark25 o Current Document 第4章 儀器儀表的選擇與參數(shù)的整定9 HYPERLINK l bookmark28 o Curren

3、t Document 4.1差壓變送器的選擇9 HYPERLINK l bookmark31 o Current Document 4.2流量變送器的選擇10 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 4.3液位變送器的選擇12 HYPERLINK l bookmark37 o Current Document 4.4溫度變送器的選擇13 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 4.5工程整定15 HYPERLINK l bookmark43 o Current Document 第五章PLC選型16 HYP

4、ERLINK l bookmark46 o Current Document 第六章 設計小結17 HYPERLINK l bookmark49 o Current Document 參考文獻:18附錄1 錯誤!未定義書簽。附錄2 錯誤!未定義書簽。附錄3 錯誤!未定義書簽。附錄4 錯誤!未定義書簽。第一章緒論1.1鍋爐工作過程簡介鍋爐是工業(yè)過程中不可缺少的動力設備，鍋爐的任務是根據(jù)外界負荷的變化，輸送 一定質(zhì)量（汽壓、汽溫）和相應數(shù)量的蒸汽。它所產(chǎn)生的蒸汽不僅能夠為蒸餾、化學反應、 干燥等過程提供熱源，而且還可以作為風機、壓縮機、泵類驅(qū)動透平的動力源。鍋爐是 由“鍋”和“爐”兩部分組成的。“

5、鍋”就是鍋爐的汽水系統(tǒng)，如圖所示。由省煤器3、 汽包4、下降管8、過熱器5、上升管7、給水調(diào)節(jié)閥2、給水母管1及蒸汽母管6等組成。 鍋爐的給水用給水泵打入省煤器，在省煤器中，水吸收煙氣的熱量，使溫度升高到本身 壓力下的沸點，成為飽和水然后引入汽包。汽包中的水經(jīng)下降管進入鍋爐底部的下聯(lián)箱， 又經(jīng)爐膛四周的水冷壁進入上聯(lián)箱，隨即又回入汽包。水在水冷壁管中吸收爐內(nèi)火焰直 接輻射的熱，在溫度不變的情況下，一部分蒸發(fā)成蒸汽，成為汽水混合物。汽水混合物 在汽包中分離成水和汽，水和給水一起再進入下降管參加循環(huán)，汽則由汽包頂部的管子 引往過熱器，蒸汽在過熱器中吸熱、升溫達到規(guī)定溫度，成為合格蒸汽送入蒸汽母管。

6、 “爐”就是鍋爐的燃燒系統(tǒng)，由爐膜、煙道、噴燃器、空氣預熱器等組成。鍋爐燃料燃 燒所需的空氣由送風機送入，通過空氣預熱器，在空氣預熱器中吸收煙氣熱量，成為熱 空氣后，與燃料按一定的比例進入爐膛燃燒，生成的熱量傳遞給蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，產(chǎn)生飽 和蒸汽。然后經(jīng)過過熱器，形成一定的過熱蒸汽，匯集到蒸汽母管。具有一定壓力的過 熱蒸汽，經(jīng)過負荷設備調(diào)節(jié)閥供負荷設備使用。與此同時，燃燒過程中產(chǎn)生的煙氣，其 中含有大量余熱，除了將飽和蒸汽變成過熱蒸汽外，還預熱鍋爐給水和空氣，最后經(jīng)煙 囪排入大氣。01圖1.1鍋爐的汽水系統(tǒng)2.1汽包水位在給水流量W作用下的動態(tài)特性圖2.1是鍋爐汽包水位在給水流量作用下，水位的階躍

7、響應曲線。把汽包水位看作單容 量無自衡過程，水位的階躍響應曲線如圖中的Hl線。圖2.1給水流量作用下水位階躍響應但是由于給水溫度比汽包內(nèi)飽和水的溫度低，所以給水流量增加后，從原有飽和水中吸 收部分熱量，這使得水位下汽泡容積有所減少，當水位下汽泡容積的變化過程逐漸平衡時， 水位的變化就完全反映了由于汽包中儲水量的增加而逐漸上升。因此，實際水位曲線如圖中 的萬線，即當給水量作階躍變化后，汽包水位一開始不立即增加，而要呈現(xiàn)出一段起始慣性 段。用傳遞函數(shù)表示時2-1H (s) k=1W ( s ) S(T S + 1) n式中K1-反應速度，即給水流量改變單位流量時水位的變化速度，單位為毫米/秒或(噸

8、 /小時)。從式2-1可知，汽包水位在給水流量作用下的動態(tài)特性由一個積分環(huán)節(jié)和一個滯后環(huán)節(jié) 所組成，K1、T1的數(shù)值可通過實驗測試求得，數(shù)值的大小同鍋爐的結構有關。有些鍋爐當給 水量增加時，在較長的一段時間里，汽包水位并不增加，有一較長的起始慣性段，對于這種 鍋爐用式2-2來表示它的動態(tài)特性，誤差較大，這時可選用下面近似計算：H ( s ) k=e - T s 2-2W ( s ) S2 2式中，T 給水量擾動后的純滯后時間，對非沸騰式省煤器的鍋爐，T 這時為 30至100秒;對于沸騰式省煤器的鍋爐，T 為100至200秒;K0水位的反應速度。給 水溫度越低，時滯T 亦越大。總之，汽包水位調(diào)節(jié)

9、對象在給水量作用下，具有純遲延和慣性，無自衡能力。具體特性 可用二種形式來描述，究竟采用何種形式，可根據(jù)鍋爐結構和汽化強度來定。鍋爐汽包水位設計2.2汽包水位在蒸汽流量D擾動下的動態(tài)特性在蒸汽流量刀擾動作用下，水位的階躍響應曲線如圖2.1所示。當蒸汽流量突然增加， 從鍋爐的物料平衡關系看，蒸汽流量D大于給水量磯水位應下降，如圖中曲線H1。但實際并 非如此，由于蒸汽用量增加，瞬間導致汽包壓力的下降。汽包內(nèi)水的沸騰突然加劇，水中汽泡迅速增加，由于汽泡容積增加而使水位 變化的曲線如圖中的H2線。因此，實際的水位曲 線為H1+H2,即為圖中的H。從圖中可以看出，當蒸汽負荷增加時，水位不僅不下降反而上升

10、， 然后再下降（反之，蒸汽流量突然減少時，則水位先下降，然后再上升），這種現(xiàn)象稱之為“虛 假水位”。當汽水混合物中汽泡容積與負荷相適應達到穩(wěn)定后，水位才反映出物料的不平衡， 開始下降。應該指出，當負荷階躍改變時，水面下汽泡容積變化引起的水位變化是很快的， 圖2.3中H2的時間常數(shù)只有1020秒。蒸汽流量擾動時，水位變化的動態(tài)特性可表示為：、H(S) k k2-3G (s) =_工 +2 2D(s)S (TS + 1)n2式中，Kf響應速度，即蒸汽流量變化單位流量時，水位的變化速度，單位為毫米/秒或（噸/ 小時）。K響應曲線的放大系數(shù)T2響應曲線的時間常數(shù)圖2-2.蒸汽流量擾動下水位階躍響應“虛

11、假水位”變化的幅度與鍋爐的汽壓與蒸汽量有關，對于一般100 230噸/小時的中 高壓鍋爐，如負荷階躍變化10%時，“虛假水位”現(xiàn)象可使水位變化達30 一 40毫米。由于“虛 假水位”現(xiàn)象屬于反向特性，其出現(xiàn)的水位最大偏差很難依靠調(diào)節(jié)來克服，如果要求水位波 動不能太大，只有限制負荷D的變化速度或限制負荷一次變化量。由此可見，汽包水位調(diào)節(jié)對象在蒸汽流量擾動下，非但沒有自平衡能力，而且存在著“虛 假水位”現(xiàn)象，“虛假水位”的變化速度很快，變化幅度與蒸發(fā)量擾動大小成正比，也與壓力 變化速度成正比，在設計調(diào)節(jié)系統(tǒng)時必須考慮。鍋爐汽包水位設計第3章鍋爐汽包水位的控制方案3.1單沖量控制方式單沖量水位控制方

12、式原理圖及方框圖如圖3-1所示它是汽包水位自動調(diào)節(jié)中最簡單、最 基本的一種形式。它引入汽包水位作為反饋量，是典型的單回路定值控制系統(tǒng)。當蒸汽用量突然增加時，應該加大給水量以滿足負荷需求；但是由于假水位現(xiàn)象，導致控 制器會先減小給水量來抑制瞬間的水位升高，隨著假水位消失，汽包水位會在負荷增加和給 水量減少的雙重作用下，產(chǎn)生嚴重的水位下降，甚至發(fā)生危險。對于小型鍋爐，由于蒸汽負荷變化時假水位的現(xiàn)象不明顯，如果再配上一些聯(lián)鎖報警裝 置，這種單沖量控制系統(tǒng)能滿足要求。對于負荷變動較大的大，中型鍋爐，單沖量控制系統(tǒng) 不能保證水位穩(wěn)定，難以滿足水位控制要求和生產(chǎn)安全。因此，該控制方案不適用于負荷變 動較大

13、的情況。圖3-1單沖量控制控制系統(tǒng)框圖3.2雙沖量控制方式雙沖量控制系統(tǒng)是以鍋爐汽包水位測量信號作為主控信號，以蒸汽流量信號作為前饋信 號構成的“前饋一反饋”控制系統(tǒng)。系統(tǒng)方框圖見圖3-2圖3-2雙沖量控制控制系統(tǒng)框圖引入蒸汽流量來校正不僅可以補償“虛假水位”所引起的誤動作，而且能使給水調(diào)節(jié) 閥的動作及時，從而提高控制質(zhì)量。但這里的前饋僅為靜態(tài)前饋，若要考慮兩條通道在動態(tài)上 的差異，則還需要引入動態(tài)補償環(huán)節(jié)。在給水壓力比較平穩(wěn)時，采用雙沖量控制就能達到控制 要求。雙沖量水位自動控制系統(tǒng)存在的問題有：一是對于給水系統(tǒng)的擾動不能直接補償。當 給水量發(fā)生擾動時，要等到汽包水位信號變化時才能通過調(diào)節(jié)器

14、操作執(zhí)行調(diào)節(jié)，滯后時間長， 水位波動大。二是調(diào)節(jié)閥的工作特性不是完全線性的，因此，要做到靜態(tài)補償就比較困難。3.3三沖量控制方式為進一步改善控制品質(zhì)，引入給水流量信號，構成三沖量控制系統(tǒng)，如圖3-3 , 3-4所 示。所謂三沖量，值得是引入了三個測量信號：汽包水位、給水流量和蒸汽流量。三沖量控 制本質(zhì)上時前饋-串級復合控制系統(tǒng)：主回路實現(xiàn)水位調(diào)節(jié)，副回路使給水流量能適應負荷和 水位要求。在穩(wěn)定狀態(tài)下，液位測量信號為給定值，液位調(diào)節(jié)器的輸出，蒸汽流量及給水流量三個信 號通過加法器得到輸出電流。若在某一時刻，蒸汽負荷突然增加，蒸汽流量變送器的輸出電 流增加，加法器的輸出電流減少，從而會開大給水調(diào)節(jié)

15、閥，與此同時出現(xiàn)了虛假液位現(xiàn)象， 液位調(diào)節(jié)器輸出電流將增大。由于進入加法器的兩個信號相反，蒸汽流量變送器的輸出電流 會抵消一部分虛假液位輸出電流，所以虛假液位所帶來的影響將局部或全部被抵消。待虛假液位過去,水位開始下降，液位調(diào)節(jié)器輸出電流開始減小，此時它與蒸汽流量信號 變化的方向相反，因此加法器的輸出電流減小，此時要求增加給水量以適應新的負荷需要并 補充液位的不足。調(diào)節(jié)過程進行到液面重新穩(wěn)定在給定值，給水量和蒸發(fā)量達到新的平衡為 止。當蒸汽負荷不變，給水量本身因壓力波動而變化時，加法器的輸出相應變化，調(diào)節(jié)閥門 開度直至給水量恢復到所需的數(shù)值為止。由于引進了蒸汽流量和給水流量兩個輔助沖量，起 到

16、了 “超前信號”的作用，使給水閥一開始就向正確的方向移動，因而可減小液位的波動幅 度，抵消虛假液位的影響，并可縮短過渡過程時間。三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)能及時克服負荷（蒸汽量） 和給水流量的干擾作用，調(diào)節(jié)精度較高，適用于汽包容積較小、負荷和給水干擾較大的場合。 目前已得到了應用，實踐證明效果良好。圖3-3三沖量液位控制系統(tǒng)框圖圖3-4 三沖量液位控制原理圖3.4本設計的控制方式本設計選三沖量的控制方式作為本次設計控制方式。能有現(xiàn)象。三沖量控制系統(tǒng)具有如下優(yōu)點：一是相對單沖量和雙沖量控制系統(tǒng)，其控制品質(zhì)最好, 效地滿足系統(tǒng)對快速性、穩(wěn)定性、準確性的要求。二是能有效地避免“虛假水位”鍋爐汽包水位設計第4章儀

17、器儀表的選擇與參數(shù)的整定4.1差壓變送器的選擇羅斯蒙特差壓壓力變送器為壓力測量技術創(chuàng)建了一個新的標準。它具有無可比擬的操作 性能、靈活的CoPlanarTM平臺，而且可以升級。新型3051C壓力變送器的性能指標保證了在 不同工況下的精度和穩(wěn)定性。工作原理：工作時，高、低壓側(cè)的隔離膜片和灌充液將過程壓力傳遞給灌充液，接著灌 充液將壓力傳遞到傳感器中心的傳感膜片上。傳感膜片是一個張緊的彈性元件，其位移隨所 受壓而變化（對于GP表壓變送器，大氣壓如同施加在傳感膜片的低壓側(cè)一樣）。AP絕壓變送 器，低壓側(cè)始終保持一個參考壓力。傳感膜片的最大位移量為0.004英寸（0.1毫米），且位 移量與壓力成正比。

18、兩側(cè)的電容極板檢測傳感膜片的位置。傳感膜片和電容極板之間電容的 差值被轉(zhuǎn)換為相應的電流，電壓或數(shù)字HART（高速可尋址遠程發(fā)送器數(shù)據(jù)公路）輸出信號。3051變送器的應用 新型3051C的性能指標保證在不同工況下的精度和穩(wěn)定性。靈活 可變的CoPlanarTM平臺設計不但為您目前的應用需求提供最佳方案，同時通過PlantWeb工 廠管控網(wǎng)和現(xiàn)場總線技術也完全能滿足您將來的技術要求。技術參數(shù)：總體性能：0.15%精度：0.075%破差壓：校驗量程從0.5inH2O至2000psi*表壓：校驗量程從2.5inH2O至2000psi絕對壓力：校驗量程從0.167psia至4000psia過程隔離膜片：

19、不銹鋼，哈氏合金CR，蒙乃爾R，ffl（僅限CD，CG）及鍍金蒙乃爾設計小巧、堅固而質(zhì)輕，易于安裝4.2流量變送器的選擇用途1151DP型AP流量變送器，專門接受從節(jié)流元件送來的差壓信號，經(jīng)具有開平方功 能的“J”型電子線路板轉(zhuǎn)換成與流量成正比的4-20mA,DC信號輸出。其采用電子開關組件，將輸出電流在20%以下，與輸入差壓的關系切換成線性，減緩了 流量變送器在起始工作段（特別是零點）輸出電流的不穩(wěn)定現(xiàn)象。但在輸出電流50%以下， 由于流量變送器的轉(zhuǎn)換靈敏度仍高于同規(guī)格的差壓變送器，因此其穩(wěn)定性仍略遜色于差壓變 送器。電路方框圖流量變送器輸出特性曲線表1CL主要技術參數(shù)類型里程(KPa)精度

20、最大過載壓力 或靜壓(MPm)靜壓黝向溫度影響附注代號調(diào)整范圍DPiP31*7,520% 不 計精度20-50a/a0.2510140.50.3L表內(nèi)技術數(shù)據(jù)的話用范圍為：450.250.2輸出平萬根電赤2。-ion%。3,輸出電流20-50%Z間精度 為：口出級輸出電流 (%)。3,靜壓和溫度翌響的附加誤差， 均系在最大里程下刻得。4.3液位變送器的選擇用途液位變送器是一種直接安裝在管道或容器上的現(xiàn)場變送器。由于隔離膜片直接 與液相介質(zhì)相接觸，無須將正壓側(cè)用導壓管引出，因此可以測量高溫，高粘度，易結晶，易 沉淀和強腐蝕等介質(zhì)的液位，壓力和密度，然后將其轉(zhuǎn)換成4-20mA DC信號輸出。液位變

21、送器有LT型法蘭式液位變送器和LT型衛(wèi)生式液位變送器兩種，它們與智能放大 板相結合，可構成智能型液位變送器，與符合HART協(xié)議的手操器配合，可以相互通訊，進行 設定和監(jiān)控。LHB-1151LT型液位變送器采用標準的法蘭式進行安裝聯(lián)接；經(jīng)過精細加工和處理， 光潔度和清潔度皆符合衛(wèi)生標準，內(nèi)部的灌充液是以不污染介質(zhì)為標準，選取和注入的，因 此可以廣泛地應用于食品，飲料，和醫(yī)藥等工業(yè)部門。*技術參數(shù)鍋爐汽包水位設計表12.主要技術參教類型裝式量程(KPa)精度最大過載壓 力或靜壓 (MPa)靜壓 影響 (%)溫度影響 (%/280)附注代號調(diào)整范圍環(huán)境溫度介質(zhì)溫度GP法蘭 聯(lián)接34561.37.53

22、1.1186.8117689.50.252510 具體工作靜 壓由法蘭的 形式和規(guī)格 而定。+0.25(量程 3加 倍)0.25(量程3 加0.5 倍)0.15(量程3 加0.5 倍).靜壓和溫度影響，均是在最大 量程下測得。.量程3必須配置4或DN100法 云夜位變送器的負壓側(cè)，可聯(lián)接 毛細管長度15英尺(4.5米)， 安裝形式相同的遠傳裝置.4.介質(zhì)溫度-30700。46.237.4AP箍接卡聯(lián)5250.250.250.156117.1689.54.4溫度變送器的選擇SITRANS T溫度測量儀表溫度變送器，裝在傳感器頭部 SITRANS TH100，二 線制(Pt100)SITRANS

23、TH100無電氣隔離和通用的傳感器連接，它是Pt100測 量的一種低成本方式。對于參數(shù)調(diào)整，SITRANS TH100/TH200與SIPROM T軟件和調(diào)制 解調(diào)器結合使用。非常緊湊的結構設計使SITRANS TH100變送器易于測量點改造或 模擬變送器使用。鍋爐汽包水位設計該變送器有非EX版，也可用于爆炸環(huán)境。優(yōu)點-二線制變送器。-安裝在B型（DIN 43729）或更大的連接頭上，也可安裝在標準DIN導軌上。-可編程，即傳感器連接、測量范圍等也可編程。 “本安”型可用在爆炸區(qū)。應用與Pt100熱電阻結合使用，SITRANS TH100變送器是各工業(yè)行業(yè)中理想的溫度測量儀表。由于設計緊湊，它

24、可以安裝在B型（DIN43729）或更大的連接頭上。輸出信號是與溫度成正比的420 mA的直流電流。通過一臺PC，使用SIPROM T軟件和SITRANS TH100/TH200調(diào)制解調(diào)器，可以進行參數(shù)調(diào)整。如果您已經(jīng)擁有“SITRANS TK調(diào)制，解調(diào)器”（訂貨號7NG3190-6KB）,您可以繼續(xù)使用它對SITRANS TH100進行參數(shù)調(diào)整。“本安”防爆型變送器可安裝在潛在爆炸區(qū)。該設備符合94/9/EC歐洲標準（ATEX）,或美國（FM）及CSA規(guī)范。功能工作原理由Pt100熱電阻（二、三或四線制系統(tǒng)/）提供的測量信號在輸入級被放大。再將與輸入變量成正比的電壓經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器中的多路調(diào)制器

25、轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。這些信號在微處理器中根據(jù)傳感器的特性及其它參量（測量范圍、 阻尼、環(huán)境溫度等）加以轉(zhuǎn)換。這樣得到的信號又在數(shù)/模轉(zhuǎn)換器中轉(zhuǎn)換為與負載無關的420mA的直流電流。EMC濾波器保護輸入和輸出電路不受電磁干擾。輸入 PtIOO熱電阻EMC_1帶保護部件的輸人k恒流源MUX多路調(diào)制器A/D模/數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出D/A數(shù)/模轉(zhuǎn)換器U/l變壓器,電流 變壓器，恒壓 參考電壓源EMC_2帶保護部件的輸入輔助電源At輸出電流微處理器 MC線性化功能和所有數(shù)據(jù)的儲存+14 . 20 mA Ug,.-2SITRANS TH100工作原理圖4.5工程整定采用兩步整定法進行整定所謂兩步整定法就是整定分兩步進

26、行，先整定付環(huán)，在整定主環(huán)求取副調(diào)節(jié)器的0 2S和T2S （閉合主、副回路，兩個調(diào)節(jié)器都置于純比例、自動；置 6 1 = 100%；用衰減曲線法求取副調(diào)節(jié)器的0 2S和T2S）。求取主調(diào)節(jié)器的。1S和T1S （閉合主、副回路，兩個調(diào)節(jié)器都置于純比例、自動；置 6 2 = 6 2S ；用衰減曲線法求取主調(diào)節(jié)器的6 1S和T1S）。計算調(diào)節(jié)器參數(shù)（依據(jù)以上求得的6 1S、T1S和6 2、T2S ；主、副調(diào)節(jié)器的選型以 及衰減曲線法相關公式，求取主、副調(diào)節(jié)器的相關參數(shù)）。將計算參數(shù)置于調(diào)節(jié)器；將副調(diào)節(jié)器置串級，主調(diào)節(jié)器投自動鍋爐汽包水位設計第五章PLC選型鍋爐汽包水位是以開關量控制為主，帶有部分模擬

27、量控制的應用系統(tǒng)，包括工業(yè)生產(chǎn)中 的溫度、壓力、流量、液位等連續(xù)量的控制，故選用帶有A/D轉(zhuǎn)換的模擬量輸入模塊和帶有 D/A轉(zhuǎn)換的模擬量輸出模塊，配接相應的傳感器、變送器和驅(qū)動裝置。選擇運算功能較強的 中小型PLC （如西門子公司的S7-300系列PLC）。表5-1 PLC選型表PLC訂貨單序號模塊訂貨號數(shù)量1導軌6ES7390-1AE80-0AA012PS 307 5A6ES7 307-1EA00-0AA013CPU 3146ES7 314-1AE01-0AB014AI8*12Bit6ES7 331-1KF02-0AB015AO2*12Bit6ES7 332-5HB01-0AB016DI8/DO8*24V/0.5A6ES7 323-1BH00-0AB017STEP7 V5.4編程軟件6ES7 810-4CC08-0YA518內(nèi)存卡 128KByte(MMC)6ES7 953-8LG11-0AA01鍋爐汽包水位設計第六章設計小結通過這次課程設計讓我學到很多東西，不僅僅對PLC有了一定的了解，還讓我對具體的 項目有了相關的認識。在老師們的耐心指導