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1、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： 陈 晓 峰 班 级： 自动化073班 学 号： 指导老师： 2010年12 月 23日1 系统简介锅炉是过程工业中必不可少的动力设备。它所产生的蒸汽不仅可以供生产过程作为热源，而且还可以作为蒸汽透平的动力源。随着工业生产过程规模的不断扩大，生产过程不断强化，作为全厂动力和热源的锅炉设备，亦向大容量、高参数。高效率方向发展。为确保锅炉生产的安全操作和稳定运行，对锅炉设备的自动控制也提出了更高的要求。锅炉控制装置，其主要的任务是保证锅炉的安全、稳定运行，同时减轻工作人员的劳动强度，确保人员的人身安全。锅炉的汽包水位是影响锅炉安全运行的重
2、要参数。水位过高会导致蒸汽带水进入过热器并在过热器内结垢，影响传热效率，严重的将引起过热管爆管；水位过低又将破坏部分水冷壁的水循环，引起水冷壁局部过热而爆管。尤其是大型锅炉，例如，30万kW机组的锅炉蒸发量为1024t/h，而汽包容积较小，一旦给水停止，则会在十几秒内使汽包内的水全部汽化，造成严重的事故。锅炉给水调节对象可以用如下所示图1表示。图1 给水调节对象给水调节机构控制给水量W。汽轮机耗气量D是由汽轮机来控制的。水冷壁 与汽包存在水部分构成了水循环系统。初看起来，汽包水位的动态特性似乎与单容水槽一样，但是实际情况要复杂得多。其中最突出的一点是水循环系统中充满了夹带大量蒸汽气泡的水，而蒸
3、汽泡的总体积Vs是随着汽包压力和炉膛热负荷的变化而改变的。如果有某种原因使蒸汽泡的总体积改变了，即使水循环系统中的总水量没有变化，汽包水位也会随之发生变化。影响汽包水位H的主要有给水量W，汽轮机的耗汽量D等 两个主要因素。1.1 给水扰动 在给水量W的阶跃扰动下，水位H的响应曲线可以用图2来说明。如把汽包及水循环系统当作单容量水槽，水位的响应曲线应该 如图中的直线H1。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有的饱和水中的一部分热量，使锅炉的蒸汽量下降，水面以下的汽包总体积Vs也相应减小，导致水位下降。Vs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H
4、2的总和。从图中可知，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 式中Ko为响应速度，即给水流量变化单位流量时，水位的变化速度。1.2 负荷扰动在耗气量D的阶跃扰动下，水位H的响应过程可以用图2来说明。当耗气量D突然阶跃增加时，一方面改变了汽包内的物质平衡状态，使水位下降，图中H1表示把汽包当作单容对象时水位应有的变化；另一方面，由于耗气量D的增加，迫使锅内汽包增多；同时由于燃料量维持不变，汽包压力Pd下降，使水面以下的蒸汽泡膨胀，总体积Vs增大，从而导致汽包水位的上升，如图中H2所示。汽包水位H的实际响应过程是H=H1+H2.对于大中型锅
5、炉来说，后者的影响要大于前者，因此在负荷阶跃增加后的一段时间内不但不下降，反而上升。这种反常现象通常称为“假水位”现象。负荷扰动下汽包水位的传递函数可以近似地表示为 2 设计方案及仪表选型2.1 设计方案 从上面的分析可知，给水量扰动下水位响应过程具有纯延迟；负荷扰动下水位响应过程具有假水位现象；从反馈控制的思想出发，可以以水位信号H作为被调量，给水流量作为调节量，构成单回路反馈系统（通常称为水位单冲量系统）。算然对于大量的大中型锅炉来说，因为耗气量改变所产生的假水位将引起给水调节机构的误动，致使汽包水位激烈地上下波动，严重地影响设备的寿命和安全而不能满足要求，但对于小容量锅炉来说，它的蓄水量
6、较大，水面以下的气泡体积不占很大比重。因此给水容积迟延和假水位现象不明显，可以采用单冲量控制系统。对于大型超高压（接近临界压力）锅炉也可以采用这种控制对象，因为在超高压下气和水的密度相差不大，假水位现象并不显著。因此，本次设计针对小容积锅炉和大型超高压锅炉，采用单冲量水位控制方案。 图4 单冲量水位控制系统 图5 单冲量控制系统方框图如上图4所示为单冲量变量水位控制系统，图5为单冲量变量水位控制系统方框图。此系统有如下特点： 结构简单，投资少。 适用于汽包容量较大，虚假水位不严重，负荷较平稳的场合。 为安全运行，可设置水位报警和连锁控制系统。22 仪表的选型在汽包水位控制系统设计中，所需使用的
7、仪表有变送器、显示仪表、调节器、伺服放大器、电动操作器、执行器。其选型如下221 变送器的选型变送器在自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。2211 CR-604概述CR-604锅炉专用液位计，基于射频电容测量技术，输出4-20mA连续的标准信号，用于各种锅炉汽包液位的精确测量和控制。产品采用独特结构，将抗高温、耐高压、抗腐蚀、抗波动性能集于一身，变送部分利用军工器件，使信号输出更加稳定、可靠。该液位计安装简单，维护量小，测控精确，性价比高，是传统的
8、电极式、差压式、磁翻板式液位计最理想的换代产品。2212 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6所示，把一根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6 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7 转换过程方框图2213 技术参数 工作电压： 最大：40V 最小：6.5V 电 流 环： 4.00mA 2
9、0.00mA（0.5%） 防爆等级：ExiaIICT6 （-4070） ExiaIICT15 （-4085） 防爆参数：Ui=30V,Ii=100mA ,Pi=0.75W 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：IP672214 端子接线图 图8 端子板接线图222 显示仪表的选型显示仪表就是将生
10、产过程中各种参数进行指示、记录或累积的仪表。所设计的控制系统所选用的显示仪表为DXZ-10112221 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。2222 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）环境温度为050 2）相对湿度85% 3)工作
11、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 2223 端子接线图图9 DXZ-1011端子接线图223 调节器的选型所选调节器的型号为DTY-3400S2231 DTY-3400S工作原理输出跟踪调节器是在基型调节器中附加一个跟踪单元构成。跟踪单元由外部反馈信号输入电路和“自手”切换电路组成跟踪调节器工作状态,PI回路优先接受跟踪信号，本调节器处于“跟踪”状态，当跟踪触点脱开时，本调节器就不处于“跟踪”状态，本调节器所处操作（手动1，手动2，自动）由面板上板键开关位置决定。2232 技术参数 输入信号：1-5V,
12、DC 输入阻抗影响：0.1% 给定方式：内外给定由开关选择外给定时红灯亮 外给定信号：4-20mA，DC 测量信号及给定信号指示：1-100%全刻度，误差1% 输出信号：4-20mA 输出信号指示：0100%，误差2.5% 调节形式：比例+积分+微分比例带（P）：2-500%积分时间（I）: 0.01-2.5分（1） 0.1-25分（10）微分时间（D）：断；0.04-10分 负载阻抗：250-750 闭环跟踪误差（静差）：0.5% 手自动切换特性：自动到手动切换扰，动量小于量程的0.25% 电源: 24V.DC10% 消耗功率：光柱不大于10W，表头不大于5W 工作条件： 周围环境温度：54
13、0 相对湿度： 1075% 跟踪输入信号：4-20mA DC（输入电阻250） 输出跟踪精度：0.5% 切换误差：跟踪自动0.5% 跟踪手动10.5% 跟踪手动25%2233 端子接线图图10 DTY-3400S接线图223 伺服放大器的选型伺服放大器也叫伺服驱动器，是用来控制伺服电机的一种控制器。其作用类似于变频器作用于普通交流马达。主要应用于高精度的定位系统。所选用的伺服放大器型号为ZPE2030Q2231 ZPE2030Q工作原理伺服放大器的输入信号来自变送、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于放大器的灵敏限时，电动
14、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。2232 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 86-106Kpa2234 d端子接线图图11
15、 ZPE2030Q接线图224 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-10002241 DFD-1000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。224222432244 待添加的隐藏文字内容3技术参数、电源电压：220V，50602Hz 、开关触头额定容量：主回路 500V15A 信号回路 110V 2A 跟踪电压 1-5V 工作条件a、环境温度 045b、相对湿度 85% 仪表
16、重量 约3Kg 外形尺寸 29580160（mm）2243 端子接线图图12 DFD-1000接线图225 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2251 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
17、，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。2252 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-60-196、波纹管密封-40+3502253 阀内组件 阀
18、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2254 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13 DKZ-410接线图3 控制系统仪表配接图及说明4 仪表型号清单 表2 仪表型号及清单序号名称型号个数1变送器CR-60412显示仪表DXZ-101113调节器DTY-3400S14伺服放大器ZPE2030Q15电动执行器DFD-100016执行器ZAZN17执行机构DKZ-41015 参考文献 1 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，2002.2 金以慧，方崇智过程控制M北京：清华大学出版社，1993.3 张毅.自动检测技术及仪表控制系统M.北京：化学工业出版社，20094 何衍庆.工业生产过程控制M.北京：化学工业出版社，20045 工业自动化仪表与系统手册编辑委员会. 工业自动化仪表与系统手册（上册） 中国电力出版社，2008
