自動化課程設(shè)計-鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)

1、過程控制儀表課程設(shè)計題 目： 鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)學(xué)生姓名： 陳 曉 峰 班 級： 自動化073班 學(xué) 號： 指導(dǎo)老師： 2010年12 月 23日系統(tǒng)簡介鍋爐是過程工業(yè)中必不可少的動力設(shè)備。它所產(chǎn)生的蒸汽不僅可以供生產(chǎn)過程作為熱源，而且還可以作為蒸汽透平的動力源。隨著工業(yè)生產(chǎn)過程規(guī)模的不斷擴(kuò)大，生產(chǎn)過程不斷強(qiáng)化，作為全廠動力和熱源的鍋爐設(shè)備，亦向大容量、高參數(shù)。高效率方向開展。為確保鍋爐生產(chǎn)的平安操作和穩(wěn)定運(yùn)行，對鍋爐設(shè)備的自動控制也提出了更高的要求。鍋爐控制裝置，其主要的任務(wù)是保證鍋爐的平安、穩(wěn)定運(yùn)行，同時減輕工作人員的勞動強(qiáng)度，確保人員的人身平安。鍋爐的汽包水位是影響鍋爐平安運(yùn)行的重要參

2、數(shù)。水位過高會導(dǎo)致蒸汽帶水進(jìn)入過熱器并在過熱器內(nèi)結(jié)垢，影響傳熱效率，嚴(yán)重的將引起過熱管爆管；水位過低又將破壞局部水冷壁的水循環(huán)，引起水冷壁局部過熱而爆管。尤其是大型鍋爐，例如，30萬kW機(jī)組的鍋爐蒸發(fā)量為1024t/h，而汽包容積較小，一旦給水停止，那么會在十幾秒內(nèi)使汽包內(nèi)的水全部汽化，造成嚴(yán)重的事故。鍋爐給水調(diào)節(jié)對象可以用如下所示圖1表示。圖1 給水調(diào)節(jié)對象給水調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)控制給水量W。汽輪機(jī)耗氣量D是由汽輪機(jī)來控制的。水冷壁 與汽包存在水局部構(gòu)成了水循環(huán)系統(tǒng)。初看起來，汽包水位的動態(tài)特性似乎與單容水槽一樣，但是實際情況要復(fù)雜得多。其中最突出的一點(diǎn)是水循環(huán)系統(tǒng)中充滿了夾帶大量蒸汽氣泡的水，而蒸汽

3、泡的總體積Vs是隨著汽包壓力和爐膛熱負(fù)荷的變化而改變的。如果有某種原因使蒸汽泡的總體積改變了，即使水循環(huán)系統(tǒng)中的總水量沒有變化，汽包水位也會隨之發(fā)生變化。影響汽包水位H的主要有給水量W，汽輪機(jī)的耗汽量D等 兩個主要因素。1.1 給水?dāng)_動 在給水量W的階躍擾動下，水位H的響應(yīng)曲線可以用圖2來說明。如把汽包及水循環(huán)系統(tǒng)當(dāng)作單容量水槽，水位的響應(yīng)曲線應(yīng)該 如圖中的直線H1?？紤]到給水溫度低于汽包內(nèi)的飽和水溫度，當(dāng)它進(jìn)入汽包后吸收了原有的飽和水中的一局部熱量，使鍋爐的蒸汽量下降，水面以下的汽包總體積Vs也相應(yīng)減小，導(dǎo)致水位下降。Vs對水位的影響可以用圖中的曲線H2表示。水位H的實際響應(yīng)曲線是H1和H2

4、的總和。從圖中可知，響應(yīng)過程有一段遲延時間。給水的過冷度越大，純遲延時間也越大。給水?dāng)_動 下的傳遞函數(shù)可以近似表示為 式中Ko為響應(yīng)速度，即給水流量變化單位流量時，水位的變化速度。1.2 負(fù)荷擾動在耗氣量D的階躍擾動下，水位H的響應(yīng)過程可以用圖2來說明。當(dāng)耗氣量D突然階躍增加時，一方面改變了汽包內(nèi)的物質(zhì)平衡狀態(tài)，使水位下降，圖中H1表示把汽包當(dāng)作單容對象時水位應(yīng)有的變化；另一方面，由于耗氣量D的增加，迫使鍋內(nèi)汽包增多；同時由于燃料量維持不變，汽包壓力Pd下降，使水面以下的蒸汽泡膨脹，總體積Vs增大，從而導(dǎo)致汽包水位的上升，如圖中H2所示。汽包水位H的實際響應(yīng)過程是H=H1+H2.對于大中型鍋爐

5、來說，后者的影響要大于前者，因此在負(fù)荷階躍增加后的一段時間內(nèi)不但不下降，反而上升。這種反?，F(xiàn)象通常稱為“假水位現(xiàn)象。負(fù)荷擾動下汽包水位的傳遞函數(shù)可以近似地表示為 2 設(shè)計方案及儀表選型2.1 設(shè)計方案 從上面的分析可知，給水量擾動下水位響應(yīng)過程具有純延遲；負(fù)荷擾動下水位響應(yīng)過程具有假水位現(xiàn)象；從反應(yīng)控制的思想出發(fā)，可以以水位信號H作為被調(diào)量，給水流量作為調(diào)節(jié)量，構(gòu)成單回路反應(yīng)系統(tǒng)通常稱為水位單沖量系統(tǒng)。算然對于大量的大中型鍋爐來說，因為耗氣量改變所產(chǎn)生的假水位將引起給水調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的誤動，致使汽包水位劇烈地上下波動，嚴(yán)重地影響設(shè)備的壽命和平安而不能滿足要求，但對于小容量鍋爐來說，它的蓄水量較大，水

6、面以下的氣泡體積不占很大比重。因此給水容積遲延和假水位現(xiàn)象不明顯，可以采用單沖量控制系統(tǒng)。對于大型超高壓接近臨界壓力鍋爐也可以采用這種控制對象，因為在超高壓下氣和水的密度相差不大，假水位現(xiàn)象并不顯著。因此，本次設(shè)計針對小容積鍋爐和大型超高壓鍋爐，采用單沖量水位控制方案。 圖4 單沖量水位控制系統(tǒng) 圖5 單沖量控制系統(tǒng)方框圖如上圖4所示為單沖量變量水位控制系統(tǒng)，圖5為單沖量變量水位控制系統(tǒng)方框圖。此系統(tǒng)有如下特點(diǎn)： eq oac(,1) 結(jié)構(gòu)簡單，投資少。 eq oac(,2) 適用于汽包容量較大，虛假水位不嚴(yán)重，負(fù)荷較平穩(wěn)的場合。 eq oac(,3) 為平安運(yùn)行，可設(shè)置水位報警和連鎖控制系統(tǒng)

7、。22 儀表的選型在汽包水位控制系統(tǒng)設(shè)計中，所需使用的儀表有變送器、顯示儀表、調(diào)節(jié)器、伺服放大器、電動操作器、執(zhí)行器。其選型如下221 變送器的選型變送器在自動檢測和控制系統(tǒng)中的作用，是對各種工藝參數(shù)，如溫度、壓力、流量、液位、成分等物理量進(jìn)行檢測，以供顯示、紀(jì)錄或控制只用 ?？刂葡到y(tǒng)中所選的變送器的型號為CR-604，為鍋爐專用液位計。2211 CR-604概述CR-604鍋爐專用液位計，基于射頻電容測量技術(shù)，輸出4-20mA連續(xù)的標(biāo)準(zhǔn)信號，用于各種鍋爐汽包液位的精確測量和控制。產(chǎn)品采用獨(dú)特結(jié)構(gòu)，將抗高溫、耐高壓、抗腐蝕、抗波動性能集于一身，變送局部利用軍工器件，使信號輸出更加穩(wěn)定、可靠。該

8、液位計安裝簡單，維護(hù)量小，測控精確，性價比高，是傳統(tǒng)的電極式、差壓式、磁翻板式液位計最理想的換代產(chǎn)品。2212 CR-604的工作原理電容式液位測控儀均采用電容原理，即電容兩極間介質(zhì)量的變化可引起電容量的變化。其原理模擬圖如圖6所示，把一根外包絕緣層的金屬棒插入裝有導(dǎo)電介質(zhì)的金屬容器，金屬棒和容器內(nèi)壁之間形成電容，其填充介質(zhì)的變化量H與形成的電容變化量Cx關(guān)系如下式： 圖6 原理模擬圖當(dāng)被測介質(zhì)液位變化時，傳感器電容量Cx也隨之發(fā)生變化，電容變化增量Cx通過變送器電路轉(zhuǎn)換為與液位成正比例的標(biāo)準(zhǔn)電流信號。轉(zhuǎn)換過程可用圖7所示的方框圖示意：圖7 轉(zhuǎn)換過程方框圖2213 技術(shù)參數(shù) eq oac(,1

9、) eq oac(,2) 電 流 環(huán)： 4.00mA 20.00mA0.5% eq oac(,3) 防爆等級：ExiaIICT6 -4070 ExiaIICT15 -4085 eq oac(,4) 防爆參數(shù)：Ui=30V,Ii=100mA ,Pi=0.75W Ci=100pF,Li=10uH eq oac(,5) 測量范圍：02200mm Max eq oac(,6) 測量周期：0.5秒 eq oac(,7) 分 辨 率： eq oac(,8) 溫度漂移： Max (-4085) eq oac(,9) 工作壓力：40MPa Max eq oac(,10) 線性偏差：(1+0.05%FS) mm

10、 eq oac(,11) 介質(zhì)溫度：300 Max eq oac(,12) 環(huán)境溫度：-4085 ExiaIICT1-T5 eq oac(,13) 存儲溫度：-55100 eq oac(,14) 防護(hù)等級：IP672214 端子接線圖 圖8 端子板接線圖222 顯示儀表的選型顯示儀表就是將生產(chǎn)過程中各種參數(shù)進(jìn)行指示、記錄或累積的儀表。所設(shè)計的控制系統(tǒng)所選用的顯示儀表為DXZ-10112221 DXZ-1011工作原理本儀表能將1-5V直流電壓直接并到表頭指示。表頭采用動圈式張絲結(jié)構(gòu)。磁路系統(tǒng)由扇形磁鐵、導(dǎo)磁體及由它們組成的平面氣隙構(gòu)成的，磁場均勻。當(dāng)電流流過動圈時在氣隙、磁場的作用下產(chǎn)生作用力

11、矩，當(dāng)該力矩和由張絲轉(zhuǎn)角變形所形成產(chǎn)生的反作用力矩相平衡時，轉(zhuǎn)軸另一端的指針?biāo)甘镜奈恢眉幢硎颈粶y量的大小。2222 技術(shù)參數(shù) eq oac(,1) 型號與規(guī)格：DXZ-1011,單針，重量6kg eq oac(,2) 輸入信號：15V DC eq oac(,3) 內(nèi)阻，小于20 eq oac(,4) 指示精度：1% eq oac(,5) 工作環(huán)境 1環(huán)境溫度為050 2相對濕度85% 3)工作振動頻率：f25Hz，全振幅 eq oac(,6) 結(jié)構(gòu)型式：盤裝式 eq oac(,7) 外形尺寸：80160630mm eq oac(,8) eq oac(,9) 功耗：2W 2223 端子接線圖圖

12、9 DXZ-1011端子接線圖223 調(diào)節(jié)器的選型所選調(diào)節(jié)器的型號為DTY-3400SDTY-3400S工作原理輸出跟蹤調(diào)節(jié)器是在基型調(diào)節(jié)器中附加一個跟蹤單元構(gòu)成。跟蹤單元由外部反應(yīng)信號輸入電路和“自手切換電路組成跟蹤調(diào)節(jié)器工作狀態(tài),PI回路優(yōu)先接受跟蹤信號，本調(diào)節(jié)器處于“跟蹤狀態(tài)，當(dāng)跟蹤觸點(diǎn)脫開時，本調(diào)節(jié)器就不處于“跟蹤狀態(tài)，本調(diào)節(jié)器所處操作手動1，手動2，自動由面板上板鍵開關(guān)位置決定。技術(shù)參數(shù) eq oac(,1) 輸入信號：1-5V,DC eq oac(,2) 輸入阻抗影響：0.1% eq oac(,3) 給定方式：內(nèi)外給定由開關(guān)選擇外給定時紅燈亮 eq oac(,4) 外給定信號：4-

13、20mA，DC eq oac(,5) 測量信號及給定信號指示：1-100%全刻度，誤差1% eq oac(,6) 輸出信號：4-20mA eq oac(,7) 輸出信號指示：0100%，誤差2.5% eq oac(,8) 調(diào)節(jié)形式：比例+積分+微分比例帶P：2-500%積分時間I: 0.01-2.5分1 0.1-25分10 eq oac(,9) 負(fù)載阻抗：250-750 eq oac(,10) 閉環(huán)跟蹤誤差靜差：0.5% eq oac(,11) 手自動切換特性：自動到手動切換擾，動量小于量程的0.25% eq oac(,12) 10% eq oac(,13) 消耗功率：光柱不大于10W，表頭不

14、大于5W eq oac(,14) 工作條件： 周圍環(huán)境溫度：540 相對濕度： 1075% eq oac(,15) 跟蹤輸入信號：4-20mA DC輸入電阻250 eq oac(,16) 輸出跟蹤精度：0.5% eq oac(,17) 切換誤差：跟蹤自動0.5% 跟蹤手動10.5% 跟蹤手動25%2233 端子接線圖圖10 DTY-3400S接線圖伺服放大器的選型伺服放大器也叫伺服驅(qū)動器，是用來控制伺服電機(jī)的一種控制器。其作用類似于變頻器作用于普通交流馬達(dá)。主要應(yīng)用于高精度的定位系統(tǒng)。所選用的伺服放大器型號為ZPE2030Q2231 ZPE2030Q工作原理伺服放大器的輸入信號來自變送、調(diào)節(jié)等

15、單元的標(biāo)準(zhǔn)信號，與執(zhí)行機(jī)構(gòu)反應(yīng)來的位置信號，在放大器的前級進(jìn)行比擬即代數(shù)相減，比擬后的信號差值大于放大器的靈敏限時，電動執(zhí)行器功率出帶動閥門，完成各種自控調(diào)節(jié)，閥門的開啟方向也就是電動機(jī)的轉(zhuǎn)動方向，取決于輸入信號的量值，電動機(jī)總量朝著減小和反應(yīng)信號差值方向轉(zhuǎn)動。2232 技術(shù)參數(shù) eq oac(,1) 輸入信號：4-20mA. DC eq oac(,2) 輸入通道：1個 eq oac(,3) 輸入電阻：250歐姆 eq oac(,4) 輸出：輸出電壓降小于2V 電流 5A eq oac(,5) 死區(qū)：0.8-8%連續(xù)可調(diào) eq oac(,6) 電源：電壓 220V. AC 允差 +10%，-1

16、5% 頻率 50Hz 允差 +1%，-1% eq oac(,7) 報警觸頭容量：110V.AC /28V. DC . 1A eq oac(,8) 使用環(huán)境：溫度 0-50 相對濕度 10%-70% 周圍空氣中無起腐蝕作用的介質(zhì) 大氣壓力 86-106Kpa2234 d端子接線圖圖11 ZPE2030Q接線圖電動操作器的選型控制系統(tǒng)所選的電動操作器的型號是DFD-1000DFD-1000工作原理DFD-1000型電動操作器，采用“開關(guān)操作制原理進(jìn)行“手動與“自動的切換和操作。“自動跟蹤是在“手動工況，將執(zhí)行器位置反應(yīng)電壓1-5V.DC，加到調(diào)節(jié)器的積分電容兩端，使調(diào)節(jié)器輸出電流，始終跟蹤位置反應(yīng)

17、電流，并保持相等。技術(shù)參數(shù) eq oac(,1)、電源電壓：220V，50602Hz eq oac(,2)、開關(guān)觸頭額定容量：主回路 500V15A 信號回路 110V 2A eq oac(,3) 跟蹤電壓 1-5V eq oac(,4) 工作條件a、環(huán)境溫度 045b、相對濕度 85% eq oac(,5) 儀表重量 約3Kg eq oac(,6) 外形尺寸 29580160mm2243 端子接線圖圖12 DFD-1000接線圖225 執(zhí)行器的選型執(zhí)行器在自動控制系統(tǒng)中的作用是接受來自控制器的控制信號，通過其本身 開度的變化，從而到達(dá)控制流量的目的。本系統(tǒng)所選用的執(zhí)行器為ZAZN 電動雙座調(diào)

18、節(jié)閥2251 概述ZAZN電動雙座調(diào)節(jié)閥，由DDZ型直行程電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)和直通雙座閥兩局部組成。以單項交流220V電源為動力，接受010或mA或420mA直流信號，自動地控制調(diào)節(jié)閥開度，到達(dá)對管道內(nèi)流體的壓力、流量、溫度、液位等工藝參數(shù)的連續(xù)調(diào)節(jié)。座閥有上、下兩個閥芯球，流體作用在上、下閥芯上的推力，其方向相反而大小接近，不平衡力很小，允許壓差大，額定流量系數(shù)比同口徑的單座閥大，但該閥的泄漏較單座閥大。 適用于對泄露量要求不嚴(yán)格，閥前后壓差較大的干凈介質(zhì)場合。2252 閥體 eq oac(,1) 型 式：直通雙座鑄造球型閥 eq oac(,2) 公稱通徑：25、32、40、50、65、80、100、125、150、200、250、300mm eq oac(,3) eq oac(,4) eq oac(,5) 材料：鑄鋼ZG230-450、鑄不銹鋼ZGlCrl8Ni9Ti、ZGlCrl8Nil2Mo2Ti等 eq oac(,6) 上 閥 蓋：標(biāo)準(zhǔn)型-17+230、散熱型+230+450、低溫型-60-196、波紋管密封-40+3502253 閥內(nèi)組件 eq oac(,1) 閥芯型式：雙座